土力学 土的抗剪强度.ppt
《土力学 土的抗剪强度.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《土力学 土的抗剪强度.ppt(117页珍藏版)》请在三一文库上搜索。
1、土工结构物或地基,土,渗透问题 变形问题 强度问题,渗透特性 变形特性 强度特性,5-1 概述,与土体强度有关的工程问题:建筑物地基稳定性、填方或挖方边坡、挡土墙土压力等。 土体强度表现为:一部分土体相对与另一部分土体的滑动,滑动面上剪应力超过了极限抵抗能力抗剪强度; 土的抗剪强度是指土体对于外荷载所产生的剪应力的极限抵抗能力。,5-1 概述,5-1 概述,5-1 概述,土压力 边坡稳定 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 强度理论,工程中土体的破坏类型,在外荷载的作用下,土体中任一截面将同时产生法向应力和剪应力,其中法向应力作用将使土体发生压密,而剪应力作用可使土体
2、发生剪切变形。 当土中一点某一截面上由外力所产生的剪应力达到土的抗剪强度时,它将沿着剪应力作用方向产生相对滑动,该点便发生剪切破坏。 土的破坏主要是由于剪切所引起的,剪切破坏是土体破坏的主要特点。,5-1 概述,1. 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(剪切破坏),颗粒间粘聚力与摩擦力; 2. 三相体系:三相承受与传递荷载有效应力原理; 3. 自然变异性:土的强度的结构性与复杂性。,首先需要了解土的强度特点,5-1 概述,5-2 土的抗剪强度理论 一 、库伦公式及抗剪强度指标 库伦 (Coulomb, 1773) 根据砂土的试验,将土的抗剪强度 , 表达为滑动
3、面上法向总应力 的函数,即 (5 1), = 100KPa,S, = 200KPa, = 300KPa,摩擦强度,直剪试验结果 以后又提出了适合粘性土的更普遍的 表达式: (5 2) 式中:c 土的粘聚力(内聚力),kPa; 土的内摩擦角,度; 式 (5-1) 和 (5-2) 统称为库伦公式, 或库伦定律,c 、 称为抗剪强度指标 (抗剪强度参数 ) 。,粘聚强度,摩擦强度+,5-2 土的抗剪强度理论,土的强度机理摩擦强度粘聚强度,(1)滑动摩擦,摩擦强度 tg,由颗粒之间发生滑动时颗粒接触面粗糙不平所引起,与颗粒大小,矿物组成等因素有关,(2)咬合摩擦,摩擦强度 tg,剪切面,是指相邻颗粒对
4、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,5-2 土的抗剪强度理论,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 粒径的形状(颗粒的棱角与长宽比) 在其他条件相同时: 一般,对于粗粒土,颗粒的棱角提高了内摩擦角,影响土的摩擦强度的主要因素:,摩擦强度 tg,5-2 土的抗剪强度理论,5-2 土的抗剪强度理论,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
5、离子价与离子浓度,粘聚强度,5-2 土的抗剪强度理论 土的抗剪强度有两种表达方法,一种是以总应力表示剪切破坏面上的法向应力,抗剪强度表达式即为库伦公式,称为抗剪强度总应力法,相应的 c 、 称为总应力强度指标 ( 参数 ) ;另一种则以有效应力表示剪切破坏面上的法向应力,称为抗剪强度有效应力法, c 、 称为有效应力强度指标 ( 参数) 。试验研究表明,土的抗剪强度取决于土粒间的有效应力,然而,由库伦公式建立的概念在应用上比较方便,许多土工问题的分析方法都还建立在这种概念的基础上,故在工程上仍沿用至今。 抗剪强度有效应力表达式: 对于砂土 对于粘性土,二、莫尔库伦强度理论,5-2 土的抗剪强度
6、理论,(1)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) (2)在一定的应力范围内,可以用线性函数近似:f = c +tg (3)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,二、莫尔库伦强度理论,5-2 土的抗剪强度理论,一、莫尔应力圆,5-3 土中一点的应力极限平衡条件,莫尔圆应力分析符号规定,材料力学,土力学,正应力,剪应力,拉为正 压为负,顺时针为正 逆时针为负,压为正 拉为负,逆时针为正 顺时针为负,一、莫尔应力圆,5-3 土中一点的应力极限平衡条件,O,x,2,1,3,t,3,1,s,3,s,t,s,s,
7、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,一、莫尔应力圆,5-3 土中一点的应力极限平衡条件,对于一般应力状态,即不知道大、小主应力,z,+zx,-xz,x,2,1,3,x,s,+,-,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:代表一个土单元的应力状态; 圆上一点:代表一个面上的两个应力与,极点的概念,极点的应用,二、极限平衡条件,5-3 土中一点的应力极限平衡条件,如果已知土的抗剪强度指标,同时土中某点的应力状态已经确定,就可
8、将抗剪强度线与莫尔应力圆画在同一坐标纸上,从而判别该点是否达到极限平衡状态。,强度包线以内: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:该面上的应力达到破坏状态; 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。,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园的公切线。,f,5-3 土中一点的应力极限平衡条件,二、极限平衡条件,莫尔-库仑强度理论表达式极限平衡条件,1,3,5-3 土中一点的应力极限平衡条件,二、极限平衡条件,剪破面与大主应力作用平面的夹角 称为破坏角,从图中几何关系可得理
9、论剪破角为: =45+/2,cr,cr,2cr,注意:剪破面并不是剪应力最大平面,5-3 土中一点的应力极限平衡条件,二、极限平衡条件,上式即为土的极限平衡条件。当土的强度指标c, 为已知,若土中某点的大小主应力1和3满足上列关系式时,则该土体正好处于极限平衡或破坏状态。,变换得到极限平衡状态时大小主应力之间的关系满足:,上式也可适用于有效应力,相应c,应该用c,。,【例题51】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,3220kPa ,c=20kPa, 18 (1)直
10、接用与f的关系来判别,5-3 土中一点的应力极限平衡条件,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。,5-3 土中一点的应力极限平衡条件,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,5-3 土中一点的应力极限平衡条件,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 =480kP
11、a及强度指标c,代入下式中,则得,由计算结果表明,虽然 33f , 但1 1f ,所以该单元土体早已破坏。,5-3 土中一点的应力极限平衡条件,5-3 土中一点的应力极限平衡条件,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。,5-4 抗剪强度试验,测定土抗剪强度指标的试验称为剪切试验; 剪切试验可以在试验室内进行,也可在现场原位条件下进行。 按常用的试验仪器可将剪切试验分为:
12、 直接剪切试验(直剪试验) 三轴压缩试验(三轴试验) 无侧限抗压强度试验 十字板剪切试验,一、直接剪切试验(direct shear test 或shear box test),应变控制式直剪仪动画,直接剪切仪(直剪仪),5-4 抗剪强度试验,5-4 抗剪强度试验 一、直接剪切试验,直剪试验原理图,直剪仪分应变控制式和应力控制式两种,为了考虑固结程度和排水条件对抗剪强度的影响,根据加荷速率的快慢将直剪试验划分为快剪、固结快剪和慢剪三种。,5-4 抗剪强度试验 一、直接剪切试验, = 100KPa,S, = 200KPa, = 300KPa,O,c,粘性土抗剪强度线,无粘性土抗剪强度线(过原点)
13、,通过控制剪切速率来近似模拟排水条件,(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,5-4 抗剪强度试验 一、直接剪切试验,n,K0n,5-4 抗剪强度试验 直接剪切试验,5-4 抗剪强度试验 一、直剪试验,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 应变不均匀 不易控制排水条件 剪切面固定,缺点,类似试验: 环剪试验 单剪试验,5-4 抗剪强度试验 二、三轴压缩试验(triaxial shear
14、 test),三轴是指一个竖向和两个侧向而言,由于压力室和试样均为圆柱形,因此,两个侧向的应力(或称围压)相等并为小主应力3 ,而竖向(或轴向)的应力为大主应力1。在增加1时保持3 不变,这样条件下的试验称为常规三轴压缩试验。,类似试验: 环剪试验 单剪试验,常规三轴仪,5-4 抗剪强度试验 二、三轴压缩试验,试验方法: 首先试样施加静水压力室压(围压) 1=2=3 ; 然后通过活塞杆施加的是应力差1= 1-3 。,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,得到强度指标 c 与
15、,强度包线,(1-)f,c,(1-)f,5-4 抗剪强度试验 二、三轴压缩试验,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,5-4 抗剪强度试验 二、三轴压
16、缩试验,固结排水试验(CD试验) Consolidated Drained Triaxial test (CD) 抗剪强度指标: cd d (c ),试验英文名及所测指标,固结不排水试验(CU试验) Consolidated Undrained Triaxial test (CU) 抗剪强度指标:ccu cu,不固结不排水试验(UU试验) Unconsolidated Undrained Triaxial test (UU) 抗剪强度指标: cu u ( cuu uu ),不固结或固结是对周围压力增量而言的 不排水或排水是对附加轴向压力而言的,5-4 抗剪强度试验 二、三轴压缩试验,在进行不同
17、方法的三轴试验时,都要先使试样在周围压力c下固结稳定,若进行不固结不排水剪试验,则在不排水条件下施加周围压力增量3,然后在不允许有水进出的条件下,逐渐施加附加轴向压力q,直至试样剪破。因此,试验中径向应力3等于(c+ 3 ),轴向应力1等于(3+q )。若进行固结不排水剪试验,要允许试样在周围压力增量3下排水,待固结稳定后,再在不允许有水进出的条件下,逐渐施加附加轴向压力q,直至试样剪破。固结排水剪试验同样在周围压力增量3下排水,待固结稳定后,在允许有水进出的条件下以极慢的速率对试样逐渐施加附加轴向压力q,直至试样剪破。,5-4 抗剪强度试验 二、三轴压缩试验(试验步骤),5-4 抗剪强度试验
18、 二、三轴压缩试验(试验结果),二、三轴压缩试验(三轴试验结果),5-3 确定强度指标的试验,Total Stress Circle 总应力圆,Effective Stress Circle 有效应力圆,Sand reinforced with 1cm-high galvanized iron sheet,粘性土的卸载试验,动(静)力三轴试验剪切仪,(a) Conventional triaxial test (b) S3D triaxial test Comparison of stress systems between conventional triaxial test and S3D
19、 triaxial test.,应力应变曲线及体积应变曲线(A2组),应力应变曲线及体积应变曲线(B4组),压缩破坏 挤长破坏,卸载试验的试样破坏状态,不同卸载应力路径下强度与常规三轴试验对比,试验条件与现场条件 的对应关系,固结排水试验,固结不排水试验,不固结不排水试验,5-4 抗剪强度试验 二、三轴压缩试验,5-4 抗剪强度试验 二、三轴压缩试验,优点: 1 应力状态和应力路径明确; 2 排水条件清楚,可控制; 3 破坏面不是人为固定的,缺点: 设备相对复杂,现场难以试验,说明: 30 即为无侧限抗压强度试验,优点和缺点,真三轴仪 空心圆柱扭剪仪,三轴压缩试验中当周围压力3 0时即为无侧限
20、试验条件,这时只有q= 1。所以,也可称为单轴压缩试验。由于试样的侧向压力为零,在侧向受压时,其侧向变形不受限制,故又称为无侧限压缩试验。同时,又由于试样是在轴向压缩的条件下破坏的,因此,把这种情况下土所能承受的最大轴向压力称为无侧限抗压强度以qu表示。试验时仍用圆柱状试样,可在专门的无侧限仪上进行,也可在三轴仪上进行。,5-4 抗剪强度试验 三、无侧限抗压强度,当轴向压力与轴向应变的关系曲线出现明显的峰值时,则以峰值处的最大轴向压力作为土的无侧限抗压强度qu;当轴向压力与轴向应变的关系曲线不出现峰值时,则取轴向应变20处的轴向压力作为土的无侧限抗压强度qu。求得土的无侧限抗压强度qu后,即可
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 土力学 土的抗剪强度 强度
链接地址:https://www.31doc.com/p-3149146.html