第五章土的抗剪强度ppt课件.ppt
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1、第五章,莫尔库伦抗剪强度理论,土的极限平衡条件,土的抗剪强度指标测定,饱和黏性土的抗剪强度性状,砂土的抗剪强度性状,地基承载力土压力土体稳定性,影响,土的抗剪强度,本章脉络,渗透特性变形特性强度特性,土的抗剪强度理论 土的抗剪强度试验 黏性土的抗剪强度 无黏性土的抗剪强度,建(构)筑地基必须同时满足下列两个技术条件,地基变形条件,地基强度条件,地基的沉降量、沉降差、倾斜与局部倾斜都不超过国家规范规定的地基变形允许值。,在建(构)筑物的上部荷载作用下,确保地基的稳定性,不发生地基剪切破坏或滑动。,土的强度,是指一部分土体相对于另一部分土体滑动时的抵抗力,实质上就是土体与土体之间的摩擦力。,土的破
2、坏主要是由剪切所引起的,剪切破坏是土体破坏的重要特点。土的强度问题实质上就是土的抗剪强度问题。,土的抗剪强度f,土体抵抗剪切破坏的极限能力。,剪切面,土体剪切破坏时沿某一面发生与剪切方向一致的相对位移,该面称为剪切面,极限平衡状态,土体中任意一点在某一面的剪应力达到土的抗剪强度时就发生剪切破坏,该点就处于了极限平衡状态。,极限平衡条件,土体处于极限平衡状态时,土的应力状态和抗剪强度指标之间的关系式,或叫剪切破坏条件。,与土的抗剪强度有关的工程问题,1、建筑物的地基问题 地基承载力,2、土工结构物的稳定性问题土坡稳定性,3、土作为工程结构的环境的问题土压力,(a)建筑地基承载力,(c)挡土墙地基
3、的稳定,(b)土工建筑物的土坡稳定,1913年加拿大Transcona 谷仓,主要原因: 对谷仓地基土层事先未作勘察、试验与研究,采用的设计荷载超过地基土的抗剪强度,导致这一严重事故。,工程实例,1972年香港宝城滑坡,主要原因: 山坡上残积土本身强度较低,加之连续大暴雨,雨水入渗使其强度进一步大大降低,使得土体滑动力超过土的抗剪强度,于是山坡土体发生滑动。,工程实例,土的应力-应变-强度关系复杂,(一)、库伦强度定律(公式)(1773年),砂土:,黏性土:,图5.2.1,c 土的黏聚力; 土的内摩擦角,抗剪强度指标的大致取值范围,砂土:中砂、粗砂、砾砂一般为 =32o-40o; 粉砂、细砂一
4、般为 =28o-36o。 c:一般为0,有时也取很小的值(约在10kPa之内)。,黏性土: 的变化范围很大,与土的种类、土的天然结构 是否破坏、排水固结程度及试验方法等因素有关, 一般为 = 0o-30o。 c:10kPa-200kPa。,抗剪强度指标(总应力强度指标),土的抗剪强度的来源及影响因素,无黏性土,抗剪强度与剪切面上的法向总应力成正比。,抗剪强度来源:土颗粒间的摩擦阻力(内摩擦力)。,颗粒间的摩擦阻力,1、由于土颗粒粗糙产生的表面滑动摩擦阻力;,2、土颗粒凹凸面间的镶嵌作用所产生的咬合力。,无黏性土抗剪强度,大,小,矿物成分:石英矿物, ;云母矿物, 颗粒大小:颗粒越大, 级配状况
5、:级配良好, 密实度:原始密度越大, 颗粒形状:土粒均匀, 粗糙程度:表面越粗糙, 含水量:含水量, ,抗剪强度影响因素,抗剪强度除了内摩擦力,还有土黏之间的黏聚力。,黏性土的抗剪强度,颗粒间的内摩擦力,取,决,大,小,土的黏聚力,土的黏聚力,矿物成分:含有各种胶结物质,c,土的结构:结构受扰动,c,静电引力效应,黏性土颗粒之间的胶结作用,含水量:含水量, c ,原始密度越大, c ,应力历史影响,黏性土,抗剪强度,含水量,缩限,塑限,液限,含水量对黏性土的抗剪强度的影响,抗剪强度,强度恢复,结构未破坏,结构破坏,时间lgt,土的结构对黏性土的抗剪强度的影响,S1:胶结作用固化黏聚力,S2:电
6、分子引力作用原始黏聚力,S1,S2,库伦公式的有效应力表达形式,土的有效黏聚力 土的有效内摩擦角,有效应力强度指标,土的抗剪强度的表达方法,总应力法:,有效应力法:,或,如果剪切面上的剪应力为,那么f 有可能吗?,土的抗剪强度是否为定值?,讨论,(二)、莫尔-库伦强度理论,图5.2.2 莫尔破坏包线,由库伦公式表示莫尔破坏包线的强度理论称为莫尔库伦强度理论。,破坏标准:,极限平衡状态,根据静力平衡条件:,mn平面上的应力:,图5.3.1 土体中任意点的应力,(一)、土中某点的应力状态,图5.3.2 土体中任意点的应力,莫尔应力圆的方程:,土中某点的应力状态可用莫尔应力圆描述。莫尔圆圆周上各点的
7、坐标就表示该点在相应平面上的正应力和剪应力。,、q坐标系,广义剪应力:,平均主应力:,二维问题:,圆心横坐标,半径,一点的应力状态,mn平面上的应力:,(二)、极限平衡条件,极限应力圆,抗剪强度包线,整个莫尔圆位于抗剪强度包线的下方(圆),图5.3.3 莫尔圆与抗剪强度包线之间的关系,抗剪强度包线是莫尔圆的一条割线(圆),莫尔圆与抗剪强度包线相切(极限应力圆),建立极限平衡条件,图5.3.4,由三角形ARD可知:,或,黏性土的极限平衡条件,或,无黏性土的极限平衡条件,或,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:,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
8、角。因此,土的剪切破坏并不是由最大剪应力max所控制。,土的莫尔库伦强度理论可归纳为如下几点,1、土的抗剪强度随该面上的正应力的大小而变;,2、土的强度破坏是由于土中任意点在某平面上的剪应力达 到土的抗剪强度所致;,4、破裂面不发生在最大剪应力作用面(=45)上,而是在应 力圆与强度包线相切点所代表的截面上,即与大主应力面成 f=45+ /2夹角(与小主应力的夹角为f=45- /2)的 斜面上;,5、如果同一种土有几个试样在不同的大、小主应力组合下 受剪破坏,则在-图上可得几个莫尔极限应力圆,这 些应力圆的公切线就是其抗剪强度包线。土的莫尔强度包 线可视为一直线。,3、根据摩尔库伦强度理论可建
9、立土的极限平衡条件,即 1f、3f与c、 关系的表达式;,(三)、莫尔-库伦强度准则,以莫尔-库伦抗剪强度作为土中一点是否剪切破坏的基准而建立起来的强度准则称为莫尔-库伦强度准则。,判断土体中一点是否发生剪切破坏的方法,1、图解法 图解法是将土的抗剪强度曲线和土中一点的应力圆绘在同一坐标中, 比较二者位置的相对关系,来判定土中一点所处的应力状态, . 应力圆与抗剪强度线相离,土体 该点处于稳定平衡状态,如图圆 ; . 应力圆与抗剪强度线相切,土体 该点处于极限平衡状态,如图圆 ; . 应力圆与抗剪强度线相割,土体 该点破坏,如图圆 。,判断土体中一点是否发生剪切破坏的方法,2、特定面上的剪应力
10、法 特定面上的剪应力法是将土中一点某给定平面上的剪应力与抗剪强度f比较,来判定土中一点给定平面所处的应力状态。当f 时,土体该平面被剪切破坏(不可能状态)。 该法主要用于土中一点给定平面所处的应力状态判定,不能直接用于一点的应力状态判定,若用于一点的应力状态判定,给定平面就必须是一个特定面,该特定面就是可能的破裂面,即与大主应力面夹角为45+/2的平面。,判断土体中一点是否发生剪切破坏的方法,3、应力倾角法,一点的应力状态按下列条件判定:当 时,土体该点被剪切破坏。对于无黏性土,应力倾角的物理意义是可能破裂面上的总应力与正应力的夹角 。,应力圆的切线与水平轴的夹角 称为应力倾角。,判断土体中一
11、点是否发生剪切破坏的方法,4、主应力法,破坏,当q qf 时,土体该点被剪切破坏。,【例题5-1】已知土中某点的应力z=300kPa,x=220kPa,xz=30kPa,土的抗剪强度指标c=5.0kPa, =20,试判断该点的应力状态。,【解】,1、特定面上的剪应力法,实质:计算破坏面上的剪应力与抗剪强度f比较,破裂面上的正应力和剪应力:,破裂面上的抗剪强度:,该点处于稳定平衡状态,2、应力角法,该点处于稳定平衡状态,3、主应力法,该点处于稳定平衡状态,【习题5-1】某砂土地基的 =30, c=0,在均布条形荷载p作用下,计算得到土中某点1=100kPa,3=30kPa, 该点是否破坏?,【解
12、】用四种方法计算,1、3、 、c1f,这表明:在3=30kPa的条件下,该点如处于极限平衡,则最大主应力为1f=90kPa。实际1应力大于该值,故可判断该点已破坏。,2、1、 、c3f,这表明:在1 =100kPa的条件下,该点如处于极限平衡,则最小主应力为3f=33.33kPa。实际3应力小于该值,故可判断该点已破坏。,3、计算破坏面上的剪应力与抗剪强度f比较,破坏面上土的抗剪强度为:,可判断该点已破坏。,4、3、 1 、c ,有效应力表示的极限平衡条件,可判断该点已破坏。,【例题5-2】已知土中某点的最大主应力1=300kPa,最小主应力3=180kPa,u=60kPa。土的抗剪强度指标c
13、=10.0kPa ,=28。试判断该点是否发生破坏?,【解】,该点处于稳定平衡状态,利用极限平衡条件如何求?,小 结,库伦定律莫尔-库伦强度理论极限平衡条件,表达形式抗剪强度指标影响因素,含义,黏性土无黏性土,度的常用方法测定土的抗剪强,直接剪切试验,三轴压缩试验,无侧限抗压强度试验,现场十字板剪切试验,室内试验,现场试验,大型直接剪切试验,试验仪器:直剪仪(应变控制式、应力控制式),(一) 、直接剪切试验,图5.4.1 应变控制式直剪仪示意图,应变控制式直剪仪,应变控制式直剪仪,应变控制式直剪仪,试验方法,对同一种土至少取4个重度和含水量一样的试样,分别在不同垂直压力(法向应力) 下剪切破坏
14、。一般可取垂直压力为100、200、300、400kPa,分别测得不同垂直压力作用下所对应的抗剪强度f,绘制f - 曲线。,试验成果,黏性土直接剪切试验结果,无黏性土直接剪切试验结果,直接剪切试验按排水条件分类,快剪试验: 是在试样施加竖向压力后,立即快速施加水平 cq q 剪应力使试样剪切破坏。,固结快剪:是允许试样在竖向压力下充分排水,待固结稳 ccq cq 定后,再快速施加水平剪应力使试剪切破坏。,慢剪试验:是允许试样在竖向压力下排水,待固结稳定后, cs s 以缓慢的速率施加水平剪应力使试样剪切破坏。,缺点:、人为地限制剪切面在上下盒之间,而不是沿土样最 薄弱的面剪坏。、剪切时上下盒错
15、开,受剪面积逐渐减小,而在计算 抗剪强度时仍按土样原截面积计算。、剪切面上剪应力分布不均匀,土样剪切破坏时先从 边缘开始,在边缘发生应力集中现象;、试验时不能严格控制排水条件,不能测量孔隙水压 力,在进行不排水剪切时,试件仍有可能排水,因 此会对试验结果有影响。,直剪试验的优缺点,优点:仪器构造简单,操作方便,易于掌握,(二) 、三轴压缩试验,试验仪器:应变式三轴压缩仪、应力式三轴压缩仪,图5.4.3 三轴压缩仪,应变式三轴压缩仪,应变控制式三轴仪压力室,A,B,C,试验步骤,1.制备、装样,2.施加周围压力,3.施加竖向压力,4.结果处理,三轴压缩试验分类,三轴压缩试验按剪切前土样受周围压力
16、的固结状态和剪切时的排水条件,可以分为三种试验方法:,1、不固结不排水试验 (UU),简称不排水(剪)试验,2、固结不排水试验 (CU),简称固结不排水(剪)试验,3、固结排水试验 (CD),简称排水(剪)试验,分别对应于直剪试验的快剪、固结快剪和慢剪试验,1.不固结不排水剪(UU),三轴试验:简称不排水(剪)试验。试验试样在施加周围压力和随后施加竖向压力直至剪切破坏的整个过程中部不允许排水, 试验自始至终关闭排水阀门。 cu u,直剪试验:通过试验加荷的快慢来实现是否排水。使试样在35min内剪破,称之为快剪。 cq q,2. 固结不排水剪(CU),三轴试验:简称固结不排水(剪)试验。试样在
17、施加周围压力时打开排水阀门,允许排水固结,待固结稳定后关闭排水阀门, 再施加竖向压力,使试样在不排水的条件下剪切破坏。ccu cu,直剪试验:剪切前试样在垂直荷载下充分固结,剪切时速率较快,使土样在剪切过程中不排水,这种剪切方法为称固结快剪。ccq cq,3. 固结排水剪(CD),三轴试验:简称排水(剪)试验。试样在施加周围压力时允许排水固结,待固结稳定后,再在排水条件下施加竖向压力至试件剪切破坏。cd d,直剪试验:试样在垂直压力下固结稳定,再以缓慢的速率施加水平剪力,直至剪破,整个试验过程中尽量使土样排水,试验方法称为慢剪。 cs s,三轴试验的优缺点,优点:、试验中能严格控制试样排水条件
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