第五章-抗剪强度分析.ppt

第五章土的抗剪强度理论,主要内容,第一节概述第二节库仑定律和摩尔-库仑强度准则（重点）第三节抗剪强度指标的试验方法及其应用第四节孔隙应力系数及土的剪胀性（难点）第五节土的抗剪强度特性的几个问题,一、材料的破坏形式铸铁：（1）断裂型破坏（脆断破坏）；拉伸试件沿横截面断裂，扭转圆试件沿斜截面断裂，但断裂面都是最大拉应力所在平面；是正截面破坏；（2）剪切型破坏（屈服破坏）：压缩试件沿斜截面发生错动而破坏，是由于斜截面上的剪应力所引起的剪断破坏。低碳钢：拉伸和压缩试件的破坏由斜截面上的剪应力引起，属于剪切型破坏。结论：材料的破坏按其物理本质而言分为断裂型和剪切型两大类。,第一节概述,二、材料的强度理论,1强度理论定义：假设材料的某一种类型的破坏是由某种因素所引起的，这种假说通常就称为强度理论。2常用的强度理论：（1）最大拉应力理论（第一强度理论）：脆断破坏。（2）最大伸长线应变理论（第二强度理论）：脆断破坏。（3）最大剪应力理论（第三强度理论）：屈服破坏。（4）形状改变比能理论（第四强度理论）：屈服破坏。问题：土的破坏型式是什么？它的强度理论是什么？,边坡,三、土的破坏形式剪切破坏因为土颗粒自身的强度远大于颗粒间的联接强度，在外力作用下，土中的颗粒沿接触处互相错动而发生剪切破坏。四、土的强度理论滑裂面上的剪应力达到极限值。（注：与最大剪应力理论不同）,土的抗剪强度定义土体抵抗剪切破坏的极限能力。剪切破坏时滑动面上的剪应力。工程应用边坡的稳定性由强度控制；土压力的计算；地基的承载力需通过强度确定。,土力学研究内容,基础物理性质,先导土中应力,具体应用土压力土坡稳定地基承载力,核心渗透特性变形特性强度特性,第二节库仑定律与摩尔-库仑强度准则,（一）直剪试验（法国库仑）1.试验原理,施加（=P/A），剪切变形S量测（=T/A）,=100KPa,S,A,一、库伦（Coulomb）定律,2.试验结果,=100KPa,S,=200KPa,=300KPa,c粘聚力内摩擦角,库仑公式：,f：土的抗剪强度tg：摩擦强度-正比于压力c：粘聚强度-与所受压力无关,2.试验结果,砂土:f=tg粘性土:f=c+tg有效应力原理：有效应力与抗剪强度存在唯一对应关系用有效应力表达：f=c+tg=c+（-u）tg,3、抗剪强度公式（库仑定律）,滑动摩擦,（二）土的强度的机理,1.摩擦强度tg,（1）滑动摩擦,（2）咬合摩擦引起的剪胀,滑动摩擦,咬合摩擦引起的剪胀,1.摩擦强度tg,（二）土的强度的机理,密度（e,粒径级配（Cu,Cc）颗粒的矿物成分对于：砂土粘性土；高岭石伊里石蒙特石粒径的形状（颗粒的棱角与长宽比）在其他条件相同时：对于砂土，颗粒的棱角提高了内摩擦角对于碎石土，颗粒的棱角可能降低其内摩擦角,影响土的摩擦强度的主要因素：,1.摩擦强度tg,（二）土的强度的机理,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,2.凝聚强度,（二）土的强度的机理,（三）应力状态分析,f平衡状态=f极限平衡状态（土趋于破坏的临界状态）f破坏状态小结：从变形过程看，抗剪强度仅当施加了剪应力，发生了剪切变形后才能表现出来，所以抗剪强度只能用达到极限平衡时的剪应力来衡量。,二、摩尔-库仑强度理论（1910年）,（一）摩尔理论：摩尔认为材料的破坏是剪切破坏,这个函数在f-坐标中是一条曲线，称为摩尔包线（或抗剪强度包线）,（二）摩尔库仑强度理论在土力学中，为了实用的目的，在较小的侧向压力作用下，可近似的用直线来代替摩尔包线，该直线方程就是库仑公式。定义：用库仑公式表示摩尔包线的强度理论,摩尔包线,极限平衡状态：土单元体中任一平面上的=f的临界状态。极限平衡条件：土体中某点处于极限平衡状态时的应力条件。（=f，土的剪切破坏条件）,基本概念,一般应力状态如何判断是否破坏？,借助于摩尔圆摩尔-库仑强度准则,1.土中一点的应力状态（平面应变）,（三）土的极限平衡条件,摩尔圆：代表一个土单元的应力状态；圆周上一点代表一个面上的两个应力与,摩尔应力圆与抗剪强度包线之间的关系有三种：（1）整个摩尔圆位于抗剪强度包线的下方平衡状态（2）摩尔圆与抗剪强度包线相切（切点为A）极限平衡状态（3）摩尔圆与抗剪强度包线相割破坏状态,2、摩尔库伦破坏准则,根据Mohr-Coulomb破坏理论，破坏时的Mohr应力圆必定与破坏包线相切。切点所代表的平面满足=f的条件，该点处于极限平衡状态。,1f,3,极限平衡条件表达式,极限平衡条件表达式,根据应力状态计算出大小主应力1、3,判断破坏可能性,由3计算1f比较1与1f,11f破坏状态,三、破坏判别方法,判别对象：土体微小单元（一点）,3=常数：,根据应力状态计算出大小主应力1、3,判断破坏可能性,由1计算3f比较3与3f,33f弹性平衡状态3=3f极限平衡状态33f破坏状态,判别对象：土体微小单元（一点）,1=常数：,三、破坏判别方法,O,c,1f,3,2,2,滑裂面的位置,与大主应力作用面夹角:=45+/2,总结：Mohr-Coulomb破坏理论的要点,剪切破裂面上，土体的抗剪强度是法向应力的函数f=f（）当法向应力不大时，该函数可以简化为线性函数关系，用Coulomb公式来表示f=c+tg土单元体的任何一个面上=f时，就会发生剪切破坏。此时土单元体的应力状态满足极限平衡条件。,莫尔库仑强度理论与材料力学中的最大剪应力理论有何区别？土体的剪切破坏是发生在max作用面上吗？,答：M-C理论中f=tan+c是随正应力的增大而增大的，不是一个定值，也不等于max。最大剪应力理论假设材料沿max所在截面滑移而发生屈服破坏。土的破坏点不一定在max作用面上，破坏面与1作用面的夹角：f=45+/2，不是45。只有当=0时，破坏面才是max作用面，这是特例。,思考题,第三节抗剪强度指标的试验方法及其应用,剪切试验的类型室内剪切试验（直剪试验、三轴压缩试验和无侧限压缩试验）现场原位测试（十字板剪切试验）室内试验的特点边界条件比较明确，且容易控制。但室内试验要求从现场采取试样，在取样的过程中不可避免地引起应力释放和土的结构扰动。现场原位试验的优点直接在现场原位进行，不需取试样，因而能够更好地反映土的结构和构造特性；对无法进行或很难进行室内试验的土，如粗颗粒土、极软粘土及岩土接触面等，可以取得必要的力学指标。,1、试验装置及试验方法：试验装置应变控制式和应力控制式,一、直剪试验,直剪试验根据排水条件可分为：快剪、固结快剪和慢剪（1）快剪：竖向应力施加后，立即快速施加水平剪力使试样剪切破坏,以模拟不排水的工况。如土工试验规程规定，要使试样在35分钟内剪坏。其快剪强度指标为cq、q。（2）固结快剪：竖向应力施加后，让试样充分固结。固结完成后，再进行快速剪切，其剪切速率与快剪相同。其固快指标为ccq、cq。（3）慢剪：竖向应力施加后，允许试样排水固结。待固结完成后，施加水平剪应力，剪切速率放慢，使试样在剪切过程中有充分的时间产生体积变形和排水（对剪胀性土为吸水）。其慢剪强度指标为cs、s。,2、试验分类,3、不同土类的试验,（1）无粘性土渗透性好，即使快剪也能使其排水固结。故土工试验规程规定：对无粘性土，一律采用一种加荷速率进行试验。（2）正常固结的粘性土（通常为软土），在竖向应力和剪应力作用下，土样都被压缩，所以通常在一定应力范围内，qcqs。（饱和软粘土q一般在05之间）,4、直剪试验的优缺点,优点：直接剪切仪构造简单，操作方便等缺点：限定的剪切面；剪切面上剪应力分布不均匀；在计算抗剪强度时按土样的原截面积计算的；试验时不能严格控制排水条件，不能量测孔隙水压力,二、三轴试验,1.三轴压缩仪组成压力室轴向加荷系统周围压力系统孔压量测系统,压力室,压力水,排水管,阀门,轴向加压杆,有机玻璃罩,橡皮膜,透水石,顶帽,2、试验方法与试验特点,试验特点：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=，即1=z；2=3=r,试验方法：首先试样施加静水压力围压1=2=3；然后通过活塞杆施加的是应力差=1-3。,强度包线,(1-)f,c,(1-)f,1,1-3,1=15%,分别作围压为100kPa、200kPa、300kPa的三轴试验，得到破坏时相应的（1-)f,绘制三个破坏状态的应力摩尔圆，画出它们的公切线强度包线，得到强度指标c与,3.强度包线,固结排水试验（CD试验）（1）施加围压后，打开排水阀门充分固结，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）施加围压后，打开排水阀门，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）围压下关闭排水阀门，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,4.试验类型,分类依据：按剪切前的固结程度、剪切过程中的排水条件,固结排水试验（CD试验）ConsolidatedDrainedsheartest(CD)抗剪强度指标：cdd（c）,三轴试验类型汇总,固结不排水试验（CU试验）ConsolidatedUndrainedsheartest(CU)抗剪强度指标：ccucu,不固结不排水试验（UU试验）UnconsolidatedUndrainedsheartest(UU)抗剪强度指标：cuu（cuuuu）,优点：1应力状态和应力路径明确；2排水条件清楚，可控制；3可量测孔隙水压力4破坏面不是人为固定的。,缺点：12=3，轴对称2设备相对复杂，现场无法试验；,5.优点和缺点,6、饱和粘性土的抗剪强度,（1）不固结不排水抗剪强度,不排水条件下,试样在试验过程中含水量不变,体积不变,改变周围压力增量只能引起孔隙水压力的变化,并不会改变试样中的有效应力,各试样在剪切前的有效应力相同,因此抗剪强度不变。,（2）固结不排水抗剪强度,正常固结土O点说明未受任何固结压力的土，它不具有抗剪强度。,有效应力圆直径与总应力圆直径相等。但位置不同，两者之间相差uf。一般正常固结土比cu大一倍左右。,（3）固结排水抗剪强度,在整个试验过程中，孔隙水压力始终为零；总应力等于有效应力，所以总应力圆就是有效应力圆；总应力破坏包线就是有效应力破坏包线；cd、d与CU试验得到的c、相近。,同一种土不同排水条件下的试验结果对比,（1）以总应力法表示，将得出不同的试验结果，一般ucuCs，B=0；(Ca-空气的体积压缩系数)对于部分饱和土B=01之间。所以B值是可用作反映土体饱和程度的指标。,说明：偏差应力为轴向压力与周围压力之差,（2）偏差应力状态孔隙应力系数A,（2）偏差应力状态孔隙应力系数A,说明：上式假设土体为弹性体。弹性体的剪应力只引起受力体的形状变化而不引起体积变化。而土并非理想弹性体，在受剪后，体积要发生膨胀或收缩，故上式系数1/3只适用于弹性体而不符合实际土体的情况。引入经验系数A代替1/3,对于饱和土，B=1，u2=A（1-3）饱和土的孔隙应力系数A,考虑土的剪胀性，A.W.Skempton引入经验系数A代替1/3,孔隙应力系数A饱和土体在单位偏应力增量(1-3)作用下产生的孔隙水应力增量。A值是反映土体剪胀性的重要指标。,对于非完全饱和土，B1，而且随应力水平而变化，故：,总结：土体在轴对称三维应力增量作用下所引起的总孔隙应力增量为：,实际工程问题中求土体在剪切破坏时的孔隙压力系数Af：对于饱和土：,孔隙应力系数A、B均可在室内常规三轴试验中通过量测土样中的孔隙应力确定。,不同固结和排水条件的三轴试验中，孔隙应力增量是不同的。以饱和土为例：UU试验：,CU试验：因试样在3作用下排水固结，u1=0，故u=u2=A（1-3）；CD试验：因不产生孔隙压力，故u=0。,说明：,举例：,1饱和粘性土不排水剪UU试验结果，见下表。u=3+Af（1-3），Af为破坏时的孔隙应力系数。,结果表明：施加的3虽然不同，但剪坏时的主应力差(1-3)f却基本相同。由实测的孔隙水应力求得的有效应力也基本相同。这就证明了有效应力对抗剪强度的唯一性。,1.砂土的剪胀,结论：土的受剪切过程实质上是土体颗粒结构重新排列或调整的过程。,三、剪胀性土在剪应力作用下体积发生变化的现象。,体积膨胀为剪胀；体积收缩为剪缩或负剪胀,2.粘性土的剪胀,结论：黏性土的剪胀