土力学5-土的抗剪强度.ppt

山东科技大学资环学院,土力学之第五章,土的抗剪强度,本章提要学习难点,第五章：土的抗剪强度,土是如何破坏的？如何衡量土的强度？如何测定土的强度？如何应用土的强度指标？土的抗剪强度理论及本质土的抗剪强度指标及测试方法土的抗剪强度指标的种类及选取,5.1概述5.2强度概念与莫尔库仑理论5.3确定强度指标的试验5.4三轴压缩试验中的孔隙应力系数5.5三轴试验中土的剪切性状,第五章：土的抗剪强度,5.1概述-土体强度及其特点,概述,土体强度及其特点工程中土的强度问题,土的抗剪强度土的强度的特点,挡土和支护结构的破坏各种类型的滑坡(sliding)地基的破坏,土体强度的特点,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三相体系：三相承受与传递荷载-有效应力原理自然变异性：土的强度的结构性与复杂性,5.1概述-土体强度及其特点,5.1概述-土体强度及其特点,一、各种类型的滑坡,挡土墙,抗滑桩,锚固工程,滑坡的防治工程,锚固护坡,锚固破坏,整体滑动,底部破坏,土体下沉,墙体折断,二、挡土支护结构的破坏,5.1概述-土体强度及其特点,5.1概述-土体强度及其特点,三、地基破坏,土压力边坡稳定性地基承载力,挡土结构物破坏各种类型的滑坡地基的破坏,核心问题:,土体的强度理论,5.1概述-土体强度及其特点,5.1概述5.2强度概念与莫尔库仑理论5.3确定强度指标的试验5.4三轴压缩试验中的孔隙应力系数5.5三轴试验中土的剪切性状,第五章：土的抗剪强度,5.2强度概念与莫尔库仑理论,固体间的摩擦力,5.2强度概念与莫尔库仑理论,概念：指土体对于外荷载所产生的剪应力的极限抵抗能力破坏特点：当土中一点某截面上由外力所产生的剪应力达到土的抗剪强度时，它将沿着剪应力作用方向产生相对滑动，该点便发生剪切破坏。土的破坏主要是剪切引起的，剪切破坏是土体破坏的重要特点,抗剪强度的概念,土力学,土的抗剪强度概念与莫尔库仑破坏理论,法国军事工程师，在摩擦、电磁方面做出了奠基性的贡献。1773年发表了关于土压力方面论文，成为土压力的经典理论,库仑（C.A.Coulomb）(1736-1806),莫尔-库仑破坏准则,5.2强度概念与莫尔库仑理论,c和是决定土的抗剪强度的两个指标，称为抗剪强度指标.对无粘性土（砂土）通常认为，粘聚力C=0,库仑公式（1776年）:,粘性土,砂土,5.2强度概念与莫尔库仑理论,土单元的某一个平面上的抗剪强度可以用线性函数近似f=c+tg,f是该面上作用的法向应力的单值函数在一定的应力范围内，某土单元的任一个平面上=f，该单元就达到了极限平衡应力状态,应力分析符号规定,5.2强度概念与莫尔库仑理论,土体中一点的应力状态,为土的静止侧压力系数，小于1，因为只有土的自重作用，因而在这两个面上没有剪应变，也就没有剪应力，没有剪应力的面称为主应面，作用在主应面上的力称为主应力,分别取水平和垂直方向合力为零：,5.2强度概念与莫尔库仑理论,假定：土体是均匀、连续的半空间材料研究：水平地面下任一深度z处一点的应力状态,莫尔应力圆,O,2,1,3,r,p,大主应力：,小主应力:,圆心：,半径：,(,),莫尔圆：单元的应力状态圆上点：一个面上的与莫尔圆转角2：作用面转角,O,5.2强度概念与莫尔库仑理论,土的极限平衡条件,强度包线以下：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,5.2强度概念与莫尔库仑理论,土的极限平衡条件：处于极限平衡状态时，1和3之间应满足的关系,无粘性土,土的极限平衡条件,5.2强度概念与莫尔库仑理论,剪切破坏面的位置,2=90+,=45+/2,可见土体破坏的剪切破坏不在45最大剪应力面上，为什么？,与大主应力面夹角:,5.2强度概念与莫尔库仑理论,土单元是否破坏的判别,1=1f极限平衡状态（破坏）11f不可能状态（破坏）,方法一：由31f，比较1和1f,5.2强度概念与莫尔库仑理论,土单元是否破坏的判别,方法二：由13f，比较3和3f,3=3f极限平衡状态（破坏）33f安全状态3安全状态f不可能状态（破坏）,5.2强度概念与莫尔库仑理论,小结,莫尔-库仑强度理论,莫尔-库仑强度理论应力状态与莫尔圆极限平衡应力状态滑裂面的位置土体破坏判断方法,5.2强度概念与莫尔库仑理论,例题：已知地基中一点大主应力为1，地基土粘聚力和内摩擦角分别为c、，求该点抗剪强度f,5.1概述5.2强度概念与莫尔库仑理论5.3确定强度指标的试验5.4三轴压缩试验中的孔隙应力系数5.5三轴试验中土的剪切性状,第五章：土的抗剪强度,5.3确定强度指标的试验,室内试验：直剪试验三轴试验无侧限抗压强度试验野外试验：十字板扭剪试验旁压试验等,抗剪强度测定试验,重塑土制样或现场取样缺点：扰动优点：应力和边界条件清楚,缺点：应力和边界条件不易掌握优点：原状土的原位强度,5.3确定强度指标的试验,直剪试验,P,T,土样,下盒,上盒,S,面积A,1,S,2,3,f1,f2,f3,直剪仪(directsheartestapparatus),5.3确定强度指标的试验,直剪试验的类型,(1)快剪(Q)施加正应力后立即剪切3-5分钟内剪切破坏(2)固结快剪(R)施加正应力-充分固结在3-5分钟内剪切破坏(3)固结慢剪(S)施加正应力-充分固结剪切速率很慢，0.02mm/分，以保证无超静孔压,通过控制剪切速率近似模拟排水条件,5.3确定强度指标的试验,三种直剪试验方法成果的比较,O,cs,Q,R,S,cR,cQ,5.3确定强度指标的试验,直剪试验的优缺点,设备和操作简单人为固定剪切面剪切面积逐渐减小排水条件不明确,5.3确定强度指标的试验,三轴试验,试样应力特点与试验方法强度包线试验类型优缺点,5.3确定强度指标的试验,应力特点与试验方法,方法：固结：试样施加围压力1=2=3剪切：施加应力差1=1-3,应力特点：试样是轴对称应力状态垂直应力z一般是大主应力1侧向应力总是相等x=y，且为中、小主应力2=3,5.3确定强度指标的试验,三轴试验确定土的强度包线,由不同围压的三轴试验，得到破坏时相应的（1-)f分别绘制破坏状态的应力摩尔圆，其公切线即为强度包线，可得强度指标c与,5.3确定强度指标的试验,应力特点与试验方法,常用试验类型,5.3确定强度指标的试验,固结排水试验（CD试验）ConsolidatedDrainedTriaxialtest(CD)总应力抗剪强度指标：cdd（c）,试验类型与强度指标,固结不排水试验（CU试验）ConsolidatedUndrainedTriaxialtest(CU)总应力抗剪强度指标：ccucu,不固结不排水试验（UU试验）UnconsolidatedUndrainedTriaxialtest(UU)总应力抗剪强度指标：cuu（cuuuu）,5.3确定强度指标的试验,常规三轴试验优缺点,单元体试验，试样内应力和应变相对均匀应力状态和应力路径明确排水条件清楚，可控制破坏面不是人为固定的设备操作复杂现场无法试验常规三轴试验不能反映2的影响,说明：30即为无侧限抗压强度试验,5.3确定强度指标的试验,3=0的不排水试验f=cu=qu/2由于土样扰动等的影响，一般稍低于原位不排水强度,无侧限抗压强度试验,5.3确定强度指标的试验,十字板剪切试验,一般适用于测定饱和软粘土的不排水强度指标钻孔到指定的土层，插入十字形的探头通过施加的扭矩计算土的抗剪强度,5.3确定强度指标的试验,假定土体为各向同性，fh=fv=f：,十字板剪切试验,5.3确定强度指标的试验,由于饱和软粘土在不固结不排水剪中，故：fcu,5.1概述5.2强度概念与莫尔库仑理论5.3确定强度指标的试验5.4三轴压缩试验中的孔隙应力系数5.5三轴试验中土的剪切性状,第五章：土的抗剪强度,5.4三轴压缩试验中的孔隙应力系数,5.4三轴压缩试验中的孔隙应力系数,孔隙应力系数B,B是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，饱和度越大，B越接近1,干土B=0饱和湿土B=1非饱和土0cuu=0试验结果表明，当用有效应力表示试验结果时，三种剪切试验得到基本相同的强度包线及十分接近的有效应力强度指标，这就意味着同一种土三种试验的试样将沿着同一平面剪破，实验表明，f约为60度，而粘性土的一般在30o左右，即实测的f角接近于45o+/2,正常固结饱和粘土三种试验结果强度包线,5.5三轴试验中土的剪切性状,总应力指标与有效应力指标,抗剪强度的有效应力指标c，c+tg=-u符合土的破坏的机理，但有时孔隙水压力u无法确定,抗剪强度的总应力指标c，c+tg是一种“全额生产率”的概念，因u不能产生抗剪强度，不符合强度机理。在无法确定u时便于应用，但要符合工程条件,5.5三轴试验中土的剪切性状,抗剪强度,u,抗剪强度的总应力指标,c,tg,我叫u郭处士，充数而已！,在难以确定孔隙水压力的情况下使用注意正确使用的方法：确定c，的试验中，应能大致模拟工程现场孔隙水压力的特性,5.5三轴试验中土的剪切性状,例题,超固结粘土不固结不排水试验（对试样施加的围压小于原位应力，体现剪前的超固结状态）,5.5三轴试验中土的剪切性状,O,cu,ufA,超固结粘土试验曲线与强度包线,应力应变关系软化，孔压先增大，后减小（类似紧砂，开始稍有剪缩，接着剪胀），破坏时强超固结土小于零，弱超固结土仍为正值强度包线是一条水平线强超固结土有效应力圆在总应力圆右侧，弱超固结土在左侧,超固结粘土固结不排水试验,应力应变关系软化，孔压后段减小，可小于零强度包线不过原点，ccuc,cu,超固结粘土试验曲线与强度包线,5.5三轴试验中土的剪切性状,应力应变关系软化，体应变后段发生剪胀峰值强度包线即为有效应力强度包线，不过原点,超固结粘土试验曲线与强度包线,5.5三轴试验中土的剪切性状,超固结粘土固结排水试验,饱和粘土三种类型三轴压缩试验汇总,由三种三轴试验结果可见，同一种粘土当以总应力表示试验结果时，由不同试验方式可得到不同的总应力强度指标。当以有效应力表示试验结果时，三种剪切试验将得到十分接近的有效应力强度指标，这意味着粘土在三种试验中将沿同一平面剪破。,5.5三轴试验中土的剪切性状,当粘土的强度随着剪位移达到峰值后，若剪切继续进行，则强度明显降低，最后达到某一定值，该值称为粘土的残余强度,粘土的残余强度,5.5三轴试验中土的剪切性状,1.粘土的残余强度与其应力历史无关；2.在大剪位移下超固结粘土的强度降幅比正常固结土大；3.残余强度线为通过坐标原点的直线，即：,某些粘土在含水率不变的条件下经搓捏使其原有结构彻底扰动，它的强度将降低。这种搓捏过程称为重塑。灵敏度定义为原状试样的无侧限抗压强度与相同含水率下重塑试样的无侧限抗压强度之比。故：,粘土的结构性与灵敏度,5.5三轴试验中土的剪切性状,粘土的蠕变：剪切试验中的蠕变是指在恒定剪应力作用下应变随时间而改变的现象。,粘土的蠕变,5.5三轴试验中土的剪切性状,主应力差很小时，不会发生蠕变破坏，主应力差增大到某一值后，可导致蠕变破坏1、弹性应变