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10一下盒;
11一剪切面
图12-4-1表示一种最简单的强度试验仪,称为直剪仪。
由上盒和下盒所组成,上盒固定不动,下盒可自由移动。
土样的直径64mm,相当于面积A=30cm2;
厚度25mm。
试验时,把士样置于盒内上下透水石之间,通过承压板施加竖向荷载户;
推动下盒施加剪切力To土样破坏时,在上下盒之间形成剪切面,则破坏时剪切面上的法向应力σ和抗剪强度τf分别为:
σ=P/Aτf=T/A
取3-4个重度与含水量大致相同的土样,分别在不同的竖向荷载P作用下进行剪切试验,就可以得到抗剪强度与法向应力之间的关系。
1.砂土的抗剪强度规律
砂土以及其他元教性土的抗剪强度取决于颗粒的形状、粗细、级配、矿物成分等因素;
对于给定的砂样,主要的因素是孔隙比和密实度。
图12-4-2表示砂土抗剪强度的一般规律性;
图12-4-2(α)为剪切过程中的应力应变关系曲线,峰值应力即表示土的抗剪强度;
图12-4-2(b)为砂土的抗剪强度与法向应力之间的关系,是一条通过原点的斜线。
强度规律可用公式表示:
τf=σtgΦ
式中τf一一土的内摩擦角;
σ一一剪切面(破坏面)上的法向应力。
图12-4-3表示密实度对抗剪强度的影响;
密砂的应力-应变曲线具有峰值特征,而且在剪切过程中体积膨胀,具有剪胀性;
松砂无峰值特征,剪切过程中体积收缩,具有剪缩性。
2.黏性士的抗剪强度规律
黏性土的强度规律是一条不通过原点的斜线,见图12-4-4所示。
强度规律公式为:
τf=σtgΦ+c(12-4-2)
式中c一一土的黏聚力;
土的内摩擦角Φ和黏聚力C称为抗剪强度参数(指标)。
对于饱和的黏性土,因为在竖向和切向应力作用下,土中会产生孔隙水应力以及排水固结的过程。
把有效应力原理引入公式(12-4-2),写成:
τf=(σ-u)tgΦ‘+c’=σ‘tgΦ‘+c’(12-4-3)
式中σ‘一一(σ-u)剪切面上有效法向应力;
c’,Φ‘——有效黏聚力和有效内摩擦角。
因此,饱和黏性土的抗剪强度试验有总应力法和有效应力法之分;
相应的强度参数有总应力参数和有效应力参数之别。
由于直剪试验不能量测土样内的孔隙水应力,不能从定量上知道土样的排水固结的程度。
所以只能根据控制试验速度来求得不同的强度参数,规定了以下三种不同的试验方法:
快剪:
在士样上下面上加一层塑料薄膜防止孔隙水排出,在竖荷载施加后立即(3~5分钟)进行剪切直至破坏;
固结快剪:
先让土样在竖荷载下充分排水固结(通常恒压24小时),然后快速地将土样剪坏;
慢剪:
土样在竖向荷载下充分排水固结,然后缓慢(约40分钟或更长时间)地施加剪应力直至破坏。
以上三种试验,可以得到不同的强度参数,实际应用时要根据工程和土层的具体情况选用试验方法及其强度参数。
例如在深厚的高塑性结土地基上,建筑物施工速度很快,预计动土层在施工期排水固结程度很小,就应当采用快剪的参数来分析地基的稳定性;
又如施工期很长,预计土层能够充分排水固结,但竣工后可能有瞬时荷载,在这种情况下可以用固结快剪的参数。
(二)三轴剪力试验
直剪试验测定土的抗剪强度,仪器简单,操作方便,至今仍广泛使用。
但它存在着以下问题。
首先是不能量测土样中的孔隙水压力,无法控制排水固结的程度;
第二是破坏时剪切面被限制在上下匣之间的隙缝处如果土样中有薄弱夹层时,就不能正确反映实际情况;
第三剪切面上应力分布复杂,试样前后端应变特别显著,应力集中。
所以目前对于重要工程以及进行理论研究,都须采用三轴剪力试验。
1.三轴仪的构造
图12-4-5三轴仪构造
三轴试验仪的构造如图12-4-5所示,由三大部分组成:
第一部分为主机,包括受压室和竖向应力施加系统;
第二部分是围压系统;
第三部分为孔压系统。
试验时,将土样包在橡皮膜内置于受压室的底座上,通过围压系统对土样施加均匀压力;
通过传力杆施加轴向应力;
通过孔压系统测定孔隙水应力。
2.三轴试验的基本原理
从材料力学应力分析可知,在σl和σ3主应力作用下,任意方向平面上的正应力和剪应力可以用应力圆来表示。
见图12-4-6所示,当应力圆的位置正好与抗剪强度线相切时,切点对应平面上的法向应力σ和剪应力T的关系满足土的强度时,土样就被剪坏了。
根据这一关系,取3~4个土样(土样直径3.8cm,高7.6cm)在不同的的作用下增加σ直至破坏,分别将破坏时的应力圆画出来,作这些圆的公切线,即为土的抗剪强度线,其截距和倾角即为抗剪强度参数c和Φ。
3.三轴试验资料整理
三轴试验各阶段土样受力情况,孔隙水压力变化等都可以测定和控制。
三轴试验施加
强度包线(虚线表示)。
总应力圆与有效应力圆直径大小相同,两者之间位置差即孔隙水压力uf,相应的参数ccu,Φcu和c‘,Φ‘。
对于CD试验,整个试验过程中充分排水,所以总应力圆与有效应力圆相等,只能得到一条强度包线及其参数c‘,Φ‘。
对于正常固结的土,有效应力强度包线通常是通过原点,或c‘≈0。
图12-4-7饱和黏性土不排水剪切试验结果
图12-4-8三轴固结不排水试验结果
图12-4-9三轴排水试验结果
(三)无侧限和十字板强度试验
无侧限和十字板试验也是两种常用的方法。
这两种试验基本上都属于不排水剪,所以其强度也视作天然强度。
无侧限又称单轴压缩试验。
相当于三轴试验中σ3=0的条件。
试验结果只能得到一个应力圆,见图12-4-10。
若抗压强度为qu'
则不排水强度
图12-4-10无侧限强度
c=qu/2
十字板试验是现场原位测定土强度的方法。
仪器设备见图12-4-11所示。
先在现场钻孔至测点标高,然后插入一个高H,直径为D十字板,通过地面上的转盘施加一个扭转力矩M,使埋在土中的十字板扭转将土剪坏,这时测得的强度称为土的十字板强度s,由公式(12-4-5)得到
(四)土的应力应变曲线和灵敏度
土体在受剪过程中会发生变形。
土的应力应变关系有两种类型;
大多数硬教土或密砂如图12-4-12(α)的类型,一个微小的位移就达到一个"
峰值强度"
然后强度随着位移
何平面上的剪应力都小于土所能发挥的强度;
II圆正好与强度线相切,切点A所代表的平面为破裂面,该面上的应力条件为极限平衡状态;
III圆与强度线相割,实际上这种应力条件是不可能存在的。
(一)土中任意一点的应力状态
取一单元微体,图12-4-14(α),设作用在单元体上大主应力σ1小主应力σ3。
则作用在与大主应力平面成α角的mn平面上的正应力σ和剪应力τ与σl、σ3的关系可根据图12-4-14(b)平衡条件写出
图12-4-14土体中任意点的应力(α)单元微体上的应力;
(b)隔离体abc上的应力;
(c)莫尔园
(12-4-6)
式(12-4-6)也可以按图12-4-14(c)几何关系证明。
(二)土的极限平衡条件
将土的强度包线与破坏条件的应力图画在同一坐标图上,见图12-4-15所示,则A点所代表破裂面mn平面上的法向应力和剪应力就可以按公式12-4-6求出;
在极限平衡条件下,大主应力σ1与小主应力σ3之间关系可通过图12-4-15(b)几何关系求得:
(12-4-7)
图12-4-15土体中一点达极限平衡状态时的莫尔圆
(α)单元微体;
(b)极限平衡状态时的莫尔圆
则有
(12-4–8)
(12-4–9)
对于无粘性土,由于粘聚力为零,则极限平衡条件的表达式可以简化为
(12-4–10)
(12-4–11)
土处于极限平衡状态时极限平衡面与大主应力作用面间的夹角
,可由图4–9中的几何关系得到:
(12-4–12)
习题:
1.固结排水条件下测得的抗剪强度指标试验结果适用于(A)。
A.慢速加荷排水条件良好地基
B.慢速加荷排水条件不好地基
C.快速加荷排水条件良好地基
D.快速加荷排水条件不好地基
2.饱和黏土的抗剪强度指标(A)。
A与排水条件有关
B.与排水条件无关
C.与试验时的剪切速率元关
D.与土中孔隙水压力的变化无关
3.某房屋地基为厚层教土,施工速度快,则验算地基稳定性的地基土抗剪强度指标宜按(D)试验确定。
A.排水剪切试验
B.直接剪切试验
C.固结不排水剪切试验
D.不排水剪切试验
4.淤泥或淤泥质土地基处理,检测其抗剪强度应采取(A)则试方法。
A.十字板试验
B.室内试验
C.静载荷试验
D.降低夯击能量
5.对土坡进行长期稳定性分析时应采用(D)。
A.十字板剪切强度参数
B.三轴固结排水剪强度参数
C.无侧限抗压强度参数
D.三轴固结不排水剪强度参数
6.当摩尔应力圆与抗剪强度线相离时,土体处于的状态是(A)。
A.破坏状态
B.安全状态
C.极限平衡状态
D.主动极限平衡状态
7.某饱和蒙古土进行三轴不固结不排水剪切试验,得到的抗剪度指标c、Φ大小为(A)。
A.c=0.5(σl一σ3)、Φ=0°
B.c=0.5(σl一σ3)、Φ>
0°
C.c=0.5(σl十σ3)、Φ=0°
D.c=0.5(σl十σ3)、Φ>
8.土中某点处在极限平衡状态时,其破坏面与小主应力σ3作用面的夹角为(B)。
A.45°
B.45o-Φ/2
C.45o+Φ/2
D.45°
+Φ
9.有两个性质相同的饱和黏性土土样,分别在有侧限和元侧限条件下,瞬时施加一个相同的竖向应力p,则有(B)
A.产生的孔隙水应力相同
B有侧限条件大于无侧限条件
C.有侧限条件小于无侧限条件
D.无侧限土样中部的孔隙水应力比有侧限大
10.某一点的应力状态为σ1=400kPa,σ3=200kPa,c=20kPa,Φ=20°
则该点处于下列(A)项所述情况。
A.稳定状态
B.极限平衡状态
C.元法判断
D.破坏状态
解答:
所以稳定
11.内摩擦角为12o的土样,发生剪切破坏时,破坏面与最大主应力方向的夹角为(A)。
A.39°
B.51°
C.33°
D.78°
破坏面与最大应力作用面的夹角:
a=45o+
则破坏面与最大应力作用面的夹角:
12.某土样进行直剪试验,在法向应力为100kPa、200kPa、300kPa时,测得抗剪强度τ分别为52kPa、83kPa、114kPa,若在土中的某一平面上作用的法向应力为260kPa,剪应力为96kPa,该平面的剪切破坏情况是(B)。
A.剪切破坏
B.未破坏
C.处在极限平衡状态
D.无法确定
由
,可得:
52=100tanΦ+c;
83=200tanΦ+c
解之得:
tanΦ=0.31,c=21kPa,故有
所以,该平面为剪切破坏。
13.某试样有效应力抗剪强度指标Φ=30°
c‘=34kPa,若该试样在周围压力的=200kPa时进行排水剪切至破坏,则破坏时可能的最大主应力为(B)kPa。
A.727.26
B.717.78
C.711.08
D.702.58
=600+117.78=717.78kPa
14.劲性土中某点的大主应力为σ1=400kPa时,其内摩擦角伊=30°
c=10kPa,则该点发生破坏时小主应力为(A)kPa。
A.121.78
B.128.87
C.138.62
D.148.64
=133.33-11.55=121.78kPa
15.某正常固结饱和教性土的有效应力强度参数为c'
=0,Φ'
=30°
如在三轴固结不排水试验中固压σ’3=150kPa,破坏时测得土中的孔隙水压力u=100kPa,则此时大主应力σ1为(B)kPa。
A.200
B.250
C.225
D.275
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