土的抗剪强度与地基承载力.ppt

第四章土的抗剪强度与地基承载力 5 1土的抗剪强度概述 5 2剪切强度的测定方法 5 3孔隙压力系数 5 4土的抗剪强度指标 5 5应力路径 主要内容 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 主要是抗剪强度与剪切破坏 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 大阪的港口码头档土墙由于液化前倾 5土的抗剪强度 二 工程中土体的破坏类型 1 挡土结构物的破坏 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 广州京光广场基坑塌方 使基坑旁办公室 民工宿舍和仓库倒塌 死3人 伤17人 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 平移滑动 2 各种类型的滑坡 5土的抗剪强度 崩塌 旋转滑动 流滑 二 工程中土体的破坏类型 1994年4月30日崩塌体积400万方10万方进入乌江死4人 伤5人 失踪12人击沉拖轮 驳轮各一艘 渔船2只1994年7月2 3日降雨引起再次滑坡崩塌体巨大石块滚入江内 无法通航滑坡体崩入乌江近百万方 江水位差数米 乌江武隆县兴顺乡鸡冠岭山体崩塌 5土的抗剪强度 2 各种类型的滑坡 二 工程中土体的破坏类型 龙观嘴 黄崖沟 乌江 2000年西藏易贡巨型滑坡 5土的抗剪强度 2 各种类型的滑坡 二 工程中土体的破坏类型 高程 m 滑距 m 5530 2200 4000 扎木弄沟 滑坡堆积体 0 8000 4000 2000 6000 立面示意图 坡高3330m堆积体宽约2500m总方量约3亿方 5土的抗剪强度 2 各种类型的滑坡 二 工程中土体的破坏类型 2000年西藏易贡巨型滑坡 易贡滑坡堰塞湖 滑坡堆积区 扎木弄沟 2264m 2210m 2165m 2340m 平面示意图 5520m 滑坡堆积体 5土的抗剪强度 2 各种类型的滑坡 二 工程中土体的破坏类型 2000年西藏易贡巨型滑坡 天然坝坝高290m滑坡堰塞湖库容15亿方 湖水每天上涨50cm 5土的抗剪强度 2 各种类型的滑坡 二 工程中土体的破坏类型 5 1土体破坏与土的强度理论 2000年西藏易贡巨型滑坡 边坡 5土的抗剪强度 2 各种类型的滑坡 二 工程中土体的破坏类型 5 1土体破坏与土的强度理论 粘土地基上的某谷仓地基破坏 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土体破坏与土的强度理论 日本新泻1964年地震引起大面积液化 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土体破坏与土的强度理论 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 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 工程中的强度问题概述 土的抗剪强度 土体抵抗剪切破坏的极限能力 5 1土的抗剪强度概述 一 库仑定律 1776年 库仑根据砂土剪切试验 f tan 砂土 后来 根据粘性土剪切试验 f c tan 粘土 c 库仑定律 土的抗剪强度是剪切面上的法向总应力 的线性函数 c 土的粘聚力 土的内摩擦角 二 土体抗剪强度影响因素 摩擦力的两个来源1 滑动摩擦 剪切面土粒间表面的粗糙所产生的摩擦2 咬合摩擦 土粒间互相嵌入所产生的咬合力粘聚力 由土粒之间的胶结作用和电分子引力等因素形成抗剪强度影响因素摩擦力 剪切面上的法向总应力 土的初始密度 土粒级配 土粒形状以及表面粗糙程度粘聚力 土中矿物成分 粘粒含量 含水量以及土的结构 三 莫尔 库仑强度理论 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 四 土的极限平衡条件 应力圆与强度线相离 强度线 应力圆与强度线相切 应力圆与强度线相割 极限应力圆 f 弹性平衡状态 f 极限平衡状态 f 破坏状态 莫尔 库仑破坏准则 莫尔应力圆与库仑强度线相切的应力状态作为土的破坏准则 目前判别土体所处状态的最常用准则 莫尔 库仑破坏准则 c A ccot 1 2 1 3 无粘性土 c 0 土体处于极限平衡状态时 破坏面与大主应力作用面的夹角为 f 说明 剪破面并不产生于最大剪应力面 而与最大剪应力面成 2的夹角 可知 土的剪切破坏并不是由最大剪应力 max所控制 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 1 计算法 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 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 2 图解法 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 5 2土的剪切试验方法 一 直接剪切试验 试验仪器 直剪仪 应力控制式 应变控制式 剪切试验 剪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 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 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 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 二 三轴剪切试验 应变控制式三轴仪 压力室 加压系统 量测系统组成应力控制式三轴仪 试验步骤 2 施加周围压力 3 施加竖向压力 1 装样 应变控制式三轴仪 压力室 量测系统 抗剪强度包线 分别在不同的周围压力 3作用下进行剪切 得到3 4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 c 三轴试验优缺点 优点 试验中能严格控制试样排水条件 量测孔隙水压力 了解土中有效应力变化情况 试样中的应力分布比较均匀缺点 试验仪器复杂 操作技术要求高 试样制备较复杂 试验在 2 3的轴对称条件下进行 与土体实际受力情况可能不符 三 无侧限抗压强度试验 无侧限抗压强度试验是三轴剪切试验的特例 对试样不施加周围压力 即 3 0 只施加轴向压力直至发生破坏 试样在无侧限压力条件下 剪切破坏时试样承受的最大轴向压力qu 称为无侧限抗压强度 无侧限压缩仪 根据试验结果只能作出一个极限应力圆 3 0 1 qu 因此对一般粘性土 无法作出强度包线 说明 对于饱和软粘土 根据三轴不排水剪试验成果 其强度包线近似于一水平线 即 u 0 因此无侧限抗压强度试验适用于测定饱和软粘土的不排水强度 qu cu u 0 无侧限抗压强度试验仪器构造简单 操作方便 可代替三轴试验测定饱和软粘土的不排水强度 灵敏度 粘性土的原状土无侧限抗压强度与原土结构完全破坏的重塑土的无侧限抗压强度的比值 反映土的结构受挠动对强度的影响程度 根据灵敏度将饱和粘性土分类 低灵敏度土1 St 2 中灵敏度土2 St 4 高灵敏度土St 4 适用于现场测定饱和粘性土的不排水强度 尤其适用于均匀的饱和软粘土 四 十字板剪切试验 柱体上下平面的抗剪强度产生的抗扭力矩 柱体侧面剪应力产生的抗扭力矩 三轴压缩试验中的孔隙应力系数 u0 0 c c u1 3 3 u2 3 1 3 5 3孔隙压力系数 三轴压缩试验中的孔隙应力系数 u c 3 c 1 孔隙应力系数B 定义 当试样在不排水条件下受到各向相等压力增量时 产生的孔隙应力增量与压力增量之比定义为孔隙应力系数 B反映土体在各向相等压力作用下 孔隙应力变化情况的指标 也是反映土体饱和程度的指标 孔隙应力系数B B 1饱和土的不固结不排水试验试验中 试样在周围压力增量下将不发生竖向和侧向变形 这时的周围压力增量完全由孔隙水承担B 0土完全干燥 周围压力增量完全由土骨架承担0 B 1非饱和土 孔隙中流体的压缩性与土骨架的压缩性为一个量级 饱和度越大 B越接近于1 孔隙应力系数A 定义 当试样在轴向应力增量q作用时 产生的孔隙水应力为为 u2 我们定义另一孔压系数A为 综合反映主应力差作用下孔隙水应力变化的一个指标 孔隙应力系数A 将B代入得 改写 表示一定周围压力增量作用下 由主应力增量所引起的孔隙应力变化 孔隙应力系数A 对于饱和土的不固结不排水试验 固结不排水试验 固结排水试验 5 4土的抗剪强度指标 一 总应力强度指标与有效应力强度指标 库仑定律 说明 施加于试样上的垂直法向应力 为总应力 c 为总应力意义上的土的粘聚力和内摩擦角 称之为总应力强度指标 根据有效应力原理 土的抗剪强度并不是由剪切面上的法向总应力决定 而是取决于剪切面上的法向有效应力 c 为土的有效粘聚力和有效内摩擦角 即土的有效应力强度指标 有效应力强度指标确切地表达出了土的抗剪强度的实质 是比较合理的表达方法 二 不同排水条件时的剪切试验方法及成果表达 1 不固结不排水剪 UU 三轴试验 施加周围压力 3 轴向压力 直至剪破的整个过程都关闭排水阀门 不允许试样排水固结 直剪试验 通过试验加荷的快慢来实现是否排水 使试样在3 5min之内剪破 称之为快剪 有效应力圆 总应力圆 u 0 cu uA 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 虽然三个试样的周围压力 3不同 但破坏时的主应力差相等 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 2 固结不排水剪 CU 三轴试验 施加周围压力 3时打开排水阀门 试样完全排水固结 孔隙水压力完全消散 然后关闭排水阀门 再施加轴向压力增量 使试样在不排水条件下剪切破坏 直剪试验 剪切前试样在垂直荷载下充分固结 剪切时速率较快 使土样在剪切过程中不排水 这种剪切方法为称固结快剪 将总应力圆在水平轴上左移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 ccu c 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作用下破坏时的总应力圆 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 3 固结排水剪 CD 三轴试验 试样在周围压力 3作用下排水固结 再缓慢施加轴向压力增量 直至剪破 整个试验过程中打开排水阀门 始终保持试样的孔隙水压力为零 直剪试验 试样在垂直压力下固结稳定 再以缓慢的速率施加水平剪力 直至剪破 整个试验过程中尽量使土样排水 试验方法称为慢剪 在整个排水剪试验过程中 uf 0 总应力全部转化为有效应力 所以总应力圆即是有效应力圆 总应力强度线即是有效应力强度线 强度指标为cd d cd 总结 对于同一种土 在不同的排水条件下进行试验 总应力强度指标完全不同 有效应力强度指标不随试验方法的改变而不同 抗剪强度与有效应力有唯一的对应关系 三 例题分析 例 对某种饱和粘性土做固结不排水试验 三个试样破坏时的大 小主应力和孔隙水压力列于表中 试用作图法确定土的强度指标ccu cu和c 解答 按比例绘出三个总应力极限应力圆 如图所示 再绘出总应力强度包线 按由 1 1 uf 3 3 uf 将总应力圆在水平轴上左移相应的uf即得3个有效应力极限莫尔圆 如图中虚线圆 再绘出有效应力强度包线 c ccu 根据强度包线得到 ccu 10kPa cu 18oc 6kPa 27o 四 粘性土的残余强度指标 自学 砂性土的剪切性状 砂土的抗剪强度受密度 颗粒形状 表面粗糙度和级配的影响 对于一般砂土来讲 影响抗剪强度的主要因素是其初始孔隙比 或初始干密度 初始孔隙比越小 抗剪强度越高同一种砂土在相同的孔隙比下饱和时的内摩擦角比干燥时小 五 无粘性土的抗剪强度指标 砂性土的剪切性状 砂土的应力 轴向应变 体变 松砂受剪时 颗粒滚落到平衡位置 排列更紧密些 所以体积缩小 把这种因剪切而体积缩小的现象称为剪缩性 松砂 砂土的应力 轴向应变 体变 紧砂受剪时 颗粒必须升高以离开它们原来的位置而彼此才能滑过 从而导致体积膨胀 把这种因剪切而体积膨胀的现象称为剪胀性 紧砂 砂土的应力 轴向应变 体变 砂土的应力 轴向应变 体变 随着轴向应变的增加 松砂的强度逐渐增加 曲线应变硬化 体积逐渐减小 紧砂的强度达到一定值后 随着轴向应变的继续增加 强度反而减小 最后呈应变软化型 体积开始时稍有减小 继而增加 超过它的初始体积 砂土的应力 轴向应变 体变 砂土在低周围压力下由于初始孔隙比的不同 剪破时的体积可能小于初始体积 也可能大于初始体积 则可以想象 砂土在某一初始孔隙比下受剪 它剪破时的体积将等于其初始体积 这一初始孔隙比称为临界孔隙比 砂土的临界孔隙比将随周围压力的增加而减小 砂土的应力 轴向应变 体变 饱和砂土在低周围压力下受剪时 如果不允许它得体积发生变化 则紧砂为抵抗剪胀的趋势 将通过调整土体内部应力 产生负孔隙水压力 使周围压力增加 以保持体积不变松砂为抵抗体积缩小的趋势 将产生正孔隙水压力 是周围压力减小 以保持体积不变 砂土的残余强度 砂土的液化 液化 任何物质转化为液体的行为或过程砂土液化 砂土在突发的动荷载作用下 不能在短时间排水固结 为抵抗剪力引起的体积缩小的趋势 将产生很大的孔隙水压力 从而导致土体的抗剪能力完全丧失的现象 六 抗剪强度指标的选用 土的抗剪强度指标随试验方法 排水条件的不同而异 对于具体工程问题 应该尽可能根据现场条件决定采用实验室的试验方法 以获得合适的抗剪强度指标 土的应力应变关系特性弹塑性需要记录加载历史应力路径概念应力状态 土体中一点 微小单元 上作用的应力的大小与方向土体中一点应力状态连续变化 在应力空间 平面 中的轨迹 5土的抗剪强度 一 应力路径及表示法 5 5应力路径 应力圆某一特定面上的应力点通常选择最大剪应力面 与主应力面成45度的斜面 O 3 1 1 3 固结排水三轴试验 莫尔圆圆心 莫尔圆半径 一个点代表一个莫尔圆 一条线代表一系列莫尔圆 应力路径 5土的抗剪强度 一 应力路径及表示法 莫尔圆 一个圆代表一个应力状态 p q平面 一个点代表一个应力状态 保持为常数 5 5应力路径 二 莫尔圆与p q平面上的应力路径 用莫尔圆 用应力平面 土中一点的应力状态 一个莫尔圆 一点 应力的变化过程 一系列莫尔圆 一条线 应力路径 极限应力状态 与强度包线相切的莫 尔圆 破坏主应力线上的一 点 破坏包线 f在 坐标系中所有破坏状态摩尔圆的公切线 破坏主应力线Kf在p q坐标系中所有处于极限平衡应力状态点的集合 p q O f线 Kf线 固结排水三轴试验 5土的抗