土的抗剪强度特性

土的抗剪强度特性[摘要]抗剪强度是土的主要力学性质之一，也是土力学的重要组成部分。土体是否达到剪切破坏状态，除了取决于其本身的性质之外，还与它所受到的应力组合密切相关。为了保证土木工程建设中建(构)筑物的安全和稳定，就必须详细研究土的抗剪强度和土的极限平衡等问题。[关键词]抗剪强度1土的抗剪强度理论1.1库伦公式及抗剪强度指标库伦根据砂土的直接剪切试验，将土的抗剪强度表达为剪切破坏面上的法向总应力的线性函数，即以后又根据黏性土的试验结果，提出更为普遍的抗剪强度表达形式，即式中，---土的抗剪强度，kPa---剪切破坏面上的法向总应力，kPac---土的黏聚力，kPa---土的内摩擦角土的抗剪强度主要由粘聚力c和内摩擦角来表示，土的粘聚力c和内摩擦角称为土的抗剪强度指标。土的抗剪强度指标主要依靠土的室内剪切试验和土体原位测试来确定。测试土的抗剪强度指标时所采用的试验仪器种类和试验方法对土的抗剪强度指标的试验结果有很大影响。本章将介绍主要的测试仪器和常规的试验方法，另外，还将阐述试验过程中土样排水固结条件对测得的土体抗剪强度指标的影响，以便根据实际的工程条件来选择合适的指标。上述土的抗剪强度表达式中法向应力若采用总应力表示时，称为总应力表达式。根据有效应力原理，饱和土中某点的总应力等于有效应力和孔隙水压力u之和，即。若法向应力采用有效应力，则可以得到如下抗剪强度的有效应力表达式，即式中，u---土中超静孔隙水压力，kPa---土体剪切破坏面上的有效法向总应力，kPa---土的有效黏聚力，kPa---土的有效内摩擦角1.2莫尔-库伦强度理论莫尔认为在破裂面上，法向应力与抗剪强度之间存在着函数关系，即（）这个函数所定义的抗剪强度线为一条曲线，称为莫尔破坏包线或抗剪强度包线，如图5-3所示。根据计算点的应力值与莫尔抗剪强度包线的关系，可以检验是否达到破坏状态。如果表示土单元体中某一个截面上和的点落在破坏包线以下，表明该面上的剪应力小于土的抗剪强度土体不会沿该面发生剪切破坏。若正好落在破坏包线上，表明剪切面上剪应力等于抗剪强度，土单元体处于临界破坏状态或极限平衡状态。若位于破坏包线以上，即处于破坏区域内，表明土单元体已经破坏，实际上此时剪应力增加到抗剪强度时，可将产生应力迁移和应力重分布，不可能再继续增长。2三轴剪切试验2.1原理三轴剪切试验的原理是在圆柱形试样上施加最大主应力（轴向压力）和最小主应力（周围压力）。固定其中之一（一般是）不变，改变另一个主应力，使试样中的剪应力逐渐增大，直至达到极限平衡而剪坏，由此求出土的抗剪强度。三轴剪切试验仪（也称三轴压缩仪）由受压室、周围压力控制系统、轴向加压系统、孔隙水压力系统以及试样体积变化量测系统等组成。试验时，将圆柱体土样用乳胶膜包裹，固定在压力室内的底座上。先向压力室内注入液体(一般为水)，使试样受到周围压力σ3，并使σ3在试验过程中保持不变。然后在压力室上端的活塞杆上施加垂直压力直至土样受剪破坏。2.2试验方法按剪切前的固结程度和剪切过程中的排水条件三轴试验可分为三种类型：（1）不固结不排水剪（UU）试样在完全不排水条件下施加周围压力后，快速增大轴向压力到试样破坏。试验过程由始至终关闭排水阀门，土样在剪切破坏时不能将土中的孔隙水排出。土样在加压和剪切过程中，含水量始终保持不变，得到的抗剪强度指标用cu、φu表示。控制方法：应变控制式。（2）固结不排水剪（CU）先对土样施加周围压力，将排水阀门开启，让土样中的水排入量水管中，直至排水终止，土样完全固结。然后关闭排水阀门，施加竖向压力，使土样在不排水条件下剪切破坏，得到的抗剪强度指标用ccu、φcu表示。控制方法：应变控制式。（3）固结排水剪（CD）在固结过程和的缓慢施加过程中，都让土样充分排水(将排水阀门开启)，使土样中不产生孔隙水压力。故施加的应力就是作用于土样上的有效应力，得到的抗剪强度指标用ccd、φcd表示。2.3指标计算设土样破坏时由活塞杆加在土样上的垂直压力为，则土样上的最大主应力为，而最小主应力为。由和可绘制出一个莫尔圆。用同一种土制成3-4个土样，按上述方法进行试验，对每个土样施加不同的周围压力，可分别求得剪切破坏时对应的最大主应力，将这些结果绘成一组莫尔圆。根据土的极限平衡条件可知，通过这些莫尔圆的切点的直线就是土的抗剪强度线，由此可得抗剪强度指标c、φ值(图5-11)。三轴试验基本原理(a)试样围压(b)破坏时试样主应力(c)应力圆与强度包线将同一土样在不同应力条件下所测得的不少于4次的三轴剪切试样结果，分别绘制应力圆，从这些应力园的包线即可求出抗剪强度指标。试验方法分析方法应力园包线圆心横坐标半径在纵轴上的截距倾角不固结不排水剪总应力法)(2131ff)(2131ffCuu固结不排水剪总应力法)(2131ff)(2131ffCcucu有效应力法)''(2131ff)''(2131ffC’'固结排水剪有效应力法',0u)(2131ff)(2131ffCdd（注：脚注f表示剪切破坏时的主应力值。）试验方法的优劣：优点：（1）试验中能严格控制试样排水条件及测定孔隙水压力的变化；（2）剪切面不固定；（3）应力状态比较明确，（4）除抗剪强度外，尚能测定其它指标。缺点：（1）操作复杂；（2）所需试样较多；（3）主应力方向固定不变，而且是令的轴对称情况下进行的，与实际情况尚不能完全符合。3三轴试验中土的剪切性状3.1无黏性土的剪切性状无黏性土的密实度对其剪切过程中的应力-应变特性有着决定性的影响，对松砂而言，应力-轴向应变关系呈应变硬化型，它的体积则逐渐减小。但是，密砂的强度达峰值后，随着轴向应变的继续增加偏应力反而减小，应力一轴向应变关系最后呈应变软化型，它的体积开始时稍有减小，继而增加，超过其初始体积。这种剪切过程中的体积缩小、膨胀现象分别称为剪缩性、剪胀性。松散的砂土受剪时，颗粒滚落到孔隙中新的平衡位置，导致颗粒结构排列得更加紧密，体积逐渐缩小，即呈剪缩性；反之，对密实的砂土，在剪力作用下，颗粒要产生相对移动，必然要围绕相邻颗粒转动并向上翻越，从而导致体积膨胀，即呈剪胀性。然而，密实的砂土的这种剪胀趋势随着围压的增大、土粒的破碎而逐渐消失。因此，在高围压下，不论无黏性土的密实程度如何，受剪都将剪缩。3.2黏性土的剪切性状(1)不固结不排水强度（UU）不固结不排水试验的“不固结”是在三轴压力室压力下不再固结，而保持试样原来的有效应力不变，如果饱和黏性土从未固结过，将是一种泥浆状土，抗剪强度也必然等于零。一般从天然土层中取出的试样，相当于在某一压力下已经固结，总具有一定天然强度。天然土层的有效固结压力一般随深度变化的，所以不排水抗剪强度也随深度变化，均质的正常固结不排水强度大致随有效固结压力成线性增大。(2)固结不排水强度（CU）对于固结不排水强度试验，由于试样在、下固结稳定，故试验时可直接施加使其固结稳定。然后，在不允许水有进出的条件下逐渐施加附加轴向压力即偏应力，直至试样剪切破坏。试验结果如图所示，图中以实线表示的为总应力破坏包线，如果在进行三轴试验过程中同时量测孔隙水压力，试验结果可以用有效应力圆和有效应力破坏包线，uf为剪切破坏的孔隙水压力，由于，即有效应力圆与总应力圆直径相等，但位置不同，两者之间的距离为uf。总应力破坏包线和有效应力破坏包线都通过原点，说明未受任何固结压力的土不会具有杭剪强度。故cu、c’均为零。(3)固结排水强度（CD）对于固结排水强度试验直接施加使其固结稳定，然后，在逐渐施加附向轴向压力，即偏应力，在试验剪破过程中，允许试验充分排水。由于在固结与剪切整个试验过程中均允许试验充分排水，剪切前和剪切过程中的孔隙水压力始终为零。试验所得到的一组破坏应力圆的直径必将随着围压增量的增大而增大。所以总应力圆就是有效应力圆，总应力破坏包线即为有效应力破坏包线。参考书目[1]张孟喜.土力学原理[M].武汉：华中科技大学出版社，2010.