当前课程知识点:高等土力学 > 第3章 土的强度 > 3.2 土的抗剪强度的机理 > 3.2.2 土的抗剪强度的机理2
下面我们讨论摩擦强度中的咬合摩擦
我们先观察
颗粒间的咬合作用所表现出的现象
从微观上看
颗粒间的交错排列
使得剪切面处的颗粒会发生
提升、错动、转动、拔出、断裂、接触点的破损等
从宏观上看
咬合作用会引起土体剪胀
颗粒破碎、颗粒定向和重排列
这些效应一般有助于提高抗剪强度
这个图给出了剪胀现象的示意图
广义上的剪胀是指剪切引起的土体体积变化
包括剪胀和剪缩
一般讲的剪胀是指剪切引起的土体体积增加
剪胀的结果使得颗粒
从低势能状态变为高势能状态
这要消耗额外的能量
可见
剪胀后的状态常常是不稳定的
在卸载时可部分恢复
一般而言
土剪胀时颗粒起动后对应着峰值强度
而剪胀稳定时对应着残余强度
这个图给出了咬合作用产生的三种结果
(a)为剪切作用示意图
(b)为剪胀示意图
(c)为断裂破碎示意图
(d)为定向与重排列示意图
这几种结果均需要外力额外做功
因而可提高砂土的内摩擦角
这个图给出了三轴条件下的试样剪胀模型
表示试样在有无剪胀时的破坏状态
围压为σ3
偏差应力为σ1-σ3
定义变量
D=1-▲εv/▲ε1
显然D>1时有剪胀
D=1时无剪胀
对于图a所示的无剪胀的情况
破坏时的偏差应力为(σ1-σ3)r
假设试样产生Δε1的轴向应变
则外荷载在试样单位体积上所做的功wr
为
wr=Δε1·(σ1-σ3)r
对于图b所示的有剪胀的情况
破坏时的偏差应力为(σ1-σ3)f
假设试样产生Δε1的轴向应变
相应的体应变为Δεv
则外荷载在试样单位体积上所做的功wf
除包括上述wr
还要克服σ3对体应变的阻力做功
则
Wf=▲ε1(σ1-σ3)f=Wr-▲εvσ3
=▲ε1(σ1-σ3)r-▲εv σ3
此时▲εv<0
化简后可以得到
(σ1-σ3)f=(σ1-σ3)r-▲εv/▲ε1 σ3
如σ3相等
则
(σ1/σ3)f=(σ1/σ3)r-▲εv/▲ε1
或者
tan²(45°+φf/2)=tan²(45°+φr/2)-▲εv/▲ε1
显然
有剪胀时强度增加了
对于咬合作用的另外两种结果
即颗粒破碎以及定向与重排列
这两种效应均需要额外消耗能量
有助于提高对剪切的抵抗
因而可提高砂土的抗剪强度
现在我们把这些因素综合起来
对粗粒土的抗剪强度进行分析
摩擦强度的基本部分是滑动摩擦
如图中的直线1
如果我们把剪胀效应叠加上去
强度包线变成了曲线2
当法向应力比较小的时候
土表现出正剪胀
所以曲线2位于曲线1之上
当法向应力比较大的时候
土表现出负剪胀
则曲线2位于曲线1之下
如果我们考虑颗粒破碎和重排列
则强度包线变为曲线3
曲线2和曲线3之间的差别
表示颗粒破碎和重排列对强度的影响
可以看出
粗粒土的摩擦强度包线不是一条直线
并且初始内摩擦角最大
结合这张图
现在我们讨论一个问题
颗粒破碎和重排列一定使强度增加吗
上面的这条路径
是我刚才给大家展示的结果
答案是颗粒破碎
以及定向和重排列增加土的抗剪强度
然而
另一方面
破碎使颗粒变细、重排列破坏了土的结构
这些效应使正剪胀效应变弱
对剪切的抵抗减弱
从而降低了土的抗剪强度
这和上面的答案是相反的
实际上
当围压低的时候
第一种效应起主导作用
可提高土的抗剪强度
当围压高的时候
第二种效应起主导作用
可减小土的抗剪强度
根据上面的讨论我们可以得出几点重要结论
剪胀提高了抗剪强度
剪缩(或负剪胀)减少了抗剪强度
颗粒的破碎与重新定向排列需要额外作功
也增加了土的抗剪强度
颗粒破碎与重排列
减少了土产生剪胀的可能性
甚至会发生剪缩
在高围压下
颗粒破碎量大
很难发生剪胀
颗粒的重排列
往往会破坏土的原有结构
造成剪胀量减少
后面三种效应可能减少土的摩擦强度
由此可见
剪胀性、颗粒破碎和重排列对强度的影响很复杂
要根据实际情况进行分析
-0.1 岩土工程的学科特点与发展
-0.2 土力学学科的发展历史
-0.3 岩土工程实践的发展
-0.4 理论与工程的检验
-0.5 岩土工程的可持续发展
-第0章 绪论-作业
-1.0 概述
--1.0 概述
--1.0 概述-作业
-1.1 室内试验
--1.1 室内试验-作业
-1.2 模型试验
--1.2 模型试验
--1.2 模型试验-作业
-1.3 原位测试与现场观测
--1.3 原位测试与现场观测-作业
-1.4 试验的检验与验证
-2.1 概述
--2.1 概述
--2.1 概述-作业
-2.2 应力和应变
--2.2 应力和应变-作业
-2.3 土的应力变形特性
--2.3 土的应力变形特性-作业
-2.4 土的弹性模型
--2.4 土的弹性模型-作业
-2.5 土的弹塑性模型的一般原理
--2.5 土的弹塑性模型的一般原理-作业
-2.6 剑桥模型
--2.6 剑桥模型-习题
-2.7 其它典型弹塑性模型
--2.7 其它典型弹塑性模型-作业
-3.1 概述
--3.1 概述-作业
-3.2 土的抗剪强度的机理
--3.2 土的抗剪强度的机理-作业
-3.3 土的强度与土的物理性质
--3.3 土的强度与土的物理性质-作业
-3.4 影响土的强度的外部因素
--3.4 影响土的强度的外部因素-作业
-3.5 土的排水与不排水强度
--3.5 土的排水与不排水强度-作业
-3.6 土的强度理论
--3.6 土的强度理论-作业
-3.7 黏性土的抗拉强度
--3.7 黏性土的抗拉强度-作业
-4.1 概述
--4.1 概述
--4.1 概述-作业
-4.2 饱和土的渗透性和基本方程
--4.2 饱和土的渗透性和基本方程-作业
-4.3 饱和土二维渗流和流网
--4.3 饱和土二维渗流和流网-作业
-4.4 饱和渗流数值计算方法
--4.4 饱和渗流数值计算方法-作业
-4.5 非饱和土中水的形态和基质吸力
--4.5 非饱和土中水的形态和基质吸力-作业
-4.6 非饱和土土水特征曲线
--4.6 非饱和土土水特征曲线-作业
-4.7 非饱和土的渗透性和数值计算
--4.7 非饱和土的渗透性和数值计算-作业
-5.1 概述
--5.1 概述
-5.2 土的压缩与地基的沉降
--5.2 土的压缩与地基的沉降-作业
-5.3 地基沉降的计算方法
--5.3 地基沉降的计算方法-作业
-5.4 单向固结的普遍方程及一般问题
--5.4 单向固结普遍方程及一般问题-作业
-5.5 土的三维固结理论
--5.5 土的三维固结理论-作业
-5.6 关于土体固结的其他问题简介
--5.6 关于土体固结的其他问题简介-作业
-6.1 概述
--6.1 概述
-6.2 边坡稳定分析方法
-6.3 最小安全系数和潜在滑动面的搜索方法
-6.4 极限平衡法边坡稳定分析的一些结论
-6.5 塑性力学上下限定理简介
-6.6 基于有限单元法的边坡稳定分析
-6 边坡稳定分析-作业