岩土体稳定理论章2-土抗剪强度

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1、路基工程理论与技术TheoryandTechnologyofSubgradeEngineering主讲教师：王连俊教师单位：土建学院道铁系授课班级：道铁2010硕士授课学时：32学时授课时间：8周（10.11-12）9/7/20211第2章土的抗剪强度特性★土的强度特性历来是土力学中最重要的研究课题，因为在土建工程中土体的稳定，承载力和土压力计算等问题，都与土的强度密切相关,随着电子计算机的出现和实验技术的发展，现在完全能够把土的变形和强度二者结合起来研究。★本章只着重研究土的抗剪强度特性、强度机理及强度影响因素的分析。★由于采用有效应力原理研究土的物性和力学

2、效应正成为当今土力学的主流，所以本章首先介绍有效应力的原理。9/7/202122.1有效应力原理2.1.1饱和土的有效应力表达式1922年Terzaghi最早发现土在压缩固结时，土中的水有超静水压力(孔隙水压力)的存在后，就指出:对于饱和土，不论是土的压缩性或是稳定性，支配土的体积和抗剪强度二者变化的原因，并不是作用在土体任何平面上的法向应力，而是总应力和孔隙压力u之差，这个差值就是有效应力，这就是Terzaghi提出的有效应力原理。——土的变形和强度性质是由有效应力支配的。9/7/202132.1.2土的有效应力一般表达式自然界中的土多以三相土为其普遍存在情

3、况，二相土只是其特例。为了表明一般土中的总应力，孔隙压力与有效应触的土颗粒的微观模型进行分析。图中F为总断面积，Fs为土颗粒接触面积，Fw、Fa分别为孔隙中水和气同土颗粒的接触面积，设σs、uw、ua分别为外荷重P作用下产生的粒间平均接触应力、平均孔隙水压力和平均孔隙气压力，若不考虑颗粒间分子力等作用，则由断面上力的平衡条件有9/7/20214上式为Bishop1955年对非饱和土有效应力提出的更一般的表达式。式中面积系数χ是一个主要与土的饱和度Sr有关的试验参数。它还受土的结构，粘粒含量，干湿循环和应力变化等多种因素的影响。9/7/202159/7/202

4、169/7/202172.1.3孔隙压力系数A和B有效应力表达式中的值在概念上是很有意义的，但其值不能实测。在实际的试验和设计中，总应力可直接量测和计算，而有效应力却不能直接量测，但是孔隙压力则可以量测，有时也可以计算。对有效应力的研究，主要集中在对孔隙压力的研究。通常有两种方法确定孔隙压力：（1）根据比较总应力路径与有效路径来估算孔隙压力；（2）采用Skempton提出的孔隙压力系数来估算孔隙压力大小在三轴压缩试验中，如果饱和土样是在排水条件下，则不产生孔隙压力；如果是在不排水条件下，孔隙水压力变化的一部分是由作用在试样上的平均总应力的变化引起，而另一部

5、分则与随着剪应力同时产生的剪切变形有关。9/7/202189/7/20219下面将分别研究平均主应力的均匀增长和主应力差的变化对孔隙压力变化的影响，从而推导出孔隙压力系数。推导中假设土体为一多孔饱水弹性介质。9/7/2021109/7/2021119/7/202112土样受到各向均等压力增量和应力差作用，所产生的总孔隙压力而实际土并不是理想线弹性介质，因此方括号中的系数1/3已不再适用于普遍的情况。所以，Skempton引入了一个经验系数A，以代替1/3。A为偏应力(Δσ1-Δσ3)作用下的孔隙压力系数对于饱和土，因B=1，于是只要知道了土中任一点的大、小主

6、应力的变化，就可以根据测定的孔隙压力系数，利用上述公式计算相应的孔隙压力。9/7/2021139/7/2021149/7/2021159/7/2021169/7/2021179/7/2021182.2无粘性土的抗剪强度特性2.2.1无粘性土抗剪强度机理的概念无粘性土通常是指无塑性的土，如砂、砾碎石等，又名粒状土。由于这些土颗粒比表面积小，土颗粒间表面力作用极小。因此认为其粘聚力极弱或没有，其抗剪强度仅取决于法向应力和内摩擦角，即库仑公式粒状土的抗剪强度由三部分强度分量所组成：(1)土矿物颗粒间滑动摩擦阻力所发挥的强度，称力滑动摩擦强度分量；(2)颗粒与相邻颗粒

7、间的咬合作用引起剪胀所发挥的强度，称为剪胀效应分量；(3)在高应力下颗粒挤碎，排列和定向作用所需能量而发挥的强度，称为挤碎重新排列作用分量。因此，库仑公式中的φ的一般表达式应该为：9/7/2021199/7/2021209/7/202121还要指出的是，Lee和Seed认为颗粒挤碎对强度的作用，类似于Rowe所提出的颗粒重新定向和排列的作用，颗粒挤碎将吸收能量，而且在高应力下的破坏应变也增大，这又增加了颗粒定向和排列所需的能量，于是强度可能随挤碎而增大。但是Marsal的试验证明，随着颗粒破碎率的增大，粒状土的抗剪强度不是增大而是降低。日本三浦哲户对标准紧密

8、砂的试验结果也得出与Marsal同样的