土的抗剪强度.doc

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1、第4章土的抗剪强度§4.1概述土的抗剪强度是指土体对外荷载所产生的剪应力的极限抵抗能力。在外荷载作用下，土体中将产生剪应力和剪切变形，当土体某点由外力产生的剪应力达到土的抗剪强度时，土就沿着剪应力作用方向产生相对滑移，该点便发生剪切破坏。工程实践和室内试验都证明了土是由于受剪而产生破坏，剪切破坏是土体强度破坏的重要特点，因此，土的强度问题实质就是土的抗剪强度问题。在工程实践中与土的抗剪强度有关的工程问题，主要有以下三类（图4-1）：第一，是土作为材料构成的土工构筑物的稳定问题，如土坝、路堤等填方边坡以及天然土坡等稳定问题（图4-1a）；第二，是土作为工程构筑物的环境的问题，即土

2、压力问题，如挡土墙、地下结构等的周围土体，它的强度破坏将造成对墙体过大的侧向土压力，以至可能导致这些工程构筑物发生滑动、倾覆等破坏事故（图4-1b）；第三，是土作为建筑物地基的承载力问题，如果基础下的地基土体产生整体滑动或因局部剪切破坏而导致过大的地基变形，都会造成上部结构的破坏或影响其正常使用的事故（图4-1c）。图4-1工程中土的强度问题（a）土坡滑动；（b）挡土墙倾覆；（c）地基失稳§4.2土的强度理论与强度指标4.2.1抗剪强度的库仑定律土体发生剪切破坏时，将沿着其内部某一曲线面（滑动面）产生相对滑动，而该滑动面上的剪应力就等于土的抗剪强度。1776年，法国学者库仑（C

3、.A.Coulomb）根据砂土的试验结果（图4-2a），将土的抗剪强度表达为滑动面上法向应力的函数，即（4-1）以后库仑又根据粘土的试验结果（图4-2b），提出更为普遍的抗剪强度表达形式：（4-2）式中—土的抗剪强度，kPa；—剪切滑动面上的法向应力，kPa；—土的粘聚力，kPa；—土的内摩擦角，（）。式（4-1）和式（4-2）就是土的强度规律的数学表达式，它是库仑在十八世纪七十年代提出的，所以也称为库仑定律，它表明对一般应力水平，土的抗剪强度与滑动面上的法向应力之间呈直线关系，其中、称为土的抗剪强度指标。两个世纪以来，尽管土的强度问题研究已得到很大的发展，但这基本的关系式仍应

4、用于理论研究和工程实践，而且也能满足一般工程的精度要求，所以迄今仍是研究土的抗剪强度的最基本的定律。图4-2土的抗剪强度与法向应力之间的关系（a）无粘性土;（b）粘性土4.2.2土的抗剪强度的构成由式（4-1）和式（4-2）可以看出，砂土的抗剪强度是由内摩阻力构成，而粘性土的抗剪强度则由内摩阻力和粘聚力两部分构成。内摩阻力包括土粒之间的表面摩擦力和由于土粒之间的连锁作用而产生的咬合力。咬合力是指当土体相对滑动时，将嵌在其它颗粒之间的土粒拔出所需的力，土越密实，连锁作用则越强。关于粘聚力，包括有原始粘聚力、固化粘聚力及毛细粘聚力。原始粘聚力主要是由于土粒间水膜受到相邻土粒之间的电

5、分子引力而形成的，当土被压密时，土粒间的距离减小，原始粘聚力随之增大，当土的天然结构被破坏时，原始粘聚力将丧失一些，但会随着时间而恢复其中的一部分或全部。固化粘聚力是由于土中化合物的胶结作用而形成的，当土的天然结构被破坏时，则固化粘聚力随之丧失，而且不能恢复。至于毛细粘聚力，是由于毛细压力所引起的，一般可忽略不计。砂土的内摩擦角变化范围不是很大，中砂、粗砂、砾砂一般为～；粉砂、细砂一般为～。孔隙比越小，越大，但是，含水饱和的粉砂、细砂很容易失去稳定，因此对其内摩擦角的取值宜慎重，有时规定取左右。砂土有时也有很小的粘聚力（约10kPa以内），这可能是由于砂土中夹有一些粘土颗粒，也

6、可能是由于毛细粘聚力的缘故。粘性土的抗剪强度指标的变化范围很大，它与土的种类有关，并且与土的天然结构是否破坏、试样在法向压力下的排水固结程度及试验方法等因素有关。内摩擦角的变化范围大致为～；粘聚力则可从小于10kPa变化到200kPa以上。4.2.3土的强度理论—极限平衡理论1910年摩尔（Mohr）提出材料的破坏是剪切破坏，并指出在破坏面上的剪应力是为该面上法向应力的函数，即（4-3）这个函数在-座标中是一条曲线，称摩尔包线，如图4-3实线所示。摩尔包线表示材料受到不同应力作用达到极限状态时，滑动面上法向应力与剪应力的关系。土的摩尔包线通常可以近似地用直线表示，如图4-3虚线

7、所示，该直线方程就是库仑定律所表示的方程。由库仑公式表示摩尔包线的土体强度理论可称为摩尔-库仑强度理论。当土体中任意一点在某一平面上的剪应力达到土的抗剪强度时，就发生剪切破坏，该点也即处于极限平衡状态。为了简化分析，下面仅考虑平面问题来建立土的极限平衡条件，并且引用材料力学中有关表达一点应力状态的摩尔圆方法。图4-3摩尔包线图4-4用摩尔圆表示的土体中任意点的应力根据材料力学，设某一土体单元上作用的大、小主应力分别为和，则在土体内与大小应力作用平面成任意角的平面上的正应力和剪应力，可用-坐标