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1、1主主要要内内容容土的剪切强度剪切强度试验测试方法工程分析中土的剪切强度的选择第1页/共61页2u 四大古典材料强度理论四大古典材料强度理论:最大拉应力最大拉应力理论（第一强度理论）理论（第一强度理论）最大伸长线应变最大伸长线应变理论（第二强度理论）理论（第二强度理论）最大剪应力理论（第三强度理论）最大剪应力理论（第三强度理论）变状改变比能变状改变比能理论（第四强度理论）理论（第四强度理论）6.16.1 概概 述述u 应力是材料发生破坏的根本原因应力是材料发生破坏的根本原因u 在应力作用在应力作用下，材料下，材料发生破坏的形式主要有两类发生破坏的形式主要有两类：（1 1）流动破坏；（2 2）断
2、裂破坏。（材料力学刘鸿文主编，P302）（1）流动破坏（2）断裂破坏第2页/共61页3v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 屈服流动：土的内部结构发生弱化，并产生塑性变形。剪切流动：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。土的破坏形式土的抗剪强度理论土的渗透破坏第3页/共61页4土工构筑物的稳定性（如土坝、边坡等）与土的强度有关的工程问题：与土的强度有关的工程问题：土压力问题（挡
3、土墙）地基的承载力问题 第4页/共61页5O应变硬化段应变软化段弹性段bacb-理想弹塑性-正常固结土或松砂-超固结土或密实砂土的应力-应变关系曲线（一种围压下的）b点为峰值强度b点过后为残余强度，应变软化阶段u 土的屈服与破坏过程6.2 6.2 土的土的抗剪强度和破坏理论抗剪强度和破坏理论第5页/共61页6 3=100KPa 3=200KPa3=300KPau 莫尔-库仑破坏理论土的应力-应变关系曲线土土的破坏理论的破坏理论广义特莱斯卡（Tresca）理论广义米塞斯（Von Mises）理论（最大剪应力理论）（最大剪应力理论）（最大变形能理论）（最大变形能理论）最大变形能第6页/共61页7法
4、国军事工程师在摩擦、电磁方面奠基性的贡献1773年发表土压力方面论文，成为土的经典理论。莫尔库仑破坏理论库仑（C.A.Coulomb）(1736-1806)第7页/共61页8库仑定律（Coulomb,C.A.1776年提出的）根据砂土试验结果得到：f=tan 对于粘性土，通过试验给出的表达式：f=c+tan 有效应力的表达式：f=c+tan=c+(u)tan f 土的抗剪强度，kPa；作用在剪切面上的法向应力，kPa；土的内摩擦角；c土的粘聚力，kPa；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 莫尔库仑破坏理论第8页/共61页9f=tan
5、（砂土）f=c+tan（粘性土）f=f()试验测试曲线 B点：临界破坏状态 A点：不会发生剪切破坏 C点：已发生破坏（不存在的）f=c+tan莫尔-库仑破坏包络线f=c+tan第9页/共61页10物体内一个点的应力状态物体内一个点的应力状态应力分量：Mu土土的极限平衡条件的极限平衡条件第10页/共61页11土中任意一点的应力状态可表示为（平面问题，主应力）应力分量：zxo摩尔圆作图法应力状态坐标转换zxo3311（1，3）（x，xz）（z，xz）13f=c+tanf=c+tano圆的半径圆的半径？2第11页/共61页12 土中任意一点在某一平面上的法向应力和剪切应力表达式（主应力）：（，）13
6、o2 A 第12页/共61页13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。f=c+tan（破坏判断准则）判断式破坏面不是发破坏面不是发生在剪应力最生在剪应力最大的面上。大的面上。31f45/2与大主应力面夹角：第13页/共61页14摩尔库仑关于土的抗剪强度理论特点，归纳为：（1）土的抗剪强度随剪切面上法向应力的大小不同而变化；（2）摩尔应力圆与与抗剪强度曲线相切时表明土产生了剪切破坏；（3）主剪切破坏面的法向与最大主应力面的夹角为45/2；（4）土的抗剪强度与中间主应力无关；第14页/共61页15例1 地面以下某点的最大主应力1=580kPa，最小主应力3=190kPa。
7、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）与最小主应力作用面成=85斜面上的正应力和剪应力；（4）判断该点是否破坏；（5）破坏面与最大主应力的夹角。第15页/共61页16解：（1）摩尔应力圆如图：破坏面与最大主应力作用面的夹角为：（2）求出最大剪应力与方向第16页/共61页17（3 3）与最小主应力作用面成=85=85 斜面上的正应力和剪应力与小主应力作用面夹角：285与大主应力作用面夹角：2（90-85）第17页/共61页18先假定最小主应力3=190kPa 则求出最主应力为：假定极限平衡状态（相切）（4）判断该点是否破坏？小于已知值小
8、于已知值580kPa，破坏状态！？，破坏状态！？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。第18页/共61页19（5 5）破坏面与最大主应力的夹角为）破坏面与最大主应力的夹角为 第19页/共61页206.3 6.3 土的抗剪强度的测定方法土的抗剪强度的测定方法（1）直接剪切试验（2）三轴压缩试验（3）无侧限抗压强度试验（4）十字板剪切试验室内试验现场试验第20页/共61页21一、一、直剪试验直剪试验 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21页/共61页22直剪仪第22页/共61页
9、23剪切盒：剪切盒：上盒下盒 土样剪切面TTN顶帽透水石第23页/共61页24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（5）进行不同下多个土样的试验（6）确定破坏剪应力f，绘制f曲线。第24页/共61页25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剪变形量的剪应力作为f 如软粘土和松砂如软粘土和松砂第25页/共61页26（1）快剪：强度指标用cq、q表示。q-quick。水平剪切速度0.8mm/s、3-5分钟完成。（2）固结快剪：
10、强度指标用ccq、cq表示。c-consolidation（3）慢剪（固结）：强度指标用cs、s表示。s-slow。水平剪切速度0.02mm/s。固结变形小于0.005mm。u 按照剪切速度的不同，直剪试验可分为三种情况：按照剪切速度的不同，直剪试验可分为三种情况：第26页/共61页27（5）不能严格控制排水条件，不能量测孔隙水压力。剪切过程优点：简单、快捷缺点：（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；（3）上下盒之间的缝隙中易嵌入砂粒，使试验结果偏大；（4）剪切过程中，土样剪切面逐渐缩小；剪切后的面积第27页/共61页28二、二、三轴剪切试验三轴剪切
11、试验u试验仪器：三轴剪力仪（三轴压缩仪）三轴压缩试验：较为完善的试验方法u三轴压缩仪的主要组成：l 主机：压力室、轴压系统l 稳压调压系统：压力泵l 量测系统：排水管、体变管第28页/共61页29三轴压缩仪第29页/共61页30下面重点介绍压力室第30页/共61页31u 压力室结构简图压力室结构简图试试样样压力室围压力进水排水管阀门轴向加压杆有机玻璃罩橡皮套透水石接排水玻璃管或测孔隙水压力第31页/共61页32试样为轴对称应力状态。试样为轴对称应力状态。垂直应力垂直应力 1 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 2=3 3）试样首先施加静水压力试样首先施加静水压力（围
12、压）（围压）1 1=2 2=3 3。然后通过活塞杆施加应力然后通过活塞杆施加应力差差（1 1-3 3 ）。）。u 土样应力状态分析：土样应力状态分析：第32页/共61页33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（2=）；（3）施加竖向压力（偏差应力），使试件受剪破坏。土试样第33页/共61页34（4）破坏时大主应力为1，小主应力为3。（5）进行不同围压三轴试验，绘制破坏状态的应力摩尔圆。（6）画出公切线强度包线，得到强度指标 c与。c o第34页/共61页35三轴试验的排水条件不同，分三种情况三轴试验的排水条件不同，分三种情况：不固结不排水试
13、验（不固结不排水试验（UUUU）：）：关闭排水阀门，施加围压；施加轴向应力（）直至破坏。土中含水量始终保持不变，孔隙水压力也不能消散（UB,UA）。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，超静孔隙水压力完全消散；关闭排水阀门，施加轴向应力（）直至破坏。测出孔隙水压，计算有效应力抗剪强度指标(UA）。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；排水阀门继续打开，施加轴向应力（）直至破坏。排出的水为土样减小体积。测得的强度指标为有效应力抗剪强度指标。筏门第35页/共61页36记号：记号：固结排水试验（CD）
14、：Consolidated Drained Triaxial test(CD)cd d（c，）固结不排水试验（CU）：Consolidated Undrained Triaxial test(CU)ccu cu （c，）不固结不排水试验（UU）：(Unconsolidated)Undrained Triaxial test(UU)cuu uu（c，）第36页/共61页剪切前固结条件剪切中排水条件固结Consolidated排水Drained1.固结排水试验（CD）2.固结不排水试验（CU）固结Consolidated不排水Undrained不固结Unconsolidated不排水Undrain
15、ed3.不固结不排水试验（UU）三种三轴试验第37页/共61页38三轴试验的优点：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，无法直接进行现场试验。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38页/共61页39三、无侧限压缩试验三、无侧限压缩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 也可用单轴压缩仪。第39页/共61页40无无侧侧限限抗抗压压强强度度：破坏时的轴向压力（qu）3=0一个方程可以求出
16、（c，）？第40页/共61页41cuqu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。故：第41页/共61页42四、四、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十字板剪切示意图 十字板第42页/共61页43M2M1vhHD第43页/共61页44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44页/共61页45最大扭矩与抗扭力矩相等：故可以求出（c，）？第45页/共61页46正常固结粘土和超固结粘土排水剪切过程中：6.4
17、6.4 土在剪切过程中的性状土在剪切过程中的性状轴应变增大，体积减小，剪缩轴应变增大，体积增大，剪胀第46页/共61页47粘性土残余强度、灵敏度和触变性饱和粘性土灵敏度的定义：在含水量不变的条件下，原状土不排水强度与 彻底扰动后的土（重塑土）的不排水强度之比。根据灵敏度将粘性土分成六大类。第47页/共61页48粘性土触变性的定义：在含水量不变的条件下，土经扰动后强度下降，静置一段时间，强度会随时间回复的现象。强度再生第48页/共61页49（1 1）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根据实际工程问题确定重大工程要求三轴试验指标6.5 实际工程中土体抗剪强度指标的选择第49页/共
18、61页50（2 2）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？一般问题峰值强度滑坡：残余强度第50页/共61页51（3 3）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？无超静孔压时，用总应力指标可确定超静孔压时，用有效应力指标土的抗剪强度的有效应力指标c,=c+tg=-u符合土的破坏机理，但有时孔隙水压力u无法确定土的抗剪强度的总应力指标c,=c+tg便于应用,但u不能产生抗剪强度，不符合强度机理，应用时要符合工程条件强度指标抗剪强度简单评价 两种强度指标的比较第51页/共61页521()p(p)quKfKfffu松砂及正常固结粘土(CU)强度包线与破坏主应力线有
19、效应力指标还是总应力第52页/共61页53（a a）固结排水剪强度指固结排水剪强度指标标粘土地基上分层慢速施工的填方稳定渗流期的土坝（4）应根据实际排水条件确定下面给出几个典型实例：第53页/共61页54（b）固结不排水剪强度指标在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54页/共61页55（C）不排水剪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55页/共61页56 例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，施加周围压力3=200kPa
20、，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。第56页/共61页57 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57页/共61页58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得出：由于：第58页/共61页59本章小结土的破坏形式（剪切、蠕变）土的极限平衡条件（库仑定律）土的剪切强度测试（直剪、三轴剪、十字剪）工程中剪切强度指标的选择第59页/共61页60感谢大家的莅临！第60页/共61页61感谢您的观看！第61页/共61页