《土力学 教学作者 杨平土的抗剪强.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《土力学 教学作者 杨平土的抗剪强.pptx（63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、1公路工程发生路基土剪切破坏浙江萧甬铁路发生地基土体剪切破坏第1页/共63页25.2.1库仑公式 库仑(Coulomb)于1776年对砂土进行了这样的剪切试验FLASH5.2 土的抗剪强度理论第2页/共63页3库仑根据砂土剪切试验，提出砂土抗剪强度的表达式：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 f=c+tan 粘土粘土c 库仑定律：库仑定律：土的抗剪强土的抗剪强度是剪切面上的法向总应度是剪切面上的法向总应力力 的线性函数的线性函数 c:土的粘聚力土的粘聚力:土的内摩擦角土的内摩擦角 f f第3页/共63页4土体抗剪强度影响因素土体抗剪强度影响因素摩擦力的两个来源
2、摩擦力的两个来源 1.1.滑动摩擦：剪切面土粒间表面的粗糙所产生的摩擦 2.2.咬合摩擦：土粒间互相嵌入所产生的咬合力 粘粘聚聚力力：由土粒之间的胶结作用和电分子引力等因素形成 抗剪强度影响因素抗剪强度影响因素摩摩擦擦力力：剪剪切切面面上上的的法法向向总总应应力力、土土的的初初始始密密度度、土粒级配、土粒形状以及表面粗糙程度土粒级配、土粒形状以及表面粗糙程度粘粘聚聚力力：土土中中矿矿物物成成分分、粘粘粒粒含含量量、含含水水量量以以及及土的结构土的结构第4页/共63页55.2.2 莫尔库仑强度理论及极限平衡条件 当土体中某点任一平面上的剪应力等于土的抗剪强度时，将该点即濒于破坏的临界状态称为“极
3、限平衡状态”。表征该状态下各种应力之间的关系称为“极限平衡条件”。1土体中任意点的应力状态第5页/共63页6 3 1 dl斜面上的应力斜面上的应力莫尔应力圆方程莫尔应力圆方程 O 1 31/2(1+3)2 A(,)圆心坐标圆心坐标 1/2(1+3)，0应力圆半径应力圆半径 r1/2(13)土中某点的土中某点的应应力状态力状态可用莫可用莫尔应力圆描述尔应力圆描述 第6页/共63页7FLASH第7页/共63页8应力圆应力圆A A与强度线与强度线相离：相离：强度线强度线应力圆应力圆B B与强度线与强度线相切：相切：应力圆应力圆C C与强度线与强度线相割：相割：极限应极限应力圆力圆f 破坏状态破坏状态
4、 将土中某点的摩尔应力圆与土的抗剪强度包线绘在同一坐标图上可见:ABC第8页/共63页9莫尔库仑破坏准则莫尔库仑破坏准则 3 1c f2 fA c.cot 1/2(1+3)无粘性土：无粘性土：c=0粘性土：粘性土：c0由AOO O O 第9页/共63页10土体处于极限平衡状态时，破坏面与大主应力作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用面的夹角为 f f2 f 3 1c A cctg 1/2(1+3)max讨论：1)当1f1或sf3 时，土体处于弹性平衡状态；2)当1f=1或3f=3时，土体处于极限平衡状态；3)当1f3时，土体于破坏状态；4)破裂面与大主应力作用 面夹角为45
5、+/2，与小 应力作用面夹角 为45-/2。土的剪切破坏并不是由最大剪应 力max所控制第10页/共63页115.3 抗剪强度的测定方法 5.3.1 直接剪切试验测定方法：室内：直剪试验，无侧限抗压 强度 试 验，三轴压缩试验。室外：十字板剪切试验和大型直接剪 切 试验。第11页/共63页12第12页/共63页13第13页/共63页14第14页/共63页15直剪试验1234观看实验录象第15页/共63页16剪切试验剪切试验剪剪前前施施加加在在试试样样顶顶面面上上的的竖竖向向压压力力为为剪剪破破面面上上的的法法向向应应力力，剪剪应力由剪切力除以试样面积应力由剪切力除以试样面积在法向应力在法向应力
6、 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，根据曲线得到该根据曲线得到该 作用下作用下，土的抗剪强度土的抗剪强度4mm4mm 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16页/共63页17 在不同的垂直压力 下进行剪切试验，得相应的抗剪强度f f，绘制f f-曲线，得该土的抗剪强度包线第17页/共63页18 根据试验过程中是否排水，直剪试验可分为三种类型：1）快剪：加后立即加，3minu剪坏，模拟不 排水剪切；2）固结快剪：加固结稳定后，快速加使土样剪坏；3）慢剪：加固结稳定后，慢速加使土样剪坏。
7、第18页/共63页19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，仪器构造简单，试样的制备和安装方便，易于操作易于操作 缺点：缺点：剪切破坏面固定为上下盒之间的水平面不符剪切破坏面固定为上下盒之间的水平面不符合实际情况，不一定是土样的最薄弱面。合实际情况，不一定是土样的最薄弱面。试验中不能严格控制排水条件，对透水性强试验中不能严格控制排水条件，对透水性强的土尤为突出，不能量测土样的孔隙水压力。的土尤为突出，不能量测土样的孔隙水压力。上下盒的错动，剪切过程中试样剪切面积逐上下盒的错动，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渐减小，剪切面上的剪应
8、力分布不均匀第19页/共63页20 5.3.2 三轴压缩试验应变控制式三轴仪：压力室，加压系统，量测系统组成应变控制式三轴仪：压力室，加压系统，量测系统组成应力控制式三轴仪应力控制式三轴仪1.1.试验设备和试验方法试验设备和试验方法调压器围压表体变管排水管围力伐排水伐变形量表量力环排气孔轴向加压设备试样压力室孔压伐离合器手轮量管阀零位指示器孔压表量管第20页/共63页21n试验步骤试验步骤: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 3 3 3 3 3 3 第21页/共63页22应变控制式三轴仪量测系统压力室加压系统第22页/共63页23数据自
9、动采集三轴压缩试验系统第23页/共63页24三轴实验室一角第24页/共63页25第25页/共63页261234切土样试样饱和试样脱模试样装橡皮膜第26页/共63页275678装好的试样检查管路装透水石连接管路第27页/共63页28加围压开孔压阀9101112装压力室调整位移传感器(或百分表)第28页/共63页2913读排水管第29页/共63页30观看三轴试验操作演示1 2 3 4 第30页/共63页31 三轴压缩试验可供在复杂应力条件下研究土的抗剪强度特性之用，其突出优点是：(1)试验中能严格控制试样的排水条件，准确测定试样在剪切过程中孔隙水压力变化，从而可定量获得土中有效应力的变化情况；(2
10、)与直剪试验对比起来，试样中的应力状态相对地较为明确和均匀不硬性指定破裂面位置；(3)除抗剪强度指标外，还可测定如土的灵敏度、侧压力系数、孔隙水压力系数等力学指标。3.三轴试验的特点第31页/共63页324.其他的三轴试验应力控制式全自动三轴试验仪真 三 轴 仪 第32页/共63页335.3.3 无侧限抗压强度试验 无侧限抗压强度试验如同三轴压缩试验中3=0时的特殊情况。剪切破坏时试样所承受的轴向压力称为无侧限抗压强度qu。无粘性土在无侧限条件下试样难以成型主要用于粘性土，尤其适用于饱和软土。Flash第33页/共63页34无侧限压缩仪无侧限压缩仪第34页/共63页35 对于饱和软粘土，在不固
11、结不排水条件下进行剪切试验，可认为内摩擦角为0，其抗剪强度包线与轴平行。因而，由无例限抗压强度试验所得的极限应力圆的水平切线即为饱和软粘土的不徘水抗剪强度包线。第35页/共63页36按下式计算灵敏度st：式中qu为原状土的无侧限抗压强度，kPa；qu为重塑后土的无侧限抗压强度，kPa。无侧限抗压强度试验还可用来测定粘性土的灵敏度。其方法是将已做完无侧限抗压强度试验的原状土样，彻底破坏其结构，并迅速塑成与原状试样同体积的重塑试样，以保持重塑试样的含水率与原状试样相同，并避免因触变性导致土的强度部分恢复。第36页/共63页375.3.4 十字板剪切试验第37页/共63页38 适适用用于于现现场场测
12、测定定饱饱和和粘粘性性土土的的不不排排水水强强度度，尤尤其其适适用用于于均均匀匀的的饱饱和和软粘土软粘土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第38页/共63页395.4 有效应力原理在抗剪强度 问题中的应用 据此作出有效应力园，求出有效应力强度指标C和。注：对于饱和软粘土，不排水剪只能绘出一个有效应力园（所有有效应力园重合），不能用不排水剪求取土的C、值。5.4.1 有效抗剪强度指标 土的抗剪强度取决于该面上的有效法向应力，土体内的剪应力仅能由土的骨架承担，土的抗剪强度应表示为剪切面上的有效法向应力的函数土的抗剪强度与总应力间没有唯一的关系，与有效应力有唯一的对应关
13、系据 第39页/共63页40 5.4.1 孔隙压力系数A和B1等向压应力3作用下孔压系数B对于饱和土 B=1；干土 B=0 非饱和土 0B1 SB2 23 3共同作用下由于土体并非弹性体故上式中1/3改为A影响A A值的因素：偏应力增量（1 1-3 3）A,A,土的压 缩性高,A,A 土的固结状态，超固结土，A A为负 初始应力状态 初应力 AA见图6-186-18 应力历史 先期固结压力P Pc c A Au=Bu=B3 3+A(+A(1 1-3 3)A A偏应力条件下孔隙压力系数，反映土体剪切过程中的胀缩性第42页/共63页43【例5-25-2】有一圆柱体非饱和土试样(见图)，在不排水条件
14、下(1)先施加周围压力3=100kPa，测得孔压系数B=0.7，试求土样内的u和3；(2)在上述试验上又施加3=50 kPa,1=150 kPa,并测得孔压系数A=0.5，试求此时土样的1、3、u、1、3各为多少(假设B值不变)?【解】根据式(5-19)(5-19)uu1 1=B=B3 3=0.7100 kPa=70 kPa=0.7100 kPa=70 kPa 3 3=3 3-u-u1 1=100 kPa-70 kPa=30 kPa=100 kPa-70 kPa=30 kPa当3 3=50 kPa,=50 kPa,1 1=150 kPa=150 kPa时,土样内新增加的孔隙压力uu2 2 u
15、u2 2=B=B3 3+A(+A(1 1-3 3)(由于又施加了3=50 kPa3=50 kPa）=0.750+0.5(150-50)=70 kPa=0.750+0.5(150-50)=70 kPa则此时试样内的总孔压 u=uu=u1 1+u+u2 2=70 kPa+70 kPa=140 kPa=70 kPa+70 kPa=140 kPa 1 1=100 kPa+150 kPa=250 kPa=100 kPa+150 kPa=250 kPa 3 3=100 kPa+50 kPa=150 kPa=100 kPa+50 kPa=150 kPa 1 1=250 kPa-140 kPa=110 kPa
16、=250 kPa-140 kPa=110 kPa 3 3=150 kPa-140 kPa=10 kPa=150 kPa-140 kPa=10 kPa讨论题：课后考虑，三种三轴试验的孔隙水压力U计算式。第43页/共63页445.4.1 粘性土在不同固结和排水条件下的抗剪强度指标三种三轴试验方法：2）固结不排水剪（CU试验）1）不固结不排水剪（UU试验）3）固结排水剪（CD试验）5.45.4强度试验方法与抗剪强度指标选用强度试验方法与抗剪强度指标选用第44页/共63页451 固结不排水剪强度指标第45页/共63页46第46页/共63页472 不固结不排水剪强度指标第47页/共63页483 固结排水
17、剪强度指标第48页/共63页49例题51 一饱和粘土试样在三轴压缩仪中进行固结不排水剪试验，施加的周围压力3200kPa，试样破坏时的轴向偏应力(1一3)280kPa，测得孔隙水压力uf180kPa，有效应力强度指标c80kPa，24，试求破裂面上的法向应力和剪应力，以及该面与水平面的夹角f。若该试祥在同样周围压力下进行固结排水剪试验，问破坏时的大主应力值1是多少?解 据试验结果 破裂面与水平面的夹角计算破裂面上的法向应力和剪应力：第49页/共63页50排水剪的孔隙水压力恒为零，故试样破坏时：根据极限平衡理论求破坏时的最大主应力：本题也可按教材所介绍的方法：根据破坏面上剪应力等于抗剪强度来解决
18、。第50页/共63页51例题52 某无粘性土饱和试样进行排水剪试验，测得抗剪强度指标为cd0，d=31，如果对同一试样进行固结不排水剪试验，施加的周围压力3=200kPa，试祥破坏时的轴向偏应力(1一3)f180kPa。试求试样的不排水剪强度指标cu和破坏时的孔隙水压力uf和系数Af。解 据试验结果 排水剪的孔隙水压力恒为零，得而无粘性土的根据极限平衡理论第51页/共63页52解之得 根据 联立求解 可得有效大、小主应力 故破坏时的孔隙水压力 破坏时的孔隙水压力系数 第52页/共63页53第53页/共63页545.4.2 5.4.2 粘性土的残余强度指标粘性土的残余强度指标第54页/共63页5
19、5 5 54 43 3 无粘性土的抗剪强度指标无粘性土的抗剪强度指标第55页/共63页565.4.4 5.4.4 软化与硬化以及剪胀与剪缩应变硬化土在剪切时，随应变加大，土能承受的应力也增加，在一般试验应变范围内不出现峰值应力的特性。应变软化土在剪切时，出现峰值应力，但在峰值以后随着应变增大，土所能承受的应力则减小的特性。剪胀性：剪缩性：临界孔隙比ek：初始孔隙比 eoek剪缩型veke软化硬化剪胀剪缩第56页/共63页575.5 5.5 应力路径应力路径5.5.1 5.5.1 应力路径的概念 应力路径是指在外力作用下土中某一点的应力变化过程在应力坐标图中的轨迹。1应力路径表示法 1 1）直角
20、坐标表示法 2 2）P-q P-q 直角坐标表示法 P=(P=(1 1+3 3)/2 q=()/2 q=(1 1-3 3)/2=)/2=两种应力路径:总应力路径TSP,TSP,与土质、排水条件无关；有效应力路径ESPESP，与土质、排水条件有关；ABCD45Oq=(1-3)/2CB45AOP=(1+3)/2第57页/共63页58flash第58页/共63页592 2、几种典型条件下的应力路径 1)1)直剪试验应力路径 2)2)三轴试验应力路径 (a)(a)固结不排水剪试验 正常固结土试验和超固结土试验f=C+tgnOkfkfBDaaDBqP P TSPESPTSPESPqTSP ESP ufC
21、 B 45OkfkfqTSP ESP ufC B 45OkfkfP P 第59页/共63页60 (b)(b)固结排水剪试验 注：P Pq q座标中K Kf f、K Kf f不是强度包线，而是最大剪应力点连线,其aa、与CC、关系为 sin=tg C=a/cos sin=tg C=a/cos OKf kfP P 45ESP=TSPq第60页/共63页613)3)建筑物地基中的应力路径4)4)路堤分级加荷施工时地基中的应力路径a1234123TSPESPccucba k0zz第61页/共63页623 3、应力路径方法对强度，变形的意义应力路径法确定强度破坏值的方法：TSP、ESP分别已达Kf、Kf 线即认为土样达到破坏状态。其交点即为强度破坏值。讨论思考题：将图6-41中不同试验用应力路径表示之。三侧轴向加减 压压三轴加 压侧向减 压1331131311-3第62页/共63页63感谢您的观看！第63页/共63页