土的抗剪强度土力学.ppt
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1、第三章 土的抗剪强度,加拿大Transcona谷仓的地基事故,在绪论中叙述的加拿大大型谷仓的严重事故,就是地基强度破坏的典型工程实例。其原因是当仓库满载时超过地基强度的极限荷载,从而引起地基整体滑动破坏。这是设计师的失误。,平移滑动,各种类型的滑坡或崩塌,崩塌,旋转滑动,流滑,土主要是由土颗粒组成的,土粒之间的联接强度远小于土粒本身的强度。因此,土在外荷载作用下的破坏现象,主要表现为土粒间的互相错动,导致土体之间相对滑动而出现剪切破坏。土的抗剪强度是土的重要力学性质之一。在工程实践中与土的抗剪强度有关的工程问题主要有三类:建筑物地基和路基的承载力;挡土墙和地下结构的土压力;堤坝、基坑、路堑以及
2、各类边坡的稳定性。在土木工程建设工作中,对于土体稳定性的计算分析而言,抗剪强度是其中最重要的计算参数。,本章主要内容有土的强度理论、抗剪强度的主要测定方法、土的抗剪强度指标及其影响因素,并对孔隙压力系数和应力路径的概念和应用作简要介绍。要求:牢固掌握库仑公式和摩尔库仑强度理论、土的抗剪强度指标的测定方法、掌握不同固结和排水条件下土的抗剪强度指标的意义及其应用,熟悉抗剪强度指标的影响因素,了解孔隙压力系数和应力路径的基本概念及应用,能利用抗剪强度的基本理论和试验方法,解决实际工程中土的强度和稳定问题。,问题1:土的强度指的是什么?问题2:土的强度如何表达?其参数是什么?问题3:土的强度参数如何获
3、得?,土的抗剪强度,为了建立土的抗剪强度的概念,先来考察一静止物体与其下方粗糙平面之间的摩擦现象。当物体仅受到竖直力P作用时,接触面对物体的反力R竖直向上,此时物体没有滑动的趋势。,P,R,如加上一个水平推力Q,物体就有滑动趋势。这时反力R与接触面的法向成某一角度。当水平推力逐渐增大,一旦达到接触面的摩擦力时,物体便处于即将滑动的状态。称为极限平衡状态。,P,R,Q,F,N,水平推力再稍有增加,物体就会产生滑动。从普通物理学中 知道:两物体之间的摩擦力,取决于接触面上的法向压力N和接触面的粗糙程度。粗糙程度可用摩擦系数表示。土体内部的相对滑动,与上述概念有相似之处,即土中一点的抗剪强度与正应力
4、有关。,P,R,Q,F,N,问题1:土的强度指的是什么?土的强度就是指的土的抗剪强度。土的抗剪强度可以由室内剪切试验来确定。首先,在横截面积为A的土样上施加一竖向力P,使土样受到法向应力P/A,然后再对土样施加一水平力T,使土样受到剪切而破坏,此时土样的抗剪强度为f=T/A。试验表明f随增大而增大,f与成直线关系。,土的抗剪强度,库 仑 公 式,库仑于1776年根据对土体的剪切试验,提出了土体抗剪强度的表达式为:对无粘性土:对粘性土:式中,问题2:土的强度如何表达?其参数是什么?,这两个公式可分别用下面的图中曲线来表示:,抗剪强度,法向应力,抗剪强度,法向应力,C,无粘性土,粘性土,库仑公式由
5、库仑公式可以看出:土的抗剪强度是由土的内摩擦阻力tan及粘聚力c两部分组成。存在于土体内部的摩擦力来源于两方面:一是剪切面上颗粒与颗粒粗糙面产生的滑动摩擦阻力,二是由于颗粒之间的嵌入和联锁作用而产生的咬合力。粘聚力c是由于土粒之间的胶结作用、结合水膜以及水分子引力作用等形成的。土的抗剪强度与金属、混凝土等材料一般所指的抗剪强度不同,它与剪切面上的法向应力成正比。即土的抗剪强度随剪切面上法向应力大小而变,而不是一个定值;土的强度由两个强度指标c、来表示。对同一土样,在同一种试验方法及试验条件下,其c、值是个常数。,土体受剪面的三种状态及判断在力的作用下,会使土体受剪面上产生法向应力和剪应力。受剪
6、面是否破坏,取决于该面上的剪应力与该面上的抗剪强度f之间的大小关系。与f相比较,有三种不同的情况,分别说明受剪面所处的三种不同状态:f,例题:通过试验已测得土体的抗剪强度指标30,c=10kPa,该土体某一截面上作用有法向应力=300kPa,剪应力=160kPa,问该截面处于何种状态?当为多少时,截面将发生破坏?,解:(1)已知=300kPa,30,c=10kPa,则该截面的抗剪强度为f=tg+c=300tg30+10=183.2kPa,而现在截面实际所受的剪应力=160kPa f=183.2kPa,所以该截面处于稳定平衡状态。,(2)当该截面上的剪应力超过抗剪强度f时,即 f=183.2kP
7、a时,该截面发生破坏。,在测出土的抗剪强度指标后,可以在坐标中绘出库仑强度曲线。当土体中某受力面上的法向应力与剪应力已知时,可以分别以为横坐标,为纵坐标,在同一坐标系中绘出一点M(,),M点与库仑强度曲线的相互位置可有三种关系,如图所示:,利用库仑强度曲线,用图解法来判断土体受剪面所处的状态,抗剪强度,法向应力,C,M点在曲线的下方,f,说明 处于稳定平衡状态;,M点恰好落在库仑强度曲线上,=f,说明 处于极限平衡状态;,M点在曲线的上方,说明 f,说明 已经破坏。,M,M,M,前已说明,土的强度特指抗剪强度,土体的破坏为剪切破坏。关于材料强度理论有多种,不同的理论适用于不同的材料。通常认为,
8、摩尔库仑理论最适合土体的情况。摩尔强度理论认为材料受荷载发生破坏是剪切破坏,在破坏面上的剪应力f是法向应力的函数:f=f()由此函数关系所确定的曲线称为摩尔强度包线。库仑通过一系列土的强度试验,总结出了库仑定律(公式):f=f()c+tan这种以库仑定律表示摩尔破坏包线的理论称为摩尔库仑强度理论,此理论在世界各国得到了广泛的应用。,摩尔库仑强度理论,为了研究土中一点是否破坏,需要先了解土中一点的应力状态。看一个平面问题:某点土单元两个相互垂直的面上分别作用着大主应力1和小主应力3。,土中一点应力状态,1,1,3,3,n,m,3,dssin,1,dscos,ds,根据静力平衡条件,可得:Fx=0
9、,3dssin-dssin+dscos=0Fy=0,1dscos-dscos+dssin=0,土中一点应力状态,1,1,3,3,n,m,3,dssin,1,dscos,ds,根据静力平衡条件,可得:Fx=0,3dssin-dssin+dscos=0Fy=0,1dscos-dscos+dssin=0,土中一点应力状态,联立求解以上方程便得到斜面mn上的正应力和剪应力:=(1+3)/2+(1-3)cos2/2=(1+3)sin2/2,由材料力学应力状态分析可知,以上、与1、3的关系也可以用摩尔应力圆表示。其圆周上各点的坐标即表示该点在相应平面上的法向应力和剪应力。,土中一点应力状态,=(1+3)/
10、2+(1-3)cos2/2=(1+3)sin2/2,A(,),2,O,1,3,土中某点是否破坏,可将摩尔应力圆与土的抗剪强度包线绘在同一坐标图上并作相对位置比较。它们的关系存在三种情况:摩尔应力圆整体在抗剪强度包线的下方。f,抗剪强度,C,法向应力,1,2,3,摩尔圆与强度包线相割。f,摩尔圆与强度包线相切。=f,当土中任意点在某一平面上的剪应力达到抗剪强度时,称该点处于极限平衡状态。极限平衡状态的应力条件称为极限平衡条件。,土的极限平衡条件,抗剪强度,C,法向应力,1,2,3,极限平衡条件,当土体处于极限平衡状态时,从摩尔圆与强度包线的几何关系可推得粘性土的极限平衡条件。,=c+tan,2f
11、,O,1,3,A(,),(1+2)/2,c cot,c,R,D,化简、移项,经三角函数关系转换后得:,由图中几何关系,可得破坏面与大主应力作用面的夹角f为:,极限平衡条件,应当指出,上述土的极限平衡条件是反映土的强度的重要公式,并非纯理论性的研究,而具有工程设计时的实用意义。如前所述,土的抗剪强度f 实际上取决于有效应力,所以公式中的 取有效摩擦角 时才代表实际的破裂角。,例题:某砂土地基30,c=0。某点应力1=100kPa,3=30kPa,问该点是否剪破?,解1:把1=100kPa,30,c=0代入公式,得,3=1tan2(45-/2)=33kPa(此为极限平衡状态下的3),实际的3=30
12、kPa,小于算得的3=33kPa,,故可判断该点已剪破。,例题:某砂土地基30,c=0。某点应力1=100kPa,3=30kPa,问该点是否剪破?,解2:把3=30kPa,30,c=0代入公式,得,1=3tan2(45+/2)=90kPa(此为极限平衡状态下的1),实际的1=100kPa,大于算得的1=90kPa,故可判断该点已剪破。,例题:某砂土地基30,c=0。某点应力1=100kPa,3=30kPa,问该点是否剪破?,解3:对c=0的无粘性土,有sin=(1-3)/(1+3),把1、3、c代入上式,得,=sin-1(1-3)/(1+3)=32 41(此为极限平衡状态下的),计算的大于强度
13、指标,仍可判断该点已剪破。,例题:某砂土地基30,c=0。某点应力1=100kPa,3=30kPa,问该点是否剪破?,解4:先计算出破裂面上的正应力和剪应力:f=45+/2=60=(1+3)/2+(1-3)cos2f/2=47.5kPa=(1+3)sin2f/2=30.31kPa,而破裂面上的抗剪强度:,f=c+tan=0+47.5tan30=27.42kPa=30.31kPa,故也可判断该点已剪破。,土的抗剪强度是土的一个重要力学性质,其大小表现为c、值,在确定地基承载力、挡土墙的土压力以及验算土坡的稳定性时,都要用到土的抗剪强度指标。因此,正确地测定和选择土的抗剪强度指标是土工计算十分重要
14、的问题。确定土的抗剪强度指标的试验称为剪切试验。测定土的抗剪强度仪器经过不断发展和改造,目前已有多种类型的室内试验仪器和野外测试设备。其中室内试验常用的有直剪仪、三轴压缩仪、无侧限压缩仪等;在现场常用的有十字板剪切仪和大型直剪仪等。,第二节 抗剪强度的测定方法,第二节 抗剪强度的测定方法,直接剪切(直剪)试验,装置:1、可装土样的上、下盒2、竖直及水平加荷部分3、量测剪切和竖直变形装置试验方法:1、用环刀切取土样然后推入上、下盒中;2、由杠杆系统通过活塞对试样施加垂直压力;3、轮轴匀速推进下盒(应变控制式),使试样沿上、下盒水平接触面产生剪切位移;4、按一定时间间隔读取量力环上的百分表读数,直
15、至最大数出现;,第二节 抗剪强度的测定方法,直剪仪(图2),直接剪切(直剪)试验,抗剪强度,法向应力,C,剪应力大小根据量力环上的百分表由测定的量力环变形值经换算确定;取3个以上试样,在不同的垂直压力作用下测得相应的最大剪应力值;根据一组垂直压力及对应的剪应力,可绘出库仑强度包线。p1fp2f2 p3f3p4f4,绘图时必须使纵横坐标的比例尺完全一致。,第二节 抗剪强度的测定方法,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,不固结不排水,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-
16、充分固结在3-5分钟内剪切破坏,优点:直剪仪构造简单,操作简便,并符合某些特定条件,至今仍是试验室常用的一种试验仪器。缺点:剪切过程中试验内的剪应变和剪应力分布不均匀;剪切面被人为地限制在上下盒的接触面上,而该平面未必是试样最弱的剪切面;剪切过程中试样面积逐渐减小;不能严格控制排水条件,不能量测试样中的孔隙水压力。,第二节 抗剪强度的测定方法,直剪试验的优缺点,三轴压缩(剪切)试验,两个特点:对圆柱形的试样造成三个轴向受力的条件,使试样在一定的应力条件下,沿某一斜截面是发生剪破,其应力条件比较明确;可以控制排水条件,并可以量测试样的孔隙水压力。,1,2,3=2,对试样施加均布的周围压力3,再在
17、垂直方向施加压力增量1,使轴向压力1(=3+1)逐渐增大。当达到某一数值时,试样剪破。,第二节 抗剪强度的测定方法,第二节 抗剪强度的测定方法,三轴压缩仪试验装置,第二节 抗剪强度的测定方法,三轴压缩仪试验装置,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
18、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,抗剪强度,C,法向应力,试验结果,取一组试样,分别取3 100,200,300kPa,然后施加垂直压力1,直至破坏。这样可得到一组极限应力圆;做这一组极限应力圆的公切线,可得其强度指标。,1,3,3,1,第二节 抗剪强度的测定方法,3,1,1,3,f,三种标准试验方法,直剪试验快剪固结快剪慢剪,三轴试验不固结不排水剪固结不排水剪固结排水剪,第二节 抗剪强度的测定方法,能严格控制试样的排水条件,能测孔隙水压力,从而可获得土中有效应力的变化情况;与直剪试验对比,试样中的应力状态较为明确和均匀,破裂面为f=45+
19、/2;除抗剪强度指标外,还可测定土的灵敏度、侧压力系数、孔隙水压力系数等力学指标。,第二节 抗剪强度的测定方法,三轴试验的特点:,无侧限抗压强度试验,特点:圆柱形试样;只施加垂直压力,直至剪破,1,试样所能承受的最大轴向压力qu称为无侧限抗压强度。,1,3=0,2=0,第二节 抗剪强度的测定方法,无侧限抗压强度试验,根据试验结果,只能作一个极限应力圆(1=qu,3=0),因此对于一般粘性土就难以作出破坏包线。而对于饱和粘性土,根据在三轴不固结不排水试验的结果,其破坏包线近似于一条水平线,即u=0。这样,若仅为了测定饱和粘性土的不排水抗剪强度,就可以利用构造比较简单的无侧限抗压试验仪代替三轴仪。
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