[科普中国]-峰值强度

简介

峰值强度是岩石（体）抗剪断试验的剪应力—剪位移关系曲线上最大的剪应力值或和岩石试样应力—应变关系曲线上最高点对应的应力值。峰值强度过后的强度称为残余强度，又称剩余强度或最终强度。相应于土或岩石的应力-应变曲线上过峰值后大致稳定的最终强度。峰值强度和残余强度都是由三部分组成：粘聚分量、剪胀分量及摩擦分量。粘聚分量的大小与土样的状态有关，可理解为颗粒本身具有的粘结与胶结性能；剪切面上剪切阻力的大小主要受剪胀和摩擦的影响，与剪切面上的法向应力成正比。这三个分量还不能通过试验测定得到，三个分量组合交错，通过强度参数得以表现出来，但是不同的剪切位移，各分量对抗剪强度的影响是不同的。

组成粘聚分量

在剪切位移较小的时间段内，起主要作用的是粘聚分量，但是黏聚分量在较小的剪切应变下达到最大值后急剧降低，这说明粘聚分量是土样的初始结构一个表征量，黏聚分量的急剧减小造成了剪切面的结构破坏。这点与残余强度试验结果一致：随着剪切位移的增加，抗剪强度最后达到残余抗剪强度，其中粘聚力分量一般很小，有的甚至接近零。

剪胀分量

随着剪切位移的继续增加，土体的变形呈现剪胀形态，由于土样上部有仪器的刚性约束，试样为了维持原态不得不做更多的附加功，这段时间内剪胀分量发挥主要作用，当试样的应变值达到某一个值之后，试样的剪胀减弱、体积不再变大，剪胀分量逐渐减弱最后消失。土样经过较大位移的剪切作用之后，强度值维持在稳定的残余强度值，试样内部的土颗粒也形成定向排列，不存在剪胀现象，所以剪胀分量对残余强度没有贡献。

摩擦分量

摩擦分量与材料属性有较大关系，由于剪切过程中产生摩擦的是土体，所以摩擦分量相对而言是稳定的。但在剪切过程中，由于剪胀的影响，试样体积会略微增大，由于仪器上部是固定的，试样上部受到的压力就会增大，而摩擦分量与上部受到的压力成正比，所以这个阶段摩擦分量逐渐增大。但是随着剪胀作用的消失，摩擦分量就会逐渐减小。随着剪切位移的增加，最后只有摩擦分量作用，此时的摩擦分量只与上部荷载的大小有关，摩擦分量随着剪切位移的增加先增加后降低最后达到一个比较稳定的值，所以在剪切的最后阶段，抗剪强度较为稳定，这时的抗剪强度为残余抗剪强度。

抗剪强度抗剪强度，又称剪切强度，材料产生剪断时的极限强度。反映材料抵抗剪切滑动的能力，在数值上等于剪切面上的切向应力值，即剪切面上形成的剪切力与破坏面积之比。分单剪和双剪两种形式，在双剪的情况下，破坏面积是试件横截面积的两倍。土是摩擦型材料，土的抗剪强度是指土抵抗土体颗粒间产生相互滑动的极限能力1。土的抗剪强度是土的一个重要的力学性质。土的抗剪强度可分为二部分：一部分与颗粒间的法向应力有关，其本质是摩擦力；另一部分是与法向应力无关，称为黏聚力。当外部载荷在地基内部产生的剪应力达到土的抗剪强度时，土体就遭到破坏，严重时将产生滑坡，建筑物地基丧失稳定。

内聚力和内摩擦角对峰值强度影响自然界中的岩体和岩石由于自然条件或人为因素的影响，内聚力C 和内摩擦角φ均会发生改变，进而影响岩体或岩石的力学特性。内聚力C 和内摩擦角φ 是两个影响岩石强度的重要力学参数，从试验结果和理论分析来看，岩石的内聚力和内摩擦角越高，岩石的强度越高，即内聚力和内摩擦角将影响岩石应力应变曲线的峰值强度。

内摩擦角是在以土的抗剪强度为纵坐标、剪切破坏面上的 法向应力为横坐标的坐标系中，土的抗剪强度包线 对横坐标轴的倾角。通常以表示，是土的抗剪强度参数之一，其值与土的初始孔隙比、土粒形状、土的颗粒级配和土粒表面的粗糙度等因素有关。可由土的直接剪切试验或三轴压缩试验测定， 根据不同的试验方法和分析方法可得出总应力内摩擦角和有效应力内摩擦角。当初始内聚力C值一定时，随着内摩擦角φ值的降低， 应力－位移曲线峰后略显平缓，这是因为内摩擦角φ值的降低， 导致岩样的强度降低，使得模型发生破坏的单元数目增多；另外，可以看出应力－位移曲线上面的峰值强度发生了变化，即随着内摩擦角φ值的降低，峰值强度有了不同程度的下降。低内摩擦角φ值，则峰值强度肯定会继续以一定幅度下降，但即使是自然界的岩石，破碎到一定程度，仍会有一定的残余强度，同样也会有对应的峰值强度，即峰值强度随着内摩擦角 φ 值的降低，最终会达到某一极限值，而不会降低到零。

内聚力是同种物质内部相邻各部分之间的相互吸引力，内聚力降低，则岩石强度降低。当内聚力 C 降低时，应力 － 位移曲线屈服阶段愈加平缓，原因是由于随着内聚力 C 的降低，岩石的强度降低，模型中的单元破坏数目增多，表现为应力 －位移曲线上即为屈服平台较缓；同时，峰值强度也随着内聚力 C 值的降低而下降， 内聚力C值由原始值降低到最小值2。