土力学_第6章(土的抗剪强度).pptx

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,2014/11/9,#,1,第六,章,土的抗剪强度,2,主要内容,土的剪切强度,剪切强度试验测试方法,工程分析中土的剪切强度的选择,3,四大古典材料强度理论,:,最大拉应力,理论（第一强度理论）,最大伸长线应变,理论（第二强度理论）,最大剪应力理论（第三强度理论）,形状改变比能,理论（第四强度理论）,6.1,概 述,应力是材料发生破坏的根本原因,在应力作用,下，材料,发生破坏的形式主要有两类,：,（,1,）,流动破坏,；（,2,）,断裂破坏,。（,材料力学,刘鸿文主编，,P302,）,（,1,）流动破坏,（,2断裂破坏,4,土力学的基本理论之一,土体稳定问题分析的基础,土是由于受剪而产生破坏,土的强度问题实质上就是土的抗剪强度问题,屈服流动,：,土的内部结构发生弱化，并产生塑性变形。,剪切流动：,土中某点由外力所产生的剪应力达到土的,抗剪强,度,，土沿着剪应力作用方向产生相对滑动。,土的破坏形式,土的抗剪强度理论,土的渗透破坏,5,土工,构筑物的稳定性,（如土坝、边坡等,）,与土的强度有关的工程问题：,土压力问题,（挡土墙）,地基的承载力问题,6,O,应变硬化段,应变软化段,弹性段,b,a,c,b,-,理想弹塑性,-,正常固结土或松砂,-,超固结土或密实砂,土的应力,-,应变关系曲线,（一种围压下的）,b,点为峰值强度,b,点过后为残余强度，应变软化阶段,土的屈服与破坏过程,6.2,土的,抗剪强度和破坏理论,7,3,=100,KPa,3,=,200,KPa,3,=,300,KPa,莫尔,-,库仑破坏理论,土的应力,-,应变关系,曲线,土,的破坏理论,广义特莱斯卡（,Tresca,）理论,广义米塞斯（,Von Mises,）理论,（最大剪应力理论）,（最大变形能理论）,最大变形能,8,法国军事工程师,在摩擦、电磁方面奠基性的贡献,1773,年发表土压力方面论文，成为土的经典理论。,莫尔,库仑破坏理论,库仑,（,C.A.Coulomb,）,(1736-1806),9,库仑定律（,Coulomb,C.A.1776,年提出的）,根据砂土,试验,结果得到：,f,=,tan,对于粘性土，通过,试验,给出的表达式：,f,=c+,tan,有效应力的表达式：,f,=c,+,tan,=c,+(,u)tan,f,土的抗剪强度，,kPa,；,作用在剪切面上的法向应力，,kPa,；,土的内摩擦角；,c,土的粘聚力，,kPa,；,土体破坏时，破裂面上法向应力与抗剪切强度之间满足：,f,=,f,(,),库仑定律：,抗剪强度包线假定为线性关系,莫尔,库仑破坏理论,10,f,=,tan,（砂土）,f,=c+,tan,（粘性土）,f,=f(,),试验测试曲线,B,点：临界破坏状态,A,点：不会发生剪切破坏,C,点,：已发生,破坏（不存在的）,f,=c+,tan,莫尔,-,库仑破坏包络线,f,=c,+,tan,11,物体内一个点的应力状态,应力分量：,M,土,的极限平衡条件,12,土中任意一点的应力状态可表示为（平面问题，主应力）,应力分量：,z,x,o,摩尔圆作图法,应力状态坐标转换,z,x,o,3,3,1,1,（,1,，,3,）,（,x,，,xz,）,（,z,，,xz,）,1,3,f,=c+,tan,f,=c+,tan,o,圆的半径？,2,13,土中任意一点在某一平面上的法向应力和剪切应力表达式（主应力）：,（,，,）,1,3,o,2,A,14,极限平衡状态：,土,中任意一点在某一平面上的剪应力达到土的抗剪强度。,f,=c+,tan,（破坏判断准则）,判断式,破坏面不是发生在剪应力最大的面上。,3,1f,45,/2,与大主应力面夹角,：,15,摩尔库仑关于土的抗剪强度理论特点，归纳为：,（,1,）土的抗剪强度随剪切面,上法向应力,的大小不同而变化；,（,2,）摩尔应力圆与与抗剪强度曲线相切时表明土产生了剪切破坏；,（,3,）主剪切破坏面的法向与最大,主应力,面,的夹角,为,45,/2,；,（,4,）土的抗剪强度与中间主应力无关；,16,例,1,地面以下某点的最大主应力,1,=580kPa,，最小主应力,3,=190kPa,。土的内摩擦角,=22,，粘聚力,c=20kPa,。,（,1绘摩尔应力圆；,（,2,）求最大剪应力及作用方向；,（,3,）与最小主应力作用面成,=85,斜面上的正应力和剪应力；,（,4,）判断该点是否破坏；,（,5,）破坏面与最大,主应力作用面的,夹角。,17,解：,（,1,）摩尔应力圆如图：,破坏面与最大主应力作用面的夹角为：,（,2,）求出最大剪应力与方向,18,（,3,）与最小主应力作用面成,=85,斜面上的正应力和剪应力,与小主应力作用面夹角：,2,85,与大主应力作用面夹角：,2,（,90-,85,）,19,先假定最小主应力,3,=190kPa,则求出最主应力为：,假定极限平衡状态（相切）,（,4,）判断该点是否破坏,？,小于已知值,580kPa,，破坏状态！？,也可先假定,1,，计算破坏时,3f,，结果一样。,20,（,5,）破坏面与最大主应力的夹角为,21,6.3,土的抗剪强度的测定方法,（,1,）直接剪切试验,（,2,）三轴压缩试验,（,3,）无侧限抗压强度试验,（,4,）,十字板剪切试验,室内试验,现场试验,22,一、直剪试验,测定土的抗剪强度最简单的方法,试验仪器,：,直剪仪,试验方式：,应变控制式；应力控制式,23,直剪仪,24,剪切盒：,上盒,下盒,土样,剪切面,T,T,N,顶帽,透水石,25,试验步骤：,（,1,）对试样施加某一法向应力,（,2,）再施加水平剪切应力,，将下盒推动；,（,3,）测定剪切位移和剪切应力,（,4,）绘制,曲线,（,5,）进行不同,下多个土样的试验,（,6,）确定破坏剪应力,f,，绘制,f,曲线。,26,破坏剪应力,f,的确定：,（,1,）峰值时的剪应力作为破坏剪应力,f,如较为坚实的粘土及密砂,（,2,）无峰值出现时，取,4mm,剪变形量的剪应力作为,f,如软粘土和松砂,27,（,1,）快剪：强度指标用,c,q,、,q,表示。,q-quick,。水平剪切速度,0.8mm/s,、,3-5,分钟完成。,（,2,）固结快剪：强度指标用,c,cq,、,cq,表示。,c-consolidation,（,3,）慢剪（固结）：强度指标用,c,s,、,s,表示。,s-slow,。水平剪切速度,0.02mm/s,。固结变形小于,0.005mm,。,按照剪切速度的不同，直剪试验可分为三种情况：,28,（,5,）不能严格控制排水条件，不能量测孔隙水压力。,剪切过程,优点：,简单、快捷,缺点：,（,1,）剪切面限定在上下盒之间，不是沿土样最薄弱面；,（,2,）剪切面上剪应力分布不均匀；,（,3,）上下盒之间的缝隙中易嵌入砂粒，使试验结果偏大；,（,4,）剪切过程中，土样剪切面逐渐缩小；,剪切后的面积,29,二、三轴剪切试验,试验仪器：,三轴剪力仪（三轴压缩仪）,三轴压缩试验：,较为完善的试验方法,三轴压缩仪的主要组成：,主机：压力室、轴压系统,稳压调压系统：压力泵,量测系统：排水管、体变管,30,三轴压缩仪,31,下面重点介绍,压力室,32,压力室结构简图,试样,压力室,围压力进水,排水管,阀门,轴向加压杆,有机玻璃罩,橡皮套,透水石,接排水玻璃管或测孔隙水压力,33,试样为轴对称应力状态。垂直应力,1,是大主应力；水平向应力相等（,2,=,3,）,试样首先施加静水压力（围压）,1,=,2,=,3,。,然后通过活塞杆施加应力差（,1,-,3,）。,土样应力状态分析：,34,试验步骤：,（,1,）将土样切成圆柱体套在橡胶膜内，放在压力室,中；,（,2,）施加周围压力,3,（,2,=,）；,（,3,）施加竖向压力,（偏差应力,），,使试件受剪,破坏。,土试样,35,（,4,）破坏时大主应力为,1,，小主应力为,3,。,（,5,）进行不同围压三轴试验，,绘制破坏状态的应力摩尔圆。,（,6,）画出公切线,强度包线，得到强度指标,c,与。,c,o,36,三轴试验的排水条件不同，分三种情况,：,不固结不排水试验（,UU,）：,关闭排水阀门，,施加围压,；,施加轴向应力（,）直至破坏。土中含水量始终保持不变，孔隙水压力也不能,消散（,U,B,U,A,）。,固结不排水试验（,CU,）：,打开排水阀门，,施加围压,充分固结，超静孔隙水压力完全消散；,关闭排水阀门，施加轴向应力（,）直至破坏。测出孔隙水压，计算有效应力抗剪强度,指标,(,U,A,）。,固结排水试验（,CD,）：,打开排水阀门，,施加围压,充分固结，超静孔隙水压力完全消散；,排水阀门继续打开，施加轴向应力（,）直至破坏。排出的水为土样减小体积。测得的强度指标为,有效应力抗剪强度,指标。,筏门,37,记号：,固结排水试验（,CD,）：,Consolidated Drained Triaxial test(CD),c,d,d,（,c,，）,固结不排水试验（,CU,）：,Consolidated Undrained Triaxial test(CU),c,cu,cu,（,c,，）,不固结不排水试验（,UU,）：,(Unconsolidated)Undrained Triaxial test(UU),c,uu,uu,（,c,，）,剪切前固结条件,剪切中排水条件,固结,Consolidated,排水,Drained,1.,固结排水试验,（,CD,）,2.,固结不排水试验,（,CU,）,固结,Consolidated,不排水,Undrained,不固结,Unconsolidated,不排水,Undrained,3.,不固结不排水试验,（,UU,）,三种三轴试验,39,三轴试验的优点,：,能够控制排水条件；,可以量测土样中孔隙水压力的变化；,三轴试验中试件的应力状态比较明确；,剪切破坏时的破裂面在试件的最弱处；,缺点：,设备相对复杂，无法直接进行现场试验。,三轴试验比较可靠，是土工试验不可缺少的仪器设备,40,三、无侧限压缩试验,三轴压缩试验的特殊情况（,3,=0,），又称单轴试验。,试验仪器：,无侧限压力仪,也可用单轴压缩仪。,41,无侧限抗压强度,：,破坏时的轴向压力,（,q,u,）,3,=0,一个方程可以求出（,c,，,）？,42,c,u,q,u,对于饱和粘性土：,不固结不排水条件下，可认为,u,=0,，此时,c,u,=q,u,/2,。,故：,43,四、十字板剪切试验,常用的原位测试方法,无需钻孔取得原状土样，而使土少受扰动,排水条件、受力状态与实际条件接近,特别适用于难于取样和高灵敏度的饱和软粘土,十字板剪切示意图 十字板,44,M,2,M,1,v,h,H,D,45,抗剪强度确定：,圆柱体侧面上的抗扭力矩：,圆柱体上、下表面上的抗扭力矩：,46,最大扭矩与抗扭力矩相等：,故,可以求出（,c,，,）？,47,正常固结粘土和超固结粘土排水剪切过程中：,6.4,土在剪切过程中的性状,轴应变增大，体积减小，剪缩,轴应变增大，体积增大，剪胀,48,粘性土残余强度、灵敏度和触变性,饱和粘性土灵敏度的定义：,在含水量不变的条件下，原状土不排水强度与 彻底扰动后的土（重塑土）的不排水强度之比。,根据灵敏度将粘性土分成六大类。,49,粘性土触变性的定义：在含水量不变的条件下，土经扰动后强度下降，静置一段时间，强度会随时间回复的现象。,强度再生,50,（,1,）三轴试验指标与直剪试验指标,根据实际工程问题确定,重大工程要求三轴试验指标,6.5,实际工程中土体抗剪强度指标的选择,51,（,2,）峰值强度指标还是残余强度指标？,一般问题峰值强度,滑坡：残余强度,52,（,3,）有效应力指标还是总应力指标？,无超静孔压时，用总应力指标,可确定超静孔压时，用有效应力指标,土的抗剪强度的,有效应力指标,c,=c+tg,=-u,符合土的破坏机理，但有时孔隙水压力,u,无法确定,土的抗剪强度的,总应力指标,c,=c+tg,便于应用,但,u,不能产生抗剪强度，不符合强度机理，应用时要符合工程条件,强度指标,抗剪强度,简单评价,两种强度指标的比较,53,1,(),p(p),q,u,K,f,K,f,ff,u,松砂及正常固结粘土,(CU),强度,包线与破坏主应力线,有效应力指标还是总应力,54,（,a,）固结排水剪强度指标,粘土地基上分层慢速施工的填方,稳定渗流期的土坝,（,4,）应根据实际排水条件确定,下面给出几个典型实例：,55,（,b,）固结不排水剪强度指标,在,1,层土固结后，施工,2,层,库水位从,1,骤降到,2,在天然土坡上快速填方,56,（,C,）不排水剪强度指标,软土地基上快速施工的填方,土坝快速施工，心墙未固结,粘土地基上快速施工的建筑物,57,例,2,饱和无粘性土试样进行三轴固结排水剪切试验，测得总应力抗剪强度指标为,c,d,=0,，,d,=28.5,。如果对同一种试样进行三轴固结不排水剪试验，施加周围压力,3,=200kPa,，试样破坏时的轴向偏应力为,(,1,3,),f,=160kPa,。,计算：,（,1,）固结不排水抗剪强度指标,cu,（,2,）破坏时的孔隙水压力,u,f,。,58,解,1f,=200+160=360kPa,，,3f,=200kPa,，,c,cu,=0,由极限平衡条件：,得,cu,=16.5,此外，,d,=28.5,由有效应力表示的极限平衡条件：,59,联立上述两个式子可得：,1f,=247.6kPa,，,3f,=87.6kPa,。,破坏时的孔隙水压力,u,f,1f,1f,=360-247.6=112.4kPa,得出：,由于：,60,本章小结,土的破坏形式（剪切、蠕变）,土的极限平衡条件（库仑定律）,土的剪切强度测试（直剪、三轴剪、十字剪）,工程中剪切强度指标的选择,61,感谢大家的莅临！,