影响抗剪强度指标的因素

图5-27　例题5-9

根据库伦抗剪强度公式τf＝c＋σtanφ可知,土的抗剪强度与法向应力σ、土的内摩擦角φ和土的黏聚力c三者有关,即土的抗剪强度是由两部分组成,即摩擦强度σtanφ和黏聚强度c。其中,粗粒土的摩擦强度取决于颗粒之间的相对移动,影响其大小的主要因素是密度、粒径级配、颗粒形状及矿物成分;细粒土颗粒细微,颗粒表面存在着吸附水膜,颗粒间可以在接触点直接接触,也可以通过吸附水膜间接接触,所以,它的摩擦强度还与接触点处的颗粒表面因为物理化学作用而产生的吸引力有关。黏聚强度取决于土粒之间的各种物理化学作用,包括库仑力(静电力)、范德华力、胶结作用力等。粗粒土的粒之间分子力与重力相比可以忽略不计,故一般认为是无黏性土,不具有黏聚强度,但有时粗粒土之间也有胶结物质存在而具有一定的黏聚强度。

根据土的有效应力原理可知,作用在试样剪切面上的总应力σ,为有效应力σ′与孔隙水压力μ之和,在外荷载作用下,随着时间的增长,孔隙水压力因排水而逐渐消散,同时有效应力相应的不断增加。

因为孔隙水压力作用在土中的自由水上,不会产生土粒之间的内摩擦力,只有作用在土颗粒骨架上的有效应力才能产生土的内摩擦强度。因此,若土的抗剪强度试验的条件不同,影响土中孔隙水是否排出与排出多少,也影响有效应力的数值大小,使抗剪强度试验结果不同。建筑场地工程地质勘察,应根据实际地质情况与施工速度,即土中孔隙水压力的消散程度,采用三种不同的试验方法。在固结排水剪(或直剪慢剪)试验中,施加垂直压力σ后,使孔隙水压力完全消散,然后再施加水平剪力,每级剪力施加后都充分排水,使试样在整个试验过程中都处于充分排水条件下,即试样中的孔隙水压力为0,直至土试样剪坏。这种试验结果测得的抗剪强度值最大。在不固结不排水剪(或直剪快剪)试验中,施加垂直压力σ后,立即加水平剪力,并快速试验,在3～5min内把试样剪坏,在整个试验过程中不让土中水排出,使试样中始终存在孔隙水压力,因此,土中有效应力减小,试验结果测得的抗剪强度值较小。固结不排水剪(或直剪固结快剪)试验相当于以上两种方法的组合,试验中施加垂直压力σ后充分固结,使孔隙水压力全部消散,即固结后在快速施加水平剪力,并在3～5min内把土样剪坏,这样试验结果测得的抗剪强度居中。

由此可见,试样中的孔隙水压力对抗剪强度有重要影响。如上所述,这三种不同的试验方法,各适用于不同的图层分布、土质、排水条件以及施工速度。

知识归纳

土体强度破坏的特征是部分土体沿剪应力作用面产生相对滑动,土体产生剪切破坏而丧失稳定,因此,土的强度实质上就是指土的抗剪强度,其大小用抗剪强度指标表示。测定抗剪强度指标的试验称为剪切试验,室内常用的测定方法有直接剪切试验、三轴压缩试验、无侧限抗压强度试验等,现场原位测试有十字板剪切试验等。根据排水固结条件的不同,剪切试验可分为快剪、固结快剪、慢剪等三种试验方法,具体采用何种方法应根据不同的地质条件、荷载特点,选用合适的试验方法。

土体极限状态是指当土体中任意一点在某一平面上的剪应力等于土的抗剪强度时,该点濒于破坏的临界状态。土的极限平衡条件可用摩尔应力圆表示:

应力圆与抗剪强度包线不相交(相离)时,土点处于弹性平衡状态;

应力圆与抗剪强度包线相交(相割)时,土点处于破坏状态;

应力圆与抗剪强度包线相切时,土点处于极限平衡状态。

据极限平衡状态可推导出摩尔—库伦强度理论,即:

地基土变形破坏可分为压密阶段、剪切阶段、破坏阶段。临塑荷载pcr即对应于p-s曲线上压密阶段相应于a点的极限荷载,临界荷载即土体塑性区开展深度在某一范围内所对应的荷载,常用p1/4或p1/3表示,极限荷载是指外荷载在地基中产生的应力达到极限平衡时所对应的荷载,极限荷载可采用普朗特尔或太沙基地基极限承载力公式确定。

地基容许承载力的确定方法有现场荷载试验测定、理论公式计算、规范经验公式等多种。

理论公式法中所求得的临塑荷载和临界荷载均可作为地基容许承载力,极限荷载除以安全系数后也可作为地基容许承载力。

当基础宽度大于3m或埋置深度大于0.5m时,从载荷试验或其他原位测试、经验值等方法确定地基承载力特征值应按fa＝fak＋ηbγ(b－3)＋ηdγm(d－0.5)进行修改。

思考与练习

一、问答题

1.何谓土的抗剪强度?砂土与黏性土的抗剪强度表达式有何不同?为什么说土的抗剪强度不是一个定值?

2.测定土的抗剪强度指标主要有哪几种方法?试比较它们的优缺点。

3.土体中发生剪切破坏的平面是不是剪应力最大的平面?在什么情况下,破裂面与最大剪应力面是一致的?一般情况下,破裂面与大主应力面成什么角度?

4.应用库仑定律和摩尔应力圆原理说明:当σ1不变时,σ3越小越容易破坏;反之,σ3不变时,σ1越大越容易破坏。

5.剪切试验成果整理中总应力法和有效应力法有何不同?为什么说排水剪成果就相当于有效应力法的成果?

6.分别简述直剪试验和三轴压缩试验的原理。比较两者之间的优缺点和适用范围。

7.临塑荷载pcr和界限荷载p1/4的物理意义是什么?

8.地基破坏的形式有哪几种?

9.本章所介绍的极限承载力公式各有何特点?试对它们作简略评价。

10.何谓土的极限平衡条件?黏性土和粉土与无黏性土的表达式有何不同?

二、计算题

1.已知土的抗剪强度指标c＝20kPa,φ＝22°,若作用在土中某平面上的正应力和剪应力分别为σ＝100kPa,τ＝60.4kPa,问该平面是否会发生剪切破坏?

2.某土样进行直剪试验,在法向压力为100kPa、200kPa、300kPa、400kPa时,测得抗剪强度τf分别为52kPa、83kPa、115kPa、145kPa,试求:

(1)用作图法确定土样的抗剪强度指标c和φ;

(2)如果在土中的某一平面上作用的法向应力为260kPa,剪应力为92kPa,该平面是否会剪切破坏?为什么?

3.一正常固结饱和黏性土样在三轴压缩仪中进行固结不排水剪切试验,试样在周围压力σ3＝200kPa作用下,当通过传力杆施加的竖向压力Δσ1达到200kPa时发生破坏,并测得此时试件中的孔隙水压力u＝100kPa。试求土地有效黏聚力c′和有效内摩擦角φ′,破坏面上的有效正应力σ′和剪应力τ是多少?

4.已知住宅采用条形基础,基础埋深d＝1.20m,地基土的天然重度γ＝18.0kN/m3,黏聚力c＝25kPa,内摩擦角φ＝15°。试求:

(1)计算地基的临塑荷载pcr和界限荷载p1/4?

(2)按照太沙基公式计算pu?

5.某岩土工程勘察得地基承载力特征值fak＝160kPa,基础底面以上土的加权平均重度γm＝16.5kN/m3,基础底面宽度为3.5m,埋深为1.8m。基底持力层为黏性土,其孔隙比为0.88,液性指数为0.86,重度为18kN/m3。试问:该持力层修正后的承载力特征值为多少?

6.已知某条形基础为轴心受压,其基础底宽b＝2.5m,埋深d＝1.50m,地下水距地表2.5m。基底以上土的加权平均重度为20kN/m3,基底以下砂土的重度为18kN/m3,其内摩擦角标准值为18°。试问:该地基的承载力特征值。