土力学与地基基础教学PPT土的抗剪强度.ppt

第五章 土的抗剪强度 教材p137 p161 5 1土的极限平衡条件 5 2抗剪强度测定试验 5 3抗剪强度指标 5土的抗剪强度 一 土的强度特点 碎散性 强度不是颗粒矿物本身的强度 而是颗粒间相互作用 颗粒间粘聚力与摩擦力 2 三相体系 三相承受与传递荷载 有效应力原理 3 自然变异性 土的强度的结构性与复杂性 5土的抗剪强度 5 1土的极限平衡条件 地震液化 现象2011年福岛第一核电站地面因地震产生的裂痕 5土的抗剪强度 二 工程中土体的破坏类型 5 1土的极限平衡条件 5土的抗剪强度 二 工程中土体的破坏类型 5 1土的极限平衡条件 山体滑坡2008年唐家山堰塞湖 地震撼山移河 唐家山的半个山头自成悬湖大坝 5土的抗剪强度 二 工程中土体的破坏类型 基坑塌方2009年青海省西宁市佳豪广场4号楼 5 1土的极限平衡条件 基坑坍塌夺命8条 挡土墙 滑裂面 基坑支护 1 挡土结构物的破坏 5土的抗剪强度 二 工程中土体的破坏类型 5 1土体破坏与土的强度理论 边坡 5土的抗剪强度 二 工程中土体的破坏类型 5 1土的极限平衡条件 地基 3 地基的破坏 5土的抗剪强度 二 工程中土体的破坏类型 5 1土的极限平衡条件 土压力边坡稳定地基承载力 挡土结构物破坏各种类型的滑坡地基的破坏 5土的抗剪强度 二 工程中土体的破坏类型 5 1土的极限平衡条件 三 土的强度的机理 5土的抗剪强度 5 1土的极限平衡条件 直剪试验库仑 1776 试验原理 施加 p a s量测 t a 100kpa s a 直剪试验库仑 1776 试验原理试验结果 100kpa s 200kpa 300kpa 三 土的强度的机理 5土的抗剪强度 5 1土的极限平衡条件 c粘聚力 内摩擦角 直剪试验库仑 1776 试验原理试验结果 三 土的强度的机理 5土的抗剪强度 5 1土的极限平衡条件 库仑公式 f 土的抗剪强度 tg 摩擦强度 正比于压力 c 粘聚强度 与所受压力无关 滑动摩擦 三 土的强度的机理 5土的抗剪强度 5 1土的极限平衡条件 1 摩擦强度 tg 1 滑动摩擦 2 咬合摩擦引起的剪胀 滑动摩擦 咬合摩擦引起的剪胀 三 土的强度的机理 5土的抗剪强度 5 1土的极限平衡条件 1 摩擦强度 tg 3 颗粒的破碎与重排列 滑动摩擦 颗粒破碎与重排列 三 土的强度的机理 5土的抗剪强度 5 1土的极限平衡条件 1 摩擦强度 tg 咬合摩擦引起的剪胀 密度 e 粒径级配 cu cc 颗粒的矿物成分对于 砂土 粘性土 高岭石 伊里石 蒙特石粒径的形状 颗粒的棱角与长宽比 在其他条件相同时 对于砂土 颗粒的棱角提高了内摩擦角 对于碎石土 颗粒的棱角可能降低其内摩擦角 影响土的摩擦强度的主要因素 三 土的强度的机理 5土的抗剪强度 5 1土的极限平衡条件 1 摩擦强度 tg 粘聚强度机理静电引力 库仑力 范德华力颗粒间胶结假粘聚力 毛细力等 粘聚强度影响因素地质历史粘土颗粒矿物成分密度离子价与离子浓度 三 土的强度的机理 5土的抗剪强度 5 1土的极限平衡条件 2 凝聚强度 c粘聚力 内摩擦角 f 土的抗剪强度 tg 摩擦强度 正比于压力 c 粘聚强度 与所受压力无关 5土的抗剪强度 5 1土的极限平衡条件 四 摩尔 库仑强度理论 固定滑裂面 一般应力状态如何判断是否破坏 借助于莫尔圆 1 库仑公式 o 1 3 5土的抗剪强度 5 1土的极限平衡条件 四 摩尔 库仑强度理论 2 应力莫尔圆 大主应力 小主应力 圆心 半径 z按顺时针方向旋转 x按顺时针方向旋转 莫尔圆 代表一个土单元的应力状态 圆周上一点代表一个面上的两个应力 与 3 极限平衡应力状态 5土的抗剪强度 5 1土的极限平衡条件 四 摩尔 库仑强度理论 极限平衡应力状态 有一对面上的应力状态达到 f土的强度包线 所有达到极限平衡状态的莫尔圆的公切线 f 3 极限平衡应力状态 5土的抗剪强度 5 1土的极限平衡条件 四 摩尔 库仑强度理论 f 强度包线以内 任何一个面上的一对应力 与 都没有达到破坏包线 不破坏 与破坏包线相切 有一个面上的应力达到破坏 与破坏包线相交 有一些平面上的应力超过强度 不可能发生 4 莫尔 库仑强度理论 1 土单元的某一个平面上的抗剪强度 f是该面上作用的法向应力 的单值函数 f f 莫尔 1900年 2 在一定的应力范围内 可以用线性函数近似 f c tg 3 某土单元的任一个平面上 f 该单元就达到了极限平衡应力状态 5土的抗剪强度 5 1土的极限平衡条件 四 摩尔 库仑强度理论 4 莫尔 库仑强度理论 5土的抗剪强度 5 1土的极限平衡条件 四 摩尔 库仑强度理论 莫尔 库仑强度理论表达式 极限平衡条件 1f 3 4 莫尔 库仑强度理论 5土的抗剪强度 5 1土的极限平衡条件 四 摩尔 库仑强度理论 莫尔 库仑强度理论表达式 极限平衡条件 根据应力状态计算出大小主应力 1 3 判断破坏可能性 由 3计算 1f比较 1与 1f 1 1f破坏状态 5 破坏判断方法 5土的抗剪强度 5 1土的极限平衡条件 四 摩尔 库仑强度理论 判别对象 土体微小单元 一点 3 常数 根据应力状态计算出大小主应力 1 3 判断破坏可能性 由 1计算 3f比较 3与 3f 3 3f弹性平衡状态 3 3f极限平衡状态 3 3f破坏状态 5 破坏判断方法 5土的抗剪强度 5 1土的极限平衡条件 四 摩尔 库仑强度理论 判别对象 土体微小单元 一点 1 常数 o c 1f 3 2 2 6 滑裂面的位置 与大主应力面夹角 45 2 5土的抗剪强度 5 1土的极限平衡条件 四 摩尔 库仑强度理论 5 1土的极限平衡条件 5 2抗剪强度测定试验 5 3抗剪强度指标 5土的抗剪强度 一 室内试验二 野外试验 5 2抗剪强度测定试验 5土的抗剪强度 直剪试验 三轴试验等制样 重塑土 或现场取样缺点 扰动优点 应力条件清楚 易重复 十字板扭剪试验 旁压试验等原位试验缺点 应力条件不易掌握优点 原状土的原位强度 5 2抗剪强度测定试验 5土的抗剪强度 一 室内试验 1 直剪试验 通过控制剪切速率来近似模拟排水条件 1 固结慢剪 施加正应力 充分固结慢慢施加剪应力 小于0 02mm 分 以保证无超静孔压2 固结快剪施加正应力 充分固结在3 5分钟内剪切破坏3 快剪施加正应力后立即剪切3 5分钟内剪切破坏 5 2抗剪强度测定试验 5土的抗剪强度 一 室内试验 1 直剪试验 设备简单 操作方便结果便于整理测试时间短 优点 试样应力状态复杂应变不均匀不能控制排水条件剪切面固定 缺点 5 2抗剪强度测定试验 5土的抗剪强度 一 室内试验 1 直剪试验 5 2抗剪强度测定试验 5土的抗剪强度 一 室内试验 2 三轴试验 方法 首先试样施加静水压力 室压 围压 1 2 3 然后通过活塞杆施加的是应力差 1 1 3 1 试样应力特点与试验方法 特点 试样是轴对称应力状态 垂直应力 z一般是大主应力 径向与切向应力总是相等 r 亦即 1 z 2 3 r 强度包线 1 f c 1 f 1 1 3 1 15 分别作围压 为100kpa 200kpa三轴试验 得到破坏时相应的 1 f 绘制三个破坏状态的应力摩尔圆 画出它们的公切线 强度包线 得到强度指标c与 5 2抗剪强度测定试验 5土的抗剪强度 一 室内试验 2 三轴试验 2 强度包线 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 cd d ccu cu cu u 3 试验类型 5 2抗剪强度测定试验 5土的抗剪强度 一 室内试验 2 三轴试验 固结排水试验 cd试验 consolidateddrainedtriaxialtest cd 抗剪强度指标 cd d c 试验类型汇总 固结不排水试验 cu试验 consolidatedundrainedtriaxialtest cu 抗剪强度指标 ccu cu 不固结不排水试验 uu试验 unconsolidatedundrainedtriaxialtest uu 抗剪强度指标 cu u cuu uu 5 2抗剪强度测定试验 5土的抗剪强度 一 室内试验 2 三轴试验 优点 1应力状态和应力路径明确 2排水条件清楚 可控制 3破坏面不是人为固定的 4试验单元体试验 缺点 设备相对复杂 现场无法试验 说明 3 0即为无侧限抗压强度试验 4 优点和缺点 5 2抗剪强度测定试验 5土的抗剪强度 一 室内试验 2 三轴试验 5 1土体破坏与强度理论 5 2抗剪强度测定试验 5 3抗剪强度指标 5土的抗剪强度 强度指标 峰值强度指标与残余强度指标 5土的抗剪强度 5 3抗剪强度指标 粘聚力c内摩擦角 工程应用 三种分类方法 总应力强度指标与有效应力强度指标 直剪强度指标与三轴试验强度指标 目的 分析方法 试验方法 应力应变状态 两种强度指标的比较 一 总应力指标与有效应力指标 5土的抗剪强度 土的抗剪强度的有效应力指标c c tg u 符合土的破坏机理 但有时孔隙水压力u无法确定 土的抗剪强度的总应力指标c c tg 便于应用 但u不能产生抗剪强度 不符合强度机理 应用时要符合工程条件 强度指标 抗剪强度 简单评价 5 3抗剪强度指标 剪切前固结条件 剪切中排水条件 固结consolidated 排水drained 1 固结排水试验 cd 2 固结不排水试验 cu 固结consolidated 不排水undrained 不固结unconsolidated 不排水undrained 三种试验 3 不固结不排水试验 uu 5土的抗剪强度 二 三轴试验强度指标 5 3抗剪强度指标 1 试验条件施加围压 充分固结施加 1 时 阀门关闭 可连接孔压传感器 量测剪切过程中产生的超静孔隙水压力uu 0 u 量测孔隙水压力 2 固结不排水试验 5土的抗剪强度 二 三轴试验强度指标 5 3抗剪强度指标 2 固结不排水试验 5土的抗剪强度 二 三轴试验强度指标 剪切过程中的超静孔隙水压力 u对于饱和土试样 孔压系数b 1 0 u ba a 对于剪切过程中无体积变化 a 1 3剪切过程中发生剪缩 a 1 3剪切过程中发生剪胀 a 1 3 甚至可能a 0 u 0 5 3抗剪强度指标 u 轴向应力和孔压渐进增加并趋于稳定 孔压u 0 2 正常固结粘土固结不排水试验曲线与强度包线 f f cu 2 固结不排水试验 5土的抗剪强度 二 三轴试验强度指标 5 3抗剪强度指标 u 应力应变关系软化 孔压可能小于0与超固结度有关 f 3 超固结粘土固结不排水试验曲线与强度包线 f cu u 0 u 0 2 固结不排水试验 5土的抗剪强度 二 三轴试验强度指标 5 3抗剪强度指标 4 固结不排水三轴试验确定的强度指标 2 固结不排水试验 5土的抗剪强度 二 三轴试验强度指标 应力变量 试验量测 u 计算 u 确定的强度指标 ccu cu c 5 3抗剪强度指标 固结不排水试验小结 剪切过程中的超静孔隙水压力 u正常固结粘土的应力应变关系曲线 硬化正常固结粘土的有效应力与总应力的强度包线 cu 超固结粘土的应力应变关系曲线 软化超固结粘土的固结不排水强度指标 c ccu cu固结不排水三轴试验确定的强度指标 ccu cu c 2 固结不排水试验 5土的抗剪强度 二 三轴试验强度指标 5 3抗剪强度指标 剪切前固结条件 剪切中排水条件 固结consolidated 排水drained 1 固结排水试验 cd 2 固结不排水试验 cu 固结consolidated 不排水undrained 不固结unconsolidated 不排水undrained 三种试验 3 不固结不排水试验 uu 5土的抗剪强度 二 三轴试验强度指标 5 3抗剪强度指标 3 不固结不排水试验 5土的抗剪强度 二 三轴试验强度指标 强度指标 cuu cu uu u 1 试验条件 2 粘土的孔隙比 有效应力 抗剪强度唯一性关系 3 饱和试样的不排水强度指标cu 4 不排水试验与固结不排水试验 5 无侧限压缩试验 3 0的不排水试验 6 不饱和试样的不排水强度 5 3抗剪强度指标 1 试验条件从某一初始状态开始 关闭阀门施加围压 产生孔隙水压力 u1 b 施加 1 时 阀门关闭 可连接孔压传感器 量测剪切过程中产生的超静孔隙水压力 u2 ba 3 不固结不排水试验 5土的抗剪强度 二 三轴试验强度指标 量测孔隙水压力 5 3抗剪强度指标 3 不固结不排水试验 5土的抗剪强度 二 三轴试验强度指标 2 粘土的孔隙比 有效应力 抗剪强度唯一性关系 强度的影响因素 土的组成 土的状态 土的结构 应力状态 ef p f qf唯一性关系 ef f f唯一性关系 p q k f线 f 线 唯一的ef 应力历史 同一种正常固结粘土 土的状态 e 应力状态 应力历史相同时也满足唯一性关系 研究表明 超固结粘土 5 3抗剪强度指标 u 0 cu 并且有效应力摩尔圆是唯一的 思考题 可否由不排水试验确定有效应力强度指标 3 饱和试样的不排水强度指标 cu u b a b 1 3 不固结不排水试验 5土的抗剪强度 二 三轴试验强度指标 5 3抗剪强度指标 cu p1 cu1 p2 cu2 p3 cu3 4 不排水试验与固结不排水试验 3 不固结不排水试验 5土的抗剪强度 二 三轴试验强度指标 正常固结粘土层 固结不排水试验强度包线上的每一点对应于一个具有相同先期固结压力的不排水强度指标 5 3抗剪强度指标 cu qu 2 cu qu 5 无侧限压缩试验 3 0的不排水试验 3 不固结不排水试验 5土的抗剪强度 二 三轴试验强度指标 5 3抗剪强度指标 6 不饱和试样的不排水强度 不饱和区 饱和区 3 不固结不排水试验 5土的抗剪强度 二 三轴试验强度指标 5 3抗剪强度指标 不固结不排水试验小结 3 不固结不排水试验 5土的抗剪强度 二 三轴试验强度指标 饱和试样的不排水强度指标 u 0