土力学_房营光_第六章土的抗剪强度.ppt
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1、第六章,土的抗剪强度,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,6.1 概述 6.2 土的强度理论 6.3 抗剪强度指标的测定方法 6.4 饱和粘性土的抗剪强度 6.5 无粘性土的抗剪强度 6.6 应力路径 6.7 抗剪强度的影响因素,6 土的抗剪强度,一、土的强度特点 二、工程中土体的破坏类型,6 土的抗剪强度,6.1 概述,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; 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。,6 土的抗剪强度,6.1 概述
2、,一、土的强度特点,挡土墙,滑裂面,基坑支护,6 土的抗剪强度,6.1 概述,二、工程中土体的破坏类型,1. 挡土结构物的破坏,大阪的港口码头档土墙由于液化前倾,6 土的抗剪强度,二、工程中土体的破坏类型,1. 挡土结构物的破坏,6.1 概述,广州京光广场基坑塌方(1995年6月),基坑旁办公室、民工宿舍和仓库倒塌,死3人,伤17人。,6 土的抗剪强度,6.1 概述,二、工程中土体的破坏类型,1. 挡土结构物的破坏,基坑深16m,双排钢筋混凝土密布桩支护,桩径1.0m,一道锚杆加固,海珠城广场基坑塌方(2005年7月21日),事故原因: 超挖:原设计4层基坑17米,后开挖成五层基坑(20.3米
3、),挖孔桩成吊脚桩; 超时:基坑支护结构服务年限一年,实际从开挖及出事已有近三年; 超载:坡顶泥头车、吊车、钩机、超载; 地质原因:岩面埋深较浅,但岩层倾斜(岩面从南向北倾斜,倾角约为25)。,基坑东侧、基坑南侧东部34m、北侧东部30m范围,上部5.2m采用喷锚支护方案,下部采用挖孔桩结合钢管内支撑的方案,挖孔桩底标高为-20.0m。 基坑西侧上部采用挖孔桩结合预应力锚索方案,下部采用喷锚支护方案。 基坑南侧、北侧的剩余部分,采用喷锚支护方案。,边坡,2. 各种类型的滑坡,6 土的抗剪强度,6.1 概述,二、工程中土体的破坏类型,平移滑动,2. 各种类型的滑坡,崩塌,旋转滑动,流滑,6 土的
4、抗剪强度,6.1 概述,二、工程中土体的破坏类型,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 击沉拖轮、驳轮各一艘,渔船2只 1994年7月2-3日降雨引起再次滑坡 崩塌体巨大石块滚入江内,无法通航 滑坡体崩入乌江近百万方;江水位差数米。,乌江武隆县兴顺乡鸡冠岭山体崩塌,龙冠嘴,黄崖沟,乌江,2. 各种类型的滑坡,6 土的抗剪强度,6.1 概述,二、工程中土体的破坏类型,2000年西藏易贡巨型滑坡,2. 各种类型的滑坡,6 土的抗剪强度,6.1 概述,二、工程中土体的破坏类型,高程(m),滑距(m),5530,2200,4000,扎 木 弄 沟,滑坡
5、堆积体,0,8000,4000,2000,6000,坡高 3330 m 堆积体宽 约2500m 总方量 约3亿方,2000年西藏易贡巨型滑坡 立面示意图,2. 各种类型的滑坡,6 土的抗剪强度,6.1 概述,二、工程中土体的破坏类型,易贡滑坡堰塞湖,滑 坡 堆 积 区,扎 木 弄 沟,2264m,2210m,2165m,2340m,5520m,滑坡堆积体,2. 各种类型的滑坡,6 土的抗剪强度,6.1 概述,二、工程中土体的破坏类型,2000年西藏易贡巨型滑坡 平面示意图,天然坝 坝高290 m 滑坡堰塞湖 库容15亿方,湖水每天上涨 50cm?,2000年西藏易贡巨型滑坡,2. 各种类型的滑
6、坡,6 土的抗剪强度,6.1 概述,二、工程中土体的破坏类型,地基,3. 地基的破坏,6 土的抗剪强度,6.1 概述,二、工程中土体的破坏类型,粘土地基上的某谷仓地基破坏,3. 地基的破坏,6 土的抗剪强度,6.1 概述,二、工程中土体的破坏类型,日本新泻1964年地震引起大面积液化,3. 地基的破坏,6 土的抗剪强度,6.1 概述,二、工程中土体的破坏类型,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,返回,6 土的抗剪强度,6.1 概述,二、工程中土体的破坏类型,一、抗剪强度的库伦公式 二、莫尔-库伦强度理论及极限平衡条件,6 土的抗剪强度,6.2 土的强度理论
7、,一、抗剪强度的库伦公式,直剪试验 库伦(1773) 试验原理,施加 (=P/A), 量测 (=T/A), = 100kPa,A,6 土的抗剪强度,6.2 土的强度理论,直剪试验 库伦(1773) 试验原理 试验结果, = 100kPa, = 200kPa, = 300kPa, = 400kPa,6 土的抗剪强度,一、抗剪强度的库伦公式,6.2 土的强度理论,c 粘聚力 内摩擦角,直剪试验 库伦(1773) 试验原理 试验结果,库仑公式:,f : 土的抗剪强度 tan: 摩擦强度-正比于压力 c: 粘聚强度-与所受压力无关,6 土的抗剪强度,6.2 土的强度理论,一、抗剪强度的库伦公式,滑动摩
8、擦,1. 摩擦强度 tan,(1)滑动摩擦,土的强度的机理:,67 土的抗剪强度,一、抗剪强度的库伦公式,6.2 土的强度理论,(2)咬合摩擦引起的剪胀,滑动摩擦,咬合摩擦引起的剪胀,1. 摩擦强度 tan,土的强度的机理:,6 土的抗剪强度,一、抗剪强度的库伦公式,6.2 土的强度理论,(3)颗粒的破碎与重排列,滑动摩擦,颗粒破碎与重排列,咬合摩擦引起的剪胀,1. 摩擦强度 tan,土的强度的机理:,6 土的抗剪强度,一、抗剪强度的库伦公式,6.2 土的强度理论,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)
9、 在其他条件相同时: 对于砂土,颗粒的棱角提高了内摩擦角 对于碎石土,颗粒的棱角可能降低其内摩擦角,影响土的摩擦强度的主要因素:,1. 摩擦强度 tan,土的强度的机理:,6 土的抗剪强度,一、抗剪强度的库伦公式,6.2 土的强度理论,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 离子价与离子浓度,2. 凝聚强度,6 土的抗剪强度,土的强度的机理:,一、抗剪强度的库伦公式,6.2 土的强度理论,一、抗剪强度的库伦公式 二、莫尔-库伦强度理论及极限平衡条件,6 土的抗剪强度,6.2 土的强度理论,1. 库伦公式
10、2. 应力状态与莫尔圆 3. 极限平衡应力状态 4. 莫尔-库伦强度理论 5. 破坏判断方法 6. 滑裂面的位置,二、莫尔-库伦强度理论及极限平衡条件,6 土的抗剪强度,6.2 土的强度理论,c 粘聚力 内摩擦角,f : 土的抗剪强度 tan: 摩擦强度-正比于压力 c: 粘聚强度-与所受压力无关,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,1. 库伦公式,二、摩尔-库伦强度理论及极限平衡条件,6 土的抗剪强度,6.2 土的强度理论,三维应力状态,2. 应力莫尔圆,二维应力状态,二、摩尔-库伦强度理论及极限平衡条件,6 土的抗剪强度,6.2 土的强度理论,莫尔圆应力分析符号规定,
11、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,2. 应力莫尔圆,二、摩尔-库伦强度理论及极限平衡条件,6 土的抗剪强度,6.2 土的强度理论,O,1,3,2. 应力莫尔圆,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;圆周上一点代表一个面上的两个应力与,二、摩尔-库伦强度理论及极限平衡条件,6 土的抗剪强度,6.2 土的强度理论,3. 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,f,土的强度包线: 所有达到极限平衡
12、状态 的莫尔园的公切线。,二、摩尔-库伦强度理论及极限平衡条件,6 土的抗剪强度,6.2 土的强度理论,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;,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。,3. 极限平衡应力状态,二、摩尔-库伦强度理论及极限平衡条件,6 土的抗剪强度,6.2 土的强度理论,4. 莫尔库伦强度理论,(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 +tan (3)某土单元的
13、任一个平面上 = f ,该单元就达到了极限平衡应力状态,二、摩尔-库伦强度理论及极限平衡条件,6 土的抗剪强度,6.2 土的强度理论,莫尔-库伦强度理论表达式极限平衡条件,1,3,4. 莫尔库伦强度理论,二、摩尔-库伦强度理论及极限平衡条件,6 土的抗剪强度,6.2 土的强度理论,莫尔-库伦强度理论表达式极限平衡条件,4. 莫尔库伦强度理论,二、摩尔-库伦强度理论及极限平衡条件,6 土的抗剪强度,6.2 土的强度理论,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,5. 破坏判断方法,判别对象:土体微小单元(一点),3= 常数:,二、摩尔-库伦
14、强度理论及极限平衡条件,6 土的抗剪强度,6.2 土的强度理论,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 弹性平衡状态 3=3f 极限平衡状态 33f 破坏状态,1= 常数:,5. 破坏判断方法,判别对象:土体微小单元(一点),二、摩尔-库伦强度理论及极限平衡条件,6.2 土的强度理论,6 土的抗剪强度,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, 不可能状态,O,c,(1 + 3)/2 = 常数:圆心保持不变,5. 破坏判断方法,判别对象:土体微小单元(一点),二、摩尔-库伦强度理论及极限平衡条件,6.2 土的强度理论
15、,6 土的抗剪强度,O,c,1f,3,2,2,6. 滑裂面的位置,与大主应力面夹角: =45 + /2,二、摩尔-库伦强度理论及极限平衡条件,6.2 土的强度理论,6 土的抗剪强度,返回,一、室内试验 二、野外试验,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,6.3 抗剪强度指标的测定方法,6 土的抗剪强度,ZJ型应变控制直剪仪,ZJ型应变控制直剪仪(四联),ZYY-4型直剪预压仪,ZJ型应变控制式直剪仪(轻便),一、室内试验,1. 直剪试验,6.3 抗剪强度指标的
16、测定方法,6 土的抗剪强度,1. 直剪试验,一、室内试验,6.3 抗剪强度指标的测定方法,6 土的抗剪强度,通过控制剪切速率来近似模拟排水条件,1. 快剪 施加正应力后 立即剪切35分钟内剪切破坏 2. 固结快剪 施加正应力-充分固结 在35分钟内剪切破坏 3. 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,1. 直剪试验,一、室内试验,6.3 抗剪强度指标的测定方法,6 土的抗剪强度,O,n,K0n,1. 直剪试验,一、室内试验,6.3 抗剪强度指标的测定方法,6 土的抗剪强度,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
17、应变不均匀 不能控制排水条件 剪切面固定,缺点,类似试验: 环剪试验 单剪试验,1. 直剪试验,一、室内试验,6.3 抗剪强度指标的测定方法,6 土的抗剪强度,全自动闭合回路控制环剪仪 型号ARS-E3,环剪仪,组合式动态循环单剪试验系统(DCSS) 产品型号: 100002046 原产地: 英国 用途: 土动力学试验,研究主应力旋转等,TSZ10-1.0型应变控制式三轴仪,TSZ30-2.0型应变控制式三轴仪,TSZ -6型应变控制式三轴仪,2. 三轴试验,一、室内试验,6.3 抗剪强度指标的测定方法,6 土的抗剪强度,TSZ系列全自动三轴仪,TSZ-4型应变控制式三轴仪,SLB-1型应力应
18、变控制式三轴剪切渗透试验仪,2. 三轴试验,一、室内试验,6.3 抗剪强度指标的测定方法,6 土的抗剪强度,压力室,压力水,排水管,阀门,轴向加压杆,有机玻璃罩,橡皮膜,透水石,顶帽,(1)试样应力特点与试验方法 (2)强度包线 (3)试验类型 (4)优缺点,2. 三轴试验,一、室内试验,6.3 抗剪强度指标的测定方法,6 土的抗剪强度,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 。,特点: 试样是轴对称应力状态。 垂直应力z一般是大主应力; 径向与切向应力总是相等r=,亦即1=z;2=3=r,(1)试样应力特点与试验方法,2. 三轴试验
19、,一、室内试验,6.3 抗剪强度指标的测定方法,6 土的抗剪强度,强度包线,(1-)f,c,(1-)f,1,1- 3,1 =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摩尔圆,画出它们的公切线强度包线,得到强度指标 c 与 ,(2)强度包线,2. 三轴试验,一、室内试验,6.3 抗剪强度指标的测定方法,6 土的抗剪强度,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
20、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,(3)试验类型,2. 三轴试验,一、室内试验,6.3 抗剪强度指标的测定方法,6 土的抗剪强度,固结排水试验(CD试验) Consolidated Drained Triaxial test (CD) 抗剪强度指标: cd d (c ),试验类型汇总,固结不排水试验(CU试验) Consolidated Und
21、rained 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 ),2. 三轴试验,一、室内试验,6.3 抗剪强度指标的测定方法,6 土的抗剪强度,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; 4 试验单元体试验,缺点: 设备相对复杂,现场无法试验,说明: 30 即为无侧限抗压强度试验,(4)优点和缺点,2. 三轴试验,一、室内试验,6.3 抗剪强度指标的测定方法,6 土
22、的抗剪强度,3. 无侧限抗压强度试验,YYW2型应变控制式无侧限压力仪,cu = qu/2,cu,qu = ,一、室内试验,6.3 抗剪强度指标的测定方法,6 土的抗剪强度,真三轴仪 空心圆柱扭剪仪,4. 其它室内试验,一、室内试验,6.3 抗剪强度指标的测定方法,6 土的抗剪强度,TSW-40微机控制土壤真三轴试验仪,主要技术指标,真三轴试验是对空心圆柱试样进行循环扭转以研究土壤动态变形性质。也可以做其他几种土工试验,例如液化强度试验,研究土在液化后的强度等。 这套真三轴仪采用液压伺服控制,可以比气压型更好的重复提供压力。关于三轴压力室的压力控制,垂直压力和横向压力独立进行。这样就可以进行各
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- 土力学 房营光 第六 强度
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