莫尔—库伦理论

1、标准文档莫尔一库伦理论长期以来，人们根据对材料破坏现象的分析，提出了各种不同的 强度理论。其中适用于土的强度理论有多种， 不同的理论各有其优缺 点。在土力学中被广泛采用的强度理论要推莫尔一库伦强度理论。1773年，法国学者库伦(Coulomb)根据砂土的试验结果，提出土 的抗剪强度 j在应力变化不大的范围内，可表示为剪切滑动面上法 向应力(T的线性函数。即Tf=(itan(p后来库伦又根据粘性土的试验结果，提出更为普遍的抗剪强度公 式：Tf=c+(itan(p1936年，太沙基(Terzagh幌出了有效应力原理。根据有效应力 原理，土中总应力等于有效应力与孔隙水压力之和，只有有效应力的变化才会

2、引起强度的变化。因此，土的抗剪强度 Tj可表示为剪切破坏 面上法向有效应，的函数。上述库仑公式应改写为q=d+。愉11910年莫尔(Mohr)提出材料产生剪切破坏时，破坏面上的If是该 面上法向应力的函数，即实用文案标准文档该函数在直角坐标系中是一条曲线，如图1所示，通常称为莫尔包线。土的莫尔包线多数情况下可近似地用直线表示，其表达式就是库伦所表示的直线方程。由库伦公式表示莫尔包线的土体抗剪强度理 论称为莫尔库伦（MohrCoulomb）强度理论。1. 土中某点的应力状态我们先来研究土体中某点的应力状态， 以便求得实用的土体极限 平衡条件的表达式。为简单起见，下面仅研究平面问题。在地基土中任意

3、点取出一微分单元体，设作用在该微分体上的最 大和最小主应力分别为和（7 3。而且，微分体内与最大主应力 作用平面成任意角度的平面mn上有正应力（T和剪应力图2 a a） o实用文案标准文档(a)(b)图2 土中任意一点的应力（a）微分体上的应力；（b）隔离体上的应力为了建立 与山和03之间的关系，取微分三角形斜面体 abc为隔离体图2 （b）。将各个应力分别在水平方向和垂直方向上投影根据静力平衡条件得、x = 0,。3 dssin： 1.0-二 ds sin： 1.0 ds cos： 1.0 = 0(a)% y=0,；;1 ds cos： 1.0 - - ds cos： 1.0 - ds si

4、n： 1.0 = 0（b）联立求解以上方程（a）、（b）,即得平面mn上的应力-03)cos 2：3(二1 - 二 3)sin 2由以上两式可知，在和 心已知的情况下，斜截面 mn上的法向应力（T和剪应力P仅与斜截面倾角有关。由式（1）得上式表示圆心为（ ，0）、半径为关的莫尔圆。莫尔圆22上任一点代表与大主应力（T 1作用面成口角的斜面，其纵坐标代表该面上的法向应力，横坐标代表该面上的剪应力。在直角坐标系中（图3）以（T为横坐标轴.以P为纵坐标轴，按实用文案标准文档图3用莫尔应力圆求正应力和剪应力一定的比例尺，在(T轴上截取OB= (T3, OO (T1,以O为圆心，以(T 1- 03)/2

5、为半径，绘制出一个应力圆。并从OC开始逆时针旋转2% 角，在圆周上得到点A。可以证明，A点的横坐标就是斜面 mn上的正 应力，而其纵坐标就是剪应力r。事实上，可以看出，A点的横坐 标为OB + B01 + OrA cos 2a = a3 + - 0 - ff3) + - (at - a3) cos 2a JuJLi=5(。1 + %) + /一%)852值=JljLj而A点的纵坐标为一 1OjAsin 2a = - -6) sin 2a = tLi2. 土的极限平衡条件一一莫尔一库伦破坏准则为了建立实用的土体极限平衡条件，将土体中某点的莫尔应力圆 和土体的抗剪强度与法向应力关系曲线(简称抗剪强

6、度线)画在同一个 直角坐标系中，这样，就可以判断土体在这一点上是否达到极限平衡实用文案标准文档状态。由前述可知，莫尔应力圆上的每一点的横坐标和纵坐标分别表示 土体中某点在相应平面上的正应力。和剪应力如果莫尔应力圆位 于抗剪强度包线的下方图4 (a)即通过该点任一方向的剪应力。都 小于土体的抗剪强度Tf,则该点土不会发生剪切破坏，而处于弹性 平衡状态。若莫尔应力圆恰好与抗剪强度线相切图4 (b),切点为 B,则表明切点B所代表的平面上的剪应力。与抗剪强度门相等，此 时，该点土体处于极限平衡状态。图4莫尔应力圆与土的抗剪强度之间的关系(a) 土处于弹性平衡状态；(b) 土处于极限平衡状态根据莫尔应

7、力圆与抗剪强度线相切的几何关系， 就可以建立起土 体的极限平衡条件。下面，我们就以图5中的几何关系为例，说明如何建立无粘性土 的极限平衡条件实用文案标准文档图5无粘性土极限平衡条件推导示意图“ =a3tan2 (45 + -土体达到极限平衡条件时，莫尔应力圆与抗剪强度线相切于(2)B点，延长CB与p轴交于A点，由图中关系可知OB=OA再由切割定理，可得g1,o3=OB2 = OA2在4AOC中，有（45口 + 葭）因此，01=0丁由口实用文案标准文档又由于,tan 45。+ ?)= 一I 2，tanM)=cot（p口一工2所以，有(3)对粘性土和粉土而言，可以类似地推导出其极限平衡条件，为ff

8、i = cr3 - tan2 45 + - j + 2 c tan （450 + - j（4）这可以从图6中的几何关系求得。作EO7f BQ通过最小主应 力0 3的坐标点A作一圆与EO相切于E点，与。轴交于I点。图6粘性土与粉土极限平衡条件推导示意图由前可知01 - o J = o 3 = tan2 ,5。+ j下面找出IG与c的关系（G点为最大主应力坐标点）。由图中角实用文案标准文档度关系可知 EB阴等腰三角形，ED=BD=c /DEB=45一：,则有 EB = 2csini450 + PlF在AGIF中而且 OG=OI+IG所以同理可以证明(45- + 2ctan(450-(5)还可以证明

9、(Ji - 01sin(D =(Ji + 5+2ccot(p(6)1 + sin (pSf*2ccos(pl-sin(p% = o展 tan2(45口 + 乡 + 2ctan(45。+ :或1 - sin （p costp ff3 = ffi；：2c-：1 + sin tp l + sin（p由图5的几何关系可以求得剪切面（破裂面）与大主应力面的夹角 关系，因为2昨9叫（P实用文案标准文档所以a = 45。+?（8）2即剪切破裂面与最大主应力0作用平面的夹角为a = 45+：（共 钝剪切面）。由此可见，土与一般连续性材料（如钢、混凝土等）不同，是一种 具有内摩擦强度的材料。具剪切破裂面不产生于最大剪应力面， 而是 与最大剪应力面成（p/2的夹角。如果土质均匀，且试验中能保证试件 内部的应力、应变均匀分布，则试件内将会出现两组完全对称的破裂 面（图7）。图7 土的破裂面确定式（2）至式（8）都是表示土单元体达到极限平衡时（破坏时）主应力的关系，这就是莫尔一库伦理论的破坏准则， 也是土体达到极 限平衡状态的条件，故而，我们也称之为极限平衡条件。理论分析和试验研究表明，在各种破坏理论中，对土最适合的是实用文案标准文档莫尔一库伦强度理论。总结莫尔一库伦强度理论，可以表述为以下三 个要点：(1)剪切破裂面上，材料的抗剪强度是法向应力的函数，