土体破坏与强度理论培训讲义PPT95页

1、15.1 土体破坏与强度理论5.2 抗剪强度测定试验5.3 应力路径与破坏主应力线5.4 抗剪强度指标25.1 土体破坏与强度理论一、土的强度特点二、土的强度机理三、莫尔-库仑强度理论35.1 土体破坏与强度理论1. 碎散性：碎散性：强度不是颗粒矿物本身的强度，而是与颗粒强度不是颗粒矿物本身的强度，而是与颗粒 间相间相互作用力有关互作用力有关主要是抗剪强度（剪主要是抗剪强度（剪 切破坏），包括粘聚切破坏），包括粘聚强度与摩擦强度；强度与摩擦强度；2. 三相体系：三相体系：三相承受与传递荷载三相承受与传递荷载有效应力原理；有效应力原理；3. 天然性：天然性：土的地质历史造成土强度强烈的多变性、结

2、土的地质历史造成土强度强烈的多变性、结 构性构性和各向异性。和各向异性。 土的抗剪强度，首先决定于它本身的基本性质，那就是土的土的抗剪强度，首先决定于它本身的基本性质，那就是土的组成、土的状态和土的结构，这些性质又与它形成的环境和组成、土的状态和土的结构，这些性质又与它形成的环境和应力历史等因素有关；其次还决定于它当前所受的应力状态应力历史等因素有关；其次还决定于它当前所受的应力状态。一、土的强度特点材料的强度是材料抵抗外荷载的能力，材料的强度是材料抵抗外荷载的能力，其数值等于作用在其上的极限应力。其数值等于作用在其上的极限应力。4二、土的强度机理施加：正应力施加：正应力（=P/A）施加：水平

3、位移施加：水平位移 S量测：剪应力量测：剪应力 （=T/A）上盒下盒PSTA1、直剪试验（库仑 1776）试验方法 = 100kPa S = 200kPa = 300kPa5.1 土体破坏与强度理论5 Oc tanfcc： 粘聚力粘聚力 ：内摩擦角：内摩擦角 = 100kPa S = 200kPa = 300kPa三、土的强度机理库仑公式 f ：土的抗剪强度土的抗剪强度 tan ：摩擦强度与摩擦强度与 成正比成正比c：粘聚强度粘聚强度粘聚力粘聚力1. 直剪试验试验结果抗剪强度指标材料特性参数5.1 土体破坏与强度理论库仑公式：材料特性曲线6N滑动时：T= NtanuT滑动摩擦 三、土的强度机理

4、（1）滑动摩擦2、摩擦强度 tan 由颗粒之间发生滑动时颗粒接触面由颗粒之间发生滑动时颗粒接触面粗糙不平所引起，与颗粒大小、矿物粗糙不平所引起，与颗粒大小、矿物组成等因素有关组成等因素有关5.1 土体破坏与强度理论7（2）咬合摩擦三、土的强度机理2. 摩擦强度 tanCABCAB剪切面剪切面u是指相邻颗粒对于相对移动的约束作用是指相邻颗粒对于相对移动的约束作用u当发生剪切破坏时，相互咬合着的颗粒当发生剪切破坏时，相互咬合着的颗粒A必必须抬起，跨越相邻颗粒须抬起，跨越相邻颗粒B，或在尖角处被剪，或在尖角处被剪断（断（C），才能移动），才能移动 u土体中的颗粒重新排列，也会消耗能量土体中的颗粒重新

5、排列，也会消耗能量 5.1 土体破坏与强度理论8粒径级配（粒径级配（d50, Cu, Cc）颗粒的矿物成分颗粒的矿物成分 对于对于 ：砂土：砂土粘性土；粘性土； 高岭石高岭石伊里石伊里石蒙特石蒙特石颗粒的形状（颗粒的棱角与长宽比）颗粒的形状（颗粒的棱角与长宽比） 在其它条件相同时：在其它条件相同时： 一般，对于粗粒土，颗粒的棱角可提高内摩擦角一般，对于粗粒土，颗粒的棱角可提高内摩擦角 密度（密度（e, 影响土的摩擦强度的主要因素：影响土的摩擦强度的主要因素：三、土的强度机理2. 摩擦强度 tan5.1 土体破坏与强度理论9l粘聚强度机理u静电引力（库仑力）u范德华力u颗粒间胶结u假粘聚力（毛细

6、力等）l粘聚强度影响因素u地质历史u粘土颗粒矿物成分u密度u离子价与离子浓度-+三、土的强度机理3、粘聚强度5.1 土体破坏与强度理论10三、莫尔-库仑强度理论1. 应力状态与莫尔圆2. 极限平衡应力状态3. 莫尔-库仑强度理论4. 破坏判断方法5. 滑裂面的位置5.1 土体破坏与强度理论11PSTAtanfc三、莫尔-库仑强度理论固定滑裂面固定滑裂面一般应力状态，如何判断是否破坏？一般应力状态，如何判断是否破坏？借助于莫尔圆 !库仑公式5.1 土体破坏与强度理论12z x y xy yz zx x y xy yz zx xz zy yx z = =ij x zx xz z = =ij 三维应

7、力状态三维应力状态z x zx xz 四、莫尔-库仑强度理论1. 应力状态与莫尔圆二维应力状态二维应力状态5.1 土体破坏与强度理论13莫尔圆应力分析符号规定莫尔圆应力分析符号规定三、莫尔-库仑强度理论1. 应力状态与莫尔圆材料力学材料力学x z xz zx +-z x xz zx +-土力学土力学正应力剪应力拉为正拉为正压为负压为负顺时针为正顺时针为正逆时针为负逆时针为负压为正压为正拉为负拉为负逆时针为正逆时针为正顺时针为负顺时针为负5.1 土体破坏与强度理论14 O z(+) zx(-) xz x2 1 3rp22()/2xzxzr()/2xzp1pr3prz x zx xz +- 1 三

8、、莫尔-库仑强度理论大主应力：大主应力：小主应力小主应力: :圆心：圆心：半径：半径：z按顺时针方向旋转按顺时针方向旋转x x按顺时针方向旋转按顺时针方向旋转莫莫 尔尔 圆：圆：代表一个单元的应力状态；代表一个单元的应力状态；圆上一点：圆上一点：代表一个面上的一对应力代表一个面上的一对应力 与与 13()/2qr13()/2p5.1 土体破坏与强度理论1. 应力状态与莫尔圆1504A5 04A5 答案答案C C16 f c 与与 的组合满足库仑的组合满足库仑公式才破坏公式才破坏 f c三、莫尔-库仑强度理论5.1 土体破坏与强度理论1. 应力状态与莫尔圆三轴试验结果三轴试验结果172. 极限平

9、衡应力状态三、莫尔-库仑强度理论极限平衡应力状态：极限平衡应力状态： 有剪切面上的应力状态达到有剪切面上的应力状态达到 = f土的强度包线：土的强度包线： 所有达到极限平衡状态的莫尔圆的公切线。所有达到极限平衡状态的莫尔圆的公切线。 f5.1 土体破坏与强度理论18三、莫尔-库仑强度理论 f强度包线以内：强度包线以内：任何一个任何一个面上的一对应力面上的一对应力 与与 都没有都没有达到破坏包线，不破坏；达到破坏包线，不破坏；与破坏包线相切：与破坏包线相切：与切点与切点相应的面上的应力达到破坏相应的面上的应力达到破坏状态；状态；与破坏包线相交：与破坏包线相交：有一些有一些平面上的应力超过强度；不

10、平面上的应力超过强度；不可能发生。可能发生。2. 极限平衡应力状态5.1 土体破坏与强度理论19（1）土单元的某一个平面上的抗剪强度）土单元的某一个平面上的抗剪强度 f 是该面上作用的法是该面上作用的法向应力向应力 的单值函数的单值函数, f =f( ) （莫尔：（莫尔：1900年）年）（2）在一定的应力范围内，可以用线性函数近似）在一定的应力范围内，可以用线性函数近似(库仑公式库仑公式)： f = c + tan （3）某土单元的任一个平面上）某土单元的任一个平面上 = f ，该单元就达到了极限平，该单元就达到了极限平衡应力状态衡应力状态三、莫尔-库仑强度理论3. 莫尔库仑强度理论5.1 土

11、体破坏与强度理论20三、莫尔-库仑强度理论莫尔莫尔- -库仑强度理论用主应力表示的极限平衡条件库仑强度理论用主应力表示的极限平衡条件131313132sin2ctgctg2cc 1 313ctg2ctanfc O c1323. 莫尔库仑强度理论5.1 土体破坏与强度理论21三、莫尔-库仑强度理论莫尔莫尔- -库仑强度理论用主应力表示的极限平衡条件库仑强度理论用主应力表示的极限平衡条件213231tan452c tan 4522tan452c tan 4522 1 313ctg2ctanfc O c1323. 莫尔库仑强度理论5.1 土体破坏与强度理论2210D210D223213tan452t

12、an 4522fc根据应力状态计算出根据应力状态计算出大小主应力大小主应力1、3221,322xzxzxz判断破坏可能性判断破坏可能性由由3计算计算1f比较比较1与与1f11f 不可能状态不可能状态 O c 1f 3 1 14. 破坏判断方法三、莫尔-库仑强度理论判别对象：土体微小单元（一点）土体微小单元（一点）已知条件：一般应力状态、抗剪强度指标一般应力状态、抗剪强度指标 3 3= = 常数：常数：5.1 土体破坏与强度理论24根据应力状态计算出根据应力状态计算出大小主应力大小主应力1、3221,322xzxzxz判断破坏可能性判断破坏可能性231tan452tan 4522fc由由1计算计

13、算3f比较比较3与与3f33f 安全状态安全状态3=3f 极限平衡状态极限平衡状态3 ；c a二、强度包线与破坏主应力线用若干点确定用若干点确定a 和和 然后计算强度指标然后计算强度指标c和和 确定强度指标确定强度指标oqpa4804A7 04A7 答案答案C C4905A7 05A7 答案答案D D50四、粘土的密度有效应力抗剪强度唯一性关系强度的影响因素强度的影响因素:土的组成土的组成土的状态土的状态土的结构土的结构应力状态应力状态应力历史应力历史同一种正常固结粘土同一种正常固结粘土密度密度应力应力5.3 应力路径与破坏主应力线应力路径应力路径51两种试验得到相同的两种试验得到相同的K f

14、线线K f线上，线上，p f qf ef间存在间存在唯一性关系唯一性关系 A点：点： ef=ef和试验的类型及应力路径和试验的类型及应力路径等无关等无关ef p f qf 唯一性关系唯一性关系 ef f f 唯一性关系唯一性关系四、粘土的密度有效应力抗剪强度唯一性关系5.3 应力路径与破坏主应力线p OqK f线线固结排水试验固结排水试验固结不排水试验固结不排水试验ef=efA对具有相同的先期固结对具有相同的先期固结压力的超固结土也有相压力的超固结土也有相似的规律似的规律e0=ef(ef)5206A0106A01535.1 土体破坏与强度理论5.2 抗剪强度测定试验5.3 应力路径与破坏主应力

15、线5.4 抗剪强度指标54强度指标：强度指标：峰值强度指标峰值强度指标与与残余强度指标残余强度指标5.4 抗剪强度指标粘聚力粘聚力 c内摩擦角内摩擦角 工程应用工程应用三种分三种分类方法类方法总应力强度指标总应力强度指标与与有效应力强度指标有效应力强度指标三轴试验强度指标三轴试验强度指标与与直剪试验强度指标直剪试验强度指标目的目的分析方法试验方法应力应变状态55一. 总应力指标与有效应力指标二. 三轴试验强度指标三. 直剪试验强度指标四. 土的强度指标的工程应用5.4 抗剪强度指标561. 两种强度指标的比较有效应力指标有效应力指标c , = c + tan （= -u）符合土的破坏机理，但符

16、合土的破坏机理，但有时孔隙水压力有时孔隙水压力u难以难以确定；条件许可时应优确定；条件许可时应优先采用先采用总应力指标总应力指标c, = c + tan 便于应用，但便于应用，但u不能产不能产生抗剪强度，不符合生抗剪强度，不符合强度机理；应用时要强度机理；应用时要符合工程条件符合工程条件强度指标强度指标抗剪强度抗剪强度简单评价简单评价一. 总应力指标与有效应力指标5.4 抗剪强度指标57 1 ( ) p(p)quKfKf f fuu45/2松砂及正常固结粘土：CU试验一. 总应力指标与有效应力指标2. 强度包线与破坏主应力线问题：问题：实际破裂面的方向？实际破裂面的方向？5.4 抗剪强度指标5

17、809A9 09A9 答案答案A A59 一. 总应力指标与有效应力指标 二. 三轴试验强度指标l 三. 直剪试验强度指标l 四. 土的强度指标的工程应用5.4 抗剪强度指标60二. 三轴试验强度指标剪切前固结条件剪切前固结条件剪切中排水条件剪切中排水条件固结固结Consolidated排水排水Drained1.固结排水试验固结排水试验 （CD）2.固结不排水试验固结不排水试验（CU）固结固结Consolidated不排水不排水Undrained不固结不固结Unconsolidated不排水不排水Undrained三种试验三种试验3.不固结不排水试验不固结不排水试验（UU）5.4 抗剪强度指标

18、611. 固结排水试验强度指标：强度指标：cd， d(1) 特点特点(2) 松砂与正常固结粘土试验曲线与强度包线松砂与正常固结粘土试验曲线与强度包线(3) 密砂与超固结粘土试验曲线与强度包线密砂与超固结粘土试验曲线与强度包线(4) 超固结粘土超固结粘土+正常固结粘土的强度包线正常固结粘土的强度包线二.三轴试验强度指标5.4 抗剪强度指标62ddcc245(1)特点1. 固结排水试验二. 三轴试验强度指标总应力指标与有效应力指标一致: 1 = 1 d= = f= fc cd d = c= c破坏面位置：破坏面位置：5.4 抗剪强度指标63 v轴向应力渐进增加，体应变表现为体缩，最终二者均趋于稳定

19、(2) 松砂与正常固结粘土试验曲线与强度包线 = f= f1.固结排水试验二.三轴试验强度指标5.4 抗剪强度指标64(2) 松砂与正常固结粘土试验曲线与强度包线1.固结排水试验二.三轴试验强度指标5.4 抗剪强度指标 = f= f问题：问题：正常固结粘土包线为什么过原点？正常固结粘土包线为什么过原点？物理意义是什么？物理意义是什么？复习：复习：什么是正常固结粘土？什么是正常固结粘土？ 什么是什么是目前固结压力为目前固结压力为0的正常固结粘土的正常固结粘土？ 处于泥浆状态的处于泥浆状态的粘土的粘土的抗剪强度如何抗剪强度如何 ？65实验室的正常固结粘土：目前有效固结压力目前有效固结压力 c 大于

20、等于先期固结压力大于等于先期固结压力 p，否则将变为超固结土。否则将变为超固结土。地基中的正常固结粘土： z s p f“正常固结粘土正常固结粘土”(2) 松砂与正常固结粘土试验曲线与强度包线1. 固结排水试验二. 三轴试验强度指标 z z目前固结压力为0的正常固结粘土:当正常固结粘土试样的目前固结压力为当正常固结粘土试样的目前固结压力为0时，亦即其历史上的最大固结压力是时，亦即其历史上的最大固结压力是0处于泥浆状态，抗剪强度为处于泥浆状态，抗剪强度为0。5.4 抗剪强度指标66 v v v表示体缩表示体缩 v v 0 0表示体胀表示体胀随着围压的增加，应力应变关系软化硬化，体应变剪胀剪缩(3

21、)密砂与超固结粘土试验曲线与强度包线 f密砂强度包线密砂应力应变关系曲线1. 固结排水试验二. 三轴试验强度指标5.4 抗剪强度指标67 v v表示体缩表示体缩 v v 0 0表示体胀表示体胀 峰值强度残余强度 f超固结粘土强度包线超固结粘土应力应变关系曲线(3)密砂与超固结土试验曲线与强度包线1. 固结排水试验二. 三轴试验强度指标随着围压的增加，应力应变关系软化硬化，体应变剪胀剪缩cp0cr = 05.4 抗剪强度指标 v残余强度峰值强度68e p强度包线 f p压缩曲线(4)超固结粘土+正常固结粘土强度包线c p ，超固结粘土c p ，正常固结粘土1.固结排水试验二. 三轴试验强度指标5

22、.4 抗剪强度指标超固结段超固结段 正常固结正常固结段段(按c区分)692.固结不排水试验二. 三轴试验强度指标强度指标：强度指标：ccu ， cu；c， (1) 特点特点(2) 正常固结粘土固结不排水试验曲线与强度包线正常固结粘土固结不排水试验曲线与强度包线(3) 超固结粘土固结不排水试验曲线与强度包线超固结粘土固结不排水试验曲线与强度包线(4) 固结不排水三轴试验确定的强度指标固结不排水三轴试验确定的强度指标5.4 抗剪强度指标702. 固结不排水试验二. 三轴试验强度指标剪切过程中的超静孔隙水压力剪切过程中的超静孔隙水压力 u对于饱和土试样：孔压系数对于饱和土试样：孔压系数B=1.0 u

23、=BA ( = A ( 对于剪切过程中无剪胀性：对于剪切过程中无剪胀性： A=1/3剪切过程中发生剪缩：剪切过程中发生剪缩： A1/3剪切过程中发生剪胀：剪切过程中发生剪胀： A1/3 (甚至可能甚至可能A0，u 0(2) 正常固结粘土固结不排水试验曲线与强度包线 f f cucu2.固结不排水试验二.三轴试验强度指标5.4 抗剪强度指标72 u应力应变关系软化，孔压可能小于0与超固结度有关 f(3) 超固结粘土固结不排水试验曲线与强度包线 f cucucuccu02.固结不排水试验二.三轴试验强度指标5.4 抗剪强度指标73(4) 固结不排水三轴试验确定的强度指标2.固结不排水试验二.三轴试

24、验强度指标应力变量应力变量试验量测试验量测 u计算计算 = u = 确定的强度指标确定的强度指标ccu cuc 5.4 抗剪强度指标7405A45 05A45 答案答案ABAB753.不固结不排水试验二. 三轴试验强度指标强度指标：强度指标：cuu (cu)， uu ( u) (1) 特点特点(2) 饱和试样的不排水强度指标饱和试样的不排水强度指标cu(3) 不排水试验与固结不排水试验不排水试验与固结不排水试验(4) 无侧限压缩试验：无侧限压缩试验： 3 = 0的不排水试验的不排水试验(5) 不饱和试样的不排水强度不饱和试样的不排水强度5.4 抗剪强度指标(1)特点3.不固结不排水试验二. 三

25、轴试验强度指标试样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量测孔隙水压力量测孔隙水压力5.4 抗剪强度指标77 u =0 , cu, 并且有效应力莫尔圆是唯一的并且有效应力莫尔圆是唯一的(2)饱和试样的不排水强度指标 cu u = B + A ( ) （B=1）3.不固结不排水试验二. 三轴试验强度指标5.4 抗剪强度指标Cu依赖于初始状态对一系列对一系列初始状态初始状态相同的试样，相同的试样，施加施加不同围压不同围压 ，进行一系列不固结不排，进行一系列不固结不排水试验，比较其破坏时的应力状态水试验，比较其破坏时的应力状态一系列莫尔圆的关系如何？一系列莫尔圆的关系如何？有效应

26、力莫尔圆有效应力莫尔圆的关系如何？的关系如何？7807D1 07D1 答案答案C C79 cu p1cu1p2cu2p3cu3(3)不排水试验与固结不排水试验3.不固结不排水试验二. 三轴试验强度指标正常固结粘土层正常固结粘土层固结不排水试验强度包线(破坏主应力线)上的每一点对应于一个具有相同先期固结压力的不排水强度指标，数值上等于相应莫尔圆的半径5.4 抗剪强度指标 cu8013C313C381cu = qu/2cuqu = (4)无侧限压缩试验：3=0的不排水试验3. 不固结不排水试验二. 三轴试验强度指标5.4 抗剪强度指标8202A09 02A09 答案答案B B83 一. 总应力指标

27、与有效应力指标 二. 三轴试验强度指标 三. 直剪试验强度指标l 四. 土的强度指标的工程应用5.4 抗剪强度指标84三. 直剪试验强度指标1. 慢剪施加正应力施加正应力-充分固结充分固结慢慢施加剪应力慢慢施加剪应力-小于小于0.02mm/分，以保证无超静孔压分，以保证无超静孔压2. 固结快剪施加正应力施加正应力-充分固结充分固结在在3-5分钟内剪切破坏分钟内剪切破坏3. 快剪施加正应力后施加正应力后立即剪切立即剪切3-5分钟内剪切破坏分钟内剪切破坏PSTA5.4 抗剪强度指标85 一. 总应力指标与有效应力指标 二. 三轴试验强度指标 三. 直剪试验强度指标 四. 土的强度指标的工程应用5.

28、4 抗剪强度指标86四. 土的强度指标的工程应用u 有效应力指标还是总应力指标？有效应力指标还是总应力指标？u 三轴试验指标还是直剪试验指标？三轴试验指标还是直剪试验指标？u 峰值强度指标还是残余强度指标？峰值强度指标还是残余强度指标？5.4 抗剪强度指标87四. 土的强度指标的工程应用有效应力指标与总应力指标凡是可以确定（测量、计算）孔隙水压力凡是可以确定（测量、计算）孔隙水压力u u的情的情况，都应当使用有效应力指标况，都应当使用有效应力指标c c ， 5.4 抗剪强度指标88四. 土的强度指标的工程应用三轴试验指标与直剪试验指标 三轴试验指标优先采用三轴试验指标优先采用砂土：砂土： c

29、c , , 三轴排水试验指标与直剪试验指标三轴排水试验指标与直剪试验指标 （直剪试验得到的指标偏大）（直剪试验得到的指标偏大）粘土：粘土： 有效应力指标：有效应力指标：固结排水、固结不排水、慢剪固结排水、固结不排水、慢剪 总应力指标：总应力指标：三轴固结不排水、不排水；三轴固结不排水、不排水； 直剪固结快剪、快剪直剪固结快剪、快剪5.4 抗剪强度指标89四. 土的强度指标的工程应用 峰值强度指标与残余强度指标F 峰值强度：峰值强度：一般问题一般问题F 残余强度残余强度古旧滑坡古旧滑坡断层夹泥断层夹泥大变形问题大变形问题5.4 抗剪强度指标90 不固结不排水剪（快剪）不固结不排水剪（快剪） c cu u、 u u（c cq q、 q q）粘土地基上快速粘土地基上快速施工建筑物施工建筑物软土地基上快速填方软土地基上快速填方土坝快速施工，心墙未固结土坝快速施工，心墙未固结四. 土的强度指标的工程应用5.4 抗剪强度指标91 固结不排水剪（固结快剪）固结不排水剪（固结快剪） c ccucu、 cucu（c ccqcq、 cqcq）正常运行期水位骤降正常运行期水位骤降