《土力学与地基基础》第六章土的抗剪强度.ppt

2009.09,第六章 土的抗剪强度,本章提要与学习目标 土的抗剪强度是土的重要力学性质之一，也是土力学的基本问题之一，它是土的工程性质中最主要的组成部分，与工程建筑物的稳定和正常使用关系极为密切，其指标被工程设计直接采用，是地基设计及改良不可缺少的资科。,2009.09,重点掌握库仑定律、土的极限平衡条件、用直接剪切仪和三轴剪切仪测定抗剪强度指标的方法及三轴试验成果的整理、解决实际工程中遇到的强度稳定性问题。,2009.09,第一节 概述,实际工程当中，土体的破坏通常都是剪切破坏；研究土的强度特性，就是研究土的抗剪强度特性。（a)土坡稳定性(b)挡土墙地基稳定性(c)建筑物地基失稳,2009.09,实例1,香港残积土体滑坡1972年56月大暴雨，6月雨量竟高达1658.6mm，引起山坡残积土软化而滑动。7月8日7点钟，大滑坡发生，冲毁一幢高层建筑-宝城大厦。该大厦居住银行界人士，死亡120人。因大楼之间间距太小，在宝城大厦倒塌时，砸坏邻近一幢大厦的一角。引起西方震惊，对岩土工程倍加重视。,2009.09,实例2,1963年10月9日晚10时，当意大利瓦依昂水库管理人员及水库周围的村民开始就寝时，人类历史上一场罕见的水库灾难降临在这些无辜人的身上。晚10时29分，近3亿方的岩体从库区左岸托克山的一侧滑进了瓦依昂水库，它冲向右岸，并填满了整个水库，产生的245m高的涌浪翻过276m高的双曲拱坝，并冲向下游，席卷了下游五个村镇，使2600人丧生，造成了数亿美元的经济损失。,2009.09,1.土的抗剪强度：是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受的剪应力。2.剪切面（剪切带）：土体剪切破坏是沿某一面发生与剪切方向一致的相对位移，这个面通常称为剪切面。3.其物理意义：可以认为是由颗粒间的内摩阻力以及由胶结物和束缚水膜的分子引力所造成的粘聚力所组成。,2009.09,4.决定土的抗剪强度因素很多，主要为：土体本身的性质，土的组成、状态和结构；而这些性质又与它形成环境和应力历史等因素有关；此外，还决定于它当前所受的应力状态。5.土的抗剪强度主要依靠室内经验和原位测试确定。,2009.09,第二节 土的抗剪强度理论和极限平衡条件,一、库仑定律（剪切定律）1773年法国学者库仑(C.A.Coulomb)提出在法向应力变化范围不大时，抗剪强度与法向应力的关系近似为一条直线，这就是抗剪强度的库仑定律。无粘性土：粘性土：,2009.09,将库仑定律表示在坐标系中为两条直线,2009.09,库仑定律说明：（1）土的抗剪强度由土的内摩擦力tg和内聚力c两部分组成。（2）内摩擦力与剪切面上的法向应力成正比，其比值为土的内摩擦系数tg。（3）表征抗剪强度指标：土的内摩擦角和内聚力c。,2009.09,二、总应力法和有效应力法总应力法是用剪切面上的总应力来表示土的抗剪强度，即：有效应力法是用剪切面上的有效应力来表示土的抗剪强度，即：,2009.09,饱和土的抗剪强度与土受剪前在法向应力作用下的固结度有关。而土只有在有效应力作用下才能固结。有效应力逐渐增加的过程，就是土的抗剪强度逐渐增加的过程。,2009.09,总应力法与有效应力法的优缺点：1总应力法：优点：操作简单，运用方便。（一般用直剪仪测定）缺点：不能反映地基土在实际固结情况下的抗剪强度。2有效应力法：优点：理论上比较严格，能较好的反映抗剪强度的实质，能检验土体处于不同固结情况下的稳定性。缺点：孔隙水压力的正确测定比较困难。,2009.09,抗剪强度机理（强度来源）,粘性土的抗剪强度由内摩擦力和粘聚力两个部分组成。内摩擦力，一般认为包含这样两个部分：一是剪切面上颗粒与颗粒粗糙面产生的滑动摩擦阻力；二是来自于颗粒之间嵌入或联锁作用产生的咬合摩擦阻力。滑动摩擦阻力的大小与作用于粒间的有效法向应力成正比，滑动摩擦角的大小与颗粒的矿物成分有关；咬合摩擦阻力的大小与粒间有效法向应力有密切的关系，当土体发生剪切时，相互咬合的颗粒要发生相对移动，必须首先向上抬起，才能跨越相邻颗粒而移动，土粒之间的有效法向应力越大，土粒要上移就越困难，因而，土的抗剪强度随剪切面上有效法向应力的增加而增加。,2009.09,粘聚力，一般认为由三部分构成：,(1)原始粘聚力，这是由于土粒间水膜与相邻土粒之间的分子引力所形成的，当土的天然状态被破坏时，原始粘聚力的一部分将丧失，但当土的密度恢复到初始状态时，原始粘聚力随之恢复；(2)固化粘聚力，是由于土中化合物的胶结作用而形成的，天然结构被破坏时，这部分粘聚力将丧失，而且在短时期内不能恢复；(3)毛细粘聚力，是由于，毛细作用形成的，对洁净的干砂，粘聚力C=0，但是由于砂土中夹有粘土颗粒或砂土处于潮湿状态，因而有时也会有很小的粘聚力。,2009.09,三、莫尔库仑破坏标准,(一)莫尔库仑破坏理论：以库仑公式作为抗剪强度公式。根据剪应力是否达到抗剪强度作为剪切破坏标准的理论就称为莫尔库仑破坏理论。(二)莫尔库仑破坏准则（标准）：研究莫尔库仑破坏理论如何直接用主应力表示，这就是莫尔库仑破坏准则，也称土的极限平衡条件。,2009.09,土体内一点处任意方向截面上应力的集合（剪应力和法向应力）,斜面上的应力,土中任一点的应力状态,2009.09,A(,),土中某点的应力状态可用莫尔应力圆描述,莫尔圆可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。,2009.09,2、土体极限平衡条件,如果土体的抗剪强度曲线和土中某点的应力圆已知，可根据两者在同一坐标图上的关系，确定该点所处的应力状态图6-6，以判断土体是否达到破坏。,2009.09,应力圆与强度线相离：,强度线,应力圆与强度线相切：,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,2009.09,极限平衡条件,在极限平衡状态下主应力之间的关系，叫做极限平衡条件,c,A,O,O,2009.09,莫尔库仑破坏准则,c,A,cctg,1/2(1+3),无粘性土：c=0,粘性土：,2009.09,A,B,D,O,f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,2009.09,粘性土的极限平衡条件,1=3tg2(45+/2)2ctg(45+/2)3=1tg2(45/2)2ctg(45/2),2009.09,无粘性土的极限平衡条件,1=3tg2(45+/2)3=1tg2(45/2),2009.09,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。因此，土的剪切破坏并不是由最大剪应力max所控制。,2009.09,利用土中应力圆和极限平衡的条件进行以下土体破坏判断：,2009.09,相关考题,（1）单元土体中破坏面上剪应力等于土的抗剪强度时，该面一般为具有最大剪应力的那个面（x）（1）无粘性土的抗剪强度来源于，粘性土的抗剪强度来源于 和。（1）粘性土的极限平衡条件是。（2）土体剪切破坏面与小主应力面的夹角是。,2009.09,相关考题,（7）土的强度通常是指土的 强度。（8）一种粘性土含水量越大，其内摩擦角越。,2009.09,抗剪强度曲线与摩尔应力圆在A点相切，表明A点所代表的平面的剪应力 等于（达到）土的抗剪强度f，即该点处于 极限平衡状态 状态。,2009.09,相关考题,（1）试述影响土的抗剪强度的主要因素？（6）土颗粒粗细与土内摩擦角什么关系？（7）简述土的密度和含水量对土的内摩擦角与内聚力的影响。（8）土的孔隙水压力对土的抗剪强度有何影响？,2009.09,（9）简述极限平衡状态的概念，并说明什么是土的极限平衡条件？（10）简述摩尔-库仑强度理论的要点。（12）土体发生剪切破坏的面是否是剪应力最大的平面？一般情况下剪切破坏面与大主应力面成什么角度？,2009.09,第三节 测定土抗剪强度指标的试验,测定土抗剪强度试验分类,按试验仪器分,按控制方法分,三轴剪切试验,应变控制式,应力控制式,直接剪切试验,2009.09,的方法测定土抗剪强度,直接剪切试验,三轴压缩试验,无侧限抗压强度试验,现场十字板剪切仪,2009.09,试验仪器：直剪仪（应变控制式，应力控制式）,一、直接剪切试验,2009.09,应变控制式直剪仪的试验原理：对同一种土至少取4个平行试样，分别在不同垂直压力下剪切破坏，将试验结果绘制抗剪强度f与相应垂直压力的关系图。,2009.09,2009.09,剪切容器与应力环,2009.09,2009.09,2009.09,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,2009.09,在法向应力作用下，剪应力与剪切位移关系曲线。,2009.09,快剪固结快剪慢剪,在直剪试验过程中，根据加荷速率的快慢可将试验 划分为:,2009.09,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：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。,2009.09,一、抗剪强度包线,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。,二、三轴压缩试验,c,2009.09,二、三轴剪切试验,试验仪器：应变控制式三轴仪：压力室，加压系统，量测系 统组成(常用）应力控制式三轴仪,2009.09,试验步骤:,2.施加周围压力,3.施加竖向压力,1.装样,2009.09,三轴压缩仪,2009.09,应变控制式三轴仪：压力室加压系统量测系统,轴向加荷系统,2009.09,加压和量测系统,2009.09,三轴剪力仪,2009.09,三轴试验优缺点,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。,2009.09,2009.09,三、剪切试验中土的性状 补充,l1粘性土的剪切性状与特征粘性土的抗剪强度除受固结程度、排水条件影响外，还受应力历史的影响。（1）不同剪切试验中粘性土的特征 不固结不排水剪(unconsolidated-undrained shear test)对饱和粘性土进行不固结不排水剪试验，可得到图5-2的结果，从图中可见，虽然三个试样的不等，但破坏时的主应力差，即图中莫尔圆的直径相等，故破坏包线是一条水平线,2009.09,2）固结不排水剪(consolidated-undrained shear test),正常固结和超固结试样对土的固结不排水强度有很大影响 正常固结饱和粘性土的试验结果见图超固结土的固结不排水剪试验结果,2009.09,超固结土的固结不排水剪试验,当试验固结压力小于Pc时，为曲线，但可近似用直线ab代替；当试验固结压力大于Pc时是直线，说明试验进入正常固结状态。bc线的延长线也通过坐标原点。对于超固结土，特别是高度超固结土，由于剪切时产生负的孔隙水压力，有效应力圆在总应力圆的右侧；在正常固结段，孔隙水压力是正的，有效应力圆在总应力圆的左侧，有效应力强度包线可取为一条直线（图）,2009.09,固结不排水剪的应力应变关系曲线,说明对正常固结试样，试件剪切时体积要压缩，但在不排水条件下，不允许体积有变化，为了抵消体积压缩趋势，孔隙水压力将升高，以降低有效围压力，故产生正的孔隙水压力；对高度超固结试样，剪切时体积要膨胀，为了抵消膨胀，将产生负的孔隙水压力，因而使有效应力增高。,2009.09,强超固结土在受剪过程,强超固结土在受剪过程中体积有增大的趋势，在不排水受剪时，其孔隙水压力将减小（不正确）增大后减小,2009.09,3）固结排水剪(consolidated-drained shear test),固结排水剪在剪切过程中，孔隙水压力始终为零，所以总应力强度线就是有效应力强度线。正常固结土的强度线是通过坐标原点的直线，倾角用表示，如图a所示。超固结土的强度线如图b所示，当3 Pc时，强度线是一条直线，其延长线通过坐标原点，呈现正常固结土的性状。超固结土的强度线是非直线，但实用上近似用直线代替，直线在纵轴上的截矩以表示,2009.09,排水剪的应力应变关系,说明超固结土具有峰值强度(peak strength)，如应变进一步增加，强度就削弱，并在大应变下与正常固结土的强度趋近；从体积应变看，在剪切过程中，正常固结土发生了收缩，而超固结土则是先压缩，继而又膨胀。,2009.09,残余抗剪强度,（1）物理意义：土的剪应力剪应变关系可分为两种类型：一种是曲线平缓上升，没有中间峰值，如松砂；另一种剪应力剪应变曲线有明显的中间峰值，在超越峰值后，剪应变不断增大，但抗剪强度却下降，如密砂。在粘性土中，坚硬的、超压密的粘土的剪应力剪应变曲线常呈现较大峰值，正常压密土或软粘土则不出现峰值，或有很小的峰值。,2009.09,什么是残余强度,如果土样达到峰值强度后，继续测量应力、应变，则测得的应力值随应变发展逐渐降低，最后趋于一稳定值，此时强度叫残余强度,2009.09,超过峰值后，当剪应变相当大时，抗剪强度不再变，此时稳定的最小抗剪强度，称为土的残余抗剪强度；而峰值剪应变则称为峰值强度。,2009.09,残余抗剪强度以下式表达：在进行滑坡的稳定性计算或抗滑计算时，土抗剪强度的取值，一般需要考虑土的残余抗剪强度。（2）试验方法一般采用排水反复直接剪切试验，剪切速率应低于0.02mm/min，取土要求同上。,2009.09,粘性土的残余强度(residual strength)-补充,超固结土与正常固结土在剪切试验中具有和紧砂相似的应力应变特征，即具有残余强度，其特点与规律如下：1)粘性土的残余强度与它的应力历史无关，对同一种土，超固结的与正常固结的，其残余强度一样；2)在大剪切位移下，超固结粘土的强度降低幅度比正常固结粘土大；3)残余强度包线是通过原点的一条直线，即=0，该直线一般都位于正常固结粘土峰值强度包线以下。,2009.09,大剪切位移粘土强度降低的机理与紧砂不同，表现在如下两个方面：一是受剪过程中，原来凝聚排列的颗粒在剪切面附近形成片堆排列，即片状颗粒与剪切面平行排列；二是吸着水层中，水分子的定向排列和阳离子分布因受剪切而遭到破坏，从而降低了颗粒摩擦和咬合作用的结果。,2009.09,研究土的残余强度意义：对土坡稳定性分析意义重大，如果土中某一点的剪应力达到峰值后，该点强度将降低，并引起周围区域的应力增大，而逐渐达到峰值，于是破坏范围逐渐发展，最后使整个土体产生滑动，这就是所谓的“渐进性破坏”；对高度超固结的硬粘土斜坡，土内常有张开或闭合的裂缝，有可能产生渐进性破坏，使强度降低到接近残余强度。因此，对这种土，稳定分析应采用残余强度；校核刚停止活动不久的滑坡稳定性，也应采用残余强度。,2009.09,砂土的残余强度,紧砂在达到峰值强度之后，如果剪位移继续增加，强度将减小，最后保持不变，并趋于松砂的强度，这一不变的强度就是残余强度，见图其原因被认为是剪位移克服了颗粒之间的咬合作用之后，砂土结构崩解变松的结果。,2009.09,四、无侧限抗压强度试验,无侧限抗压强度试验实际上是三轴压缩试验的一种特殊情况，即周围压力的三轴试验，所以又称单轴试验。无侧限抗压强度试验所使用的无侧限压力仪见图6-9(a)所示，现在常利用三轴仪作该种试验，试验时，在不加任何侧向压力的情况下，对圆柱体试样施加轴向压力。直至试样剪切破坏为止。,2009.09,试样破坏时的轴向压力以qu表示，称为无侧限抗压强度。由于周围压力为0，根据试验结果，只有一个极限应力圆，难以得到破坏包络线见图6-9(b)。,2009.09,饱和粘性土的三轴不固结不排水试验结果表明，其破坏包络线为一水平线，即=0，因此可以利用无侧限抗压强度qu来得到饱和粘性土的无侧限抗压强度，,饱和粘土不固结不排水剪的强度线（总应力）是一条水平线。（T）,2009.09,利用无侧限抗压强度试验可以测定饱和粘性土的灵敏度St。土的灵敏度是以原状土的强度与同一土经重塑后(完全扰动，但含水量不变)的强度之比来表示，即St=qu/qo式中qu 原状土的无侧限抗压强度kPa；qo 重塑土的无侧限抗压强度kPa。,2009.09,土的灵敏度愈高，其结构性 愈强，受扰动后土的强度降低就愈多。,2009.09,五、十字板剪切试验,上述三种抗剪强度测试方法都是室内测定土抗剪强度的方法，这些试验方法都要求先取得原状土样，但试样在采取、运送、保存和制备过程中受到扰动，难以保持土天然状态含水量，特别对于高灵敏度的粘性土，利用室内试验结果难以精确反映土的实际情况。十字板剪切试验是土抗剪强度的原位测试方法，该方法适合于在现场测定饱和粘性土的原位不排水强度，特别适用于均匀的饱和软粘土。它的优点是构造简单，操作方便，试验时对土的结构扰动也较小，故在实际中广泛得到应用。,2009.09,十字板剪切试验不需取原状土样，试验时的排水条件、受力状态与土所处的天然状态比较接近，对于很难取样的土，如软粘土，也可以进行测试。十字板剪力仪构造见图6-10。,2009.09,试验原理如下：试验时先将套管打到预定的深度，并将套管内的土清除。将十字板装在钻杆的下端后，通过套管压入土中，压入深度约为750mm。然后由地面上的扭力设备对钻杆施加扭矩，使埋在土中的十字板扭转，直至土剪切破坏。破坏面为十字板旋转所形成的圆柱面。设剪切破坏时所施加的扭矩为M，则它应该与剪切破坏圆柱面(包括侧面和上下面)上土的抗剪强度所产生的抵抗力矩相等，即,2009.09,2009.09,由十字板在现场测定的土的抗剪强度，属于不排水剪切的试验条件，因此其结果应与无侧限抗压强度试验结果接近，即,2009.09,相关考题,（3）由十字板在现场测定的饱和粘土的抗剪强度属于 的试验条件。（1）下列各组土工试验，必须使用原状土样的是（d）a 含水量、塑限、液限和比重；b 含水量、压缩系数和比重；c 最优含水量、压缩指数和内摩擦角；d 无侧限抗压强度、压缩模量和内聚力；,2009.09,（2）对施工速度较快，而地基土的透水性差和排水条件不良时，可采用三轴仪的（a）结果计算抗剪强度。a 不固结不排水试验；b 固结不排水试验；c 固结排水试验；d 不固结排水试验,2009.09,相关考题,（2）试述三轴压缩试验的原理，如何利用三轴压缩试验求得土的抗剪强度指标。（3）说明在何种条件下采用排水剪、不固结不排水剪、固结不排水剪试验的强度指标进行设计。（13）采用直剪试验可确定土的抗剪强度。直剪试验有几种方法？试验结果有何差别。（14）扼要说明三轴不固结不排水剪、固结不排水剪、固结排水剪试验方法的区别。,2009.09,一般情况下，土原始密度越大，其抗剪强度 越高。,2009.09,第四节影响土抗剪强度的因素,影响土抗剪强度的因素,土的矿物成分、颗粒形状和级配的影响,含水量的影响,原始密度的影响,粘性土触变性的影响,土的应力历史的影响,对粘性土来说，主要是矿物成分的影响。对砂性土来说，主要是颗粒的形状、大小及级配的影响。,随含水量的增高土抗剪强度降低。,一般情况下，土原始密度越大，其抗剪强度越高。,粘性土触变性可影响到土的抗剪强度,土体受力历史不同，影响土体强度的试验结果,2009.09,【例6-1】设粘性土地基中某点的主应力,，土的抗剪强度指标，试问该点处于什么状态？,2009.09,故：可判定该点处于稳定状态。,2009.09,【例6-3】在饱和状态正常固结粘土上进行固结不排水的三轴压缩试验，得到如下值，当侧压力 2.0 kg/cm2时，破坏时的应力差 kg/cm2，孔隙水压力，滑移面的方向和水平面成60。求这时滑移面上的法向应力和剪应力和，另外，试验中的最大剪应力及其方向怎样呢？,2009.09,关 键 概 念土的抗剪强度概念；土抗剪强度理论；极限平衡条件表达式；土中一点最容易破坏的面与最大剪应力面关系；土抗剪强度的测定；实际土体抗剪强度指标的选定,2009.09,思 考 题,6-1各类建筑工程设计中，为了建筑物的安全可靠，要求建筑地基必须同时满足哪些技术条件？6-2何谓抗剪强度？何谓极限平衡条件？6-3解释土的内摩擦角和粘聚力的含义？6-4直剪试验和三轴试验的优缺点？6-5简述影响土抗剪强度的主要因素?6-6简述室内确定土抗剪强度指标的基本方法及这些方法的特点?6-7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？,2009.09,计 算 题,6-1破坏面上的法向应力为283kPa和剪应力为127kPa以及试件中的最大剪应力140kPa。6-2大主应面成夹角=15的斜面上的正应力573kPa和剪应力100kPa。,2009.09,考点分析,1.土的抗剪强度与强度机理 考点如下：（1）土的抗剪强度的定义；（2）抗剪强度的机理（强度来源）；（3）影响土的抗剪强度的因素（物理化学性质、孔隙水压力等）。,2009.09,2.土的极限平衡条件与摩尔-库仑破坏理论 考点如下：（1）极限平衡状态与极限平衡条件的概念；（2）粘性土和无粘性土的极限平衡条件；（3）摩尔-库仑强度理论的要点。,2009.09,莫尔库仑强度理论概要,(1)土中某点任一平面上的剪应力达到抗剪强度时，这一点处于极限平衡状态，土的破坏就是土中剪应力达到了土的抗剪强度所致，即；(2)任一平面上的抗剪强度是该面上法向应力的函数，随剪切面上法向应力大小而改变，即；(3)同一种土可在不同应力状态下剪破，一组土样极限应力圆的公切线就是其强度包线，他一般是曲线，但在一定应力范围内这一函数关系可用直线近似表示，即(4)破坏面不一定发生在最大剪应力作用面（）上，而是在法向应力与剪应力最不利组合面上，即于最大主应力面的夹角为的面上。注意：该理论只是一种土的强度破坏理论；在各种强度理论中，莫尔理论最适合研究土的强度和稳定，但该理论忽略了中主应力的 影响。,2009.09,3.抗剪强度的测定方法 考点如下：（1）各种方法的优缺点；（2）三轴剪切试验试验类型的选择；（3）抗剪强度包线的确定。,2009.09,5.土的抗剪强度指标 考点如下：（1）三轴试验时的正常固结试样和超固结试样与正常固结土和超固结土的异同；（2）三种试验方法用于饱和软粘土时，对正常固结情况和超固结情况典型结果；（3）饱和粘性土在不同排水条件下测得的C、值大小比较。,2009.09,6.剪切试验中土的性状 考点如下：（1）临界孔隙比、残余强度、砂土液化的概念；（2）密砂和松砂在剪切荷载作用下的应力-应变关系；（3）粘性土残余强度的特点、产生原因及研究意义；,2009.09,thanks！,Its no use talking a lot without doing(光说不干是没有用的),