第7章 土的抗剪强度ppt课件

第七章土的抗剪强度 土木与建筑工程学院 2 地基破坏 变形破坏 强度破坏 沉降 位移 不均匀沉降等超过规定限值 地基整体或局部滑移 隆起 土工构筑物失稳 滑坡 3 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 土是以固体颗粒为主的散体 颗粒是岩块或岩屑 本身强度很高 但粒间联结较弱 因此 土的强度问题表现为土粒间的错动 剪切 以致于破坏 所以 研究土的强度主要是研究土的抗剪强度 4 建筑物地基在外荷载作用下将产生剪应力和剪切变形 土具有抵抗剪应力的潜在能力 剪阻力 它随着剪应力的增加而逐渐发挥 剪阻力被完全发挥时 土就处于剪切破坏的极限状态 此时剪应力也就到达极限 这个极限值就是土的抗剪强度 土的抗剪强度 土的抗剪强度指土体抵抗剪切破坏的极限能力 是土的主要力学性质之一 土体的破坏通常部是剪切破坏 5 工程实践中与土的抗剪强度有关的工程主要有以下3类 1 土工构筑物的稳定 2 土压力问题 3 地基的承载力问题 如果土体内某一部分的剪应力达到土的抗剪强度 在该部分就开始出现剪切破坏 随着荷载的增加 剪切破坏的范围逐渐扩大 最终在土体中形成连续的滑动面 地基发生整体剪切破坏而丧失稳定性 6 1 土工构筑物的稳定性问题土坝 路堤等填方边坡以及天然土坡等 在超载 渗流乃至暴雨作用下引起土体强度破坏后将产生整体失稳边坡滑坡等事故 7 2 土压力问题挡土墙 基坑等工程中 墙后土体强度破坏将造成过大的侧向土压力 导致墙体滑动 倾覆或支护结构破坏事故 8 3 地基承载力问题基础下的地基土体产生整体滑动或因局部剪切破坏而导致过大的地基变形甚至倾覆 9 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 10 11 库仑公式及抗剪强度指标 1776年 库仑根据砂土剪切试验 后来 根据粘性土剪切试验 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 土的抗剪强度理论 抗剪强度指标 12 直剪试验库仑 1776 试验原理 施加 P A 量测 T A 库仑公式及抗剪强度指标 土的抗剪强度理论 13 内摩擦力的来源 1 土粒间表面粗糙所产生的摩擦力 2 土粒间互相镶嵌 联锁所产生的咬合力 粘聚力的来源 1 由土粒之间的电分子引力 2 土中胶体物质的胶结力 3 薄膜水的粘滞阻力 库仑公式及抗剪强度指标 土的抗剪强度理论 14 根据太沙基的有效应力原理 土体内的剪应力只能由土的骨架承担 因此 土的抗剪强度应表示为与剪切面上的法向有效应力成正比 即 7 3 库仑公式及抗剪强度指标 土的抗剪强度理论 15 土的强度就是指土的抗剪强度 既土的破坏为剪切破坏 材料强度理论有多种不同理论 适用不同的材料 莫尔库仑强度理论及极限平衡条件 土的抗剪强度理论 16 大量实践及试验证明 土的破坏主要是剪坏 所以适用莫尔强度理论 莫尔强度理论认为 土中一点的剪应力 达到该点的抗剪强度 f时 该点便处于极限平衡状态 即土的破坏条件为 f 莫尔强度理论 莫尔库仑强度理论及极限平衡条件 土的抗剪强度理论 17 莫尔库仑强度理论及极限平衡条件 土的抗剪强度理论 土体内部的滑动可沿任何一个面发生 只要该面上的剪应力等于它的抗剪强度 所以 必须研究土体内任一微小单元的应力状态 方向的静力平衡条件可得 消去上两式中的 则可得到 方向的静力平衡条件可得 在平面问题或轴对称问题中 取某一土体单元 若其大主应力 1和小主应力 3的大小和方向已知 则与大主应力而成 角的任一平面上的法向应力 和剪应力 可由力的平衡条件求得 18 莫尔库仑强度理论及极限平衡条件 土的抗剪强度理论 可见在 坐标平面上 土单元的应力状态的轨迹将是一个圆 该圆就称为莫尔应力圆 莫尔圆就表示土体中一点的应力状态 莫尔圆圆周上各点的坐标就表示该点在相应平面上的正应力和剪应力 19 莫尔 库仑强度理论 7 5 因为莫尔强度理论与库仑定律的坐标完全一致 将他们放在一起用来研究土中一点的抗剪强度问题既是莫尔 库仑强度理论 莫尔库仑强度理论及极限平衡条件 土的抗剪强度理论 20 莫尔园与库仑强度线的三种情况 f 强度包线以内 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 不可能发生 莫尔库仑强度理论及极限平衡条件 土的抗剪强度理论 21 判断土中一点某方向面破坏与否的方法 已知条件 土的c f tg c 土中一点的应力状态 1 3或 z x xz已知 解 求出该斜截面上的正应力 和剪应力 将 代入库仑公式 f tg c求出破坏时的抗剪强度 f 判断 f没破坏 稳定 f破坏 f极限平衡状态 莫尔库仑强度理论及极限平衡条件 土的抗剪强度理论 22 例 已知土中某一平面上作用的法向应力为260Kpa 剪应力为92Kpa 该平面是否会剪切破坏 为什么 解 该平面上的抗剪强度 f为 f 104 5Kpa 实 92Kpa 未破坏 莫尔库仑强度理论及极限平衡条件 土的抗剪强度理论 23 判断土中一点某方向面破坏与否 注意 某截面没有破坏并不能说该点没破坏 但若已判定某截面破坏了 则该点破坏了 怎样直接判定土中一点破坏与否 根据极限应力圆与抗剪强度包线相切的几何关系 可建立土中一点的极限平衡方程式 莫尔库仑强度理论及极限平衡条件 土的抗剪强度理论 24 土中一点的极限平衡方程式 粘性土 莫尔库仑强度理论及极限平衡条件 土的抗剪强度理论 25 土中一点的极限平衡方程式 7 9 7 10 莫尔库仑强度理论及极限平衡条件 土的抗剪强度理论 26 与大主应力面夹角 45 2 土中一点的极限平衡方程式 莫尔库仑强度理论及极限平衡条件 土的抗剪强度理论 27 f 破裂角 剪破角 它是剪破面与大主平面的夹角 土中一点的极限平衡方程式 2 f 90 f 45 2 莫尔库仑强度理论及极限平衡条件 土的抗剪强度理论 28 例 已知某点 1 420Kpa 3 180Kpa c 18Kpa 20 问 1 该点破坏否 2 是否沿剪应力最大面破坏 解1 A B 解2 莫尔库仑强度理论及极限平衡条件 土的抗剪强度理论 29 最大剪应力作用平面上的 圆心坐标 45 面上的 max 120Kpa f 127KPa 不会沿该面破坏 莫尔库仑强度理论及极限平衡条件 土的抗剪强度理论 30 1 用莫尔理论研究土的强度忽略了中主应力 2的影响 平面问题 2 土的破坏是土中某斜截面上的 f所致 3 抗剪强度 f不是常数 它与剪切面上的法向应力成正比 4 破坏面不一定是最大剪应力作用平面 45 面 而是在 的最不利组合的45 2面上 5 同一种土可以在不同的应力状态下被剪破 这样一组土样的极限应力圆的公切线是强度包线 它一般为曲线 但可以近似地用库仑公式所表达的直线代替 即 f tg c 土的强度理论概括如下 莫尔库仑强度理论及极限平衡条件 土的抗剪强度理论 31 32 土的抗剪强度试验 测定土抗剪强度指标的试验称为剪切试验 33 直接剪切试验 土的抗剪强度试验 1 试验仪器 直剪仪 34 2 试验步骤 直接剪切试验 土的抗剪强度试验 1 对试样施加某一法向应力 2 再施加水平剪切应力 将下盒推动 3 测定剪切位移和剪切应力 4 绘制 曲线 5 进行不同 下多个土样的试验 6 确定破坏剪应力 f 绘制 f 曲线 35 2 试验步骤 取峰值或稳定值 取剪切位移4mm对应的 作为 f 有关破坏标准 直接剪切试验 土的抗剪强度试验 36 直接剪切试验 土的抗剪强度试验 37 在直剪试验过程中 不能量测孔隙水应力 也不能控制排水 所以只能以总应力法来表示土的抗剪强度 根据加垂直荷载后固结程度和剪切速率的快慢可将直剪试验划分为 快剪 q quickshear固结快剪 cq consolidatedquickshear慢剪 s slowshear 3 试验方法及结果 直接剪切试验 土的抗剪强度试验 38 直剪试验类型 注 手轮一圈0 01mm 直接剪切试验 土的抗剪强度试验 39 C值差不多 但 s cq q 慢剪的抗剪强度 f最大 粘性土 粘性土三种直剪试验结果 直接剪切试验 土的抗剪强度试验 40 无粘性土三种直剪试验结果 但非常接近 实际上砂土只有慢剪 垂直加荷半小时 剪切速率0 04mm min 4转 分 结果与慢剪相似 无粘性土 直接剪切试验 土的抗剪强度试验 41 设备简单 价格便宜 操作方便 易于掌握 试验时不能严格控制排水条件 不能量测孔隙水压力 限定的剪切面不是土样最薄弱面 应力应变分布不均匀 且垂直荷载发生偏转 使主应力大小方向都发生偏转 受剪面积逐渐缩小 而在计算抗剪强度时仍按土样的原截面积计算 直接剪切试验 土的抗剪强度试验 直剪仪的缺点 直剪仪的优点 42 组成情况 主机 压力室 轴压系统稳压调压系统 压力泵量测系统 排水管 体变管 三轴压缩试验 较为完善方法试验仪器 三轴压缩仪 三轴压缩试验 土的抗剪强度试验 43 三轴压缩试验 土的抗剪强度试验 44 试样是轴对称应力状态 垂直应力 1是大主应力 水平向应力相等 2 3 试样首先施加静水压力 围压 1 2 3 然后通过活塞杆施加应力差 1 3 应力状态分析 三轴压缩试验 土的抗剪强度试验 45 应力施加演示 土试样 2 1 施加围压 2 施加轴向偏差应力 46 试验步骤 1 将土样切成圆柱体套在橡胶膜内 放在压力室中 2 施加周围压力 3 3 施加竖向压力 使试件受剪破坏 4 破坏时大主应力为 1 小主应力为 3 5 进行不同围压三轴试验 绘制破坏状态的应力摩尔圆 6 画出公切线 强度包线 得到强度指标c与 47 三轴压缩试验 三轴压缩试验实质就是三轴剪切试验 它是进行土的抗剪强度的精密试验 因此 重大工程和科学研究都常做三轴试验 优点 1 可严格控制排水条件 2 可量测土样中的孔隙水压力 3 破裂面在最软弱处 4 是一种多用途的试验设备 如测孔隙水压力系数 侧压力系数 变形模量等 缺点 1 2 3 轴对称 拟三轴 假三轴 2 应力应变仍不够均匀 端部影响较大 土的抗剪强度试验 48 试验方法 按排水固结条件分 不排水剪 不固结不排水剪 UUUnconsolidatedUndriaindTest 固结不排水剪CUConsolidatedUndriaindTest 排水剪 固结排水剪 CDConsolidatedDriaindTest 三轴压缩试验 土的抗剪强度试验 49 ccu cu 三种试验方法的试验条件 cd d cu u 三轴压缩试验 土的抗剪强度试验 50 三轴压缩试验中的孔隙水压力系数 一 孔隙水压力系数B 条件 B是在施加围压 各向同等压力增量 3时 且不排水条件下测出的 定义 意义 B是与土的饱和度有关的参数干土B 0 饱和土B 1 0 B 1 7 21 51 二 孔隙水压力系数A 条件 A是在施加轴向压力增量 1时 且不排水条件下测出的 定义 设在偏差应力 1 3 增量作用下 孔隙水压力增量为 U1 完全饱和土 三轴压缩试验中的孔隙水压力系数 52 非饱和土体 意义 A与土的固结状态有关NC粘土A 0 5 1 0 OC粘土A1 0 在三向应力 1和 3共同作用下的超静孔隙水压力 完全饱和土体 7 28 7 27b 二 孔隙水压力系数A 三轴压缩试验中的孔隙水压力系数 53 无侧限抗压强度试验 是三轴试验的一个特例 即 3 0时的不排水剪 适用条件 只能用于粘性土 尤其是高塑性饱和粘性土即 0 试验方法 在 3 0施加 1至破坏 破坏时的 1以qu表示 土的抗剪强度试验 54 无侧限抗压强度试验 土的抗剪强度试验 55 极限应力圆 不排水强度 饱和粘性土 无侧限抗压强度试验 土的抗剪强度试验 56 根据一点的极限平衡方程式 qu 0 1 饱和粘性土 0 2 非饱和土 0 无侧限抗压强度试验 土的抗剪强度试验 57 58 三个试样只能得到一个有效应力圆 1 不排水剪抗剪强度 UU 饱和粘性土的抗剪强度 59 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 2 固结不排水剪 CU 饱和粘性土的抗剪强度 60 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 2 固结不排水剪 CU 饱和粘性土的抗剪强度 61 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 3 固结排水剪 CD 饱和粘性土的抗剪强度 62 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 3 固结排水剪 CD 饱和粘性土的抗剪强度 63 三种三轴试验结果的对比 饱和粘性土的抗剪强度 64 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 4 抗剪强度指标的选用 饱和粘性土的抗剪强度 65 粘性土的残余强度指标Cr r 硬粘土具有应变软化特征 当峰值强度出现 随着剪应变的增加 剪应力会慢慢趋于一稳定值 即残余强度 fr 所以残余强度与峰值强度相比主要表现在内聚力下降 试验表明 残余强度与土的结构关系不大 所以用重塑土求得的残余强度与原状土样的残余强度基本相同 用途 评价土坡的稳定性 和土坡的复活评价 r略小于 Cr 0 4 抗剪强度指标的选用 饱和粘性土的抗剪强度 66 67 应力路径 土体在受荷过程中 土中一点某一方向面上应力发展变化在应力坐标图中的轨迹 通常选择最大剪应力面 与主应力面成45度的斜面 莫尔圆圆心 莫尔圆半径 一个点代表一个摩尔圆 一条线代表一系列摩尔圆 应力路径 摩尔园 一个园代表一个应力状态 p q平面 一个点代表一个应力状态 保持为常数 应力路径在强度问题中的应用 68 摩尔圆与p q平面上的应力路径 用摩尔圆 用应力路径 土中一点的应力状态 一个摩尔圆 一点 应力的变化过程 一系列摩尔圆 一条线 应力路径 极限应力状态的摩尔圆 与强度包线相切的摩尔圆 破坏主应力线上的一点 应力路径在强度问题中的应用 69 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 固结排水三轴试验 两条直线与横坐标交点都是0 强度包线与破坏主应力线 应力路径在强度问题中的应用 70 p q O c a f线 Kf线 O A R 固结排水三轴试验 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 强度包线与破坏主应力线 应力路径在强度问题中的应用 71 p q O c a f线 Kf线 O A R 固结排水三轴试验 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 强度包线与破坏主应力线 应力路径在强度问题中的应用 72 p q O c a f线 Kf线 O A R 固结排水三轴试验 c a 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 强度包线与破坏主应力线 应力路径在强度问题中的应用 73 不同加荷方法的应力路径 不同加荷方法的应力路径 应力路径在强度问题中的应用 74 NC土CU实验的应力路径 不同加