第7章 土的抗剪强度

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,2f=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=120Kpaca,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pq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,不同加荷方法的应力路径,应力路径在强度问题中的应用,75,76,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。,自然条件下，无粘性土透水性大，在荷载作用下u消散快，实际上满足排水剪切试验条件。强度线为近似通过原点的直线，表达式为：,无粘性土的抗剪强度,77,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,无粘性土的抗剪强度,78,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,无粘性土的抗剪强度,79,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,无粘性土的抗剪强度,80,砂土的临界孔隙比将随周围压力的增加而减小,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