三轴压缩试验土力学地基基础课件

1、土的抗剪强度与地基承载力土力学地基基础第1页，共47页。 1.建筑物地基承载力问题(图1)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。第2页，共47页。第3页，共47页。2000年西藏易贡巨型滑坡8km第4页，共47页。 变形破坏 位移、不均匀沉降等超过规定限值地基破坏 强度破坏 地基整体或局部滑移、土工构筑 物失稳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。第六章 土的抗剪强度和地基承载力6.1 土的抗剪强度和极限平衡条件土体抵抗剪切

2、破坏的极限能力第5页，共47页。粘土粘土和石头地基土可能的滑动方向岩石办公楼外墙回填土第6页，共47页。1776年，库仑根据砂土剪切实验得出 一、 库仑公式库仑定律：土的抗剪强度是剪切面上的法向总应力 的线性函数 。f = tan f后来，根据粘性土剪切试验得出f =c+ tan 粘土cf砂土土的粘聚力土的内摩擦角第六章 土的抗剪强度和地基承载力第7页，共47页。-土体内任一点处不同方位的截面上应力的集合331131斜面上的应力 二、土体中任一点的应力状态第六章 土的抗剪强度和地基承载力第8页，共47页。O131/2(1 +3 )2A(, )土中某点的应力状态可用莫尔应力圆描述 31 莫尔圆可

3、以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。第六章 土的抗剪强度和地基承载力第9页，共47页。31c f2 fAcctg1/2(1 +3 )无粘性土：粘性土：oB三、莫尔-库仑强度理论第六章 土的抗剪强度和地基承载力第10页，共47页。ABDOf极限平衡条件莫尔库仑破坏准则极限应力圆破坏应力圆剪切破坏面第六章 土的抗剪强度和地基承载力第11页，共47页。粘性土的极限平衡条件1= 3tg2(45+/2)2c*tg (45+/2)3= 1tg2(45/2)2c*tg (45/2)1= 3tg2(45+/2)3= 1tg2(45/2)无粘性土的极限平衡条

4、件第六章 土的抗剪强度和地基承载力第12页，共47页。讨论：破坏面=最大主应力面？ f2 f31cAcctg1/2(1 +3 )说明：剪破面并不产生于最大剪应力面，而与最大剪应力面成 / 2的夹角。因此，土的剪切破坏并不是由最大剪应力max所控制。 max 土体处于极限平衡状态时，破坏面与大主 应力作用面的夹角为第13页，共47页。直接剪切试验三轴压缩试验无侧限抗压强度试验十字板剪切实验第二节 抗剪强度指标的确定目的：测出土的抗剪强度指标第14页，共47页。PT土样下盒上盒S面积AOc1S23f1f2f3直剪仪(direct shear test apparatus)直接剪切试验垂直压力可取1

5、00KPa、200KPa、300KPa和400Kpa等。第15页，共47页。直接剪切试验四联式直剪仪第16页，共47页。 设备简单，操作方便 结果便于整理 测试时间短优点 试样应力状态复杂 剪切过程中，应变不均匀 不能控制排水条件 剪切面固定缺点PSTA直接剪切试验第17页，共47页。三轴压缩试验 三轴是指一个竖向和两个侧向而言，由于压力室和试样均为圆柱形，因此，两个侧向(或称周围)的应力相等并为小主应力s3，而竖向(或轴向)的应力为大主应力s1。在增加s1时保持s3不变，这样条件下的试验称为常规三轴压缩试验。三轴压缩仪主机量测系统稳压调压系统三轴压缩试验第18页，共47页。三轴压缩试验 应变

6、控制式三轴仪试验设备第19页，共47页。试验步骤 3 3 3 3 3 32.施加周围压力3.施加竖向压力1.装样三轴压缩试验试验类型不同排水条件第20页，共47页。固结排水试验（CD试验）1 打开排水阀门，施加围压后充分固结，超静孔隙水压力完全消散；2 打开排水阀门，慢慢施加轴向应力差以便充分排水，避免产生超静水压力。三轴压缩试验cu 、u 抗剪强度包线 c 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。第21页，共47页。固结不排水试验（CU试验）1 打开排水阀门，施加围压后充分固结，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

7、应力差过程中不排水。（后产生孔隙水压力）ccu 、cu 三轴压缩试验 ccuc cu ABCuA将总应力圆在水平轴上左移uA得到相应的有效应力圆，按有效应力圆强度包线可确定c 、 第22页，共47页。不固结不排水试验（UU试验）1 关闭排水阀门，施加围压，在不固结的情况下，施加轴力进行剪切。2 整个试验过程关闭排水阀门，试样中存在孔隙水压力u。cd 、d 三轴压缩试验有效应力圆总应力圆u=0B C cu uAA 3A 1A试验表明：虽然三个试样的周围压力3不同，但破坏时的主应力差相等，三个极限应力圆的直径相等，因而强度包线是一条水平线。第23页，共47页。 的不排水剪切三轴试验ququ加压框架

8、量表测力计升降螺杆无侧限压缩仪3=0试样无侧限抗压强度试验试验设备第24页，共47页。0cu无侧限抗压强度试验包线qu无侧限抗压强度试验试验结果第25页，共47页。一般适用于测定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M十字板剪切试验第26页，共47页。 无粘性土无粘聚力，其抗剪强度取决于剪切面上的摩擦性质，故无粘性土又称粒状土。粒状土的密实程度及颗粒间的相对移动是影响无粘性土性质的决定因素。一、无粘性土的摩擦强度 摩擦物理过程分为两部分： 1）颗粒间的滑动而产生的滑动摩擦； 2）颗粒间脱离咬合作用而产生的咬合摩擦。第三节 无粘性土的抗剪强度第27

9、页，共47页。 研究表明：就一种砂而言，无论是紧砂还是松砂，颗粒的滑动摩擦角差异不大，两者在强度上的差异主要是由颗粒的排列定向作用与剪胀效应所致。 二、土颗粒组成对内摩擦角的影响 土颗粒的组成主要指颗粒形状、级配及矿物 成份等。级配良好的土，由于具有较好的接触以及咬合，较级配均匀的土咬合作用强，接触压力小而不易破碎，故内摩擦角较大。尖角的砂较圆角的砂其咬合作用强，内摩擦角也较大。 第三节 无粘性土的抗剪强度第28页，共47页。第三节 无粘性土的抗剪强度砂土在固结排水试验中的应力应变与体变曲线三、土的空隙比及剪胀性 松砂受剪，一般不出现峰值强度，其体积先是急剧减少，然后略有回胀；紧砂受剪时，先是

10、颗粒彼此贴紧，体积略有收缩，然后由于咬合摩擦造成颗粒跨越发生相对位移，体积迅速增大，与此对应，应力应变曲线开始很陡，达峰值时，由于试样颗粒间咬合作用削弱，强度亦有所降低。第29页，共47页。 影响土的抗剪强度的因素是多方面的，主要有：一、土的矿物成分、颗粒形状和级配的影响 一般来说，粘性土的抗剪强度随着粘粒和粘土矿物含量的增加而增大。砂性土在土的颗粒级配中，粗颗粒越多，形状越不规则，表面越级糙，则其内摩擦角越大，因而其抗剪强度也越高。二、土的密实度和含水率的影响 土的原始密度越大，其抗剪强度就越高。含水率增高一般将使土的抗剪强度降低。 第四节 土的抗剪强度的影响因素第30页，共47页。三、土体

11、结构受扰动情况及应力作用历史影响 粘性土的天然结构如果被破坏时，其抗剪强度就会明显下降，所以施工时要注意保持粘性土的天然结构。从土体的应力作用历史来分析，超固结土的抗剪强度值比正常固结土的大，而正常固结土的抗剪强度值比欠固结土大。四、抗剪强度试验方法的影响 采用的试验方法（包括仪器、试验条件及过程）不同，导致同一种土的试验结果也会明显不同。 第四节 土的抗剪强度的影响因素第31页，共47页。地基破坏实例第32页，共47页。膨胀土对建筑物的危害活动区域第33页，共47页。潜在性膨胀土的分布限与热带和温带的半干旱地区内。这种条件助长了蒙特石形成。很多国家都发现了膨胀土。印度的黑棉土地基破坏实例第3

12、4页，共47页。第五节 地基的临界荷载定 义 地基在不破坏、不产生过大沉降的前提下能够承受的荷载的大小。 特 点(1) 上部结构基础地基系统中的重要组成部分。（2）性质复杂。要 求（1）不破坏。（2）不产生过大变形（沉降）。（3）稳定性。第35页，共47页。地基的破坏过程pcrpupcr p1/3临塑荷载连续滑动面和极限荷载塑性区发展和临界荷载pcr pu地基土开始出现剪切破坏s连续滑动面P地基承载力确定最终地基中形成一连续的滑动面，基础急剧下沉或向一侧倾斜，土体被挤出，基础四周地面隆起。第36页，共47页。第五节 地基的临界荷载一、地基的破坏形式(1) 整体剪切破坏密实砂土或硬粘土pSpcrpu第37页，共47页。第五节 地基的临界荷载(2) 局部剪切破坏中密砂土或一般粘性土或基础埋深较大pS第38页，共47页。第五节 地基的临界荷载(3) 冲剪破坏松 砂pS第39页，共47页。第五节 地基的临界荷载二、浅基础的地基临塑荷载和临界荷载1、 临塑荷载第40页，共47页。第五节 地基的临界荷载第41页，共47页。第五节 地基的临界荷载临塑荷载饱和粘土第42页，共47页。第五节 地基的临界荷载2、 临界荷载第43页，共47页。一、普朗德尔极限承载力理论 第六节 地基的极限荷载普朗待尔公式：式中 bCB