第七章 土的抗剪强度.ppt

第七章 土的抗剪强度,7.1 概述7.2 土的抗剪强度理论7.3 土的抗剪强度试验 7.4 三轴压缩试验中的孔隙压力系数7.5 饱和黏性土的抗剪强度7.6 应力路径在强度问题中的应用7.7 无黏性土的抗剪强度,7.1 概述,1、土的抗剪强度：土体抵抗剪应力的极限值，或土体抵抗剪切破坏的受剪能力。2、工程中的剪切破坏3、剪切试验,各种类型的滑坡,1994年4月30日崩塌体积400万方，10万方进入乌江死4人，伤5人，失踪12人；击沉多艘船只1994年7月2-3日降雨引起再次滑坡滑坡体崩入乌江近百万方；江水位差数米，无法通航。,乌江武隆鸡冠岭山体崩塌,滑坡堰塞湖易贡湖湖水每天上涨50cm！,天然坝 坝高290 m滑坡堰塞湖 库容15亿方,2000年西藏易贡巨型滑坡,锚固破坏,整体滑动,底部破坏,土体下沉,墙体折断,挡土支护结构的破坏,广州京光广场基坑塌方,使基坑旁办公室、民工宿舍和仓库倒塌，死3人，伤17人,大阪的港口码头挡土墙由于液化前倾,地基的破坏,砂土的液化(liquefaction),日本新泻1964年地震引起大面积液化,土压力 边坡稳定性 地基承载力 振动液化特性,挡土结构物破坏 各种类型的滑坡 地基的破坏 砂土的液化,核心问题:,土体的强度理论,7.2 土的抗剪强度理论,一、库伦公式及抗剪强度指标二、莫尔库伦强度理论及极限平衡条件,法国军事工程师，在摩擦、电磁方面做出了奠基性的贡献。1773年发表了关于土压力方面论文，成为土压力的经典理论,库仑（C.A.Coulomb）(1736-1806),5.2 土的抗剪强度理论 直剪试验与库伦公式,直 剪 试 验,直剪试验,法向应力：,剪应力：,剪切变形S,直剪试验的强度包线,库仑公式：（1776）,f：土的抗剪强度tg：摩擦强度-正比于压力：土的内摩擦角 c：粘聚强度-与所受压力无关,5.2 土的抗剪强度理论 直剪试验与库伦公式,土的抗剪强度指标,c和是决定土的抗剪强度的两个指标，称为抗剪强度指标,当采用总应力时，称为总应力抗剪强度指标当采用有效应力时，称为有效应力抗剪强度指标,对无粘性土通常认为，粘聚力C=0,库仑公式:,5.2 土的抗剪强度理论 直剪试验与库伦公式,摩 擦 强 度,摩擦强度：决定于剪切面上的正应力和土的内摩擦角,由颗粒之间发生滑动时颗粒接触面粗糙不平所引起，与颗粒的形状，矿物组成，级配等因素有关,滑动摩擦,5.2 土的抗剪强度理论 土的抗剪强度机理,摩擦强度：决定于剪切面上的正应力和土的内摩擦角,是指相邻颗粒对于相对移动的约束作用当发生剪切破坏时，相互咬合着的颗粒A必须抬起，跨越相邻颗粒B，或在尖角处被剪断（C），才能移动 土体中的颗粒重新排列，也会消耗能量,咬合摩擦,5.2 土的抗剪强度理论 土的抗剪强度机理,摩 擦 强 度,摩 擦 强 度,密度粒径级配颗粒的矿物成分粒径的形状粘土颗粒表面的吸附水膜,影响土的摩擦强度的主要因素:,5.2 土的抗剪强度理论 土的抗剪强度机理,凝 聚 强 度,细粒土：粘聚力c取决于土粒间的各种物理化学作用力,作用机理：库伦力（静电力）、范德华力、胶结作用力和毛细力等影响因素：地质历史、粘土颗粒矿物成分、密度与离子浓度,粗粒土：一般认为是无粘性土，不具有粘聚强度：,当粗间有胶结物质存在时可具有一定的粘聚强度 非饱和砂土，粒间受毛细压力，具有假粘聚力,5.2 土的抗剪强度理论 土的抗剪强度机理,二、莫尔库伦强度理论及极限平衡条件,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()莫尔包线(或称为抗剪强度包线)：这个函数在f 坐标中的一条曲线,应力莫尔圆,5.2 土的抗剪强度理论 莫尔-库仑强度理论,莫尔库仑强度理论：由库伦公式表示莫尔包线的强度理论。,莫尔圆应力分析符号规定,5.2 土的抗剪强度理论 莫尔-库仑强度理论,极限平衡应力状态,5.2 土的抗剪强度理论 莫尔-库仑强度理论,极限平衡应力状态：当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圆的公切线,切点=破坏面,应力莫尔圆与强度包线,强度包线以下：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与破坏包线相交：有一些平面上的应力超过强度,5.2 土的抗剪强度理论 莫尔-库仑强度理论,不可能发生,土单元的某一个平面上的抗剪强度f是该面上作用的法向应力的单值函数,f=f()（莫尔：1900年）在一定的应力范围内，可以用线性函数近似f=c+tg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,莫尔库仑强度理论,5.2 土的抗剪强度理论 莫尔-库仑强度理论,莫尔-库仑强度理论的破坏准则,土的极限平衡条件：处于极限平衡状态时，1和3之间应满足的关系,无粘性土,5.2 土的抗剪强度理论 莫尔-库仑强度理论,土单元是否破坏的判别,根据极限平衡条件可以用来判别一点土体是否已发生剪切破坏,计算主应力1,3：,确定土单元体的应力状态（x，z，xz）,判别是否剪切破坏：,由3 1f，比较1和1f 由1 3f，比较3和3f 由1,3 m，比较和m,5.2 土的抗剪强度理论 莫尔-库仑强度理论,土单元是否破坏的判别,1=1f 极限平衡状态（破坏）11f 不可能状态（破坏）,方法一：由3 1f，比较1和1f,5.2 土的抗剪强度理论 莫尔-库仑强度理论,土单元是否破坏的判别,方法二：由1 3f，比较3和3f,3=3f 极限平衡状态（破坏）3 3f 安全状态33f 不可能状态（破坏）,5.2 土的抗剪强度理论 莫尔-库仑强度理论,土单元是否破坏的判别,方法三：由1,3 m，比较和m,m 不可能状态（破坏）,处于极限平衡状态所需的内摩擦角,5.2 土的抗剪强度理论 莫尔-库仑强度理论,剪切破坏面的位置,2=90+,=45+/2,可见土体破坏的剪切破坏不在45最大剪应力面上，为什么？,与大主应力面夹角:,5.2 土的抗剪强度理论 莫尔-库仑强度理论,小 结,直剪试验与库仑公式土的抗剪强度机理 莫尔-库仑强度理论,直剪试验库仑公式土的抗剪强度指标c和,应力状态与莫尔圆极限平衡应力状态莫尔-库仑强度理论土体破坏判断方法滑裂面的位置,摩擦强度：滑动、咬合摩擦凝聚强度,5.2 土的抗剪强度理论 莫尔-库仑强度理论,7.3 土的抗剪强度试验,一、直接剪切试验二、三轴压缩试验三、无侧限抗压强度试验四、十字板剪切试验,室内试验：直剪试验三轴试验等 野外试验：十字板扭剪试验旁压试验等,抗剪强度测定试验,重塑土制样或现场取样缺点：扰动优点：应力和边界条件 清楚，易重复,缺点：应力和边界条 件不易掌握优点：原状土的原位 强度,5.3 土的抗剪强度的测定试验,直 剪 试 验,P,T,土样,下盒,上盒,S,面积A,1,S,2,3,f1,f2,f3,直剪仪(direct shear test apparatus),5.3 土的抗剪强度的测定试验 直剪试验,直剪试验的类型,(1)固结慢剪 施加正应力-充分固结 剪切速率很慢，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(3)快剪 施加正应力后立即剪切 3-5分钟内剪切破坏,通过控制剪切速率近似模拟排水条件,5.3 土的抗剪强度的测定试验 直剪试验,直剪试验的优缺点,设备和操作简单人为固定剪切面剪切面应力状态复杂 应力、应变不均匀 主应力方向旋转剪切面积逐渐减小排水条件不明确,5.3 土的抗剪强度的测定试验 直剪试验,直剪试验中的应力状态,剪切破坏时,5.3 土的抗剪强度的测定试验 直剪试验,3.6 常规三轴压缩试验,Casagrande 1930年首先使用试样采用圆柱形土样，用橡皮膜包裹，放在密封压力室的压力水中，施加轴向力，应力状态明确；变形量测简单可控制排水条件；可完整的描述试样受力、变形和破坏的全过程；可进行不同应力路径的试验,三轴：同“单轴”对应，表明土样在三个方向受力常规：同“真”对应，表明土样在两个方向受到相同压力（室压力）的作用，并非真正的三轴应力,常规三轴压缩试验,3.6 常规三轴压缩试验,主机系统 稳压调压系统 量测系统,常规三轴压缩试验仪,组成：,3.6 常规三轴压缩试验,主机系统 稳压调压系统 量测系统,常规三轴压缩试验仪,组成：,3.6 常规三轴压缩试验,3.6 常规三轴压缩试验,主机系统 稳压调压系统 量测系统,常规三轴压缩试验仪,组成：,3.6 常规三轴压缩试验,常规三轴压缩试验仪,水,稳压调压系统,排水管或孔压量测,阀门,轴向活塞,有机玻璃罩,橡皮膜,透水石,顶帽,压力室及试样,阀门,马达,横梁,量力环,百分表,3.6 常规三轴压缩试验,常规三轴压缩试验,通常试验分为两个阶段：,施加周围压力3：,过程中，允许试样排水称为固结；不允许试样排水称为不固结,施加轴向力，进行剪切：,过程中，允许试样排水称为排水；不允许试样排水称为不排水,应力特点与试验方法,方法：固结：试样施加围压力1=2=3 剪切：施加应力差1=1-3,应力特点：试样是轴对称应力状态垂直应力z一般是大主应力1侧向应力总是相等x=y，且为中、小主应力2=3,5.3 土的抗剪强度的测定试验 三轴试验,3.6 常规三轴压缩试验,常规三轴压缩试验,不固结不排水试验UU unconsolidated-undrained test 固结不排水试验CU consolidated-undrained test 固结排水试验CD consolidated-drained test,常规三轴压缩试验 conventional triaxial compression test,3.6 常规三轴压缩试验,固结排水试验,试验过程：,施加围压，排水阀门始终打开，充分排水施加(1-)进行剪切时，排水阀门始终打开。剪切速度慢足以使孔压消散,测定：轴向变形：轴向应变 轴向力：轴向应力 排水量：体积应变,3.6 常规三轴压缩试验,典型试验结果,与围压有关 非线性 剪胀性,糯扎渡高心墙堆石坝心墙砾石土料试验结果,固结排水试验,3.6 常规三轴压缩试验,变形模量：,泊松比：,一般化的应力应变曲线,弹性模量,固结排水试验,试验过程,施加围压，排水阀门始终打开，充分排水施加(1-)进行剪切时，排水阀门关闭。用孔压传感器量测剪切过程中产生的超静孔隙水压力u,测定：轴向变形：轴向应变 轴向力：轴向应力 孔隙水压力,固结不排水试验,3.6 常规三轴压缩试验,典型试验结果：,糯扎渡高心墙堆石坝心墙砾石土料试验结果,与围压有关非线性剪切过程产生孔压,固结不排水试验,3.6 常规三轴压缩试验,试验过程：,关闭排水阀门，连接孔压传感器，施加围压，量测超静孔隙水压力 uB施加(1-)进行剪切时，关闭排水阀门。用孔压传感器量测剪切过程中产生的超静孔隙水压力 uA,不固结不排水试验,测定：轴向变形：轴向应变 轴向力：轴向应力 孔隙水压力,3.6 常规三轴压缩试验,破坏偏差应力取值方法,松砂,密砂,取曲线的最大偏差应力值作为(1-3)f取规定的轴向应变值（通常15%）所相应的偏差应力作为(1-3)f以最大有效主应力比(1/3)max处的偏差应力值作为(1-3)f,5.3 土的抗剪强度的测定试验 三轴试验,三轴试验确定土的强度包线,由不同围压的三轴试验，得到破坏时相应的（1-)f分别绘制破坏状态的应力摩尔圆，其公切线即为强度包线，可得强度指标c与,5.3 土的抗剪强度的测定试验 三轴试验,固结排水试验（CD试验）Consolidated Drained Triaxial test(CD)总应力抗剪强度指标：cd d（c）,试验类型与强度指标,固结不排水试验（CU试验）Consolidated Undrained Triaxial test(CU)总应力抗剪强度指标：ccu cu,不固结不排水试验（UU试验）Unconsolidated Undrained Triaxial test(UU)总应力抗剪强度指标：cu u（cuu uu）,5.3 土的抗剪强度的测定试验 三轴试验,常规三轴试验优缺点,单元体试验，试样内应力和应变相对均匀应力状态和应力路径明确排水条件清楚，可控制破坏面不是人为固定的设备操作复杂现场无法试验常规三轴试验不能反映2的影响,说明：30 即为无侧限抗压强度试验,5.3 土的抗剪强度的测定试验 三轴试验,三、无侧限抗压强度试验,十字板剪切试验,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,5.3 土的抗剪强度的测定试验十字板剪切试验,假定土体为各向同性，fh=fv=f：,十字板剪切试验,5.3 土的抗剪强度的测定试验十字板剪切试验,一、直接剪切试验,1、直接剪切试验方法：快剪试验固结快剪慢剪试验2、直接剪切试验优缺点,二、三轴压缩试验,3.6 常规三轴压缩试验,小 结,试验仪器试验方法典型试验结果应力应变特点,不固结不排水试验UU 固结不排水试验CU 固结排水试验CD,1、三轴压缩试验方法：（1）不固结不排水试验(UU Test)（2）固结不排水试验(CU Test)（3）固结排水试验(CD Test)2、三轴压缩试验优缺点,四、十字板剪切试验,附加应力情况,三轴应力状态,三轴应力状态,等向压缩应力状态,偏差应力状态,附加应力情况,三轴应力状态,u,uB,uA,附加应力情况,三轴应力状态,关闭排水阀门，连接孔压传感器，施加围压，量测超静孔隙水压力 uB施加(1-)进行剪切时，关闭排水阀门。用孔压传感器量测剪切过程中产生的超静孔隙水压力 uA,不固结不排水试验,附加应力情况,三轴应力状态 等向压缩应力状态,孔隙流体产生超静孔压uB 土骨架有效附加应力：3-uB,孔隙流体的体积变化：,土骨架体积变化：,不排水、不排气：V1=V2,附加应力情况,孔压系数B：,表示单位周压力增量所引起的孔压力增量,饱和土：Cf=CwCs B 1.0 干 土：CfCs B=0 非饱和土：B=0-1之间,B是一个反映土饱和程度的指标,三轴应力状态 等向压缩应力状态,附加应力情况,三轴应力状态 偏差应力状态,孔隙流体产生超静孔压uA,孔隙流体的体积变化：,土骨架体积变化：,附加应力情况,土骨架体积变化：胡克定律,不排水、不排气：V1=V2,孔压系数A,三轴应力状态 偏差应力状态,附加应力情况,三轴应力状态 偏差应力状态,孔压系数A:,对饱和土,B=1,对于线弹性体:A=1/3,剪胀：A1/3,剪缩：A1/3,剪切作用引起的孔压响应,A 是一个反映土体剪胀性强弱的指标，其大小与土性有关。A不是常数，随加载过程而变化,问题:能否对孔压系数 A 作进一步的解释？,附加应力情况,纯剪应力状态,弹性体在承受纯剪荷载时不发生体积应变,等向压缩应力状态,纯剪应力状态,纯剪应力状态,问题:能否对孔压系数 A 作进一步的解释？,附加应力情况,附加应力情况,三轴应力状态,三轴应力状态,等向压缩应力状态,偏差应力状态,u=uB+uA,7.5 饱和黏性土的抗剪强度,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,超固结土,三种不同排水条件下的试验结果对比,抗剪强度指标的选择,7.6 应力路径在强度问题中的应用,f（f）线和f线之间的关系总应力表示时有效应力表示时,