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1、土力学土的抗剪强度第1页，共58页，编辑于2022年，星期五土的抗剪强度：土的抗剪强度：土体抵抗剪切破坏的极限能力土体抵抗剪切破坏的极限能力 第2页，共58页，编辑于2022年，星期五工程实例地基承载力问题第3页，共58页，编辑于2022年，星期五工程实例地基承载力问题1911年动工1913年完工谷仓自重20000吨1913年10月17日发现1小时内竖向沉降达30.5厘米，结构物向西倾斜，并在24小时内倾倒，谷仓西端下沉7.32米，东端上抬1.52米。原因：地基承载力不够，超载引发强度破坏而产生滑动。加拿大特朗斯康谷仓第4页，共58页，编辑于2022年，星期五工程实例地基承载力问题第5页，共5
2、8页，编辑于2022年，星期五工程实例地基承载力问题近代世界上最严重的建筑物破坏之一1940年水泥仓库装载水泥，使粘性土超载，引起地基土剪切破坏而滑动。倾斜45度，地基土被挤出达5.18米，23米外的办公楼也发生倾斜。美国纽约某水泥仓库第6页，共58页，编辑于2022年，星期五5.1 土的抗剪强度与极限平衡原理土的抗剪强度与极限平衡原理5.1.1 库仑定律库仑定律17761776年，库仑根据年，库仑根据砂土砂土剪切试验得出剪切试验得出 f=tan 砂土砂土后来，根据后来，根据粘性土粘性土剪切试验剪切试验得出得出 f=c+tan 粘土粘土c 库仑定律：库仑定律：土的抗剪强度土的抗剪强度是剪切面上
3、的法向总应力是剪切面上的法向总应力 的线性函数的线性函数 f f第7页，共58页，编辑于2022年，星期五库伦公式库伦公式抗剪强度指标抗剪强度指标c:土的粘聚力土的粘聚力:土的内摩擦角土的内摩擦角(无粘性土：无粘性土：c=0)第8页，共58页，编辑于2022年，星期五 土的抗剪强度一般可分为两部分：一部分与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，其本颗粒间的法向应力有关，通常呈正比例关系，其本质是质是摩擦力摩擦力；另一部分是与法向应力无关的土粒；另一部分是与法向应力无关的土粒之间的粘结力，通常称为之间的粘结力，通常称为粘聚力粘聚力。第9页，共58页，编辑于
4、2022年，星期五影影响响因因素素土土的的抗抗剪剪强强度度内在因素内在因素外在因素：外在因素：试验时的排水条件等因素试验时的排水条件等因素颗粒间的有效法向应力颗粒间的有效法向应力土的孔隙比土的孔隙比第10页，共58页，编辑于2022年，星期五表表达达方方法法土土的的抗抗剪剪强强度度总应力法：总应力法：总应力强度指标总应力强度指标有效应力法：有效应力法：有效应力强度指标有效应力强度指标第11页，共58页，编辑于2022年，星期五 莫尔包线表示材料在不同应力作用下达到莫尔包线表示材料在不同应力作用下达到极极限状态限状态时，滑动面上法向应力时，滑动面上法向应力 与剪应力与剪应力 f 的关的关系。系。
5、莫尔包线莫尔包线 f=c+tan 5.1.2 莫尔莫尔-库伦强度理论库伦强度理论第12页，共58页，编辑于2022年，星期五土体内一点处土体内一点处不同方位不同方位的截面上应力的集合的截面上应力的集合（剪应力（剪应力 和法向应力和法向应力）3 3 1 1 3 1 斜面上的应力斜面上的应力5.1.3 土中一点的应力状态土中一点的应力状态第13页，共58页，编辑于2022年，星期五 O 1 31/2(1+3)2 A(,)土中某点的应力状态可用莫尔应力圆描述 3 1 莫尔圆可以表示土体中一点的应力状态，莫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尔圆圆周上各点的坐标
6、就表示该点在相应平面上的面上的正应力正应力和和剪应力剪应力。第14页，共58页，编辑于2022年，星期五应力圆与强度线应力圆与强度线相离：相离：强度线强度线应力圆与强度线应力圆与强度线相切：相切：应力圆与强度线应力圆与强度线相割：相割：极限应力圆f 破坏状态破坏状态 5.1.4 土的极限平衡条件土的极限平衡条件第15页，共58页，编辑于2022年，星期五莫尔库仑破坏准则莫尔库仑破坏准则 3 1c f2 fA cctg 1/2(1+3)无粘性土：无粘性土：c=0粘性土：粘性土：第16页，共58页，编辑于2022年，星期五ABDOf极限平衡条件莫尔库仑破坏准则极限应力圆破坏应力圆剪切破坏面第17页
7、，共58页，编辑于2022年，星期五粘性土的极限平衡条件1=3tg2(45+/2)2ctg(45+/2)3=1tg2(45/2)2ctg(45/2)第18页，共58页，编辑于2022年，星期五无粘性土的极限平衡条件1 1=3 3tgtg2 2(45+/2)(45+/2)3 3=1 1tgtg2 2(45(45/2)/2)第19页，共58页，编辑于2022年，星期五 土体处于极限平衡状态时，破坏面与大主应力作用土体处于极限平衡状态时，破坏面与大主应力作用面的夹角为面的夹角为 f f2 f 3 1c A cctg 1/2(1+3)说明：说明：剪破面并不产生于最大剪应力面，而与最大剪应力面剪破面并不
8、产生于最大剪应力面，而与最大剪应力面成成 /2的夹角。因此，土的剪切破坏并不是由最大剪应力的夹角。因此，土的剪切破坏并不是由最大剪应力max所控制。所控制。max第20页，共58页，编辑于2022年，星期五的的方方法法测测定定土土抗抗剪剪强强度度直接剪切试验直接剪切试验三轴压缩试验三轴压缩试验无侧限抗压强度试验无侧限抗压强度试验现场十字板剪切仪现场十字板剪切仪5.2 土的剪切试验方法土的剪切试验方法第21页，共58页，编辑于2022年，星期五试验仪器：试验仪器：直剪仪（直剪仪（应变控制式应变控制式，应力控制式），应力控制式）5.2.1 直接剪切试验直接剪切试验第22页，共58页，编辑于2022
9、年，星期五应变控制式直剪仪的试验原理：应变控制式直剪仪的试验原理：对同一种土至少取对同一种土至少取4个平行试样，分别在不个平行试样，分别在不同垂直压力同垂直压力 下剪切破坏，将试验结果绘制抗剪下剪切破坏，将试验结果绘制抗剪强度强度 f与相应垂直压力与相应垂直压力 的关系图。的关系图。第23页，共58页，编辑于2022年，星期五第24页，共58页，编辑于2022年，星期五剪切容器与应力环第25页，共58页，编辑于2022年，星期五第26页，共58页，编辑于2022年，星期五第27页，共58页，编辑于2022年，星期五在不同的垂直压力在不同的垂直压力 下进行剪切试验，得相应的抗剪强度下进行剪切试验
10、，得相应的抗剪强度f，绘制绘制f-曲线，得该土的抗剪强度包线曲线，得该土的抗剪强度包线第28页，共58页，编辑于2022年，星期五在法向应力在法向应力 作用下，剪应力与剪切位移关系曲线。作用下，剪应力与剪切位移关系曲线。4 4mmmm a a b b 剪切位移剪切位移l(0.01mm)(0.01mm)剪应力剪应力（kPa)kPa)1 1 2 2 第29页，共58页，编辑于2022年，星期五快剪快剪固结快剪固结快剪慢剪慢剪在直剪试验过程中，根据加荷速率的快慢可将试验 划分为:第30页，共58页，编辑于2022年，星期五直剪试验优缺点直剪试验优缺点优点：优点：仪器构造简单，试样的制备和安装方便，易
11、于操仪器构造简单，试样的制备和安装方便，易于操作。作。缺点：缺点：剪切破坏面固定，且不一定是土样的最薄弱面。剪切破坏面固定，且不一定是土样的最薄弱面。不能严格控制排水条件，不能量测土样的孔隙水压力。不能严格控制排水条件，不能量测土样的孔隙水压力。剪切过程中试样剪切面积逐渐减小，剪切面上的剪剪切过程中试样剪切面积逐渐减小，剪切面上的剪应力分布不均匀。应力分布不均匀。第31页，共58页，编辑于2022年，星期五一、抗剪强度包线一、抗剪强度包线 分别在不同的周围压力分别在不同的周围压力 3作用下进行剪切，得作用下进行剪切，得到到3 34 4 个不同的破坏应力圆，绘出各应力圆的公切个不同的破坏应力圆，
12、绘出各应力圆的公切线即为土的抗剪强度包线。线即为土的抗剪强度包线。抗剪强度包线抗剪强度包线 c 5.2.2 三轴压缩试验三轴压缩试验第32页，共58页，编辑于2022年，星期五二、三轴剪切试验二、三轴剪切试验试验仪器：试验仪器：应变控制式应变控制式三轴仪：三轴仪：压力室压力室，加压系统加压系统，量测系量测系 统统组成组成 (常用常用）应力控制式三轴仪应力控制式三轴仪第33页，共58页，编辑于2022年，星期五试验步骤试验步骤:3 3 3 3 3 3 2.2.施加周围压力施加周围压力3.3.施加竖向压力施加竖向压力1.1.装样装样第34页，共58页，编辑于2022年，星期五三轴压缩仪三轴压缩仪第
13、35页，共58页，编辑于2022年，星期五应变控制式三轴仪：应变控制式三轴仪：压力室压力室加压系统加压系统量测系统量测系统轴向加荷系统第36页，共58页，编辑于2022年，星期五加压和量测系统第37页，共58页，编辑于2022年，星期五三轴试验优缺点三轴试验优缺点 优点：优点：能控制排水条件，量测孔隙水压力。能控制排水条件，量测孔隙水压力。试样的应力分布比较均匀，试样的应力分布比较均匀，剪切破坏面为最薄弱面。剪切破坏面为最薄弱面。缺点：缺点：试验仪器复杂，操作技术要求高，试样制备较复杂。试验仪器复杂，操作技术要求高，试样制备较复杂。试验在试验在 2 2=3 3的轴对称条件下进行，与土体实际受力
14、情况可能的轴对称条件下进行，与土体实际受力情况可能不符。不符。第38页，共58页，编辑于2022年，星期五5.3 不同排水条件时的剪切试验成果不同排水条件时的剪切试验成果5.3.1 总应力强度指标与有效应力强度指标总应力强度指标与有效应力强度指标c、为土的有效粘聚力和有效内摩擦角，即土的有效应力强度指标 c、为土的总应力强度指标 有效应力原理：有效应力原理：土的抗剪强度并不是由剪切面上的法向总应力土的抗剪强度并不是由剪切面上的法向总应力决定，而是取决于剪切面上的决定，而是取决于剪切面上的法向有效应力。法向有效应力。第39页，共58页，编辑于2022年，星期五 三轴压缩试验三轴压缩试验按剪切前的
15、按剪切前的固结程度固结程度和剪切时和剪切时的的排水条件排水条件，可以分为三种试验方法：，可以分为三种试验方法：1.不固结不排水试验不固结不排水试验(UUUU试验试验)2.固结不排水试验固结不排水试验(CUCU试验试验)3.固结排水试验固结排水试验(CDCD试验试验)5.3.2 不同排水条件时的剪切试验方法及成果不同排水条件时的剪切试验方法及成果第40页，共58页，编辑于2022年，星期五1.1.不固结不排水剪（不固结不排水剪（UUUU）三轴试验：三轴试验：施加周围压力施加周围压力 3、轴向压力轴向压力 直至剪破的整个直至剪破的整个过程都关闭排水阀门，不允过程都关闭排水阀门，不允许试样排水固结。
16、许试样排水固结。3 3 3 3 3 3 直剪试验：直剪试验：通过试验加荷的通过试验加荷的快慢来实现是否排水。使试快慢来实现是否排水。使试样在样在3 35 5minmin内剪破，称之为内剪破，称之为快剪。快剪。关闭排关闭排水阀水阀第41页，共58页，编辑于2022年，星期五 3 3 3 3 3 3 有效应力圆总应力圆 u u=0=0BCcu uAA 3A 1A饱和粘性土在三组饱和粘性土在三组 3 3下的不排水剪试验下的不排水剪试验得到得到A、B、C三个不同三个不同 3 3作用下破坏时作用下破坏时的总应力圆，但只能得到的总应力圆，但只能得到一个有效应力一个有效应力圆圆。试验表明：试验表明：虽然三个
17、试样的周围压力虽然三个试样的周围压力 3 3不同，但破坏时的不同，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。线是一条水平线。第42页，共58页，编辑于2022年，星期五2.2.固结不排水剪（固结不排水剪（CUCU）三轴试验：三轴试验：施加周围压力施加周围压力 3 3时时打开排水阀门，试样完全排水打开排水阀门，试样完全排水固结，孔隙水压力完全消散。固结，孔隙水压力完全消散。然后关闭排水阀门，再施加轴然后关闭排水阀门，再施加轴向压力增量向压力增量，使试样在不排，使试样在不排水条件下剪切破坏。水条件下剪切破坏。3 3
18、 3 3 3 3 直剪试验：直剪试验：剪切前试样在垂直剪切前试样在垂直荷载下充分固结，剪切时速率荷载下充分固结，剪切时速率较快，使土样在剪切过程中不较快，使土样在剪切过程中不排水，这种剪切方法为称固结排水，这种剪切方法为称固结快剪。快剪。打开打开排排水阀水阀关闭关闭排排水阀水阀第43页，共58页，编辑于2022年，星期五 3 3 3 3 3 3 将总应力圆在水平轴上左移将总应力圆在水平轴上左移u uf f得到相应的有效应力圆，按得到相应的有效应力圆，按有效应力圆强度包线可确定有效应力圆强度包线可确定c 、ccuc cucu 饱和粘性土在三组饱和粘性土在三组 3 3下进行固结不排水剪试验下进行固
19、结不排水剪试验得到得到A、B、C三个不同三个不同 3 3作用下破坏时的总应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总应力强度指标ccu、cuABC第44页，共58页，编辑于2022年，星期五3.3.固结排水剪（固结排水剪（CDCD）三轴试验：三轴试验：试样在围压试样在围压 3 3作用作用下排水固结，再缓慢施加轴向下排水固结，再缓慢施加轴向压力增量压力增量，直至剪破，整，直至剪破，整个试验过程中打开排水阀门，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始终保持试样的孔隙水压力为零。零。3 3 3 3 3 3 直剪试验
20、：直剪试验：试样在垂直压力下试样在垂直压力下固结稳定，再以缓慢的速率施固结稳定，再以缓慢的速率施加水平剪力，直至剪破，整个加水平剪力，直至剪破，整个试验过程中尽量使土样排水，试验过程中尽量使土样排水，试验方法称为慢剪。试验方法称为慢剪。打开打开排排水阀水阀第45页，共58页，编辑于2022年，星期五在整个排水剪试验过程中，在整个排水剪试验过程中，uf 0 0，总应力全部转化为有效应力，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，强度指标为度线，强度指标为cd、d d。cd d d总结总结:3 3 3
21、 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。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。与有效应力有唯一的对应关系。第46页，共58页，编辑于2022年，星期五ququ加压加压框架框架量表量表量力环量力环升降升降螺杆螺杆无侧限压缩仪无侧限压缩仪 3=0试试样样5.3.3 无侧限抗压强度试验无侧限抗压强度试验第47页，共58页，编辑于2022年，星期五无侧限无侧限压缩仪压缩仪第48页，共58页，编辑于2022年，
22、星期五0cu无侧限抗压强度试验无侧限抗压强度试验qu无侧限抗压强度试验所得的极限应力无侧限抗压强度试验所得的极限应力圆的圆的水平切线水平切线就是破坏包线就是破坏包线第49页，共58页，编辑于2022年，星期五5.4 地基破坏型式和地基承载力地基破坏型式和地基承载力整体剪切破坏整体剪切破坏局部剪切破坏局部剪切破坏冲剪破坏冲剪破坏5.4.1 地基破坏型式地基破坏型式第50页，共58页，编辑于2022年，星期五 1.整体剪切破坏整体剪切破坏 整体剪切破坏型式的整体剪切破坏型式的压力压力沉降关系曲线沉降关系曲线ps0线性变形阶段线性变形阶段弹塑性变形阶段弹塑性变形阶段塑性破坏阶段塑性破坏阶段第51页，
23、共58页，编辑于2022年，星期五整体剪切破坏整体剪切破坏第52页，共58页，编辑于2022年，星期五 2.局部剪切破坏局部剪切破坏 sp局部剪切破坏型式的局部剪切破坏型式的压力压力沉降关系曲线沉降关系曲线0压力和沉降关系曲线从一开压力和沉降关系曲线从一开始就呈现始就呈现非线性关系非线性关系第53页，共58页，编辑于2022年，星期五局部剪切破坏局部剪切破坏第54页，共58页，编辑于2022年，星期五 3.冲剪破坏冲剪破坏ps冲剪破坏型式的冲剪破坏型式的压力压力沉降关系曲线沉降关系曲线0无明显的转折现象无明显的转折现象第55页，共58页，编辑于2022年，星期五 地基剪切破坏的型式，主要与地基剪切破坏的型式，主要与土的压缩性土的压缩性质有关质有关。坚硬坚硬或或密实密实的土的土松软松软土土整体剪切破坏整体剪切破坏局部剪切破坏局部剪切破坏冲剪破坏冲剪破坏第56页，共58页，编辑于2022年，星期五地基承载力地基承载力临塑荷载临塑荷载pcr地基极限承载力地基极限承载力pu地基容许承载力地基容许承载力pa5.4.2 地基承载力地基承载力第57页，共58页，编辑于2022年，星期五ps0abpupcr整体剪切破坏型式的整体剪切破坏型式的压力压力沉降关系曲线沉降关系曲线第58页，共58页，编辑于2022年，星期五