基础工程讲义讲稿4.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,*,*,*,基 础 工 程,第四章,第4章 土的抗剪强度,第1节 概述,第2节 库伦公式和莫尔-库伦强度理论,第3节 抗剪强度的测定方法,第4节 饱和粘性土的抗剪强度,第5节 无粘性土的抗剪强度,第1节 概述,土的抗剪强度,是土体抵抗,剪切,破坏的,极限能力,。,土的抗剪强度对地基承载力、挡土墙土压力和土坡稳定等问题产生直接影响。,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,摩擦力,；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,。,第2节 库伦公式和莫尔-库伦强度理论,一、库伦公式,c,和,称为,抗剪强度指标,。,影响因素,土的抗剪强度的,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,表达方法,土的抗剪强度的,总应力法：,总应力强度指标,有效应力法：,有效应力强度指标,二、莫尔-库伦强度理论,莫尔提出：材料的破坏为,剪切破坏,，当任一平面上的,剪应力,等于材料的,抗剪强度,时该点就发生破坏，破坏面上的剪应力,f,是该面上法向应力,的函数,此函数在,f,-,坐标中是一条曲线，称为莫尔包线（抗剪强度包线）,如下图实线所示。,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,理论分析和实践都证明，,莫尔理论对土比较合适，土,的莫尔包线通常可以近似地用,直线,代替（如上图的虚线所示），该直线的方程就是,库伦公式,表示的方程。,用库伦公式表示莫尔包线的强度理论称为,莫尔-库伦强度理论,。,当土体中任意一点在某一平面上的剪应力达到土的抗剪强度时，就发生剪切破坏。,0,A,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,。,如果给定了土的抗剪强度,指标,c,和,以及土中某点的应力,状态，则可将,抗剪强度包线,与,莫尔应力圆,画在同一张坐标图上，抗剪强度包线与莫尔应力圆的关系可能有：,1.整个莫尔圆位于抗剪强度包线的下方。说明该点在任何平面上的剪应力都小于土的抗剪强度，所以不会发生剪切破坏；,2.莫尔圆与抗剪强度包线,相切，切点为,A,。说明在,A,点,所代表的平面上，剪应力正好达到抗剪强度，该点就处于,极限平衡状态,。这时的莫尔圆称为,极限应力圆,。,3.抗剪强度包线是莫尔圆的一条,割线,，实际上这种情况是不可能出现的，因为该点任何方向上的剪应力都不可能超过土的抗剪强度。因为,土的抗剪强度是土体抵抗剪切破坏的,极限能力,。,0,A,c,莫尔圆与抗剪强度之间的关系,由极限应力圆当中的几何,关系，可以推导得出：,1.粘性土的极限平衡条件为,2.无粘性土的极限平衡条件为,3.破坏面与大主应力面的夹角为,。,第3节 抗剪强度的 测定方法,测定土的抗剪强度的方法有多种。,的室内方法,测定土抗剪强度,直接剪切试验,三轴压缩试验,无侧限抗压强度试验,一、直接剪切试验,应变控制式直剪仪的试验原理：,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。试验结果表明，对于粘性土,f,基本上呈直线关系，直线方程可用库伦公式表示；对于无粘性土，,f,则是通过原点的直线。,直接剪切仪的,优点,构造简单,操作方便,限定剪切面不一定是最薄弱面,剪切面上剪应力分布不均匀,的,缺点,直接剪切仪,剪切面在剪切过程中是逐渐缩小的,不能严格控制排水条件，不能量测孔隙水压力,二、三轴压缩试验,三轴压缩仪的试验原理：,对同一种土至少取3个平行试样，分别在不同周围压力,3,下剪切破坏，将试验结果绘制为若干个,极限应力圆,。根据莫尔-库伦理论，这一组极限应力圆的公共切线即为土的,抗剪强度包线,，可近似取为一条直线，直线的方程即为,库伦公式,所表示的方程。,0,c,三轴压缩试验原理,的,优点,三轴压缩仪,能较严格地控制排水条件,能量测试样中孔隙水压力的变化,剪切破坏面为最薄弱面,的,缺点,三轴压缩仪,试验设备、试验过程相对复杂,试样的受力状态为轴对称情况，与实际土体的受力状态未必相符,直接剪切试验和三轴压缩,试验按,剪切前,的,固结程度,和,剪,切时,的,排水条件,，可以分为三种试验方法：,1.不固结不排水试验；,2.固结不排水试验；,3.固结排水试验；,三、无侧限抗压强度试验,无侧限抗压强度试验可以,看作围压,3,=0,的三轴不排水剪切试验，试件剪切破坏时试样所能承受的最大轴向压力,q,u,称为,无侧限抗压强度,。根据试验结果，只能作一个极限应力圆（,1,=,q,u,、,3,=0），,对于一般粘性土就无法作出破坏包线。,而对于饱和粘性土，根据,三轴不固结不排水试验的结果，,其破坏包线接近于一条,水平线,，即,u,=0,。,如仅需测定饱和粘性土的不排水抗剪强度，就可以利用比较简单的无侧限抗压强度试验代替三轴试验。,0,c,u,无侧限抗压强度试验,q,u,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。,第4节 饱和粘性土的 抗剪强度,一、不固结不排水抗剪强度,不固结不排水试验（,UU试验,）是在,施加周围压力时,不排水,（不固结），且在,施加轴向压力直至剪切破坏的整个试验过程中,也,不允许排水,（不排水）。,如果有一组饱和粘性土试件，,都先在某一周围压力下固结至稳,定，试件中的初始孔隙水压力为零，然后分别在不排水条件下施加周围压力和轴向压力直至剪切破坏。试验结果见下图。,0,c,u,饱和粘性土的不固结不排水试验,图中三个实线圆分别表示,三个试件在不同的围压作用下,破坏时的总应力圆，虚线表示有效应力圆。试验结果表明，虽然三个试件的围压不同，但破坏时的,主应力差相等,，所以三个总应力圆的直径相同，所以破坏包线是一条,水平线,，可得,由于在不排水条件下，试样,在试验过程中,含水量,不变,，,体积,不变,，改变周围压力增量只能引起,孔隙水压力,的变化，并不会改变试样中的,有效应力,，各试件在剪切前的有效应力相等，因此抗剪强度不变。,如果在较高的剪前固结压力下进行不固结不排水试验，就会得到较大的不排水抗剪强度。,由于只能得到一个有效应力,圆，所以不能得到有效应力破坏,包线，不固结不排水试验只用于测定饱和土的不排水强度，所以可以用无侧限抗压强度试验代替三轴压缩试验来测定饱和土的不排水抗剪强度。,不固结不排水试验的,“,不固,结,”,是在保持试样原来有效应,力不变的情况下，在三轴压力室的周围压力下不再排水固结。如果饱和粘性土从未固结过，则其中的有效应力为零（先期固结压力也为零），表现为一种泥浆状土，其抗剪强度必然也等于零。,二、固结不排水抗剪强度,固结不排水试验（,CU,试验,）,是在,施加周围压力时,充分排水,（固结），而在,施加轴向压力直至剪切破坏的整个试验过程中,不允许排水,（不排水）。,饱和粘性土的固结不排水抗剪强度受,应力历史,的影响，所以首先要区分试样是处于什么样的,固结状态,。,如果试样所受到的周围固结,压力,3,大于它所曾受到的最大固,结压力,p,c,（,先期固结压力,），则称试样处于,正常固结状态,；而如果,3,p,c,，则称试样处于,超固结状态,。,不同固结状态的试样，其抗剪强度性状是不同的。,正常固结状态的试样在,剪切过程中体积有减小的趋,势（,剪缩,），但由于不允许排水，故产生,正的孔隙水压力,；而强超固结状态的试样在剪切过程中，先表现为剪缩（产生正的孔隙水压力），然后转为,剪胀,（产生负的孔隙水压力）。,基 础 工 程,第十二讲,1.正常固结状态的土样,下图表示正常固结状态的,饱和粘性土的固结不排水试验结果，图中用,实线,表示的为,总应力圆和总应力破坏包线,，用,虚线,表示的为,有效应力圆和有效应力破坏包线,，,u,f,为剪切破坏时的孔隙水压力。因为剪切过程中不排水，根据有效应力原理可知，有效应力圆与总应力圆,直径相等,，,位置不同,。,0,正常固结状态饱和粘性土,固结不排水试验结果,因为正常固结状态的试样在,剪切破坏时产生,正的孔隙水压力,，,故有效应力圆在总应力圆的,左边,。,总应力破坏包线和有效应力破坏包线都,通过原点,，,说明固结压力为零的土不会具有抗剪强度,。,2.超固结状态的土样,超固结状态的饱和粘性土,的固结不排水剪切试验得到的总应力破坏包线如下图所示，是一条略平缓的曲线，可近似以直线,ab,代替，与正常固结状态土的固结不排水破坏包线,bc,相交，,bc,的延长线通过原点。实用上将,abc,折线取为一条直线。,0,c,cu,超固结状态土的固结不排水试验,a,b,c,超固结状态,正常固结状态,有效应力圆和有效应力破坏,包线如下图中虚线所示。由于,超,固结状态,的土样在剪切破坏时，产生,负的孔隙水压力,，有效应力圆在总应力圆的,右边,；,正常固结状态,的土样在剪切破坏时，产生,正的孔隙水压力,，故有效应力圆在总应力圆的,左边,。,0,超固结状态土的固结不排水试验,超固结状态,正常固结状态,三、固结排水抗剪强度,固结排水试验（,CD,试验,）,是在,施加周围压力时,充分排水,（固结），而在,施加轴向压力直至剪切破坏的整个试验过程中,允许排水,（排水）。,所以在整个试验过程中，土样中的孔隙水压力始终为零，总应力最后完全转化为有效应力，,所以总应力圆就是有效应力圆，总应力破坏包线就是有效应力破坏包线,。,0,正常固结状态土的固结排水试验,其破坏包线通过原点。,正常固结状态的土，,0,超固结状态土的固结排水试验,超固结状态,正常固结状态,取为一条直线。,包线略弯曲，实用上近似,超固结状态的土，其破坏,试验结果表明，对于同一,种土，固结排水试验得到的,c,d,、,d,与固结不排水试验得到的,c、,很接近，由于固结排水试验所需的时间太长，故实用上用,c、,代替,c,d,、,d,。,对同一种饱和粘性土，,分别在三种不同的排水条件,下进行剪切试验。如果用总应力表示，将得到完全不同的试验结果，而以有效应力表示，则不论采用哪种试验方法都得到近乎同一条有效应力破坏包线。,所以说，,抗剪强度与总应力没有唯一的对应关系，而与有效应力有唯一的对应关系,。,0,正常固结状态饱和粘性土在三种,不同不排水条件下的剪切试验结果,四、抗剪强度指标的选择,饱和粘性土的抗剪强度,性状是很复杂的，它不仅与,剪切条件,有关，还与,土的应力历史,等因素有关。由于实际工程条件的复杂性，用实验室的试验条件去完全模拟现场条件是不可能的。所以针对具体的工程问题，确定土的抗剪强度指标的方法只能是尽可能地模拟实际工况来进行试验。,一般认为：由三轴固结,不排水试验确定的有效应力,强度指标,c,、,宜用于分析地基的长期稳定性；而对于饱和软粘土地基的短期稳定问题，则宜采用不固结不排水试验的强度指标，以总应力法进行分析。,对于一般的工程问题多,采用总应力分析法，其指标,和测试方法的选择原则如下：,1.若建筑物施工速度较快，而地基土的透水性和排水条件不良时，可采用,三轴不固结不排水试验,或,直剪的快剪试验,结果；,2.若地基上荷载的增加速率较慢，而地基土的透水性较高且排水条件较佳时，则可以采用,固结排水,或,慢剪试验,的结果；,3.若实际工况介于上两种,情况之间，可用,固结不排水,或,固结快剪,的试验结果；,4.由于实际加荷条件和土性的复杂性，而且在建筑物的施工和使用过程中都要经历不同的固结状态，因此，,确定强度指标还应结合工程经验,。,基 础 工 程,第十三讲,第5节 无粘性土的 抗剪强度,不同初始孔隙比,e,0,的同一种砂土在相同的周围压力,3,下,受剪，其应力应变关系表明：,1.密实的紧砂，其初始孔隙比较小，应力应变关系具有明显的峰值，超过峰值后，随应变的增加，应力逐步降低，呈,应变软化型,，体积变化主要表现为,剪胀,。,2.松砂的应力应变关系呈,应变硬化型,，对同一种土，紧,砂和松砂的强度最终趋向同一值。松砂受剪其体积减小（,剪缩,）。,3.在,高周围压力,下，不论砂土的松紧如何，受剪时都将,剪缩,。,0,1,-,3,砂土受剪时的应力,应变关系,紧砂,松砂,由不同初始孔隙比,e,0,的试样,在,同一压力,3,下进行剪切试验，,可以得出初始孔隙比,e,0,与体积变化 之间的关系，相应于,体积变化为零,的,初始孔隙比,称为,临界孔隙比,e,cv,。,临界孔隙比是与,侧压力,（,围压,）,3,有关的，不同的,3,可以得出不同的,e,cv,。,0,e,0,2,-2,e,cv,砂土的临界孔隙比,若饱和砂土的初始孔隙比,e,0,大于临界孔隙比,e,cv,，在剪应,力作用下由于剪缩必然使孔隙水压力增高，有效应力相应降低，导致砂土的抗剪强度降低。,当饱和松砂受到动荷载,作用，由于孔隙水来不及排,出，孔隙水压力不断增加，就有可能造成土体结构的破坏，有效应力降低为零，使得砂土象流体那样完全失去抗剪强度，这种现象称为砂土的,液化,。,临界孔隙比,ecv,对研究砂土液化具有重要意义。,1.p124：,倒数第9行“常固,结不排水强度.”,2.p125：第11行“有效应力破坏包线都通原点,”,状态土的,过,3.,p130：第11行“不同的,3,可以得出不同的,e,ev,值。”文中其余,地方作相应替换。,e,cv,第4章 内容勘误,4.p127：例题3-1。由例题的,已知条件知只对,一个,饱和粘,性土试样进行了固结不排水试验，所以只能得到一个总应力表示的极限应力圆和一个有效应力表示的极限应力圆。例题中说“整理试验结果得到”，由于试样土处于超固结状态（由 知），所以仅由一个有效应力表示的极限应力圆是无法得到有效应力破坏包线的。,因此有效应力强度参数 、,根本无法从一个试样的试验,结果的整理得到。（本人认为：,例题的出题内容的,描述,有问题,）,解题的过程存在,概念,问题。,我们在前面已经了解到，同样,一个固结不排水的试验结果，分别用总应力和有效应力来表述，得到的强度指标是不同的。,而例题的解答过程中，应力采用总应力，却使用有效应力的强度指标来计算，是一种,概念的混淆,。由于本题已知的条件仅为有效应力强度指标，所以本题的解答，应力只能采用有效应力，然后应用,有效应力原理,得到总应力的解答。所以本例题的完整过程如下：,【例题3-1】,一组,饱和粘性土,试样在三轴仪中进行固结不,排水试验，整理试验结果得有效内摩擦角,=24，,c,=80kPa。其中对一个试样施加的周围压力,3,=200kPa，试样破坏时的主应力差,1,-,3,=280kPa，测得的孔隙水压力,u,f,=180kPa。,试求破坏面上的法向应力和剪应力以及试样中的最大剪应力。,【解】有效的主应力分别为,剪切破坏面与大主应力作用面,的夹角为,由式（3-5）计算破坏面上的法向有效应力,和剪应力,：,破坏面上的法向应力,为,最大剪应力发生在,=45的,平面上，所以,第4章 重点内容,1.抗剪强度的含义,2.莫尔-库伦强度理论,3.测定抗剪强度的直接剪切试验,4.饱和粘性土在不同排水条件下描述抗剪强度的总应力法和有效应力法,5.临界孔隙比,第4章 作业,p130：,3-1，3-2，3-5，3-8,