工程地质与地基基础(蔡燕燕)第4章 土的抗剪强度与地基承载力.ppt
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1、第4章 土的抗剪强度与地基承载力,第一节 概述 第二节 土的极限平衡条件 第三节 抗剪强度指标 的确定 第四节 影响抗剪强度指标 的因素 第五节 地基的临塑荷载和临界荷载 第六节 地基的极限荷载,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,2,土的抗剪强度:是指土体对于外荷载所产生的剪应力的极限抵抗能力。,变形破坏 沉降、位移、不均匀沉降等超过规定限值 地基破坏 强度破坏 地基整体或局部滑移、隆起, 土工构筑物失稳、 滑坡,土体强度破坏的机理: 当土体受到荷载作用后,土中各点将产生剪应力。当某一点的剪应力达到土的抗剪强度,在剪切面两侧的土体将产生相对位移而发生滑动破坏,该剪切面也称滑动面或
2、破坏面。随着荷载的继续增加,土体中的剪应力达到抗剪强度的区域(塑性区)越来越大,最后各个破坏点的滑动面连成一个连续的滑动面,土体将因此发生整体剪切破坏而丧失稳定性,发生剪切破坏。,4.1 概述,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,3,工程实践中与土的抗剪强度有关工程主要有以下3类: (1)是土作为材料构成的土工构筑物的稳定问题;如土坝、路堤等填方边坡及天然土坡的稳定问题。 (2)是土作为工程构筑物的环境的问题,即土压力问题;如挡土墙、地下结构等的周围土体。 (3)是土作为建筑物地基的承载力问题 。,土的强度问题工程背景,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,4,一、土体内
3、一点处任意方向截面上应力的集合(剪应力 和法向应力) 1、剪切面应力状态,斜面上的应力,4.2 土的极限平衡理论,极限平衡状态:土体中某一点在某方向的平面上的剪应力达到土的抗剪强度时,认为该点处于极限平衡状态。,静力平衡条件 联立求解得:,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,5,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,6,O,1,3,1/2(1 +3 ),A(, ),土中某点的应力状态可用莫尔应力圆描述,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。,2 用摩尔圆求、,3 剪切面的应力状态 任意点A的应力状态 用摩尔半圆上
4、的点的横坐标和纵坐标表示地基中某个点的某个平面上的正应力和剪应力,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,7,二、莫尔库仑破坏理论,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,8,(一)土的抗剪强度规律,砂土:,粘性土:,,土的内摩擦角,与土颗粒的大小形状、粗糙程度、土的密实程度 和 饱和度有关,对于中砂、粗 砂、砾砂,约为2836 c为土粘聚力,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,9,莫尔包线表示材料在不同应力作用下达到极限状态时,滑动面上法向应力与剪应力f 的关系。,莫尔包线,三、极限平衡状态(摩尔圆与抗剪强度曲线的关系),【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承
5、载力,莫尔应力圆在强度包线以内:任何一个面上的剪应力小于该面上相应的抗剪强度,土单元处于稳定状态;,莫尔应力圆与破坏包线相切:有一对面上的剪应力达到了该面上的抗剪强度,处于极限平衡状态。莫尔库仑破坏准则;,莫尔应力圆与破坏包线相交:有一些平面上的应力超过强度;不可能发生。,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,11,1f,3f,c,对于无粘性土,c=0,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,12,破裂角:土体处于极限平衡状态时,破坏面与大主应力作用面的夹角为,说明:剪破面并不产生于最大剪应力面,而与最大剪应力面成 / 2的夹角。因此,土的剪切破坏并不是由最大剪应力max所控
6、制。,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,13,已知土中大小主应力状态判断土体所处的状态 1.先求得剪破面上的正应力和剪应力,再求得剪破面上的抗剪强度,根据剪应力和抗剪强度之间的关系进行判断。,稳定状态,极限平衡状态,不可能,土体早已破坏,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,14,1 假定此时的大主应力为破坏时的大主应力,求得破坏时的小主应力 。根据破坏时的小主应力和实际的小主应力之间的关系进行判断。,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,15,2 假定此时的小主应力为破坏时的小主应力,求得破坏时的大主应力 。根据破坏时的大主应力和实际的大主应力之间的关系进行
7、判断。,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,16,应用,【解答】,已知1=450kPa,3=150kPa,c=20kPa, =26o,方法1:,计算结果表明:1f接近该单元土体实际大主应力1,所以,该单元土体处于极限平衡状态。,问题解答:,【例1】地基中某一单元土体上的大主应力为450kPa,小主应力为150kPa。通过试验测得土的抗剪强度指标c=20 kPa, =26o。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?,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,17,计算结果表明: 3f接近该单元土体实际小主应力 3,该单元土体
8、处于极限平衡状态 。,在剪切面上,库仑定律,方法2:,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,18,方法3: 作图法,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:最大剪应力面上的极限抗剪强度,max,问题解答:,4.3 抗剪强度指标的确定,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,19,土的抗剪强度指标包括内摩擦角与粘聚力c 测定土抗剪强度指标的试验称为剪切试验: 按常用的试验仪器可将剪切试验分为直接剪切试验、三轴压缩试验、无侧限抗压强度试验和十字板剪切试验四种。 影响土的抗剪强度的因素: 土的密度、含水率、初始应力状态、应力历史及固结程度、试验中的
9、排水条件等。,4.3.1 直接剪切实验,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,20,1、试验仪器:直剪仪(应力控制式,应变控制式),【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,21,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,22,剪切位移(mm),剪应力(kPa),f,f,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,23, = 100KPa, = 200KPa, = 300KPa, = 400KPa,4,2、直剪优缺点 优点:仪器简单,便宜,操作简便。 缺点:排水条件不严格(仍有可能排水),无法测量孔隙水压力, 剪切面上应力分布不均(边缘应力集中),不是沿最薄弱面剪坏。
10、 安全等级低的建筑采用(一般工程) 安全等级高的建筑采用三轴试验指标,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,24,4.3.2 三轴压缩试验(静三轴),1、试验简介 仪器静三轴压缩仪构造 试验方法:套橡皮膜圆柱状土样 数据测读:各级压力作用下对应的体积变形和竖向变形以及孔隙水压力 数据整理(多个试样): 曲线作应力圆,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,25,三轴压缩试验直接量测的是试样在不同恒定周围压力下的抗压强度,然后利用莫尔库仑准则间接推求土的抗剪强度。,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,26,接围压系统,透水石,透水石,橡皮膜,三轴压缩仪主要由压力室、
11、加压系统和量测系统三大部分组成。,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,27,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,28,不固结不排水剪(UU),【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,29,固结不排水剪(CU),【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,30,固结排水剪(CD),【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,31,不固结或固结是对周围压力增量而言的; 不排水或排水是对附加轴向压力而言的。,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,32,1,1- 3,(1-)f,c,(1-)f,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,33,(1
12、-)f,c,(1-)f,uf,uf,c,2、三轴试验与直剪试验比较,优缺点: 优点: 能严格地控制排水条件 能量测孔隙水压力的变化,计算有效应力 试件中的应力状态较明确 没有人为地限定剪切破坏面,破裂面发生在试件的最弱部位 试件受压比较符合地基土的实际受力情况,结果较可靠 缺点: 仪器较复杂、价格昂贵、操作技术要求较高。一级建筑物用三轴压缩试验测定 、 。,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,34,4.3.3 无侧限抗压强度试验,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,35,三轴压缩试验中当周围压力30时即为无侧限试验条件,这时只有q=1。所以,也可称为单轴压缩试验。由于试
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