土质学与土力学第单元.ppt

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1、第第6 6章章 土的抗剪强度土的抗剪强度第一页，编辑于星期五：四点 四十二分。6.1 概概 述述v土力学的基本理论之一土力学的基本理论之一v土体稳定问题分析的基础土体稳定问题分析的基础v土是由于受剪而产生破坏土是由于受剪而产生破坏v土的强度问题实质上就是土的抗剪强度问题土的强度问题实质上就是土的抗剪强度问题 v土的抗剪强度土的抗剪强度指土体对于外荷载所产生的指土体对于外荷载所产生的 剪应力的极限抵抗能力。剪应力的极限抵抗能力。第二页，编辑于星期五：四点 四十二分。2023/3/3与土的抗剪强度有关的工程问题与土的抗剪强度有关的工程问题：土工构筑物的稳定性（如土坝、边坡等）土压力问题 地基的承载

2、力问题 第三页，编辑于星期五：四点 四十二分。2023/3/36.2 土的强度理论与强度指标土的强度理论与强度指标土的屈服与破坏屈服：土的内部结构发生弱化，并产生塑性变形。破坏：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.第四页，编辑于星期五：四点 四十二分。6.2.1 抗剪强度的库仑定律：抗剪强度的库仑定律：剪切破坏时,滑动面上的剪应力=土的抗剪强度根据砂土试验结果得到 f=tan 对于粘性土，可给出更为普遍的表达式：f=c+tan 有效应力表达式：f=c+tan=c+(u)tan抗剪强度指标抗剪强度指标:第五页，编辑于星期五：四点 四十二分。法国军事工程

3、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，成为经典理论。库仑（C.A.Coulomb）(1736-1806)第六页，编辑于星期五：四点 四十二分。6.2.2 抗剪强度的构成因素抗剪强度的构成因素砂土:抗剪强度=内摩擦力粘性土:抗剪强度=内摩擦力+粘聚力内摩擦力=表面摩擦力+咬合力粘聚力=原始粘聚力+固化粘聚力 +毛细粘聚力内摩擦力:砂土:=2840,粘性土:=030 粘聚力:10kPa 200kPa第七页，编辑于星期五：四点 四十二分。6.2.3 土的强度理论土的强度理论极限平衡理论极限平衡理论 (摩尔摩尔-库仑准则库仑准则)B点：临界破坏状态 A点：不会发生剪切破坏 C点：

4、发生破坏摩摩尔尔认认为为:材材料料破破坏坏是是剪剪切切破破坏坏.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。第八页，编辑于星期五：四点 四十二分。土中一点的极限平衡条件土中一点的极限平衡条件极限平衡状态：土中任意一点在某一平面上的剪应力达到土的抗剪强度。土中任意一点的应力状态可表示为第九页，编辑于星期五：四点 四十二分。2023/3/3将抗剪强度包线与摩尔应力圆汇于同一图,有三种情况：v(I)f(在破坏线以下)安全临界状态(极限平衡)v(II)f(在破坏线上)塑性破坏v(III)f(在破坏线以上)第十页，编辑于星期五：四点 四十二分。讨论极

5、限平衡状态下大、小主应力关系：讨论极限平衡状态下大、小主应力关系：第十一页，编辑于星期五：四点 四十二分。经过三角变换可得：同时,由2f=90+，得破裂面与大主应力作用面夹角：破坏面不是发生破坏面不是发生在剪应力最大的在剪应力最大的面上。面上。第十二页，编辑于星期五：四点 四十二分。2023/3/3讨论讨论判断土中一点是否处于极限状态判断土中一点是否处于极限状态,需知道大需知道大,小主应小主应力以及抗剪强度力以及抗剪强度,及其关系及其关系;破裂面不在最大剪应力作用面上破裂面不在最大剪应力作用面上;同一种土有几个试样同一种土有几个试样,在不同的大小主应力组合下受在不同的大小主应力组合下受剪到破坏

6、剪到破坏,得到几个应力园得到几个应力园.其公切线就是强度包线其公切线就是强度包线.这条曲线常作直线处理。这条曲线常作直线处理。第十三页，编辑于星期五：四点 四十二分。例6-1 地基中某点的大主应力1=580kPa，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）破坏面与大主应力的夹角。第十四页，编辑于星期五：四点 四十二分。2023/3/3解（1）摩尔应力圆如图：与大主应力作用面的夹角为：90/2=45第十五页，编辑于星期五：四点 四十二分。

7、2023/3/3（3）与小主应力作用面夹角成85与大主应力夹角90-85第十六页，编辑于星期五：四点 四十二分。2023/3/3假定小主应力3=190kPa假定极限平衡状态（相切）（4）判断该点是否破坏？第十七页，编辑于星期五：四点 四十二分。2023/3/3（5 5）破坏面与大主应力的夹角为）破坏面与大主应力的夹角为 也可先假定也可先假定 1 1，计算破坏时，计算破坏时 3f3f，结果一样。，结果一样。（5 5（5 5第十八页，编辑于星期五：四点 四十二分。2023/3/36.3 土的抗剪强度指标的试验方法及其应用室内试验和现场试验的优缺点？室内试验和现场试验的优缺点？（1）直接剪切试验（2

8、）三轴压缩试验（3）无侧限抗压强度试验（4）十字板剪切试验第十九页，编辑于星期五：四点 四十二分。6.3.1 直接剪切试验直接剪切试验 测定土的抗剪强度最简单的方法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 第二十页，编辑于星期五：四点 四十二分。全景第二十一页，编辑于星期五：四点 四十二分。剪切盒：上盒下盒 土样剪切面TTN顶帽透水石第二十二页，编辑于星期五：四点 四十二分。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）绘制曲线第二十三页，编辑于星期五：四点 四十二分。试验步骤：（5）进行不同下

9、多个土样的试验（6）确定破坏剪应力f，绘制f曲线。第二十四页，编辑于星期五：四点 四十二分。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如较为坚实的粘土及密砂（2）无峰值出现时，取=4mm时的剪应力作为f 如软粘土和松砂如软粘土和松砂第二十五页，编辑于星期五：四点 四十二分。三种试验方法：三种试验方法：？优点：简单、快捷缺点：见下面分析。（1）快剪：强度指标用cq、q表示。q-quick（2）固结快剪：强度指标用ccq、cq表示。c-consolidation（3）慢剪：强度指标用cs、s表示。s-slow第二十六页，编辑于星期五：四点 四十二分。直剪试验的

10、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，主应力大小和方向会变化（3）上下盒之间的缝隙中易嵌入砂粒，使试验结果偏大第二十七页，编辑于星期五：四点 四十二分。直剪试验的缺点：（4）剪切过程中，土样剪切面逐渐缩小（5）不能严格控制排水条件，不能量测孔隙水压力剪切后剪切后的面积剪切后的面积第二十八页，编辑于星期五：四点 四十二分。6.3.2 三轴剪切试验三轴剪切试验组成情况：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 三轴压缩试验：较为完善方法试验仪器：三轴压缩仪第二十九页，编辑于星期五：四点 四十二分。全景第三十页，编辑于星期

11、五：四点 四十二分。下面重点介绍压力室第三十一页，编辑于星期五：四点 四十二分。压力室简图试试样样压力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第三十二页，编辑于星期五：四点 四十二分。试样是轴对称应力状态。试样是轴对称应力状态。垂直应力垂直应力 1 是大主应力是大主应力；水平向应力相等；水平向应力相等 2=3试样首先施加静水压力试样首先施加静水压力（围压）（围压）1=2=3。然后通过活塞杆施加应然后通过活塞杆施加应力差力差 1-3。应力状态分析：应力状态分析：第三十三页，编辑于星期五：四点 四十二分。应力施加演示:土试样2=1施加围压2施加轴向偏差应力第三十四页，编辑于星期五：四点

12、四十二分。试验步骤：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（3）施加竖向压力，使试件受剪破坏（4）破坏时大主应力为1，小主应力为3第三十五页，编辑于星期五：四点 四十二分。(5)进行不同围压三轴试验,绘制破坏状态的应力摩尔圆c (6)画出公切线强度包线，得到强度指标 c与 第三十六页，编辑于星期五：四点 四十二分。三轴试验的排水条件：v固结排水试验（固结排水试验（CDCD）：）：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；阀门打开，慢慢施加轴向应力差以避免产生超静孔压v固结不排水试验（固结不排水试验（CUCU）：打开排水阀门，施加围压充分固结

13、，超静孔隙水压力完全消散；关闭阀门，很快剪切破坏v不固结不排水试验（不固结不排水试验（UUUU）：）：关闭阀门，施加围压关闭阀门，很快剪切破坏筏门第三十七页，编辑于星期五：四点 四十二分。记号：记号：固结排水试验（CD）：Consolidated Drained Triaxial test(CD)cd d （c ）固结不排水试验（CU）：Consolidated Undrained Triaxial test(CU)ccu cu 不固结不排水试验（UU）：(Unconsolidated)Undrained Triaxial test(UU)cuu uu （cu u）第三十八页，编辑于星期五：四

14、点 四十二分。三轴试验的优点：q 能够控制排水条件q 可以量测土样中孔隙水压力的变化q 三轴试验中试件的应力状态比较明确q 剪切破坏时的破裂面在试件的最弱处缺点：q 设备相对复杂，现场无法试验三轴试验比较可靠，是土工试验不可缺少的仪器设备三轴试验比较可靠，是土工试验不可缺少的仪器设备第三十九页，编辑于星期五：四点 四十二分。正常固结粘土固结不排水试验：u 几点讨论几点讨论 1.土的应力应变关系特征土的应力应变关系特征轴向应变是渐进的，体应变是体缩第四十页，编辑于星期五：四点 四十二分。密砂与超固结粘土v+v 表示体缩v0表示剪胀轴向应变是软化的，体应变是剪胀轴向应变是软化的，体应变是剪胀峰值强

15、度残余强度第四十一页，编辑于星期五：四点 四十二分。砂土与正常固结粘土的排水试验强度包线 d 0粘聚力c第四十二页，编辑于星期五：四点 四十二分。什么是理想正常固结粘土？假定为泥膏状的重塑土固结压力为0时,强度为00e0；f。可见：可见：强度包线过原点！强度包线过原点！第四十三页，编辑于星期五：四点 四十二分。不固结不排水强度指标cu绘有效应力摩尔圆绘有效应力摩尔圆u0u0是唯一的！是唯一的！2.饱和粘性土的抗剪强度饱和粘性土的抗剪强度第四十四页，编辑于星期五：四点 四十二分。固结不排水强度指标cuccu第四十五页，编辑于星期五：四点 四十二分。固结排水剪强度指标 相应的强度指标为cd、d 整

16、个试验过程中孔压为0，故c=cd、=d。第四十六页，编辑于星期五：四点 四十二分。抗剪强度指标比较 正常固结土，d cu u，而u=0；cd ccu cu 较小时，强度包线平缓，处于超固结状态 第四十七页，编辑于星期五：四点 四十二分。6.3.3 无侧限抗压强度试验无侧限抗压强度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 也可用三轴仪。第四十八页，编辑于星期五：四点 四十二分。无侧限抗压强度无侧限抗压强度：破坏时的轴向压力（qu）第四十九页，编辑于星期五：四点 四十二分。cuqu对于饱和粘性土：不固结不排水条件下，可认为u=0，此时cu=qu/2。第五十页，编辑

17、于星期五：四点 四十二分。6.3.4 十字板剪切试验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第五十一页，编辑于星期五：四点 四十二分。十字板剪切示意图 十字板第五十二页，编辑于星期五：四点 四十二分。M2M1vhHD过程演示：第五十三页，编辑于星期五：四点 四十二分。抗剪强度确定：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：第五十四页，编辑于星期五：四点 四十二分。示意图宽度drrD/2第五十五页，编辑于星期五：四点 四十二分。最大扭矩与抗扭力矩相等：故第五十六页，编辑于

18、星期五：四点 四十二分。6.3.5 孔隙压力系数的概念土中孔隙压力=法向应力产生的 +剪力作用产生的即:斯肯普顿（斯肯普顿（Skempton,1954）孔隙压力系数孔隙压力系数B和和A 第五十七页，编辑于星期五：四点 四十二分。称为各向等压条件下的孔隙压力系数。1.各向等压作用下的孔隙压力系数第五十八页，编辑于星期五：四点 四十二分。关于B值的讨论干土:孔隙的压缩性大,B=0非饱和土:B=0 1饱和土:B=1第五十九页，编辑于星期五：四点 四十二分。2.偏压应力作用下的孔隙压力系数叠加可得：用更具有普遍意义的系数A代替系数1/3，则第六十页，编辑于星期五：四点 四十二分。关于A值的讨论饱和土,

19、B=1 非完全饱和土,宜以实际工程中关心的是 土体剪损时的值第六十一页，编辑于星期五：四点 四十二分。6.3.6 应力路径应力路径应力的变化过程不同，对土的力学性质影响不同应力的变化过程不同，对土的力学性质影响不同应力路径即应力点的移动轨迹应力路径即应力点的移动轨迹应力变化过程可用若干个应力圆表示应力变化过程可用若干个应力圆表示第六十二页，编辑于星期五：四点 四十二分。1.应力路径的表示方法1.直角坐标系统 已定剪破面上的法向应力与剪应力的应力路径.2.直角坐标系统 最大剪应力()面上的应力变化情况第六十三页，编辑于星期五：四点 四十二分。2.两种应力路径总应力路径（TSP:Total Str

20、ess Pass）与加荷条件有关.与土质与排水条件无关.有效应力路径（ESP:Effective Stress Pass）与加荷条件有关.也与排水条件、土的初始状态、初始固结条件及土类有关.第六十四页，编辑于星期五：四点 四十二分。应力路径法求有效应力强度参数应力路径法求有效应力强度参数设 线与纵坐标的截距为 ，倾角为 ，则第六十五页，编辑于星期五：四点 四十二分。6.4 强度试验方法与指标的选用试验方法排水条件普及性直剪试验不能控制设备简单，操作方便,较普及三轴试验可控制,可测孔压力变化不能取代直剪试验直剪试验三轴试验应力状况对应工况快剪不固结不排水剪外力全部转为孔隙水压力快速加荷的正常固结

21、粘土的稳定性分析.土层厚,渗透性小,施工速度快的施工期分析.固结快剪固结不排水剪固结应力全部转为有效压力,施加偏应力时又产生了孔压土层薄,渗透性大,施工速度慢的峻工期分析.工程使用期分析慢剪固结排水剪外力全部转为有效压力第六十六页，编辑于星期五：四点 四十二分。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 抗剪强度指标的选择第六十七页，编辑于星期五：四点 四十二分。2.峰值强度指标还是残余强度指标一般问题峰值强度古旧滑坡：残余强度第六十八页，编辑于星期五：四点 四十二分。3.有效应力指标还是总应力指标无超静孔压时，用有效应力指标可确定超静孔压时，用有效应力指标4.

22、应根据实际排水条件确定下面给出几个典型实例：第六十九页，编辑于星期五：四点 四十二分。1 固结排水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第七十页，编辑于星期五：四点 四十二分。2 固结不排水强度指标在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第七十一页，编辑于星期五：四点 四十二分。3 不排水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第七十二页，编辑于星期五：四点 四十二分。例6-2 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cd=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

23、压力3=200kPa，试 样 破 坏 时 的 轴 向 偏 应 力 为(13)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uf以及孔隙水压力系数Af。第七十三页，编辑于星期五：四点 四十二分。解 1f=200+160=360kPa，3f=200kPa，ccu=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：第七十四页，编辑于星期五：四点 四十二分。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 uf1f 1f=360-247.6=112.4kPa破坏时的孔隙压力系数为：第七十五页，

24、编辑于星期五：四点 四十二分。6.5 影响土的抗剪强度的因素影响土的抗剪强度的因素不同类型的土，其的抗剪强度变化很大；不同类型的土，其的抗剪强度变化很大；同一种土，在不同情况下，其抗剪强度的数同一种土，在不同情况下，其抗剪强度的数值也不相等。值也不相等。影响因素可归结为影响影响因素可归结为影响c，的因素的因素土的性质土的性质试验方法试验方法应力状态应力状态第七十六页，编辑于星期五：四点 四十二分。1、土的物理化学性质、土的物理化学性质(1)土粒的矿物成分土粒的矿物成分(2)土的颗粒形状和级配土的颗粒形状和级配(3)土的原始密度土的原始密度(4)土的含水量土的含水量(5)土的结构性土的结构性第七

25、十七页，编辑于星期五：四点 四十二分。2、孔隙水压力的影响、孔隙水压力的影响 （或试验方法的影响）（或试验方法的影响）试验条件不同，影响试验条件不同，影响 u的排出，从而影响的排出，从而影响，结果，结果影响测出的影响测出的 c，大小。大小。慢剪（固结排水剪）慢剪（固结排水剪）(u=0)：f 结果最大结果最大;固结快剪固结快剪(固结不排水剪）固结不排水剪）(u1=0，u20)：f 结果居中结果居中;快剪（不固结不排水剪）快剪（不固结不排水剪）(u0)：f 结果最小结果最小第七十八页，编辑于星期五：四点 四十二分。3、土的应力历史的影响正常固结土：P0=Pc 强度包线为As，其延长线过原点。超固结土：P0 Pc 强度包线属于卸载再加荷曲线对应的直线包络线，其延长线不过原点。考虑应力历史的强度包络线可能是一条折线。第七十九页，编辑于星期五：四点 四十二分。作业：作业：6162636465第八十页，编辑于星期五：四点 四十二分。