土力学课程讲解第7章.ppt

第7章 土的抗剪强度,土力学,厦门大学 土木系,第7章 土的抗剪强度,7.1 概述7.2 土的极限平衡条件7.3 土的抗剪强度指标的确定7.4 饱和粘性土的抗剪强度7.5 无粘性土的抗剪强度7.6 影响土的抗剪强度指标的因素,土力学,厦门大学 土木系,7.1 概述,土的抗剪强度土体抵抗剪切破坏极限能力。土的强度问题在工程上主要有以下三个方面：1 地基承载力与地基稳定性2 土坡稳定性3 挡土墙及地下结构上的土压力本章主要介绍了库伦公式、莫尔库伦强度理论、抗剪强度的测定方法、饱和粘性土的抗剪强度、无粘性土的抗剪强度等内容。,土力学,厦门大学 土木系,7.1 概述,7-1,土力学,厦门大学 土木系,第7章 土的抗剪强度,7.1 概述7.2 土的极限平衡条件7.3 土的抗剪强度指标的确定7.4 饱和粘性土的抗剪强度7.5 无粘性土的抗剪强度7.6 影响土的抗剪强度指标的因素,土力学,厦门大学 土木系,7.2 土的极限平衡条件,一、土体中任一点的应力状态1 最大主应力与最小主应力2 任意斜面上的应力3 用莫尔应力圆表示斜面上的应力二、莫尔库仑破坏理论三、土体的极限平衡状态,土力学,厦门大学 土木系,7.2 土的极限平衡条件,土的强度破坏通常是指剪切破坏。极限平衡状态当土体的剪应力等于土的抗剪强度时的临界状态称为极限平衡状态。土的极限平衡条件指土体处于极限平衡状态时土的应力状态和土的抗剪强度指标之间的关系式，即1、3与内摩擦角、粘聚力c之间的数学表达式。,土力学,厦门大学 土木系,一、土体中任一点的应力状态,1 最大主应力与最小主应力,没有剪应力的面称为主应力面。作用在主应力面上的力称为主应力。,作用在微元体上的竖向法向应力，即土的自重应力,作用在微元体侧面上的水平向法向应力,土力学,厦门大学 土木系,一、土体中任一点的应力状态,2 任意斜面上的应力,任一截面mn与大主应力面成角，求法向应力和剪应力的计算公式。,据静力平衡条件，水平与竖向合力为零,土力学,厦门大学 土木系,一、土体中任一点的应力状态,3 用莫尔应力圆表示斜面上的应力,莫尔圆可表示土体中一点的应力状态，圆周上各点的坐标表示该点在相应平面上正应力和剪应力。正应力和剪应力，1、3可用莫尔应力圆表示。从DC逆时针转2，a点的横坐标为斜面mn上的正应力，纵坐标为剪应力,土力学,厦门大学 土木系,7.2 土的极限平衡条件,一、土体中任一点的应力状态二、莫尔库仑破坏理论1 库伦公式2 莫尔库仑强度理论三、土体的极限平衡状态,土力学,厦门大学 土木系,二、莫尔库伦破坏理论,1 库伦公式,施加垂直应力（=P/A）施加水平推力 T量测直剪应力（=T/A）,砂土的抗剪强度与作用在剪切面上的法向应力成正比,无粘性土,粘性土,土力学,厦门大学 土木系,二、莫尔库伦破坏理论,2 莫尔库仑强度理论莫尔提出材料的破坏是剪切破坏，破坏面上剪应力f是该面上法向应力的函数：f=f(),在f坐标中是条曲线，称莫尔包线。（1）莫尔库仑强度理论用库仑公式表示莫尔包线的强度理论称为莫尔库伦强度理论。（2）极限平衡状态当土体中任意一点在某一平面上的剪应力达到土的抗剪强度时，就发生剪切破坏，该点处于极限平衡状态。,土力学,厦门大学 土木系,三、土的极限平衡条件,莫尔圆与抗剪强度包线在同一图上时，有三种情况：1 整个莫尔圆在强度线的下方，即该点在任何平面上的剪应力土体的抗剪强度，不会发生剪切破坏。2 强度线与莫尔圆相割，实际中是不可能的，因为该点在任何平面上的剪应力都不可能超过土的抗剪强度。3强度线与莫尔圆相切，切点为A，即A点所代表平面上剪应力正好等于抗剪强度，土体处于极限平衡状态。,土力学,厦门大学 土木系,三、土的极限平衡条件,三种状态：破坏状态；极限状态；稳定状态；,土力学,厦门大学 土木系,mn破裂面，与大主应力的作用面成f角。该点处于极限平衡状态，在ARD中用正弦定理,三、土的极限平衡条件,土力学,厦门大学 土木系,第7章 土的抗剪强度,7.1 概述7.2 土的极限平衡条件7.3 土的抗剪强度指标的确定7.4 饱和粘性土的抗剪强度7.5 无粘性土的抗剪强度7.6 影响土的抗剪强度指标的因素,土力学,厦门大学 土木系,7.3 土的抗剪强度指标的确定,土的抗剪强度指标包括内摩擦角与粘聚力c。测定土的抗剪强度的常用方法有：1室内实验：直接剪切、三轴压缩试验、无侧限抗压2 现场原位测试：十字板剪切、大型直接剪切试验等。应根据各类建筑工程的规模、用途和地基土的情况等，选择相应的仪器和方法进行试验。,土力学,厦门大学 土木系,7.3 土的抗剪强度指标的确定,一、直接剪切试验二、三轴压缩试验三、无侧限抗压试验四、十字板剪切试验,土力学,厦门大学 土木系,一、直接剪切试验,一 直接剪切试验1 直剪仪：,74,土力学,厦门大学 土木系,一、直接剪切试验,2 模拟土体在现场受剪排水条件，分快剪、固结快剪、慢剪快剪施加后，立即快速施加水平剪应力使试样剪切破坏。固结快剪允许试样在竖向压力下充分排水，待固结稳定后，再快速施加水平剪应力。慢剪试验允许试样在竖向压力下充分排水，待固结稳定后，再缓慢施加水平剪应力。同一种土至少取4个试样，在不同压力下剪切。可取100、200、300、400kpa。,土力学,厦门大学 土木系,一、直接剪切试验,3 优缺点（1）优点：1）仪器构造简单，操作方便，易把松散颗粒土样装入仪器中。2）能用于土样大剪切应变，能测剩余抗剪强度。3）只需把剪切盒尺寸放大，就可用于大尺寸土样。（2）缺点：1）剪切面限定在上下盒之间的平面，而非土样最薄弱面的剪切破坏。2）剪切面上剪应力分布不均匀，给结果带来误差。3）不能严格控制排水。,土力学,厦门大学 土木系,7.3 土的抗剪强度指标的确定,一、直接剪切试验二、三轴压缩试验三、无侧限抗压试验四、十字板剪切试验,土力学,厦门大学 土木系,二、三轴压缩试验,三轴压缩试验是测定土抗剪强度一种较为完善的方法。由压力室、轴向加荷系统、施加围压系统、孔隙水压力量测这几个部分组成。1 试验装置,土力学,厦门大学 土木系,7.3 土的抗剪强度指标的确定,围压系统,轴压,土力学,厦门大学 土木系,7.3 土的抗剪强度指标的确定,土全自动三轴试验系统中科院武汉岩土力学研究所,土力学,厦门大学 土木系,7.3 土的抗剪强度指标的确定,常规三轴压缩试验机,三轴压力腔及加载结构细部图,三轴试验系统照片,土力学,厦门大学 土木系,7.3 土的抗剪强度指标的确定,土工高压三轴试验系统中科院武汉岩土力学研究所,土力学,厦门大学 土木系,7.3 土的抗剪强度指标的确定,2 三轴压缩试验过程（1）制作土样；（2）套膜并置于压力室内；（3）加围压，稳定围压在某个设定值3；（4）逐渐施加轴压1，直至土样产生破坏。（5）计算轴向压力1=3+1。重复上述步骤，设置不同的围压3，测定不同围压下的轴向压力；完成三个以上的有效测试。,土力学,厦门大学 土木系,7.3 土的抗剪强度指标的确定,3 两种加荷方式（1）步骤：先加液压p，并维持液压不变，再加垂直压力v，当v=f时土样被压坏。加压过程中，小主应力3=p是不变的。大主应力1=p+v。故应力圆从p开始逐步向右扩大直至破坏。（2）步骤：液压和垂直压力都加大到一定值，然后压杆v不变，逐步减小液压p，此时应力圆的直径v不变，而位置由右向左移，直到破坏。,土力学,厦门大学 土木系,7.3 土的抗剪强度指标的确定,4 试验结果整理同一土样取3个以上试件，按上述方法分别试验，加载后使得其发生剪切破坏，将结果绘成一组极限莫尔应力圆，求出其公切线即为该土的抗剪强度包线，从而得出其抗剪强度指标c、值。,土力学,厦门大学 土木系,7.3 土的抗剪强度指标的确定,土力学,厦门大学 土木系,7.3 土的抗剪强度指标的确定,5 考虑固结和排水条件的三轴试验,土力学,厦门大学 土木系,7.3 土的抗剪强度指标的确定,6 三轴试验优缺点（1）优点：1）严格控制排水条件及可量测孔隙水压变化；2）破坏面是最薄弱处；3）误差小。（2）缺点：常规三轴试验是假三轴试验，即围压相等的试验2=3。真三轴试验中围压是不相等的，即23,土力学,厦门大学 土木系,7.3 土的抗剪强度指标的确定,一、直接剪切试验二、三轴压缩试验三、无侧限抗压试验四、十字板剪切试验,土力学,厦门大学 土木系,三、无侧限抗压强度试验,1 无侧限压缩试验无侧限抗压强度试验同在三轴仪中进行30的不排水剪切试验一样，不加任何侧向压力的情况下施加垂直压力，直至使试件剪切破坏为止，剪切破坏时试样所承受的最大轴向压力qu无侧限抗压强度。,土力学,厦门大学 土木系,三、无侧限抗压强度试验,7-6,土力学,厦门大学 土木系,7.3 土的抗剪强度指标的确定,一、直接剪切试验二、三轴压缩试验三、无侧限抗压试验四、十字板剪切试验,土力学,厦门大学 土木系,四、十字板剪切试验,1 适用土质条件十字板剪切试验是一种抗剪强度试验的原位测试方法，不用取原状土，而在现场直接测试地基土的强度。这种方法适用于地基为软弱土、取原状土困难的条件，并可避免在软土中取样、运样及制备试样过程中受扰动影响试验成果的可靠性。2 试验设备十字板剪切仪和套管,土力学,厦门大学 土木系,7.3 土的抗剪强度指标的确定,土力学,厦门大学 土木系,四、十字板剪切试验,3 成果计算,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,D十字板的直径；H十字板的高度；M十字板剪切破坏的扭力矩。,土力学,厦门大学 土木系,第7章 土的抗剪强度,7.1 概述7.2 土的极限平衡条件7.3 土的抗剪强度指标的确定7.4 饱和粘性土的抗剪强度7.5 无粘性土的抗剪强度7.6 影响土的抗剪强度指标的因素,土力学,厦门大学 土木系,7.4 饱和粘性土的抗剪强度,一、不固结不排水抗剪强度二、固结不排水抗剪强度三、固结排水抗剪强度四、抗剪强度指标的选择,土力学,厦门大学 土木系,一、不固结不排水抗剪强度,不固结不排水试验饱和粘性土在某一围压下固结至稳定，试件中孔隙水压力u0，不排水条件下分别施加围压和轴向压力至剪切破坏。图中三个实线圆A、B、C分别表示三个试件在不同的3作用下破坏时的总应力圆，虚线是有效应力圆。三个试件只能得到同一个有效应力圆。所以这种试验只用于测定饱和土的不排水强度。,土力学,厦门大学 土木系,一、不固结不排水抗剪强度,Cu大小取决于初始状态,总应力圆的包络线是一条水平线，其抗剪切强度为：,土力学,厦门大学 土木系,7.4 饱和粘性土的抗剪强度,一、不固结不排水抗剪强度二、固结不排水抗剪强度三、固结排水抗剪强度四、抗剪强度指标的选择,土力学,厦门大学 土木系,二、固结不排水抗剪强度,试样在施加围压3时允许排水固结，待固结稳定后，再在不排水条件下施加竖向压力至试样剪切破坏。饱和粘性土的固结不排水抗剪强度在一定程度上受应力历史的影响，故要区别试样是正常固结还是超固结。正常固结试样试样受到周围固结压力3曾受到的最大固结压力Pc。超正常固结试样试样受到周围固结压力3曾受到的最大固结压力Pc。,土力学,厦门大学 土木系,二、固结不排水抗剪强度,正常固结：体积有减小趋势（剪缩），产生正孔隙水压力。超正常固结：体积有增大趋势（剪胀），先产生正孔隙水压力，后转为负值。,7-7,土力学,厦门大学 土木系,二、固结不排水抗剪强度,1 正常固结粘土固结不排水试验强度包线,有效应力圆与总应力圆直径相等,有效应力圆在总应力圆的左方。,总应力破坏包线和有效应力破坏包线都通过原点。,土力学,厦门大学 土木系,二、固结不排水抗剪强度,2 超固结粘土固结不排水试验强度包线,有效应力强度包络线为,总应力强度包络线为,土力学,厦门大学 土木系,7.4 饱和粘性土的抗剪强度,一、不固结不排水抗剪强度二、固结不排水抗剪强度三、固结排水抗剪强度四、抗剪强度指标的选择,土力学,厦门大学 土木系,三、固结排水抗剪强度,1 定义试样在施加围压3时允许排水固结，待固结稳定后，再在排水条件下施加竖向压力至试样剪切破坏。固结排水试验在整个试验过程中，孔隙水压力始终为零，总应力最后全部转化为有效应力，所以总应力圆就是有效应力圆。由试验知，在剪切过程中，正常固结粘土发生剪缩，而超固结土则是先压缩继而呈现剪胀的特性。,土力学,厦门大学 土木系,三、固结排水抗剪强度,7-10,土力学,厦门大学 土木系,三、固结排水抗剪强度,2 固结排水试验结果,7-11,正常固结土的破坏包络线通过原点，粘聚力cd0,超固结土的破坏包络线一般为曲线（常用直线代替曲线），不过原点有粘聚力，内摩擦角比正常固结土的要偏小,不排水试验和排水试验结果相近，常用不排水试验代替排水试验来测定强度参数。,土力学,厦门大学 土木系,三、固结排水抗剪强度,三种试验方法结果比较,土力学,厦门大学 土木系,7.4 饱和粘性土的抗剪强度,一、不固结不排水抗剪强度二、固结不排水抗剪强度三、固结排水抗剪强度四、抗剪强度指标的选择,土力学,厦门大学 土木系,四、抗剪强度指标的选择,一般工程问题多采用总应力分析法。（1）施工速度快，土透水性和排水不良（三轴仪不固结不排水或直剪仪快剪）（2）地基荷载增才速率慢，土透水性不太小，排水好（三轴仪固结排水或直剪仪慢剪）（3）介于以上两者之间，（三轴仪固结不排水或直剪仪固结快剪）,土力学,厦门大学 土木系,四、抗剪强度指标的选择,土力学,厦门大学 土木系,四、抗剪强度指标的选择,土力学,厦门大学 土木系,四、抗剪强度指标的选择,土力学,厦门大学 土木系,第7章 土的抗剪强度,7.1 概述7.2 土的极限平衡条件7.3 土的抗剪强度指标的确定7.4 饱和粘性土的抗剪强度7.5 无粘性土的抗剪强度7.6 影响土的抗剪强度指标的因素,土力学,厦门大学 土木系,7.5 无粘性土的抗剪强度,一、砂土强度试验与强度机理二、砂土强度与紧密度的关系,土力学,厦门大学 土木系,一、砂土强度试验与强度机理,1 砂土抗剪强度指标常规压力下所测得的砂土有效强度线是一直线通过原点的c0。f=tg，一般在28-42松砂的角等于干砂的天然坡角（天然休止角），即自重作用下砂土可能堆成的最大坡度。2 抗剪强度（1）砂粒表面的滑动摩擦，摩擦角大小取决于砂粒的矿物成分。这部分摩阻力是构成抗剪强度的主体。,土力学,厦门大学 土木系,一、砂土强度试验与强度机理,（2）颗粒之间的咬合作用，主要产生于紧密砂土。剪胀紧砂受到剪切作用，颗粒之间的咬合受到破坏。由于颗粒排列紧密，在剪力作用下，颗粒要位移，必然围绕相邻颗粒转到，从而造成土骨架膨胀。这叫剪胀。土体膨胀所作的功需要一部分剪应力抵偿，故提高抗剪强度。（3）砂土结构受剪切破坏后，颗粒间重新排列，也需消耗一部分剪切能，故又增加一部分强度。,土力学,厦门大学 土木系,二、砂土强度与紧密度关系,密砂剪应力很快上升，不久达峰值A，随剪位移发展，剪应力有所下降，一直降到一个稳定值，称剩余强度。松砂剪应力随位移发展慢慢提高，直至剪位移相当大时，剪应力才达到最大值B。以后不再减小，最大剪应力与紧砂剩余强度基本相等。剪切试验中，为确定砂土强度，一般取最大剪应力做破坏应力。,土力学,厦门大学 土木系,二、砂土强度与紧密度关系,紧砂在剪切时因剪胀很快出现峰值剪应力，膨胀停砂粒重新排列，孔隙体积逐步稳定到一临界值，此孔隙比称临界孔隙比ecr。此时剪应力也下降至剩余强度。松砂孔隙较大，受剪切孔隙收缩（剪缩）。随剪位移的发展，颗粒位置调整趋于稳定，并趋向临界孔隙比。砂土剪切过程中是否出现剪胀或剪缩，主要取决于它的初始孔隙比。若eecr，剪切过程中砂土体积无变化。临界孔隙比对研究地基振动液化很有意义。当eecr，在振动作用下，可能剪缩。砂土饱和，孔隙水压增加，有效应力减小，砂土液化，地基承载力丧失。,土力学,厦门大学 土木系,二、砂土强度与紧密度关系,土力学,厦门大学 土木系,第7章 土的抗剪强度,7.1 概述7.2 土的极限平衡条件7.3 土的抗剪强度指标的确定7.4 饱和粘性土的抗剪强度7.5 无粘性土的抗剪强度7.6 影响土的抗剪强度指标的因素,土力学,厦门大学 土木系,一、抗剪强度的来源,1 无粘性土（1）滑动摩擦土体剪切面上的土粒发生相对移动所产生的摩擦。（2）咬合摩擦咬合摩擦是指相邻颗粒对于相对移动的约束作用。2 粘性土（1）内摩擦角（2）粘聚力（3）土中天然胶结物质,土力学,厦门大学 土木系,二、影响抗剪强度指标的因素,1 土的物理化学性质的影响（1）土粒的矿物成分砂土中石英矿物含量多，内摩擦角大；云母矿物含量多，小。粘性土的矿物成分不同，土粒电分子力不同，其粘聚力c也不同。有各种胶结物质可使c增大。（2）土的颗粒形状与级配土的颗粒越粗表面越粗糙，内摩擦角越大。土的级配良好，内摩擦角大；土粒均匀，内摩擦角小。,土力学,厦门大学 土木系,7.6 影响抗剪强度指标的因素,（3）土的原始密度土的原始密度越大，内摩擦角越大。同时，土的原始密度大，土的孔隙比e小，接触紧密，粘聚力c也大。（4）土的含水量含水量增加时，内摩擦角减小。粘性土的含水量增加，抗剪强度降低。山体滑动通常是在雨后，雨水渗入，含水量增加，降低抗剪强度，导致山坡失稳滑动。（5）土的结构粘性土具有结构强度，其结构受扰动，则粘聚力c降低。,土力学,厦门大学 土木系,7.6 影响抗剪强度指标的因素,2 孔隙水压力的影响（1）三轴固结排水剪（直剪慢剪）：抗剪强度值最大（2）三轴不固结不排水剪（直剪快剪）：抗剪强度值最小。（3）三轴固结不排水剪（直剪固结快剪）：抗剪强度值居中。由此可见，试样中的孔隙水压力，对抗剪强度有重要影响。如前所述，这三种不同的试样方法，各适用于不同的土层分布、土质、排水条件以及施工的速度。,土力学,厦门大学 土木系,【例71】已知地基中某点的最大主应力为600kpa，最小主应力为200kpa。绘制该点应力状态的莫尔应力圆。求最大剪应力值及其作用面的方向，并计算与大主应力面成夹角15度的斜面上的正应力和剪应力。,