[工学]土力学5-土的抗剪强度.ppt
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1、山东科技大学资环学院,土力学之第五章,土的抗剪强度,本章提要 学习难点,第五章: 土的抗剪强度,土是如何破坏的? 如何衡量土的强度? 如何测定土的强度? 如何应用土的强度指标? 土的抗剪强度理论及本质 土的抗剪强度指标及测试方法 土的抗剪强度指标的种类及选取,5.1 概述 5.2 强度概念与莫尔库仑理论 5.3 确定强度指标的试验 5.4 三轴压缩试验中的孔隙应力系数 5.5 三轴试验中土的剪切性状,第五章: 土的抗剪强度,5.1 概述 - 土体强度及其特点,概 述,土体强度及其特点 工程中土的强度问题,土的抗剪强度 土的强度的特点,各种类型的滑坡(sliding) 挡土和支护结构的破坏 地基
2、的破坏 砂土的液化(liquefaction),土的强度及其特点,天然状态下的砂,沿坡方向的平衡:,天然休止角,也是最松状态下的砂内摩擦角,5.1 概述 - 土体强度及其特点,土的强度及其特点,天然状态下的沙丘,固定沙丘背风坡角度接近天然休止角,一般为=30-35,大于矿物滑动摩擦角,颗粒间存在一定的咬合作用,5.1 概述 - 土体强度及其特点,土体强度的特点,碎散性:强度不是颗粒矿物本身的强度,而是颗粒间相互作用 - 主要是抗剪强度与剪切破坏,颗粒间粘聚力与摩擦力 三相体系:三相承受与传递荷载 - 有效应力原理 自然变异性:土的强度的结构性与复杂性,5.1 概述 - 土体强度及其特点,各种类
3、型的滑坡,5.1 概述 - 土体强度及其特点,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,5.1 概述 - 土体强度及其特点,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,5.1 概述 - 土体强度及其特点,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,5.1 概述 - 土体强度及其特点,广州京光广场基坑塌方,使基坑旁办公室、
4、民工宿舍和仓库倒塌,死3人,伤17人,5.1 概述 - 土体强度及其特点,大阪的港口码头挡土墙由于液化前倾,5.1 概述 - 土体强度及其特点,地基的破坏,5.1 概述 - 土体强度及其特点,5.1 概述 - 土体强度及其特点,砂土的液化(liquefaction),日本新泻1964年地震引起大面积液化,5.1 概述 - 土体强度及其特点,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,5.1 概述 - 土体强度及其特点,5.1 概述 5.2 强度概念与莫尔库仑理论 5.3 确定强度指标的试验 5.4 三轴压缩试
5、验中的孔隙应力系数 5.5 三轴试验中土的剪切性状,第五章: 土的抗剪强度,5.2 强度概念与莫尔库仑理论,强度概念与莫尔库仑理论,固体间的摩擦力 莫尔应力圆 莫尔-库仑破坏准则,5.2 强度概念与莫尔库仑理论,固体间的摩擦力,5.2 强度概念与莫尔库仑理论,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),莫尔-库仑破坏准则,5.2 强度概念与莫尔库仑理论,土的抗剪强度规律,c和是决定土的抗剪强度的两个指标,称为抗剪强度指标,对无粘性土(砂土)通常认为,粘聚力C=0,库仑
6、公式(1776年):,粘性土,砂土,5.2 强度概念与莫尔库仑理论,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() 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 强度概念与莫尔库仑理论,应力分析符号规定,5.2 强度概念与莫尔库仑理论,土体中一点的应力状态,为土的静止侧压力系数,小于1, 因为只有土的自重作用,因而在 这两个面上没有剪应变,也就没 有剪应力,没有剪应力的面称为 主应面,作用在主应面上的力称 为主应力,dx,dz,根据静力平衡条件,分别取水平和垂直 方向合
7、力为零:,5.2 强度概念与莫尔库仑理论,莫尔应力圆,O,2,1,3,r,p,大主应力:,小主应力:,圆心:,半径:,(,),莫尔圆:单元的应力状态 圆上点:一个面上的与 莫尔圆转角2:作用面转角,O,5.2 强度概念与莫尔库仑理论,土的极限平衡条件,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 与破坏包线相交:有一些平面上的应力超过强度, 不可能发生,5.2 强度概念与莫尔库仑理论,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,土的极限平衡条件,5.2 强度概念与莫尔库仑理论,根据极限平衡条件可以用来
8、判别一点土体是否已发生剪切破坏,计算主应力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,土的极限平衡条件,5.2 强度概念与莫尔库仑理论,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 强度概念与莫尔库仑理论,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 强度概念与莫尔库仑理论,土单元是否破坏的判别,方
9、法三: 由1 , 3 m,比较和m,m 不可能状态 (破坏),处于极限平衡状态所需的内摩擦角,5.2 强度概念与莫尔库仑理论,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 强度概念与莫尔库仑理论,小 结,莫尔-库仑强度理论,莫尔-库仑强度理论 应力状态与莫尔圆 极限平衡应力状态 土体破坏判断方法 滑裂面的位置,5.2 强度概念与莫尔库仑理论,5.1 概述 5.2 强度概念与莫尔库仑理论 5.3 确定强度指标的试验 5.4 三轴压缩试验中的孔隙应力系数 5.5 三轴试验中土的剪切性状,第五章: 土的抗剪强度,5.3
10、 确定强度指标的试验,室内试验: 直剪试验 三轴试验 无侧限抗压强度试验 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,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 确定强度指标的试验,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 确定强度指标的试验,直剪试验的类型,(1)快剪(Q) 施加正应力后立即剪切 3-5分钟内剪切破坏 (2) 固结快剪(R) 施加正应力-充分固结 在3-5分钟
11、内剪切破坏 (3) 固结慢剪(S) 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,通过控制剪切速率近似模拟排水条件,5.3 确定强度指标的试验,三种直剪试验方法成果的比较,O,cs,Q,R,S,cR,cQ,5.3 确定强度指标的试验,直剪试验的优缺点,设备和操作简单 人为固定剪切面 剪切面积逐渐减小 排水条件不明确,5.3 确定强度指标的试验,三轴试验,试样应力特点 与试验方法 强度包线 试验类型 优缺点,5.3 确定强度指标的试验,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
12、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 确定强度指标的试验,应力特点与试验方法,常用试验类型,5.3 确定强度指标的试验,破坏偏差应力取值方法,松软土,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,5.3 确定强度指标的试验,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 确定强度指标的试验,固结排水试验(CD试验) Consolidated Drained Triaxial test (CD) 总
13、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 确定强度指标的试验,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: 3
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- 工学 土力学 强度
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