土力学考试

直接剪切试验是测定土的抗剪强度的一种常用方法，即测定土的粘聚力土的直接剪切实验原理：

c和内摩擦角

?，为地基承载力计算及地基、斜坡稳定性分析提供参数。

直剪试验中采用圆柱状试样，放在剪切盒中，试样在一水平面上分上、下盒，一半固定，另一半施加水平拉力以产生水平位移。上部通过刚性加载帽施加正的点向荷载p。实验过程中竖向荷载一般不变，剪力自0开始增加，剪切位移也自0开始增加。剪破时，剪力达到最大值。

（1）快剪法（或称不排水剪）：即在试样上施加垂直压力后，立即加水平剪切力。在整个试验中，不允许试样的原始含水率有所改变（试样两端敷以隔水纸），即在试验过程中孔隙水压力保持不变（3~5min 内剪坏）。

（2）慢剪法（或称排水剪）：即在加垂直荷重后，使其充分排水（试样两端敷以滤纸），在土样达到完全固结时，再加水平剪力；每加一次水平剪力后，均需经过一段时间，待土样因剪切引起的孔隙水压力完全消失后，再继续加下一次水平剪力。

（3）固结快剪法：在垂直压力下土样完全排水固结稳定后，以很快速度施加水平剪力。在剪切过程中不允许排水（规定在3~5min内剪坏）。 由于上述三种试验方法的受力条件不同，所得抗剪强度值也不同。因此，必须根据土所处的实际应力情况来选择试验方法。 2、检查仪器

（1）检查竖向和横向传力杠杆是否水平；如不平衡时，调节平衡锤使之水平； （2）上下销钉和升降螺丝是否失灵； （3）检查百分表的灵敏性；

（4）将上、下剪切盒的接触面及盒内表面涂薄层凡士林，以减少摩阻力；

（5）对应变控制式直剪仪，尚需检查弹性钢环两端是否能与剪切容器和端承支点接紧；将手轮逆时针方向旋转，使推进器与容器离开，然后将推进器的保险销钉拧开，检查螺母轮或涡杆与螺丝槽有无脱离现象。

大直剪仪与小直剪仪的工作原理相同，但大直剪仪检测大粒径的试料的抗剪指标。当然它也可以检测适用于小直剪仪的试料且它的检测结果更加可靠、准确。当满足一定的精度要求时，用小直剪仪，更简便经济。

在对土石坝稳定分析中，由库伦定律知，粘聚力和内摩擦角决定着土的抗剪强度，抗剪强度的大小决定这土石坝的稳定性的性能，所以要测出土石坝：施工期、稳定渗流期、水库水位降落期，来确定其稳定性。

2-1.什么叫材料的本构关系？在上述的本构关系中，土的强度和应力-应变有什么联系？

答：材料的本构关系是反映材料的力学性质的数学表达式，表现形式一般为应力-应变-强度-时间的关系，也成为本构定律，本构方程。

土的强度是土受力变形发展的一个阶段，即在微小的应力增量作用下，土单元会发生无限大或不可控制的应变增量，它实际上是土的本构关系的一个组成部分。

2-9简述土的应力应变关系的特性及其影响因素。

答：土是岩石风化形成的碎散矿物颗粒的集合体，通常是固、液、气三相体。土的应力-应变的特性：非线性、弹塑性、压硬性、剪胀性、各向异性、结构性，流变性、应变硬化、软化，减载体缩。

影响因素：应力水平，应力路径，应力历史。

在常规三轴压缩实验中，正常固结粘土和松沙的应力随应变增加而增加，但增加速率越来越慢，最后趋于稳定，此过程叫加工硬化。

在密砂和超固结土的实验中，应力一般是开始随应变增加而增加，达到一个峰值后，应力随应变增加而下降，最后也趋于稳定，此过程叫加工软化

土的变形模量随着围压提高而提高的现象，称为土的压硬性。 土的剪胀性是土体在剪切时产生体积膨胀或收缩的特性。

在密砂和超固结粘土，偏应力的增加引起了轴应变的增加，但除开始时试样有少量体积收缩外，随后还发生明显的体胀，由于在常规三轴压缩实验中平均主应力在加载过程中总是正的，所以体积应变不可能是提及的弹性回弹，因而只能是由剪应力引起的。

2-17在邓肯-张的非线性双曲线模型中，参数

a、b、Ei、Et、(?1??3)ult以及Rf各代表什么

意义？

答：参数

Ei代表三轴试验中的起始变形模量，a代表Ei的倒数；(?1??3)ult代表双曲线的渐近线对应

的极限偏差应力，

b代表(?1??3)ult的倒数；Et为切线变形模量；Rf为破坏比。

2-31说明剑桥弹塑性模型的试验基础和基本假设。该模型的三个参数：M、

?、?分别表示什么意义？

答：剑桥模型的试验基础是正常固结粘土和弱超固结粘土的排水和不排水三轴试验。 基本假设：土体是加工硬化材料，服从相适应流动规则。

M是破坏常数；

?是各向等压固结参数，为NCL或CSL线在??lnp'平面中的斜率；?是回弹参数，为卸载曲线在

??lnp'平面上的斜率。

3-17在软粘土地基上修建两个大型油罐，一个建成以后分期逐渐灌水，6个月以后排水加油；另一个建成以后立即将油加满。后一个地基发生破坏，而前一个则安全，为什么会出现这种情况？并绘制二者地基中心处的有效应力路径。

在软土地基上修建大型油罐，如果施工控制不当，地基将由于固结和剪切变形会产生很大的沉降和水平位移，甚至由于强度不足而产生地基土破坏。如果分级加载，每级的总荷载小于地基的破坏荷载时，则在每级荷载作用下，饱和软粘土随着孔隙水压力的消散，地基便会产生排水固结，同时孔隙比也会减小，而抗剪强度会得到相应提高，也就是利用前期荷载使地基固结，从而提高土的抗剪强度，以适应下一期荷载的施加。当施工速度过快时，地基就会发生失稳破坏，而适当放慢施工速度，油罐修筑和储油才能成功。

以上概念可用三轴试验中的应力路径来加以说明。如图所示。图中L线为有效抗剪强度线。设地基在油罐建成时的固结应力如图中的

L0点，若采用一次施加荷载，在荷重

施加瞬间，土样来不及排水，因而产生孔隙水应力，则应力路径沿

L0L'0发展至a点而破坏，相应的破坏的抗剪强度为

?a。若采用分级加荷，每级荷重施加瞬间地

基产生的孔隙水应力，有一定的排水固结时间，然后再施加下一级荷重，则应力路径将沿图中

L0L'0'''LLL3：至L点最后1，L2：和L，L3321达

L'3点。若最后一级加荷至破坏即沿

L'3至b点，相应的破坏的抗剪强度为

?b。可见分级加荷可使土的抗剪强度提高

????b??a。

分级加载应力路径

3-20(1)摩尔-库仑准则：由常规三轴试验，得到c=0,

??36.90.

sin??Ccos?,

?1??32??1??32?2?

罗德应力参数:

?1??3?2?2??1??3?1??3=,罗德角:

?b?2?1??32Tan??13?b

b??2??3?1??3??b?12;

?b?2b?1

?b6?b3?m??1??2??33代入库仑公式得:

??1??32?(?1??3)所以:?1??3?2?m?(?1??3)

?1??3?(2Ccos??2?msin?)/(1??b3sin?)

在同一个

?平面上, ?m是常数。三轴压缩时, ?b??1;三轴拉伸时,?b?1

(?1??3)c(?1??3)t1??131sin?

1?sin?3以压缩试验为基准:

则

11?sin?(?1??3)3, 已知 (???)=300kPa ?13c?b(?1??3)c1?sin?311?sin?3?sin?3?sin36.93 (?1??3)?(?1??3)c?300?300?b3??bsin?3??bsin36.91?sin?3当

b?0.5时, ?b?0, ??0; (?1??3)?240kPa

当

b?1.0时, ?b?1, ??300; (?1??3)?200kPa

(2)

广义特雷斯卡准则:

?1??3??tI1,

已知:

?2??3?100kPa,?1?400kPa, ?1??3?300kPa, I1=600kPa

300=600

?t, ?t=0.50

I1??1??2??3=?1?2?3+b(?1??3)

?1??3?0.5[?1?2?3+b(?1??3)]; ?1?当

4?b1?b

?3

b?0.5时, ?1?4?b1?b?3=700kPa, ?1??3?600kPa当

b?1.0时, 无解. ?1=?2无穷大.

(3)

广义密塞斯准则:

广义密塞斯(Mises)准则：q/p=km

已知:

?2??3?100kPa,?1?400kPa, p??1??2??33=200kPa,

q?12[(?1??2)2?(?2??3)2?(?1??3)2]1/2=(?1??3)=300

所以,

km=1.5

?1?2?3+b(?1??3)]

p=

I1133=

[

(?1??3)=1.5

13[

?1?2?3+b(?1??3)]=0.5 [?1?2?3+b(?1??3)]

所得结果与广义特雷斯卡准则的计算结果一样.

b=0.5时,

?1??3?600kPa

当

b?1.0时, 无解.

km=1.5太大，一般最大为1.2

(4)

Lade-Duncan强度准则：I13/I3=kf

已知:

?2??3?100kPa,?1?400kPa, I1=600kPa , I3=

?1?2?3=4?106kPa

I13/I3=54, kf=4.

I1??1??2??3=?1?2?3+b(?1??3),

222?1?2?3=?1?3[?3+b(?1??3)]=?1?3+b???b??1313

[?1?2?3?b(?1??3)]322(1?b)?1?3?b?1?3?54

当b=0.5时,

?1?583kPa,?1??3?483kPa

当

b?1.0时, ?1?510kPa,?1??3?410kPa松冈元－中井照夫强度准则：I1I2/I3＝kf

(5)

已知:

?2??3?100kPa,?1?400kPa, I1=600kPa , I3=

?1?2?3=4?106kPa

I2??1?2??2?3??1?3=90000.

I1I2/I3=13.5, kf=13.5

22[?1?2?3?b(?1??3)][2?1?3?b?1?(1?b)?3]?1[?3?b(?1??3)]?3当b=0.5时,

?13.5

?1?480kPa,?1??3?380kPa

当

b?1.0时, ?1?400kPa,?1??3?300kPa

评价:

莫尔-库仑强度准则，Lade-Duncan强度准则和松冈元－中井照夫强度准则与试验结果比较接近. 广义特雷斯卡准则和广义米塞斯准则, 在b值较大的时候, 与试验结果相差较大.

2、

各强度准则曲线的相对位置,与b值有关。

扩展米塞斯

双剪应力 q

扩展特雷斯卡 莱特-邓肯 修正莱特-邓肯 三轴压缩 米塞斯q?3km

扩展特雷斯卡 特雷斯卡qcos??3kt 三轴拉伸 莱特-邓肯 扩展米塞斯

修正莱特-邓肯 p

3、

临界状态：是指土在常应力和常孔隙比下不断变形的状态。

临界孔隙比：表示土在这种密度状态下，受剪作用只产生剪应变而不产生体应变。 水力劈裂：由于孔隙水压力的升高，引起土体产生拉伸裂缝发生和发展的现象。

饱和松砂的流滑：饱和松砂在受静力剪切后，因体积收缩导致超孔压骤然升高，从而失去强度和流动的现象。

真强度理论：为了反映孔隙比对粘土抗剪强度及其指标的影响，将抗剪强度分为受孔隙比影响的粘聚分量与不受孔隙比影响的摩擦分量。通过不同的固结历史，形成等孔隙比的试样，在不同的法向压力下剪切，试样破坏时的孔隙比相同，强度包线即为孔隙比相同的试样的强度包线，该强度称为在此孔隙比时的真强度。由这样的

真强度包线得到的指标称为真强度指标。

拟似超固结土：正常固结土在固结压力的长期作用下，主固结已经完成，次固结使使土体继续压缩变密，强度增高，表现出超固结的特性，称为拟似超固结土。 4、

土的屈服面与破坏面形状相同，大小不同，屈服面以破坏面为极限。当采用刚塑性模型或理想弹塑性模型时，屈服面和破坏面形状和大小都一致。

5. 排水和不排水强度指标的工程应用

在上述一些工程问题中，如果其中土体在现有的应力体系中平衡并完全充分地固结，然后，由于某种原因而很快施加荷载形成不排水情况，这时就适用于固结不排水强度指标。如图3-5-13 中所示的几种工况。其中图3-5-13 （a ）表示的是在填方部分（1 作用下填方及地基已经固结稳定，然后又很快施加上部填方部分（2 ）。图（b ）表示土坝竣工后正常使用很长时间并蓄水后，库水位骤降时土坝上游边坡的稳定分析；图（c）表示在一个天然土坡上很快施工一个填方的情况。在这些情况的稳定分析中都适于使用固结不排水强度指标。

如果在工程问题中，荷载是很快地被施加，从而被引起的超静孔隙水压力没有时间消散，土也没有时间固结。在这种情况下，我们假设施工中所施加的总应力变化不影响原状土的不排水强度。图3-5-14 中所列的几种例子包括：（a ）在正常固结软粘土地基上很快地填筑填方工程；（b ）很快施工的土坝在竣工时；（c ）在正常固结粘土地基上很快施工基础及上部结构。这些工程的稳定分析中的控制条件是刚刚施加了荷载之后。随着时间的延续，孔压消散，土被固结，地基或边坡也变得安全了。

2锥面3帽子屈服面4统一形式。

采用不同的能量方程

土的屈服面和破坏面形状相同，大小不同，屈服面以破坏面为极限，当采用钢塑性或理想弹塑性模型时，屈服面和破坏面一致。

1: I1=1500； I2=660000； I3=80000000； J2=90000； J3=0；p=500； q=519.6； ? =0 ?

?1?800kPa,?2?500kPa,?3?200kPa2: I1=1200； I2=360000； I3=32000000； J2=120000； J3=16000000；p=400； q=600； ? =-30 ?

?1?800kPa,?2?200kPa,?3?200kPa

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