06.土的抗剪强度.ppt
第五讲 土的抗剪强度,河北理工大学,土的抗剪强度,2,土工结构物或地基,土,渗透问题变形问题强度问题,渗透特性变形特性强度特性,河北理工大学,土的抗剪强度,3,第一类是以土作为建造材料的土工构筑物的稳定性问题，如土坝、路堤等填方边坡以及天然土坡等的稳定性问题。,河北理工大学,土的抗剪强度,4,第二类是土作为工程构筑物环境的安全性问题，即土压力问题，如挡土墙、地下结构等的周围土体，它的强度破坏将造成对墙体过大的侧向土压力，以至可能导致这些工程构筑物发生滑动、倾覆等破坏事故。,河北理工大学,土的抗剪强度,5,第三类是土作为建筑物地基的承载力问题，如果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，将会造成上部结构的破坏或影响其正常使用功能。,河北理工大学,土的抗剪强度,6,5.2 土的抗剪强度理论,5.3 抗剪强度测定试验,5.1 工程意义,5.4 土的抗剪强度影响因素,河北理工大学,土的抗剪强度,7,一、定义,5.1 概述/工程背景,土的抗剪强度指土体对于外荷载所产生的剪应力的极限抵抗能力,土的抗剪强度指土体抵抗剪切破坏的极限能力，是土的主要力学性质之一。土体的破坏通常部是剪切破坏。建筑物地基在外荷载作用下将产生剪应力和剪切变形，土具有抵抗剪应力的潜在能力剪阻力，它随着剪应力的增加而逐渐发挥，剪阻力被完全发挥时，土就处于剪切破坏的极限状态，此时剪应力也就到达极限，这个极限值就是土的抗剪强度。如果土体内某部分的剪应力达到土的抗剪强度，在该部分就开始出现剪切破坏。随着荷载的增加剪切破坏的范围逐渐扩大，最终在土体中形成连续的滑动面，地基发生整体剪切破坏而丧失稳定性。,河北理工大学,土的抗剪强度,8,1.挡土结构物的破坏,三、工程中土体的常见破坏类型,2.各种类型的滑坡,3.地基的破坏,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。,二、土的强度特点：,河北理工大学,土的抗剪强度,9,基坑支护,1.挡土结构物的破坏,挡土墙,河北理工大学,土的抗剪强度,10,平移滑动,2.各种类型的滑坡,崩塌,旋转滑动,流滑,河北理工大学,土的抗剪强度,11,地基,p,3.地基的破坏,河北理工大学,土的抗剪强度,12,土压力边坡稳定地基承载力,挡土结构物破坏各种类型的滑坡地基的破坏,河北理工大学,土的抗剪强度,13,一、直剪试验和库仑公式二、土的强度机理三、摩尔-库仑强度理论,5.2 土的抗剪强度理论,本节主要内容：,河北理工大学,土的抗剪强度,14,一、直剪试验和库仑公式,直剪试验库仑（1776）,施加（=P/A）量测（=T/A）,上盒,试验原理,A,河北理工大学,土的抗剪强度,15,河北理工大学,土的抗剪强度,16,c 粘聚力 内摩擦角,库仑公式：,f：土的抗剪强度tg：摩擦强度-正比于压力c：粘聚强度-与所受压力无关,强度指标,河北理工大学,土的抗剪强度,17,二、土的强度的机理,1.摩擦强度 tg,（1）滑动摩擦,（2）咬合摩擦引起的剪胀,（3）颗粒的破碎与重排列,河北理工大学,土的抗剪强度,18,河北理工大学,土的抗剪强度,19,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（颗粒的棱角与长宽比）在其他条件相同时：对于砂土，颗粒的棱角提高了内摩擦角 对于碎石土，颗粒的棱角可能降低其内摩擦角,影响土的摩擦强度的主要因素：,河北理工大学,土的抗剪强度,20,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）,地质历史粘土颗粒矿物成分密度离子价与离子浓度,河北理工大学,土的抗剪强度,21,三、摩尔-库仑强度理论,1.库仑公式2.应力状态与摩尔圆3.极限平衡应力状态4.摩尔-库仑强度理论5.破坏判断方法6.滑裂面的位置,河北理工大学,土的抗剪强度,22,c 粘聚力 内摩擦角,f：土的抗剪强度tg：摩擦强度-正比于压力c：粘聚强度-与所受压力无关,1.库仑公式,河北理工大学,土的抗剪强度,23,c,无粘性土,粘性土,抗剪强度曲线,河北理工大学,土的抗剪强度,24,库仑（Coulomb）公式,砂土：,粘性土：,c:土的粘聚力:土的内摩擦角,河北理工大学,土的抗剪强度,25,1910年莫尔(Mohr)提出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就发生破坏，并提出在破坏面上的剪应力f 是该面上法向应力 的函数，即f f(),这个函数在f 坐标中是一条曲线，称为莫尔包线(或称为抗剪强度包线)，莫尔包线表示材料受到不同应力作用达到极限状态时、滑动面上法向应力与剪应力f的关系。理论分析和实验都证明，莫尔理论对土比较合适，土的莫尔包线通常近似地 用直线代替，该直线方程就是库伦公式。由库伦公式表示莫尔包线的强度理论称为莫尔库伦强 度理论。,河北理工大学,土的抗剪强度,26,莫尔库仑强度理论,（1）在一定的应力范围内，可以用线性函数近似f=c+tg（2）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,河北理工大学,土的抗剪强度,27,2、土中一点的应力状态,河北理工大学,土的抗剪强度,28,河北理工大学,土的抗剪强度,29,3.应力莫尔圆,圆心：,半径：,莫尔圆：代表一个土单元的应力状态；圆周上一点代表一个面上的两个应力与,河北理工大学,土的抗剪强度,30,不同状态时的摩尔圆,河北理工大学,土的抗剪强度,31,4.极限平衡应力状态,极限平衡应力状态：有一面上的应力状态达到=f土的强度包线：所有达到极限平衡状态的莫尔园的公切线。,f,河北理工大学,土的抗剪强度,32,f,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。,强度包线以内：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；,河北理工大学,土的抗剪强度,33,莫尔-库仑强度理论表达式极限平衡条件,河北理工大学,土的抗剪强度,34,河北理工大学,土的抗剪强度,35,11f 破坏状态,5.破坏判断方法,3=常数：,判别对象：土体微小单元（一点）,根据应力状态计算出大小主应力1、3，由3计算1f，比较1与1f,河北理工大学,土的抗剪强度,36,33f 弹性平衡状态3=3f 极限平衡状态33f 破坏状态,1=常数：,根据应力状态计算出大小主应力1、3，由1计算3f，比较3与3f,河北理工大学,土的抗剪强度,37,安全状态=极限平衡状态 不可能状态,O,c,(1+3)/2=常数：圆心保持不变,根据应力状态计算出大小主应力13，由1、3计算，与比较,河北理工大学,土的抗剪强度,38,6.滑裂面的位置,与大主应力面夹角：=45+/2,图中虚线所指位置为滑裂面,河北理工大学,土的抗剪强度,39,河北理工大学,土的抗剪强度,40,一、室内试验二、野外试验,5.3 抗剪强度测定试验,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,河北理工大学,土的抗剪强度,41,A,一、室内试验,1.直剪试验,河北理工大学,土的抗剪强度,42,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,河北理工大学,土的抗剪强度,43,优点,缺点,设备简单，操作方便 结果便于整理 测试时间短,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,河北理工大学,土的抗剪强度,44,直接剪切试验,土的剪切试验方法,河北理工大学,土的抗剪强度,45,抗剪强度曲线,河北理工大学,土的抗剪强度,46,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,2.三轴试验,（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,河北理工大学,土的抗剪强度,47,应变控制式三轴仪：压力室，加压系统，量测系统组成应力控制式三轴仪试验步骤:1.装样2.施加周围压力3.施加竖向压力,三轴剪切试验,河北理工大学,土的抗剪强度,48,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,河北理工大学,土的抗剪强度,49,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,1,1-3,1=15%,河北理工大学,土的抗剪强度,50,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,（3）试验类型,河北理工大学,土的抗剪强度,51,固结排水试验（CD试验）Consolidated Drained Triaxial test(CD)抗剪强度指标：cd d（c）,固结不排水试验（CU试验）Consolidated Undrained Triaxial test(CU)抗剪强度指标：ccu cu,不固结不排水试验（UU试验）Unconsolidated Undrained Triaxial test(UU)抗剪强度指标：cu u（cuu uu）,试验类型汇总,河北理工大学,土的抗剪强度,52,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,（4）优点和缺点,河北理工大学,土的抗剪强度,53,二、野外试验,十字板剪切试验,河北理工大学,土的抗剪强度,54,一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,河北理工大学,土的抗剪强度,55,时,河北理工大学,土的抗剪强度,56,无侧限抗压强度试验,河北理工大学,土的抗剪强度,57,强度指标：,5.4 饱和粘性土的抗剪强度,粘聚力 c内摩擦角,强度指标的分类：按照分析方法，可分为总应力强度指标与有效应力强度指标；按照试验方法，可分为直剪强度指标与三轴试验强度指标；按照应力应变状态，可分为峰值强度指标与残余强度指标。,河北理工大学,土的抗剪强度,58,一.总应力指标与有效应力指标二.三轴试验强度指标三.土的强度指标的工程应用,本节主要内容：,河北理工大学,土的抗剪强度,59,一、总应力指标与有效应力指标,1.两种强度指标的比较,2.有效应力、总应力强度包线,河北理工大学,土的抗剪强度,60,1.两种强度指标的比较,土的抗剪强度的有效应力指标c,=c+tg=-u,符合土的破坏机理，但有时孔隙水压力u无法确定,土的抗剪强度的总应力指标c,=c+tg,便于应用,但u不能产生抗剪强度，不符合强度机理,强度指标,抗剪强度,简单评价,河北理工大学,土的抗剪强度,61,二、饱和粘性土的抗剪强度,1、不固结不排水抗剪强度,2、固结不排水抗剪强度,3、固结排水抗剪强度,河北理工大学,土的抗剪强度,62,凡是可以确定（测量、计算）孔隙水压力u的情况，都应当使用有效应力指标c，,有效应力指标与总应力指标,三、土的强度指标的工程应用,河北理工大学,土的抗剪强度,63,砂土：c,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）粘土：有效应力指标：固结排水、固结不排水 总应力指标：三轴固结不排水、不排水;直剪固结快剪、快剪,三轴试验指标与直剪试验指标,河北理工大学,土的抗剪强度,64,饱和松砂在振动情况下孔压急剧升高在瞬间砂土呈液态,时间T,孔压 U,5.5 砂土的振动液化,1.液化现象,饱和松砂的振动液化,P,河北理工大学,土的抗剪强度,65,2.液化机理,河北理工大学,土的抗剪强度,66,振前砂土结构,振中颗粒悬浮，有效应力为零,振后砂土变密实,河北理工大学,土的抗剪强度,67,河北理工大学,土的抗剪强度,68,在饱和砂土中，由于振动引起颗粒的悬浮，超静孔隙水压力急剧升高，直到其孔隙水压力等于总应力时，有效应力为零，砂土的强度丧失，砂土呈液体流动状态，称为液化现象。,3.液化定义,河北理工大学,土的抗剪强度,69,思考题：,1 土的抗剪强度是不是一个定值？,2 解释土的内摩擦角和粘聚力的含义。,3.土中达到极限平衡状态是否地基已经破坏？,4 直剪试验与三轴试验的实际使用情况如何？,5 为什么直剪试验要分快剪，固结快剪及慢剪？这三种试验结果有何差别？,6 土体中发生剪切破坏的平面为什么不是剪应力值最大的平面？,1.某高层建筑地基取原状土进行直剪试验，4个试样的法向压力p分别为100，200，300，400kPa，测得试样破坏时相应的抗剪强度为tf分别为67，119，162，216kPa。试用作图法，求此土的抗剪强度指标c、j值。若作用在此地基中某平面上的正应力和剪应力分别为225kPa和105kPa，试问该处是否会发生剪切破坏？,2.已知地基中某一点所受的最大主应力为1=600kPa，最小主应力3=100kPa。绘制摩尔应力圆；求最大剪应力值和最大剪应力作用面与大主应力面的夹角；计算作用在与小主应力面成30的面上的正应力和剪应力。,河北理工大学,土的抗剪强度,70,3.某地基为饱和粘土，进行三轴固结不排水剪切试验，测得4个试样剪损时的最大主应力1、最小主应力3和孔隙水压力u的数值如下表。试用总应力法和有效应力法，确定抗剪强度指标。,(1)在直剪试验中，实际土样剪切面上的正应力：_ a.始终不变 b.逐渐减小 c.逐渐增大,(2)在三轴试验中，破坏面上的剪应力与竖向平面（s3作用平面）上的剪应力相比：_ a.两者相等 b.前者小于后者 c.后者小于前者 d.两者没有联系,(3)某直径7cm的土样进行直剪试验，已知其抗剪强度指标c=10kPa，=20，,当固结压力为200kPa时，破坏时的最大推力为：_,a.318kPa b.0.318kPa c.318kN d.0.318kN,(4)土样内摩擦角为 20，粘聚力为c=15kPa，土中大主应力和小主应力分别为=300kPa，=126kPa，则该土样达到的状态为：_,a.稳定平衡状态 b.极限平衡状态 c.破坏状态,河北理工大学,土的抗剪强度,71,(5)土的抗剪强度与荷载作用时间是否有关，抗剪强度随时间如何变化？a.无关 b.有关，随时间增大 c.有关，随时间减小 d.有关，但无规律,(6)某土样进行直剪试验,在法向压力为100、200、300、400kPa时,测得抗剪强度fi分别为52、83、115、145kPa,则该土样的抗剪强度指标c为：_ a.25kPa b.20kPa c.15kPa d.17kPa,(7)同上题条件,如果在土中的某一平面作用的法向应力为260kPa,剪应力为92kPa,则该平面是否会剪切破坏?_ a.会 b.不会 c.无法确定,(8)某饱和粘性土无侧限抗压强度试验得不排水抗剪强度Cu=70kPa,如果对同一土样进行三轴固结不排水试验,施加周围压力150kPa,问试件在多大的轴向压力作用下破坏?_a.200kPa b.280kPa c.290kPa d.300kPa,(9)某饱和粘性土在三轴仪中进行固结不排水试验,得c=0,=28,如果这个试件受到最大主应力200kPa,最小主应力150kPa的作用,测得孔隙水压力100kPa,该试件是否会破坏?_a.会 b.不会 c.无法计算,(10)某正常固结粘性土试样进行不固结不排水试验得=0,c=20kPa,对同样的土进行固结不排水试验,得有效抗剪强度指标c=0,=30,如果试样在不排水条件下破坏,试求剪切破坏时的有效大主应力和有效小主应力.3：_a.60kPa和15kPa b.67kPa和20kPa c.60kPa和20kPa d.67kPa和15kPa,
