知識資料土力學(xué)與地基基礎(chǔ)(七)(新版)知識資料

朽木易折，金石可鏤。千里之行，始于足下。第頁/共頁需要課件請或第四節(jié)土的抗剪強度土的強度問題,實質(zhì)上就是一部分土體與另一部分之間相對滑動的抵御能力。在工程實際中常見的強度問題,可歸納為三大類:第一,作為土工結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定性問題。如人工筑成的路堤、土壩、基坑等的邊坡,以及天然土坡等的穩(wěn)定性;第二,作為結(jié)構(gòu)物的環(huán)境,如擋土墻、地下室的側(cè)墻、橋臺、地下鐵道的襯砌等,作用在墻面上土壓力大小與土的強度有直接關(guān)系;第三,建造物地基的承載力問題。邊坡穩(wěn)定、土壓力和地基承載力等問題,是土抗剪強度的實際應(yīng)用,所以抗剪強度是土力學(xué)基本理論問題之一。一、抗剪強度的基本概念及測定主意土的抗剪強度符合摩擦定律。因為它是同一種材料不同部分之間的滑動,故特稱為內(nèi)摩擦,相應(yīng)的系數(shù)稱為內(nèi)摩擦系數(shù)。可通過實驗決定。(一)土的抗剪強度邏輯圖12-4-1應(yīng)變控制式直剪儀1一輪軸；2一底座；3—透水石；4—測微表；5一活塞；6一上盒；7—土樣；8—測微表；9一量力環(huán)；10一下盒；11一剪切面圖12-4-1表示一種最容易的強度實驗儀,稱為直剪儀。由上盒和下盒所組成,上盒固定不動,下盒可自由移動。土樣的直徑64mm,相當(dāng)于面積A=30cm2;厚度25mm。實驗時,把土樣置于盒內(nèi)上下透水石之間,通過承壓板施加豎向荷載黏;推進下盒施加剪切力τ。土樣破壞時,在上下盒之間形成剪切面,則破壞時剪切面上的法向應(yīng)力σ和抗剪強度τf分離為:σ=P/Aτf＝T/A取3-4個重度與含水量大致相同的土樣,分離在不同的豎向荷載P作用下舉行剪切試驗,就可以得到抗剪強度與法向應(yīng)力之間的關(guān)系。1.砂土的抗剪強度邏輯砂土以及其他無黏性土的抗剪強度取決于顆粒的形狀、粗細、級配、礦物成分等因素;對于給定的砂樣,主要的因素是孔隙比和密實度。圖12-4-2表示砂土抗剪強度的普通邏輯性;圖12-4-2(α)為剪切過程中的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線,峰值應(yīng)力即表示土的抗剪強度;圖12-4-2(b)為砂土的抗剪強度與法向應(yīng)力之間的關(guān)系,是一條通過原點的斜線。強度邏輯可用公式表示:τf＝σtgΦ(12-4-1式中τf一一土的抗剪強度;σ一一剪切面(破壞面)上的法向應(yīng)力。圖12-4-3表示密實度對抗剪強度的影響;密砂的應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有峰值特征,而且在剪切過程中體積膨脹,具有剪脹性;松砂無峰值特征,剪切過程中體積收縮,具有剪縮性。2.黏性士的抗剪強度邏輯黏性土的強度邏輯是一條不通過原點的斜線,見圖12-4-4所示。強度邏輯公式為:τf＝σtgΦ＋c(12-4-2)式中c一一土的黏聚力;土的內(nèi)摩擦角Φ和黏聚力C稱為抗剪強度參數(shù)(指標(biāo))。對于飽和的黏性土,因為在豎向和切向應(yīng)力作用下,土中會產(chǎn)生孔隙水應(yīng)力以及排水固結(jié)的過程。把有效應(yīng)力原理引入公式(12-4-2),寫成:τf＝（σ－u）tgΦ‘＋c’＝σ‘tgΦ‘＋c’(12-4-3)式中σ‘一一(σ－u)剪切面上有效法向應(yīng)力;c’,Φ‘——有效黏聚力和有效內(nèi)摩擦角。因此,飽和黏性土的抗剪強度實驗有總應(yīng)力法和有效應(yīng)力法之分;相應(yīng)的強度參數(shù)有總應(yīng)力參數(shù)和有效應(yīng)力參數(shù)之別。因為直剪實驗不能量測土樣內(nèi)的孔隙水應(yīng)力,不能從定量上知道土樣的排水固結(jié)的程度。所以只能按照控制實驗速度來求得不同的強度參數(shù),規(guī)定了以下三種不同的實驗主意:快剪:在士樣上下面上加一層塑料薄膜防止孔隙水排出,在豎荷載施加后趕緊(3~5分鐘)舉行剪切直至破壞;固結(jié)快剪:先讓土樣在豎荷載下充足排水固結(jié)(通常恒壓24小時),然后迅速地將土樣剪壞;慢剪:土樣在豎向荷載下充足排水固結(jié),然后緩慢(約40分鐘或更長時光)地施加剪應(yīng)力直至破壞。以上三種實驗,可以得到不同的強度參數(shù),實際應(yīng)用時要按照工程和土層的詳細情況選用實驗主意及其強度參數(shù)。例如在濃厚的高塑性黏土地基上,建造物施工速度很快,預(yù)計動土層在施工期排水固結(jié)程度很小,就應(yīng)該采用快剪的參數(shù)來分析地基的穩(wěn)定性;又如施工期很長,預(yù)計土層能夠充足排水固結(jié),但竣工后可能有瞬時荷載,在這種情況下可以用固結(jié)快剪的參數(shù)。(二)三軸剪力實驗直剪實驗測定土的抗剪強度,儀器容易,操作方便,至今仍廣泛使用。但它存在著以下問題。首先是不能量測土樣中的孔隙水壓力,無法控制排水固結(jié)的程度;第二是破壞時剪切面被限制在上下匣之間的隙縫處倘若土樣中有薄弱夾層時,就不能準(zhǔn)確反映實際情況;第三剪切面上應(yīng)力分布復(fù)雜,試樣前后端應(yīng)變異常顯著,應(yīng)力擴散。所以目前對于重要工程以及舉行理論研究,都須采用三軸剪力實驗。1.三軸儀的構(gòu)造圖12-4-5三軸儀構(gòu)造三軸實驗儀的構(gòu)造如圖12-4-5所示,由三大部分組成:第一部分為主機,包括受壓室和豎向應(yīng)力施加系統(tǒng);第二部分是圍壓系統(tǒng);第三部分為孔壓系統(tǒng)。實驗時,將土樣包在橡皮膜內(nèi)置于受壓室的底座上,通過圍壓系統(tǒng)對土樣施加勻稱壓力;通過傳力桿施加軸向應(yīng)力;通過孔壓系統(tǒng)測定孔隙水應(yīng)力。2.三軸實驗的基本原理從材料力學(xué)應(yīng)力分析可知,在σl和σ3主應(yīng)力作用下,隨意方向平面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力可以用應(yīng)力圓來表示。見圖12-4-6所示,當(dāng)應(yīng)力圓的位置正巧與抗剪強度線相切時,切點對應(yīng)平面上的法向應(yīng)力σ和剪應(yīng)力T的關(guān)系滿意土的強度時,土樣就被剪壞了。按照這一關(guān)系,取3~4個土樣(土樣直徑3.8cm,高7.6cm)在不同的的作用下增強σ直至破壞,分離將破壞時的應(yīng)力圓畫出來,作這些圓的公切線,即為土的抗剪強度線,其截距和傾角即為抗剪強度參數(shù)c和Φ。3.三軸實驗資料收拾三軸實驗各階段土樣受力情況,孔隙水壓力變化等都可以測定和控制。三軸實驗施加強度包線(虛線表示)。總應(yīng)力圓與有效應(yīng)力圓直徑大小相同,兩者之間位置差即孔隙水壓力uf,相應(yīng)的參數(shù)ccu，Φcu和c‘,Φ‘。對于CD實驗,囫圇實驗過程中充足排水,所以總應(yīng)力圓與有效應(yīng)力圓相等,只能得到一條強度包線及其參數(shù)c‘,Φ‘。對于正常固結(jié)的土,有效應(yīng)力強度包線通常是通過原點,或c‘≈0。圖12-4-7飽和黏性土不排水剪切實驗結(jié)果圖12-4-8三軸固結(jié)不排水實驗結(jié)果圖12-4-9三軸排水實驗結(jié)果(三)無側(cè)限和十字板強度實驗無側(cè)限和十字板實驗也是兩種常用的主意。這兩種實驗基本上都屬于不排水剪,所以其強度也視作天然強度。無側(cè)限又稱單軸壓縮實驗。相當(dāng)于三軸實驗中σ3=0的條件。實驗結(jié)果只能得到一個應(yīng)力圓,見圖12-4-10。若抗壓強度為qu'則不排水強度圖12-4-10無側(cè)限強度c=qu/2十字板實驗是現(xiàn)場原位測定土強度的主意。儀器設(shè)備見圖12-4-11所示。先在現(xiàn)場鉆孔至測點標(biāo)高,然后插入一個高H,直徑為D十字板,通過地面上的轉(zhuǎn)盤施加一個扭轉(zhuǎn)力矩M