土的抗剪强度指标及其工程应用

土的抗剪强度及其工程问题同济大学高大钊二○○六年四月内容土的抗剪强度试验工程中的抗剪强度问题土的抗剪强度试验抗剪强度和抗剪强度指标这是两个不同的概念，但经常被人们混淆，看一个土坡的最简单的例子：平行滑动面的力是滑动力T抵抗滑动的是滑动面上的抗剪强度滑动面上的力系TNGA-滑动面的面积滑动面上的抗剪强度由两部分组成，一部分与滑动面上的法向应力成正比，另一部分与法向应力无关，可以写成如下的表达式，式中的c称为内聚力，称为内摩擦角，内聚力和内摩擦角就是这两个抗剪强度指标。这个表达式被称为库仑强度准则：＝c＋ptanp=N/A从整个土坡滑动面A上平均地看：当TA时，土坡不会滑动，当TA时，土坡就失稳了，当T＝A时，称为极限平衡。抗剪强度指标是土体的固有性质，是描述土体中的抗剪强度随法向应力变化规律的参数；抗剪强度是在一定的应力条件下，土体滑动面上抵抗滑动的总强度。土的抗剪强度试验原理与测定方法抗剪强度指标的物理概念直剪试验指标的测定三轴试验指标的测定与资料分析抗剪强度指标的物理概念土的抗剪强度是指土体抵抗剪切破坏的能力。在土力学中，采用摩尔—库仑强度准则，用内摩擦角和内聚力两个指标描述土的抗剪强度规律，即在土的破裂面上，抗剪强度随法向应力增长的规律。摩尔—库仑强度准则是土力学的三大定律之一。=c＋ptan对于c＝0的土，称为纯摩擦材料，内摩阻力包括土粒之间的表面摩擦力和由于土粒之间的联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，联锁作用则越强。=c＋ptan对于＝0的土，称为凝聚性材料，构成内聚力的物理原因是土的细颗粒表面作用，是一种物理化学作用。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。抗剪强度指标的测定方法在室内试验中，可以用直剪试验或三轴试验来测定土的抗剪强度指标。对粗粒土应当用大尺寸的仪器或现场大型直剪试验测定。对软土，也可以用原位测试－十字板试验测定。土的抗剪强度指标和土的原始状态、应力路径、应力历史、排水条件等因素有关，考虑不同因素影响时，应采用不同的试验方法。考虑上述复杂因素的试验只能用三轴仪才能模拟。三轴试验分为常规的试验和特殊的试验两类。直剪试验AT=ANp=直剪试验结果f=c＋ptan第一级荷载必须大于上覆有效压力直剪试验方法快剪试验在土样上下两面安置不透水的铜板或塑料膜，并在施加竖向压力后立即施加水平剪力进行剪切，而且剪切的速率也很快，一般只3~5min。采取这些措施的目的是为了控制土样在试验时不固结排水，以便测定天然状态的强度指标。快剪试验得到的指标用cq、q表示。由于直剪仪固有的缺点，尽管采取了上述措施，土样和环刀之间仍有渗水通道，不能保证土样处于完全不排水的状态，特别是对透水性比较大的土影响更大。固结快剪试验在土样上下两面安置透水石，在施加竖向压力以后给以充分时间使土样固结排水。固结排水终了后再施加水平剪力，快速地将土样剪坏。这种试验方法模拟在法向应力作用下固结完成但在剪应力作用下不排水的工况，由于放置了透水板，更不能保证在剪切时处于完全不排水的状态，对于透水性比较大的土样将会得到过大的抗剪强度值。固结快剪试验得到的指标用ccq、cq表示。慢剪试验施加竖向压力后土样固结排水的要求与固结快剪试验相同，在固结终了后以相当慢的速度施加水平剪力，剪切速率控制在小于0.02mm/min以使土样在剪切过程中有充分时间排水和产生体积变形，得到的指标模拟完全排水的工况。慢剪试验指标用cs、s。直剪试验排水控制措施竖向压力剪应力结果快剪不用透水板立即剪切快速固结快剪用透水板快速剪切时透水途径通畅慢剪用透水板慢速直剪仪不能有效地控制排水直剪仪中的土样无法封闭，无论土样承受法向应力或剪应力，无论剪切速度多快，孔隙水总会沿着土样和环刀之间的缝隙流失，无法测定不排水条件下的强度，使快剪试验的结果特别离散，而且内摩擦角往往偏大，用于工程是偏于危险的；在固结快剪试验中，剪切时的排水也使内摩擦角偏大。曾有文献报道，对于塑性指数小于11的土，固结快剪试验的内摩擦角与慢剪试验的内摩擦角很接近，一般只比慢剪试验的内摩擦角小1~2，但在塑性指数为11~18的土中，两者的数值相差很大，一般为10左右。这是由于低塑性土的渗透系数比较大，在固结快剪试验中孔隙水消散很快，剪切时土的固结状态已接近于慢剪试验，因此两者的结果相近。由此可见，直剪试验不适用于低塑性土。仪器构造的缺陷直剪仪上下盒之间的缝隙为了避免上下盒之间的摩擦，在上下盒之间留有一定的缝隙。对软土作快剪试验时，由于竖向荷载对土样的挤压作用，软土侧面挤入缝隙中，既破坏了土的结构，又影响了试验的结果。试验砂土时，细小的砂粒嵌进上下盒之间的缝隙中使摩阻力增大，使试验结果失真。可见直剪仪也不适用于砂土和软土。人为规定了剪切面直剪试验时土样的剪切面是人为规定的。由于剪切总是发生在上下盒之间，剪切面人为规定为水平方向，这与实际工程中发生在土体内的剪切面方向是不一致的。实际工程中，剪切总是沿着最薄弱的方向发展，而水平方向往往并不是最薄弱的。特别在夹薄层粉砂的粘性土层中，如果硬性规定的剪切面正好在粉砂薄层中，就会得到过大的抗剪强度值。剪切过程中剪切面在变化剪切面积随剪切位移的增加而减小且土样应力条件非常复杂这一缺点限制了直剪仪在研究方面的应用，但在工程实用方面引起的误差是可以容许的。关于直剪仪的总结1.直剪仪存在许多致命的缺陷，国外已经被淘汰，但我国还是常规武器；2.我国地基设计规范对直剪仪的态度，经历了从限制使用条件到企图完全淘汰的过程，但还没有具备淘汰的条件；3.在过渡的时间内，正确认识直剪仪的问题，不致发生滥用是至关重要的；89设计规范的限制条件还是合适的直剪试验不适用于低塑性土。直剪试验也不适用于砂土和软土。如89版《建筑地基基础设计规范》规定直剪试验只适用于二级及三级建筑物的可塑状粘性土和饱和度不大于0.5的粉土。三轴试验三轴试验的土样是在轴对称应力条件下剪切的，圆柱形土样侧面作用着小主应力3，顶面和底面作用着大主应力1，大、小主应力可以根据试验要求控制其大小和变化。土样包在不透水的橡皮膜中，在土样的底面和顶面都设置了可以控制的排水管道，通过阀门可以改变土样的排水条件，并可通过管道量测土样顶部或内部的孔隙水压力。三轴试验指标的测定与资料分析三轴试验原理:以材料力学的摩尔圆表示一点的应力状态为基础，以库仑强度理论为准则。三轴试验方法:利用三轴仪的设备条件，用各种方法模拟土的各种应力条件和物理状态。三轴试验结果的资料整理：试验资料的分析计算：三轴试验原理三轴试验是建立在轴对称极限平衡理论基础上的一种土工试验，与直剪试验相比，应力条件明确，分析原理严密，可以模拟各种排水条件和应力条件。摩尔圆土体中一点的应力状态主应力的概念当截面的方向变化时，截面上应力状态的变化摩尔－库仑强度包线破坏圆是破坏时的应力圆破坏圆的公切线即为强度包线从0点到圆心的距离等于半径除以sin；移项以后就得到极限平衡条件的表达式131322=sincosc破坏圆上的应力条件sin1223131=ctgc化简并通过三角函数间的变换关系，从而可得到常用的土的极限平衡条件：=245tg2245tg231c=245tg2245tg213c例题土样内摩擦角为=26°，粘聚力为20kPa，承受大主应力和小主应力分别为450kPa和150kPa，，试判断该土样是否达到极限平衡状态？解已知小主应力，现将其余已知的有关数据代入到式(6-6)的右侧，得小主应力的计算值为：计算结果可以认为的计算值与已知值相等，所以该土样处于极限平衡状态。kPa5.150tg3220232tg450245tg2245tg2213===c对上述问题：内摩擦角为=26°，粘聚力为20kPa，承受大主应力和小主应力分别为450kPa和150kPa如果用图解法，则同样会得到摩尔应力圆与抗剪强度线相切的结果。关于摩尔圆的几个概念1.1＝3时，摩尔圆为一个点；2.在1逐渐增大的过程中，达到破坏以前，土体都处于弹性状态；3.K0圆处于弹性状态。当土体处于K0条件时，如图中的K0圆，此时的土体处于弹性平衡状态，不会发生破坏。4.从K0圆到破坏圆的过程，就是土体剪切破坏的发生过程，是从弹性状态向塑性状态发展的过程。在破坏圆上，有两个特征点，一个的最大剪应力，将每个破坏圆是的最大剪应力点连成Kf线，Kf线不是强度包线。5.一系列破坏圆的公切线才是摩尔强度包线，摩尔强度包线的参数才是抗剪强度指标。三轴仪设备三轴仪的主机三轴剪力仪由主机、稳压系统和量测系统三个部分组成。主机包括压力室、周围压力系统和轴向加压设备。圆柱形的土样用橡皮膜包裹密封后置于压力室内，由周围压力系统通过压力水对土样施加周围压力3，由轴向加压设备通过量力环、活塞杆对土样施加轴向的偏应力（1-3），在忽略土样帽与土样之间摩擦力的条件下，周围压力3即为小主应力，偏应力与周围压力之和3+(1-3)即为大主应力1。稳压系统包括压力源、调压筒和压力表等，用以调节和保持周围压力的稳定，以保证使用结果的准确性。对于剪切时不排水的试验，采用量测稳压系统中补充给压力室的水量来测定土样的体积变形，此时稳压系统具有量测的作用，但对压力水去除气泡的要求很高。量测系统用以量测从土样中排出孔隙水的体积，测定孔隙水压力的变化以及对土样施加应力的大小。三轴仪的控制系统可以分别控制土样在周围压力和偏应力作用时的排水条件，可以克服直剪仪无法控制排水条件的缺点，因此能够测定在不同固结排水条件下的抗剪强度指标。三轴试验方法与分析方法试验方法：不固结不排水剪固结不排水剪固结排水剪分析方法：总应力法有效应力法三种试验的方法试验方法施加周围压力施加偏差压力孔隙水压力不固结不排水剪UU关排水阀门关排水阀门不测孔隙水压力固结不排水剪CU开排水阀门关排水阀门测孔隙水压力排水剪CD开排水阀门开排水阀门保持为零不固结不排水试验（UU试验）在施加周围压力时关闭排水阀门，此时土样内的孔隙水压力等于周围压力，随后也在关闭排水阀门的条件下施加偏应力，不容许土样中的孔隙水排出，直至土样剪切破坏，测定的抗剪强度指标用cu、u表示，对饱和土u０。饱和土的不固结不排水试验非饱和土的不固结不排水试验固结不排水试验（CU试验）试验时先对土样施加周围压力并打开排水阀门，在土样排水所过程中可以观察到土样高度逐步减小和土样体积的减小，如果同时量测孔隙水压力则可观察到孔隙水压力逐步消散。在土样充分排水固结以后关闭排水阀门，然后施加偏应力直至破坏，由于已经关闭了排水阀门，在剪切过程中不可能发生排水。固结不排水试验得出的抗剪强度指标用ccu、cu表示。如果在剪切过程中打开孔隙水压力阀同时测定土样内的孔隙水压力，则可得到孔隙水压力与剪切应变的关系曲线，并可以求得有效内摩擦角和有效内聚力c。固结排水试验（CD试验）在施加周围压力和偏应力的全过程中，土样始终处在排水状态，剪切速率应使孔隙水压力始终处于消散为零的状态，因此排水阀门和孔隙水压力阀门始终是打开的。所测定的抗剪强度指标用cd、d表示，其物理意义就是有效内摩擦角。三轴试验结果的资料整理有4个土样分别在周围压力为50kPa、100kPa、150kPa和200kPa作用下固