第五章 土的抗剪与地基承载力.ppt
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1、本章的学习内容,第二节 土的抗剪强度与极限平衡理论 第三节 土的抗剪强度试验 第四节 地基的临界荷载和临塑荷载 第五节 地基的极限承载力,本章的学习要求,1、掌握抗剪强度公式,熟悉抗剪强度的影响因素; 2、掌握摩尔库仑抗剪强度理论和极限平衡理论; 3、掌握抗剪强度指标的测定方法; 4、掌握地基的临界荷载和临塑荷载;,第5章 土的抗剪强度与地基承载力,第一节 概述 土体抵抗剪切破坏的极限能力即为土的抗剪强度。 抗剪强度机理: 当土中某点由外力所产生的剪应力达到土的抗剪强度时,土体就会发生一部分相对于另一部分的移动,该点便发生了剪切破坏。 实际工程中的地基承载力、挡土墙的土压力以及土坡稳定都受土的
2、抗剪强度所控制。因此,研究土的抗剪强度及其变化规律对于工程设计、施工、管理等都具有非常重要的意义。本章主要介绍土的抗剪强度与极限平衡条件、土的抗剪强度试验方法、不同排水条件时剪切试验成果、地基临塑荷载及极限承载力等。,土的破坏主要是由于剪切引起的,剪切破坏是土体破坏的重要特点。 工程实践中与土的抗剪强度有关工程主要有以下3类:,土的强度问题工程背景,(1)是土作为材料构成的土工构筑物的稳定问题;如土坝、路堤等填方边坡及天然土坡的稳定问题。 (2)是土作为工程构筑物的环境的问题,即土压力问题;如挡土墙、地下结构等的周围土体。 (3)是土作为建筑物地基的承载力问题 。,3.土工构筑物的稳定性问题,
3、1. 土工构筑物的稳定性问题 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事故。,2. 构筑物环境的安全性问题即土压力问题 挡土墙、基坑等工程中,墙后土体强度破坏将造成过大的侧向土压力,导致墙体滑动、倾覆或支护结构破坏事故 。,3. 建筑物地基承载力问题 基础下的地基土体产生整体滑动或因局部剪切破坏而导致过大的地基变形 甚至倾覆。,建筑物地基承载力问题(图4),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
4、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 坝高290 m 滑坡堰塞湖 库容15亿方,2000年西藏易贡巨型滑坡,第二节 土的抗剪强度与极限平衡理论 一、抗剪强度的库伦定律,1776年,库仑根据砂土剪切试验得出,f = tan,砂土,后来,根据粘性土剪切试验得出,f =c+ tan,粘土,c,库仑定律:土的抗剪强度是剪切面上的法向总应力 的线性函数,库伦公式,抗剪强度指标,c:土的粘聚力 :土的内摩擦角,(无粘性土:c=0),长期的试验研究指出,土的抗剪强度不仅与土的性质有关,还与试验时的排水条件、剪切速率、应力状态和应力历史等许多因素有关,其中最
5、重要的是试验时的排水条件,根据K太沙基(Terzaghi)的有效应力概念,土体内的剪应力仅能由土的骨架承担,因此,土的抗剪强度应表示为剪切破坏面上法向有效应力的函数,库伦公式应修改为:,二、极限平衡条件 1910年莫尔(Mohr)提出材料的破坏是剪切破坏,当土体中任意一点在某一平面上的剪应力达到土的抗剪强度时,就发生剪切破坏,该点即处于极限平衡状态,根据莫尔库伦理论,可得到土体中点的剪切破坏条件,即土的极限平衡条件下面仅研究平面问题,将各力分别在水平和垂直方向投影,根据静力平衡条件可得:,斜面上的应力,A(, ),土中某点的应力状态可用莫尔应力圆描述,莫尔圆可以表示土体中一点的应力状态,莫尔圆
6、圆周上各点的坐标就表示该点在相应平面上的正应力和剪应力。联立求解以上方程平面上的应力为:,(1)莫尔应力圆,O,x,2,1,3,t,3,1,s,3,s,t,s,s,1,s,O,由材料力学知识,已知大小主应力,可以求得与大主应力作用平面成 角的平面上的法向应力和剪应力。 土单元应力状态的轨迹是一个圆。圆心离圆点距离 圆半径,应力圆与强度线相离:,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,(2)应力圆与强度线的关系,(3)莫尔库仑破坏准则(极限平衡状态),c,A,cctg,1/2(1 +3 ),无粘性土:c=0,粘性土:,粘
7、性土的极限平衡条件,1= 3tg2(45+/2)2ctg (45+/2) 3= 1tg2(45/2)2ctg (45/2),无粘性土的极限平衡条件,1= 3tg2(45+/2) 3= 1tg2(45/2),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,而与最大剪应力面成 / 2的夹角。因此,土的剪切破坏并不是由最大剪应力max所控制。,(4)极限平衡应力状态,极限平衡应力状态: 有一对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。,f,f,强度包线以内: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;
8、 与破坏包线相切:有一个面上的应力达到破坏; 与破坏包线相交:有一些平面上的应力超过强度;不可能发生。,(5)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,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,(6) 破坏判断方法,判别对象:土体微小单元(一点),3= 常数:,O,c,1f,3,2,2,(7) 滑裂面的位置,与大主应力面夹角: =45 + /2,【例题】已知某土体单元的大主应力1480kPa,小主应力3220kPa。通过试验测得土的抗剪强度指标c=20kPa,18,问该单元土体处于什么状态? 【解】已知1480kPa,322
9、0kPa ,c=20kPa, 18 (1)直接用与f的关系来判别,注意:剪破面并不是剪应力最大平面,先画莫尔圆,1,3,90 ,+,分别求出剪破面上的法向应力和剪应力为,求相应面上的抗剪强度f为,由于 f,说明该单元体早已破坏。,220,=20+309.83tan18 =120.67kPa,(2)利用极限平衡条件来判别 由达到极限平衡条件所需要的小主应力值为3f,此时把实际存在的大主应力3 = 480kPa及强度指标c,代入下式中,则得,也可由计算达到极限平衡条件时所需要得大主应力值为1f,此时把实际存在的大主应力3 =480kPa及强度指标c,代入下式中,则得,由计算结果表明,虽然 33f
10、, 但1 1f ,所以该单元土体早已破坏。,问:此例题中最大剪应力平面上,是否也达到破坏?,1,3,90 ,最大剪应力平面与大主应力平面成45 角,正应力 =(1+ 3 )/2=345kPa, f= =133.72kPa 剪应力= (1- 3 )/2=130kPa,由于 f,说明土单元中此点尚未达到破坏状态。,34,室内试验 野外试验,第三节 土的抗剪强度试验方法,三轴试验、直剪试验等 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,测定土抗剪强度指标的试验称为剪切试验: 按常用的试验仪器可
11、将剪切试验分为直接剪切试验、三轴压缩试验、无侧限抗压强度试验和十字板剪切试验四种。 影响土的抗剪强度的因素: 土的密度、含水率、初始应力状态、应力历史及固结程度、试验中的排水条件等。,1、试验仪器:直剪仪(应变控制式,应力控制式),一、 直接剪切试验,2、试验原理,应变控制式直剪仪的试验原理: 对同一种土至少取4个平行试样,分别在不同垂直压力下剪切破坏,将试验结果绘制抗剪强度f与相应垂直压力的关系图。试验结果表明,对于粘性土f 基本上呈直线关系,直线方程可用库伦公式表示;对于无粘性土, f 则是通过原点的直线。,3、试验方法,为近似模拟土体在现场受剪的排水条件,直剪可分为 快剪、固结快剪和慢剪
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