土的抗剪强度-建筑土木-工程科技.ppt

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1、5 土的抗剪强度,主讲人：陈林靖福州大学土木工程学院岩土工程研究所,学 习 要 点,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。,知 识 点,土的抗剪强度、库仑公式、摩尔库仑强度理论、直剪仪、三轴仪测定抗剪强度指标、土在剪切中的性状和各类抗剪强度指标。,重 点 与 难 点,重点：土的极限平衡条件、抗剪强度指标的确定方法；难点：抗剪强度指标的确定方法。,土的抗剪强度：是指土体对于外荷载所产生的剪应力的极 限抵抗能力。,变形破坏 沉降、位移、不均

2、匀沉降 等超过规定限值(已学)强度破坏 地基整体或局部滑移、隆起，土工构筑物失稳、滑坡,土体强度破坏的机理：在外荷载作用下，土体中将产生剪应力和剪切变形，当土中某点由外力所产生的剪应力达到土的抗剪强度时，土就沿着剪应力作用方向产生相对滑动，该点便发生剪切破坏。,地基破坏,5.1 土的抗剪强度理论,5.1 土的抗剪强度理论,土的抗剪强度：土体抵抗剪切破坏的极限能力。,土坝、路堤等填方边坡以及天然土坡等，在超载、渗流乃至暴 雨作用下引起土体强度破坏后将产生整体失稳边坡滑坡等故。,山体滑坡,边坡,f=tan,砂土,后来，根据粘性土剪切试验,f=c+tan,粘土,c,库仑定律：在一般应力水平下，土的抗

3、剪强度与滑动面上的法向应力之间呈直线关系,抗剪强度指标：c:土的粘聚力:土的内摩擦角,库仑根据砂土剪切试验,5.1.1 库仑公式,有效应力强度指标,f=tan,f=c+tan,粘土,c,C:土的有效粘聚力:土的有效内摩擦角,f,土的抗剪强度随着它的固结压密而不断增长。,土体抗剪强度来源与影响因素,摩擦力来源：滑动摩擦-剪切面土粒间表面的粗糙所产生的摩擦 咬合摩擦-土粒间互相嵌入所产生 的咬合力 粘聚力来源：由土粒之间的胶结作用和电分子引力等因素形成 抗剪强度影响因素：摩擦力：剪切面上的法向总应力、土的初始密度、土粒级配、土粒形状以及表面粗糙程度粘聚力：土中矿物成分、粘粒含量、含水量以及土的结构

4、,1、土中一点的应力状态,楔体静力平衡,5.1.2 莫尔库仑强度理论,求解斜面上的应力：,莫尔应力圆方程,A(,),圆心坐标(1+3)/2，0,应力圆半径r(13)/2,土中某点的应力状态可用莫尔应力圆描述,2、土的极限平衡条件,应力圆与强度线相离：,抗剪强度线,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,s1增大或s3减小,3、莫尔库仑破坏准则,莫尔应力圆与库仑强度线相切的应力状态作为土的破坏准则,是目前判别土体所处状态的最常用准则。,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

5、，而与大主应力作用面的夹角为f，可知，土的剪切破坏并不是由最大剪应力max所控制。,莫尔库仑破坏准则,c,A,c.cot,(1+3)/2,无粘性土：c=0,1f,3,根据应力状态计算出大小主应力1、3,判断破坏可能性,由3计算1f比较1与1f,11f 破坏状态,3=常数：,破坏判断方法,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,判断破坏可能性,由1计算3f比较3与3f,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力1、3,判断破坏可能性,由1、3计算与比较,安全状态=极限平衡状态 不可能状态,O,c,(1+3)/2

6、=常数：圆心保持不变,例 题 分 析,地基中某一单元土体上的最大主应力为430kPa，最小主应力为200kPa。通过试验测得土的抗剪强度指标c=15 kPa，=20o。试问该单元土体处于何种状态？单元土体最大剪应力出现在哪个面上，是否会沿剪应力最大的面发生剪破？,【解答】,1=430kPa，3=200kPa，c=15kPa，=201.计算法 计算结果表明：1f大于该单元土体实际大主应力1，实际应力圆半径小于极限应力圆半径，所以，该单元土体处于弹性平衡状态。,计算结果表明：3f小于该单元土体实际小主应力 3，实际应力圆半径小于极限应力圆半径，所以，该单元土体处于弹性平衡状态。,在剪切面上,库仑定

7、律,由于f，所以，该单元土体处于弹性平衡状态。,2.图解法,c,最大剪应力与主应力作用面成45o,最大剪应力面上的法向应力,库仑定律,最大剪应力面上f，所以，不会沿剪应力最大的面发生破坏,max,一、室内试验二、野外试验,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：原状土的原位强度,5.2 抗剪强度的测定方法,5.2 抗剪强度的测定方法,一、直接剪切试验试验仪器：直剪仪（应力控制式，应变控制式）,应变控制式直接剪切仪,剪切试验,剪前施加在试样顶面上的竖向压力为剪破面上的法向应力，剪应力由剪切力除

8、以试样面积,在法向应力作用下，剪应力与剪切位移关系曲线，根据曲线得到该作用下，土的抗剪强度。,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。,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：剪切破坏面固定为上下盒之间的水平面不符合实 际情况，不一定是土样的最薄弱面。,直剪试验优缺点,试验中不能严格控制排水条件，对透水性强的土尤为突出，不能量测土样的孔隙水压力。上下盒的错动，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。,二、三轴剪切试验,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:

9、1.装样2.施加周围压力3.施加竖向压力,应变控制式三轴仪压力室、量测系统,应变控制式三轴仪,剪切试件,三轴剪力仪,强度包线,(1-)f,c,(1-)f,1,1=15%,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,抗剪强度包线,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。,三轴试验优缺点,三、无侧限抗压强度试验,

10、无侧限压缩仪,三、无侧限抗压强度试验,无侧限抗压强度试验是三轴剪切试验的特例，对试样不施加周围压力，即3=0，只施加轴向压力直至发生破坏，试样在无侧限压力条件下，剪切破坏时试样承受的最大轴向压力qu，称为无侧限抗压强度。,根据试验结果只能作出一个极限应力圆（3=0，1=qu）。因此对一般粘性土，无法作出强度包线。,对于饱和软粘土，根据三轴不排水剪试验成果，其强度包线近似于一水平线，即u=0,qu,cu,无侧限抗压强度试验仪器构造简单，操作方便，可代替三轴试验测定饱和软粘土的不排水强度。,适用于测定饱和软粘土的不排水强度:,灵敏度,粘性土的原状土无侧限抗压强度与原土结构完全破坏的重塑土的无侧限抗

11、压强度的比值。根据灵敏度将饱和粘性土分类：低灵敏度土 14,反映土的结构受挠动对强度的影响程度,适用于现场测定饱和粘性土的不排水强度，尤其适用于均匀的饱和软粘土,四、十字板剪切试验,柱体上下平面的抗剪强度产生的抗扭力矩,柱体侧面剪应力产生的抗扭力矩,5.4 土的抗剪强度指标,一、总应力强度指标与有效应力强度指标 库仑定律 说明：施加于试样上的垂直法向应力为总应力，c、为总应力意义上的土的粘聚力和内摩擦角，称之为总应力强度指标。,一、总应力强度指标与有效应力强度指标,根据有效应力原理：土的抗剪强度并不是由剪切面上的法向总应力决定，而是取决于剪切面上的法向有效应力。土体在承受相同的总应力情况下，可

12、以处于不同的有效应力状态下，因此土体的强度也不同。,三轴剪力仪,三轴剪力仪,1、固结不排水剪（CU）施加周围压力3 打开排水阀门，试样完全排水固结，孔隙水压力完全消散 关闭排水阀门 再施加轴向压力增量，使试样在不排水条件下剪切破坏。,二、不同排水条件时的剪切试验方法及成果表达,将总应力圆在水平轴上左移uf得到相应的有效应力圆，按有效应力圆强度包线可确定c、。,ccu,c,饱和粘性土在三组3下进行固结不排水剪试验得到A、B、C三个不同3作用下破坏时的总应力圆，由总应力圆强度包线确定固结不排水剪总应力强度指标ccu、cu。,2、不固结不排水剪（UU）施加周围压力3 施加轴向压力直至剪破，整个过程都

13、关闭排水阀门，不允许试样排水固结。,二、不同排水条件时的剪切试验方法及成果表达,有效应力圆,总应力圆,u=0,cu,uA,饱和粘性土在三组3下的不排水剪试验得到A、B、C三个不同3作用下破坏时的总应力圆。,试验表明：虽然三个试样的周围压力3不同，但破坏时的主应力差相等，三个极限应力圆的直径相等，因而强度包线是一条水平线,三个试样只能得到一个有效应力圆。,3、固结排水剪（CD）试样在周围压力3打开排水阀门作用下排水固结打开排水阀门缓慢施加轴向压力增量直至剪破整个试验过程中，始终保持试样的孔隙水压力为0,二、不同排水条件时的剪切试验方法及成果表达,在整个排水剪试验过程中，uf 0，总应力全部转化为

14、有效应力，所以总应力圆即是有效应力圆，总应力强度线即是有效应力强度线。强度指标为cd、d。,cd,总结:对于同一种土，在不同的排水条件下进行试验，总应力强度指标完全不同；有效应力强度指标不随试验方法的改变而不同，抗剪强度与有效应力有唯一的对应关系。,二、不同排水条件时的剪切试验方法及成果表达,三、例题分析,【例】对某种饱和粘性土做固结不排水试验，三个试样破坏时的大、小主应力和孔隙水压力列于表中，试用作图法确定土的强度指标ccu、cu和c、。,【解答】,按比例绘出三个总应力极限应力圆，如图所示，再绘出总应力强度包线。,按由1=1-uf，3=3-uf，将总应力圆在水平轴上左移相应的uf即得3个有效

15、应力极限莫尔圆，如图中虚线圆，再绘出有效应力强度包线,c,ccu,根据强度包线得到：ccu=10 kPa c u=18o c=6 kPa=27o,四、粘性土残余强度指标,残余强度公式：,土体受剪切后强度降低的原因：土体结构破坏，粘聚力丧失 矿物晶体定向排列,土体残余强度的应用：边坡的破坏各处不均匀，有些地方已经破坏，应采用残余强度指标计算。,五、无粘性土剪切的特性,剪胀紧密砂土e较小剪切过程中体积增大e增大,剪缩松散砂土e较大剪切过程中体积减小e减小,同种无粘性土持续剪切最终趋于同一孔隙比临界孔隙比ecr,应变硬化,应变软化,剪胀,剪缩,最终趋于同一孔隙比临界孔隙比ecr,剪切过程中的各项指标变化,松散砂土的剪缩效应，导致其在地震中很可能会液化：砂土颗粒相互靠近，并对孔隙水进行挤压导致孔隙水产生较大孔隙水压力，致使砂土颗粒间的有效应力为0。,六、抗剪强度指标的选用,