破壞包絡線

破壞包絡線

若用數個均質土壤的試驗作直接剪力試驗,各試驗分別使用不同的垂直荷重。則各試驗的試驗結果繪製在垂直應力——剪下應力坐標圖中。通過圖中諸點的曲線,稱為“破壞包絡線” 。

破壞包絡線簡介

破壞包絡線上的各點,代表材料在某正應力作用下的最大剪力強度。因為破壞包絡線是試驗結果的上限界線。因此,依據任何試驗結果的應力組合所繪出的點,都不可能在包絡線以外。

用數個均質土壤的試樣作三軸試驗,也可求得相似的結果。每次試驗用各種不同的值,因而影響到最大軸應力形成破壞。用莫爾圓繪出的試驗結果如下圖所示。

均質土壤的三軸試驗結果 均質土壤的三軸試驗結果

切在各莫爾圓公切線上的點,代表土壤試體的破壞面上的最大正應力與剪應力的組合。這些臨界的應力組合,與破壞包絡線的斜率或角度有關。若破壞包絡線為水平(平行於正應力軸),則莫爾圓上最大剪應力即屬作用在破壞面的剪應力。若破壞包絡線與水平軸成一角度,則破壞面上的剪應力小於莫爾圓的最大剪應力。對土壤而言,水平及傾斜破壞包絡線的情況都可能存在。

作土壤分析,通常只需使用莫爾圓的上半部,若欲了解破壞及不破壞的應力組合的界線(如下圖),最好同時知道整個莫爾圓。由下圖的莫爾圓所示的強度情況,可了解土壤的初期破壞同時發生在兩個不同的平面上。但若要知道作用在破壞面的剪應力與正應力的大小或主應力的組合,只須用到莫爾圓的一半 。

以破壞包絡線觀念說明破壞與穩定狀態的應力組合 以破壞包絡線觀念說明破壞與穩定狀態的應力組合

破壞包絡線的測定

三向擠壓法

下圖是試驗裝置的結構示意圖。

三軸壓縮試驗裝置 三軸壓縮試驗裝置
破壞包絡線 破壞包絡線
破壞包絡線 破壞包絡線
破壞包絡線 破壞包絡線
破壞包絡線 破壞包絡線
破壞包絡線 破壞包絡線
破壞包絡線 破壞包絡線
破壞包絡線 破壞包絡線

將散狀物料裝入高約直徑的2.5倍用薄橡膠製成的圓筒內,立置於加壓室中,靠加壓室中水的壓力在徑向給薄橡膠圓筒加一定的壓力 。在這種狀態下,若在軸向上不斷增加壓力,這個壓力把 作為最小主應力,當達到相當於極限應力狀態的最大主應力 的值時,由散狀物料層內滑動而產生崩潰。因而,根據不同的 值求出相應的 值,就可以得出莫爾破壞圓群。所以按下圖所示延伸圓群的包絡線就能求出YL。按照最初的成型壓力 決定散狀物料層的空隙率。因而,根據 的變化可獲得各種空隙率的散狀物料層的YL群 。

莫爾破壞圓和YL 莫爾破壞圓和YL

單純壓縮法

破壞包絡線 破壞包絡線
破壞包絡線 破壞包絡線
破壞包絡線 破壞包絡線

按三向擠壓試驗的同樣尺寸使附著散狀物料成型,直立放置並在軸向進行壓縮,測定其崩潰的壓力。這個壓力表示散狀物料層的強度,就叫做單純擠壓破壞強度。在這種狀態,因為最小主應力為0,所以莫爾破壞圓就變成通過原點及 軸上, 點的圓。因為單純擠壓法僅能求出 。,所以不能直接求出破壞包絡線。但是若能測出滑動面的角度,就能確定破壞圓上剪下面極限應力狀態的點,所以庫侖物料用這個點接起來就可以決定YL。又,如果根據二分割槽測出的抗拉強度T,就能決定c、n,下圖中P點即能夠表示崩潰面上的極限應力狀態。

單純壓縮試驗的莫爾圓和YL 單純壓縮試驗的莫爾圓和YL

在這個點有:

破壞包絡線 破壞包絡線
破壞包絡線 破壞包絡線
破壞包絡線 破壞包絡線
破壞包絡線 破壞包絡線

把它代入公式 得:

破壞包絡線 破壞包絡線
破壞包絡線 破壞包絡線
破壞包絡線 破壞包絡線
破壞包絡線 破壞包絡線
破壞包絡線 破壞包絡線
破壞包絡線 破壞包絡線
破壞包絡線 破壞包絡線
破壞包絡線 破壞包絡線
破壞包絡線 破壞包絡線
破壞包絡線 破壞包絡線

下圖是以散狀物料層的各種孔隙率 測定重質碳酸鈣的 、 及 的結果。 因 的變化而有明顯的變化, 也由於 的增加的同時而減少。但是,內摩擦角 幾乎沒有變化。根據下圖,用上式計算n,如下表所示。

重碳酸鈣的試驗結果 重碳酸鈣的試驗結果
剪下指數的計算值
破壞包絡線 破壞包絡線
0.450.460.470.480.500.520.54
破壞包絡線 破壞包絡線
26.822.018.312.610.47.15.1
破壞包絡線 破壞包絡線
0.940.860.800.740.640.540.47
破壞包絡線 破壞包絡線
2.842.802.762.6462.6162.5062.397

直接剪下法

破壞包絡線 破壞包絡線
破壞包絡線 破壞包絡線
破壞包絡線 破壞包絡線

這種方法通常是把散狀物料放到具有上下兩層的剪下槽里,給予垂直應力 ,隨後把一個槽橫向拉開,測定散狀物料層剪下應力 ,以求 的關係 。

內摩擦角與破壞包絡線

破壞包絡線 破壞包絡線
破壞包絡線 破壞包絡線
破壞包絡線 破壞包絡線
破壞包絡線 破壞包絡線
破壞包絡線 破壞包絡線
破壞包絡線 破壞包絡線
破壞包絡線 破壞包絡線
破壞包絡線 破壞包絡線

在散狀物料層內加一垂直應力,假定在與垂直方向作用一剪下應力,當一定時,剪下應力增加到極限不再增加時,物料沿著的作用面產生滑動。這個面稱為滑動面(二向應力狀態的滑動線)。極限與有如庫侖定律似的線性關係,因此稱具有這種關係的散狀物料為庫侖物料。

破壞包絡線 破壞包絡線
破壞包絡線 破壞包絡線

式中,——內摩擦係數;

破壞包絡線 破壞包絡線

——附著力。

破壞包絡線 破壞包絡線
破壞包絡線 破壞包絡線

但是,也有很多與間沒有線性關係的散狀物料,稱為非庫侖物料。一般庫侖物料用下式表示。

破壞包絡線 破壞包絡線

但法利(Farley)等人認為多數散狀物料適用於下式:

破壞包絡線 破壞包絡線

式中,n——與流動性有關的指數,n=1時為庫侖物料,T——散狀物料層的純抗拉強度,可由上式中的關係求出。

破壞包絡線 破壞包絡線

產生滑動時的關係,都是表示極限應力狀態的莫爾圓的包絡線,故稱為破壞包絡線(英文縮寫為YL),這是從塑性力學角度定義散狀物料流動性。

破壞包絡線 破壞包絡線
破壞包絡線 破壞包絡線
破壞包絡線 破壞包絡線
破壞包絡線 破壞包絡線
破壞包絡線 破壞包絡線

的極限應力狀態叫做塑性平衡狀態。只有在產生滑動或者崩潰的初期,上述公式才成立。在滑動面附近的顆粒層產生膨脹,剪下槽內顆粒產生運動。通常在這種狀態下,散狀物料層是非各向同性體。傑尼(Jenike)把散狀物料層在保持各向同性同時產生的連續滑動狀態叫做“流動",此時的關係如下圖所示,通過原點經過各YL的終點,……與莫爾破壞圓群連線成一直線。這直線與軸的夾角稱為有效摩擦角。它是散狀物料流動性的重要參數 。

破壞包絡線YL與有效摩擦角 破壞包絡線YL與有效摩擦角

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