无黏性土的抗剪强度

发布于：2022-09-23 13:45:23 来自：建筑结构/地基基础 [复制转发]

（1）剪缩与剪胀

砂土的抗剪强度将受到其密度、颗粒形状、表面粗糙度和级配等因素的影响。对于一定的砂土来说，影响抗剪强度的主要因素是其初始孔隙比(或初始干密度)。初始孔隙比愈小；(即土愈紧密)则抗剪强度愈高，反之，初始孔隙比愈大(即土愈疏松)则抗剪强度愈低。此外，同一种砂土在相同的初始孔隙比下饱和时的内摩擦角比干燥时稍小(一般小2⁰左右)，说明砂土浸水后强度降低。

砂土的初始孔隙比不同，在受剪过程中将显示出非常不同的性状。松砂受剪时，颗粒滚落到平衡位置排列得更紧密些，如图所示，所以它的体积缩小，把这种因剪切而体积缩小的现象称为剪缩性。

反之，紧砂受剪时，颗粒必须升高以离开它们原来的位置而彼此才能相互滑过，从而导致体积膨账。如图所示，把这种因剪切而体积膨胀的现象称为剪胀性。

然而，紧砂的这种剪胀趋势随着周围压力的增大、土粒的破碎而逐渐消失。在高围压下，不论砂土的松紧如何，受剪都将剪缩。

上图表示同一种砂土，在相同的围压作用下，由于初始孔隙比的不同受剪时的应力～轴向应变～体变得全过程。从图中可以看出随着轴向应变的增加，松砂的强度逐渐增大；应力～轴向应变关系呈应变硬化型，它的体积则逐渐减小。但是，紧砂的强度达一定值后，随着轴向应变的继续增加强度反而减小，应力一轴向应变关系最后呈随应变软化型，它的体积开始时稍有减小，继而增加，超过了它的初始体积。

对同一种砂土，在相同应力作用下，其初始孔隙比（松密状态）虽然不同，但通过剪切变形最后趋于一固定的孔隙比，此孔隙比称为临界孔隙比，以e_cr表示。如果土样的初始孔隙比e₀大于e_cr，则剪切过程中出现剪缩现象。反之，初始孔隙比e₀小于e_cr的土样在剪切过程中将发生剪胀。

饱和砂土在低围压下受剪时，如果不允许它的体积发生变化，即进行不排水剪试验，则密实的砂为了抵消受剪时的剪胀趋势，将通过土样内部的应力调整，即产生负孔隙水压力，使有效围压增加，以保持试样在受剪阶段体积不变。所以，在相同初始周围压力下，由固结不排水剪试验测得的强度要比固结排水剪试验的高。反之松砂为了抵消受剪时的体积缩小趋势，将产生正孔隙水压力，使有效围压减小，以保持试样在受剪阶段体积不变。所以，在相同初始周围压力下，由固结不排水剪试验测得的强度要比固结排水剪试验的低。

（2）砂土的残余强度

同一种砂土在相同的周围压力作用下，由于其初始孔隙比不同在剪切过程中将出现不同的应力一应变特征。松砂的应力一应变曲线没有一个明显的峰值，剪应力随着剪应变的增加而增大，最后趋于某一恒定值；密实的砂的应力～应变曲线有个明显的峰值，过此峰值以后剪应力便随剪应变的增加而降低，最后趋于松砂相同的恒定值，如图所示。

这一恒定的强库通常称为残余强度或最终强度，以τ_f表示。密实砂的这种强度减小被认为是剪位移克服了土粒之间的咬合作用之后，砂土结构崩解变松的结果。

（3）砂土液化

对于大多数砂土来说，当试样受剪时，一般都能在短时间内排水固结，砂土的抗剪强度相当于固结排水剪或慢剪试验的结果。但是对于饱和疏松的粉细砂，当受到突发的动力荷载时（如地震荷载），由于动荷载作用的时间十分短促，能量很大，砂土中的孔隙水来不及排出，产生的孔隙水应力来不及消散。因此，在反复的动剪应力作用下，孔隙水压力就不断增加。若砂体中的有效应力降至为零，则砂土就会发生流动。
这种饱和砂土在动荷载作用下，其强度全部丧失而会像流体一样流动的现象称为砂土液体。

按有效应力原理，无粘性土的抗剪强度应表达为

由上式可知，当动荷载引起的超静孔隙水应力u 达到σ时，则有效应力σ^’=0，其抗剪强度τ_f=0，这时，无粘性土地基将丧失其承载力，土坡将流动塌方。

除砂土之外，含砂粒较多的低塑性粘土和粉土都有可能发生类似的液化现象。例如，当道路路基是饱和的强度不大的粉土时，在周期性交通荷载的反复作用下，地基土的孔隙水压力可能逐步升高到足以引起液化的状态，导致土的强度降低。在孔隙水压力骤增引起的渗透压力作用下，粉土颗粒挤入粗粒材料（路工中常用的材料），严重时可在粗粒材料的表面冒出，该现象称之为“翻浆”。