土力学-第五章抗剪强度2010.ppt
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1、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 土体破坏与土的强度理论 5.3 土的抗剪强度的测定试验 5.4 土的抗剪强度指标,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
2、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
3、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、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
4、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 土的抗剪强度理论 5.3 土的抗剪强度的测定试验 5.4 土的抗剪强度指标,第五章: 土的抗剪强度,5.2 土的抗剪强度理论,土的抗剪强度理论,直剪试验与库仑公式
5、 土的抗剪强度机理 莫尔-库仑强度理论,5.2 土的抗剪强度理论,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),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,5.2 土的抗剪强度理论 直剪试验与库伦公式,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,
6、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:,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)
7、,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
8、土的抗剪强度理论 土的抗剪强度机理,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 滑裂面的位置,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,应力状态,三维应力状态,二维应力状态,5.2 土的抗剪强度理论 莫尔-库仑强度理论,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,土中一点的应力状态,土体内一点处不同方位的截面上应力的集合(剪应力 和法向应力),楔体静力平衡,5.2 土的抗剪强度理论 莫尔-库仑强度理论,斜面上的应力,莫尔应力圆方程,A(, ),圆心坐标1/2(1 +3 ),0,应力圆半径r1/2(13 ),土中某点的应
9、力状态可用莫尔应力圆描述,5.2 土的抗剪强度理论 莫尔-库仑强度理论,应力莫尔圆,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
10、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
11、,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,f =c+tan,
12、未破坏,1/2(1 3 ),1/2(1+3) sin+ccos,方法4,1/2(1 3 ) 1/2(1+3) sin+ccos,破 坏,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,例题分析,【例】地基中某一单元土体上的大主应力为430kPa,小主应力为200kPa。通过试验测得土的抗剪强度指标c=15 kPa, =20o。试问该单元土体处于何种状态?单元土体最大剪应力出现在哪个面上,是否会沿剪应力最大的面发生剪破?,【解答】,已
13、知1=430kPa,3=200kPa,c=15kPa, =20o,1.计算法,计算结果表明:1f大于该单元土体实际大主应力1,实际应力圆半径小于极限应力圆半径,所以,该单元土体处于弹性平衡状态,计算结果表明: 3f小于该单元土体实际小主应力 3,实际应力圆半径小于极限应力圆半径 ,所以,该单元土体处于弹性平衡状态,在剪切面上,库仑定律,由于f ,所以,该单元土体处于弹性平衡状态,2.图解法,c,最大剪应力与主应力作用面成45o,最大剪应力面上的法向应力,库仑定律,最大剪应力面上f ,所以,不会沿剪应力最大的面发生破坏,max,讨论1:土的抗剪强度是不是一个定值?,土的抗剪强度不是一个定值,而是
14、剪切面上的法向总应力 的线性函数,对于无粘性土,其抗剪强度仅仅由粒间的摩擦力( tan)构成;,对于粘性土,其抗剪强度由摩擦力( tan)和粘聚力(c)两部分构成。,讨论2:土的抗剪强度的影响因素,摩擦力的影响因素,粘聚力的影响因素,讨论3:抗剪强度指标是定值?,c和 是决定土的抗剪强度的两个重要指标,对某一土体来说,c和 并不是常数,c和 的大小随试验方法、固结程度、土样的排水条件等不同而有较大的差异,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
15、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,5.1 概述 5.2 土的抗剪强度理论 5.3 土的抗剪强度的测定试验 5.4 土的抗剪强度指标,第五章: 土的抗剪强度,5.3 土的抗剪强度的测定试验,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,试验仪器:直剪仪(应力控制式,应变控制式),5.3 土的抗剪强度的测定试验 直剪试验,直剪仪,5.3 土的抗
16、剪强度的测定试验 直剪试验,直剪仪(局部),5.3 土的抗剪强度的测定试验 直剪试验,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3-5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
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- 土力学 第五 章抗剪 强度 2010
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