土的抗剪强度（共3篇）
土的抗剪强度 篇1
一、引言
土是由零散的土粒所组成的集合体, 其抗剪强度取决于土粒间的粘滞力和摩擦力, 而施加了荷载之后会使摩擦力增加, 其抗剪强度将会发生变化。土的抗剪强度是工程设计时所需要的一个重要参数, 直接关系着工程造价、安全性等从多问题, 被应用于工程土坡稳定、地基承载力、土压力等相关计算之中。如何通过试验精确的获取土的抗剪强度, 对于相关计算结果是否可信、设计是否合理等均有着决定性的影响。但是, 土的抗剪强度是由多个因素决定的, 包括如土壤结构、矿物成分、密实度以及含水率等, 而这些都取决于土形成的环境和应力历史以及当前所承受的应力状态。这使得土的抗剪强度和垂直压力并不完全符合库仑方程的直线关系, 还与其它诸多影响因素有关。因此, 在室内试验检测土的抗剪强度时, 应当从多个方面, 包括土的形成环境、应力历史以及当前应力状态等入手, 尽可能的模拟出符合其实际受力状况的荷重条件, 使试验所得抗剪强度数据能更符合土的实际情况, 避免产生过大误差造成安全隐患。
二、土体抗剪强度的影响因素与表达式之间的契合问题
土的抗剪强度受土的摩擦力和粘聚力两个因素的影响, 其中摩擦力来源于剪切面土粒间表面的摩擦和土粒间互相嵌入所产生的咬合力;粘聚力则来源于土粒间胶结作用和电分子引力等作用。但是, 土体并非是连性续性的结构, 呈现出多相性不均匀的特性, 其强度性质和结构机理极为复杂, 而以库仑定律为基础所建立的土的抗剪强度表达式 () 都过于简单, 很难依据这一公式来指导工程中土的剪强度试验时所应当选用的和两个参数。实际上, 对摩擦力和粘聚力这两个因素会造成影响的条件还有很多, 最主要的还有应力历史和土体排水条件, 应力历史条件和土体排水条件, 会对摩擦力和粘聚力两个因素的影响因子形成影响。总的来说, 抗剪强度受剪切面法向总应力、土的初始密度、土粒级配、土粒形状、土粒表面粗糙度、矿物成分、粘粒含量、含水量、土体结构等的影响
因此, 当前我们在进行土体抗剪强度试验时, 不考虑工程实际情况和取土深度, 直接设定竖向压力为100kPa, 200kPa, 300kPa和400kPa进行测试, 再对四次测试结果按平均值计算确定指标的方法, 存在着极大的离散性和可靠性隐患。在测试时, 应当考虑土的应力历史, 尽量使试验现场的应力条件同应力历史条件相同, 对不同应力历史下的数据进行分别处理, 使所得数据可靠性更高。比如从天然土层深处取出的土样, 由于在取出前土样在土层自重应力下具有了一定的强度, 在取出后周围压力卸除, 卸除的应力由土孔隙中水的表面张力所代替, 孔隙中的水受到负压一部分从溶解在水中的气体逸出, 使得土样残余有效应力降低, 体积膨胀, 变为超固结土, 如果不考虑其应力历史条件直接设定竖向压力按四次结果取平均值计算确定指标, 所得数据必然会与实际不符, 甚至产生极大的误差。
三、土的抗剪强度的荷重设定
目前常用的土体抗剪强度试验方法主要有直接剪切试验、三轴剪切试验、十字板剪切试验和大型直剪试验。其中, 直接剪切试验和三轴剪切试验属于室内试验常用的方法, 十字板剪切试验和大型直剪试验属于现场原位常用测试方法, 几种方法中, 进行室内试验时尤其要注意土的应力历史影响问题。实际上, 土的应力历史就是指土体历史上曾受到过的应力状态和应力状态变化, 其本质上也就是应力状态发生了变化。先期固结压力和超固结比, 先期固结压力是指土层在历史上所经受过的最大固结压力, 也就是土体在固结过程中所受的最大有效压。先期固结压力与现有自重压力的比值, 即称为超固结比OCR。对于正常固结土, 也就是天然土层在逐渐沉积到现在地面后, 经历漫长的地质年代, 在土自重作用下达到固结稳定状态的土, 这类正常固结土的先期固结压力等于现有土自重应力, 这类土体称为正常固结土, 其超固结比OCR为1。超固结土是正常固结土在流水、冰川、人为开挖作用下所获取的土体, 这类土体前期固结压力与获取前的地面深度有关, 其前期固结压力超过了现有土体自重压力, 这类历史上所受压力大于了土体现有自重压力的土体称为超固结土。新近从沉积粘性土、人工填土、地下水位下降后水位以下的粘性土, 由于在自重作用下还没有完全固结, 土体孔隙水压力还在消散, 其固结压力小于土自重应力, 称为欠固结土。
基于应力历史对土体抗剪强度试验离散性和可靠性的影响, 我们在进行抗剪试验荷重设定时, 应当首先弄明白土样的应力历史, 再确定试验方法和荷重设定。进行剪切试验时, 每组试验均应取4个试样, 用4种不同荷重, 一个相当于现场预期最大荷重, 一个要大于最大荷重, 另两个要小于最大荷重。在采用三轴试验时, 对试验施加的周围荷重, 则应尽可能和土体现场实际压力一致, 这都是考虑应力历史的原因。
实际上, 从土壤深处取出的软粘土、砂质粘土等不加水也会产生膨胀, 在雨中取样时, 吸水膨胀的可能性很大, 此时试验时的有效应力肯定要比在取土位置更小, 因此如果不考虑应力历史, 即是采用现场测试也不可能准确的得到土体的抗剪强度参数, 在抗剪强度试验时所得结果比较零乱的原因, 这不仅是因为土体自身的不均匀性, 更多的是因为土体的应力历史条件难以把握的问题。因此, 在进行荷重设定时, 一定要将应力历史条件考虑进去, 设定切合应力历史条件的荷重进行试验, 使试验数据更为准确可靠。
摘要：土的抗剪强度是工程设计中的一个重要参数, 但由于土体的不均匀特性使得土的抗剪强度与垂直压力并不完全符合库仑方程直线关系。本文就此进行研究, 发现合理的荷重设定应当与土的应力历史相符合, 充分考虑土壤结构、矿物成分、密实度以及含水率等因素, 才能获得最准确的数据。
关键词：抗剪强度试验,荷重设定,应力历史,土壤结构
参考文献
[1]张求书、宋志伟:《浅谈公路工程中土的抗剪强度试验》, 《中国水运 (下半月) 》, 2010 (02) 。
[2]姚攀峰:《再论非饱和土的抗剪强度》, 《岩土力学》, 2009 (08) 。
[3]刘佩琳、朱红雷:《土的抗剪强度试验的荷重设定》, 《山西建筑》, 2007 (15) 。
[4]明福林、刘奇:《土的抗剪强度试验中有关问题》, 《吉林水利》, 2011 (11) 。
土的抗剪强度 篇2
1. 杂填土。
杂填土是指由人类活动所形成的建筑垃圾、生活垃圾和工业废料等无规则堆填物。杂填土成分复杂、结构松散、分布极不均匀, 因而均匀性差、压缩性大、强度低。未经人工处理的杂填土不得作为建筑物基础的持力层。
2. 软土。
软土包括淤泥及淤泥质土。其特点是含水量高、孔隙比大, 压缩高, 内摩擦角小, 因此软土地基承载力低, 在外荷载作用下地基变形大。软土的另一特点是渗透系数小, 固结排水慢, 在比较深厚的软土层上, 建筑物基础的沉降往往持续数年甚至数十年之久。
3. 砂卵石地基。
对于中小型水闸、泵房等建筑物及一般的堤防工程而言, 砂卵石地基的承载力通常能满足要求。但砂卵石地基有着极强的透水性, 当挡水建筑物存在上下游水头差时, 地基极易产生管涌, 造成严重事故。因此水利工程中的砂卵石地基包括粉细砂地基必须采取适当的防渗排水措施。
4. 特殊土地基。
特殊土地基一般带有地区性特点, 包括湿陷性黄土、膨胀土和冻土等。湿陷性黄土的主要特点是受水浸润后土的结构迅速破坏, 在自重应力和上部荷载产生的附加应力的共同作用下产生显著的附加沉陷, 从而引起建筑物的不均匀沉降。膨胀土是一种吸水显著膨胀而失水显著收缩的高塑性土, 这种地基土的特性容易造成建筑物隆起或下沉, 从而带来严重危害。冻土是指气温在零度以下时出现固态冰的土, 包括瞬时冻土、季节性冻土和多年冻土。其中, 季节性冻土对水利工程的危害较大。季节性冻土因其周期性的冻结和融化, 从而造成地基的不均匀沉降。
二、水利工程中基础土抗剪强度指标的确定
土的抗剪强度是指土的某一受剪面上抵抗剪切破坏的最大应力。土的抗剪强度一般由黏聚力和内摩擦力两部分组成。黏聚力主要由包围在土颗粒周围的黏结水产生的, 它是以吸附水膜的形式使颗粒在接触面上相互黏结。显然, 颗粒越细, 颗粒的比表面积越大, 黏聚力越大, 而对无黏性土来说, 黏聚力很小甚至可认为不存在。内摩擦力是指颗粒之间的摩擦阻力, 它来自颗粒接触面上的摩擦作用和颗粒棱角的链锁作用。这种摩擦力取决于土的滑动面的粗糙程度和该面所受的法向压力。
土的抗剪强度指标的正确选择, 取决于剪切实验方法的正确运用。而剪切实验方法的选定, 又必须保证土样所处的实验条件 (如受力和排水条件等) 应尽可能与实际情况相一致。下面对三种用于近似模拟土体在现场遇到的不同受剪排水条件的剪切试验做简单介绍。
第一, 不固结不排水剪 (UU) 或快剪 (Q) 。不固结不排水剪或快剪通常用来模拟弱透水性黏土地基受建筑物的快速加载或土坝在快速施工中被剪破的情况。这类试验要求饱和土样在受剪之前以及剪切过程中, 始终保持原有水分不变。不排水剪 (UU) 在三轴压缩仪中进行, 快剪在直接剪切仪中进行。
第二, 固结不排水剪 (CU) 或固结快剪 (R) 。完全符合固结不排水剪或固结快剪试验中受力排水条件的实际工程情况是不存在的。有时, 这种试验用来模拟中等透水性土或黏土在中等加荷速率下被剪破的情况。通常, 固结不排水剪试验主要用来测定土的有效强度指标和推求原位不排水强度。CU试验在三轴仪中进行, 固结快剪试验在直剪仪中进行。
第三, 固结排水剪 (CD) 或慢剪 (S) 。这种试验用来模拟黏土地基和土坝在自重荷载作用下已压缩稳定后, 受缓慢荷载被剪破的情况或砂土受静荷载被剪破的情况。CD试验在三轴仪中进行, 慢剪试验在直剪仪中进行。
三、渗流危害及基础土渗透系数的确定
1. 渗流的危害。
水利工程中由于广泛建造堤、坝、围堰、水闸等挡水建筑物形成了水头差, 这些建筑物或其地基通常是透水的多孔介质 (土或风化岩石) , 因此, 渗流现象十分普遍。渗流不仅会造成水库、渠道水量损失, 还会使堤坝、围堰土体饱和, 降低坝体的有效应力, 从而降低抗剪强度, 可能导致坝坡失稳;当渗透坡降过大时, 甚至使堤坝中的土体颗粒流失, 发生渗透变形, 从而使堤坝塌陷溃决。
2. 基础土渗透系数的确定。
渗透系数的大小是直接衡量土的透水性强弱的一个重要的力学性指标。土的渗透性除了与水的动力黏滞系数和温度有关之外, 还与土的种类、孔隙比、颗粒级配、颗粒形状等因素有关。确定渗透系数值的方法包括野外原位试验、室内试验、经验公式或查表估计。一般认为野外现场测定渗透系数得到的结果比较可靠, 当然现场试验所要投入的人力和经费也较多。室内试验测定渗透系数一般存在较大偏差, 因此室内试验测定值一般不能直接采用, 只能作为野外原位试验的辅助资料。对于一些无条件进行野外原位渗透试验的工程, 在初步设计阶段或可行性论证阶段, 可由验公式或查表来进行估算。
四、结语
总之, 不同性质土基的缺陷会给水利工程建筑物造成不同形式的破坏, 而要控制地基沉陷、防止地基发生渗透变形, 就必须准确的把握土的抗剪强度、渗透性等物理性质。
参考文献
[1]吴楚权.谈小型水利工程地基处理[J].广东科技.2007, 170 (6) :226-227
土的抗剪强度 篇3
关键词：滑坡稳定性,抗剪强度指标,反算法
0 引言
滑坡 (landslide) 是斜坡岩土沿着某一破坏面 (或软弱面) 整体向下滑动的现象, 是山区常见的一种不良物理地质现象。对滑坡稳定性进行分析研究已经是多数工程必做的工作。滑坡稳定性分析时, 除需知道滑面位置外, 还必须知道滑体容重γ、滑面的抗剪强度指标c、以及设计所要求的稳定系数K。滑体容重γ通过试验或凭经验确定, 滑面强度指标c、影响很大, 因为即使有微小的差别, 均能造成很大的差异。
1 根据滑坡的滑动性质用剪切试验方法求滑面上的抗剪强度指标
用试验方法求滑面土的的抗剪强度指标的关键在于要尽可能地模拟它的实际状态, 只有这样才可能获得符合实际情况的数据。
对于各种类型滑坡, 就其滑面上的剪切状况来说, 大致可分为三种情况: (1) 新生滑坡, 现在尚未滑动而即将发生滑坡者, 显然这时潜在滑动面上并未发生剪切破坏, 待发生剪切破坏时滑坡就滑动了; (2) 滑坡已滑动, 而且持续不断在发生剪切位移, 滑带土已剪坏; (3) 介于上述两者之间, 历史上曾发生过滑动, 而现今并非经常滑动的滑坡。
然而由于滑坡过程本身的多样性和复杂性, 以及土介质的多样性, 成因、结构的复杂性与不均匀性, 其强度随外界因素变化的可变性等, 使得使用现有的土工试验仪器和方法很难准确地模拟滑带土的实际受力状态和变化过程。
2 用反算法求滑面土的抗剪强度指标
滑坡的每一次滑动都可以看成是一次大型的模型试验。只要弄清滑动瞬间的条件, 就可以求出该条件下滑面土的抗剪强度指标。对于曾经产生过滑动的滑坡稳定性, 可通过滑坡滑带土在滑动前瞬间处于极限平衡条件下的抗剪强度指标与现场实测的抗剪强度指标对比分析, 以判断滑坡的稳定性。然后, 再按滑动已发生后的实际断面检算滑坡体的稳定系数。反算法所求出c、值的可靠性取决于反算条件是否完备与可靠。实践证明, 只要反算条件可靠, 所得指标将能较好的反映土的力学性质。
根据滑带土的性质不同, 滑坡极限平衡状态抗剪强度指标的推算可以分为综合c法、综合法及兼有c、法。
2.1 综合c法
当滑带土的抗剪强度主要受黏聚力控制, 且内摩擦角很小时, 将摩擦力的实际作用纳入c的指标内考虑, 反算综合黏聚力c。此种简化只适用于滑带饱水且滑动中排水困难, 滑带又为饱和黏性土或虽含少量粗颗粒但被黏土所包裹而滑动时粗颗粒不能相互接触的情况。
对于均质土, 可假设为圆弧滑动面滑坡。滑动面抗剪强度综合c0值可按下式推算:
式中:W2W1———在轴两侧滑坡体重;
c0———极限平衡条件下滑面 (带) 的综合黏聚力;
L———滑面 (带) 的长度, S为总强度。
对于折线形的滑动面, 可将滑体分为若干条块计算, 即:
式中:ΣTR、ΣTc———分别表示滑坡体抗滑、下滑段的抗滑力及下滑力水平投影;
S———滑面 (带) 总强度;
Wi、Wj———分别表示抗滑、下滑段滑体重;
αi、αj———分别表示抗滑、下滑段滑面倾角;
Li、Lj———分别表示抗滑、下滑段面的长度。
由上可反算滑面 (带) 的综合值。
2.2 综合值法
当滑带土的抗剪强度主要为摩擦力而黏聚力很小时, 可假定c=0, 反算土的综合内摩擦角, 所谓综合是指包含了少量黏聚力的因素。这种简化方法适用于滑带土由断层错动带或错落带等风化破碎岩屑组成, 或为硬质岩的风化残积土的情况, 因为这种情况下滑带土中粗颗粒含量很大, 抗剪强度主要受摩擦力控制。
2.3 兼有c、值法
当滑带土必须同时考虑黏聚力和内摩擦力时, 可有如下几种办法: (1) 在同一次滑动中, 找出两个邻近的瞬间滑动计算断面, 建立两个反算式, 联立解出; (2) 根据同一断面位置, 不同时间但条件相似的两次滑动瞬间计算断面, 建立两个反算式联立解出; (3) 根据滑面土条件和滑动瞬间的含水情况, 参照类似土质情况的有关资料定出其中的一个指标, 反算另一个指标值等。其计算公式为:
式中:Wi、Wj———分别表示抗滑、下滑段滑体重;
αi、αj———分别表示抗滑、下滑段滑面倾角;
Li、Lj———分别表示抗滑、下滑段面的长度;
c———折线滑面上综合单位黏聚力;
φ———折线滑面上综合内摩擦角;
m, n———滑体下滑段和抗滑段的分块数。
用反算法只能求出一组c、值, 它只能代表整个滑面上的平均指标。对大多数滑坡来说, 由于滑面各段的性质有差别, 从上到下使用同一级c、值将带来一定误差。为了消除这种影响, 反算式可先用试验方法或经验数据确定上下段的指标, 只反算埋深较大的主滑段指标。
3 用经验数据确定滑带土的抗剪强度指标
根据过去的经验发现, 滑坡的出现具有一定规律, 例如构成滑带的土往往是某些性质特别软弱土层, 如风化的泥质岩层及含有蒙脱石等矿物的黏性土, 滑动时滑带土的含水量也在一定范围内, 或滑动面被水润湿。因此可以从过去治理滑坡所积累的资料里, 根据滑带土的组成、含水情况等和现今滑坡进行对比, 参考选用指标。对每一个滑坡的滑带土抗剪强度指标, 为了确保其可靠性, 通常都同时从上述三个方面来获得数据, 然后经过分析整理定出使用值。
4 算例
首先用兼有c、值反算法求解某滑坡抗剪强度指标, 考虑到滑坡已有数次蠕滑, 但还没有加速滑动状态, 取K=0.97。滑坡中未出现抗滑段, 故。选择该滑坡两个相邻滑动断面1-1、2-2, 其断面图如图1、图2所示。
所需各项数据见表1, 表2。
计算断面1-1得到:
将以上数据代入式 (3) 中并整理得到:
计算断面2-2得到:
将以上数据代入式 (3) 中并整理得到:
联立式 (4) 、式 (5) 得到:
即由兼有c、值反算法求解某滑坡抗剪强度指标φ=12.73°;c=10.1k Pa
再由经验数据判断该滑坡地质岩层为灰色炭质页岩风化之砂粘土, 其抗剪强度指标经验值取得φ=12.42°;c=9.8k Pa。
经实际工程证明, 采用反算法得到的抗剪强度指标与实际情况较为吻合。反算法是确定滑坡稳定性分析中的抗剪强度指标的一种有效方法。
5结语
(1) 剪切试验因受各种条件限制, 局限性很大, 无法模拟实际滑面上不同部位各种因素变化的实况, 其结果常难令人满意。而经验数据过多的强调经验, 实际上很难把握。 (2) 在反求主滑带c、值时要充分考虑工程实际, 按当时坡体上出现的变形行迹, 特别是坡体上出现裂缝的过程, 经过分析才能划清滑坡的条块, 列出相应的平衡方程, 使得反算结果符合滑坡的实际情况。
参考文献
[1]汤罗圣.三峡库区堆积层滑坡稳定性与预测预报研究[D].中国地质大学, 2013.
[2]燕建龙.凤凰山滑坡稳定性分析及治理监测研究[D].中南大学, 2005.