土力学课件土的抗剪强度与地基承载力_图文文库.ppt
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1、5 土的抗剪强度与地基承载力,学习目标: 了解土中一点的应力状态、剪切试验方法和成果表达方式,熟悉强度指标的选用、和防治措施以及土坡稳定分析方法。 掌握土体抗剪强度规律、土中一点的极限平衡条件,以及直接剪切试验、三轴剪切试验的原理,会判别土的状态。 掌握地基承载力的确定方法。,5.3 土的抗剪强度的测定,本 章 内 容,5.2 库仑定律与土的极限平衡条件,5.4 饱和粘性土的抗剪强度,5.5 无粘性土的抗剪强度,5.6 地基承载力,5.7 地基承载力的确定方法,5.1 概述,5.1 概述,土的抗剪强度:在外力作用下,土体内部产生剪应力时,土对 剪应力的极限抵抗力。 特点: 碎散性 强度不是颗粒
2、矿物本身的强度,而是颗粒间相 互作用主要为颗粒间的内摩阻力与粘聚力; 多项性即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。,1.各种类型的 滑坡,由土体强度引发的各种破坏,乌江武隆鸡冠岭山体崩塌,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。,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,2.挡土结构的破坏,使基坑旁办公室、民工宿舍和仓库倒塌
3、,死3人,伤17人,广州京光广场基坑塌方,3.地基的破坏,1911年动工,1913年完工,谷仓自重20000吨。 1913年10月17日发现1小时内竖向沉降达30.5厘米,结构物向西倾斜,并在24小时内倾倒,谷仓西端下沉7.32米,东端上抬1.52米。 原因:地基承载力不够,超载引发强度破坏而产生滑动。,加拿大特朗斯康谷仓,近代世界上最严重的建筑物破坏之一 1940年水泥仓库装载水泥,使粘性土超载,引起地基土剪切破坏而滑动。 倾斜45度,地基土被挤出达5.18米,23米外的办公楼也发生倾斜。,美国纽约某水泥仓库,4.砂土的液化(liquefaction),日本新泻1964年地震引起大面积液化,
4、大阪的港口码头挡土墙由于液化前倾,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,5.2 莫尔库仑强度理论 与土的极限平衡条件,5.2.1 库伦定律 5.2.2 土中一点的应力状态 5.2.3 莫尔库仑准则,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),库仑定律:土的抗剪强度是剪切面上的法向总应力 的线性函数,5.2.1 土的抗剪强度规律库仑定律,1776年,库仑根据砂土剪切试验得出:,强
5、度线,后来,根据粘性土剪切试验得出:,颗粒间摩擦力,内摩擦角,粘聚力,土的抗剪强度指标 c、; 对于无粘性土,c=0,强度线,土的抗剪强度一般可分为两部分: 一部分与颗粒间的法向应力有关,通常呈正比例关系,其本质是内摩阻力; 另一部分是与法向应力无关的土粒之间的粘结力,通常称为粘聚力。,影响因素 土的抗剪强度,内在因素,外在因素:试验时的排水条件等因素,颗粒间的有效法向应力,土的孔隙比,土中粘土矿物含量、密度、离子浓度,对无粘性土通常认为,粘聚力c=0,土的抗剪强度的表达方式,c和是决定土的抗剪强度的两个指标,称为抗剪强度指标。 C:粘聚力 :内摩擦角 当采用总应力时, 称为总应力抗剪强度指标
6、;,(1)若 f ,表示土体中某一点在其剪切面上的剪应力大于该点处的抗剪强度(土体的实际内摩擦角小于土体保持稳定所需要的内摩擦角),土体在该点处必然发生了破坏(实际该状态是不存在的); (2)当 = f ,土单元体处于极限平衡状态。 (3)反之 f ,土单元体处于稳定状态;,剪面的破坏准则,4.2.2 土中一点的应力状态,1.最大主应力与最小主应力,计算主应力1, 3:,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,z,土体内一点处某个方位的截面上应力的集合(剪应力 和法向应力),斜面上的应力,2.任意斜面上的应力,根据静力平衡条件,1,3,(1 +3 )/2,2,A(, ),(1
7、-3 )/2,莫尔圆可以表示土体中一点的应力状态。莫尔圆圆周上各点的坐标就表示该点在,相应平面上的正应力和剪应力。,抗剪强度包线,同一种土的不同土样(比如4个)中,每一个土样,在不同的周围应力和竖向应力下,处于极限时的应力状态对应一个极限应力圆,这4个应力圆的公切线(曲线),称为土的抗剪强度包线,近似一条斜直线(即前面的)。,3.抗剪强度包线,应力圆与强度线相离:,应力圆与强度线相切:,应力圆与强度线相割:,极限应力圆, f,弹性平衡状态,极限平衡状态,破坏状态, = f, f,4.2.3 莫尔库仑准则,土样周围压力不变,而竖向压力变化,得到的应力圆与强度包线的关系,3,1,1,1,莫尔库仑破
8、坏准则,无粘性土:c=0,粘性土:,当土体处于极限平衡状态时,土体的最薄弱面:,但剪应力最大的面是:,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,比较和m,实际应用: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,1= 1f 极限平衡状态 (即将破坏) 11f 不可能状态 (破坏),方法1: 由3 1f,比较1和1f,方法2: 由1 3f,比较3和3f,3= 3f 极限平衡状态 (即将破坏) 3 3f 安全状态 3 3f 不可能状态 (破坏),方法3: 由1 , 3 m,比较和m
9、, m 安全状态 = m极限平衡状态 (即将破坏) m不可能状态 (破坏),处于极限平衡状态所需的内摩擦角,例:设砂土地基中某点的大主应力1为450kPa,小主应力 3为200kPa,土的内摩擦角为30,粘聚力c为0,问该点处于什么状态?,解:已知,故该点处于稳定状态。,m 不可能状态 (破坏),例题 :某土层的抗剪强度指标=30,c=10 kPa,其中某一点的1=120kPa,3=30kPa,(1)问该点是否破坏?(2)若保持3不变,该点不破坏的1最大为多少?,5.3 土的抗剪强度指标的测定方法,5.3.1 直接剪切实验 5.3.2 三轴剪切试验 5.3.3 无侧限抗压强度试验 5.3.4
10、十字板剪切试验,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,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,1.试验仪器:直剪仪(应变控制式,应力控制式),5.3.1 直接剪切试验,2.试验原理: 对同一种土至少取4个平行试样,分别在不同垂直压力下剪切破坏,将试验结果绘制抗剪强度f与相应垂直压力的关系图。,剪切容器与应力环,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),3.试验成果:,直剪实验
11、只能测定总应力,试验中通过控制剪切速率近似模拟工程实际排水条件,分为固结慢剪(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)、固结快剪(施加正应力-充分固结 在3-5分钟内剪切破坏)、直接快剪(快剪:施加正应力后立即剪切 3-5分钟内剪切破坏)三种实验方法。,4.直剪试验的类型:,土样排水条件和固结程度的不同,所得的抗剪强度指标也不相同,三种方法的内摩擦角:scq q,根据具体情况选择。,5.直剪试验中的应力状态:,剪切 破坏时,5.直剪试验优缺点,优点: 仪器构造简单,试样的制备和安装方便,易于操作。 缺点: 剪切破坏面固定,且不一定是土样的最薄弱面。 不能严格
12、控制排水条件,不能量测土样的孔隙水压力。 剪切过程中试样剪切面积逐渐减小,剪切面上的剪应力分布不均匀。,1.试验仪器,应变控制式三轴仪:压力室,加压系统,量测系统组成 (常用),应力控制式三轴仪,5.3.2 三轴剪切试验,应变控制式三轴仪: 压力室 加压系统 量测系统,三轴压缩仪,加压和量测系统,2.试验步骤:,(2)施加周围压力,(3)施加竖向压力,(1)装样,3.三轴剪切试验原理,抗剪强度包线,4.抗剪强度包线,分别在不同的周围压力3作用下进行剪切,得到34 个不同的破坏应力圆,绘出各应力圆的公切线即为土的抗剪强度包线。,5.三轴试验优缺点,优点: 能控制排水条件,量测孔隙水压力。 试样的
13、应力分布比较均匀,剪切破坏面为最薄弱面。 缺点: 试验仪器复杂,操作技术要求高,试样制备较复杂。 试验在2=3的轴对称条件下进行,与土体实际受力情况可能不符。,3=0,5.3.3 无侧限抗压强度试验,无侧限压缩仪,无侧限抗压强度试验,无侧限抗压强度试验所得的极限应力圆的水平切线就是破坏包线,土的抗剪强度随深度的变化,十字板试验装置,5.3.4 十字板剪切试验,5.4 饱和粘性土的抗剪强度,5.4.1 不固结不排水试验 5.4.2 固结不排水试验 5.4.3 固结排水试验 5.4.4 抗剪强度指标的表达与选择,测定饱和粘性土的抗剪强度指标时,三轴剪切试验按剪切前的固结程度和剪切时的排水条件,可以
14、分为三种试验方法: (1)不固结不排水试验 (UU试验, Unconsoidated-Undrained) (2)固结不排水试验 (CU试验,Consoidated-Undrained/压缩) (3)固结排水试验 (CD试验,Consoidated-Drained /排水),5.4.1 不固结不排水剪(UU),直剪试验:通过试验加荷的快慢来实现是否排水。使试样在35min内剪破,称之为快剪。,三轴试验:施加周围压力3、轴向压力直至剪破的整个过程都关闭排水阀门,不允许试样排水固结。,有效应力圆,总应力圆,u=0,cu,uA,试验表明:虽然三个试样的周围压力3不同,但破坏时的主应力差相等,三个极限
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