抗剪强度计算.ppt

2011年春季4月份语音答疑 张松 一切为了学生 为了一切学生 为了学生一切 土的抗剪强度计算 一 土体破坏与土的强度理论二 土的抗剪强度的测定试验三 土的抗剪强度指标 答疑提要 本章提要学习难点 第五章 土的抗剪强度 土是如何破坏的 如何衡量土的强度 如何测定土的强度 如何应用土的强度指标 土的抗剪强度理论及本质土的抗剪强度指标及测试方法土的抗剪强度指标的种类及选取 5土的抗剪强度 一 土体破坏与强度理论 5土的抗剪强度 1 土的强度特点2 土的强度机理3 莫尔 库仑强度理论 土的强度及其特点 天然状态下的砂 沿坡方向的平衡 天然休止角 也是最松状态下的砂内摩擦角 5 1概述 土体强度及其特点 土的强度及其特点 天然状态下的沙丘 固定沙丘背风坡角度接近天然休止角 一般为 30 35 大于矿物滑动摩擦角 颗粒间存在一定的咬合作用 5 1概述 土体强度及其特点 土体强度的特点 碎散性 对于散粒体强度不是颗粒矿物本身的强度 而是颗粒间相互作用 主要是抗剪强度与剪切破坏 颗粒间粘聚力与摩擦力三相体系 三相承受与传递荷载 有效应力原理 5 1概述 土体强度及其特点 直剪试验 直剪试验 法向应力 剪应力 剪切变形S 5 2土的抗剪强度理论 直剪试验与库伦公式 直剪试验的强度包线 库仑公式 1776 f 土的抗剪强度 tg 摩擦强度 正比于压力 土的内摩擦角c 粘聚强度 与所受压力无关 5 2土的抗剪强度理论 直剪试验与库伦公式 试验结果 土的强度机理 土的抗剪强度指标 c和 是决定土的抗剪强度的两个指标 称为抗剪强度指标 当 采用总应力时 称为总应力抗剪强度指标当 采用有效应力时 称为有效应力抗剪强度指标 对无粘性土通常认为 粘聚力C 0 库仑公式 5 2土的抗剪强度理论 直剪试验与库伦公式 土的强度机理 土的强度机理 5土的抗剪强度 1 滑动摩擦 5土的抗剪强度 2 摩擦强度 tan 由颗粒之间发生滑动时颗粒接触面粗糙不平所引起 与颗粒大小 矿物组成等因素有关 5 1土体破坏与强度理论 2 咬合摩擦 三 土的强度机理 5土的抗剪强度 5土的抗剪强度 2 摩擦强度 tan 剪切面 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 5 1土体破坏与强度理论 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 土的强度机理 5土的抗剪强度 3 粘聚强度 5土的抗剪强度 5 1土体破坏与强度理论 细粒土 粘聚力c取决于土粒间的各种物理化学作用力 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 应力状态与莫尔圆极限平衡应力状态莫尔 库仑强度理论破坏判断方法滑裂面的位置 莫尔 库仑强度理论 5 1土的抗剪强度理论 莫尔 库仑强度理论 5土的抗剪强度 四 莫尔 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 库仑公式 5土的抗剪强度 5 1土体破坏与强度理论 三 土中一点的应力状态 土体内一点处不同方位的截面上应力的集合 剪应力 和法向应力 楔体静力平衡 斜面上的应力 莫尔应力圆方程 A 圆心坐标 1 2 1 3 0 应力圆半径r 1 2 1 3 土中某点的应力状态可用莫尔应力圆描述 极限平衡应力状态 5 2土的抗剪强度理论 莫尔 库仑强度理论 极限平衡应力状态 当一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 切点 破坏面 应力莫尔圆与强度包线 强度包线以下 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 5 2土的抗剪强度理论 莫尔 库仑强度理论 不可能发生 莫尔 库仑强度理论的破坏准则 土的极限平衡条件 处于极限平衡状态时 1和 3之间应满足的关系 无粘性土 5 2土的抗剪强度理论 莫尔 库仑强度理论 土单元是否破坏的判别 根据极限平衡条件可以用来判别一点土体是否已发生剪切破坏 计算主应力 1 3 确定土单元体的应力状态 x z xz 判别是否剪切破坏 由 3 1f 比较 1和 1f由 1 3f 比较 3和 3f由 1 3 m 比较 和 m 5 2土的抗剪强度理论 莫尔 库仑强度理论 土单元是否破坏的判别 1 1f极限平衡状态 破坏 1 1f不可能状态 破坏 方法一 由 3 1f 比较 1和 1f 5 2土的抗剪强度理论 莫尔 库仑强度理论 土单元是否破坏的判别 方法二 由 1 3f 比较 3和 3f 3 3f极限平衡状态 破坏 3 3f安全状态 3 3f不可能状态 破坏 5 2土的抗剪强度理论 莫尔 库仑强度理论 土单元是否破坏的判别 方法三 由 1 3 m 比较 和 m m 不可能状态 破坏 处于极限平衡状态所需的内摩擦角 5 2土的抗剪强度理论 莫尔 库仑强度理论 2 2 5 滑裂面的位置 与大主应力面夹角 45 2 5土的抗剪强度 四 莫尔 库仑强度理论 5土的抗剪强度 5 1土体破坏与强度理论 破坏面为什么不在最大剪应力作用面上 五 例题分析 例 地基中某一单元土体上的大主应力为430kPa 小主应力为200kPa 通过试验测得土的抗剪强度指标c 15kPa 20o 试问 该单元土体处于何种状态 单元土体最大剪应力出现在哪个面上 是否会沿剪应力最大的面发生剪破 解答 已知 1 430kPa 3 200kPa c 15kPa 20o 法一 计算结果表明 1f大于该单元土体实际大主应力 1 实际应力圆半径小于极限应力圆半径 所以 该单元土体处于弹性平衡状态 计算结果表明 3f小于该单元土体实际小主应力 3 实际应力圆半径小于极限应力圆半径 所以 该单元土体处于弹性平衡状态 假定极限平衡时在剪切面上 库仑定律 由于 f 所以 该单元土体处于弹性平衡状态 法二 法三 法四 c 最大剪应力与主应力作用面成45o 最大剪应力面上的法向应力 库仑定律 最大剪应力面上 f 所以 不会沿剪应力最大的面发生破坏 max 比较最大剪应力作用面上的 与 f 法五 比较应力圆极限平衡抗剪强度线与已知强度线摩擦角 所以 f 应力圆未与强度线相交切 土体未破坏 土的抗剪强度理论 土的抗剪强度的测定试验土的抗剪强度指标 第五章 土的抗剪强度 室内试验 直剪试验三轴试验等野外试验 十字板扭剪试验旁压试验等 抗剪强度测定试验 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 5 3土的抗剪强度的测定试验 一 直接剪切试验 试验仪器 直剪仪 应力控制式 应变控制式 直剪试验 P T 土样 下盒 上盒 S 面积A 1 S 2 3 f1 f2 f3 直剪仪 directsheartestapparatus 5 3土的抗剪强度的测定试验 直剪试验 直剪试验的类型 1 固结慢剪施加正应力 充分固结剪切速率很慢 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 通过控制剪切速率近似模拟排水条件 5 3土的抗剪强度的测定试验 直剪试验 直剪试验优缺点 优点 仪器构造简单 试样的制备和安装方便 易于操作缺点 剪切破坏面固定为上下盒之间的水平面不符合实际情况 不一定是土样的最薄弱面 试验中不能严格控制排水条件 对透水性强的土尤为突出 不能量测土样的孔隙水压力 上下盒的错动 剪切过程中试样剪切面积逐渐减小 剪切面上的剪应力分布不均匀 三轴试验 试样应力特点与试验方法强度包线试验类型优缺点 5 3土的抗剪强度的测定试验 三轴试验 5 2抗剪强度测定试验 5土的抗剪强度 方法 首先试样施加静水压力 室压 围压 1 2 3 const 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 const 5土的抗剪强度 一 三轴试验 强度包线 1 f c 1 f 1 15 分别作一系列围压 如100kPa 200kPa 300kPa 的三轴试验 得到破坏时相应的 1 f 绘制各围压下破坏状态的应力莫尔圆 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 2 强度包线 5土的抗剪强度 一 三轴试验 密砂 松砂 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 5土的抗剪强度 一 三轴试验 试验条件与现场条件的对应关系 以验算软粘土地基稳定性为例 5 2抗剪强度测定试验 5土的抗剪强度 5土的抗剪强度 一 三轴试验 固结排水试验 固结不排水试验 不固结不排水试验 土的抗剪强度理论 土的抗剪强度的测定试验 土的抗剪强度指标 第五章 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 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 三轴试验强度指标与直剪试验强度指标 目的 分析方法 试验方法 应力应变状态 1 两种强度指标的比较 5土的抗剪强度 有效应力指标c c tan u 符合土的破坏机理 但有时孔隙水压力u无法确定 总应力指标c c tan 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 一 总应力指标与有效应力指标 5 4抗剪强度指标 正常固结土的有效和总应力指标 思考题1 实际破裂面的方向 思考题2 如果破坏时孔隙水压力u 负孔压 有效应力莫尔圆在总应力莫尔圆哪边 5 5土的抗剪强度指标 指标类型 峰值强度 残余强度指标 直剪和三轴试验中应变软化时 f峰值强度指标 r残余强度指标 大变形完全破坏了土的结构强度和咬合作用 残余强度破坏包线通过原点 其内摩擦角 r只决定于土的矿物成分 与其所受的应力历史等因素无关 5 5土的抗剪强度指标 指标类型 土的强度指标的工程应用 有效应力指标还是总应力指标 三轴试验指标还是直剪试验指标 峰值强度指标还是残余强度指标 5 5土的抗剪强度指标 工程应用 土的强度指标的工程应用 有效应力指标与总应力指标凡是可以确定 测量 计算 孔隙水压力u的情况 都应当使用有效应力指标c 采用总应力指标时 应根据现场土体可能的固结排水情况 选用不同的总应力强度指标 5 5土的抗剪强度指标 工程应用 三轴试验指标与直剪试验指标应优先采用三轴试验指标应按照不同土类和不同的固结排水条件 合理选用直剪试验指标砂土 c 三轴CD试验与直剪试验 直剪偏大 粘土 有效应力指标 三轴CD或CU试验总应力指标 三轴CU UU试验或直剪cq q试验 土的强度指标的工程应用 5 5土的抗剪强度指标 工程应用 峰值强度指标与残余强度指标 土的强度指标的工程应用 峰值强度 一般问题残余强度古旧滑坡断层夹泥大变形问题 5 5土的抗剪强度指标 工程应用 不固结不排水剪 快剪 cu u cq q 粘土地基上快速施工建筑物 四 土的强度指标的工程应用 5土的抗剪强度 5土的抗剪强度 5 4抗剪强度指标 固结不排水剪 固结快剪 ccu cu ccq cq 四 土的强度指标的工程应用 5土的抗剪强度 5土的抗剪强度 5 4抗剪强度指标 粘土地基预压固结后 快速施工建筑物 固结排水剪 慢剪 ccd cd cs s 粘土地基上慢速施工建