[科普中國]-峰值強(qiáng)度

簡介

峰值強(qiáng)度是巖石（體）抗剪斷試驗(yàn)的剪應(yīng)力—剪位移關(guān)系曲線上最大的剪應(yīng)力值或和巖石試樣應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線上最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值。峰值強(qiáng)度過后的強(qiáng)度稱為殘余強(qiáng)度，又稱剩余強(qiáng)度或最終強(qiáng)度。相應(yīng)于土或巖石的應(yīng)力-應(yīng)變曲線上過峰值后大致穩(wěn)定的最終強(qiáng)度。峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度都是由三部分組成：粘聚分量、剪脹分量及摩擦分量。粘聚分量的大小與土樣的狀態(tài)有關(guān)，可理解為顆粒本身具有的粘結(jié)與膠結(jié)性能；剪切面上剪切阻力的大小主要受剪脹和摩擦的影響，與剪切面上的法向應(yīng)力成正比。這三個(gè)分量還不能通過試驗(yàn)測(cè)定得到，三個(gè)分量組合交錯(cuò)，通過強(qiáng)度參數(shù)得以表現(xiàn)出來，但是不同的剪切位移，各分量對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響是不同的。

組成粘聚分量

在剪切位移較小的時(shí)間段內(nèi)，起主要作用的是粘聚分量，但是黏聚分量在較小的剪切應(yīng)變下達(dá)到最大值后急劇降低，這說明粘聚分量是土樣的初始結(jié)構(gòu)一個(gè)表征量，黏聚分量的急劇減小造成了剪切面的結(jié)構(gòu)破壞。這點(diǎn)與殘余強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果一致：隨著剪切位移的增加，抗剪強(qiáng)度最后達(dá)到殘余抗剪強(qiáng)度，其中粘聚力分量一般很小，有的甚至接近零。

剪脹分量

隨著剪切位移的繼續(xù)增加，土體的變形呈現(xiàn)剪脹形態(tài)，由于土樣上部有儀器的剛性約束，試樣為了維持原態(tài)不得不做更多的附加功，這段時(shí)間內(nèi)剪脹分量發(fā)揮主要作用，當(dāng)試樣的應(yīng)變值達(dá)到某一個(gè)值之后，試樣的剪脹減弱、體積不再變大，剪脹分量逐漸減弱最后消失。土樣經(jīng)過較大位移的剪切作用之后，強(qiáng)度值維持在穩(wěn)定的殘余強(qiáng)度值，試樣內(nèi)部的土顆粒也形成定向排列，不存在剪脹現(xiàn)象，所以剪脹分量對(duì)殘余強(qiáng)度沒有貢獻(xiàn)。

摩擦分量

摩擦分量與材料屬性有較大關(guān)系，由于剪切過程中產(chǎn)生摩擦的是土體，所以摩擦分量相對(duì)而言是穩(wěn)定的。但在剪切過程中，由于剪脹的影響，試樣體積會(huì)略微增大，由于儀器上部是固定的，試樣上部受到的壓力就會(huì)增大，而摩擦分量與上部受到的壓力成正比，所以這個(gè)階段摩擦分量逐漸增大。但是隨著剪脹作用的消失，摩擦分量就會(huì)逐漸減小。隨著剪切位移的增加，最后只有摩擦分量作用，此時(shí)的摩擦分量只與上部荷載的大小有關(guān)，摩擦分量隨著剪切位移的增加先增加后降低最后達(dá)到一個(gè)比較穩(wěn)定的值，所以在剪切的最后階段，抗剪強(qiáng)度較為穩(wěn)定，這時(shí)的抗剪強(qiáng)度為殘余抗剪強(qiáng)度。

抗剪強(qiáng)度抗剪強(qiáng)度，又稱剪切強(qiáng)度，材料產(chǎn)生剪斷時(shí)的極限強(qiáng)度。反映材料抵抗剪切滑動(dòng)的能力，在數(shù)值上等于剪切面上的切向應(yīng)力值，即剪切面上形成的剪切力與破壞面積之比。分單剪和雙剪兩種形式，在雙剪的情況下，破壞面積是試件橫截面積的兩倍。土是摩擦型材料，土的抗剪強(qiáng)度是指土抵抗土體顆粒間產(chǎn)生相互滑動(dòng)的極限能力1。土的抗剪強(qiáng)度是土的一個(gè)重要的力學(xué)性質(zhì)。土的抗剪強(qiáng)度可分為二部分：一部分與顆粒間的法向應(yīng)力有關(guān)，其本質(zhì)是摩擦力；另一部分是與法向應(yīng)力無關(guān)，稱為黏聚力。當(dāng)外部載荷在地基內(nèi)部產(chǎn)生的剪應(yīng)力達(dá)到土的抗剪強(qiáng)度時(shí)，土體就遭到破壞，嚴(yán)重時(shí)將產(chǎn)生滑坡，建筑物地基喪失穩(wěn)定。

內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角對(duì)峰值強(qiáng)度影響自然界中的巖體和巖石由于自然條件或人為因素的影響，內(nèi)聚力C 和內(nèi)摩擦角φ均會(huì)發(fā)生改變，進(jìn)而影響巖體或巖石的力學(xué)特性。內(nèi)聚力C 和內(nèi)摩擦角φ 是兩個(gè)影響巖石強(qiáng)度的重要力學(xué)參數(shù)，從試驗(yàn)結(jié)果和理論分析來看，巖石的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角越高，巖石的強(qiáng)度越高，即內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角將影響巖石應(yīng)力應(yīng)變曲線的峰值強(qiáng)度。

內(nèi)摩擦角是在以土的抗剪強(qiáng)度為縱坐標(biāo)、剪切破壞面上的 法向應(yīng)力為橫坐標(biāo)的坐標(biāo)系中，土的抗剪強(qiáng)度包線 對(duì)橫坐標(biāo)軸的傾角。通常以表示，是土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)之一，其值與土的初始孔隙比、土粒形狀、土的顆粒級(jí)配和土粒表面的粗糙度等因素有關(guān)?？捎赏恋闹苯蛹羟性囼?yàn)或三軸壓縮試驗(yàn)測(cè)定， 根據(jù)不同的試驗(yàn)方法和分析方法可得出總應(yīng)力內(nèi)摩擦角和有效應(yīng)力內(nèi)摩擦角。當(dāng)初始內(nèi)聚力C值一定時(shí)，隨著內(nèi)摩擦角φ值的降低， 應(yīng)力－位移曲線峰后略顯平緩，這是因?yàn)閮?nèi)摩擦角φ值的降低， 導(dǎo)致巖樣的強(qiáng)度降低，使得模型發(fā)生破壞的單元數(shù)目增多；另外，可以看出應(yīng)力－位移曲線上面的峰值強(qiáng)度發(fā)生了變化，即隨著內(nèi)摩擦角φ值的降低，峰值強(qiáng)度有了不同程度的下降。低內(nèi)摩擦角φ值，則峰值強(qiáng)度肯定會(huì)繼續(xù)以一定幅度下降，但即使是自然界的巖石，破碎到一定程度，仍會(huì)有一定的殘余強(qiáng)度，同樣也會(huì)有對(duì)應(yīng)的峰值強(qiáng)度，即峰值強(qiáng)度隨著內(nèi)摩擦角 φ 值的降低，最終會(huì)達(dá)到某一極限值，而不會(huì)降低到零。

內(nèi)聚力是同種物質(zhì)內(nèi)部相鄰各部分之間的相互吸引力，內(nèi)聚力降低，則巖石強(qiáng)度降低。當(dāng)內(nèi)聚力 C 降低時(shí)，應(yīng)力 － 位移曲線屈服階段愈加平緩，原因是由于隨著內(nèi)聚力 C 的降低，巖石的強(qiáng)度降低，模型中的單元破壞數(shù)目增多，表現(xiàn)為應(yīng)力 －位移曲線上即為屈服平臺(tái)較緩；同時(shí)，峰值強(qiáng)度也隨著內(nèi)聚力 C 值的降低而下降， 內(nèi)聚力C值由原始值降低到最小值2。