由于土的材料性质,我们知道,土的强度只指抗剪强度,土的强度理论就是抗剪强度理论,抗剪强度与许多土力学问题有关,是非常重要的一章,而这一章也是考试的重难点。
本章重点:
(1)理解土的抗剪强度概念,掌握库伦公式及图线
(2)理解土中一点的极限平衡状态
(3)土的四个抗剪强度试验
(4)三轴试验中孔隙水压力系数的概念,应力路径的概念、绘制方法
(5)两种土的抗剪强度特性,了解现代土力学的一些本构模型
在工程实践中,与土的抗剪强度有关的工程问题主要有三类:
①边坡稳定性问题,如土坝、路堤等填方边坡以及天然边坡的稳定性问题。
土坡滑动
②土压力问题,如挡土墙、基坑围护结构、地下结构等后侧土体产生的较大土压力会引起土体剪切破坏。
挡土墙倾斜、倒塌
③地基承载力问题,如果建筑物基础下的地基土体产生整体滑动或者局部剪切破坏而导致过大的地基变形,将会造成上部结构的破坏。
地基失稳
下面我们来重点推导本章公式
首先,我们根据直接剪切试验,可以得到砂土和黏土的抗剪强度曲线如下:
由抗剪强度理论可得基本公式如下:
土的抗剪强度公式
土中一点的应力极限平衡条件
土中一点,或者说质点,其实在土工试验室里就是一个十立方厘米的试件,并不是说微小的一个点,我们研究土的抗剪强度,就是用一个小方块儿土试件做实验的,这个基本概念要明确,并不是真的如书上所说的土中某一点。
材料力学里面已经学过,截面上的应力状态,一定能在酷酷的煎饼应力圆中唯一对应,土力学也一样,我们需要建立土体微单元体和隔离体以及应力圆相互对应联系的概念,如下图所示:
如果不对这里的隔离体符号和相关计算做一个过渡推导,可能这里就会卡住一些同学。
公式推导
什么是土中一点的极限平衡状态?
下面我们把抗剪强度线和酷酷的煎饼应力圆放在同一个σ-τ坐标系下就可以清楚直观地理解这个概念。
①整个应力圆在抗剪强度线下面(圆Ⅰ),土体不会剪切破坏,处于弹性平衡状态,物理意义:截面上的剪应力τ都小于抗剪强度τf。
②应力圆与抗剪强度线恰好相切(圆Ⅱ),则切点上的剪应力τ等于抗剪强度τf,切点土体发生剪切破坏,处于极限平衡状态。
③整个应力圆与抗剪强度线相交,土单元体已经破坏,事实上这种情况不存在,因为τ=τf时会产生应力重分布,不可能继续增长,土体已经破坏。
我们现在取圆Ⅱ的极限平衡状态来分析,如下图:
圆Ⅱ的极限平衡状态
下面我们一起来推导土力学四大基本理论之一的抗剪强度理论——酷酷的煎饼-库伦破坏准则
整个推导过程只需要通过几何关系并用一点数学变换即可做到。前提当然是你要理解材料力学应力圆的物理意义。
上图第二第三个公式需要你进行移项化简,然后进一步整理,可以得到:
推导过程中用到了几个三角函数代换,在高等数学中又常称为万能公式
最后化简就可以得到极限平衡条件的表达式,即酷酷的煎饼-库伦破坏准则了。