第06章土的强度.ppt
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1、土的抗剪强度,第六章,土的抗剪强度: 土体对于外荷载所产生的剪应力的极限抵抗能力。,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。,基坑支护,1.挡土结构物的破坏,工程中土体的破坏类型,挡土墙,平移滑动,2.各种类型的滑坡,崩塌,旋转滑动,流滑,地基,p,3.地基的破坏,土压力 边坡稳定性 地基承载力,挡土结构物破坏 各种类型的滑坡 地基的破坏,核心问题:,土体的强度理论,土体强度问题的实质是抗剪强度;土体抗剪强度的大小决定了土体的承载能力。,6.1 土的抗剪强度理论,直剪试验与库仑公式
2、土的抗剪强度机理 莫尔-库仑强度理论,一、直剪试验与库伦公式,法国军事工程师,在摩擦、电磁方面做出了奠基性的贡献。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),1773年C.A.库仑进行了砂土的直接剪切试验,采用直接剪力仪直剪仪,法向应力:,剪应力:,剪切变形S,直 剪 试 验,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,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
3、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,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,摩 擦 强 度,摩 擦 强 度,影响土的摩擦强度的主要因素:,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 颗粒的形状(颗粒的棱角与长宽比) 在其它条件相同时:一般,对于粗粒土,颗粒的棱角提高了内摩擦角,粘聚强度机理 静电引力(库仑力) 范德华力 颗粒间胶结 假粘聚
4、力(毛细力等),粘聚强度影响因素 地质历史 粘土颗粒矿物成分 密度 离子价与离子浓度,粘 聚 强 度,粘聚强度,应力状态与莫尔圆 极限平衡应力状态 莫尔-库仑强度理论 破坏判断方法,莫尔-库仑强度理论,固定滑裂面,一般应力状态,如何判断是否破坏?,借助于莫尔圆,库仑公式,1、土中一点的应力状态及莫尔圆,三维应力状态,二维应力状态,1、土中一点的应力状态及莫尔圆,1、土中一点的应力状态及莫尔圆,z,+zx,-xz,x,2,1,3,大主应力:,小主应力:,圆心:,半径:,z按顺时针方向旋转,x按顺时针方向旋转,莫 尔 圆:代表一个单元的应力状态; 圆上一点:代表一个面上的两个应力与,2. 极限平衡
5、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圆的公切线,切点=破坏面,设土中某点某一平面上的剪应力为 ,相应面上的抗剪强度为f ,按照力学概念,在所有平面上,当,f 材料处于弹性平衡状态,所有各点均未发生剪切破坏,f 材料处于塑性平衡状态,,在该点的部分平面上,若,在该点的某一个平面上,若,=f 材料处于极限平衡状态,,该变化间的相关关系或过程亦可以用莫尔圆与抗剪强度包线之间的相对位置来表示。,2. 极限平衡应力状态,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 与破坏包线相
6、交:有一些平面上的应力超过强度, 不可能发生,此时,大、小主应力所满足的条件称为极限平衡条件或极限平衡关系式,该式对我们进行土体所处的应力状态判别极为有用。,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:1910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,3、莫尔库仑强度理论,莫尔-库仑强度理论表达式极限平衡条件,无粘性土,2,2,与大主应力面夹角: =45 + /2,剪切破坏面的位置,可见土体破坏的剪切破坏不在45最大剪应力面上,为什么?,4、破坏判别方法,判别对象:土体微小
7、单元(一点) 已知条件:一般应力状态、抗剪强度指标,根据应力状态计算出大小主应力1、3,判断破坏可能性,f,f = .tan +c,ta = tfa 极限平衡状态(破坏) ta tfa 不可能状态(破坏),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 不可能状态,3= 常数:,4、破坏判别方法,4、破坏判别方法,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 安全状态 3=3f 极限平衡状态 33f 不可能状态,1= 常数:,4、破坏判别方法,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
8、, 不可能状态 (破坏),(1 + 3)/2 = 常数:圆心保持不变,利用莫尔圆和抗剪强度线画图求解。,利用数学关系,建立直线与莫尔圆方程并联立求解,若直线与莫尔圆联立方程无解,说明直线与莫尔圆不相交土体处于弹性状态;有一个解,莫尔圆与直线相切土体处于临界状态;有二个解,莫尔圆与直线相割土体处于破坏状态。,4、破坏判别方法,例题1,某土样进行剪切试验,测得破坏时剪切破坏面上的应力如表1,试根据测试结果计算土的抗剪强度指标;若已知土中某点的大主应力1 =410kPa 、小主应力3 = 200kPa,试判断该点处于何种应力状态?。,表1 土样破坏时剪切破坏面上的应力值,解:,根据f= .tan +
9、c 得:,22.466= 50.0*tan+c ,59.866= 200.0*tan+c , - ,37.4=150.0 *tan, =tan-1= =tan-1 ( 37.4/150)= tan-1 0.249=14o,c = 22.466- 50.0*tan=22.466-50.0*0.249=10.0(kPa), 3 = 200(kPa),已破坏。,室内试验 室外试验,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,十字板剪切试验、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,6.2 抗剪强度测定试验,6.2 抗剪强度测定试
10、验,试验仪器:直剪仪(应力控制式,应变控制式),6.2 抗剪强度测定试验,一、 直剪试验,一、 直剪试验,6.2 抗剪强度测定试验,通过控制剪切速率来近似模拟排水条件,6.2 抗剪强度测定试验,一、直剪试验,(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 (3) 快剪 施加正应力后 立即剪切3-5分钟内剪切破坏,设备简单,操作方便 结果便于整理 测试时间短,优点,试样应力状态复杂 应力不均匀 不易控制排水条件 剪切面固定,缺点,6.2 抗剪强度测定试验,一、直剪试验,试样破坏面上,
11、应力分布不均匀,边缘处应力集中,而计算抗剪强度时,只能按均匀计算;,剪切前、后试样的横截面面积要发生变化,计算时,只能按剪切前的面积计算;,也就是说,采用直剪仪,下述的缺陷无法避免:,6.2 抗剪强度测定试验,一、直剪试验,特别是:,抗剪强度是有效应力的函数,与有效应力一一对应;即库仑定律应写成: f= .tan或f= .tan +c , f有效应力下的抗剪强度, 有效内摩擦角, c有效内聚力。试验过程中,不同的排水条件下,试样的有效应力是不一样的,因此,排水条件对土体抗剪强度影响极大;而直剪试验是无法严格控制土样的排水条件的。,二、三轴试验,6.2 抗剪强度测定试验,仪器设备:压力室,加压系
12、统,量测系统等组成。,应变控制式三轴仪:压力室,量测系统,二、三轴试验,6.2 抗剪强度测定试验,试验加载步骤,1.装样 将土切成圆柱体并套在橡胶模内,放在密封的压力室中 2.施加周围压力,向压力室内压入水,使试件在各个方向受到周围压力,并使液压在整个试验过程中保持不变,这时试件内各向的三个主应力都相等,因此不产生剪应力,3.施加竖向压力,竖向主应力逐渐增加,试件最终受剪破坏,强度包线,(1-)f,c,(1-)f,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莫尔圆,画出它们的公切线强度包线,得到强度指
13、标 c 与 ,6.2 抗剪强度测定试验,抗剪强度包线,二、三轴试验,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,很快剪切破坏,在施加轴向应力差过程中不排水,cd 、d,ccu 、cu,cu 、u,试验类型,二、三轴试验,6.2 抗剪强度测定试验,优点
14、: 1 应力分布比较均匀; 2 排水条件清楚,可控制; 3 破坏面非人为固定,缺点: 设备相对复杂,操作难度相对增大,说明: 30 即为无侧限抗压强度试验,优点和缺点,6.2 抗剪强度测定试验,二、三轴试验,真三轴仪,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,6.2 抗剪强度测定试验,三、十字板剪切试验,时:,6.2 抗剪强度测定试验,三、十字板剪切试验,强度指标:,峰值强度指标 与 残余强度指标,6.3 抗剪强度指标,粘聚力 c 内摩擦 ,工程应用,三种分类方法,总应力强度指标 与 有效应力强度指标,直剪强度指标 与 三轴试
15、验强度指标,目的,分析方法,试验方法,应力应变状态,直剪和三轴试验中应变软化时: f 峰值强度指标 r 残余强度指标,大变形完全破坏了土的结构强度和咬合作用,残余强度破坏包线通过原点,一. 峰值强度指标与残余强度指标,6.3 抗剪强度指标,两种强度指标的比较,有效应力指标c, f, = c + tgf = -u,符合土的破坏机理,但有时孔隙水压力m无法确定,总应力指标c, , = c + tgf,便于应用,但m不能产生抗剪强度,不符合强度机理,应用时要符合工程条件,强度指标,抗剪强度,简单评价,二. 总应力指标与有效应力指标,6.3 抗剪强度指标,二. 三轴试验强度指标,6.3 抗剪强度指标,
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- 06 强度
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