土力学教案第六章 土的抗剪强度.ppt

1、1,第六章 土的抗剪强度,2,本章主要内容,土的抗剪强度概念和破坏理论,工程背景 1. 建筑物地基承载力问题 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。,1.建筑物地基承载力问题(图1),4,建筑物地基承载力问题(图2),5,建筑物地基承载力问题(图4),2. 构筑物环境的安全性问题即土压力问题 挡土墙、基坑等工程中，墙后土体强度破坏将造成过大的侧向土压力，导致墙体滑动、倾覆或支护结构破坏事故 。,2.构筑物环境的安全性问题即土压力问题,3.土工构筑物的稳定性问题,3. 土工构筑物的稳定性问题 土坝、路堤等填方边坡以及天然土坡等，在超载、渗流乃至暴雨作用下引起土

2、体强度破坏后将产生整体失稳边坡滑坡等事故。,8,第一节 概 述,一、概念 土的抗剪强度指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。 土体破坏时的应力组合关系称为破坏准则。,9,二、土的抗剪强度机理,1、摩擦强度(Friction strength )（摩擦力）包括滑动摩擦(Sliding friction )和咬合摩擦 滑动摩擦由颗粒间接触面粗糙不平所引起。 咬合摩擦是指相邻颗粒对于相对移动的约束作用。 摩擦强度的影响因素有： 颗粒形状、矿物成分、粒径级配(Size grading )、密度等。 2、粘聚强度（粘聚力） 取决于土粒间的各种 胶结作用和静电引力。,10,第

3、二节 土的抗剪强度理论,一、屈服与破坏 产生塑性变形的现象称为屈服。 开始引起屈服的应力状态称为屈服条件(Yield condition ). 屈服点对应的应力为屈服应力。 与理想塑性材料不同，土的塑性应变增加了土对继续变形的阻力，屈服点位置随应力增加而提高。这种现象称为应变硬化（加工硬化）。 到达峰值点后，随应变继续增大应力反而下降，强度随应变增加而降低，称为应变软化（加工软化）。,11,12,相当于峰值点的强度称为峰值强度。 相当于应变很大、应力衰减至恒定值时的强度称为残余强度。,不论是峰值强度还是残余强度，都不是一个固定不变的数值，而是与土的应力状态有关。这是土区别于其它材料的重要特点之

4、一。,13,二、库仑定律,1776年，库仑根据砂土剪切试验,f = tan,砂土,后来，根据粘性土剪切试验,f =c+ tan,粘土,c,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,c:土的粘聚力 :土的内摩擦角,14,15,16,三、莫尔-库伦强度理论（1910）,莫尔认为材料的破坏是剪切破坏，当任一平面上的剪应力等于材料的抗剪强度时该点破坏，并提出破坏面上的剪应力是该面上法向应力的函数，即,这个函数在f坐标中是一条曲线，称为莫尔包线(Mohrs envelope)（或称为抗剪强度包线）,17,极限平衡状态(State of limit equilibrium)：土单元体中某一

5、个面上的=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）,18,图莫尔库伦破坏包线,19,课堂思考题： 已知土的c=75kPa,=30，问当作用于土中某平面上的斜应力P =160kPa且P的方向与该平面成30时，该平面会不会产生剪切破坏。,20,四、土中一点的应力状态,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）,楔体静力平衡,21,斜面上的应力,A(, ),圆心坐标(1 +3 ) /2，0,应力圆半径r (13 ) /2,土中某点的应力状态可用莫尔应力圆描述,22,土的极限平衡条件,应力圆与强度线相离：,强度线,应力圆与

6、强度线相切：,应力圆与强度线相割：,极限应力圆,f,弹性平衡状态,=f,极限平衡状态,f,破坏状态,23,五、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),24,莫尔库仑破坏准则,c,A,cctg,1/2(1 +3 ),无粘性土：c=0,25,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。,根据应力状态计

7、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,判别对象：土体微小单元（一点）,当3= 常数：,六、莫尔库仑破坏准则应用,27,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）,当1= 常数：,28,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：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，可知，土的剪切破坏并不是由最大剪应力max所控制,O,c,1f,3,2,2,滑裂面的位置,与大主应力面夹角：

8、 =45 + /2,五. 应用,【解答】,已知1=450kPa，3=150kPa，c=20kPa， =26o,方法1：,计算结果表明：1f接近该单元土体实际大主应力1，所以，该单元土体处于极限平衡状态。,问题解答：,【例1】地基中某一单元土体上的大主应力为450kPa，小主应力为150kPa。通过试验测得土的抗剪强度指标c=20 kPa， =26o。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？,七、例题分析1（方法1）,计算结果表明： 3f接近该单元土体实际小主应力 3，该单元土体处于极限平衡状态 。,在剪切面上,库仑定律,由于f ，所以，该单

9、元土体处于弹性平衡状态,方法2：,例题分析1（方法2）,方法3： 作图法,c,最大剪应力与主应力作用面成45o,最大剪应力面上的法向应力,库仑定律,最大剪应力面上f ，所以，不会沿剪应力最大的面发生破坏,max,问题解答：,例题分析1（方法3）,33,作业： 63 64,34,第三节 土的抗剪强度试验方法,一、直剪试验(Direct shear test ) 应变控制式和应力控制式,35,36,直剪仪(图1),37,直剪仪(图2),38,1. 直接剪切试验,39,通过控制剪切速率来近似模拟排水条件,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

10、2. 固结快剪 施加正应力-充分固结 在3-5分钟内剪切破坏 3. 快剪 施加正应力后 立即剪切3-5分钟内剪切破坏,一、 直接剪切试验,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 应变不均匀 不能控制排水条件 剪切面固定,缺点,类似试验： 环剪试验 单剪试验,41,二、三轴试验(Triaxial test ),1、仪器设备：压力室，加压系统，量测系统等组成。,43,2.施加周围压力,3.施加竖向压力,1.装样,应力状态,2. 三轴试验,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

11、法：,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=，亦即1=z；2=3=r,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,（2）试

12、验类型,46,（3）三轴试验结果,三轴试验结果抗剪强度包线,c,分别在不同的周围压力3作用下进行剪切，得到34 个不同的破坏应力圆，绘出各应力圆的公切线即为土的抗剪强度包线,有效应力圆,总应力圆,u=0,cu,uA,（1）不固结不排水剪（UU）,不同试验方法的剪切试验结果,（1）不固结不排水剪的剪切试验结果,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,（2）固结不排水剪（CU）,（2）固结

13、不排水剪的剪切试验结果,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，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,（3）固结排水剪（CD）,（3）固结排水剪的剪切试验结果,50,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 破坏面不是人为固定的； 4 试验单元体试验,缺点： 设备相对复杂，现场无法试验,说明： 30 即为无侧限抗压强度试验,（5）优点和缺点,51,

14、三、无侧限抗压强度试验 (Unconfined compression strength test),试验时围压3=0（无侧限），试样在轴向压力下产生剪切破坏。 破坏时的轴向压力称为无侧限抗压强度，以 qu 表示。,52,四、十字板剪切试验(Vane shear test),53,二、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,例题分析2,【例3】对某种饱和粘性土做固结不排水试验，三个试样破坏时的大、小主应力和孔隙水压力列于表中，试用作图法确定土的强度指标ccu、 cu和c 、 ,【解答】,按比例绘出三个总应力极限应力圆，如图所示，再绘出总应力强度包线,按由1=1- uf，3=3-