土力学第7章.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,7,章 土的抗剪强度,7.1,概述,7.2,土的抗剪强度理论,7.3,抗剪强度测定方法,7.4,饱和土的抗剪强度,7.1,概述,1.,土的抗剪强度,土体抵抗剪应力的极限值，或土体抵抗剪切破坏的受剪能力。,2.,土的破坏是剪切破坏,土颗粒自身通常不易被压碎，而更容易在外力作用下产生相对滑移。,（,1,）地基承载力问题,(2),土坡稳定性问题,3.,与土的抗剪强度有关的工程问题主要有三类：,(,3),土压力问题,4.,本章重点：,掌握土的抗剪强度理论、土的抗剪强度和抗剪强度指标的关系、土的抗剪强度测定方法。,挡土墙,7.2,土的抗剪强度理论,1773,年 库仑,砂土剪切试验,施加,（,=,P/A,）,量测,（,=,T/A,）,上盒,下盒,P,s,T,A,试验步骤,1.,库仑公式,砂土,f,粘性土,c,f,砂土,粘性土,f,：,土的抗剪强度,s,：,法向总应力,：,土的内摩擦角,c,：,土的粘聚力（,kPa,）,抗剪强度实质：,无粘性土抗剪强度由土粒间的摩阻力引起。,粘性土抗剪强度,=,摩阻力,+,颗粒间胶结及静力作用。,总应力法,有效应力法,c,、,j,：,总应力强度指标,c,、,j,：,有效应力应力强度指标,2.,抗剪强度指标,3.,莫尔库仑强度理论,土体内任一点任一截面上剪应力,和法向应力,3,3,1,1,3,1,ds,dscos,dssin,楔体静力平衡,3,1,dl,dlcos,dlsin,（,1,）解得斜面上的应力：,（,2,）莫尔应力圆方程,0,1,3,(,1,+,3,)/2,2,A(,),圆心坐标,(,1,+,3,)/2,，,0,应力圆半径,r,(,1,3,)/2,土中某点的,应力状态,可用莫尔应力圆描述,应力圆,与强度线相离：,抗剪强度线,应力圆,与强度线相切：,应力圆,与强度线相割：,极限,应力圆,f,破坏状态,（,3,）莫尔（应力）圆与抗剪强度线的关系,3,1,c,A,cctg,(,1,+,3,)/2,无粘性土,记,（,4,）极限平衡条件,粘性土,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,f,f,2,f,3,1,c,A,cctg,(,1,+,3,)/2,说明：,剪破面与大主应力作用面成,45,/2,的夹角，或与小主应力作用面成,45,/2,夹角,。,max,【,例题分析,】,地基中某一单元土体上的大主应力为,450kPa,，小主应力为,100kPa,。通过试验测得土的抗剪强度指标,c=30,kPa,，,=10,o,。试问该单元土体处于何种状态？剪破面的位置？,【,解,】,（,1,）已知,1,=430kPa,，,3,=100kPa,，,c,=30kPa,，,=30,o,结论：,1f,小于该单元土体实际大主应力,1,，该点已破坏。,结论：,3f,大于该单元土体实际小主应力,3,，该点已破坏。,或,（,2,）,破坏面与大主应力作用面成,60,。,作业：,地基中某一单元土体上的大主应力为,500kPa,，,小主应力为,200kPa,。,通过试验测得土的抗剪强度指标,c,=20kPa,，,=26,o,。,试问,该单元土体是否会剪破？,剪切破坏面出现在哪个面上。,7.3,土的抗剪强度试验,7.3.1,直接剪切试验,1.,试验仪器：,应变控制式直剪仪,2.,试验步骤,:,(2),转动手轮，施加水平推力。,(3),试验上下盒接触面产生剪切变形，直至破坏，此时土样剪应力等于土的抗剪强度。,(1),通过加压活塞对试件施加垂直压力,。,(4),同一土至少取,4,个试样，分别在,100,、,200,、,300,、,400kPa,四个垂直压力下，测得抗剪强度。,剪切过程中剪应力,与剪切位移,d,关系,4,mm,a,b,剪切位移,d,(0.01mm),剪应力,（,kPa,),(5),在不同的竖向压力,下进行剪切试验，得相应的抗剪强度,f,，,绘制,f,-,曲线，得该土的抗剪强度包线。,3.,直剪试验分类,(1),快剪,(2),固结快剪,施加,施加,快速,0.2,mm/min,施加,施加,快速,0.2,mm/min,排水,固结,(3),慢剪,施加,施加,慢速,排水,固结,4.,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：,剪切破坏面不一定是土样的最薄弱面；,剪切面上的剪应力分布不均匀，边缘处应力集中；,上下盒的错动剪切过程中试样剪切面积逐渐减小；,试验中不能严格控制排水条件，不能量测土样的孔隙水压力。,7.3.2,三轴剪切试验,1.,三轴压缩仪,1,调压筒；,2,周围压力表；,3,周围压力阀；,4,排水阀；,5,体变管；,6,排水管；,7,变形量表；,8,量力环；,9,排气孔；,10,轴向加压设备；,11,压力室；,12,量管阀；,13,零位指示器；,14,孔隙压力表；,15,量管；,16,孔隙压力阀；,17,离合器；,18,手轮；,19,马达；,20,变压管,2.,试验步骤,:,3,3,3,3,3,3,1,1,(2),施加周围压力,3,(3),施加竖向压力,1,，直至试样破坏,(1),将试样放入压力室,1,3,1,3,1,(4),量测试验过程中的孔隙水压力,u,3,1,3,3,u,1,1,u,(5),分别在不同的周围压力,3,作用下进行剪切，得到,3,4,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。,抗剪强度包线,c,3.,三轴压缩试验分类,(1),不固结不排水三轴试验（,UU,，不排水剪）,(2),固结不排水三轴试验（,CU,，固结不排水剪）,施加,3,施加竖向压力,快速,不排水,施加,3,施加竖向压力,关闭阀门,排水,固结,(3),固结排水三轴试验（,CD,，排水剪）,施加,3,施加竖向压力,排水,固结,打开阀门,打开阀门,打开阀门,4.,三轴试验优缺点,优点：,试验中能严格控制试样排水条件，量测孔隙水压力，了解土中有效应力变化情况。,试样中的应力分布比较均匀。,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。,7.3.3,无侧限抗压强度试验,q,u,q,u,加压框架,量表,量力环,升降螺杆,无侧限压缩仪,无侧限抗压强度试验是三轴剪切试验的特例，,3,=0,，只施加轴向压力直至发生破坏。,试样,无侧限抗压强度,q,u,在无侧限压力条件下，剪切破坏时试样承受的最大轴向压力,。,无侧限压缩仪,1,、根据,试验结果只能作出一个极限应力圆（,3,=0,，,1,=,q,u,）。,2,、根据三轴不排水不固结试验成果，饱和粘性土强度包线近似于一水平线，即,u,=0,。,q,u,c,u,u,=0,3,、无侧限抗压强度试验适用于测定饱和软粘土的不排水强度。,q,u,无侧限抗压强度，,kPa,;,c,u,土的不排水抗剪强度，,kPa,。,适用于现场测定饱和粘性土的不排水强度，尤其适用于均匀的饱和软粘土。,四、十字板剪切试验,7.5,饱和黏性土的抗剪强度,（,不固结）不排水抗剪强度,固结不排水抗剪强度,（固结）排水抗剪强度,粘性土抗剪强度按剪切前的固结状态和剪切时的排水条件分为三种：,一、不排水抗剪强度,施加,3,3,3,3,3,3,3,关闭排水阀,施加竖向压力,快速,不排水,饱和粘性土在三组,3,下的不排水剪试验得到,A,、,B,、,C,三个不同,3,作用下破坏时的总应力圆。,总应力圆,u,=0,B,C,A,3A,1A,周围压力,3,不同，但破坏时的主应力差相等，三个极限应力圆的直径相等，因而强度包线是一条水平线,只能得到一个有效应力圆,有效应力圆,总应力圆,u,=0,B,C,c,u,u,A,A,3A,1A,一般只用于测定饱和土的不排水强度。,二、固结不排水剪,3,3,3,3,3,3,打开,排水阀,关闭,排水阀,施加,3,施加竖向压力,关闭阀门,排水,固结,打开阀门,施加,施加,快速,0.2,mm/min,排水,固结,(,固结慢剪,),将总应力圆在水平轴上左移,uf,得到相应的有效应力圆，按有效应力圆强度包线可确定,c,、,c,cu,c,cu,在不同,3,作用下，得到,A,、,B,、,C,三个破坏时的总应力圆，,由总应力圆强度包线确定固结不排水剪总应力强度指标,c,cu,、,cu,A,B,C,正常固结饱和粘性土，,c,c,0,三、,排水剪切强度,3,3,3,3,3,3,打开,排水阀,施加,3,施加竖向压力,排水,固结,打开阀门,打开阀门,在排水剪试验过程中，,u,f,0,，总应力全部转化为有效应力，所以总应力圆即是有效应力圆，,总应力强度线即是有效应力强度线,。,固结排水剪总应力强度指标为,c,d,、,d,。,c,d,d,正常固结饱和粘性土，,c,c,0,固结排水试验（,CD,试验）,抗剪强度指标：,c,d,d,（,c,）,固结不排水试验（,CU,试验）,抗剪强度指标：,c,cu,cu,不固结不排水试验（,UU,试验）,抗剪强度指标：,c,u,u,（,c,uu,uu,）,试验类型汇总,总结,:,对于同一种饱和粘性土，在不同的排水条件下进行试验，总应力强度指标完全不同。,有效应力强度指标不随试验方法的改变而不同，抗剪强度与有效应力有唯一的对应关系。,c,cu,c,cu,A,B,C,四、抗剪强度指标的选用,土的抗剪强度指标随试验方法、排水条件的不同而异，对于具体工程问题，应该尽可能根据现场条件决定采用实验室的试验方法，以获得合适的抗剪强度指标,试验方法,适用条件,不排水剪或快剪,地基土的透水性和排水条件不良，建筑物施工速度较快,排水剪或慢剪,地基土的透水性好，排水条件较佳，建筑物加荷速率较慢,固结不排水剪或固结快剪,建筑物竣工以后较久，荷载又突然增大，或地基条件等介于上述两种情况之间,【,例,】,对某种饱和粘性土做固结不排水试验，三个试样破坏时的大、小主应力和孔隙水压力列于表中，试用作图法确定土的强度指标,c,cu,、,cu,和,c,、,周围压力,3,/,kPa,1,/,kPa,u,f,/,kPa,60,100,150,143,220,313,23,40,67,【,解答,】,按比例绘出三个总应力极限应力圆，如图所示,，,再绘出总应力强度包线,按由,1,=,1,-,u,f,，,3,=,3,-,u,f,，,将总应力圆在水平轴上左移相应的,u,f,即得,3,个有效应力极限莫尔圆，如图中虚线圆，再绘出有效应力强度包线。,c,c,cu,根据强度包线得到：,c,cu,=10,kPa,，,cu,=18,o,c,=6,kPa,，、,=27,o,cu,(,kPa,),100,(,kPa,),100,300,200,400,【,例,】,某正常固结饱和粘性土试样进行排水固结试验，测得抗剪强度指标为,c,d,0,，,d,=,31,o,，如果对同一试样进行固结不排水试验，施加围压,3,200kPa,，试样破坏时的轴向偏应力,(,1,-,3,),f,180kPa,。试求试样的固结不排水剪强度指标和破坏时的孔隙水压力。,1,、不排水剪强度指标：,【,解答,】,f,2,、孔隙水压力,f,1,、库仑公式,2,、摩尔库仑准则,c,f,5,、根据固结和排水的条件不同，剪切试验可分为三种：固结不排水剪（,CU,）、不固结不排水剪（,UU,）、固结排水剪（,CD,）。,6,、三种剪切试验测得的总应力指标完全不同；但有效应力指标相同。,4,、土的抗剪强度试验：直剪试验、三轴压缩试验、无侧限抗压试验、十字板剪切试验。,3,、抗剪强度指标分为总应力抗剪强度指标、有效应力抗剪强度指标。,1,、根据库仑定律，土的抗剪强度指标包括,和,。,2,、土的抗剪强度有两种表达方式：一种是,法，另一种是,法。,3,、对于饱和粘性土，若其无侧限抗压强度为,60kPa,，则该土的不排水抗剪强度为,。,4,、通过控制排水条件，将三轴压缩试验分为,、,和,三种方法。,5,、三个相同土样在不同的周围压力作用下进行不固结不排水试验，试验结果表明，三个试验在破坏时的主应力差间的关系是,。,1,、对同一种土进行剪切试验，剪坏时的有效应力圆与总应力圆直径大小关系是,。,2,、某正常固结饱和粘性土试样，进行不固结不排水试验得,c,u,15kPa,，对同样的土进行固结不排水试验得有效应力抗剪强度指标,c,0,，,30,请问：如果试样某一面的法向应力突然增加到,200kPa,，法向应力刚增加时沿这个面的抗剪强度是？经很长时间后沿这个面的抗剪强度又是多少？,