06.土的抗剪强度.ppt

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1、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

2、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

3、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,

4、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

5、 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,

6、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

7、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

8、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

9、,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

10、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

11、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

12、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

13、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

14、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(U

15、U)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,

16、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

17、=-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

18、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

19、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

20、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,(

21、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

22、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

23、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,