抗剪强度.ppt

1、第五章,土的抗剪强度 土力学的基石,本章主要内容：,土的抗剪强度理论 土的抗剪强度计算方法 土的抗剪强度测定试验,土的抗剪强度：土体抵抗剪切破坏的极限能力， 其数值等于剪切破坏时滑动面上的剪应力。,1911年动工 1913年完工 谷仓自重20000吨 1913年10月17日发现1小时内竖向沉降达30.5厘米，结构物向西倾斜，并在24小时内倾倒，谷仓西端下沉7.32米，东端上抬1.52米。 原因：地基承载力不够，超载引发强度破坏而产生滑动。,加拿大特朗斯康谷仓,1.地基的破坏,工程中土体的破坏类型,基坑支护,2.挡土结构物的破坏,挡土墙,平移滑动,3.各种类型的滑坡,崩塌,旋转滑动,流滑,一、

2、土的强度机理,1.摩擦强度 tg,（1）滑动摩擦,（2）咬合摩擦,（3）颗粒的破碎与重排列,5.1土的抗剪强度与极限平衡条件,影响土的摩擦强度的主要因素：,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） 剪切面上的法向应力 应力历史 结构（原状、重塑） 含水量,粘聚强度机理,粘聚强度影响因素,2.凝聚强度,静电引力（库仑力） 范德华力 颗粒间胶结 假粘聚力（毛细力等）,应力历史 粘土颗粒矿物成分 密度 含水量,二、 土的强度特点,1.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

3、力与摩擦力； 2.三相体系：三相承受与传递荷载有效应力原理； 3.自然变异性：土的强度的结构性与复杂性。,所以，土体的破坏是沿着颗粒之间的错动滑移发生的。,三、 库仑公式,1776年，库仑根据砂土剪切试验得出,后来，根据粘性土剪切试验得出,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 = ,破坏,c,c:土的粘聚力 :土的内摩擦角,抗剪强度指标(参数)：,安全,影响因素 土的抗剪强度,内在因素：,外在因素： 正应力 试验时的排水条件等因素,土颗粒的性质,表达方法 土的抗剪强度,总应力法：,有效应力法：,土体内一点处不同方位的截面上应力的集合（剪应力和法向应力）,斜面上的应力,m

4、,四、土中一点的应力状态,B,莫尔圆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。,圆心坐标1/2(1 +3 )，0,应力圆半径r1/2(13 ),应力圆与强度线相离：,应力圆与强度线相切：,应力圆与强度线相割：,强度线,f,弹性平衡状态,=f,极限平衡状态,f,破坏状态,五、土的极限平衡条件,莫尔库仑破坏准则,莫尔应力圆与库仑强度线相切的应力状态作为土的破坏准则 (目前判别土体所处状态的最常用准则),莫尔库仑破坏准则,c,A,cctg,1/2(1 +3 ),无粘性土：c=0,粘性土：,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 f,说明：

5、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。,但是：对于饱和软粘土，在不排水条件下，其内摩擦角为0，土体的最大剪应力面即为剪切破裂面。,滑裂面的位置,图中虚线所指 位置为滑裂面,3,1f,3,【例1】地基中某一单元土体上的大主应力为430kPa，小主应力为200kPa。通过试验测得土的抗剪强度指标c=15 kPa， =20o。试问该单元土体处于何种状态？单元土体最大剪应力出现在哪个面上，是否会沿剪应力最大的面发生剪破？,已知1=430kPa，3=200kPa，c=15kPa， =20o,【解答】,1.大小主应力法,计算结果表

6、明：1f大于该单元土体实际大主应力1，实际应力圆半径小于极限应力圆半径，所以，该单元土体处于弹性平衡状态,计算结果表明： 3f小于该单元土体实际小主应力 3，实际应力圆半径小于极限应力圆半径 ，所以，该单元土体处于弹性平衡状态,在剪切面上,库仑定律,由于f ，所以，该单元土体处于弹性平衡状态,2.破裂面上的强度法,3.图解法,大学不仅是传授知识和技能的场所，更是培养人的思想、情感、意志、品质之所在，是铸造灵魂的地方，因此，大学的根本不在“大”，而在于“学”。 清华大学陈吉宁,室内试验 野外试验,直剪试验、三轴试验等 制样（重塑土）或现场取样 缺点：扰动 优点：应力条件清楚，易重复,十字板扭剪试

7、验、旁压试验等 原位试验 缺点：应力条件不易掌握 优点：原状土的原位强度,5.2 土的剪切试验方法,试验仪器：直剪仪（应变控制式，应力控制式）,一、直接剪切试验,室内试验,剪切容器与应力环,在不同的垂直压力下进行剪切试验，得相应的抗剪强度f，绘制f - 曲线，得该土的抗剪强度包线,通过控制剪切速率来近似模拟排水条件,3. 快剪 施加正应力后立即剪切3-5分钟内剪切破坏,1. 固结慢剪： 施加正应力-充分固结慢慢施加剪应力-小于0.02mm/分，以保证无超静孔压,2. 固结快剪 施加正应力-充分固结在3-5分钟内剪切破坏,直剪试验优缺点,优点：仪器构造简单，试样的制备和安装方便，易于操作。 缺点

8、： 剪切破坏面固定，且不一定是土样的最薄弱面。 不能严格控制排水条件，不能量测土样的孔隙水压力。 剪切过程中试样剪切面积逐渐减小，剪切面上的剪应力分布不均匀。,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,（1）试样应力特点与试验方法 （2）强度包线 （3）试验类型 （4）优缺点,二、三轴压缩试验,试验原理: 极限莫尔圆的公切线 为抗剪强度包线,试验步骤: 1.装样 2.施加周围压力 3.施加竖向压力,方法： 首先试样施加静水压力室压（围压） 1=2=3 ； 然后通过活塞杆施加的是应力差 1= 1-3 。,（1）试样应力特点与试验方法：,特点： 试样是轴对称应力状

9、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=，亦即1=z；2=3=r,分别作围压为100 kPa 、200 kPa 、300 kPa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 ,（2）强度包线,三轴压缩试验按剪切前的固结程度和剪切时的排水条件，可以分为三种试验方法： 1.不固结不排水试验 (UU试验) 2.固结不排水试验 (CU试验) 3.固结排水试验 (CD试验),（3）试验类型,1.不固结不排水剪（UU）,三轴试验：施加周围压力3、轴向压力直至剪破的整个过程都关闭排水阀门，不允许试样排水固结。,直剪（快剪

10、）试验：通过试验加荷的快慢来实现是否排水。使试样在35min内剪破，称之为快剪。,有效应力圆,总应力圆,u=0,cu,uA,饱和粘性土在三组3下的不排水剪试验得到A、B、C三个不同3作用下破坏时的总应力圆，但只能得到 一个有效应力圆。,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。,2. 固结不排水剪（CU）,三轴试验：施加周围压力3时打开排水阀门，试样完全排水固结，孔隙水压力完全消散。然后关闭排水阀门，再施加轴向压力增量，使试样在不排水条件下剪切破坏。,直剪（固结快剪）试验：剪切前试样在垂直荷载下充分固结，剪切时速率较快，

11、使土样在剪切过程中不排水，这种剪切方法为称固结快剪。,将总应力圆在水平轴上左移uf得到相应的有效应力圆，按有效应力圆强度包线可确定c 、 ,ccu,c ,饱和粘性土在三组3下进行固结不排水剪试验得到A、B、C三个不同3作用下破坏时的总应力圆，由总应力圆强度包线确定固结不排水剪总应力强度指标ccu、 cu,3. 固结排水剪（CD）,三轴试验：试样在围压3作用下排水固结，再缓慢施加轴向压力增量，直至剪破，整个试验过程中打开排水阀门，始终保持试样的孔隙水压力为零。,直剪（慢剪）试验：试样在垂直压力下固结稳定，再以缓慢的速率施加水平剪力，直至剪破，整个试验过程中尽量使土样排水，试验方法称为慢剪。,在整

12、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，总应力强度线即是有效应力强度线，强度指标为cd、d。,cd,总结:,对于同一种土，在不同的排水条件下进行试验，总应力强度指标完全不同。,有效应力强度指标不随试验方法的改变而不同，抗剪强度与有效应力有唯一的对应关系。,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，避免产生超静孔压,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，在施加轴向应力差过

13、程中不排水,不固结不排水试验（UU试验） 1 关闭排水阀门，围压下不固结； 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,小结：,优点： 能控制排水条件，量测孔隙水压力。 试样的应力分布比较均匀，剪切破坏面为最薄弱面。 缺点： 试验仪器复杂，操作技术要求高，试样制备较复杂。 试验在2=3的轴对称条件下进行，与土体实际受力情况可能不符。,说明： 30 即为无侧限抗压强度试验,（4）优点和缺点,野外试验,一、十字板剪切试验,适用于现场测定饱和粘性土的不排水强度，尤其适用于均匀的饱和软粘土,柱体上下平面的抗剪强度产生的抗扭力矩,柱体侧面剪应力产

14、生的抗扭力矩,3=0,是三轴试验的特殊情况,二、无侧限抗压强度试验：,无侧限压缩仪,根据试验结果只能作出一个极限应力圆（3=0，1=qu）。因此对一般粘性土，无法作出强度包线,说明：对于饱和软粘土，根据三轴不排水剪试验成果，其强度包线近似于一水平线，即u=0，因此无侧限抗压强度试验适用于测定饱和软粘土的不排水强度,qu,cu,u=0,注意：无侧限抗压强度试验仪器构造简单，操作方便，可代替三轴试验测定饱和软粘土的不排水强度。,灵敏度：,强度：,一、总应力强度指标与有效应力强度指标,5.3 排水条件与试验成果的关系,库仑定律,说明：施加于试样上的垂直法向应力为总应力，c、为总应力意义上的土的粘聚力

15、和内摩擦角，称之为总应力强度指标,根据有效应力原理：土的抗剪强度并不是由剪切面上的法向总应力决定，而是取决于剪切面上的法向有效应力,有效应力强度指标确切地表达出了土的抗剪强度的实质，是比较合理的表达方法,二、抗剪强度指标的选用,土的抗剪强度指标随试验方法、排水条件的不同而异，对于具体工程问题，应该尽可能根据现场条件决定采用实验室的试验方法，以获得合适的抗剪强度指标,作业：p206 11、12、14,整体剪切破坏 局部剪切破坏 冲剪破坏,地基破坏型式,七、地基破坏型式和地基承载力,1.整体剪切破坏,整体剪切破坏型式的 压力沉降关系曲线,p,s,0,线性变形阶段,弹塑性变形阶段,塑性破坏阶段,特点：连续滑动面，急剧下沉，地面隆起,发生条件,密实砂土、硬粘土 浅基 缓慢荷载,2.局部剪切破坏,s,p,局部剪切破坏型式的 压力沉降关系曲线,0,压