土的抗剪強(qiáng)度.doc

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1、第4章土的抗剪強(qiáng)度§4.1概述土的抗剪強(qiáng)度是指土體對(duì)外荷載所產(chǎn)生的剪應(yīng)力的極限抵抗能力。在外荷載作用下，土體中將產(chǎn)生剪應(yīng)力和剪切變形，當(dāng)土體某點(diǎn)由外力產(chǎn)生的剪應(yīng)力達(dá)到土的抗剪強(qiáng)度時(shí)，土就沿著剪應(yīng)力作用方向產(chǎn)生相對(duì)滑移，該點(diǎn)便發(fā)生剪切破壞。工程實(shí)踐和室內(nèi)試驗(yàn)都證明了土是由于受剪而產(chǎn)生破壞，剪切破壞是土體強(qiáng)度破壞的重要特點(diǎn)，因此，土的強(qiáng)度問(wèn)題實(shí)質(zhì)就是土的抗剪強(qiáng)度問(wèn)題。在工程實(shí)踐中與土的抗剪強(qiáng)度有關(guān)的工程問(wèn)題，主要有以下三類（圖4-1）：第一，是土作為材料構(gòu)成的土工構(gòu)筑物的穩(wěn)定問(wèn)題，如土壩、路堤等填方邊坡以及天然土坡等穩(wěn)定問(wèn)題（圖4-1a）；第二，是土作為工程構(gòu)筑物的環(huán)境的問(wèn)題，即土

2、壓力問(wèn)題，如擋土墻、地下結(jié)構(gòu)等的周圍土體，它的強(qiáng)度破壞將造成對(duì)墻體過(guò)大的側(cè)向土壓力，以至可能導(dǎo)致這些工程構(gòu)筑物發(fā)生滑動(dòng)、傾覆等破壞事故（圖4-1b）；第三，是土作為建筑物地基的承載力問(wèn)題，如果基礎(chǔ)下的地基土體產(chǎn)生整體滑動(dòng)或因局部剪切破壞而導(dǎo)致過(guò)大的地基變形，都會(huì)造成上部結(jié)構(gòu)的破壞或影響其正常使用的事故（圖4-1c）。圖4-1工程中土的強(qiáng)度問(wèn)題（a）土坡滑動(dòng)；（b）擋土墻傾覆；（c）地基失穩(wěn)§4.2土的強(qiáng)度理論與強(qiáng)度指標(biāo)4.2.1抗剪強(qiáng)度的庫(kù)侖定律土體發(fā)生剪切破壞時(shí)，將沿著其內(nèi)部某一曲線面（滑動(dòng)面）產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，而該滑動(dòng)面上的剪應(yīng)力就等于土的抗剪強(qiáng)度。1776年，法國(guó)學(xué)者庫(kù)侖（C

3、.A.Coulomb）根據(jù)砂土的試驗(yàn)結(jié)果（圖4-2a），將土的抗剪強(qiáng)度表達(dá)為滑動(dòng)面上法向應(yīng)力的函數(shù)，即（4-1）以后庫(kù)侖又根據(jù)粘土的試驗(yàn)結(jié)果（圖4-2b），提出更為普遍的抗剪強(qiáng)度表達(dá)形式：（4-2）式中—土的抗剪強(qiáng)度，kPa；—剪切滑動(dòng)面上的法向應(yīng)力，kPa；—土的粘聚力，kPa；—土的內(nèi)摩擦角，（）。式（4-1）和式（4-2）就是土的強(qiáng)度規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式，它是庫(kù)侖在十八世紀(jì)七十年代提出的，所以也稱為庫(kù)侖定律，它表明對(duì)一般應(yīng)力水平，土的抗剪強(qiáng)度與滑動(dòng)面上的法向應(yīng)力之間呈直線關(guān)系，其中、稱為土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。兩個(gè)世紀(jì)以來(lái)，盡管土的強(qiáng)度問(wèn)題研究已得到很大的發(fā)展，但這基本的關(guān)系式仍應(yīng)

4、用于理論研究和工程實(shí)踐，而且也能滿足一般工程的精度要求，所以迄今仍是研究土的抗剪強(qiáng)度的最基本的定律。圖4-2土的抗剪強(qiáng)度與法向應(yīng)力之間的關(guān)系（a）無(wú)粘性土;（b）粘性土4.2.2土的抗剪強(qiáng)度的構(gòu)成由式（4-1）和式（4-2）可以看出，砂土的抗剪強(qiáng)度是由內(nèi)摩阻力構(gòu)成，而粘性土的抗剪強(qiáng)度則由內(nèi)摩阻力和粘聚力兩部分構(gòu)成。內(nèi)摩阻力包括土粒之間的表面摩擦力和由于土粒之間的連鎖作用而產(chǎn)生的咬合力。咬合力是指當(dāng)土體相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，將嵌在其它顆粒之間的土粒拔出所需的力，土越密實(shí)，連鎖作用則越強(qiáng)。關(guān)于粘聚力，包括有原始粘聚力、固化粘聚力及毛細(xì)粘聚力。原始粘聚力主要是由于土粒間水膜受到相鄰?fù)亮Ｖg的電

5、分子引力而形成的，當(dāng)土被壓密時(shí)，土粒間的距離減小，原始粘聚力隨之增大，當(dāng)土的天然結(jié)構(gòu)被破壞時(shí)，原始粘聚力將喪失一些，但會(huì)隨著時(shí)間而恢復(fù)其中的一部分或全部。固化粘聚力是由于土中化合物的膠結(jié)作用而形成的，當(dāng)土的天然結(jié)構(gòu)被破壞時(shí)，則固化粘聚力隨之喪失，而且不能恢復(fù)。至于毛細(xì)粘聚力，是由于毛細(xì)壓力所引起的，一般可忽略不計(jì)。砂土的內(nèi)摩擦角變化范圍不是很大，中砂、粗砂、礫砂一般為～；粉砂、細(xì)砂一般為～。孔隙比越小，越大，但是，含水飽和的粉砂、細(xì)砂很容易失去穩(wěn)定，因此對(duì)其內(nèi)摩擦角的取值宜慎重，有時(shí)規(guī)定取左右。砂土有時(shí)也有很小的粘聚力（約10kPa以內(nèi)），這可能是由于砂土中夾有一些粘土顆粒，也

6、可能是由于毛細(xì)粘聚力的緣故。粘性土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的變化范圍很大，它與土的種類有關(guān)，并且與土的天然結(jié)構(gòu)是否破壞、試樣在法向壓力下的排水固結(jié)程度及試驗(yàn)方法等因素有關(guān)。內(nèi)摩擦角的變化范圍大致為～；粘聚力則可從小于10kPa變化到200kPa以上。4.2.3土的強(qiáng)度理論—極限平衡理論1910年摩爾（Mohr）提出材料的破壞是剪切破壞，并指出在破壞面上的剪應(yīng)力是為該面上法向應(yīng)力的函數(shù)，即（4-3）這個(gè)函數(shù)在-座標(biāo)中是一條曲線，稱摩爾包線，如圖4-3實(shí)線所示。摩爾包線表示材料受到不同應(yīng)力作用達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)，滑動(dòng)面上法向應(yīng)力與剪應(yīng)力的關(guān)系。土的摩爾包線通?？梢越频赜弥本€表示，如圖4-3虛線

7、所示，該直線方程就是庫(kù)侖定律所表示的方程。由庫(kù)侖公式表示摩爾包線的土體強(qiáng)度理論可稱為摩爾-庫(kù)侖強(qiáng)度理論。當(dāng)土體中任意一點(diǎn)在某一平面上的剪應(yīng)力達(dá)到土的抗剪強(qiáng)度時(shí)，就發(fā)生剪切破壞，該點(diǎn)也即處于極限平衡狀態(tài)。為了簡(jiǎn)化分析，下面僅考慮平面問(wèn)題來(lái)建立土的極限平衡條件，并且引用材料力學(xué)中有關(guān)表達(dá)一點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)的摩爾圓方法。圖4-3摩爾包線圖4-4用摩爾圓表示的土體中任意點(diǎn)的應(yīng)力根據(jù)材料力學(xué)，設(shè)某一土體單元上作用的大、小主應(yīng)力分別為和，則在土體內(nèi)與大小應(yīng)力作用平面成任意角的平面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力，可用-坐標(biāo)