《土抗剪强度指标与其工程应用》由会员分享，可在线阅读，更多相关《土抗剪强度指标与其工程应用（143页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、土的抗剪强度及其工程问题 同济大学 高大钊 二六年四月 内 容 l土的抗剪强度试验 l工程中的抗剪强度问题 l土的抗剪强度试验 抗剪强度和抗剪强度指标 l这是两个不同的概念，但经常被人们 混淆，看一个土坡的最简单的例子： l平行滑动面的力是滑动力T l抵抗滑动的是滑动面上的抗剪强度 滑动面上的力系 T N G A-滑动面的面积 l 滑动面上的抗剪强度 由两部分组成， 一部分与滑动面上的法向应力成正比，另 一部分与法向应力无关，可以写成如下的 表达式，式中的c 称为内聚力， 称为内 摩擦角，内聚力和内摩擦角就是这两个抗 剪强度指标。 l 这个表达式被称为库仑强度准则： l cptan lp=N/
2、A l 从整个土坡滑动面A上平均地看： l当T A时，土坡不会滑动， l当T A时，土坡就失稳了， l当T A时，称为极限平衡。 l 抗剪强度指标是土体的固有性质， 是描述土体中的抗剪强度随法向应力变 化规律的参数； l 抗剪强度是在一定的应力条件下， 土体滑动面上抵抗滑动的总强度。 土的抗剪强度试验原理与测定方法 l抗剪强度指标的物理概念 l直剪试验指标的测定 l三轴试验指标的测定与资料分析 抗剪强度指标的物理概念 l 土的抗剪强度是指土体抵抗剪切破 坏的能力。在土力学中，采用摩尔库 仑强度准则，用内摩擦角和内聚力两个 指标描述土的抗剪强度规律，即在土的 破裂面上，抗剪强度随法向应力增长的
3、规律。摩尔库仑强度准则是土力学的 三大定律之一。 l = c p tan l 对于c0的土，称为纯摩擦材料， 内摩阻力包括土粒之间的表面摩擦力和 由于土粒之间的联锁作用而产生的咬合 力。咬合力是指当土体相对滑动时，将 嵌在其它颗粒之间的土粒拔出所需的力 ，土越密实，联锁作用则越强。 l = c p tan l 对于 0的土，称为凝聚性材料， 构成内聚力的物理原因是土的细颗粒表 面作用，是一种物理化学作用。 l 原始粘聚力主要是由于土粒间水膜受 到相邻土粒之间的电分子引力而形成的， 当土被压密时，土粒间的距离减小，原始 粘聚力随之增大。当土的天然结构被破坏 时，原始粘聚力将丧失一些，但会随着时
4、间而恢复其中的一部分或全部。 l 固化粘聚力是由于土中化合物的胶结 作用而形成的，当土的天然结构被破坏时 ，则固化粘聚力随之丧失，而且不能恢复 。 抗剪强度指标的测定方法 l 在室内试验中，可以用直剪试验或 三轴试验来测定土的抗剪强度指标。 l 对粗粒土应当用大尺寸的仪器或现 场大型直剪试验测定。 l 对软土，也可以用原位测试十字 板试验测定。 l 土的抗剪强度指标和土的原始 状态、应力路径、应力历史、排水 条件等因素有关，考虑不同因素影 响时，应采用不同的试验方法。 l 考虑上述复杂因素的试验只能 用三轴仪才能模拟。三轴试验分为 常规的试验和特殊的试验两类。 直剪试验 直剪试验结果 l f
5、= c p tan l第一级荷载必须大于上覆有效压力 直剪试验方法 快剪试验 l 在土样上下两面安置不透水的铜板 或塑料膜，并在施加竖向压力后立即施 加水平剪力进行剪切，而且剪切的速率 也很快，一般只3 5min 。采取这些措 施的目的是为了控制土样在试验时不固 结排水，以便测定天然状态的强度指标 。快剪试验得到的指标用 cq 、 q表示。 l 由于直剪仪固有的缺点，尽管采取 了上述措施，土样和环刀之间仍有渗水 通道，不能保证土样处于完全不排水的 状态，特别是对透水性比较大的土影响 更大。 固结快剪试验 l 在土样上下两面安置透水石，在施 加竖向压力以后给以充分时间使土样固 结排水。固结排水终
6、了后再施加水平剪 力，快速地将土样剪坏。 l 这种试验方法模拟在法向应力作用 下固结完成但在剪应力作用下不排水的 工况，由于放置了透水板，更不能保证 在剪切时处于完全不排水的状态，对于 透水性比较大的土样将会得到过大的抗 剪强度值。固结快剪试验得到的指标用 ccq 、 cq表示。 慢剪试验 l 施加竖向压力后土样固结排水的要求 与固结快剪试验相同，在固结终了后以 相当慢的速度施加水平剪力，剪切速率 控制在小于0.02mm /min以使土样在剪切 过程中有充分时间排水和产生体积变形 ，得到的指标模拟完全排水的工况。慢 剪试验指标用 cs 、 s 。 直剪试验排水控制措施 竖向压力剪应力结果 快剪
7、不用透水板 立即剪切 快速 固结快剪用透水板快速剪切时透水 途径通畅 慢剪用透水板慢速 直剪仪不能有效地控制排水 l 直剪仪中的土样无法封闭，无论土 样承受法向应力或剪应力，无论剪切速 度多快，孔隙水总会沿着土样和环刀之 间的缝隙流失，无法测定不排水条件下 的强度，使快剪试验的结果特别离散， 而且内摩擦角往往偏大，用于工程是偏 于危险的；在固结快剪试验中，剪切时 的排水也使内摩擦角偏大。 l 曾有文献报道，对于塑性指数小于11的 土，固结快剪试验的内摩擦角与慢剪试验的 内摩擦角很接近， 一般只比慢剪试验的内摩 擦角小1 2 ，但在塑性指数为11 18的土 中，两者的数值相差很大，一般为10左右
8、 。这是由于低塑性土的渗透系数比较大，在 固结快剪试验中孔隙水消散很快，剪切时土 的固结状态已接近于慢剪试验，因此两者的 结果相近。由此可见，直剪试验不适用于低 塑性土。 仪器构造的缺陷 l直剪仪上下盒之间的缝隙 l 为了避免上下盒之间的摩擦，在上下盒之 间留有一定的缝隙。对软土作快剪试验时，由 于竖向荷载对土样的挤压作用，软土侧面挤入 缝隙中，既破坏了土的结构，又影响了试验的 结果。试验砂土时，细小的砂粒嵌进上下盒之 间的缝隙中使摩阻力增大，使试验结果失真。 可见直剪仪也不适用于砂土和软土。 人为规定了剪切面 l 直剪试验时土样的剪切面是人为规定的 。 由 于剪切总是发生在上下盒之间，剪切面
9、人为规定为 水平方向，这与实际工程中发生在土体内的剪切面 方向是不一致的。实际工程中，剪切总是沿着最薄 弱的方向发展，而水平方向往往并不是最薄弱的。 特别在夹薄层粉砂的粘性土层中，如果硬性规定的 剪切面正好在粉砂薄层中，就会得到过大的抗剪强 度值。 剪切过程中剪切面在变化 l 剪切面积随剪切位移的增加而减小 且土样应力条件非常复杂 这一缺点限制 了直剪仪在研究方面的应用，但在工程 实用方面引起的误差是可以容许的。 关于直剪仪的总结 l1. 直剪仪存在许多致命的缺陷，国外已 经被淘汰，但我国还是常规武器； l2. 我国地基设计规范对直剪仪的态度， 经历了从限制使用条件到企图完全淘汰 的过程，但还
10、没有具备淘汰的条件； l3. 在过渡的时间内，正确认识直剪仪的 问题，不致发生滥用是至关重要的； 89设计规范的限制条件还是合适的 l直剪试验不适用于低塑性土。 l直剪试验也不适用于砂土和软土。 l如89版建筑地基基础设计规范规定 直剪试验只适用于二级及三级建筑物的 可塑状粘性土和饱和度不大于0.5的粉土 。 三轴试验 l 三轴试验的土样是在轴对称应力条 件下剪切的，圆柱形土样侧面作用着小 主应力 3 ，顶面和底面作用着大主应力 1 ，大、小主应力可以根据试验要求控 制其大小和变化。土样包在不透水的橡 皮膜中，在土样的底面和顶面都设置了 可以控制的排水管道，通过阀门可以改 变土样的排水条件，并
11、可通过管道量测 土样顶部或内部的孔隙水压力 。 三轴试验指标的测定与资料分析 l三轴试验原理 : l以材料力学的摩尔圆表示一点的应力状 态为基础，以库仑强度理论为准则。 l三轴试验方法: l利用三轴仪的设备条件，用各种方法模 拟土的各种应力条件和物理状态。 l三轴试验结果的资料整理 ： l试验资料的分析计算： 三轴试验原理 l 三轴试验是建立在轴对称极限平衡 理论基础上的一种土工试验，与直剪试 验相比，应力条件明确，分析原理严密 ，可以模拟各种排水条件和应力条件。 摩尔圆 土体中一点 的应力状态 主应力的 概念 当截面的方 向变化时， 截面上应力 状态的变化 摩尔库仑 强度包线 l破坏圆是破坏
12、时的应力圆 l破坏圆的公切线即为强度包线 l l从0点到圆心的距离等于半径除以sin； l移项以后就得到极限平衡条件的表达式 破坏圆上的应力条件 l 化简并通过三角函数间的变换关系 ，从而可得到常用的土的极限平衡条件 ： l例题土样内摩擦角为 =26，粘聚力为20kPa，承 受大主应力和小主应力分别为450kPa和150kPa， ，试判断该土样是否达到极限平衡状态？ l 解 已知小主应力，现将其余已知的有关数据代 入到式(6-6)的右侧，得小主应力的计算值为： l计算结果可以认为的计算值与已知值相等，所以 该土样处于极限平衡状态。 l 对上述问题：内摩擦角为 =26，粘 聚力为20kPa，承受
13、大主应力和小主应力 分别为450kPa和150kPa l 如果用图解法，则同样会得到摩尔 应力圆与抗剪强度线相切的结果。 关于摩尔圆的几个概念 l1. 1 3时，摩尔圆为一个点； l2. 在1逐渐增大的过程中，达到破坏以 前，土体都处于弹性状态； l3. K0圆处于弹性状态。当土体处于K0条 件时，如图中的K0圆，此时的土体处于 弹性平衡状态，不会发生破坏。 l4. 从K0圆到破坏圆的过程，就是土体剪 切破坏的发生过程，是从弹性状态向塑 性状态发展的过程。在破坏圆上，有两 个特征点，一个的最大剪应力，将每个 破坏圆是的最大剪应力点连成Kf线，Kf线 不是强度包线。 l5. 一系列破坏圆的公切线
14、才是摩尔强度 包线，摩尔强度包线的参数才是抗剪强 度指标。 三轴仪设备 三轴仪的主机 l 三轴剪力仪由主机、稳压系统和量测系统 三个部分组成。 l 主机包括压力室、周围压力系统和轴向加 压设备。圆柱形的土样用橡皮膜包裹密封后置 于压力室内，由周围压力系统通过压力水对土 样施加周围压力3，由轴向加压设备通过量力 环、活塞杆对土样施加轴向的偏应力（1-3） ，在忽略土样帽与土样之间摩擦力的条件下， 周围压力3即为小主应力，偏应力与周围压力 之和3 +(1-3)即为大主应力1 。 l 稳压系统包括压力源、调压筒和压 力表等，用以调节和保持周围压力的稳 定，以保证使用结果的准确性。 l 对于剪切时不排
15、水的试验，采用量 测稳压系统中补充给压力室的水量来测 定土样的体积变形，此时稳压系统具有 量测的作用，但对压力水去除气泡的要 求很高。 l 量测系统用以量测从土样中排出孔 隙水的体积，测定孔隙水压力的变化以 及对土样施加应力的大小。 l 三轴仪的控制系统可以分别控制土 样在周围压力和偏应力作用时的排水条 件，可以克服直剪仪无法控制排水条件 的缺点，因此能够测定在不同固结排水 条件下的抗剪强度指标。 三轴试验方法与分析方法 l试验方法： l不固结不排水剪 l固结不排水剪 l固结排水剪 l分析方法： l总应力法 l有效应力法 三种试验的方法 试验方法施加 周围压力 施加 偏差压力 孔隙水压力 不固
16、结不排 水剪UU 关排水阀门 关排水阀门不测孔隙水 压力 固结不排水 剪CU 开排水阀门 关排水阀门测孔隙水压 力 排水剪CD开排水阀门 开排水阀门保持为零 不固结不排水试验（UU试验） l 在施加周围压力时关闭排水阀门， 此时土样内的孔隙水压力等于周围压力 ，随后也在关闭排水阀门的条件下施加 偏应力，不容许土样中的孔隙水排出， 直至土样剪切破坏，测定的抗剪强度指 标用cu、u 表示，对饱和土u 。 饱和土的不固结不排水试验 非饱和土的不固结不排水试验 固结不排水试验（CU试验） l 试验时先对土样施加周围压力并打 开排水阀门，在土样排水所过程中可以 观察到土样高度逐步减小和土样体积的 减小，如果同时量测孔隙水压力则可观 察到孔隙水压
