第7章土的抗剪强度.ppt

第7章土的抗剪强度 土体抵抗剪切破坏的最大 或极限 能力 在数值上等于土体产生剪切破坏时滑动面上的剪应力 是土的一种内在特性 也是土的重要力学性质指标 7 1概述 1 抗剪强度 3 在外部荷载作用下 土中应力将发生变化 当土体中的剪应力超过土体本身的抗剪强度时 土体将产生沿着其中某一滑裂面的滑动 而使土体丧失整体稳定性 土体的破坏通常都是剪切破坏所引起的 2 主要内容库仑定律 土的极限平衡条件 用直接剪切仪和三轴剪切仪测定抗剪强度指标的方法 7 2土的抗剪强度理论 7 2 1库伦定律及抗剪强度指标 在应力水平不很高的情况下 一般土的抗剪强度 与法向应力 的关系如下式所示 上式是库伦 C A Coulomb 法国 于1773年首先提出的 称为土体抗剪强度的库伦公式 定律 由于土的有效应力原理的研究和发展 人们认识到 只有有效应力的变化才能引起土体强度的变化 又将上述的库伦公式改写为 土体剪切破裂面上的有效法向应力 u 土中的超静孔隙水压 c 土的有效粘聚力 土的有效内摩擦角 c 和 称为土的有效抗剪强度指标 对于同一种土 c 和 的数值在理论上应接近于常数 与试验方法无关 7 2 2莫尔 库伦强度理论与极限平衡条件 莫尔 库伦强度理论莫尔 C O Mohr 1910 德国 继库伦的早期研究工作 提出土体的破坏是剪切破坏的理论 认为在破裂面上 法向应力 与抗剪强度 f之间存在着函数关系 即 这个函数在 f 坐标中是一条曲线 称为莫尔破坏包络线 或抗剪强度包线 实验证明 一般土在应力水平不很高的情况下 莫尔破坏包线近似于一条直线 可以用库伦抗剪强度公式来表示 由库伦公式表示莫尔破坏包线的强度理论称为莫尔 库伦强度理论 2 极限平衡条件 当土中任意点在某一方向的平面上所受的剪应力达到土体的抗剪强度 即 时 就称该点处于极限平衡状态 反映土体中某点处于极限平衡状态时的应力条件 称为极限平衡条件 土体的剪切破坏条件 在地基土中任意点取出一微分单元体 设作用在该微分体上的最大和最小主应力分别为 1和 3 根据隔离体abc的静力平衡条件 可得微分体内与最大主应力 1作用平面成任意角度 的平面mn上的正应力 和剪应力 根据静力平衡条件 1 土中某点的应力状态 也可以用莫尔应力圆来求土中任一点的应力状态 2 土的极限平衡条件 莫尔 库伦破坏准则 抗剪强度包线与莫尔应力圆之间的可能关系有三种 1 整个莫尔圆位于抗剪强度包线的下方 土处于弹性平衡状态 2 莫尔圆与抗剪强度包线相切 土处于极限平衡状态 3 莫尔圆与抗剪强度包线相割 土单元已经破坏 如图中II圆 莫尔应力圆恰好与抗剪强度线相切 切点为A 则表明切点A所代表的平面上的剪应力 与抗剪强度 f相等 该点土体处于极限平衡状态 根据其几何关系 就可以建立起土体的极限平衡条件 对粘性土和粉土 有 对于无粘性土 有 由下图的几何关系可以求得剪切面 破裂面 与大主应力面 1的作用面 的夹角 有 上面几个公式都是表示土单元体达到极限平衡时 破坏时 主应力的关系 这就是莫尔 库伦理论的破坏准则 也称之为极限平衡条件 对于无粘性土 对粘性土和粉土 7 3土的抗剪强度试验方法 7 3 1直接剪切试验 土体的抗剪强度指标是通过土工试验确定的 室内试验常用的方法有直接剪切试验 三轴剪切试验 现场原位测试的方法有十字板剪切试验和大型直剪试验 1 试验仪器与基本原理 直接剪切仪的优点 构造简单 操作方便 直接剪切仪的缺点 剪切面限定在上下盒之间的平面 而不是沿土样最薄弱的剪切面破坏 剪切面上剪应力分布不均 从边缘开始 在边缘发生应力集中现象 在剪切过程中 剪切面逐渐缩小 而计算抗剪强度时却按圆截面计算 试验时不能严格控制排水条件 不能量测孔隙水压力 7 3 2三轴剪切试验 1 试验仪器与基本原理 三轴剪切试验仪 也称三轴压缩仪 由受压室 周围压力控制系统 轴向加压系统 孔隙水压力系统以及试样体积变化量测系统等组成 三轴试验基本原理 a 试样围压 b 破坏时试样主应力 c 应力圆与强度包线 轴压缩试验按剪切前的固结程度和剪切时的排水条件 分为以下三种试验方法 1 不固结不排水试验 UU Un consolidatedUn drained 2 固结不排水试验 CU ConsolidatedUn drained 3 固结排水试验 CD ConsolidatedDrained 1 不固结不排水 UU或称快剪 试验在全部剪切试验过程中都不让土样排水固结 2 固结不排水 CU或称固结快剪 试验在周围压力 或法向压力 作用下使土样完全固结 而在土样的剪切至破坏的过程中不 或来不及 排水 3 固结排水 CD或称慢剪 试验隙水充分排出 始终保持u 0 在实际工程中 要根据地基土的实际受力情况和排水条件选用合适的试验方法 如果施工周期缩短 结构荷载增长速率较快 因此验算施工结束时的地基短期承载力时 采用不固结不排水 快剪 以保证工程的安全 对于施工周期较长 结构荷载增长速率较慢的工程 宜根据建筑物的荷载及预压荷载作用下地基的固结程度 采用固结不排水剪 2 三轴压缩仪的优缺点优点 能较为严格地控制排水条件以及可以量测试件中孔隙水压力的变化 试件中的应力状态比较明确 破裂面发生在最薄弱的部位 缺点 试件中的主应力 而实际上土体的受力状态未必都属于轴对称情况 7 3 3无侧限抗压强度试验 无侧限抗压强度试验是周围压力 3 0 无侧限 的一种特殊三轴压缩试验 又称单轴试验 该试验多在无侧限抗压仪上进行 试验时 在不加任何侧向压力的情况下 对圆柱体试样施加轴向压力 直至试样剪切破坏为止 试样破坏时的轴向压力以qu表示 称为无侧限抗压强度 对于饱和软粘土 0 其抗剪强度线与 轴平行 且有cu qu 2 所以 可用无侧限抗压试验测定饱和软粘土的强度 7 3 4十字板剪切试验 十字板剪切试验是一种土的抗剪强度的原位测试方法 适合于在现场测定饱和软粘土的原位不排水抗剪强度 采用的试验设备主要是十字板剪力仪 试验时 先将十字板压入土中至测试的深度 然后由地面上的扭力装置对钻杆施加扭矩 使埋在土中的十字板扭转 直至土体剪切破坏 破坏面为十字板旋转所形成的圆柱面 抗剪强度公式 优点 构造简单 操作方便 对土的扰动小 特别适用于均匀饱和软粘土 7 5 5抗剪强度指标的选择首先要根据工程问题的性质确定分析方法 进而决定采用总应力或有效应力强度指标 然后选择测试方法 一般认为 由三轴固结不排水试验确定的有效应力强度参数和宜用于分析地基的长期稳定性 如土坡的长期稳定分析 估计挡土结构的长期土压力等 而对于饱和粘性土的短期稳定问题 则宜采用不固结不排水试验的强度指标 即 以总应力法分析 一般工程问题多采用总应力法分析 其指标和测试方法大致如下 若建筑物施工速度较快 而地基土的透水性和排水条件不良时 可采用三轴仪