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正文內(nèi)容

巖土工程師土力學重點內(nèi)容總結(已修改)

2024-08-20 08:55 本頁面
 

【正文】 土的抗剪強度和特殊性土 一、內(nèi)容提要: 本講主要講述 ① 土的抗剪強度、土中一點的應力狀態(tài)、庫侖定律、土的極限平衡條件、內(nèi)摩擦角、粘聚力直剪試驗及其適用條件、三軸試驗、總應力法、有效應力法; ② 軟土、黃土、膨脹土、紅粘土、鹽漬土、凍土、填土; 二、重點、難點: 土的抗剪強度、土的極限平衡條件、三軸試驗;各種特殊性土的工程特性 三、內(nèi)容講解: 第一節(jié) 土的抗剪強度 土的抗剪強度是指土體對于外荷載所產(chǎn)生的剪應力的極限抵抗能力。在外荷載作用下,土體中將產(chǎn)生剪應力和剪切變形,當土中某點由外力所產(chǎn)生的剪應力達到土的抗剪 強度時,土就沿著剪應力作用方向產(chǎn)生相對滑動,該點便發(fā)生剪切破壞。工程實踐和室內(nèi)試驗都證實了土是由于受剪而產(chǎn)生破壞,剪切破壞是土體強度破壞的重要特點,因此,土的強度問題實質(zhì)上就是土的抗剪強度問題。 【例題 1】當土中某點由外力所產(chǎn)生的剪應力達到土的抗剪強度時,該點便發(fā)生剪切破壞,此時土產(chǎn)生相對滑動的方向為( )。 答案: A 【例題 2】土的強度問題實質(zhì)上是指土的( )問題。 A. 抗壓強度 B. 抗拉強度 C. 抗剪強度 D. 抗疲勞強度 答案: C 一、土的強度理論與強度指標 (一 )抗剪強度的庫侖定律 1776 年,法國學者庫侖 (C。 A。 Coulomb)提出了土的抗剪強度表達形式: 【例題 3】抗剪強度的庫侖公式為( )。 答案: B (二 )土 的強度理論與極限平衡條件 2. 摩爾 — 庫侖強度理論 在一定的壓力范圍內(nèi),土的抗剪強度可用庫侖公式表示,當土體中某點的任一平面上的剪應力達到土的抗剪強度時,就認為該點已發(fā)生剪切破壞,該點也即處于極限平衡狀態(tài)。土的這種強度理論稱為摩爾 —庫侖強度理論。 【例題 5】當土體中某點的任一平面上的剪應力達到土的抗剪強度時,該點處于極限平衡狀態(tài),此強度理論 稱為( )。 A. 摩爾強度理論 B. 庫侖強度理論 C. 摩爾 — 庫侖強度理論 D. 太沙基理論 答案: C 3. 土中應力與土的平衡狀態(tài) 將抗剪強度包線與摩爾應力圖畫在同一張坐標圖上,觀察應力圓與抗剪強度包線之間 的位置變化,如圖 1572所示。隨著土中應力狀態(tài)的改變,應力圓與強度包線之間的位置關系將發(fā)生三種變化情況,土中也將出現(xiàn)相應的三種平衡狀態(tài): 1)當整個摩爾應力圓位于抗剪強度包線的下方時 (圓 I),表明通過該點的任意平面上的剪應力都小于土的抗剪強度,此時該點處于穩(wěn)定平衡狀態(tài),不會發(fā)生剪切破壞; 2)當摩爾應力圓與抗剪強度包線相切時 (圓 II),表明在相切點所代表的平面上,剪應力正好等于土的抗剪強度,此時該點處于極限平衡狀態(tài),相應的應力圓稱為極限應力圓。 3)當摩爾應力圓與抗剪強度包線相割時 (圓 III),表明該點某些平面上的剪應力已超過了土的抗剪強度,此時該點已發(fā)生剪切破壞 (由于 此時地基應力將發(fā)生重分布,事實上該應力圓所代表的應力狀態(tài)并不存在 ); 【例題 6】根據(jù)圖 1572進行分析,當整個摩爾應力圓位于抗剪強度包線的下方時 (圓 I)時,表明土中的某應力點處于( )。 A. 穩(wěn)定平衡狀態(tài) B. 極限平衡狀態(tài) C. 剪切破壞 答案: A 【例題 7】隨著土中應力狀態(tài)的改變,土中將出現(xiàn)三種平衡狀態(tài),其中不包括( )。 A.穩(wěn)定平衡狀態(tài) B.極限平衡狀態(tài) C.剪切破壞 D.劈裂破壞 答案: D 4. 土的極限平衡條件 根據(jù)極限應力圓與抗剪強度包線之間的幾何關系,可以建立土中主應 力表示的土的極限平衡條件。設土體中某點剪切破壞時的破裂面與大主應力的作用面成 a 角,該點處于極限平衡狀態(tài)時的摩爾圓與抗剪強度包線相切于 A點,如圖 1573所示。將抗剪強度線延長與軸相交于 B點,由直角三角形 ABO1可知: 5. 土的極限平衡條件的應用 采用應力圓與抗剪強度包絡線相互位置關系來評判的圖解法也可以得到相同的結果。 二、土的抗剪強度指標的試驗方法 1. 直接剪切試驗 直剪試驗所使用的儀器稱為直剪儀,按加荷方式的不同,直剪儀可分為應 變控制式和應力控制式兩種。前者是以等速水平推動試樣產(chǎn)生位移并測定相應的剪應力;后者則是對試樣分級施加水平剪應力,同時測定相應的位移。我國目前普遍采用的是應變控制式直剪儀,該儀器的主要部件由固定的上盒和活動的下盒組成,試樣放在盒內(nèi)上下兩塊透水石之間。試驗時,由杠桿系統(tǒng)通過加壓活塞和透水石對試樣施加某一法向應力 ,然后等速推動下盒,使試樣在沿上下盒之間的水平面上受剪直至破壞,剪應力 的大小可借助與上盒接觸的量力環(huán)測定。試驗時對同一種土取 3~ 4個試樣,分別在不同的法向應力不剪切破壞,可將試驗結果繪制成抗剪強度 f 與法向應力 之間的關系。大量的試驗結果表明,對于砂性土,抗剪強度與法向應力之間的關系是一條通過原點的直線,該直線與橫軸的夾角為內(nèi)摩擦角 ;對于粘性土,抗剪強度與法向應力之間也基本成直線關系,該直線與橫軸的夾角為內(nèi)摩擦角 ,在縱軸上的截距為粘聚力 c,直線方程可用庫侖公式 (1571)表示。 (2)直剪試驗方法 大量的試驗和工程實踐都表明,土的抗剪強度是與土受力后的排水固結狀況有關,故測定強度指標的試驗方法應與現(xiàn)場的施工加荷條件一致。直剪試驗由于其儀器構造的局限無法做到任意控制試樣的排水條件,為了在直剪試驗中能盡量考慮實際工程中存在的不同固結排水條件,通常采用不同加荷速率的試驗方法來近似模擬土體在受剪時的不同排水條件,由此產(chǎn)生了三種不同的直剪試驗方法,即快剪、固結快剪和慢剪。 1)快剪。快剪試驗是在對試樣施加豎向壓力后,立即以 / min的剪 切速率快速施加水平剪應力使試樣剪切破壞。一般從加荷到土樣剪壞只用 3~ 5 分鐘。由于剪切速率較快,可認為對于滲透系數(shù)小于106cm/s 的粘性土在剪切過程中試樣沒有排水固結,近似模擬了 “ 不排水剪切 ” 過程,得到的抗剪強度指標用 表示。 2)固結快剪。固結快剪是在對試樣施加豎向壓力后,讓試樣充分排水固結 ,待沉降穩(wěn)定后,再 /min的剪切速率快速施加水平剪應力使試樣剪切破壞。固結快剪試驗近似模擬了 “ 固結不排水剪切 ” 過程,它也只適用于滲透系數(shù)小于 106cm/ s 的粘性土,得到的抗剪強度指標用 表示。 3)慢剪。慢剪試樣是在對試樣施加豎向壓力后,讓試樣充分排水固結,待沉降穩(wěn)定后,以小于 / min 的剪切速率施加水平剪應力直至試樣剪切破壞,使試樣在受剪過程中一直充分排水和產(chǎn)生體積變形,模擬了 “ 固結排水剪切 ” 過程,得到的抗剪強度指標用 表示。 (3)直剪試驗的優(yōu)缺點 直剪試驗具有設備簡單,土樣制備及試驗操作方便等優(yōu)點,因而至今仍為國內(nèi)一般工程所廣泛使用。但也存在不少缺點,主要有: 1)剪切面限定在上下盒之間的平面,而不是沿土樣最薄弱的面剪切破壞; 2)剪切面上剪應力分布不均勻,且豎向荷載會發(fā)生偏轉 (上下盒的中軸線不重合 ),主應力的大小及方向都是變化的; 3)在剪切過程中,土樣剪切面逐漸縮小,而在計算抗剪強度時仍按土樣的原截面積計算; 4)試驗時不能嚴格控制排水條件,并且不能量測孔隙水壓力; 5)試驗時上下盒之間的縫隙中易嵌入砂粒,使試驗結果偏大。 【例題 11】下列各種試驗方法中,不屬于直接剪切試驗的是( )。 A. 快剪 B. 固結快剪 C. 慢剪 D. 不排水不固結剪 答案: D 【例題 12】直剪試驗中的快剪模擬的是( )。 A. 不固結不排水剪 B. 固結水排水剪 C. 固結排水剪 答案: A 【例題 13】下列關于直剪試驗的優(yōu)點,不正確的是( )。 答案: D 2. 三軸壓縮試驗 (1)三軸壓縮試驗的原理 三軸壓縮試驗所使用的儀器是三軸壓縮儀 (也稱三軸剪切儀 ),它主要由壓力室、軸向加荷系統(tǒng)、穩(wěn)壓調(diào)壓系統(tǒng)以及量測系統(tǒng)等部分所組成。常規(guī)三軸試驗一般按如下步驟進行: 將土樣切制成圓柱體套在橡膠膜內(nèi),放在密 閉的壓力室中,根據(jù)試驗排水要求啟閉有關的閥門開關。 向壓力室內(nèi)注入氣壓或液壓,使試樣承受周圍壓力 作用,并使該周圍壓力在整個試驗過程中保持不變 通過活塞桿對樣施加豎向壓力,隨著豎向壓力逐漸增大,試樣最終將因受剪而破壞。 根據(jù)三軸壓縮試驗中測得的有關應力數(shù)據(jù),可整理計算出土樣的強度指標:設剪切破壞 時軸向加荷系統(tǒng)加在試樣上的豎向壓應力 (稱為偏應力 )為據(jù)此可做一個極限應力圓。用同一種土樣的若干個試件 (一般 3~ 4個 )分別在不同的周圍壓力 下進行試驗,可得一組極限應力圓,如圖 1574中的圓 I、圓 II和圓 III。做這些極限應力圓的公切線,即為該土樣的抗剪強度包絡線,由此便可求得土樣的抗剪強度指標 c、 值。 (2)三軸試驗方法 通過控制土樣在周圍壓力作用下固結條件和剪切時的排水條件,可形成如下三種三軸試驗方法: 不固結不排水剪 (UU 試驗 ):試樣在施加周圍壓力和隨后施加偏應力直至剪壞的整個試驗過程中都不允許排水,即從開始加壓直至試樣剪壞,土中的含水量始終保持不變,孔隙水壓力也不會消散。 UU 試驗得到的抗剪強度指標用 表示,這種試驗方法所對應的實際工程條件相當于飽和軟粘土中快速加荷時的應力狀況。固結不排水剪 (CU 試驗 ):在施加周圍壓力 時,將排水閥 門打開,允許試樣充分排水,待固結穩(wěn)定后關閉排水閥門,然后再施加偏應力,使試樣在不排水的條件下剪切破壞。在剪切過程中,試樣沒有任何體積變形。若要在受剪過程中量測孔隙水壓力,則要打開試樣與孔隙水壓力量測系統(tǒng)間的管路閥門。 CU試驗得到的抗剪強度指標用 表示,其適用的實際工程條件為一般正常固結土層在工程竣 工或在使用階段受到大量、快速的活荷載或新增荷載的作用下所對應的受力情況,在實際工程中經(jīng)常采用這種試驗方法。 固結排水剪 (CD 試驗 ):在施加周圍壓力及隨后施加偏應力直至剪壞的整個試驗過程中都將排水閥門打開,并給予充分的時間讓試樣中的孔隙水壓力能夠完全消散。 CD試驗得到的抗剪強度指標用 表示。 【例題 14】三軸試驗方法中不包括( )。 A. 不固結不排水剪 B. 固結不排水剪 C. 固結排水剪 D. 固結快剪 答案: D 【例題 15】某三軸試驗在施加周圍壓力 時,將排水閥門打開,允許試樣充分排水,待固結穩(wěn)定后關閉排水閥門,然后再施加偏應力,使試樣在不排水的條件下剪切破壞,該試驗方法為( )。 A.不固結不排水剪 B.固結不排水剪 C.固結排水剪 D.固結快剪 答案: B 【例題 16】在飽和軟粘土地基上進行快速土建施工,為模擬實際情況,在對土樣進行三軸試驗時應采用哪種方 法( )。 A.不固結不排水剪 B.固結不排水剪 C.固結排水剪 D.固結快剪 答案: A 【例題 17】如在進行三軸試驗時需測定孔隙水壓力,采用的試驗方法為( )。 A.不固結不排水剪 B.固結不排水剪 C.固結排水剪 D.固結快剪 答案: B (3)三軸試驗的優(yōu)缺點 三軸試驗的突出優(yōu)點是能夠控制排水條件以及可以量測土樣中孔隙水壓力的變化。此外,三軸試驗中試樣的應力狀態(tài)也比較明確,剪切破壞時的破裂面在試樣的最弱處,而不像直剪試驗那樣限定在上下盒之間。一般來說,三軸試驗的結果還是比較可靠的 ,因此,三軸壓縮儀是土工試驗不可缺少的儀器設備,三軸壓縮試驗的主要缺點是試驗操作比較復雜,對試驗人員的操作技術要求比較高。另外,常規(guī)三軸試驗中的試樣所受的力是軸對稱的,與工程實際中土體的受力情況不太相符,要滿足土樣在三向應力條件下進行剪切試驗,就必須采用更為復雜的真三軸儀進行試驗。 3. 抗剪強度試驗方法與指標的選用 在實際工程中,地基條件與加荷情況不一定非常明確,如加荷速度的快慢、土層的厚薄、荷載大小以及加荷過程等都沒有定量的界限值,而常規(guī)的直剪試驗與三軸試驗是在理想化的室內(nèi)試驗條件下進行,與實際工程之間 存在一定的差異。因此,在選用強度指標前需要認真分析實際工程的地基條件與加荷條件,并結合類似工程的經(jīng)驗加以判斷,選用合適的試驗方法與強度指標。 (1)試驗方法 相對于三軸試驗而言,直剪試驗的設備簡單,操作方便,故目前在實際工程中使用比較普遍。然而,直剪試驗中只是用剪切速率的 “ 快 ” 與 “ 慢 ” 來模擬試驗中的 “ 不排水 ” 和 “ 排水 ” ,對試驗排水條件的控制是很不嚴格的,因此在有條件的情況下應盡量采用三軸試驗方法。另外,《土工試驗方法標準》 (GB/ T50123— 1999)規(guī)定直剪試驗的固結快剪和快剪試驗只適用于滲透系數(shù)小于 106cm/ s 的粘土,對于其他的土類,則不宜采用直剪試驗方法。 【例題 18】適用固結快剪或快剪試驗進行抗剪指標測定的土類為( )。 A. 滲透系數(shù)小于 106cm/ s的粘土 B. 滲透系數(shù)大于 107cm/ s的粘土 C. 滲透系數(shù)小于 108cm/ s的粘土 D. 滲透系數(shù)小于 105cm/ s的粘土 答案: A (2)有效應力強度指標 用有效應力法及相應指標進行
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