第七章 土的抗剪强度.ppt

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1、第七章 土的抗剪强度,7.1 概述7.2 土的抗剪强度理论7.3 土的抗剪强度试验 7.4 三轴压缩试验中的孔隙压力系数7.5 饱和黏性土的抗剪强度7.6 应力路径在强度问题中的应用7.7 无黏性土的抗剪强度,7.1 概述,1、土的抗剪强度：土体抵抗剪应力的极限值，或土体抵抗剪切破坏的受剪能力。2、工程中的剪切破坏3、剪切试验,各种类型的滑坡,1994年4月30日崩塌体积400万方，10万方进入乌江死4人，伤5人，失踪12人；击沉多艘船只1994年7月2-3日降雨引起再次滑坡滑坡体崩入乌江近百万方；江水位差数米，无法通航。,乌江武隆鸡冠岭山体崩塌,滑坡堰塞湖易贡湖湖水每天上涨50cm！,天然坝

2、 坝高290 m滑坡堰塞湖 库容15亿方,2000年西藏易贡巨型滑坡,锚固破坏,整体滑动,底部破坏,土体下沉,墙体折断,挡土支护结构的破坏,广州京光广场基坑塌方,使基坑旁办公室、民工宿舍和仓库倒塌，死3人，伤17人,大阪的港口码头挡土墙由于液化前倾,地基的破坏,砂土的液化(liquefaction),日本新泻1964年地震引起大面积液化,土压力 边坡稳定性 地基承载力 振动液化特性,挡土结构物破坏 各种类型的滑坡 地基的破坏 砂土的液化,核心问题:,土体的强度理论,7.2 土的抗剪强度理论,一、库伦公式及抗剪强度指标二、莫尔库伦强度理论及极限平衡条件,法国军事工程师，在摩擦、电磁方面做出了奠基

3、性的贡献。1773年发表了关于土压力方面论文，成为土压力的经典理论,库仑（C.A.Coulomb）(1736-1806),5.2 土的抗剪强度理论 直剪试验与库伦公式,直 剪 试 验,直剪试验,法向应力：,剪应力：,剪切变形S,直剪试验的强度包线,库仑公式：（1776）,f：土的抗剪强度tg：摩擦强度-正比于压力：土的内摩擦角 c：粘聚强度-与所受压力无关,5.2 土的抗剪强度理论 直剪试验与库伦公式,土的抗剪强度指标,c和是决定土的抗剪强度的两个指标，称为抗剪强度指标,当采用总应力时，称为总应力抗剪强度指标当采用有效应力时，称为有效应力抗剪强度指标,对无粘性土通常认为，粘聚力C=0,库仑公式

4、:,5.2 土的抗剪强度理论 直剪试验与库伦公式,摩 擦 强 度,摩擦强度：决定于剪切面上的正应力和土的内摩擦角,由颗粒之间发生滑动时颗粒接触面粗糙不平所引起，与颗粒的形状，矿物组成，级配等因素有关,滑动摩擦,5.2 土的抗剪强度理论 土的抗剪强度机理,摩擦强度：决定于剪切面上的正应力和土的内摩擦角,是指相邻颗粒对于相对移动的约束作用当发生剪切破坏时，相互咬合着的颗粒A必须抬起，跨越相邻颗粒B，或在尖角处被剪断（C），才能移动 土体中的颗粒重新排列，也会消耗能量,咬合摩擦,5.2 土的抗剪强度理论 土的抗剪强度机理,摩 擦 强 度,摩 擦 强 度,密度粒径级配颗粒的矿物成分粒径的形状粘土颗粒表

5、面的吸附水膜,影响土的摩擦强度的主要因素:,5.2 土的抗剪强度理论 土的抗剪强度机理,凝 聚 强 度,细粒土：粘聚力c取决于土粒间的各种物理化学作用力,作用机理：库伦力（静电力）、范德华力、胶结作用力和毛细力等影响因素：地质历史、粘土颗粒矿物成分、密度与离子浓度,粗粒土：一般认为是无粘性土，不具有粘聚强度：,当粗间有胶结物质存在时可具有一定的粘聚强度 非饱和砂土，粒间受毛细压力，具有假粘聚力,5.2 土的抗剪强度理论 土的抗剪强度机理,二、莫尔库伦强度理论及极限平衡条件,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

6、上的剪应力f 是该面上法向应力 的函数，即f f()莫尔包线(或称为抗剪强度包线)：这个函数在f 坐标中的一条曲线,应力莫尔圆,5.2 土的抗剪强度理论 莫尔-库仑强度理论,莫尔库仑强度理论：由库伦公式表示莫尔包线的强度理论。,莫尔圆应力分析符号规定,5.2 土的抗剪强度理论 莫尔-库仑强度理论,极限平衡应力状态,5.2 土的抗剪强度理论 莫尔-库仑强度理论,极限平衡应力状态：当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圆的公切线,切点=破坏面,应力莫尔圆与强度包线,强度包线以下：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与

7、破坏包线相交：有一些平面上的应力超过强度,5.2 土的抗剪强度理论 莫尔-库仑强度理论,不可能发生,土单元的某一个平面上的抗剪强度f是该面上作用的法向应力的单值函数,f=f()（莫尔：1900年）在一定的应力范围内，可以用线性函数近似f=c+tg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,莫尔库仑强度理论,5.2 土的抗剪强度理论 莫尔-库仑强度理论,莫尔-库仑强度理论的破坏准则,土的极限平衡条件：处于极限平衡状态时，1和3之间应满足的关系,无粘性土,5.2 土的抗剪强度理论 莫尔-库仑强度理论,土单元是否破坏的判别,根据极限平衡条件可以用来判别一点土体是否已发生剪切破坏,计算

8、主应力1,3：,确定土单元体的应力状态（x，z，xz）,判别是否剪切破坏：,由3 1f，比较1和1f 由1 3f，比较3和3f 由1,3 m，比较和m,5.2 土的抗剪强度理论 莫尔-库仑强度理论,土单元是否破坏的判别,1=1f 极限平衡状态（破坏）11f 不可能状态（破坏）,方法一：由3 1f，比较1和1f,5.2 土的抗剪强度理论 莫尔-库仑强度理论,土单元是否破坏的判别,方法二：由1 3f，比较3和3f,3=3f 极限平衡状态（破坏）3 3f 安全状态33f 不可能状态（破坏）,5.2 土的抗剪强度理论 莫尔-库仑强度理论,土单元是否破坏的判别,方法三：由1,3 m，比较和m,m 不可能

9、状态（破坏）,处于极限平衡状态所需的内摩擦角,5.2 土的抗剪强度理论 莫尔-库仑强度理论,剪切破坏面的位置,2=90+,=45+/2,可见土体破坏的剪切破坏不在45最大剪应力面上，为什么？,与大主应力面夹角:,5.2 土的抗剪强度理论 莫尔-库仑强度理论,小 结,直剪试验与库仑公式土的抗剪强度机理 莫尔-库仑强度理论,直剪试验库仑公式土的抗剪强度指标c和,应力状态与莫尔圆极限平衡应力状态莫尔-库仑强度理论土体破坏判断方法滑裂面的位置,摩擦强度：滑动、咬合摩擦凝聚强度,5.2 土的抗剪强度理论 莫尔-库仑强度理论,7.3 土的抗剪强度试验,一、直接剪切试验二、三轴压缩试验三、无侧限抗压强度试验

10、四、十字板剪切试验,室内试验：直剪试验三轴试验等 野外试验：十字板扭剪试验旁压试验等,抗剪强度测定试验,重塑土制样或现场取样缺点：扰动优点：应力和边界条件 清楚，易重复,缺点：应力和边界条 件不易掌握优点：原状土的原位 强度,5.3 土的抗剪强度的测定试验,直 剪 试 验,P,T,土样,下盒,上盒,S,面积A,1,S,2,3,f1,f2,f3,直剪仪(direct shear test apparatus),5.3 土的抗剪强度的测定试验 直剪试验,直剪试验的类型,(1)固结慢剪 施加正应力-充分固结 剪切速率很慢，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-

11、5分钟内剪切破坏(3)快剪 施加正应力后立即剪切 3-5分钟内剪切破坏,通过控制剪切速率近似模拟排水条件,5.3 土的抗剪强度的测定试验 直剪试验,直剪试验的优缺点,设备和操作简单人为固定剪切面剪切面应力状态复杂 应力、应变不均匀 主应力方向旋转剪切面积逐渐减小排水条件不明确,5.3 土的抗剪强度的测定试验 直剪试验,直剪试验中的应力状态,剪切破坏时,5.3 土的抗剪强度的测定试验 直剪试验,3.6 常规三轴压缩试验,Casagrande 1930年首先使用试样采用圆柱形土样，用橡皮膜包裹，放在密封压力室的压力水中，施加轴向力，应力状态明确；变形量测简单可控制排水条件；可完整的描述试样受力、变

12、形和破坏的全过程；可进行不同应力路径的试验,三轴：同“单轴”对应，表明土样在三个方向受力常规：同“真”对应，表明土样在两个方向受到相同压力（室压力）的作用，并非真正的三轴应力,常规三轴压缩试验,3.6 常规三轴压缩试验,主机系统 稳压调压系统 量测系统,常规三轴压缩试验仪,组成：,3.6 常规三轴压缩试验,主机系统 稳压调压系统 量测系统,常规三轴压缩试验仪,组成：,3.6 常规三轴压缩试验,3.6 常规三轴压缩试验,主机系统 稳压调压系统 量测系统,常规三轴压缩试验仪,组成：,3.6 常规三轴压缩试验,常规三轴压缩试验仪,水,稳压调压系统,排水管或孔压量测,阀门,轴向活塞,有机玻璃罩,橡皮膜

13、,透水石,顶帽,压力室及试样,阀门,马达,横梁,量力环,百分表,3.6 常规三轴压缩试验,常规三轴压缩试验,通常试验分为两个阶段：,施加周围压力3：,过程中，允许试样排水称为固结；不允许试样排水称为不固结,施加轴向力，进行剪切：,过程中，允许试样排水称为排水；不允许试样排水称为不排水,应力特点与试验方法,方法：固结：试样施加围压力1=2=3 剪切：施加应力差1=1-3,应力特点：试样是轴对称应力状态垂直应力z一般是大主应力1侧向应力总是相等x=y，且为中、小主应力2=3,5.3 土的抗剪强度的测定试验 三轴试验,3.6 常规三轴压缩试验,常规三轴压缩试验,不固结不排水试验UU unconsol

14、idated-undrained test 固结不排水试验CU consolidated-undrained test 固结排水试验CD consolidated-drained test,常规三轴压缩试验 conventional triaxial compression test,3.6 常规三轴压缩试验,固结排水试验,试验过程：,施加围压，排水阀门始终打开，充分排水施加(1-)进行剪切时，排水阀门始终打开。剪切速度慢足以使孔压消散,测定：轴向变形：轴向应变 轴向力：轴向应力 排水量：体积应变,3.6 常规三轴压缩试验,典型试验结果,与围压有关 非线性 剪胀性,糯扎渡高心墙堆石坝心墙砾石土

15、料试验结果,固结排水试验,3.6 常规三轴压缩试验,变形模量：,泊松比：,一般化的应力应变曲线,弹性模量,固结排水试验,试验过程,施加围压，排水阀门始终打开，充分排水施加(1-)进行剪切时，排水阀门关闭。用孔压传感器量测剪切过程中产生的超静孔隙水压力u,测定：轴向变形：轴向应变 轴向力：轴向应力 孔隙水压力,固结不排水试验,3.6 常规三轴压缩试验,典型试验结果：,糯扎渡高心墙堆石坝心墙砾石土料试验结果,与围压有关非线性剪切过程产生孔压,固结不排水试验,3.6 常规三轴压缩试验,试验过程：,关闭排水阀门，连接孔压传感器，施加围压，量测超静孔隙水压力 uB施加(1-)进行剪切时，关闭排水阀门。用

16、孔压传感器量测剪切过程中产生的超静孔隙水压力 uA,不固结不排水试验,测定：轴向变形：轴向应变 轴向力：轴向应力 孔隙水压力,3.6 常规三轴压缩试验,破坏偏差应力取值方法,松砂,密砂,取曲线的最大偏差应力值作为(1-3)f取规定的轴向应变值（通常15%）所相应的偏差应力作为(1-3)f以最大有效主应力比(1/3)max处的偏差应力值作为(1-3)f,5.3 土的抗剪强度的测定试验 三轴试验,三轴试验确定土的强度包线,由不同围压的三轴试验，得到破坏时相应的（1-)f分别绘制破坏状态的应力摩尔圆，其公切线即为强度包线，可得强度指标c与,5.3 土的抗剪强度的测定试验 三轴试验,固结排水试验（CD

17、试验）Consolidated Drained Triaxial test(CD)总应力抗剪强度指标：cd d（c）,试验类型与强度指标,固结不排水试验（CU试验）Consolidated Undrained Triaxial test(CU)总应力抗剪强度指标：ccu cu,不固结不排水试验（UU试验）Unconsolidated Undrained Triaxial test(UU)总应力抗剪强度指标：cu u（cuu uu）,5.3 土的抗剪强度的测定试验 三轴试验,常规三轴试验优缺点,单元体试验，试样内应力和应变相对均匀应力状态和应力路径明确排水条件清楚，可控制破坏面不是人为固定的设备

18、操作复杂现场无法试验常规三轴试验不能反映2的影响,说明：30 即为无侧限抗压强度试验,5.3 土的抗剪强度的测定试验 三轴试验,三、无侧限抗压强度试验,十字板剪切试验,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,5.3 土的抗剪强度的测定试验十字板剪切试验,假定土体为各向同性，fh=fv=f：,十字板剪切试验,5.3 土的抗剪强度的测定试验十字板剪切试验,一、直接剪切试验,1、直接剪切试验方法：快剪试验固结快剪慢剪试验2、直接剪切试验优缺点,二、三轴压缩试验,3.6 常规三轴压缩试验,小 结,试验仪器试验方法典型试验结果应力应变特点,不

19、固结不排水试验UU 固结不排水试验CU 固结排水试验CD,1、三轴压缩试验方法：（1）不固结不排水试验(UU Test)（2）固结不排水试验(CU Test)（3）固结排水试验(CD Test)2、三轴压缩试验优缺点,四、十字板剪切试验,附加应力情况,三轴应力状态,三轴应力状态,等向压缩应力状态,偏差应力状态,附加应力情况,三轴应力状态,u,uB,uA,附加应力情况,三轴应力状态,关闭排水阀门，连接孔压传感器，施加围压，量测超静孔隙水压力 uB施加(1-)进行剪切时，关闭排水阀门。用孔压传感器量测剪切过程中产生的超静孔隙水压力 uA,不固结不排水试验,附加应力情况,三轴应力状态 等向压缩应力状

20、态,孔隙流体产生超静孔压uB 土骨架有效附加应力：3-uB,孔隙流体的体积变化：,土骨架体积变化：,不排水、不排气：V1=V2,附加应力情况,孔压系数B：,表示单位周压力增量所引起的孔压力增量,饱和土：Cf=CwCs B 1.0 干 土：CfCs B=0 非饱和土：B=0-1之间,B是一个反映土饱和程度的指标,三轴应力状态 等向压缩应力状态,附加应力情况,三轴应力状态 偏差应力状态,孔隙流体产生超静孔压uA,孔隙流体的体积变化：,土骨架体积变化：,附加应力情况,土骨架体积变化：胡克定律,不排水、不排气：V1=V2,孔压系数A,三轴应力状态 偏差应力状态,附加应力情况,三轴应力状态 偏差应力状态

21、,孔压系数A:,对饱和土,B=1,对于线弹性体:A=1/3,剪胀：A1/3,剪缩：A1/3,剪切作用引起的孔压响应,A 是一个反映土体剪胀性强弱的指标，其大小与土性有关。A不是常数，随加载过程而变化,问题:能否对孔压系数 A 作进一步的解释？,附加应力情况,纯剪应力状态,弹性体在承受纯剪荷载时不发生体积应变,等向压缩应力状态,纯剪应力状态,纯剪应力状态,问题:能否对孔压系数 A 作进一步的解释？,附加应力情况,附加应力情况,三轴应力状态,三轴应力状态,等向压缩应力状态,偏差应力状态,u=uB+uA,7.5 饱和黏性土的抗剪强度,一、不固结不排水抗剪强度,二、固结不排水抗剪强度,三、固结排水抗剪强度,超固结土,三种不同排水条件下的试验结果对比,抗剪强度指标的选择,7.6 应力路径在强度问题中的应用,f（f）线和f线之间的关系总应力表示时有效应力表示时,