土力学地基基础---土的抗剪强.pptx

第四章第四章 土的抗剪强度与地基承载力土的抗剪强度与地基承载力u土的抗剪强度土的抗剪强度u地基承载力地基承载力u应力路径应力路径第一节第一节 土的抗剪强度土的抗剪强度v 概述概述v土的抗剪强度理论土的抗剪强度理论v 土的抗剪强度参数的测定试验土的抗剪强度参数的测定试验概概 述述n土的强度：土的强度：强度是指材料抵抗强度是指材料抵抗破坏破坏的能力。的能力。土的强度指的是土体的土的强度指的是土体的抗剪强度。抗剪强度。土的破坏主要是由于剪切引起的，土的破坏主要是由于剪切引起的，剪切破坏剪切破坏是是土体破坏的重要特点。土体破坏的重要特点。n为什么要研究土的强度为什么要研究土的强度土力学中土力学中三大问题三大问题变形问题变形问题地基沉降计算地基沉降计算强度问题强度问题建筑物地基建筑物地基承载力承载力各种构筑物（路基、各种构筑物（路基、坝、桥）地基承载力坝、桥）地基承载力挡土墙土压力挡土墙土压力地下结构的土压力地下结构的土压力边坡稳定边坡稳定渗流问题渗流问题渗流破坏渗流破坏工程实例加拿大特郎斯康谷仓土的抗剪强度理论土的抗剪强度理论F应力状态与莫尔圆应力状态与莫尔圆F莫尔莫尔-库仑强度理论库仑强度理论F极限平衡应力状态极限平衡应力状态F土体破坏的判断方法土体破坏的判断方法应力状态与莫尔圆应力状态与莫尔圆oyxzMP y yz xy zx x z三维应力状态三维应力状态二维应力状态二维应力状态 zx z xz x应力状态与莫尔圆应力状态与莫尔圆 三维应力状态三维应力状态二维应力状态二维应力状态 应力状态与莫尔圆应力状态与莫尔圆 应力状态与莫尔圆应力状态与莫尔圆 (1)(2)莫尔圆方程莫尔圆方程 O2 1 3r(,)莫尔圆：表示所有方向的应力状态莫尔圆：表示所有方向的应力状态圆上点：表示某一个方向上的圆上点：表示某一个方向上的 与与 莫尔圆转角莫尔圆转角2：作用面转角：作用面转角 圆心：圆心：半径：半径：莫尔圆方程(,0 )莫尔莫尔库仑强度理论库仑强度理论n 库仑公式库仑公式：（：（17761776）库仑（C.A.Coulomb）(1736-1806)法国军事工程师，在摩法国军事工程师，在摩擦、电磁方面做出了奠擦、电磁方面做出了奠基性的贡献。基性的贡献。17731773年发年发表了关于土压力方面论表了关于土压力方面论文，成为土压力的经典文，成为土压力的经典理论理论PTPn 直剪试验直剪试验 法向应力法向应力：剪应力剪应力：剪切变形剪切变形S1 S23直剪试验直剪试验直剪试验直剪试验 S123 fOcn 库仑公式库仑公式：（：（17761776）f1 f2 f3 f：土的抗剪强度土的抗剪强度 tg：摩擦强度摩擦强度-正比于压力正比于压力 ：土的内摩擦角土的内摩擦角 c：粘聚强度粘聚强度-与所受压力无关与所受压力无关 无粘性土通常认为无粘性土通常认为C=0 Oc 库仑定律库仑定律极限平衡状态极限平衡状态弹性状态弹性状态 f线或破坏包线线或破坏包线不可能出现不可能出现 f与破坏包线相交：与破坏包线相交：有一些平面有一些平面上的应力超过强度上的应力超过强度 不可能发生不可能发生莫尔莫尔库仑强度理论库仑强度理论强度包线以下强度包线以下：任何一个面：任何一个面上的一对应力上的一对应力 与与 都没有都没有达到破坏包线，不破坏达到破坏包线，不破坏与破坏包线相切：与破坏包线相切：有一个面有一个面上的应力达到破坏上的应力达到破坏 O c f=c+tg 1 3n 土的极限平衡条件：土的极限平衡条件：处于极限平衡状态时，处于极限平衡状态时，1和和 3之间应满足的关系之间应满足的关系无粘性土无粘性土极限平衡应力状态极限平衡应力状态2 f破坏角破坏角 f：f=45+/2土单元是否破坏的判别土单元是否破坏的判别n根据剪应力根据剪应力 与抗剪强度与抗剪强度 f之间的关系来之间的关系来判别判别n根据极限平衡条件来判别根据极限平衡条件来判别n 方法一：方法一：由由 f，比较，比较 和和 f f 当当土体未破坏土体未破坏 f 当当土体破坏土体破坏练习题练习题1 1：某高层建筑地基取土样进行直剪试验，某高层建筑地基取土样进行直剪试验，3 3个试个试样的法向应力分别为样的法向应力分别为100 kPa100 kPa、200kPa200kPa、300kPa300kPa，测得土样破坏时的强度分别为，测得土样破坏时的强度分别为77.7kPa77.7kPa、135.4kPa135.4kPa、193.1kPa193.1kPa。（1 1）求土体的抗剪强度参数。）求土体的抗剪强度参数。（c=20kPa,c=20kPa,=30=300 0）（2 2）若作用在此地基土某平面上的正应力和）若作用在此地基土某平面上的正应力和剪应力分别为剪应力分别为225kPa225kPa、105kPa105kPa，问该处是否发，问该处是否发生剪切破坏。生剪切破坏。（3 3）若作用在此地基土另一平面上的正应力）若作用在此地基土另一平面上的正应力和剪应力分别为和剪应力分别为300kPa300kPa、193.1kPa193.1kPa，问该处是，问该处是否发生剪切破坏。否发生剪切破坏。c f=c+tg OF 1 3f 安全状态安全状态F 3 3f 破坏破坏 1 3f练习题练习题2 2：设砂土地基中某点的最大主应力为设砂土地基中某点的最大主应力为400kPa400kPa，最小主应力为，最小主应力为200kPa200kPa，砂，砂土内摩擦角为土内摩擦角为2525。请用两种方法判断该点是否破坏。请用两种方法判断该点是否破坏。F直剪试验直剪试验F三轴试验三轴试验F十字板剪切试验十字板剪切试验土的抗剪强度的测定试验土的抗剪强度的测定试验直直 剪剪 试试 验验PT土样土样下盒下盒上盒上盒S面积面积A Oc 1 S23 f1 f2 f3直剪仪直剪仪(direct shear test apparatus)直直 剪剪 试试 验验直剪试验的类型直剪试验的类型(1)(1)固结慢剪固结慢剪 施加正应力施加正应力-充分固结充分固结 剪切速率很慢，剪切速率很慢，0.02mm/0.02mm/分，分，以保证无超静孔压以保证无超静孔压(2)(2)固结快剪固结快剪 施加正应力施加正应力-充分固结充分固结 在在3-53-5分钟内剪切破坏分钟内剪切破坏(3)(3)快剪快剪 施加正应力后立即剪切施加正应力后立即剪切 3-53-5分钟内剪切破坏分钟内剪切破坏通过控制通过控制剪切速率剪切速率近似模拟近似模拟排水条件排水条件直剪试验的优缺点直剪试验的优缺点C 设备和操作简单设备和操作简单D人为固定剪切面人为固定剪切面D剪切面积逐渐减小剪切面积逐渐减小D排水条件不明确排水条件不明确PT土样土样TP试样内的试样内的变形分布变形分布n试样采用圆柱形土样，用橡皮膜包裹，试样采用圆柱形土样，用橡皮膜包裹，放在密封压力室的压力水中放在密封压力室的压力水中(围压围压)，施加轴向力，应力状态明确；变形，施加轴向力，应力状态明确；变形量测简单量测简单n可控制排水条件；可完整的描述试样可控制排水条件；可完整的描述试样受力、变形和破坏的全过程；可进行受力、变形和破坏的全过程；可进行不同应力路径的试验不同应力路径的试验F三轴：三轴：同同“单轴单轴”对应，表明土样在三个方向受对应，表明土样在三个方向受力力F常规：常规：同同“真真”对应，表明土样在两个方向受到对应，表明土样在两个方向受到相同压力（室压力）的作用，并非真正的三轴应相同压力（室压力）的作用，并非真正的三轴应力力常规三轴压缩试验常规三轴压缩试验试试样样水压水压力力 3轴向力轴向力F 1 3 2 2=3F 主机系统主机系统F 稳压调压系统稳压调压系统F 量测系统量测系统 常规三轴常规三轴压缩试验仪压缩试验仪压力室压力室压力室压力室底座底座主机马达主机马达主机主机框架框架离合器离合器n 组成：组成：F 主机系统主机系统F 稳压调压系统稳压调压系统F 量测系统量测系统 常规三轴常规三轴压缩试验仪压缩试验仪n 组成：组成：压力泵压力泵或高压或高压氮气瓶氮气瓶调压阀调压阀压力表压力表3.6 3.6 常规常规三轴压缩试验三轴压缩试验F 主机系统主机系统F 稳压调压系统稳压调压系统F 量测系统量测系统 常规三轴常规三轴压缩试验仪压缩试验仪n 组成：组成：孔压孔压传感器传感器体变管体变管轴向位轴向位移量测移量测轴向力轴向力量测量测常规三轴压缩试验仪常规三轴压缩试验仪 试试样样水水稳压调稳压调压系统压系统排水管或排水管或孔压量测孔压量测阀门阀门轴向活塞轴向活塞有机玻璃罩有机玻璃罩橡皮膜橡皮膜透水石透水石顶帽顶帽n压力室压力室及试样及试样阀门阀门马达马达横梁横梁量力环量力环百分表百分表常规三轴压缩试验常规三轴压缩试验 n 通常试验分为通常试验分为两个阶段两个阶段：F 施加周围压力施加周围压力 3 3：过程中，允许试样过程中，允许试样排水称为排水称为固结固结；不；不允许试样排水称为允许试样排水称为不固结不固结 3 3 3 3F施加轴向力，施加轴向力，进行剪切进行剪切：3 3 3 3过程中，允许试样过程中，允许试样排水称为排水称为排水剪排水剪；不允许试样排水称不允许试样排水称为为不排水剪不排水剪常规三轴压缩试验常规三轴压缩试验 F 不固结不排水试验不固结不排水试验UUUU unconsolidated-undrained testF 固结不排水试验固结不排水试验CUCU consolidated-undrained testF 固结排水试验固结排水试验CDCD consolidated-drained testn 常规三轴压缩试验常规三轴压缩试验 conventional triaxial compression testn试验过程试验过程施加围压施加围压 ，排水阀门始终排水阀门始终打开，打开，充分排水充分排水施加施加(1 1-)进行剪切时，进行剪切时，排水阀门关闭。排水阀门关闭。用孔压传感用孔压传感器量测剪切过程中产生的超器量测剪切过程中产生的超静孔隙水压力静孔隙水压力un 测定：测定：轴向变形：轴向应变轴向变形：轴向应变 轴向力：轴向应力轴向力：轴向应力 孔隙水压力孔隙水压力试试样样围压围压力力 3阀门阀门阀门阀门马达马达横梁横梁量力环量力环百分表百分表量量水水管管孔压孔压量测量测固结不排水试验固结不排水试验 1-3 1 3=100kPa 3=300kPa 3=500kPa三轴试验确定土的强度包线三轴试验确定土的强度包线 O 3 1f强度包线强度包线c F由不同围压由不同围压 的三轴试验，得到破坏时相应的（的三轴试验，得到破坏时相应的（1 1-)f fF分别绘制破坏状态的应力摩尔圆，其公切线即为强度包线，分别绘制破坏状态的应力摩尔圆，其公切线即为强度包线，可得强度指标可得强度指标c c与与 15%(1-3)fCU试验中土的有效应力莫尔试验中土的有效应力莫尔圆和总应力莫尔圆圆和总应力莫尔圆有效应力破坏包线有效应力破坏包线总应力破坏包线总应力破坏包线固结排水试验固结排水试验n试验过程：试验过程：施加围压施加围压 ，排水阀门始终排水阀门始终打开，打开，充分排水充分排水施加施加(1 1-)进行剪切时，进行剪切时，排水阀门始终打开。剪切排水阀门始终打开。剪切速速度慢足以使孔压消散度慢足以使孔压消散n 测定：测定：轴向变形：轴向应变轴向变形：轴向应变 轴向力：轴向应力轴向力：轴向应力 排水量：体积应变排水量：体积应变试试样样围压围压力力 3阀门阀门阀门阀门马达马达横梁横梁量力环量力环百分表百分表量量水水管管 O 3 1f强度包线强度包线c 1-3 1 3=100kPa 3=300kPa 3=500kPa15%(1-3)fCD试验确定土的强度包线试验确定土的强度包线F由不同围压由不同围压 的三轴试验，得到破坏时相应的（的三轴试验，得到破坏时相应的（1 1-)f fF分别绘制破坏状态的应力摩尔圆，其公切线即为强度包线，分别绘制破坏状态的应力摩尔圆，其公切线即为强度包线，可得强度指标可得强度指标c c与与 n 试验过程：试验过程：关闭排水阀门，连接孔压传关闭排水阀门，连接孔压传感器，感器，施加围压施加围压 ，量测超，量测超静孔隙水压力静孔隙水压力 uB施加施加(1-)进行剪切时，进行剪切时，关关闭排水阀门。闭排水阀门。用孔压传感器用孔压传感器量测剪切过程中产生的超静量测剪切过程中产生的超静孔隙水压力孔隙水压力 uA试试样样围压围压力力 3阀门阀门阀门阀门马达马达横梁横梁量力环量力环百分表百分表量量水水管管孔压孔压量测量测不固结不排水试验不固结不排水试验 n 测定：测定：轴向变形：轴向应变轴向变形：轴向应变 轴向力：轴向应力轴向力：轴向应力 孔隙水压力孔隙水压力 O强度包线强度包线cu u=0l的受力状态也称为无侧限抗压强度试验的受力状态也称为无侧限抗压强度试验lCu称为土的不排水强度称为土的不排水强度UU试验确定土的强度包线试验确定土的强度包线应力特点与试验方法应力特点与试验方法类型类型施加施加 3 3施加施加 1 1-3 3量测量测固结固结排水排水固结固结排水排水体变体变固结固结不排水不排水固结固结不排水不排水孔隙水孔隙水压力压力不固结不固结不排水不排水不固结不固结不排水不排水孔隙水孔隙水压力压力常用试验类型常用试验类型常规三轴试验优缺点常规三轴试验优缺点C应力状态明确应力状态明确C排水条件清楚，可控制排水条件清楚，可控制C破坏面不是人为固定的破坏面不是人为固定的D设备操作复杂设备操作复杂D现场无法试验现场无法试验D常规三轴试验不能反映常规三轴试验不能反映 2的影响的影响十字板剪切试验十字板剪切试验F一般适用于测定软粘土的不一般适用于测定软粘土的不排水强度指标排水强度指标F钻孔到指定的土层，插入十钻孔到指定的土层，插入十字形的探头字形的探头F通过施加的扭矩计算土的抗通过施加的扭矩计算土的抗剪强度剪强度MM2 fv fhM1DH HM假定土体为各向同性，假定土体为各向同性，fh=fv=f：十字板剪切试验十字板剪切试验