《最新岩土力学课件--土的抗剪强度-第9章PPT课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《最新岩土力学课件--土的抗剪强度-第9章PPT课件.ppt（55页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、岩土力学课件岩土力学课件-土的抗剪土的抗剪强度强度-第第9 9章章p土压力土压力p边坡稳定边坡稳定p地基承载力地基承载力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p地基的破坏地基的破坏工程中土体的破坏类型工程中土体的破坏类型2密度（密度（e,e,粒径级配（粒径级配（C Cu u,C,Cc c）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：一般，对于粗粒土，颗粒的棱角提高了内摩擦角一般，对于粗粒土，颗粒的棱角提高了内摩
2、擦角 影响土的摩擦强度的主要因素影响土的摩擦强度的主要因素：9p粘聚强度机理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）p粘聚强度影响因素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3 3、粘聚强度、粘聚强度10莫尔圆应力分析符号规定莫尔圆应力分析符号规定材料力学材料力学+-+-土力学土力学正应力正应力剪应力剪应力拉为正拉为正压为负压为负顺时针为正顺时针为正逆时针为负逆时针为负压为正压为正拉为负拉为负逆时针为正逆时针为正顺时针为负顺时针为负莫尔莫尔-库伦强度理论库伦强
3、度理论(极限平衡条件极限平衡条件)11 3+-1 大主应力：大主应力：小主应力小主应力:圆心：圆心：半径：半径：z按顺时针方向旋转按顺时针方向旋转x x按顺时针方向旋转按顺时针方向旋转莫莫 尔尔 圆：代表一个土单元的应力状态；圆：代表一个土单元的应力状态；圆上一点：代表一个面上的两个应力圆上一点：代表一个面上的两个应力 与与 O z+zx-xz x2 1rp12 O+zx2 1 13四、土的极限平衡条件四、土的极限平衡条件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：极限应极限应力圆力圆f 破坏状态破坏状态
4、14莫尔库仑破坏准则莫尔库仑破坏准则莫尔应力圆与库仑强度线相切的应力状态作为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)强度线强度线 15莫尔莫尔-库仑强度理论表达式极限平衡条件库仑强度理论表达式极限平衡条件 1 3 O c16根据应力状态计算出根据应力状态计算出大小主应力大小主应力1、3判断破坏可能性判断破坏可能性11f 不可能状态不可能状态 O c 1f 3 1 1判别对象：土体微小单元（一点）判别对象：土体微小单元（一点）3 3=常数：常数：17根据应力状态计算出根据应力状态计算出大小主应力大小主应力
5、1、3判断破坏可能性判断破坏可能性33f 安全状态安全状态3=3f 极限平衡状态极限平衡状态33f 不可能状态不可能状态 O c 1 3f 3 3 1 1=常数：常数：18 f强度包线以内：强度包线以内：任何一个任何一个面上的一对应力面上的一对应力 与与 都没都没有达到破坏包线，不破坏；有达到破坏包线，不破坏；与破坏包线相切：与破坏包线相切：该面上该面上的应力达到破坏状态；的应力达到破坏状态；与破坏包线相交：与破坏包线相交：有一些有一些平面上的应力超过强度；平面上的应力超过强度；不可能发生。不可能发生。19（1）土单元的某一个平面上的抗剪强度）土单元的某一个平面上的抗剪强度 f是该面上作用的法
6、向应是该面上作用的法向应力力 的单值函数的单值函数,f=f()（莫尔：（莫尔：1900年）年）（2）在一定的应力范围内，可以用线性函数近似：）在一定的应力范围内，可以用线性函数近似：f=c+tg（3）某土单元的任一个平面上）某土单元的任一个平面上 =f，该单元就达到了极限平衡应，该单元就达到了极限平衡应力状态力状态3.莫尔库仑强度理论20例例1:1:一饱和粘性土试样在三轴仪中进行固结不排水一饱和粘性土试样在三轴仪中进行固结不排水试验试验,施加周围压力施加周围压力 ,试件破坏时主应试件破坏时主应力差力差 ,测得孔隙水压力测得孔隙水压力 ,有效内摩擦角有效内摩擦角 ,有效粘聚力有效粘聚力 ,试求破
7、坏面上的法向应力和剪应力及试件中的最试求破坏面上的法向应力和剪应力及试件中的最大剪应力大剪应力.21例例2:2:试说明为什么上例中试样发生在试说明为什么上例中试样发生在5757的平面的平面,而而不是发生在最大剪应力的作用面不是发生在最大剪应力的作用面.222 3 1f45/2破裂面破裂面 O c 1f 32 5.滑裂面的位置 与大主应力面夹角：与大主应力面夹角：=45 +/2破坏面为什么不在最大剪应破坏面为什么不在最大剪应力作用面上？力作用面上？23室内试验室内试验野外试验野外试验9.2 9.2 抗剪强度测定试验抗剪强度测定试验三轴试验、直剪试验等三轴试验、直剪试验等 制样（重塑土）或现场取样
8、制样（重塑土）或现场取样 缺点：扰动缺点：扰动 优点：应力条件清楚，易重复优点：应力条件清楚，易重复十字板扭剪试验、旁压试验等十字板扭剪试验、旁压试验等 原位试验原位试验 缺点：应力条件不易掌握缺点：应力条件不易掌握 优点：原状土的原位强度优点：原状土的原位强度24二、土的抗剪强度指标测定二、土的抗剪强度指标测定施加施加 （=P/A）施加施加 S S量测量测 （=T/A）上盒上盒下盒下盒PSTA1、直剪试验（库仑 1776）试验方法试验方法=100KPa S=200KPa=300KPa25试验仪器：试验仪器：直剪仪（应力控制式，应变控制式）直剪仪（应力控制式，应变控制式）26 Oc c：粘聚力
9、粘聚力 ：内摩擦角：内摩擦角 =100KPa S=200KPa=300KPa库仑公式库仑公式 f：土的抗剪强度土的抗剪强度 tg：摩擦强度摩擦强度-正比于压力正比于压力 c：粘聚强度粘聚强度试验结果试验结果27通过控制剪切速率通过控制剪切速率来近似模拟排水条来近似模拟排水条件件二、直剪试验二、直剪试验PSTA(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/0.02mm/分，分，以保证无超静孔压以保证无超静孔压(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
10、(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28l 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 不易控制排水条件不易控制排水条件l 剪切面固定剪切面固定缺点缺点PSTA类似试验：类似试验：环剪试验环剪试验单剪试验单剪试验二、直剪试验二、直剪试验TP试样内的试样内的变形分布变形分布291 1、试样应力特点与试验方法、试样应力特点与试验方法2 2、强度包线、强度包线3 3、试验类型、试验类型4 4、优缺点、优缺点试试样样压力
11、室压力水排水管阀门轴向加压杆有机玻璃罩橡皮膜透水石顶帽量测体变或孔压量测体变或孔压三轴试验三轴试验30二、三轴剪切试验二、三轴剪切试验应变控制式三轴仪：压力室，加压系统，量测系统应变控制式三轴仪：压力室，加压系统，量测系统组成组成应力控制式三轴仪应力控制式三轴仪n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31方法：方法：首先试样施加静水压力首先试样施加静水压力室压（围压）室压（围压）1 1=2 2=3 3 ；然后通过活塞杆施加的是应力差然后通过活塞杆施加的是应力差 1 1=1 1-3 3 。1 1、试样应力特点与试
12、验方法、试样应力特点与试验方法特点：特点：试样是轴对称应力状态。垂直应力试样是轴对称应力状态。垂直应力 z z一般是大主应力；径向与切向应力总一般是大主应力；径向与切向应力总是相等是相等 r r=，亦即，亦即 1 1=z z；2 2=3 3=r r32v固结排水试验（CDCD试验）1 打打开开排排水水阀阀门门，施施加加围围压压 后后充充分分固固结结，超静孔隙水压力完全消散；超静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 以便充分排水，避免产生超静孔压以便充分排水，避免产生超静孔压v固结不排水试验（CUCU试验）1 打开排水阀门，打开排水阀门，施加围压
13、施加围压 后充分固结，超静孔隙水压力完全消散；后充分固结，超静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v不固结不排水试验（UUUU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cd、d ccu、cu cu、u 3 3、试验类型、试验类型33二二.三轴试验强度指标三轴试验强度指标剪切前固结条件剪切前固结条件剪切中排水条件剪切中排水条件固结固结Consolidat
14、ed排水排水Drained1.固结排水试验固结排水试验（CD）2.固结不排水试验固结不排水试验（CU）固结固结Consolidated不排水不排水Undrained不固结不固结Unconsolidated不排水不排水Undrained三种试验三种试验3.不固结不排水试验不固结不排水试验（UU）34强度包线强度包线(1-)fc (1-)f 1 1-3 1=15%v分别作围压分别作围压 为为100 kPa、200 kPa、300 kPa的三轴试验，得到的三轴试验，得到破坏时相应的（破坏时相应的（1-)fv绘制三个破坏状态的应力莫尔圆，绘制三个破坏状态的应力莫尔圆，画出它们的公切线画出它们的公切线强
15、度包线，强度包线，得到强度指标得到强度指标 c 与与 2 2、强度包线、强度包线35v优点：1 应力状态和应力路径明确；应力状态和应力路径明确；2 排水条件清楚，可控制；排水条件清楚，可控制；3 破坏面不是人为固定的破坏面不是人为固定的v缺点：设备相对复杂，现场难以试验设备相对复杂，现场难以试验说明：说明：3 30 0 即为即为无侧限抗压强度试验无侧限抗压强度试验4 4、优点和缺点、优点和缺点真三轴仪真三轴仪空心圆柱扭剪仪空心圆柱扭剪仪36三、无侧限抗压强度试验三、无侧限抗压强度试验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无侧限抗压强度试验是三轴剪切
16、试验的特例，对试样不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，即施加周围压力，即 3=0，只施加轴向压力直至发生破坏，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轴向压力qu，称为，称为无侧限抗压强度无侧限抗压强度 试试样样37v一般适用于测定软粘土的不一般适用于测定软粘土的不排水强度指标；排水强度指标；v钻孔到指定的土层，插入十钻孔到指定的土层，插入十字形的探头；字形的探头；v通过施加的扭矩计算土的抗通过施加的扭矩计算土的抗剪强度剪强度三、十字板剪切试验三、十字板剪切试验389.3 排
17、水条件与试验成果的关系一、总应力强度指标与有效应力强度指标一、总应力强度指标与有效应力强度指标库仑定律库仑定律说明：说明：施加于试样上的垂直法向应力施加于试样上的垂直法向应力 为总应力，为总应力，c c、为总应为总应力意义上的土的粘聚力和内摩擦角，称之为总应力强度指标力意义上的土的粘聚力和内摩擦角，称之为总应力强度指标 根据有效应力原理：根据有效应力原理：土的抗剪强度并不是由剪切面上的法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向总应力决定，而是取决于剪切面上的法向有效应力法向有效应力 c 、为土的有效为土的有效粘聚力和有效内摩粘聚力和有效内摩擦角，即土的有效擦角，即土
18、的有效应力强度指标应力强度指标 有效应力强度指标确切地表有效应力强度指标确切地表达出了土的抗剪强度的实质，达出了土的抗剪强度的实质，是比较合理的表达方法是比较合理的表达方法 39二、不同排水条件时的剪切试验方法及成果表达二、不同排水条件时的剪切试验方法及成果表达1.1.不固结不排水剪（不固结不排水剪（UUUU）n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 直至剪直至剪破的整个过程都关闭排水破的整个过程都关闭排水阀门，不允许试样排水固阀门，不允许试样排水固结结 3 3 3 3 3 3 n直剪试验：直剪试验：通过试验加荷通过试验加荷的快慢来实现是否排水。的快慢来实现是否排
19、水。使试样在使试样在3 35 5minmin之内剪破，之内剪破，称之为快剪称之为快剪关闭排关闭排水阀水阀40 3 3 3 3 3 3 有效应力圆有效应力圆总应力圆总应力圆 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下的不排水剪试下的不排水剪试验得到验得到A、B、C三个不同三个不同 3 3作用下作用下破坏时的总应力圆破坏时的总应力圆试验表明：试验表明：虽然三个试样的周围压力虽然三个试样的周围压力 3 3不同，但破不同，但破坏时的主应力差相等，三个极限应力圆的直径相等，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因而强度包线是一条水
20、平线三个试样只能得到三个试样只能得到一个有效应力圆一个有效应力圆 412.2.固结不排水剪（固结不排水剪（CUCU）n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，试样完全排打开排水阀门，试样完全排水固结，孔隙水压力完全消水固结，孔隙水压力完全消散。然后关闭排水阀门，再散。然后关闭排水阀门，再施加轴向压力增量施加轴向压力增量，使试，使试样在不排水条件下剪切破坏样在不排水条件下剪切破坏 3 3 3 3 3 3 n直剪试验：直剪试验：剪切前试样在垂剪切前试样在垂直荷载下充分固结，剪切时直荷载下充分固结，剪切时速率较快，使土样在剪切过速率较快，使土样在剪切过程中不排水，这种剪
21、切方法程中不排水，这种剪切方法为称固结快剪为称固结快剪打开打开排排水阀水阀关闭关闭排排水阀水阀42 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得到相应的有效应力圆，按有效应力圆强度包线可确定圆，按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下进行固结不排水剪试验得到试验得到A、B、C三个不同三个不同 3 3作用下破坏作用下破坏时的总应力圆，由总应力圆强度包线确定时的总应力圆，由总应力圆强度包线确定固结不排水剪总应力强度指标固结不排水剪总应力强度指标ccu、cuABC433
22、.3.固结排水剪（固结排水剪（CDCD）n三轴试验：三轴试验：试样在周围压力试样在周围压力 3 3作用下排水固结，再缓慢作用下排水固结，再缓慢施加轴向压力增量施加轴向压力增量，直至，直至剪破，整个试验过程中打开剪破，整个试验过程中打开排水阀门，始终保持试样的排水阀门，始终保持试样的孔隙水压力为零孔隙水压力为零 3 3 3 3 3 3 n直剪试验：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4
23、4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，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。强度指标为强度线即是有效应力强度线。强度指标为cd、d d cd d d总结总结: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度与有效应力有唯一的对应关系4
24、5三、抗剪强度指标的选用三、抗剪强度指标的选用 土的抗剪强度指标随试验方法、排水条件的不同而土的抗剪强度指标随试验方法、排水条件的不同而异，对于具体工程问题，应该尽可能根据现场条件决定异，对于具体工程问题，应该尽可能根据现场条件决定采用实验室的试验方法，以获得合适的抗剪强度指标采用实验室的试验方法，以获得合适的抗剪强度指标 试验方法试验方法适用条件适用条件不不排排水水剪剪或或快剪快剪地地基基土土的的透透水水性性和和排排水水条条件件不不良良，建建筑筑物物施工速度较快施工速度较快排排水水剪剪或或慢慢剪剪地地基基土土的的透透水水性性好好，排排水水条条件件较较佳佳，建建筑筑物加荷速率较慢物加荷速率较慢
25、固固结结不不排排水水剪剪或或固固结结快快剪剪建建筑筑物物竣竣工工以以后后较较久久，荷荷载载又又突突然然增增大大，或地基条件等介于上述两种情况之间或地基条件等介于上述两种情况之间46cu=qu/2cuqu=(4)(4)无侧限压缩试验：无侧限压缩试验：3 3 =0=0的不排水试验的不排水试验47例例:某饱和粘性土无侧限抗压强度试验得到不排水抗剪某饱和粘性土无侧限抗压强度试验得到不排水抗剪强度强度 ，如果对同一土样进行三轴不固结不，如果对同一土样进行三轴不固结不排水试验，施加周围压力排水试验，施加周围压力 ，问试件将在，问试件将在多大的轴向压力作用下发生破坏？多大的轴向压力作用下发生破坏？48例例:
26、某饱和粘土的强度指标某饱和粘土的强度指标 ,取该取该土样作固结不排水剪切试验土样作固结不排水剪切试验,测得破坏时测得破坏时 ,求该土样破坏时的孔隙求该土样破坏时的孔隙水压力水压力49四四.土的强度指标的工程应用土的强度指标的工程应用u 有效应力指标还是总应力指标？有效应力指标还是总应力指标？u 三轴试验指标还是直剪试验指标？三轴试验指标还是直剪试验指标？u 峰值强度指标还是残余强度指标？峰值强度指标还是残余强度指标？50 四四.土的强度指标的工程应用土的强度指标的工程应用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 u的情的情况，都应当使用
27、有效应力指标况，都应当使用有效应力指标c c，51四四.土的强度指标的工程应用土的强度指标的工程应用三轴试验指标与直剪试验指标砂土：砂土：c c,三轴排水试验指标与直剪试验指标三轴排水试验指标与直剪试验指标 （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：有效应力指标：固结排水、固结不排水固结排水、固结不排水 总应力指标：总应力指标：三轴固结不排水、不排水三轴固结不排水、不排水;直剪固结快剪、快剪直剪固结快剪、快剪52四四.土的强度指标的工程应用土的强度指标的工程应用 峰值强度指标与残余强度指标F 峰值强度峰值强度 ：一般问题：一般问题F 残余强度残余强度古旧滑坡古旧滑坡断层夹泥断层夹泥大变形问题大变形问题53名称名称指标指标应用应用不排水剪不排水剪(快剪快剪)c cu u、u uc cq q、q q软土地基软土地基快速施工快速施工固结不排水剪固结不排水剪(固结快剪固结快剪)c ccucu、cucuc ccqcq、cqcq固结完成后固结完成后受突然荷载受突然荷载固结排水剪固结排水剪(慢剪慢剪)c cd d、d dc cs s、s s地基透水性强地基透水性强施工较慢或正常运行期施工较慢或正常运行期四四.土的强度指标的工程应用土的强度指标的工程应用54