土力学之 土的抗剪强度.ppt
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1、第五章,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,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 动强度与砂土的振动液化,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、土的强度的机理 四、摩尔-库仑强度理论,5 土的抗剪强度,5.1 土体破坏与土的强度理论,一、土的强度特点: 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; 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
2、的结构性与复杂性。,5 土的抗剪强度,5.1 土体破坏与土的强度理论,大阪的港口码头档土墙由于液化前倾,5 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,5.1 土体破坏与土的强度理论,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,5.1 土体破坏与土的强度理论,使基坑旁办公室、民工宿舍和仓库倒塌,死3人,伤17人。,挡土墙,滑裂面,基坑支护,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,5.1 土体破坏与土的强度理论,平移滑动,2. 各种类型的滑坡,5 土的抗剪强度,崩塌,旋转滑动,流滑,二、工程中土体的破坏
3、类型,5.1 土体破坏与土的强度理论,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,5 土的抗剪强度,2. 各种类型的滑坡,二、工程中土体的破坏类型,5.1 土体破坏与土的强度理论,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,2. 各种类型的滑坡,二、工程中土体的破坏类型,5.1 土体破坏与土的强度理论,高程(m),滑距(m),5530,2200,400
4、0,扎 木 弄 沟,滑坡堆积体,0,8000,4000,2000,6000,立面示意图,坡高 3330 m 堆积体宽 约2500m 总方量 约3亿方,5 土的抗剪强度,2. 各种类型的滑坡,二、工程中土体的破坏类型,5.1 土体破坏与土的强度理论,2000年西藏易贡巨型滑坡,易贡滑坡堰塞湖,滑 坡 堆 积 区,扎 木 弄 沟,2264m,2210m,2165m,2340m,平面示意图,5520m,滑坡堆积体,5 土的抗剪强度,2. 各种类型的滑坡,二、工程中土体的破坏类型,5.1 土体破坏与土的强度理论,2000年西藏易贡巨型滑坡,天然坝 坝高290 m 滑坡堰塞湖 库容15亿方,湖水每天上涨
5、50cm ?,5 土的抗剪强度,2. 各种类型的滑坡,二、工程中土体的破坏类型,5.1 土体破坏与土的强度理论,2000年西藏易贡巨型滑坡,边坡,5 土的抗剪强度,2. 各种类型的滑坡,二、工程中土体的破坏类型,5.1 土体破坏与土的强度理论,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,5.1 土体破坏与土的强度理论,日本新泻1964年地震引起大面积液化,3. 地基的破坏,5 土的抗剪强度,二、工程中土体的破坏类型,5.1 土体破坏与土的强度理论,地基,3. 地基的破坏,5 土的抗剪强度,二、工程中土体的破坏类型,5.1 土体破坏与土的强度理论,土
6、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,5 土的抗剪强度,二、工程中土体的破坏类型,5.1 土体破坏与土的强度理论,一、土的强度特点 二、工程中土体的破坏类型 三、土的强度的机理 四、摩尔-库仑强度理论,5 土的抗剪强度,5.1 土体破坏与土的强度理论,三、土的强度的机理,5 土的抗剪强度,5.1 土体破坏与土的强度理论,直剪试验 库仑(1776) 试验原理,施加 (=P/A),S 量测 (=T/A), = 100KPa,S,A,直剪试验 库仑(1776) 试验原理 试验结果, = 100KPa,S, = 200KPa, = 300KPa,三、土的强度的机理,5
7、 土的抗剪强度,5.1 土体破坏与土的强度理论,c 粘聚力 内摩擦角,直剪试验 库仑(1776) 试验原理 试验结果,三、土的强度的机理,5 土的抗剪强度,5.1 土体破坏与土的强度理论,库仑公式:,f : 土的抗剪强度 tg: 摩擦强度-正比于压力 c: 粘聚强度-与所受压力无关,滑动摩擦,三、土的强度的机理,5 土的抗剪强度,5.1 土体破坏与土的强度理论,1. 摩擦强度 tg,(1)滑动摩擦,(2)咬合摩擦引起的剪胀,滑动摩擦,咬合摩擦引起的剪胀,三、土的强度的机理,5 土的抗剪强度,5.1 土体破坏与土的强度理论,1. 摩擦强度 tg,(3)颗粒的破碎与重排列,滑动摩擦,颗粒破碎与重排
8、列,三、土的强度的机理,5 土的抗剪强度,5.1 土体破坏与土的强度理论,1. 摩擦强度 tg,咬合摩擦引起的剪胀,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: 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:,三、土的强度的机理,5 土的抗剪强度,5.1 土体破坏与土的强度理论,1. 摩擦强度 tg,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
9、与离子浓度,三、土的强度的机理,5 土的抗剪强度,5.1 土体破坏与土的强度理论,2. 凝聚强度,一、土的强度特点 二、工程中土体的破坏类型 三、土的强度的机理 四、摩尔-库仑强度理论,5 土的抗剪强度,5.1 土体破坏与土的强度理论,5 土的抗剪强度,5.1 土体破坏与土的强度理论,四、摩尔-库仑强度理论,1. 库仑公式 2. 应力状态与摩尔圆 3. 极限平衡应力状态 4. 摩尔-库仑强度理论 5. 破坏判断方法 6. 滑裂面的位置,c 粘聚力 内摩擦角,f : 土的抗剪强度 tg: 摩擦强度-正比于压力 c: 粘聚强度-与所受压力无关,5 土的抗剪强度,5.1 土体破坏与土的强度理论,四、
10、摩尔-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,1. 库仑公式,三维应力状态,5 土的抗剪强度,5.1 土体破坏与土的强度理论,四、摩尔-库仑强度理论,2. 应力莫尔圆,二维应力状态,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,5 土的抗剪强度,5.1 土体破坏与土的强度理论,四、摩尔-库仑强度理论,2. 应力莫尔圆,O,1,3,5 土的抗剪强度,5.1 土体破坏与土的强度理论,四、摩尔-库仑强度理论,2. 应力莫尔圆,大主应力:,小主应力:,圆心:,半径
11、:,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,3. 极限平衡应力状态,5 土的抗剪强度,5.1 土体破坏与土的强度理论,四、摩尔-库仑强度理论,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,3. 极限平衡应力状态,5 土的抗剪强度,5.1 土体破坏与土的强度理论,四、摩尔-库仑强度理论,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。
12、,4. 莫尔库仑强度理论,(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 +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,5 土的抗剪强度,5.1 土体破坏与土的强度理论,四、摩尔-库仑强度理论,4. 莫尔库仑强度理论,5 土的抗剪强度,5.1 土体破坏与土的强度理论,四、摩尔-库仑强度理论,莫尔-库仑强度理论表达式极限平衡条件,1f,3,4. 莫尔库仑强度理论,5 土的抗剪强度,5.1 土体破坏与土的强度理论,四、摩尔-库仑强度理论,莫尔-库仑
13、强度理论表达式极限平衡条件,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,5 土的抗剪强度,5.1 土体破坏与土的强度理论,四、摩尔-库仑强度理论,判别对象:土体微小单元(一点),3= 常数:,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,5. 破坏判断方法,5 土的抗剪强度,5.1 土体破坏与土的强度理论,四、摩尔-库仑强度理论,判别对象:土体微小单元(一点),1= 常数:,根据应力状态计算出大小主应力1、3,判断破坏可能性
14、,由1、3计算与比较, 安全状态 = 极限平衡状态 不可能状态,O,c,5. 破坏判断方法,5 土的抗剪强度,5.1 土体破坏与土的强度理论,四、摩尔-库仑强度理论,判别对象:土体微小单元(一点),(1 + 3)/2 = 常数:圆心保持不变,O,c,1f,3,2,2,6. 滑裂面的位置,与大主应力面夹角: =45 + /2,5 土的抗剪强度,5.1 土体破坏与土的强度理论,四、摩尔-库仑强度理论,一、室内试验 二、野外试验,5.2 抗剪强度测定试验,5 土的抗剪强度,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
15、点:应力条件不易掌握 优点:原状土的原位强度,5.2 抗剪强度测定试验,5 土的抗剪强度,一、室内试验,1. 直剪试验,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,5.2 抗剪强度测定试验,5 土的抗剪强度,一、室内试验,1. 直剪试验,O,n,K0n,5.2 抗剪强度测定试验,5 土的抗剪强度,一、室内试验,1. 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
16、杂 应变不均匀 不能控制排水条件 剪切面固定,缺点,5.2 抗剪强度测定试验,5 土的抗剪强度,一、室内试验,1. 直剪试验,类似试验: 环剪试验 单剪试验,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,5.2 抗剪强度测定试验,5 土的抗剪强度,一、室内试验,2. 三轴试验,(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,5.2 抗剪强度测定试验,5 土的抗剪强度,一、室内试验,2. 三轴试验,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 。,(1)试样应力特点与试验方法:,特点
17、: 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,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 ,5.2 抗剪强度测定试验,5 土的抗剪强度,一、室内试验,2. 三轴试验,(2)强度包线,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,
18、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,(3)试验类型,5.2 抗剪强度测定试验,5 土的抗剪强度,一、室内试验,2. 三轴试验,固结排水试验(CD试验) Consolidated Drained Triaxial test (CD) 抗剪强度指标: cd d (c ),试验类型汇总,固结不排水试验(CU试验) Con
19、solidated 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 ),5.2 抗剪强度测定试验,5 土的抗剪强度,一、室内试验,2. 三轴试验,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; 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,5.2 抗剪强度测定试验,5 土的抗剪强度,一、
20、室内试验,2. 三轴试验,真三轴仪 空心圆柱扭剪仪,5.2 抗剪强度测定试验,5 土的抗剪强度,一、室内试验,3. 其它室内试验,十字板剪切试验,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;,通过施加的扭矩计算土的抗剪强度,5.2 抗剪强度测定试验,5 土的抗剪强度,二、野外试验,时:,5.2 抗剪强度测定试验,5 土的抗剪强度,二、野外试验,十字板剪切试验,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,土的应力应变关系特性 弹塑性 需要记录加载历史 应力路径概念 应力状态:土体中一点(微小单元)
21、上作用的应力的大小与方向 土体中一点应力状态连续变化,在应力空间(平面)中的轨迹,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,应力圆 某一特定面上的应力点 通常选择最大剪应力面(与主应力面成45度的斜面),O,3,1,13,固结排水三轴试验,莫尔圆圆心,莫尔圆半径,一个点代表一个摩尔圆; 一条线代表一系列摩尔圆应力路径,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,摩尔园一个园代表一个应力状态,p,q平面一个 点代表一个应力状态, 保持为常数,二. 摩尔圆与 p, q 平面上的应力路径,用摩尔圆,用应力平面,土中一点的应力状态,一个摩尔圆,
22、一点,应力的变化过程,一系列摩尔圆,一条线,(应力路径),极限应力状态,与强度包线相切的摩,尔圆,破坏主应力线上的一,点,破坏包线 f 在 坐标系中所有破坏状态摩尔圆的公切线,破坏主应力线 Kf 在p q 坐标系中所有处于极限平衡应力状态点的集合,p,q,O,f 线,Kf线,固结排水三轴试验,5.3 应力路径与破坏主应力线,5 土的抗剪强度,二、强度包线与破坏主应力线,两条直线与横坐标交点都是 0,破坏包线 在 坐标系中所有破坏状态摩尔圆的公切线,p,q,O,c,破坏主应力线 在p q 坐标系中所有处于极限平衡应力状态点的集合,a,f线,Kf线,O,A,R,固结排水三轴试验,5.3 应力路径与
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