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土力学与地基基础:土的极限平衡状态解析

时间:2023-08-30 理论教育 版权反馈
【摘要】:土的抗剪强度指土体抵抗剪切破坏的极限能力,其数值等于剪切破坏时滑动面上的剪应力。当τ<τf时,单元土体是安全的,处于弹性平衡状态;当τ=τf时,单元土体即将沿着此截面发生剪切破坏,处于极限平衡状态;当τ>τf时,单元土体已发生塑性破坏。相切摩尔圆与抗剪强度线相切(圆Ⅱ),切点为A,说明在A点所代表的截面上,剪应力正好等于抗剪强度,土体在该截面上处于极限平衡状态,圆Ⅱ称为极限应力圆。

土力学与地基基础:土的极限平衡状态解析

土的抗剪强度指土体抵抗剪切破坏的极限能力,其数值等于剪切破坏时滑动面上的应力。判断单元土体是否发生剪切破坏的关键,就是比较出单元土体任意截面上剪应力和抗剪强度的大小关系。当τ<τf时,单元土体是安全的,处于弹性平衡状态;当τ=τf时,单元土体即将沿着此截面发生剪切破坏,处于极限平衡状态;当τ>τf时,单元土体已发生塑性破坏。然而,在实际问题中,单元土体的界面有无数个,将无数个截面上的剪应力与抗剪强度进行比较是不可能做到的。

摩尔应力圆和库仑抗剪强度线为解决单元土体是否发生剪切破坏的问题提供了思路。依据土层的物理性质、埋深和受力情况,可以画出摩尔应力圆。依据剪切试验可测得土的抗剪强度指标(内摩擦角φ和黏聚力c),进而画出库仑抗剪强度线。将摩尔应力圆和库仑抗剪强度线画在同一张坐标图上,如图5-9所示。

图5-9 摩尔应力圆与库仑抗剪强度之间的关系

摩尔应力圆上点的横坐标和纵坐标分别代表单元土体某截面上的法向应力和剪应力,该法向应力下截面可以获得的抗剪强度则在库仑抗剪强度线上。于是,判别单元土体是否发生剪切破坏的问题(即比较某截面上抗剪强度与剪应力的大小),就转变为寻找摩尔应力圆和库仑抗剪强度线的位置关系问题。

由图5-9可知,圆和线存在三种位置关系:

(1)相离(圆和线没有交点)

整个摩尔圆位于抗剪强度线的下方(圆Ⅰ),说明该点在任何平面上的剪应力都小于土所能发挥的抗剪强度(τ<τf),因此,土体处于安全稳定状态。(www.xing528.com)

(2)相切(圆和线有且仅有一个交点)

摩尔圆与抗剪强度线相切(圆Ⅱ),切点为A,说明在A点所代表的截面上,剪应力正好等于抗剪强度(τ=τf),土体在该截面上处于极限平衡状态,圆Ⅱ称为极限应力圆。

(3)相交或相割(圆和线有两个交点)

抗剪强度线是摩尔圆的一条割线(圆Ⅲ),实际上这种情况是不存在的。因为只要圆Ⅱ稍微变大(圆Ⅱ与σ轴的右交点水平向右移动),土体就已经发生剪切破坏,即不存在τ>τf的情况。

例题5-1 已知土的抗剪强度指标c=20kPa,φ=22°,若作用在土中某平面上得到法向应力和剪应力分别为σ=100kPa,τ=60.4kPa,试问该平面是否发生剪切破坏?

解:τf=c+σtanφ=20+100×tan22°=60.4kPa

因为τ=τf,所以该平面会发生剪切破坏。

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