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1、土力学地基基础土力学地基基础 土的抗剪强土的抗剪强第一页，共46页。第一节第一节 土的抗剪强度土的抗剪强度(qingd)vv 概述概述概述概述vv土的抗剪强度理论土的抗剪强度理论土的抗剪强度理论土的抗剪强度理论vv 土的抗剪强度参数土的抗剪强度参数土的抗剪强度参数土的抗剪强度参数(cnsh)(cnsh)的测定试验的测定试验的测定试验的测定试验第1页/共46页第二页，共46页。概概 述述n土的强度土的强度(qingd)(qingd)：强度强度(qingd)(qingd)是指材料抵抗破坏的能力。是指材料抵抗破坏的能力。土的强度土的强度(qingd)(qingd)指的是土体的抗剪强度指的是土体的抗剪
2、强度(qingd)(qingd)。土的破坏主要是由于剪切引起的，土的破坏主要是由于剪切引起的，剪切破坏剪切破坏是是土体破坏的重要特点。土体破坏的重要特点。第2页/共46页第三页，共46页。n为什么要研究为什么要研究(ynji)(ynji)土的强度土的强度土力学中土力学中三大问题三大问题(wnt)变形变形(bin xng)问题问题地基沉降计算地基沉降计算强度问题强度问题建筑物地基建筑物地基承载力承载力各种构筑物（路基、各种构筑物（路基、坝、桥）地基承载力坝、桥）地基承载力挡土墙土压力挡土墙土压力地下结构的土压力地下结构的土压力边坡稳定边坡稳定渗流问题渗流问题渗流破坏渗流破坏第3页/共46页第四页
3、，共46页。工程(gngchng)实例加拿大特郎斯康谷仓(cn)第4页/共46页第五页，共46页。土的抗剪强度土的抗剪强度(qingd)(qingd)理论理论F应力状态应力状态(zhungti)(zhungti)与莫与莫尔圆尔圆F莫尔莫尔-库仑强度理论库仑强度理论F极限平衡应力状态极限平衡应力状态(zhungti)(zhungti)F土体破坏的判断方法土体破坏的判断方法第5页/共46页第六页，共46页。应力应力(yngl)状态状态与莫尔圆与莫尔圆oyxzMP第6页/共46页第七页，共46页。y yz xy zx x z三维应力三维应力(yngl)(yngl)状态状态二维应力二维应力(yngl)
4、(yngl)状态状态 zx z xz x应力应力(yngl)状态状态与莫尔圆与莫尔圆第7页/共46页第八页，共46页。三维应力三维应力(yngl)(yngl)状态状态二维应力二维应力(yngl)(yngl)状态状态 应力应力(yngl)状态与状态与莫尔圆莫尔圆 第8页/共46页第九页，共46页。应力应力(yngl)状态与状态与莫尔圆莫尔圆 (1)(2)莫尔圆方程莫尔圆方程(fngchng)第9页/共46页第十页，共46页。O2 1 3r(,)莫尔圆：表示所有莫尔圆：表示所有(suyu)方向的应力状方向的应力状态态圆上点：表示某一个方向上的圆上点：表示某一个方向上的 与与 莫尔圆转角莫尔圆转角2
5、：作用面转角：作用面转角圆心圆心(yunx(yunxn)n)：半径半径(bnj(bnjng)ng)：莫尔圆方程(,0 )第10页/共46页第十一页，共46页。莫尔莫尔库仑强度库仑强度(qingd)理论理论n 库仑库仑(kln)(kln)公式：（公式：（17761776）库仑(kln)（C.A.Coulomb）(1736-1806)法国军事工程师，在摩法国军事工程师，在摩擦、电磁方面做出了奠擦、电磁方面做出了奠基性的贡献。基性的贡献。17731773年发年发表了关于土压力方面表了关于土压力方面论文，成为土压力的论文，成为土压力的经典理论经典理论第11页/共46页第十二页，共46页。PTPn 直剪
6、试验直剪试验(shyn)(shyn)法向应力法向应力：剪应力剪应力：剪切变形剪切变形(bin xng)S1 S23直剪试验直剪试验(shyn)第12页/共46页第十三页，共46页。直剪试验直剪试验(shyn)S123 fOcn 库仑库仑(kln)(kln)公式：（公式：（17761776）f1 f2 f3 f：土的抗剪强度土的抗剪强度(qingd)tg：摩擦强度摩擦强度(qingd)-正比于压正比于压力力 ：土的内摩擦角土的内摩擦角 c：粘聚强度粘聚强度(qingd)-与所受压与所受压力无关力无关 无粘性土通常认为无粘性土通常认为C=0第13页/共46页第十四页，共46页。Oc 库仑定律库仑定
7、律(k ln dn l)极限极限(jxin)平衡状态平衡状态弹性弹性(tnxng)状态状态 f线或破坏包线线或破坏包线不可能出现不可能出现第14页/共46页第十五页，共46页。f与破坏包线相交：有一些平面与破坏包线相交：有一些平面上的应力超过上的应力超过(chogu)(chogu)强强度度 不可能不可能(knng)(knng)发生发生莫尔莫尔库仑库仑(kln)强强度理论度理论强度包线以下强度包线以下：任何一个面：任何一个面上的一对应力上的一对应力 与与 都没有达到都没有达到破坏包线，不破坏破坏包线，不破坏与破坏包线相切：与破坏包线相切：有一个面上有一个面上的应力达到破坏的应力达到破坏第15页/
8、共46页第十六页，共46页。O c f=c+tg 1 3n 土的极限平衡条件：土的极限平衡条件：n处于处于(chy)(chy)极限平衡状态极限平衡状态时，时，1 1和和 3 3之间应满足之间应满足的关系的关系无粘性无粘性(zhn xn)土土极限平衡极限平衡(pnghng)应力状态应力状态2 f破坏角破坏角 f：f=45+/2第16页/共46页第十七页，共46页。土单元是否土单元是否(sh fu)(sh fu)破坏的判破坏的判别别n根据根据(gnj)剪应力剪应力 与抗剪强度与抗剪强度 f之间的关系来之间的关系来判别判别n根据根据(gnj)极限平衡条件来判别极限平衡条件来判别第17页/共46页第十
9、八页，共46页。n 方法方法(fngf)一：一：由由 f，比较，比较 和和 f f 当当土体未破坏土体未破坏(phui)f 当当土体破坏土体破坏(phui)第18页/共46页第十九页，共46页。练习题练习题1 1：某高层建筑某高层建筑(o cn jin zh)(o cn jin zh)地基取土样地基取土样进行直剪试验，进行直剪试验，3 3个试样的法向应力分别为个试样的法向应力分别为100 kPa100 kPa、200kPa200kPa、300kPa300kPa，测得土样破坏时，测得土样破坏时的强度分别为的强度分别为77.7kPa77.7kPa、135.4kPa135.4kPa、193.1kPa
10、193.1kPa。（1 1）求土体的抗剪强度参数。）求土体的抗剪强度参数。（c=20kPa,=300c=20kPa,=300）（2 2）若作用在此地基土某平面上的正应力和）若作用在此地基土某平面上的正应力和剪应力分别为剪应力分别为225kPa225kPa、105kPa105kPa，问该处是否，问该处是否发生剪切破坏。发生剪切破坏。（3 3）若作用在此地基土另一平面上的正应力）若作用在此地基土另一平面上的正应力和剪应力分别为和剪应力分别为300kPa300kPa、193.1kPa193.1kPa，问该处，问该处是否发生剪切破坏。是否发生剪切破坏。第19页/共46页第二十页，共46页。c f=c+
11、tg OF 1 3f 安全安全(nqun)状态状态F 3 3f 破坏破坏 1 3f第21页/共46页第二十二页，共46页。练习题练习题2 2：设砂土地基设砂土地基(dj)(dj)中某点的最大主中某点的最大主应力为应力为400kPa400kPa，最小主应力为，最小主应力为200kPa200kPa，砂土内摩擦角为，砂土内摩擦角为2525。请用两种方法判断该点是否破坏。请用两种方法判断该点是否破坏。第22页/共46页第二十三页，共46页。F直剪试验直剪试验(shyn)(shyn)F三轴试验三轴试验(shyn)(shyn)F十字板剪切试验十字板剪切试验(shyn)(shyn)土的抗剪强度的测定土的抗剪
12、强度的测定(cdng)(cdng)试验试验第23页/共46页第二十四页，共46页。直直 剪剪 试试 验验PT土样土样下盒下盒上盒上盒S面积面积(min j)A Oc 1 S23 f1 f2 f3直剪仪直剪仪(direct shear test apparatus)第24页/共46页第二十五页，共46页。直直 剪剪 试试 验验第25页/共46页第二十六页，共46页。直剪试验直剪试验(shyn)的类型的类型(1)(1)固结慢剪固结慢剪 施加施加(shji)(shji)正应力正应力-充分固结充分固结 剪切速率很慢，剪切速率很慢，0.02mm/0.02mm/分，分，以保证无超静孔压以保证无超静孔压(2
13、)(2)固结快剪固结快剪 施加施加(shji)(shji)正应力正应力-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(3)(3)快剪快剪 施加施加(shji)(shji)正应力后立即剪切正应力后立即剪切 3-5 3-5分钟内剪切破坏分钟内剪切破坏通过通过(tnggu)控制剪控制剪切速率近切速率近似模拟排似模拟排水条件水条件第26页/共46页第二十七页，共46页。直剪试验直剪试验(shyn)的优缺点的优缺点C 设备和操作设备和操作(cozu)简单简单C人为固定剪切面人为固定剪切面C剪切面积逐渐减小剪切面积逐渐减小C排水条件不明确排水条件不明确PT土样土样TP试样内的试样内的变形
14、分布变形分布第27页/共46页第二十八页，共46页。n试样采用圆柱形土样，用橡皮膜包试样采用圆柱形土样，用橡皮膜包裹，放在密封压力室的压力水中裹，放在密封压力室的压力水中(围围压压)，施加轴向力，应力状态明确；，施加轴向力，应力状态明确；变形变形(bin xng)(bin xng)量测简单量测简单n可控制排水条件；可完整的描述试可控制排水条件；可完整的描述试样受力、变形样受力、变形(bin xng)(bin xng)和破坏的和破坏的全过程；可进行不同应力路径的试全过程；可进行不同应力路径的试验验F三轴：同三轴：同“单轴单轴”对应对应(duyng)，表明土样在三，表明土样在三个方向受力个方向受力
15、F常规：同常规：同“真真”对应对应(duyng)，表明土样在两个，表明土样在两个方向受到相同压力（室压力）的作用，并非真正方向受到相同压力（室压力）的作用，并非真正的三轴应力的三轴应力常规三轴压缩常规三轴压缩(y su)试验试验试试样样水压水压力力 3轴向力轴向力F 1 3 2 2=3第28页/共46页第二十九页，共46页。F 主机系统主机系统(xtng)(xtng)F 稳压调压系统稳压调压系统(xtng)(xtng)F 量测系统量测系统(xtng)(xtng)常规常规(chnggu)(chnggu)三三轴轴压缩试验仪压缩试验仪压力室压力室压力室压力室底座底座主机马主机马达达主机主机框架框架离
16、合离合器器n 组成组成(z chn)：第29页/共46页第三十页，共46页。F 主机主机(zhj)(zhj)系系统统F 稳压调压系统稳压调压系统F 量测系统量测系统 常规常规(chnggu)(chnggu)三三轴轴压缩试验仪压缩试验仪n 组成组成(z chn)：压力压力泵泵或高或高压氮压氮气瓶气瓶调压阀调压阀压力表压力表第30页/共46页第三十一页，共46页。3.6 3.6 常规常规(chnggu)(chnggu)三轴压缩试验三轴压缩试验F 主机主机(zhj)(zhj)系统系统F 稳压调压系统稳压调压系统F 量测系统量测系统 常规常规(chnggu)(chnggu)三三轴轴压缩试验仪压缩试验仪
17、n 组成：组成：孔压孔压传感器传感器体变管体变管轴向轴向位位移量移量测测轴向力轴向力量测量测第31页/共46页第三十二页，共46页。常规三轴压缩常规三轴压缩(y(y su)su)试验仪试验仪 试试样样水水稳压稳压(wn y)调压系调压系统统排水管排水管或或孔压量孔压量测测阀门阀门(f mn)轴向活塞轴向活塞有机玻璃有机玻璃罩罩橡皮膜橡皮膜透水石透水石顶帽顶帽n压力室压力室及试样及试样阀门阀门马达马达横梁横梁量力环量力环百分表百分表第32页/共46页第三十三页，共46页。常规三轴压缩常规三轴压缩(y(y su)su)试验试验 n 通常试验分为通常试验分为(fn wi)(fn wi)两个两个阶段：
18、阶段：F 施加周围施加周围(zhuwi)(zhuwi)压力压力 3 3：过程中，允许试过程中，允许试样排水称为样排水称为固结固结；不允许试样排水称为不允许试样排水称为不固结不固结 3 3 3 3F施加轴向力，施加轴向力，进行剪切进行剪切：3 3 3 3过程中，允许试样排过程中，允许试样排水称为水称为排水剪排水剪；不允；不允许试样排水称为许试样排水称为不不排水剪排水剪第33页/共46页第三十四页，共46页。常规三轴压缩常规三轴压缩(y(y su)su)试验试验 F 不固结不固结(ji)(ji)不排水试验不排水试验UUUU unconsolidated-undrained test unconso
19、lidated-undrained testF 固结固结(ji)(ji)不排水试验不排水试验CUCU consolidated-undrained test consolidated-undrained testF 固结固结(ji)(ji)排水试验排水试验CDCD consolidated-drained test consolidated-drained testn 常规常规(chnggu)三轴压缩试验三轴压缩试验n conventional triaxial compression test第34页/共46页第三十五页，共46页。n试验试验(shyn)(shyn)过程过程施加围压施加围压，
20、排水阀门始终，排水阀门始终(shzhng)(shzhng)打开，充分排水打开，充分排水施加施加(1-1-)进行剪切时，排水进行剪切时，排水阀门关闭。用孔压传感器量测剪阀门关闭。用孔压传感器量测剪切过程中产生的超静孔隙水压力切过程中产生的超静孔隙水压力u un 测定：测定：n 轴向变形：轴向应变轴向变形：轴向应变n 轴向力：轴向应力轴向力：轴向应力n 孔隙孔隙(kngx)水压力水压力试试样样围压围压力力 3阀阀门门阀阀门门马达马达横梁横梁量力环量力环百分表百分表量量水水管管孔压孔压量测量测固结不排水试验固结不排水试验 第35页/共46页第三十六页，共46页。1-3 1 3=100kPa 3=30
21、0kPa 3=500kPa三轴试验确定三轴试验确定(qudng)土的强土的强度包线度包线 O 3 1f强度包线强度包线c F由不同围压由不同围压的三轴试验，得到破坏时相应的（的三轴试验，得到破坏时相应的（1-1-)f)fF分别绘制破坏状态的应力分别绘制破坏状态的应力(yngl)(yngl)摩尔圆，其公切线即为强度摩尔圆，其公切线即为强度包线，可得强度指标包线，可得强度指标c c与与 15%(1-3)f第36页/共46页第三十七页，共46页。CU试验中土的有效试验中土的有效(yuxio)应力莫尔圆和总应力莫尔圆应力莫尔圆和总应力莫尔圆有效应力有效应力(yngl)破坏包线破坏包线 总应力总应力(y
22、ngl)破坏包线破坏包线第37页/共46页第三十八页，共46页。固结固结(ji)(ji)排水排水试验试验n试验试验(shyn)(shyn)过过程：程：施加施加(shji)(shji)围压围压，排水阀，排水阀门始终打开，充分排水门始终打开，充分排水施加施加(shji)(shji)(1-1-)进行剪进行剪切时，排水阀门始终打开。剪切时，排水阀门始终打开。剪切速度慢足以使孔压消散切速度慢足以使孔压消散n 测定：测定：轴向变形：轴向应变轴向变形：轴向应变 轴向力：轴向应力轴向力：轴向应力 排水量：体积应变排水量：体积应变试试样样围压围压力力 3阀阀门门阀阀门门马达马达横梁横梁量力环量力环百分表百分表量
23、量水水管管第38页/共46页第三十九页，共46页。O 3 1f强度包线强度包线c 1-3 1 3=100kPa 3=300kPa 3=500kPa15%(1-3)fCD试验试验(shyn)确定土的强确定土的强度包线度包线F由不同围压由不同围压的三轴试验，得到破坏的三轴试验，得到破坏(phui)(phui)时相应的时相应的（1-1-)f)fF分别绘制破坏分别绘制破坏(phui)(phui)状态的应力摩尔圆，其公切线即为强状态的应力摩尔圆，其公切线即为强度包线，可得强度指标度包线，可得强度指标c c与与 第39页/共46页第四十页，共46页。n 试验试验(shyn)(shyn)过程：过程：关闭排水
24、阀门，连接孔压传感关闭排水阀门，连接孔压传感器，施加围压器，施加围压，量测超静，量测超静孔隙孔隙(kngx)水压力水压力 uB施加施加(1-)进行剪切时，关进行剪切时，关闭排水阀门。用孔压传感器量闭排水阀门。用孔压传感器量测剪切过程中产生的超静孔隙测剪切过程中产生的超静孔隙(kngx)水压力水压力 uA试试样样围压围压力力 3阀阀门门阀阀门门马马达达横梁横梁量力环量力环百分百分表表量量水水管管孔压孔压量测量测不固结不固结(ji)(ji)不排不排水试验水试验 n 测定：测定：轴向变形：轴向应变轴向变形：轴向应变 轴向力：轴向应力轴向力：轴向应力 孔隙水压力孔隙水压力第40页/共46页第四十一页，
25、共46页。O强度包线强度包线cu u=0l的受力状态也称为的受力状态也称为(chn wi)无侧限抗压强度试无侧限抗压强度试验验lCu称为称为(chn wi)土的不排水强度土的不排水强度UU试验确定试验确定(qudng)土的强土的强度包线度包线第41页/共46页第四十二页，共46页。应力应力(yngl)特点与试验特点与试验方法方法类型类型施加施加 3 3施加施加 1 1-3 3量测量测固结固结排水排水固结固结排水排水体变体变固结固结不排水不排水固结固结不排水不排水孔隙水孔隙水压力压力不固结不固结不排水不排水不固结不固结不排水不排水孔隙水孔隙水压力压力常用试验常用试验(shyn)类型类型第42页/
26、共46页第四十三页，共46页。常规常规(chnggu)三轴试验三轴试验优缺点优缺点C应力状态明确应力状态明确C排水条件清楚排水条件清楚(qng chu)，可控制，可控制C破坏面不是人为固定的破坏面不是人为固定的C设备操作复杂设备操作复杂C现场无法试验现场无法试验C常规三轴试验不能反映常规三轴试验不能反映 2的影响的影响第43页/共46页第四十四页，共46页。十字十字(sh z)板剪切试验板剪切试验F一般适用于测定软粘土一般适用于测定软粘土(zhn(zhn t)t)的不排水强度指标的不排水强度指标F钻孔到指定的土层，插入十字钻孔到指定的土层，插入十字形的探头形的探头F通过施加的扭矩计算土的抗剪通过施加的扭矩计算土的抗剪强度强度M第44页/共46页第四十五页，共46页。M2 fv fhM1DH HM假定假定(jidng)土体为各向同性，土体为各向同性，fh=fv=f：十字十字(sh z)板剪切试验板剪切试验第45页/共46页第四十六页，共46页。