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1、土的抗剪強(qiáng)度及其工程問題同濟(jì)大學(xué)高大釗二○○六年四月內(nèi)容土的抗剪強(qiáng)度試驗工程中的抗剪強(qiáng)度問題土的抗剪強(qiáng)度試驗抗剪強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)這是兩個不同的概念，但經(jīng)常被人們混淆，看一個土坡的最簡單的例子：平行滑動面的力是滑動力T抵抗滑動的是滑動面上的抗剪強(qiáng)度?滑動面上的力系TNGA-滑動面的面積滑動面上的抗剪強(qiáng)度?由兩部分組成，一部分與滑動面上的法向應(yīng)力成正比，另一部分與法向應(yīng)力無關(guān)，可以寫成如下的表達(dá)式，式中的c稱為內(nèi)聚力，?稱為內(nèi)摩擦角，內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角就是這兩個抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。這個表達(dá)式被稱為庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則：?＝c＋ptan?p=N/A從整個土坡滑
2、動面A上平均地看：當(dāng)T??A時，土坡不會滑動，當(dāng)T??A時，土坡就失穩(wěn)了，當(dāng)T＝?A時，稱為極限平衡。抗剪強(qiáng)度指標(biāo)是土體的固有性質(zhì)，是描述土體中的抗剪強(qiáng)度隨法向應(yīng)力變化規(guī)律的參數(shù)；抗剪強(qiáng)度是在一定的應(yīng)力條件下，土體滑動面上抵抗滑動的總強(qiáng)度。土的抗剪強(qiáng)度試驗原理與測定方法抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的物理概念直剪試驗指標(biāo)的測定三軸試驗指標(biāo)的測定與資料分析抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的物理概念土的抗剪強(qiáng)度是指土體抵抗剪切破壞的能力。在土力學(xué)中，采用摩爾—庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則，用內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力兩個指標(biāo)描述土的抗剪強(qiáng)度規(guī)律，即在土的破裂面上，抗剪強(qiáng)度隨法向應(yīng)力增長的規(guī)律。摩爾—庫侖強(qiáng)度
3、準(zhǔn)則是土力學(xué)的三大定律之一。t=c＋ptan?對于c＝0的土，稱為純摩擦材料，內(nèi)摩阻力包括土粒之間的表面摩擦力和由于土粒之間的聯(lián)鎖作用而產(chǎn)生的咬合力。咬合力是指當(dāng)土體相對滑動時，將嵌在其它顆粒之間的土粒拔出所需的力，土越密實，聯(lián)鎖作用則越強(qiáng)。?t?t=c＋ptan?對于?＝0的土，稱為凝聚性材料，構(gòu)成內(nèi)聚力的物理原因是土的細(xì)顆粒表面作用，是一種物理化學(xué)作用。原始粘聚力主要是由于土粒間水膜受到相鄰?fù)亮Ｖg的電分子引力而形成的，當(dāng)土被壓密時，土粒間的距離減小，原始粘聚力隨之增大。當(dāng)土的天然結(jié)構(gòu)被破壞時，原始粘聚力將喪失一些，但會隨著時間而恢復(fù)其
4、中的一部分或全部。固化粘聚力是由于土中化合物的膠結(jié)作用而形成的，當(dāng)土的天然結(jié)構(gòu)被破壞時，則固化粘聚力隨之喪失，而且不能恢復(fù)?？辜魪?qiáng)度指標(biāo)的測定方法在室內(nèi)試驗中，可以用直剪試驗或三軸試驗來測定土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。對粗粒土應(yīng)當(dāng)用大尺寸的儀器或現(xiàn)場大型直剪試驗測定。對軟土，也可以用原位測試－十字板試驗測定。土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)和土的原始狀態(tài)、應(yīng)力路徑、應(yīng)力歷史、排水條件等因素有關(guān)，考慮不同因素影響時，應(yīng)采用不同的試驗方法。考慮上述復(fù)雜因素的試驗只能用三軸儀才能模擬。三軸試驗分為常規(guī)的試驗和特殊的試驗兩類。直剪試驗直剪試驗結(jié)果tf=c＋ptan?第一級荷
5、載必須大于上覆有效壓力直剪試驗方法快剪試驗在土樣上下兩面安置不透水的銅板或塑料膜，并在施加豎向壓力后立即施加水平剪力進(jìn)行剪切，而且剪切的速率也很快，一般只3~5min。采取這些措施的目的是為了控制土樣在試驗時不固結(jié)排水，以便測定天然狀態(tài)的強(qiáng)度指標(biāo)?？旒粼囼灥玫降闹笜?biāo)用cq、?q表示。由于直剪儀固有的缺點，盡管采取了上述措施，土樣和環(huán)刀之間仍有滲水通道，不能保證土樣處于完全不排水的狀態(tài)，特別是對透水性比較大的土影響更大。固結(jié)快剪試驗在土樣上下兩面安置透水石，在施加豎向壓力以后給以充分時間使土樣固結(jié)排水。固結(jié)排水終了后再施加水平剪力，快速地將土
6、樣剪壞。這種試驗方法模擬在法向應(yīng)力作用下固結(jié)完成但在剪應(yīng)力作用下不排水的工況，由于放置了透水板，更不能保證在剪切時處于完全不排水的狀態(tài)，對于透水性比較大的土樣將會得到過大的抗剪強(qiáng)度值。固結(jié)快剪試驗得到的指標(biāo)用ccq、?cq表示。慢剪試驗施加豎向壓力后土樣固結(jié)排水的要求與固結(jié)快剪試驗相同，在固結(jié)終了后以相當(dāng)慢的速度施加水平剪力，剪切速率控制在小于0.02mm/min以使土樣在剪切過程中有充分時間排水和產(chǎn)生體積變形，得到的指標(biāo)模擬完全排水的工況。慢剪試驗指標(biāo)用cs、?s。直剪試驗排水控制措施豎向壓力剪應(yīng)力結(jié)果快剪不用透水板立即剪切快速固結(jié)快剪用
7、透水板快速剪切時透水途徑通暢慢剪用透水板慢速直剪儀不能有效地控制排水直剪儀中的土樣無法封閉，無論土樣承受法向應(yīng)力或剪應(yīng)力，無論剪切速度多快，孔隙水總會沿著土樣和環(huán)刀之間的縫隙流失，無法測定不排水條件下的強(qiáng)度，使快剪試驗的結(jié)果特別離散，而且內(nèi)摩擦角往往偏大，用于工程是偏于危險的；在固結(jié)快剪試驗中，剪切時的排水也使內(nèi)摩擦角偏大。曾有文獻(xiàn)報道，對于塑性指數(shù)小于11的土，固結(jié)快剪試驗的內(nèi)摩擦角與慢剪試驗的內(nèi)摩擦角很接近，一般只比慢剪試驗的內(nèi)摩擦角小1?~2?，但在塑性指數(shù)為11~18的土中，兩者的數(shù)值相差很大，一般為10?左右。這是由于低塑性土的滲
8、透系數(shù)比較大，在固結(jié)快剪試驗中孔隙水消散很快，剪切時土的固結(jié)狀態(tài)已接近于慢剪試驗，因此兩者的結(jié)果相近。由此可見，直剪試驗不適用于低塑性土。儀器構(gòu)造的缺陷直剪儀上下盒之間的縫隙為了
