高等土力学影响土强度的外部因素.pptx

单击此处编辑母版标题样式,#,影响土强度的外部因素,围压,3,的影响,中主应力的,2,影响,主应力方向的影响,土强度的各向异性,土的抗剪强度与加载速率的关系,温度与土强度关系,2,一、围压,3,的影响,莫尔库仑破坏准则,（,b,1.0,）,图,1-1,非线性的强度包线,或者,3,3,=0.1,7.8MPa,Sacramento,河,松砂,在不同围压下三轴试验的,1,/,3,及,v,3,间关系曲线。,临界围压大约为,200kPa,松砂,（,a,）,图,1-2,松砂在不同围压下试验曲线,4,3,=0.1,13.7MPa,峰值强度应力比明显减小,临界围压约,1.7MPa,高压下三轴试验破坏后，砂的孔隙比,e,=0.37,，小于最小孔隙比。,密砂,图,1-3,5,极低围压（,3,10kPa,),下，,砂土应力应变和强度特性对于农机、航天、军工、沙漠地区交通等问题有时是很有意义的，因为在很低围压下，即使是很松的砂土也会因颗粒间咬合而产生剪胀性，所以这时对应的内摩擦角有所提高。但这种极低围压下的试验很难精确测定其参数。,1.2,极低围压对砂土强度的影响,6,1.3,高围压对粘土强度的影响,在高围压下，粘土将发生很大的体积压缩，当它们孔隙比或饱和土的含水量减少到一定程度时，粘土颗粒相互靠近，颗粒间斥力将加大。,当粘土颗粒表面只有三层水分子时，水将强烈地被粘土颗粒表面吸引，想要进一步压缩，所需外力将相当大。因而在高围压下，粘土固结和剪切时体变很小，其应力应变曲线是硬化型的。其抗剪强度增强。,7,一、小结,围压对土强度影响,1,松砂土，随着围压的增大，抗剪强度小幅减小；,2,密砂土，随着围压的增大，抗剪强度明显减小；,3,高围压下砂土颗粒破碎，级配变化，抗剪强度上升；,4,极低围压下砂土发生剪胀，抗剪强度提升；,5,高围压下粘土颗粒靠近，相互作用力变大，强度提升。,8,二、,中主应力的,2,影响,中主应力对土的抗剪强度的影响对于不同的土及在不同条件下是不同的，但可以肯定的是随着中主应力的增加土的抗剪强度也增加。在常规三轴试验中,2,3,，因而测得的抗剪强度是最小的。,表示中主应力与其他主应力关系主要用以下两个变量，毕肖甫参数,b,和洛德角 两个变量。,9,二、,中主应力的,2,影响,b,0,对应常规三轴压缩试验；,b,1,对应三轴伸长试验。,当,30,对应,b,0,，为常规三轴压缩试验应力状态；,30,，,b=1,。,10,图,2-1,各种仪器进行的真三轴试验结果,Ham,河砂,11,中主应力增加将增加平均主应力从而使土有较多压密；在破坏时,2,方向的应力较大，增加了对土颗粒的约束和咬合作用。,莫尔,库伦强度理论完全不计中主应力的影响，用常规三轴压缩试验确定的内摩擦角是偏于保守的。,二、,中主应力的,2,影响,12,正常固结粘土,图,2-2,粘土三轴试验的,t,与平面应变试验的,p,或,12,种原状粘土试验结果,13,密砂,：,4,9,松砂,：,2,4,高压下二者接近相同。,不同围压下,平面应变,和,三轴压缩,的砂土内摩擦角比较,图,2-3,不同围压下砂土,14,拉马穆茨（,Ramamurthy,）,建议如下的经验公式计算内摩擦角：,密砂,松砂,15,二、小结,中主应力的影响,1,随着中主应力的增加土的抗剪强度也增加。常规三轴试验测得的抗剪强度偏小。,2,平面应变状态下土的抗剪强度明显高于常规三轴压缩试验情况。,3,随着围压增大，大于等于,3MPa,以后，平面应变压缩试验强度与三轴试验的强度差别就很小了。,4,常规三轴试验结果偏于保守，但由于破坏及伴随的剪切带都发生在 平面上，的影响是次要的，忽略这种影响往往是足够近似的，也是偏于安全的。,16,三、主应力方向的影响,土的结构性造成土强度的明显的各向异性，亦即在不同主应力方向下土的抗剪强度不同。在地球重力场中，天然土的风化、堆积、搬运、沉积和固结过程中不可避免地受重力影响。,这些颗粒的长轴由于重力而倾斜于平行地面方向沉积和排列。这种排列会引起土的强度表现出各向异性。,土强度的各向异性,17,3.1,砂土强度的各向异性,阻力较小,阻力较大,图,3-1,砂土颗粒排列,C-D,A-B,18,3.1,砂土强度的各向异性,3,撒砂砂土,自下而上通入,CO,2,饱和,-25,冻结,不同方向取样,三轴试验,图,3-2,砂土不同方向取样的强度试验,1,3,e=0.515,天然沉积密实砂土,19,3.1,砂土强度的各向异性,图,3-3,主应力方向对砂土强度的影响,天然沉积密实砂土,20,图,3-4,砂土在,平面上的真三轴试验结果,松砂土,21,图,3-4,表明在在 ,0,60,时土的内摩擦角（或抗剪强度）最高；,120,180,时最低。最大可差,10,左右。这个图中的强度变化主要由两个因素引起：大主应力方向与中主应力的大小。综合两个因素可见，,30,左右时，土的内摩擦角 最高，达到,35,，,120,时，最低，只有,24,。,22,直剪试验,图,3-5,剪切方向与抗剪强度,3.2,粘土的各向异性,正常固结粘土,23,：,剪切破坏面与水平方向的夹角,；,：,试样轴向与水平方向夹角。,土,K,0,固结时的大主应力方向为竖直方向。,图,3-6,不同粘土在三轴不排水强度与主应力方向的关系,24,小结,土强度的各向异性,1,土颗粒由于重力而倾斜于平行地面方向沉积和排列，这种排列会引起土的强度表现出各向异性。,2,对于密砂，沿制样沉积面的垂直方向（,90,）施加大主应力，,内摩擦角最大；沿水平方向内摩擦角最小。相差,2,左右。,3,对于松砂，应力洛德角 时，内摩擦角最高,;,当 时，内摩擦角最低。相差,10,左右。,4,正常固结粘土剪切面与试样的沉积层面垂直时,抗剪强度最高,。,5,粘土的不排水抗剪强度具有较强的各向异性，它与土质、埋深、超固结比等因素有关。,25,四、,土的抗剪强度与加载速率的关系,1,.,瞬时加载下土的动强度,2,.,土的蠕变强度,3,.,土的时效性,拟似超固结土,26,4.1,瞬时加载下土的动强度,（,1,）,在冲击荷载下，土的强度一般有所提高，这可能与土的破坏需要一定能量有关。,（,2,）,对于饱和土，控制土强度的往往是产生的超静孔压。,27,干砂的强度与加载时间的关系,速率加大,图,4-1,加载速率与土的强度,28,图,4-2,饱和,砂土不同试验中的强度孔隙比,e,关系,临界孔隙比,e,cr,29,图,4-3,加载速率与粘土的不排水强度,快速,4.1.2,粘性土不同加载速率的试验结果,30,理查德（,Richart,F.E,）将土在冲击荷载下动强度用下式表示：,土的动、静抗剪强度,K,为应变速率系数，有如下影响因素：,（,1,）,K,与土的性质有关,对于干砂，,K,约为,1.1,1.2,；对于饱和粘土,K,为,1.5,3.0,；对于部分饱和粘土,K=1.5,2.0,。,（,2,）,K,随着围压的增加而增加。,31,4.2,土的蠕变强度,室内的强度试验，既使是排水试验，一般均可在几十分钟或几小时、十几小时内完成。,然而在极慢的加载速率时，某些土会在远低于常规强度试验下的峰值强度时发生破坏，有时甚至只为后者的,50,。这种情况被称为蠕变破坏。,32,图,4-3,加载速率与粘土的不排水强度,26,种粘土的不排水强度与应变速率的关系图,33,图,4-4,强度比与加载时间关系,6,种原状粘土，无侧限抗压强度,R=q/q,1,1-,墨西哥城粘土,4-,密西西比粘土,2-,剑桥粘土,5-,俄亥俄斑脱土,3-,比尔饱和粘土页岩,6-,柯克勃卡粘土,34,4.2,土的蠕变强度,蠕变强度对于土工问题有重要意义,：,（,1,）,土坡的稳定问题，破坏可能从土体的局部高应力水平区开始，由于蠕变向外逐步扩展，达到土体剪切破坏发生滑坡。许多天然滑坡就是这样发生的。,（,2,）,挡土构造物中的土压力也受蠕变的影响，土的长期强度降低而使主动土压力增加。例如在软粘土中开挖的基坑，如果基坑暴露时间过长，其支护结构可能会由于土的流变性而产生的应力松弛而破坏。,35,4.3,土的时效性,拟似超固结土,（,1,）,正常固结土。,（,2,）,主固结已经完成。但如果此压力长时间继续,施加，由于土的流变性而发生的次固结会使它继,续压缩变密，从而使粘土颗粒间进一步接近使粒,间力加强和胶结材料凝固。,（,3,）,在成千上万年的有效应力作用下，次固结使,这种正常固结的老粘土表现为类似超固结土的特,性。,（,4,）,拟似超固结土”,QOC,（,Quasi-over consolidation,）。,36,P,cq,相当于先期固结压力，性质接近与超固结土,:,（,p,0,-,e,0,)=(,P,cq,-,e,0,),10000,年,老粘土。,图,4-5,新老正常固结粘土的压缩特性,37,（,1,）,峰值强度提高。,（,2,）,残余强度接近相同正常固结土。,（,3,）,K,0,变大。,图,4-6,不同固结历时的有效应力路径,38,荷载停顿,图,4-7,荷载停顿对应力应变和强度的影响,39,四、小结,加载速率与抗剪强度关系,1,、瞬时加载动强度,对干砂，冲击强度为静力加载强度,1.11.2,倍。,饱和砂土，密砂因剪胀产生负孔压，抗剪强度提升；,松砂，产生正孔压，抗剪强度可能减小。,2,、蠕变强度,在极慢的加载速率时，抗剪强度明显减小。,土的强度随加载速率的减小而减小，但不会无限减小，存在一个极限值。,3,、土的时效性,拟似超固结土（老粘土）抗剪强度明显高于正常固结土,加载停顿，使砂土和粘土抗剪强度提升,。,40,五、,温度与土强度关系,（,1,）,在较高温度下，水的粘滞性变小，渗透系数增加，从而在高温下固结的饱和粘土的孔隙比减小,土的密度也越高，从而使强度提高。,（,2,）,在不排水情况下剪切时，较高的剪切温度可能产生较高超静孔隙水压力，减少土的有效应力，从而使土的抗剪强度下降。,41,剪切温度,T,s,固结温度,T,c,图,5-1,粘土固结不排水试验中温度对强度的影响,淤积粘土,Pc=408KPa,42,五、小结,温度与土强度关系,在同样剪切温度下，随着固结温度,Tc,提高，土的抗剪强度也越高。,在同样固结温度下，剪切温度,Ts,越高，土的固结不排水剪切峰值强度也就越低。,43,谢 谢！,44,