土的抗剪强度-粘聚力和内摩擦角

1、土的抗剪强度-粘聚力和内摩擦角(2009-08-19 14:12:44)标签：杂谈内摩擦角与黏（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土粒间的摩阻力和连锁作用，内摩擦角反映了土的摩阻性 质。黏聚力是黏性土的特性指标，黏聚力包括土粒间分子引力形成的原始黏聚力和 土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。土的抗剪强度指土对剪切破坏的极限抵抗能力， 土体的强度问题实质是土的抗剪 能力问题。土的抗剪强度指标内摩擦角 小、黏（内）聚力C土的内摩擦角（° ）c土的木聚力（KPa旌C与土的

2、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土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；另一方面是由于土体的强度破坏而引起的。 对于土工建筑物（如：路堤、 土坝等）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。而土体的破坏通常都是剪切破坏； 研究土的强度特性，就是研究土 的抗剪强度特性。土的抗剪强度（p f）:是指土体抵抗抗剪切破坏的极限能力，其数值等 于剪切破坏时滑动的剪应力。剪切面（剪切带）：土体剪切破坏是沿某一面发生与剪切方向一致的相对

3、位移，这个面通常称为剪切面。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束缚水膜的分 子引力所造成的粘聚力所组成。无粘性土一般无连结，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。粘性土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。决定土的抗剪强度因素很多，主要为：土体本身的性质，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；止匕外，还决定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定，试验中，仪器的种类和试 验方法以及模拟土剪切破坏时的应力和工作条件好坏，对确定强度值有很大的影 响。第

4、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围不大时，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定律。无粘性土：叮=#.4加 粘性土： q=仃- £好十3式中上r-i 土的抗翦强度' Kpaj 口JI仃；前切面的法向压力，Kgas 维机土的内摩搽系数工口4 ： 土的内摩IS角.度：/c； 土的内聚为，Kpa. 7 仃但机内摩擦力 口在仑定律说明：（1）土的抗剪强度由土的内孽原力。坦©和内聚力C两都分组成。”（2）内摩力与奥切面上的法向应力成正比，其比值为土的内厚母系数名人（3）表征抗弱强度指标，土的内摩席角虫

5、和内聚力一，无粘性土的c=0,内摩擦角（培麻）主要取决于土技衰而的粗糙程度和土粒交储排列的情况 *土粒表面越粗糙，棱角越多，密实度越大，则土的内摩擦系数大.-粘性土的内聚力c取决干土粒间的连结程度：内摩擦力 5® 菽小二、总应力法和有效应力法*源应力法是用或切面上的总应力来表示土的抗剪强度，即：口Tj - <r Zg0+c*有效应力法是用煎切面上的有池应力来表示土的抗爽强度，即：-。=行 £g或。=/ tg$ +c'a式中：K守或产，/分别为有效内壁厚角和有效内聚力.召饱和土的抗典强度与土曼剪前在法向应力作用下的固结度有关.而土只有在有效应力 作用下才能固结.

6、有效应力逐浙增加的过程，就是土的抗翦强度遂需噌加的过程。，直切面上的法向应力与有较应力之闻有如下关系：川a - or' +口，土的强度主要取决于有效应力大小,故抗翦强度的关系式中应反映有效应力，更为合 适.即 “Ty = a +c'= （tr - u） 4-cr *'总应力法与有效应力法的优缺点.”L总应力法优点，操作简单，运用方便.（一般用直剪仪测定）缺点不能反映地基土在实际固结情况下的抗剪度。，2.有炊应力法，优点理论上比较严格，能较好的反映抗剪强度的实管，能检蒙士体， 处于不同固纳情况F的稳定性。*缺点工孑圜水压力的正确测定比较三、莫尔库仑破坏惊港一）.莫尔库仑破

7、坏理论上以库仑公式。=。4步+匚作枷剪强度公式.根据弱应力是钳翱抗剪强度（V = Tf）作为破坏标准的理怆朝为莫尔库仑破坏理论 V!）,莫尔隹仑破坏准则t标准31研究库它破坏理论如何直接用主应力表示.这就 金莫尔库仑破坏灌则，也称土的极配平衡条件,*I单元体上的应力和应力同任玮?某一单元土体rn?nk-耳面距为也:此 在虽元体上任用某一截五n中,则得公式*不（丐+外）+可（巧 一%）85 2flT=匕斫-为:m 2a式中，0 f任一就面ran上写法向显力（Kpa）F1：任一16面稣上的剪应力（KW）7 *0 1：最大主应+l 一力第最小主应力f *口；截面旗与最小主应力隹用力向的安条./上述应

8、力间的关系也可用应力圆（莫尔圆）表示。c7- = + <Tj) - - (crs -2a22I、一 cr = 一-q期n 2g.取两忒平方和，即得应尢圆的公式I 表示为挑、横坐标分别为7及B的孙 国心为t巧*叮，0),图半径等于斫内/ 22入极限平衡染件，通过土中一点，在分丐作用下可讯I时斡切破裂面如图.它们与最小主应力作用方向的交弟立为&二83这一对蟋面之间的支边在5座用方向等于占 90- p. /从应力园的几何条件可知:Sin(P =+，6a 。'。+私而！ QlO = C坦0二 oa =-<2代2式得'二”奈潸+痴5 一网丐+丐+ 2cctg进一步整理

9、可谓:位库伊+丐=b用飞T * 号 + 2c ig（45t +m22cf3 - tF/ga （-45* - £1 - 2?£或4号 一 §）展工2W 由实量小主应力仃逐公式巧=*g“45,瑶）+勿冢将+当可推求土使处 C-LC-H于极限状若的.所和承受的最大主应力Rf f普实际最大主应力中cl）,C2）同理,由翊crl及公式S =色随,05一学-茨窿45一会可推求土触就聂限平衡状砌所能承堂的最小主应力03f （若买冽li 卜主应力为03 n.（3）判断，当口 1或仃3比口3时，土体处于稳定平衡十当01aH成曰3g“时，士住处，极限平衡*当ql ol或仃#仃耳时.土

10、拄给王失稳状位. * 甯三节抗翦强度修谶方法， 一枝推槐粉了快卵（不择水我I， 醐段巽f醐不摆我就 ,;修剪（江水翦）,1、快剪（不排水剪）这种试验方法要求在剪切过程中土的含水量不变，因此，无论加垂直压力或水平剪力，都必须迅速进行，不让孔隙水排出。适用范围：加荷速率快，排水条件差，如斜坡的稳定性、厚度很大的饱和粘土地 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定后， 迅速施加水平剪力，以保持土样的含水量在 剪切前后基本不变。试用范围：一般建筑物地基的稳定性，施工期间具有一定的固结作用。3、慢剪(排水剪)土样的上、下两面均为透水石，以利排水，土样在垂直压力作用下，待充分排水 固

11、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。适用范围：加荷速率慢，排水条件好，施工期长，如透水性较好的低塑性土以及 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)剪切面不一定是试样抗剪能力最弱的面；(2)剪切面上的应力分布不均匀，而且受剪切面面积愈来愈小；(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；(

12、2)所需试样较多；笳主龙力方皿固定不变，而且是再令q=仃的轴感称情况下强行的与丽情况尚不能完全苻合、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 30cm2,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(CcD :试样在垂直压力下经过一定程度的排水固结后，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，慢剪

13、所得的 值最大，周结快剪居 中。3、指标计算百接剪机送验的结果用总应力法按隹仑公式。+ 计苴抗剪强度指标-7用同一土试样切取不少于四个岗样进行不同垂直压力作用下的奥切试鉴后.用相同的比 例尺爵郴氏上绘制抗弱强度叼与垂宜压力P的相关亶线.亶送交)轴的或距即为土的内 聚力口直缝领鼾角即为土的内摩度角铲，相关直线可用图解法或最小二雌确定一4、残余抗剪强度(1)物理意义：土的剪应力剪应变关系可分为两种类型：一种是曲线平缓上 开，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峰值，在 超越峰值后，剪应变不断增大，但抗剪强度确下降，如密砂。在粘性土中，坚硬 的、超压密的粘土的剪应力剪应变曲线常呈

14、现较大峰值，正常压密土或软粘土则不出现峰值，或有很小的峰值。(图见教材)超过峰值后，当剪应变相当大时，抗剪强度不再变，此时稳定的最小抗剪强度，称为土的残余抗剪强度；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I % 土的残余抗典强度（曲）（Cri残余内姿力（一般力0口）KPw内；残余内摩爆霜（0）中a -垂直应压力<Ea> /在进行滑坡的稳定性计算或抗滑计算时，土的抗剪强度的取值，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,取土要求同上。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

15、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，由此求出土的抗剪强度。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围压力后，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试样先在周围压力下进行固结，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)取土要求：试样制备的数量一般

16、不少于 4件(2)试样尺寸:试样直彳仝(mm截回积(cm)允许最大粒径(mrm附注39.112 二2(1)允许个别超径颗粒存在，不 应超过试件直径的1/5; (2)对于 有裂隙、软弱面或结构面的土样， 宜用直径61.8mm或101mmi试样。(3)试件高度匕直径的比值应为2.0 2.561.830:510180104、指标计算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/、固结不排水剪总应力法Cu周结不排水剪总应力法Ccu后效应力法C固结排水剪后效应力法C

17、d(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，十字板剪切试验倒H承粘性土地基中某照的正版力叼=3如太外.%土的抗剪强度指标七三20MRr, p = 25试间谈点处于什么状态？ +跖由式,丐=%”/(4竽一多一2"旭伊夕一 ?可得士怅耻壬极隈平衡状态而量大主应力为叮，时所对龙的最小主应力为K%, 兰历姐'(4- 2 1; £(45i j = 9QKFa22/V eT v Cby故：可判定谈点处于稳定状卷小或t由b1尸。痣,5、小小阻电- 22得,/二32。乂%:丁仃炉 5 ".稳定例2注万土霉三铺期切法始,得到不表关系，求与这个土样有效

18、应力相美再帖着力"，内 摩僚角（这个试验是按懿不司际试蛤进行的）固结压力（k/cn?）.!M压力(kgcn) /最X0力短(kgTcm3).晨大应力差时的孑眼水压力（Ickern3）1.0，1.0*0.571，0.49M20/261.101*。岭3.0/389班1 282aM QW 压力 6 = 10 Kg/cm，时CF1Z '= o-1 -u, =0 571 + B 0-0 490=1 081 (kg/cm2) 6，一外 -1.0-0吊90 51。3一？/8压力 q=2 OKg/cG时.5，= q -% = 1 101+200 945=2 156 (kcm5) v解；侧压力与= LUKg/cm2时uax/= aj-MO.571 + 1.0-0.490=1,081 (kg/cm2)%一以=100.49=0.510 kg<cm2恻压力6= .2.Q区也加时p5/=5一的= 1.101+2.00.945=2