My7-土的抗剪强度.ppt

内容回顾,地基沉降计算(固结沉降):分层总和法和应力面积法 分层,附加应力计算,计算深度 地基变形与时间的关系 固结度:双面排水和单面排水,第7章土的抗剪强度,主要内容(Contents),概述,土的抗剪强度理论,土的抗剪强度试验,1,2,3,孔隙压力系数,4,应力路径,5,无粘性土的抗剪强度,6,7.1概述,基本概念,土的抗剪强度 土体对于外力作用下，土体内部产生剪应力时，土对剪切破坏的极限抵抗能力。 强度问题的实质 土体内一部分与另一部分之间的相对滑动抵抗力，亦即土的抗剪强度问题。 土体强度破坏的机理 在外荷载作用下，土体中将产生剪应力和剪切变形，当土中某点由外力所产生的剪应力达到土的抗剪强度时，土就沿着剪应力作用方向产生相对滑动，该点便发生剪切破坏。,工程实践中与土的抗剪强度有关的工程主要有以下三类： （a）土工构筑物的稳定 （b）土压力 （c）地基承载力,三类工程问题,7.1概述,7.1概述,工程实例（1）土坡稳定,石膏尾矿坝溃坝 美国佛罗里达州,7.1概述,工程实例（2）边坡稳定,水库边坡滑坡残留部分路面,工程实例（3）地基承载力,7.1概述,地铁隧道开挖导致地面下沉 （中国 上海）,7.1概述,加拿大特朗斯康谷仓,工程实例（4）地基承载力,7.1概述,工程实例（5）地基承载力,它是近代世界上最严重的建筑物破坏之一； 它位于纽约汉森河旁，1940年水泥仓库装载水泥，使粘性土超载，引起地基土剪切破坏而滑动。倾斜45度，地基土被挤出达5.18米，23米外的办公楼也发生倾斜。,美国纽约某水泥仓库,主要内容(Contents),概述,土的抗剪强度理论,土的抗剪强度试验,1,2,3,孔隙压力系数,4,应力路径,5,无粘性土的抗剪强度,6,7.2土的抗剪强度理论,7.2.1 库伦公式,库仑总结的抗剪强度规律：砂土的抗剪强度与作用在剪切面上的法向压力成正比，比例系数为内摩擦系数。 粘性土的抗剪强度则比砂土的抗剪强度增加一项：土的粘聚力。,库仑定律(Coulomb law),其中：c:土的粘聚力; :土的内摩擦角,7.2土的抗剪强度理论,抗剪强度指标,砂土,中砂、粗砂、砾砂一般为32 40 ,粉砂、细砂一般为28 36 ,饱和的粉砂、细砂取值宜慎重，取20左右,砂土c,一般取零，但有时它也有很小的值（10kPa以内）,粘土、c,抗剪强度指标的变化范围很大，与土的种类有关，并与土的天然结构是否破坏、试样在法向应力下的排水固结程度及试验方法都有关系。一般在32 40 之间。c则从小于10kPa变化到200kPa以上。,7.2土的抗剪强度理论,摩擦强度,决定于剪切面上的正应力和土的内摩擦角。其一是滑摩擦：,由颗粒之间发生滑动时颗粒接触面粗糙不平所引起，与颗粒的形状，矿物组成，级配等因素有关,7.2土的抗剪强度理论,7.2土的抗剪强度理论,摩擦强度,决定于剪切面上的正应力和土的内摩擦角。其二是咬合摩擦：,是指相邻颗粒对于相对移动的约束作用； 当发生剪切破坏时，相互咬合着的颗粒A必须抬起，跨越相邻颗粒B，或在尖角处被剪断(C)，才能移动 ； 土体中的颗粒重新排列，也会消耗能量,7.2土的抗剪强度理论,粘聚强度,细粒土：粘聚力c取决于土粒间的各种物理化学作用力,作用机理：库伦力（静电力）、范德华力、 胶结作用力和毛细力等 影响因素：地质历史、粘土颗粒矿物成分、 密度与离子浓度,粗粒土：一般认为是无粘性土，不具有粘聚强度,当粗间有胶结物质存在时可具有一定的粘聚强度 非饱和砂土，粒间受毛细压力，具有假粘聚力,7.2土的抗剪强度理论,抗剪强度的影响因素,土的物理化学性质的影响,孔隙水压力的影响,土粒的矿物成份、颗粒级配和表面粗糙程度；,原始密度的影响；,土体含水量的影响；,土体结构性的影响；,试验条件的影响：排水剪、不排水剪、固结不排水剪；,此外，抗剪强度与土体的有效应力大小、应力历史等因素都有一定关系。,7.2土的抗剪强度理论,7.2.2 莫尔库伦强度理论,三维应力状态,二维应力状态,应力状态,7.2土的抗剪强度理论,符号规定,7.2土的抗剪强度理论,1910年摩尔(Mohr)提出了材料的破坏是剪切破坏，并指出在破坏面上的剪应力是该面上的法向应力的函数，即：,上述函数在坐标系中是一条曲线，称为摩尔包线；,土体的摩尔包线可以近似地用直线表示，该直线方程就是库仑定律所表示的方程；,由库仑公式表示摩尔包线的土体强度理论称为摩尔库仑强度理论。,摩尔库仑强度理论,7.2土的抗剪强度理论,土体中任一点的应力状态,微元体分析 假定土体是均匀的、连续的，一无限长条形荷载作用于半无限体的表面上，研究水平地面下任一深度z处M点的应力状态。由M点取一微元体dxdydz，并使微元体的上、下面平行于地面。因微元体很小，可忽略微元体本身的质量。现分析此微元体的受力情况，将微元体放大。,大小主应力 因为土体并无外荷作用，只有土的自重作用，故在微元体各个面上没有剪应变，也就没有剪应力，凡是没有剪应力的面称为主应面。作用在主应面上的力称为主应力，因此前图中的1为最大主应力，3为最小主应力,7.2土的抗剪强度理论,土体中任一点的应力状态,斜面上的应力,对微元体列平衡方程：,于是可以得到：,莫尔应力圆,绘制 坐标系；,确定出 位置；,以 为直径作圆，得莫尔圆；,自A点起逆时针量 ；得到圆周一点D，它的坐标代表了与最大主应力面成 角的斜面上的法向应力与切应力值,莫尔圆的方程：,最大剪应力：,任意点D,绘制方法,7.2土的抗剪强度理论,7.2土的抗剪强度理论,土体极限平衡条件,应力圆与强度线相离（圆1）：,应力圆与强度线相切（圆2）：,应力圆与强度线相割（圆3）：,f,弹性平衡状态,=f,极限平衡状态,f,破坏状态,土体极限平衡条件,7.2土的抗剪强度理论,一定时，增大 会使土体发生剪切破坏。,一定时，减小 会使土体发生剪切破坏。,摩尔库仑破坏准则,7.2土的抗剪强度理论,大主应力作用面与破坏面夹角,几何关系,粘性土,砂土(c=0),7.2土的抗剪强度理论,例1：某公寓条形基础下地基土体中一点的应力为： 250kPa， 。已知地基为砂土，土的内摩擦角 ，试问：该点是否被剪破？,解：由此点的应力已知条件，可知:,由大主应力值，可计算土剪切破坏时对应的小应力：,由此可知，土没有剪破。,7.2土的抗剪强度理论,小结,判断一点是否处于极限平衡状态，必须有1、 3、 和c的大小及其关系，以表达成极限平衡条件式； 剪切破坏发生在与大主应力作用面成45+ /2面上，而不是最大剪应力面； 若同一土样在不同的1、 3组合作用下受剪破坏，则可得到几个极限应力圆，这些圆的公切线就是强度包线，也可简化成直线关系处理。 已知大小主应力中任何一个，即可求得另一个；或在已知抗剪指标与大小主应力的情况下，判断土体的平衡状态。,主要内容(Contents),概述,土的抗剪强度理论,土的抗剪强度试验,1,2,3,孔隙压力系数,4,应力路径,5,无粘性土的抗剪强度,6,7.3土的抗剪强度试验,测试方法简介,室内试验： 直剪试验 三轴试验 无侧限抗压强度试验等 现场试验： 十字板剪切试验 现场大型直接剪切试验 旁压试验等,重塑土制样或现场取样 缺点：扰动 优点：应力和边界条件 清楚，易重复,缺点：应力和边界条 件不易掌握 优点：原状土的原位 强度,7.3土的抗剪强度试验,试验装置,直剪仪：一般有应变控制式与应力控制式两种，前者以等应变速率使试样产生剪切位移直至剪破，后者是分级施加水平剪应力并测定相应的剪切位移。目前我国使用较多的是应变控制式直剪仪。,7.3.1 直剪试验（实验项目）,7.3土的抗剪强度试验,试验装置,7.3土的抗剪强度试验,试验主要步骤,（1）制备试样 （2）安装试验装置 （3）测试初始读数 （4）施加竖向压力（第一级竖向压力） （5）施加水平剪切荷载 （6）终止试验（标准） （7）测定剪切后的试样含水量 （8）重复步骤（2）（7），施加不同的竖向荷载,7.3土的抗剪强度试验,（1）剪切前施加在试样顶面上的竖向压力为剪破面上的法向应力，剪应力由剪切力除以试样面积。,（2）在法向应力作用下，剪应力与剪切位移关系曲线，根据曲线得到该作用下土的抗剪强度。,试验结果处理,7.3土的抗剪强度试验,（3）在不同的垂直压力下进行剪切试验，得相应的抗剪强度f ，绘制f - 曲线，得该土的抗剪强度包线,抗剪强度(kPa),垂直压力（kPa）,7.3土的抗剪强度试验,为了考虑固结程度和排水条件对抗剪强度的影响根据加荷速率的快慢将直剪试验划分为：快剪、固结快剪和慢剪三种试验类型。 1.快剪Q(施加正应力后立即剪切35分钟内剪坏) 适用于渗透系数小于10-6cm/s的细粒土， 以cq，q表示。 2.固结快剪R（施加正应力-充分固结在35分钟内剪切破坏) 也适用于渗透系数小于10-6cm/s的细粒土， 以ccq, cq表示。 3.慢剪S (施加正应力并充分固结，慢慢施加剪应力小于0.02mm/分，以保证无超静孔压) 以cs, s表示。 4.上述三种方法的试验结果如下： cq ccq cs ，而 q cq s 。,三种直剪试验,7.3土的抗剪强度试验,直剪试验的主要特点,设备和操作简单 人为固定剪切面 剪切面应力状态复杂 应力、应变不均匀 主应力方向旋转 剪切面积逐渐减小 排水条件不明确,7.3土的抗剪强度试验,7.3.2 三轴试验,试验装置,可分为应变控制式与应力控制力两类；,应变控制式主要由以下几部分组成：,受压室,周围压力控制系统,轴向压力加压系统,孔隙水压力系统,试样体积变化量测系统,7.3土的抗剪强度试验,试验装置,7.3土的抗剪强度试验,应力特点,试样是轴对称应力状态 垂直应力z一般是大主应力1 侧向应力总是相等x=y，且为中、小主应力2=3,试验方法,固结：试样施加围压力1=2=3 剪切：施加应力差1=1-3,固结排水试验（CD试验） 1 打开排水阀门，施加围压后充分固结，超静孔隙水压力完全消散； 2 打开排水阀门，慢慢施加轴向应力差以便充分排水，避免产生超静孔压,固结不排水试验（CU试验） 1 打开排水阀门，施加围压后充分固结，超静孔隙水压力完全消散； 2 关闭排水阀门，很快剪切破坏，在施加轴向应力差过程中不排水,不固结不排水试验（UU试验） 1 关闭排水阀门，围压下不固结； 2 关闭排水阀门，很快剪切破坏，在施加轴向应力差过程中不排水,试验类型,7.3土的抗剪强度试验,分别在不同的周围压力3作用下进行剪切，得到34 个不同的破坏应力圆，绘出各应力圆的公切线即为土的抗剪强度包线。,试验成果,7.3土的抗剪强度试验,试验成果,不固结不排水剪（UU）,饱和粘性土在三组3下的不排水剪试验得到A、B、C三个不同3作用下破坏时的总应力圆,试验表明：虽然周围压力3不同，但破坏时主应力差相等，三个极限应力圆的直径相等，因而强度包线是一条水平线,三个试样只能得到一个有效应力圆,7.3土的抗剪强度试验,7.3土的抗剪强度试验,试验成果,固结不排水剪（CU）,对于正常固结粘土：剪切时体积有减小的趋势（剪缩），但由于不排水，故产生正的孔隙水压力；,对于超固结粘土：剪切时体积有增加的趋势（剪胀），剪切过程中，开始产生正的孔隙水压力，以后转为负值；,试验成果,固结不排水剪（CU）,7.3土的抗剪强度试验,虚线应力圆：总应力圆在水平轴上左移（正孔隙压力）uf得到相应的有效应力圆，按有效应力圆强度包线可确定c 、 ,实线应力圆：正常固结饱和粘性土在三组3下进行固结不排水剪试验得到A、B、C三个不同3作用下破坏时总应力圆，由总应力圆强度包线确定固结不排水剪总应力强度指标ccu、 cu,7.3土的抗剪强度试验,试验成果,固结不排水剪（CU）,超固结土的总应力破坏包线是一条略平缓的曲线，可近似地以直线ab代替。 由于超固结土在剪切破坏时，产生负的孔隙水压力，有效应力圆在总应力圆的右方(图中圆A)；,7.3土的抗剪强度试验,试验成果,固结不排水剪（CD）,在剪切过程中，正常固结粘土发生剪缩，而超固结土则是先剪缩，继而主要呈现剪胀的特性。,7.3土的抗剪强度试验,试验成果,固结不排水剪（CD）,固结排水试验过程中，超孔隙水压力始终为零，总应力最后全部转化为有效应力，故总应力圆就是有效应力圆，总应力破坏包线就是有效应力破坏包线。 正常固结土的破坏包线通过原点，粘聚力cd 0，内摩擦角d约在 2040之间，超固结土的破坏包线略弯曲，实用上近似取为一条直线代替，cd约为525kPa。,7.3土的抗剪强度试验,抗剪强度指标的选择,7.3.3 无限侧抗压强度试验,7.3土的抗剪强度试验,试验装置,加压框架,7.3土的抗剪强度试验,试验结果处理,轴向应变1，应按下式计算： 轴向应力，应按下式计算： 无侧限抗压强度,7.3土的抗剪强度试验,7.3.4 十字板剪切试验,试验装置,原位十字板剪切试验是一种利用十字板剪切仪在现场测定土的抗剪强度的方法。这种方法适用于在现场测定饱和粘性土的原位不排水强度，特别适用于均匀的饱和软粘土。,7.3土的抗剪强度试验,试验时，先钻孔至需要试验的土层深度以上750mm处，然后将装有十字板的钻杆放入钻孔底部，并插入土中750mm，施加扭矩使钻杆旋转直至土体剪切破坏。土体剪切面为十字板旋转形成的圆柱面。,主要操作步骤,假定土体为各向同性，fh=fv=f：,优点：构造简单、操作方便、适用于饱和粘性土， 。,7.3土的抗剪强度试验,计算公式,主要内容(Contents),概述,土的抗剪强度理论,土的抗剪强度试验,1,2,3,孔隙压力系数,4,应力路径,5,无粘性土的抗剪强度,6,7.4孔隙压力系数,孔隙水压力,以三轴试验模拟地基中某点的应力增量发生情况：,7.4孔隙压力系数,孔隙水压力系数B,基于弹性理论，假定土体固体颗粒不可压缩，且不排水、不排气，可得到：,其中：Ks、Kw分别是土颗粒、液体的体积弹性模量。,对于完全饱和土：由于KsKw，故而B1.0； 对于干燥的土体： Ks/ Kw，故而B0.0； 对于部分饱和土， B值应介于01之间，它与土体的饱和度有一定关系；,孔隙水压力系数A,7.4孔隙压力系数,基于弹性理论，可以得到：,上述公式只适用于弹性体，对于土体并不适用，于是斯开普顿(Skempton) 提出以经验系数A代替1/3, 于是可知：,对于饱和土体，由于B1, 故而：,孔隙水压力计算,主要内容(Contents),概述,土的抗剪强度理论,土的抗剪强度试验,1,2,3,孔隙压力系数,4,应力路径,5,无粘性土的抗剪强度,6,7.5应力路径,对加荷过程中的土体内某点（通常取应力圆的顶点），其应力状态的变化可在应力坐标图中以应力点的移动轨迹表示，这种轨迹称为应力路径。,概念,7.5应力路径,加荷方式的影响,三轴压缩试验中：保持3不变，逐渐增大1, 应力路径为AB线； 三轴压缩试验中：保持1不变，逐渐增大3,