谈建筑工程用土的抗剪强度

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工程 科技

谈建筑工程用土 的抗剪强 度
王 国 臣
（ 哈 尔滨保利房地产综合开发有限责任公 司， 黑龙江 哈 尔滨 １ ５ ０ ０ ０ ０ ） 摘 要： 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 一库仑 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 。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。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。
关键词 ： 抗剪强度 ； 直剪 ； 库仑定律 ； 三轴试验 在 土力学 中，采用摩尔 一库仑强度准则，用内摩擦 角和 内聚力 面作用着小主应力顶面和底面作用着大 主应 力 ， 大、 小主应力可 以 在 两个指标描述土的抗剪强度规律 。在室 内试验 中， 可 以用直 剪试验 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， 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 土样 的底面和顶面都设置 了可 以控制 的排水管道， 通过开关可 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 器或现场大型直剪试验测定 。 １ 直 剪 试 验 和 库 仑 定律 力 。因此， 三轴试验可以克服直剪试验的固有缺点， 不仅 可作 为工程 １ ． １ 直 剪 试 验 试验之用，也在科学研究 中广泛应用，是 目前最 常用 的土工试验仪 直剪试验是直接剪切试验 的简称 ， 所用 的仪器 称为直剪仪 。剪 器 。 ２ ． １三轴 试 验 原 理 切盒分为上 、 下两个， 上盒 固定 ， 下 盒可 以在平面上滑动 ， 上下盒之 间 留缝隙。通过传压板对 土样施加竖 向压力 ， 对下盒施加水平力， 移动 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 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 下盒使土样受剪直至破坏。 土样 面积为 ３ ０ ｅ ｍｚ ， 高度为 ２ ． Ｏ ｅ ｍ。 竖向荷 验 ， 土的强度破坏 取决 于滑动面上 的剪应力与法 向 载除 以土样面积为竖 向压力 ， 水平力除 以土样 面积为剪切应力 。试 水条件和应力条件 。 亦 即取决于强度破坏时的极 限应力状态 。摩尔在 １ ９ ９ ０年 验时， 一般 用 ３ － ４个物理状态相 同的土样分别在不 同的竖 向压力作 应力之 比， 提出了根 据材料强度破坏时极限应力状态 的多个应力 圆， 求得与这 用下剪切至破坏， 剪切时可同时测定剪切应力和剪切位移 。 根据试验 数据可 以绘制不 同竖 向压力 下的剪应力 与剪切位 移 些应力 圆相切 的包络 曲线的方法。 虽然这条强度包络线近似 于抛物 但在应力不大 的情况下仍 用库仑 的直线表 达式 以简化 曲线 。 选取剪切应力与剪切位移曲线 上的峰值或稳定值作为抗剪强 线或双曲线， 度值， 如无 明显峰值和稳定值时则取剪切位移为 ４ ａ ｒ ｍ处 的对应剪应 计算 。 在土压 力和地基承载力 问题的分析 中很 有用处 。根据 土的强度 力作为抗剪强度值 。 理论， 可 以得出如下几点结论 ： 土中某点达到剪切破坏状态 的应力 条 １ ． ２库 仑 定 律 取不 同的竖 向压力及其 对应 的抗 剪强度值绘 制抗 剪强 度与竖 件必须是法 向应力和剪应力 的某种组合符 合库仑破坏准 则， 而不 是 亦即发生在最 大剪应力 的作用 向压 力（ 即法 向应力） 关系 图， 在一般应力水平 ， 抗剪强度 与法 向应力 最大剪应力达到 了抗剪强度 的条件 ， 而是在与大主应力作用 面成某 一夹角的平面上； 土中某 点达到 成线性关 系， 这条直线称 为库仑一摩尔 强度 包线 ， 可 以用斜率和截距 面上， 剪切破坏状态时， 剪切 破坏 面与大主应力面的夹角为在摩尔 圆上 ； 在 两个参数来描述抗剪强度的规律 。 三轴试验 中 施加在土样上 的大主应 力是竖向 的， 大 主应力 面则 是水 两个 多世纪 以来， 土的抗 剪强 度问题的研究取得 了很大的进展， 但这个最 基本 的关 系式仍广泛应用于工程实践和理论研究 。 按照库 平 的。 根据土的极限平衡条件， 已知大 、 中主应力的任何一个， 即可求 仑定律 ， 试验 资料表 明， 当法 向应力很 大时， 抗 剪强度和 法向应力 之 得 另一个：也 可利用这一关 系在土体求 出已发 生剪切 破坏面 的位 一般在小 主应力 为一 定的条件下加大 大主应力 间不再保 持直线关 系， 强度包 线变为曲线， 不再符合库仑定律 。但 在 置。在 三轴试 验时， 使 土样破坏， 然后 ， 用剪切破 坏时的大 、 小主应力 即可绘制破坏 应力 般 工 程 的应 力水 平 ， 库 仑定 律还 是 适 用 的 。 圆。在不 同的小主应力作用下加大大主应力使 土样 剪切破坏 ， 可得 １ ． ３ 直 剪 试 验 的三 种 试 验 方 法 根据直剪试验的固结排水条件可 以分为三种试验方法： 大小 不同的破坏应力圆， 作破坏应力 圆的公切线 即得强度 包线 。强 度包线 的截距和倾角即为土的粘 聚力和内摩擦角 。 １ ． ３ ． １ 快 剪 试 脸 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 ２ ． ２三 轴 剪 力 仪 的 特点 力后立 即施加水平剪力进行剪切， 而且剪切 的速率也很快， 一般只有 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 周围压力系统和轴向加压设备 。圆柱形 的土样用橡皮 ３ ￣ ５ ｍｍ。采取 这些 措施 的 目的是为 了控 制土样在试 验时不 固结 排 包括压力室 、 由周 围压力系统通过压 力水对土样施 水 以便测定 天然状态 的强度指标 。由于直剪仪 固有 的缺点 ， 尽管采 膜包裹密封后置于压力室 内， 由轴 向加压设 备通过 量力环 、 活塞杆 对土样施 加轴 向 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 加周 围压力， 的偏应力， 在忽略土样帽与土样 之间摩擦力的条件下， 周 围压力即为 全不排水 的状态， 特别是对透水性 比较大的土影响更 大。 小主应力， 偏应力与周围压力之和即为大 主应力 。 １ ． ３ ． ２围结快 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 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 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 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， 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 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， 但对压 力水去除气泡 的要求很 作用下不排水 的工况， 同样 由于仪器的缺 陷不 能保证 同样在剪切时 此时稳 压系统 同时具有量测 的作用， 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 高 。 量测 系统用 以量测从土样中排出孑 Ｌ 隙水的体积，测定孔隙水压 抗剪强度值。 １ ． ３ ． ３慢 剪 试 验 力的变化 以及对土样施加应力的大小。 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 参 考 文献 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 ［ １ １ 中 华人民共和国建设部， 建筑工程施工规ｉ 雹 ［ Ｍ ］ ． 北京： 中国建筑工 ２ ０ ０ ２ ． ０ ． ０ ２ ｍ ｍ／ ｍｉ ｎ ，以使土样在剪切过程中有充分 时间排水和产生体积变 业 出 版 社 ． 形， 得到 的指标可 以模拟完全排水工况的强度变化规律 。 ｆ ２ １ Ｙ － 大纯． 工程 建筑学基础【 Ｍ１ ． 北京： 地质 出版社， １ ９ ９ ５ ．