土力学6土的抗剪强.pptx

6.1 概述土的抗剪强度：土体抵抗剪切破坏的极限能力粘土地基上的某谷仓地基破坏粘土地基上的某谷仓地基破坏1.1.地基的破坏地基的破坏工程中土体的破坏类型日本新泻日本新泻19641964年地震引起大面积液化年地震引起大面积液化地基p滑裂面滑裂面大阪的港口码头档土墙由于液化前倾大阪的港口码头档土墙由于液化前倾2.2.挡土结构物的破坏挡土结构物的破坏广州京光广场基坑塌方广州京光广场基坑塌方使基坑旁办公室、民工宿舍和仓库倒塌，死使基坑旁办公室、民工宿舍和仓库倒塌，死3 3人，伤人，伤1717人。人。挡土墙挡土墙滑裂面滑裂面基坑支护基坑支护平移滑动平移滑动3.3.各种类型的滑坡各种类型的滑坡崩塌崩塌旋转滑动旋转滑动流滑流滑19941994年年4 4月月3030日日崩塌体积崩塌体积400400万方万方1010万方进入乌江万方进入乌江死死4 4人，伤人，伤5 5人，失踪人，失踪1212人人击沉拖轮、驳轮各一艘，渔击沉拖轮、驳轮各一艘，渔船船2 2只只19941994年年7 7月月2-32-3日降雨引起再日降雨引起再次滑坡次滑坡崩塌体巨大石块滚入江内，崩塌体巨大石块滚入江内，无法通航无法通航滑坡体崩入乌江近百万方；滑坡体崩入乌江近百万方；江水位差数米。江水位差数米。乌江武隆县兴顺乡鸡冠岭山体崩塌乌江武隆县兴顺乡鸡冠岭山体崩塌龙观嘴龙观嘴黄崖沟黄崖沟乌江乌江20002000年西藏易贡巨型滑坡年西藏易贡巨型滑坡高程（高程（m）滑距（滑距（m）553022004000扎扎 木木 弄弄 沟沟滑坡堆积体滑坡堆积体080004000200060002000年西藏易贡巨型滑坡立面示意图坡高坡高 3330m堆积体宽堆积体宽 约约2500m总方量总方量 约约3亿方亿方易贡滑坡堰塞湖易贡滑坡堰塞湖滑滑 坡坡 堆堆 积积 区区扎扎木木弄弄沟沟2264m2210m2165m2340m2000年西藏易贡巨型滑坡平面示意图5520m滑坡堆积体滑坡堆积体天然坝天然坝 坝高坝高290 m滑坡堰塞湖滑坡堰塞湖 库容库容15亿方亿方湖水每天上湖水每天上涨涨50cm?20002000年西藏易贡巨型滑坡年西藏易贡巨型滑坡边坡滑裂面滑裂面p地基承载力地基承载力p土压力土压力p边坡稳定边坡稳定p地基的破坏地基的破坏p挡土结构物破坏挡土结构物破坏p各种类型的滑坡各种类型的滑坡核心核心综上所述6.2土的抗剪强度理论和极限平衡条件6.2.1土的应力-应变关系特征6.2.3土的极限平衡条件6.2.4例题分析6.2.2土的破坏理论下一节退出返回6.2.1 土的应力-应变关系特征 0 fe0 ek膨胀膨胀0 压缩压缩0 应力应变曲线应力应变曲线体变应变曲线体变应变曲线 曲线曲线e 曲线曲线密砂松砂1776年，库仑根据砂土剪切试验f=tan 砂土砂土后来，根据粘性土剪切试验 f=c+tan 粘土粘土c 库仑定律：库仑定律：土的抗剪强度是剪切面上的法向总应力 的线性函数 c:土的粘聚力:土的内摩擦角 f f库仑定律库仑定律6.2.2 土的破坏理论土体抗剪强度组成摩擦强度NT=NT1.1.滑动摩擦滑动摩擦2.2.咬合摩擦引起的剪胀咬合摩擦引起的剪胀3.3.颗粒的破碎与重排列颗粒的破碎与重排列NT滑动摩擦滑动摩擦 颗粒破碎与重排列颗粒破碎与重排列咬合摩擦引起的剪胀咬合摩擦引起的剪胀影响土的摩擦强度的主要因素密度（密度（e,粒径级配（粒径级配（Cu,Cc）颗粒的矿物成分颗粒的矿物成分 对于对于：砂土：砂土粘性土；粘性土；高岭石高岭石伊里石伊里石蒙特石蒙特石粒径的形状（颗粒的棱角与长宽比）粒径的形状（颗粒的棱角与长宽比）在其他条件相同时：在其他条件相同时：对于砂土，颗粒的棱角提高了内摩擦角对于砂土，颗粒的棱角提高了内摩擦角 对于碎石土，颗粒的棱角可能降低其内摩擦角对于碎石土，颗粒的棱角可能降低其内摩擦角 n静电引力（库仑力）静电引力（库仑力）n范德华力范德华力n颗粒间胶结颗粒间胶结n假粘聚力（毛细力等）假粘聚力（毛细力等）n地质历史地质历史n粘土颗粒矿物成分粘土颗粒矿物成分n密度密度n离子价与离子浓度离子价与离子浓度粘聚强度影响粘聚强度主要因素-+根据太沙基的有效应力概念，土体内的切应力仅能由土的骨架承担，因此土的抗剪强度应表示为剪切破坏面上法向有效应力的函数C:土的粘聚力:土的内摩擦角库仑公式的修改 3 3 1 1 3 1 dldlcos dlsin 楔体静力平衡6.2.3 土的极限平衡条件1.地基中一点A任意斜面上的应力与主应力的关系 3 1 dldlcos dlsin 斜面上的应力莫尔应力圆方程 O 1 31/2(1+3)2 A(,)圆心坐标1/2(1+3)，0应力圆半径 r1/2(13)土中某点的应力状态可用莫尔应力圆描述 应力圆与强度线相切：应力圆与强度线相割：强度线极限应力圆 f 破坏状态 应力圆与强度线相离：莫尔应力圆与库仑强度线相切的应力状态作为土的破坏准则莫尔应力圆与库仑强度线相切的应力状态作为土的破坏准则(目前判别土体所处状态的最常用准则目前判别土体所处状态的最常用准则)莫尔库仑破坏准则 3 1 f2 fA 1/2(1+3)2.无粘性土的极限平衡条件破坏面与大主应力作用面的夹角破坏面与大主应力作用面的夹角公式推导自己下公式推导自己下去看书去看书185185页页 3 1c f2 fA cctg 1/2(1+3)3.粘性土的极限平衡条件公式公式推导推导自己自己下去下去看书看书186186页页破坏面与大主应力破坏面与大主应力夹角夹角 f与最大剪应与最大剪应力面重合吗？力面重合吗？【解答】已知1=420kPa，3=180kPa，c=18kPa，=20o 1.1.计算法计算法计算结果表明：计算结果表明：1f小于该单元土体实际大主应力 1，实际应力圆半径大于极限应力圆半径，所以，该单元土体处于剪破状态【例】地基中某一单元土体上的大主应力为420kPa，小主应力为180kPa。通过试验测得土的抗剪强度指标c=18kPa，=20o。试问该单元土体处于何种状态？是否会沿剪应力最大的面发生剪破？6.2.4 例题分析计算结果表明：计算结果表明：3f大于该单元土体实际小主应力 3，实际应力圆半径大于极限应力圆半径，所以，该单元土体处于剪破状态 最大剪应力 该面上抗剪强度 由于f max，所以，不会沿该面发生剪破剪应力面上最大正应力 2.2.图解法图解法最大剪应力与主应力作用面成45o最大剪应力面上的法向应力库仑定律 最大剪应力面上f max，所以，不会沿该面发生破坏 c 1实际应力圆max6.3 土的剪切试验6.3.1三轴剪切试验6.3.2直接剪切试验6.3.3无侧限抗压强度试验6.3.4十字板剪切试验上一节下一节退出返回6.3.1三轴剪切试验主要试验步骤主要试验步骤 3 3 3 3 3 3 1.1.装样装样2.2.施加周围压力施加周围压力3.3.施加轴向压力施加轴向压力应变控制式三轴仪：压力室，加压系统，量测系统组成 试试样样压力室压力室压力水压力水排水管排水管阀门阀门轴向加压杆轴向加压杆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中压台式三轴仪应变控制式三轴仪：压力室，量测系统v固结排水试验（CD试验）1 打开排水阀门，打开排水阀门，施加围压施加围压 后充分固结孔隙水压力完全消散；后充分固结，孔隙水压力完全消散；2 打打开开排排水水阀阀门门，慢慢慢慢施施加加轴轴向向应应力力差差 以以便便充充分分排排水水，避避免免产产生生孔孔压压v不固结不排水试验（UU试验）1 关闭排水阀门，关闭排水阀门，围压围压 下不固结；下不固结；2 关闭排水阀门，很快剪切破坏，在施加轴向应力差关闭排水阀门，很快剪切破坏，在施加轴向应力差 过程中不排水过程中不排水v固结不排水试验（CU试验）1 打开排水阀门，打开排水阀门，施加围压施加围压 后充分固结，孔隙水压力完全消散；后充分固结，孔隙水压力完全消散；2 关闭排水阀门，很快剪切破坏，在施加轴向应力差关闭排水阀门，很快剪切破坏，在施加轴向应力差 过程中不排水过程中不排水cd、d ccu、cu cu、u 试验类型试验类型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抗剪强度包线强度包线(1-)fc (1-)f 1 1-3 1=15%试验优缺点试验优缺点v优点：1 1 应力状态和应力路径明确；应力状态和应力路径明确；2 2 排水条件清楚，可控制；排水条件清楚，可控制；3 3 破坏面不是人为固定的；破坏面不是人为固定的；4 4 试验单元体试验试验单元体试验v缺点：设备相对复杂，现场无法试验设备相对复杂，现场无法试验试验仪器：试验仪器：直剪仪（应力控制式，应变控制式）6.3.2 直接剪切试验通过控制剪切速率来近似模拟排水条件1.1.固结慢剪：固结慢剪：施加正应力施加正应力-充分固结充分固结慢慢施加剪应力慢慢施加剪应力-小于小于0.02mm/分，分，以保证无孔隙水压力以保证无孔隙水压力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施加正应力后立即剪切立即剪切3-53-5分钟内剪切破坏分钟内剪切破坏PSTA试验类型二速等应变直剪仪试验原理试验原理剪前施加在试样顶面上的竖向压力为剪破面上的法向应力，剪应力由剪切力除以试样面积在法向应力作用下，剪应力与剪切位移关系曲线，根据曲线得到该作用下土的抗剪强度L 4mm0 fp f在不同的垂直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试验结果试验结果 =100KPa L =200KPa=300KPa fOc P3P2P1S3S2S1直剪试验优缺点直剪试验优缺点优点优点l 试样应力状态复杂试样应力状态复杂l 应变不均匀应变不均匀l 不能控制排水条件不能控制排水条件l 剪切面固定剪切面固定缺点缺点l 设备简单，操作方便设备简单，操作方便l 结果便于整理结果便于整理l 测试时间短测试时间短ququ无侧限抗压强度试验是三轴剪切试验的特例，对试样不施加周围压力，无侧限抗压强度试验是三轴剪切试验的特例，对试样不施加周围压力，即即 3=0，只施加轴向压力直至发生破坏，试样在无侧限压力条件下，只施加轴向压力直至发生破坏，试样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剪切破坏时试样承受的最大轴向压力qu，称为称为无侧限抗压强度无侧限抗压强度 加压框架量表量力环升降螺杆无侧限压缩仪试样6.3.3 无侧限抗压强度试验试验仪器：试验仪器：应变控制式无侧限压缩仪无侧限压缩仪根据试验结果只能作出一个极限应力圆（3=0，1=qu）。因此对一般粘性土，无法作出强度包线说明：对于饱和软粘土，根据三轴不排水剪试验成果，其强度包线近似于一水平线，即u=0，因此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 qucu u=0无侧限抗压强度试验仪器构造简单，操作方便，可代替三轴试验测定饱和软粘土的不排水强度 试验结果试验结果反映土的结构受挠动对强度的影响程度 根据灵敏度将饱和粘性土分类：低灵敏度土 1St2中灵敏度土 24灵敏度粘性土的原状土无侧限抗压强度与原土结构完全破坏的重塑土的无侧限抗压强度的比值6.3.4 十字板剪切试验v一般适用于测定软粘土一般适用于测定软粘土的不排水强度指标；的不排水强度指标；v钻孔到指定的土层，插钻孔到指定的土层，插入十字形的探头；入十字形的探头；v通过施加的扭矩计算土通过施加的扭矩计算土的抗剪强度的抗剪强度试验设备试验设备时：M1H HDM2柱体上下平面的抗剪强度产生的抗扭力矩柱体侧面剪应力产生的抗扭力矩试验结果试验结果6.4 不同排水条件下抗剪强度指标及测定方法6.4.1土在排水和不排水条件下的应力-应变关系与体积变化6.4.2土在不固结、不排水条件下的抗剪强度及其指标测定6.4.3土在固结、不排水条件下的抗剪强度及其指标测定6.4.4土在固结、排水条件下的抗剪强度及其指标测定上一节下一节退出返回6.4.5抗剪强度指标的选择6.4.6密度对抗剪强度的影响6.4.1土在排水和不排水条件下的应力-应变关系与体积变化膨胀膨胀0 1压缩压缩e0 1ek 10排水条件下排水条件下CB0A 1AB0过剩过剩uC 1AB0eCOOO不排水条件下不排水条件下密实砂或超固结土松砂或正常固结土1.不固结不排水剪（UU）3 3 3 3 3 3 直剪试验：通过试验加荷的快慢来实现是否排水。使试样在3-5min之内剪破，称之为快剪关闭排水阀6.4.2土在不固结、不排水条件下的抗剪强度及其指标测定1.快剪 三轴试验：施加周围压力3、产生孔压u3，施加轴向压力直至剪破，产生u1，整个过程都关闭排水阀门，不允许试样排水固结，uf u3 u1 3 3 3 3 3 3 有效应力圆总应力圆 u=0=0BCcu uAA 3A 1A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试验表明：虽然三个试样的周围压力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三个试样只能得到一个有效应力圆 u=B +A()B=1不固结不排水剪不固结不排水剪能得到有效抗剪能得到有效抗剪强度指标吗？强度指标吗？2.固结不排水剪（CU）3 3 3 3 3 3 打开打开排排水阀水阀关闭排水阀三轴试验：施加周围压力3时打开排水阀门，试样完全排水固结，孔隙水压力完全消散。然后关闭排水阀门，再施加轴向压力增量，产生u1，使试样在不排水条件下剪切破坏，uf u1直剪试验：剪切前试样在垂直荷载下充分固结，剪切时速率较快，使土样在剪切过程中不排水，这种剪切方法为称固结快剪2.固结快剪 6.4.3土在固结、不排水条件下的抗剪强度及其指标测定 3 3 3 3 3 3 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、ccuc c cu 正常固结土在三组3下进行固结不排水剪试验得到A、B、C三个不同3作用下破坏时的总应力圆，由总应力圆强度包线确定固结不排水剪总应力强度指标ccu、cuABC超固结土的有效应力圆分别超固结土的有效应力圆分别在总应力圆的哪边？在总应力圆的哪边？3.固结排水剪（CD）3 3 3 3 3 3 打开排水阀三轴试验：试样在周围压力3作用下排水固结，再缓慢施加轴向压力增量，直至剪破，整个试验过程中打开排水阀门，始终保持试样的孔隙水压力为零uf 0直剪试验：试样在垂直压力下固结稳定，再以缓慢的速率施加水平剪力，直至剪破，整个试验过程中尽量使土样排水，试验方法称为慢剪3.慢剪 6.4.4土在固结、排水条件下的抗剪强度及其指标测定在整个排水剪试验过程中，uf 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。强度指标为cd、d cd d d总结:3 3 3 3 3 3 对于同一种土，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【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ccucu和c、周围压力3/kPa1/kPauf/kPa60143231002204015031367例题分析【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-uf，3=3-uf，将总应力圆在水平轴上左移相应的uf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 ccu根据强度包线得到：ccu=10 kPa，c u=18o c=6 kPa，、=27o c cu (kPa)100(kPa)1003002004001.1.有效应力指标与总应力指标有效应力指标与总应力指标凡是可以确定（测量、计算）孔隙水压力凡是可以确定（测量、计算）孔隙水压力u的情况都应当使用有的情况，都应当使用有效应力指标效应力指标c，2.2.三轴试验指标与直剪试验指标三轴试验指标与直剪试验指标砂土砂土：c,三轴固结排水试验指标与慢剪试验指标三轴固结排水试验指标与慢剪试验指标 （直剪试验得到的指标偏大）（直剪试验得到的指标偏大）粘土粘土：有效应力指标：三轴固结排水、固结不排水有效应力指标：三轴固结排水、固结不排水 总应力指标：三轴固结不排水、直剪固结快剪、快剪总应力指标：三轴固结不排水、直剪固结快剪、快剪3.3.峰值强度指标与残余强度指标峰值强度指标与残余强度指标u 峰值强度：峰值强度：一般问题一般问题u 残余强度：古旧滑坡、断层夹泥、大变形问题残余强度：古旧滑坡、断层夹泥、大变形问题6.4.5 抗剪强度指标的选用6.4.6 密度对抗剪强度的影响 土的原始密度越大，1.土粒之间接触点多且紧密，土粒之间的表面摩擦力和粗粒土之咬合力越大；2.土粒接触紧密，粘聚力也必然大综上所述，此时土的抗剪强度必然大砂土与粘性土砂土与粘性土强度与孔隙比关系强度与孔隙比关系见见209209页表页表6-26-2本章结束课后练习P2106-11、6-13退出退出 O c 1f 32 3 1f45/2破裂面破裂面2 滑裂面的位置 与大主应力面夹角：与大主应力面夹角：=45 +/2软土地基上快速施工的填方软土地基上快速施工的填方土坝快速施工，心墙未固结土坝快速施工，心墙未固结粘土地基上快速施工的建筑物粘土地基上快速施工的建筑物几种不固结不排水强度几种不固结不排水强度指标指标cu在工程中的应用在工程中的应用在在1 1层土固结后，施工层土固结后，施工2 2层层库水位从库水位从1 1骤降到骤降到2 2在天然土坡上快速填方在天然土坡上快速填方几种固结不排水强度指标几种固结不排水强度指标ccu、cu在工程中的应用在工程中的应用粘土地基上分层慢速施工的填方粘土地基上分层慢速施工的填方稳定渗流期的土坝稳定渗流期的土坝天然粘土坡或在粘土中的开挖天然粘土坡或在粘土中的开挖几种固结排水强度指标几种固结排水强度指标cd、d在工程中的应用在工程中的应用 ()cc f f超固结粘土的总应力与有效应力强度包线超固结粘土的总应力与有效应力强度包线(CU)(CU)u(-)u(+)总应力有效应力ccuc，cu