土力学_李广信_土的抗剪强度.ppt
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1、1,第五章,土的抗剪强度,作业 5-1、5-2(CD试验) 5-3、5-5、3-9 5-8、5-4、5-9,2,本章特点,有较严格的理论体系 各种关系较复杂 前面各章知识的综合运用 理清应力、应变、体变、孔压、强度间的关系 砂性土与粘性土强度的区别与联系 试验条件与实际工程情况的对应关系 正常固结粘性土的强度 不固结不排水剪的应力应变关系及强度 强度指标的运用,主要难点,学习要点,5 土的抗剪强度,3,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 土的抗剪强度,4,5 土的抗剪强度,5.1 土体破坏与强度理论 5.2 抗剪强度测定试验 5.3 应力路径与
2、破坏主应力线 5.4 抗剪强度指标 5.5 砂土的振动液化,5,5 土的抗剪强度,5.1 土体破坏与强度理论,5 土的抗剪强度,一、土的强度特点 二、工程中土体的破坏类型 三、土的强度机理 四、莫尔-库仑强度理论,6,5 土的抗剪强度,5.1 土体破坏与强度理论,5 土的抗剪强度,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。,一、土的强度特点,7,美国某桥头挡土墙破坏(2003年9月10日),5 土的抗剪强度,二、工程中土体的破坏类型
3、,1. 挡土结构物的破坏,5 土的抗剪强度,5.1 土体破坏与强度理论,8,1. 挡土结构物的破坏,5 土的抗剪强度,二、工程中土体的破坏类型,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 土的抗剪强度,5.1 土体破坏与强度理论,9,挡土墙,滑裂面,基坑支护,5 土的抗剪强度,二、工程中土体的破坏类型,5 土的抗剪强度,1. 挡土结构物的破坏,5.1 土体破坏与强度理论,10,龙观嘴,黄崖沟,乌江,2000年西藏易贡巨型滑坡,5 土的抗剪强度,二、工程中土体的破坏类型,5 土的抗剪强度,5.1 土体破坏与强度理论,2. 各种类型的滑坡,11,立面示意图,5
4、 土的抗剪强度,二、工程中土体的破坏类型,2000年西藏易贡巨型滑坡,5 土的抗剪强度,2. 各种类型的滑坡,5.1 土体破坏与强度理论,关西空港一期17倍,12,平面示意图,5 土的抗剪强度,二、工程中土体的破坏类型,2000年西藏易贡巨型滑坡,5 土的抗剪强度,2. 各种类型的滑坡,5.1 土体破坏与强度理论,13,天然坝 坝高290 m 滑坡堰塞湖 库容15亿方 10个月后溃坝,湖水每天上涨50cm ?,5 土的抗剪强度,二、工程中土体的破坏类型,2000年西藏易贡巨型滑坡,5 土的抗剪强度,2. 各种类型的滑坡,5.1 土体破坏与强度理论,14,边坡,滑裂面,5 土的抗剪强度,二、工程
5、中土体的破坏类型,5 土的抗剪强度,2. 各种类型的滑坡,5.1 土体破坏与强度理论,15,粘土地基上的某谷仓地基破坏,3. 地基的破坏,5 土的抗剪强度,二、工程中土体的破坏类型,5 土的抗剪强度,5.1 土体破坏与强度理论,16,地基,5 土的抗剪强度,二、工程中土体的破坏类型,5 土的抗剪强度,3. 地基的破坏,5.1 土体破坏与强度理论,17,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,5 土的抗剪强度,二、工程中土体的破坏类型,5 土的抗剪强度,5.1 土体破坏与强度理论,18,5 土的抗剪强度,5.1 土体破坏与强度理论,5 土的抗剪强
6、度,一、土的强度特点 二、工程中土体的破坏类型 三、土的强度机理 四、莫尔-库仑强度理论,19,三、土的强度机理,5 土的抗剪强度,施加 (=P/A) 施加 S 量测 (=T/A),上盒,下盒,P,A,5 土的抗剪强度,1、直剪试验(库仑 1776),试验方法, = 100KPa, = 200KPa, = 300KPa,5.1 土体破坏与强度理论,20,c: 粘聚力 :内摩擦角,三、土的强度机理,5 土的抗剪强度,库仑公式,f : 土的抗剪强度 tan: 摩擦强度与正应力成正比 c: 粘聚强度,5 土的抗剪强度,1. 直剪试验,试验结果,抗剪强度指标,5.1 土体破坏与强度理论,21,2007
7、年11月26日,中国国家航天局正式公布 嫦娥一号卫星传回的第一幅月面图像,22,三、土的强度机理,5 土的抗剪强度,(1)滑动摩擦,5 土的抗剪强度,2、摩擦强度 tan,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,5.1 土体破坏与强度理论,23,(2)咬合摩擦,三、土的强度机理,5 土的抗剪强度,5 土的抗剪强度,2. 摩擦强度 tan,剪切面,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),才能移动 土体中的颗粒重新排列,也会消耗能量,5.1 土体破坏与强度理论,24,密度(e,
8、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 颗粒的形状(颗粒的棱角与长宽比) 在其它条件相同时: 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:,三、土的强度机理,5 土的抗剪强度,5 土的抗剪强度,2. 摩擦强度 tan,5.1 土体破坏与强度理论,25,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,三、土的强度机理,5 土的抗剪强度,3、粘聚强度,5 土的抗剪强度,5.1 土体破坏与强度理论,26,5 土的抗剪强度,5.1 土
9、体破坏与强度理论,5 土的抗剪强度,一、土的强度特点 二、工程中土体的破坏类型 三、土的强度机理 四、莫尔-库仑强度理论,27,5 土的抗剪强度,四、莫尔-库仑强度理论,1. 应力状态与莫尔圆 2. 极限平衡应力状态 3. 莫尔-库仑强度理论 4. 破坏判断方法 5. 滑裂面的位置,5 土的抗剪强度,5.1 土体破坏与强度理论,28,5 土的抗剪强度,四、莫尔-库仑强度理论,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,库仑公式,5 土的抗剪强度,5.1 土体破坏与强度理论,29,三维应力状态,5 土的抗剪强度,四、莫尔-库仑强度理论,1. 应力状态与莫尔圆,二维应力状态,5 土
10、的抗剪强度,5.1 土体破坏与强度理论,30,莫尔圆应力分析符号规定,5 土的抗剪强度,四、莫尔-库仑强度理论,5 土的抗剪强度,1. 应力状态与莫尔圆,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,5.1 土体破坏与强度理论,31,z,+zx,-xz,x,2,1,3,5 土的抗剪强度,四、莫尔-库仑强度理论,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:代表一个单元的应力状态; 圆上一点:代表一个面上的两个应力与,5 土的抗剪强度,5.1 土体破坏与强度理论,1. 应力状态与莫尔
11、圆,32,f,直剪试验: 破坏时的莫尔圆与库仑抗剪强度线的关系如何?为什么?,(c、 )三轴 (c、 )直剪 巧合吗?,与的组合满足库仑公式才破坏,5 土的抗剪强度,四、莫尔-库仑强度理论,5 土的抗剪强度,5.1 土体破坏与强度理论,1. 应力状态与莫尔圆,三轴试验结果,33,2. 极限平衡应力状态,5 土的抗剪强度,四、莫尔-库仑强度理论,极限平衡应力状态: 有剪切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,5 土的抗剪强度,5.1 土体破坏与强度理论,34,5 土的抗剪强度,四、莫尔-库仑强度理论,强度包线以内:任何一个面上的一对应力与 都没有
12、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。,5 土的抗剪强度,2. 极限平衡应力状态,5.1 土体破坏与强度理论,35,(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)某土单元的任一个平面上 = f ,该单元就达到了极限平衡应力状态,5 土的抗剪强度,四、莫尔-库仑强度理论,5 土的抗剪强度,3. 莫尔库仑强度理论,5.1 土体破坏与强度理论,36,5 土的抗剪强度,四、莫尔-库
13、仑强度理论,莫尔-库仑强度理论表达式极限平衡条件,1,3,5 土的抗剪强度,3. 莫尔库仑强度理论,5.1 土体破坏与强度理论,37,5 土的抗剪强度,四、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,5 土的抗剪强度,3. 莫尔库仑强度理论,5.1 土体破坏与强度理论,38,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 不可能状态,4. 破坏判断方法,5 土的抗剪强度,四、莫尔-库仑强度理论,判别对象:土体微小单元(一点) 已知条件:一般应力状态、抗剪强度指标,3= 常数:,5 土的抗剪强度,5.1 土体破坏与强度理论,39,根据应力状态
14、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 安全状态 3=3f 极限平衡状态 33f 不可能状态,5 土的抗剪强度,四、莫尔-库仑强度理论,1= 常数:,5 土的抗剪强度,4. 破坏判断方法,5.1 土体破坏与强度理论,40,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,5 土的抗剪强度,四、莫尔-库仑强度理论,(1 + 3)/2 = 常数:圆心保持不变,5 土的抗剪强度,4. 破坏判断方法,5.1 土体破坏与强度理论,也可比较圆的直径,41,2,2,5. 滑裂面的位置,与大主应力面夹角: =45 + /2,5 土的抗剪强
15、度,四、莫尔-库仑强度理论,5 土的抗剪强度,5.1 土体破坏与强度理论,破坏面为什么不在最大剪应力作用面上?,42,5.1 土体破坏与强度理论 5.2 抗剪强度测定试验 5.3 应力路径与破坏主应力线 5.4 抗剪强度指标 5.5 砂土的振动液化,5 土的抗剪强度,5 土的抗剪强度,43,室内试验 野外试验,5.2 抗剪强度测定试验,5 土的抗剪强度,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,5 土的抗剪强度,44,5.2 抗剪强度测定试验,5 土的抗剪强度,1
16、、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,5 土的抗剪强度,一、三轴试验,45,5.2 抗剪强度测定试验,5 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=const; 然后通过活塞杆施加的是应力差 1= 1-3 。,1、试样应力特点与试验方法,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=const,5 土的抗剪强度,一、三轴试验,46,强度包线,(1-)f,c,(1-)f,1 =15%,分别作一系列围压(如100 kPa 、200 kPa 、300 kPa)的三轴试验,得到破坏时相应
17、的(1-)f,绘制各围压下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 ,5.2 抗剪强度测定试验,5 土的抗剪强度,2、强度包线,5 土的抗剪强度,一、三轴试验,47,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
18、,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,5.2 抗剪强度测定试验,5 土的抗剪强度,5 土的抗剪强度,一、三轴试验,48,试验条件与现场条件 的对应关系 (以验算软粘土地基稳定性为例),5.2 抗剪强度测定试验,5 土的抗剪强度,5 土的抗剪强度,一、三轴试验,固结排水试验,固结不排水试验,不固结不排水试验,49,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 Undrained Tr
19、iaxial 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 ),5.2 抗剪强度测定试验,5 土的抗剪强度,5 土的抗剪强度,一、三轴试验,50,30 即为无侧限抗压强度试验,5.2 抗剪强度测定试验,5 土的抗剪强度,5 土的抗剪强度,一、三轴试验,类似试验: 真三轴试验 空心圆柱扭剪试验,51,5.2 抗剪强度测定试验,5 土的抗剪强度,二、 直剪试验,5 土的抗剪强度,问题: 如何反映现场排水条件?,1、试验条件,52,
20、通过控制剪切速率来近似模拟排水条件,5.2 抗剪强度测定试验,5 土的抗剪强度,二、直剪试验,5 土的抗剪强度,(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,1、试验条件,53,n,K0n,5.2 抗剪强度测定试验,5 土的抗剪强度,5 土的抗剪强度,二、直剪试验,2、应力变形状态,54,5.2 抗剪强度测定试验,5 土的抗剪强度,类似试验: 环剪试验 单剪试验,5 土的抗剪强度,二、直剪试验,试样内的变形分布,2、应力
21、变形状态,55,5.2 抗剪强度测定试验,5 土的抗剪强度,5 土的抗剪强度,二、直剪试验,三轴试验与直剪试验优缺点比较,56,一般适用于测定软粘土的不排水强度指标;,钻孔到指定的土层,插入十字形的探头;,施加扭矩至土体破坏,据此计算土的抗剪强度,5.2 抗剪强度测定试验,5 土的抗剪强度,三、十字板剪切试验,5 土的抗剪强度,57,时:,5.2 抗剪强度测定试验,5 土的抗剪强度,三、十字板剪切试验,5 土的抗剪强度,58,5.1 土体破坏与强度理论 5.2 抗剪强度测定试验 5.3 应力路径与破坏主应力线 5.4 抗剪强度指标 5.5 砂土的振动液化,5 土的抗剪强度,5 土的抗剪强度,5
22、9,5 土的抗剪强度,5.3 应力路径与破坏主应力线,一、应力路径及表示法 二、强度包线与破坏主应力线 三、总应力路径与有效应力路径 四、粘性土密度有效应力抗剪强度唯一性关系,60,5.3 应力路径与破坏主应力线,5 土的抗剪强度,一、应力路径及表示法,5 土的抗剪强度,土的力学特性 弹塑性、应力依赖性,需要记录加载历史,应力路径概念,土体中一点应力状态连续变化,在应力空间(平面)中的轨迹,61,5.3 应力路径与破坏主应力线,5 土的抗剪强度,5 土的抗剪强度,一、应力路径及表示法,1,3,q,p,莫尔 圆,应力 状态,圆上 特征点,p,q,p, q平面:一个 点代表一个应力状态,62,3,
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