土质土力学06土的抗剪性与地基土承载力计算.ppt
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1、6 土的抗剪性与地基土承载力计算,6.1 土的抗剪性6.2 地基承载力概述6.3 土的极限平衡条件6.4 地基承载力理论计算,土是一种抗压不抗拉的材料,其破坏一般认为符合库仑莫尔强度理论,即土在外力作用下发生的破坏通常属于剪切破坏。土抵抗外力剪切破坏的性能称为土的抗剪性。土的抗剪性是土的重要的力学性质之一。抗剪性的指标是抗剪强度,即土受到外力作用以后,土粒间发生滑动,土抵抗剪切破坏的极限强度,或土发生剪切破坏时,在剪切破坏面上的最大剪应力。土体的抗剪能力来自于土粒间的摩擦阻力(即内摩擦力)和土粒间的连结力(凝聚力、粘聚力)。,1、土的抗剪强度的测定 土的抗剪性通过试验方法进行测定,主要是测定抗
2、剪强度指标:(1)反映土粒间摩擦阻力的指标内摩擦角;(2)反映土粒间结构连接强度的指标粘聚力c。试验方法包括室内试验和野外试验,具体有直接剪切试验、三轴剪切试验、十字板剪切试验等。,1)直接剪切试验(直剪试验),实验前,实验后,直剪试验一般平行做3个以上的相同土样不同正压力的试验。试验成果包括剪应力与剪应变的关系曲线和剪应力与正应力的关系曲线。,剪应力与剪应变关系曲线上有一个峰值点,其对应的剪应力即为相应正压力下的抗剪强度,不同正压力下的剪应力与剪应变曲线的形状基本上一样的,但之间存在位移。利用剪应力与剪应变曲线,可以获得不同正压力下的抗剪强度值。同时,该曲线也表明,当剪应力超过抗剪强度后,土
3、体发生剪切破坏,但破坏以后土体仍具有一定的强度,具体表现为剪应力与剪应变曲线在峰值后下降到一定程度后曲线变的平缓,其对应的剪应力称为残余抗剪强度。残余抗剪强度在评价土坡稳定性时经常被使用,通常在研究坚硬粘土坡首次滑动、正在滑动或刚停止不久的滑坡以及古滑坡复活等时应提供残余抗剪强度。,取不同正压力下的抗剪强度作与正压力的关系曲线,即为抗剪强度曲线。所谓正压力是指垂直作用在剪切破坏面上的压力,即剪切面的正压应力。剪应力与正应力关系曲线实际上莫尔包络线(一系列极限莫尔圆的公切线,三轴剪切试验所确定),当该曲线为直线时,称为库仑强度曲线,其方程称为库仑定律。抗剪强度曲线与正压应力轴的夹角称为内摩擦角,
4、该曲线在剪应力轴上的截距称为粘聚力c。,干或饱和砂土、湿砂土及粘性土的库仑定律有些差别。干或饱和砂土的抗剪强度曲线为通过原点的曲线;而湿砂土和粘性土的抗剪强度曲线不通过原点,即曲线在纵轴上存在截距,粘性土的截距较大,而湿砂土的截距往往很小。当抗剪强度曲线呈直线时,其方程为:干或饱和砂土:f=tg湿砂土:f=tg+c粘性土:f=tg+c上述各式中,tg内摩擦力,是强度曲线的斜率;内摩擦角;c粘聚力。,通常湿砂土的强度曲线在纵轴上的截距称为表观粘聚力,是毛细连结力所引起的,一般很小,在工程实践中往往忽略不计。而粘性土强度曲线在纵轴上的截距c称为粘聚力,是粘性土颗粒之间的水胶连接甚至胶结连接力所引起
5、的,其数值往往较大,粘性土的抗剪强度往往主要由粘聚力构成的,土粒间的摩擦阻力通常较小,表现在曲线斜率一般不大,因此,其粘聚力是不能被忽略的。,对于砂土,其内摩擦角近似等于土的天然休止角,其大小与土的密实程度有关,中密砂的内摩擦角一般在2630,密实砂的内摩擦角一般为3035。对于粘性土,内摩擦角一般较小,而粘聚力较大,其大小与土的类型有关,粘土的内摩擦角一般622,粘聚力为5100kpa,粉质粘土的内摩擦角一般为1025,粘聚力为560kpa,粘质粉土一般为1428,粘聚力为020kpa。,2)三轴剪切试验直接剪切试验存在以下四个方面的问题:(1)试验过程中不能控制排水条件,这是试验装置本身的
6、缺陷,没有测定孔隙水压力的装置,而土在剪切过程中,随着正压力的施加以及剪应力的增加,孔隙水压力也发生变化,从而使有效应力发生相应的变化,对测定结果产生影响,由于无法测定孔隙水压力,因此也就无从了解有效应力的变化,测定的结果通常用总应力表示,忽略了孔隙水压力的影响,使结果与实际不符;(2)直接剪切试验时,剪切面是固定的,即土体沿着指定的剪切面发生剪切位移和破坏,这个面不一定是实际土体的破坏面,实际土体在受到外力发生剪切破坏时,破坏面是土体中剪应力超过抗剪强度的面(即所谓的最薄弱面);,(3)直接剪切试验时剪切面的应力状态很复杂,往往在某些部位产生应力集中现象,正压力也容易因上下盒的中轴线不重合发
7、生偏转,而且剪切面在剪切位移的过程中其面积由于产生空洞或剪切位移作用而发生改变(变小),剪应力相应增加,计算抗剪强度时仍按照土样的原截面面积计算,使试验结果与实际存在偏差;(4)试验时容易在上下盒间嵌入砂粒,使试验结果偏大。,因此在工程实践中采用三轴剪切试验来测定土的抗剪强度。通常所做的三轴试验属于准三轴试验,即围压2=3的试验。试验时对土样施加三个方向的压力作用,土体将沿一个与三个压力方向均斜交的面发生剪切破坏。这种试验又称三轴压缩试验。所施加的三个压力为主应力,试验时其方向是固定的,试验条件是12=3,而破坏面则是不固定的。,1,Pc,3,实验装置,1,Pc,3,单一破坏面,1,3,X共轭
8、破坏面,为了获得强度曲线,确定抗剪强度指标,通常要制备34个土样进行不同围压的压缩试验,其成果是一组土样发生剪切破坏时的(1i,3i)(i=1,2,n)(n为土样数量)。由这些资料作每个土样发生破坏时的莫尔圆(在坐标系中)(极限莫尔圆),这些极限莫尔圆的包络线即为强度曲线,若为直线则为库仑强度曲线,其方程即为库仑定律。,三轴剪切试验的优点之一是在试验过程中能随时测定孔隙水压力的变化。当符合库仑定律时,抗剪强度与正应力之间存在如下关系即库仑定律:f=tg+c无孔隙水压力时f=(-u)tg+c有孔隙水压力时其中,有效内摩擦角;c有效粘聚力;剪切破坏面上的总正应力;u孔隙水压力(超静),由正应力和剪
9、应力所引起孔隙水压力的增加值。,2、土的抗剪强度的组成从库仑定律可以看出,砂土及碎石土的抗剪强度由内摩擦阻力构成,粘性土的抗剪强度则由内摩擦阻力和粘聚力两个部分构成:内摩擦阻力包括土粒之间相对位移所产生的表面摩擦力、土粒间连锁作用而产生的咬合力。咬合力是土体相对位移滑动时,将嵌在其他颗粒之间的土粒拔出所需要的力,土越密实,连锁作用越强,咬合力越大。,粘聚力包括原始粘聚力、固化粘聚力和毛细粘聚力。原始粘聚力即为水胶连接力,可因扰动而丧失部分或全部,但会随着时间而恢复其中的一部分或全部,土越密实,原始粘聚力越大。固化粘聚力即为胶结连接力,是土因胶结作用而产生的粘聚力,当土的天然结构破坏时,固化粘聚
10、力随之丧失,而且不能恢复。毛细粘聚力是毛细作用引起的,一般很小,往往忽略不计。,3、影响土的抗剪强度的因素1)土的矿物成分、颗粒形状和级配的影响对于粘性土,主要是矿物成分的影响。不同粘土矿物具有不同的晶格结构,它们的稳定性、亲水性和胶体特性也各不相同,因而对粘性土的抗剪强度(主要是对粘聚力)产生显著的影响。一般来说,粘性土的抗剪强度随着粘粒和粘土矿物含量的增加而增大,或者说随着胶体活动性的增强而增大。对于砂性土,主要是颗粒的形状、大小及级配的影响。一般来说,在土的颗粒级配中,粗颗粒越多、形状越不规则、表面越粗糙,则内摩擦角越大,因而抗剪强度越高。,2)含水量的影响含水量的增高一般会使土的抗剪强
11、度降低。这种影响主要表现在两方面,一是水分在较粗颗粒之间起着润滑作用,使摩擦阻力降低;一是粘土颗粒表面结合水膜的增厚使粘聚力(水胶连接力)减小。但试验研究表明,砂土在干燥状态时的内摩擦角值与饱和状态时的内摩擦角值差别很小,仅12,即含水量对砂土的抗剪强度的影响很小。而对于粘性土,含水量对抗剪强度有重大影响,通常粘性土在相同法向压力下的不排水抗剪强度随含水量的增高而急剧下降。,3)天然密实度的影响一般地,土的天然密实度越大,抗剪强度就越高。对于粗颗粒土如砂土,密实度越大,颗粒之间的咬合作用越强,因而摩擦阻力越大;对于细颗粒土如粘性土,密实度大则意味着颗粒之间的距离越近,水膜越薄,粘聚力就越大。同
12、一种粗颗粒土如砂土,不同密实度时,剪切过程中,剪应力与剪应变曲线的形态是不同的。密砂的剪应力随剪应变的增加而很快增大到某个峰值,而后逐渐减小一些,最后趋于某一稳定的终值,体积变化开始时稍有减小,随后不断增加(呈剪胀性);松砂的剪应力随着剪应变的增加而缓慢地增大并趋于某一最大值,不出现峰值,体积在受剪时相应地减小(呈剪缩性)。所以,在实际允许较小剪应变的条件下,密砂的抗剪强度显然大于松砂。,4)粘性土触变性的影响粘性土的强度会因受到扰动而削弱,但经过静置又可得到一定程度的恢复,对于粘性土的这一特性称为触变性。由于粘性土具有触变性,故在粘性土地基中进行钻探取样时,若土样受到明显扰动,则试样就不能反
13、映其天然强度,土的灵敏度越大,这种影响就越显著;又如在灵敏度较高的粘性土地基中开挖基坑,地基土也会因为施工扰动而发生强度削弱。粘性土的触变性对强度的影响应值得注意。另一方面,当扰动停止后,粘性土的强度又会随时间而逐渐增长。如在粘性土中进行打桩时,桩侧土因受到扰动而导致强度降低,但在停止打桩后,土的强度逐渐恢复,桩的承载力也随之增加,这种现象是土的触变性影响的表现。,5)土的应力历史土的受压过程所造成的受力历史状态,对土的强度的试验结果也有影响。可以从压缩曲线相应的强度曲线的形态特征得到证明。6)孔隙水压力孔隙水压力不会产生土颗粒之间的摩擦力,只有作用在颗粒之间的有效应力才能产生内摩擦强度。根据
14、有效应力原理,孔隙水压力升高,有效应力下降,抗剪强度也下降。,4、剪切试验三种排水条件类型1)根据试验时的排水条件的不同,将土的抗剪强度试验(直剪试验)分为:(1)慢剪排水剪(CD),土在受到外力(通常为正压力作用后,压缩达到稳定、土体充分固结后,再施加剪切力作用使其剪切破坏,剪切过程中能够充分排水。这种试验过程中,不会产生孔隙水压力,即无孔隙水压力。通常对于排水条件好的土(如砂土等粗粒土),当施工时间较长且加荷速率较小时,评价其强度采用慢剪试验。,(2)固结快剪固结不排水剪(CU),土在受到外力作用后,压缩稳定、充分固结后,加剪力在35min内将其剪坏,剪切过程中不排水。一般地质条件下、一般
15、建筑工程中采用。(3)快剪不排水剪(UU),土在受到外力作用后,立即在35min内将其剪坏,剪切过程中不排水。适用于加荷速率大、排水条件差、施工时间短的情况,以及评价土坡稳定和饱和粘土的强度时。一般直剪试验仪无测定孔隙水压力的装置。,2)三轴剪切试验根据试验排水条件也分为慢剪、固结快剪和快剪三种试验。(1)慢剪(CD)对土样施加三向相等的压力3,待孔隙水压力完全消散后,在保持围压3不变的前提下则逐渐加大1,直至土样发生剪切破坏。期间保持孔隙水压力为0,即不产生孔隙水压力。试验获得的强度曲线是斜线,存在c和,极限应力圆随位置而变化。总应力与有效应力相等。,2)固结快剪(CU)对土样施加三向相等的
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