土的抗剪强度粘聚力和内摩擦角.docx
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土的抗剪强度粘聚力和内摩擦角
土的抗剪强度一一粘聚力和内摩擦角
内縻擦角与黏(内)聚力:
土的抗剪强度由滑动面上土的黏聚力〈阻挡剪切)和土的内摩阻力两部分组成.
内摩擦角大小取决于上粒间的摩阻力和连锁作用,内摩擦角反映了土的摩阻性质。
黏聚力是黏性上的特性指标,黏聚力包括上粒间分子引力形成的原始黏聚力和上中化合物的胶结作用形成的固化黏聚力。
因而内摩擦角与黏聚力是土抗剪强度的两个力学指标。
上的抗剪强度指上对剪切破坏的极限抵抗能力,丄体的强度问题实质是上的抗剪能力问题。
土的抗剪强度指标——内摩擦角(P、黏(内)聚力C
上的内摩擦角(。
)
C-±的粘聚力(KPa)
AC与上的性质有关,还与实验方法、实验条件有关。
因此,谈及强度指标时,应注明它的试验条件。
(直剪实验、三轴剪切试验等)
土的抗剪强度
第一节概述
建筑物由于上的原因引起的事故中,一部分是沉降过大,或是差异沉降过大造成的:
另一方面是由于上体的强度破坏而引起的。
对于土工建筑物(如:
路堤、上坝等)来说,主要是后一个原因。
从事故的灾害性来说,强度问题比沉降问题要严重的多。
而上体的破坏通常都是剪切破坏;研究上的强度特性,就是研究土的抗剪强度特性。
1上的抗剪强度(“):
是指土体抵抗抗剪切破坏的极限能力,英数值等于剪切破坏时滑动的剪应力.
2剪切而(剪切带):
上体剪切破坏是沿某一而发生与剪切方向一致的相对位移,这个而通常称为剪切而。
其物理意义:
可以认为是由颗粒间的内摩阻力以及由胶结物和朿缚水膜的分子引力所造成的粘聚力所组成.
无粘性上一般无连结,抗剪强度主要是由颗粒间的摩擦力组成,这与粒度、密实度和含水情况有关.
粘性丄颗粒间的连结比较复杂,连结强度起主要作用,粘性突的抗剪强度主要与连结有关。
决上土的抗剪强度因素很多,主要为:
上体本身的性质,土的组成、状态和结构;而这些性质又与它形成环境和应力历史等因素有关:
此外,还决泄于它当前所受的应力状态。
土的抗剪强度主要依靠室内经验和原位测试确圧,试验中,仪器的种类和试验方法以及模拟上剪切破坏时的应力和工作条件好坏,对确泄强度值有很大的影响。
第二节抗剪强度的基本理论
一、库仑定律(剪切定律)1773年法国学者
在法向应力变化范用不大时,抗剪强度与法向应力的关系近似为一条直线,这就是抗剪强度的库仑左律.
无枯性土:
=6魄卜
粘性土;=6绘”十*式中:
:
土的抗剪强度,KpajJ
JV/WY*
tr:
剪切面的法向压力,Kja;a魄触土的內摩療系数:
3
巾:
土的內摩擦角,度:
3
c:
土的內聚力,Kpa,
Q堆机内摩擦力。
卩
雀仑定徉说明孑
(1)土的抗剪强度由土的内摩撩力Q哦和內聚力C两奇分组成"
⑵內摩療力与爾切面上的法向应力成正比,其比值为土的內摩糜系'殛讥••
(3)表征抗剪强度指标:
土的內厚猱弟冷和內聚力c・・,
无粘性土的c=(h內摩梅角他小主要取决于土拉表而的相糙程度和土拉交错扯列
的情况!
••
土包表而越粗鶴棱角越多,密实度迤大,则土的內摩撩系数大.〜
粘性土的內曼力C取决于土竝间的连结程虧内摩舉力(小訝)咬小…二、总应力法和有散应力法*
总应力法是用剪切面上的总应力率表示土的抗剪强度,即…
J=6吃0+2
有皴应力法是用萤切面上的有放应力来表示土的抗萤强度"即:
*
Tj=云總$£或勺Mb"f胃0」
式中;兀E或0,J分别为有放内摩常甬和有效内聚力.<
饱和土飾抗舸强度与土更翦刖在法向应力作用下的固结度脣壬而土只頁在有效应力
.耳效殛力逐淞增加的过程,就是土的抗画强度逐浙增加的过程…
勇切而上的法向应力与有效应力之间有如下关系’<
O■二十—
土的强度王突取决干有效应力大小.放抗翦强度的关系丈中应反映有鮫应力刃更为合适.即:
“
ig^c+cr=(b_#)E&b#J■
总应力法巧有敦应力法的优按点、,
1•总应力法:
优帚健作简单,运用方便.(一殷用直剪仪测定)“缺爲不能反映地基土在买你固結情况下的抗関强度•“
2.有救应力法孑优点;理论上比校严格,能校好的仮皴抗剪强度的实质,旋检验土体・处于不同固纺情况下的穂定性…
三、莫尔〜库仑區杯标准,
)・莫尔~库它破坏理论2以库仑公武『纶卄t作为抗剪强度公丈•根据剪应力杲否
去到抗码强度(匸="〉作为破坏标谁的理论就称为莫尔〜库仑破坏理论.-
0.莫尔〜库仑破坏准则〈标准)「硏梵葵尔〜库仑號坏理论如何亘損用主应力克示.这就童莫尔〜库仑破坏准则「也臨土的极隈平衡条件.》
I单元体上的应力和应力圆门
任取呈一单元土体咙占耳面积为極屯,衣单元你上任取某一超醺,则得公武,
Cf=£〔5+巧)4*(5-内)COS2a
r-—(cr,-o-j)sin2a
式中:
a:
任一柱面mn上曲法佝应力(Kpa);••
“任二裁面亦的菊应力(Kpah鼻
0,:
最大主应力:
〜
°3:
最小主应力Fa
«;截面阳与最4住应力作用方向的夫角.j
上述应力间的关系也可用应力圆(莫尔圆)表示。
GF-二(6十內)=-(CTj-(Tj)cos2a乙乙
取两丈平方和,即得应力區!
的公式£-
来示为纵、横坐标闕为和餾酚为(宵,0),圍半皆于¥
2.极限平衡条件卩
通过土中一点,在%碍作用下可岀现一对厠切破裂面如图.它们与最小主应力作用
方向的交角。
为"=(4亍4彳)
这一对皴裂五之间的交甜在円作用方向等于0=90-夕・亠
从应力园的几何条件可知:
abab
Sin铲=—=
6ao'o+a
而"o'o^ctg(p^c♦>
2
oa=
2
SV
0*14円亠2^•eig^
丑一步鑿理可得:
卩
厂b]—牛+CF,
——-——=C——尿耐
22
吆巧=a^g2(45*+—)+2e•Zg(45-+—)
22
、<f3=<r/g2(45*-—)-2ce/g(45o-—)
乙2
E
(1)由实尉住应力円及公式6=6/云(45・埒)乜・域仔¥)可推求土廃处乙乙
£酥状态时,所能承受的最犬主应力olf(若貓最大主应力中。
1)…
⑵同理,由实测0L及公式6=(45-一号)—2c・“(4亍一号)可推求土悠址无
躱限平衡状念时所能承受的谨小王应力出F(若买测^小王应力为<?
3);亠
(3>列断亠
当01E1或a3f«r3时,土座处壬稳定平衡
当0|冋1或。
3冋3时・土範捡丈扱限平衡*
当<51f<51或昭“刃时,土愿处丈失稳伏态.屮需三节抗毙强度得试險方法-一'她梯烁,
快剪(不排水剪)-
1、快剪(不排水剪)
这种试验方法要求在剪切过程中上的含水量不变,因此,无论加垂直压力或水平剪力,都必须迅速进行,不让孔隙水排岀.
适用范围:
加荷速率快,排水条件差,如斜坡的稳泄性、厚度很大的饱和粘上地基等。
2、固结快剪(固结不排水剪)
试样在垂直压力下排水固结稳龙后,迅速施加水平剪力,以保持上样的含水疑在剪切前后基本不变。
试用范用:
一般建筑物地基的稳泄性,施工期间具有一左的固结作用.
3、慢剪(排水剪)
上样的上、下两而均为透水石,以利排水,上样在垂直压力作用下,待充分排水固结达稳定后,再缓慢施加水平剪力,使剪力作用也充分排水固结,直至土样破坏。
适用范圉:
加荷速率慢,排水条件好,施工期长,如透水性较好的低塑性上以及再软弱饱和土层上的高填方分层控制填筑等等。
二、按试验仪器分
1、直接剪切试验
优点:
仪器构造简单,操作方便
缺点:
(1)剪切面不一泄是试样抗剪能力最弱的而;
(2)剪切而上的应力分布不均匀,而且受剪切而面积愈来愈小;
(3)不能严格控制排水条件,测不出剪切过程中孔隙水压力的变化。
2、三轴剪切试验
优点:
(1)试验中能严格控制试样排水条件及测左孔隙水压力的变化;
(2)剪切面不固定:
(3)应力状态比较明确
(4)除抗剪强度外,尚能测泄其它指标。
缺点:
(1)操作复杂;
(2)所需试样较多:
⑶主应力方向固定不甕而且是再令6二霑的轴对称惜况下逬行的,宵郵
情况尚不能完全符合“
三、按控制方法分:
剪切试验控制方法分为应变控制式和应力控制式两种。
四、直接剪切试验
1、取样要求:
用环刀取,环刀面积不小于3OcnN环刀高度不小于2cm,同一土样至少切取4个试样。
2、试验方法
(1)快剪(q):
试样在垂直压力施加后立即进行快速剪切,试验全过程都不许有排水现象产生。
(2)固结快剪(Cq):
试样在垂直压力下经过一左程度的排水固结后,再进行快速剪
切。
(3)慢剪(S):
试样在垂直压力排水固结后慢慢的进行剪切,剪切过程中孔隙水可自由排出。
试验结果:
一般情况下,快剪所得的值最小,幔剪所得的值最大,固结快剪居中.
3、指标计算
直捋勇坍试验的结臬用总应力法搜库仑公式十Eg®,计算抗勇强胚指标。
+•
用同一土试样切脱不少于四个试样进行不同垂宜压力作用下餉苑切试验后,用相同的比
例尺廷樂标娠上绘制抗與强度2垂直庄力P的相关直线,直赴交少轴的菽距郞为土的内
聚力C,直线倾斜角即为土的内摩膨角0枢关直线可用團解法或最小二乘法确定・"
4、残余抗剪强度
(1)物理意义:
上的剪应力〜剪应变关系可分为两种类型:
一种是曲线平缓上升,没有中间峰值,如松砂;另一种剪应力~剪应变曲线有明显的中间U金值,在超越峰值后,剪应变不断增大,但抗剪强度确下降,如密砂。
在粘性上中,坚硬的、超压密的粘丄的剪应力〜剪应变曲线常呈现较大峰值,正常压密上或软粘上则不出现峰值,或有很小的邺值。
(图见教材)超过雌值后,当剪应变相当大时,抗剪强度不再变,此时稳泄的最小抗剪强度,称为上的残余抗剪强度:
而峰值剪应变则称为峰值强度。
残余抗剪强度以下式表达。
式中:
“土的残余抗剪强厦屮
r残余内聚力(一骰0^0)KP扣
••WV>AA>
仇;残余內摩擬角(°)屮
OF:
垂直应压力(鸟舉)7
在进行滑坡的稳左性讣算或抗滑计算时,丄的抗剪强度的取值,一般需要考虑土的残余抗剪强度.
(2)试验方法
一般采用排水反复直接剪切试验,剪切速率应低于0.02mm/min,取上要求同上。
五、三轴剪切试验
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).保护其中之一(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,由此求岀土的抗剪强度。
2、试验方法
(1)快剪(不固结不排水剪)UU
试样在完全不排水条件下施加周用压力后,快速增大轴向压力到试样破坏。
控制方法:
应变控制式。
(2)固结快剪(固结不排水剪)CU
试样先在周围压力下进行固结,然后在不排水条件下快速增大轴向压力到试样破坏。
控制方法:
应变控制式。
(3)慢剪(固结排水剪)CD
试样先在周圉压力下进行固结,然后继续在排水条件下缓慢增大轴向压力到试样破坏。
控制方法:
应力控制式。
3、试样控制
(1)取上要求:
试样制备的数量一般不少于4件。
(2)试样尺寸:
试样直径(m
m)
裁血枳(cm2)
允许瑕大粒径(m
m)
附注
39c1
12
2
(1)允许个别超径颗粒存在,不应超过试件直径的1/5;
(2)对干有裂
61.8
30
5
101
80
10
隙.软弱面或结构面的上样.宜川直径61.8mmz或101mm的试样。
(3)试件疝度与直径的比值应为2。
0〜2・5
4、指标计算
将同一上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1
在纵轴上的截距
倾角
不固结不排水剪
总应力法
CU
固结不排水劈
总应力法
Ccu
有效应力法
C
固结排水剪
有效应力法
Cd
(注:
脚注f表示剪切破坏时的主应力值。
)此外,还有无策限压缩试验,十字板剪切试验.
例1、设粘性土地基中某点朗王殛力6=300広%23=及&,土的抗勇强应指标小卩=2亍,试^该点处干什么状新?
,
解:
由式,吗•城乜亍-与一2・c•壻(45*-与・・
2Z
可得土俊处.丈极阴平衡状态而最大王应力咖,时所沏应的贡小主应力为:
呵=6•刘(矽-£)"2・c0/2(45--%=90负
22
•0v冠
故;可判定该点处于稳定状态.屮
或:
由tZj=(45e+—)+-2cg(45-+—)**
22
得呵=320畑"
「知>巧a
•••稳定卩
例2莊行土得三轴剪切试验,得到下裘关系,求2这个土样有效应力相关得黏希力八内犀隙弟長也个试验是按固结不排水试验进行的八
固结压力(kg心I?
),
则玉力(kg/cm2)v
墨大应力差(kg/cmJ).-
最大应力差时舲孔陳
水压力(kg/cm3)门
13
13
0.57b
0.491k
2.2
2.Qp
1.1GW
0.945^
3.2
33
1.93D
1.282』,
§?
:
(D侧压力(j5=l,0
-^=0.571+10-0.490=1081你眈诫)』
巾=1.0-0.49=0.51flkg/cm2^
②0W压力円=20Kg/cnPBJ-*
*=-«!
=1.1014-20-0945=2156你豌曲)〜
解;①测压力a3=1.0Kg/cm2时卩
5,=巧一肚1=0.571+1.0—0.490=1.诜1(kg/cm2)卩
6夕'=6一u=1.0—0.49=0.510kgtan莓
2侧压力6=2・。
Kg/cm2时《•
-九]=1.101+2.0—0.945=2156(kg/cm2)心
=2—0.945=1.055kg心yP卩
3侧压力^3=3.0k0cm2时u
938+3-1.282=3.656(k^ctri2)d
o\,=―“=3.0—1.282=1.718kg/cm^Q
绘制莫尔应力图a
求得:
c=0(kg/cm2)p
0=210。
例3在饱和状态正常固结粘土上进行固结不拄水的三轴压缩试验得^如下值,当侧压力巧=20.bgfciT?
时.破坏时旳应力羞s-6=35kg 滑移面的方向和水平面咸60%求这时滑移面上的法向应力q和爾应力r和%另外.试验中的舉大剪应力及其方向短样呢? * 解: 根据在砂坏时, S=Aer+ct3=35+2.0=5.5畑匕/ '/a=60*■* •樓赶总应力的法向应力和敢应力T以 贝IJ: cf=3'+—__—cos2au "22 =5.5+2.015-20cos12()0=2即5 t=—_sin2a=—_—sin.120°=1.516kg/cm2*-* 22V*wWhAvVS/V^ 有效应力如下: 代/二耳==2.B75-22==0.67Tkjg/cm^/ 另外,最大剪应力发生在和水平面咸45。 的方向乙 其大小为: 仏=fi2f1=5.5-2.0=175鮒対
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- 关 键 词:
- 强度 粘聚力 摩擦角