《西华大学第4章土的抗剪强度与地基承载力111详解》由会员分享，可在线阅读，更多相关《西华大学第4章土的抗剪强度与地基承载力111详解（90页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第4章 土的抗剪强度与地基承载力 工程中的强度问题概述 土的抗剪强度：土体抵抗剪切破坏的极限能力 4.1 概述 v地基变形的三个阶段 0 s ppcrpu a b c ppcr pcrppu ppu a.压密阶段 塑性变 形区 连续滑动面 oa段，荷载小，主要产生压缩变形，荷载 与沉降关系接近于直线，土中f,地 基处于弹性平衡状态 b.局部剪切破坏阶段 ab段，荷载增加，荷载与沉降关系呈曲 线，地基中局部产生剪切破坏，出现塑 性变形区 c.整体滑动破坏阶段 bc段，塑性区扩大，发展成连续滑动面 ，荷载增加，沉降急剧变化 5 1. 挡土结构物的破坏二、工程中土体的破坏类型 广州京光广场基坑塌方
2、使基坑旁办公室、民工 宿舍和仓库倒塌，死3人 ，伤17人。 6 龙观 嘴 黄崖沟 乌江 2000年西藏易贡巨型滑坡 二、工程中土体的破坏类型 2. 各种类型的滑坡 一、土中一点的应力状态 v土体内一点处不同方位的截面上应力的集合（剪应 力 和法向应力） 33 1 1 3 1 dl dlcos dlsin 楔体静 力平衡 4.2土的极限平衡条件 3 1 dl dlcos dlsin 斜面上的应力 莫尔应力圆方程 O13 1/2(1 +3 ) 2 A(, ) 圆心坐标1/2(1 +3 )，0 应力圆半径r1/2(13 ) 土中某点的应 力状态可用莫 尔应力圆描述 v莫尔-库仑破坏理论 剪切试验播放
3、 1776年，库仑根据砂土剪切试验 f = tan 砂土 后来，根据粘性土剪切试验 f =c+ tan 粘土 c 库仑定律：土的抗剪强 度是剪切面上的法向总应 力 的线性函数 c:土的粘聚力 :土的内摩擦角 f f 土的极限平衡条件 应力圆与强度线相离： 强度线 应力圆与强度线相切： 应力圆与强度线相割： 极限应 力圆 f 破坏状态 莫尔库仑破坏准则 v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 (目前判别土体所处状态的最常用准则) 强度线 莫尔库仑破坏准则 31 c f 2 f A cctg1/2(1 +3 ) 无粘性土：c=0 v土体处于极限平衡状态时，破坏面与大主应力作 用面
4、的夹角为 f f 2 f 31 c A cctg1/2(1 +3 ) 说明：剪破面并不产生于最大剪应力面，而与最大 剪应力面成 / 2的夹角，可知，土的剪切破坏并不是 由最大剪应力max所控制 max 极限平衡条件的应用 土的极限平衡条件常用来评判土中某点的平衡状态， 具体方法: 一、已知主应力1、 3，土的内摩擦角，可推求出土体处于极限平衡状 态时所要求的内摩擦角f。 （1）若f ,表示保持土单元体不产生破坏所需要的内摩擦角大于土的 实际内摩擦角,实际土体必破坏; （2）反之f 1f 或33f 时，土体中该点处于破坏状态。 例题分析 v【例】地基中某一单元土体上的大主应力为430kPa，小主
5、 应力为200kPa。通过试验测得土的抗剪强度指标c=15 kPa ， =20o。试问该单元土体处于何种状态？单元土体 最大剪应力出现在哪个面上，是否会沿剪应力最大的面发 生剪破？ 【解答 】已知1=430kPa，3=200kPa，c=15kPa， =20o 1.计算法 计算结果表明：1f大于该单元土体实际大主应力1 ，实际应力圆半径小于极限应力圆半径，所以，该 单元土体处于弹性平衡状态 计算结果表明： 3f小于该单元土体实际小主应 力 3，实际应力圆半径小于极限应力圆半径 ， 所以，该单元土体处于弹性平衡状态 在剪切面上 库仑定律 由于f ，所以，该单元土体处于弹性平衡状态 2.图解法 c
6、11f3f 实际应力圆 极限应力圆 最大剪应力与主应力作用面成45o 最大剪应力面上的法向应力 库仑定律 最大剪应力面上f ，所以，不会沿剪应力最大的面发生破 坏 max 无粘性土（c=0）的极限平衡条件为 ： 根据极限应力圆与抗剪强度包线相切的几何关系，可建立以下极限平衡条件： 在土体中取一单元微体。mn为破裂面，它与大主应力的作用面成f角。破裂面位于极限 平衡状态莫尔圆的A点。将抗剪强度线延长与 轴相交于R点、由三角形ARD可知： 因 故 化简后得 粘性土的极限平衡条件为： 破裂角 说明破坏面与最大主应力 1的作用面的 夹角为（450 /2)。 最大剪应力处 不发生破坏？ 例 v某土样粘聚
7、力c=20kPa，内摩擦角=26 o，承受 1=450kPa 、3=150kPa的应力,试判断该土样是否破坏？ 解：设土样在承受3=150kPa时土样达到极限平衡状态的1f 1f= 3tg2 (45 o+/2)+2c.tg (45o+/2) =450kPa 1f=1，土体处以极限平衡状态。 抗剪强度指标的确定 v一、直接剪切试验 试验仪器：直剪仪（应力控制式，应变控制式 ） 剪切试验 剪前施加在试样顶面上 的竖向压力为剪破面上 的法向应力，剪应力由 剪切力除以试样面积 在法向应力作用下，剪应力与剪切位移关系曲线， 根据曲线得到该作用下，土的抗剪强度 4mm a b 剪切位移l (0.01mm)
8、 剪应力（kPa) 1 2 v在不同的垂直压力下进行剪切试验，得相应的抗剪 强度f，绘制f - 曲线，得该土的抗剪强度包线 直剪试验优缺点 v优点：仪器构造简单，试样的制备和安装方便， 易于操作 v缺点： 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。 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。 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 二、三轴剪切试验 v应变控制式三轴仪：压力室，加压系统，量测系统 组成 v应力控制式三轴仪 n试验步骤: 3 3 3 3 3 3 2.施加周围压力 3.施加竖
9、向压力 1.装样 v应变控制式三轴 仪：压力室，量 测系统 抗剪强度包线 v分别在不同的周围压力3作用下进行剪切，得到 34 个不同的破坏应力圆，绘出各应力圆的公 切线即为土的抗剪强度包线 抗剪强度包线 c 三轴试验优缺点 v优点： 试验中能严格控制试样排水条件，量测孔隙水压 力，了解土中有效应力变化情况 试样中的应力分布比较均匀 v缺点： 试验仪器复杂，操作技术要求高，试样制备较复 杂 试验在2=3的轴对称条件下进行，与土体实际受 力情况可能不符 三、无侧限抗压强度试验 qu qu 加压 框架 量表 量力环 升降 螺杆 无侧限压缩仪 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
10、 力，即3=0，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轴向压力qu，称为无侧限抗压强 度 试 样 无侧限 压缩仪 根据试验结果只能作出一个极限应力圆（3=0， 1=qu）。因此对一般粘性土，无法作出强度包线 说明：对于饱和软粘土，根据 三轴不排水剪试验成果，其强 度包线近似于一水平线，即 u=0，因此无侧限抗压强度试 验适用于测定饱和软粘土的不 排水强度 qu cu u=0 无侧限抗压强度试验仪器构造简单，操作方便 ，可代替三轴试验测定饱和软粘土的不排水强 度 灵敏度 v粘性土的原状土无侧限抗压强度与原土结构完全破 坏的重塑土的无侧限抗压强度的比值 反映
11、土的结构 受挠动对强度 的影响程度 根据灵敏度将饱和粘性土分类： 低灵敏度土 1St2 中灵敏度土 24 适用于现场测定饱和粘性 土的不排水强度，尤其 适用于均匀的饱和软粘 土 四、十字板剪切试验 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 5.3 排水条件与试验成果的关系 v一、总应力强度指标与有效应力强度指标 库仑定律 说明：施加于试样上的垂直法向应力为总应力，c、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 根据有效应力原理：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法向有效应力 c 、 为土的有效 粘聚力和有效内摩
12、 擦角，即土的有效 应力强度指标 有效应力强度指标确切地表 达出了土的抗剪强度的实质 ，是比较合理的表达方法 v二、不同排水条件时的剪切试验方法及成果表达 1.不固结不排水剪（UU） n三轴试验：施加周围压力 3、轴向压力直至剪 破的整个过程都关闭排水 阀门，不允许试样排水固 结 3 3 3 3 3 3 n直剪试验：通过试验加荷 的快慢来实现是否排水。 使试样在35min之内剪破 ，称之为快剪 关闭排 水阀 3 3 3 3 3 3 有效应力圆总应力圆 u=0 BC cu uA A 3A 1A 饱和粘性土在三组3下的不排水剪 试验得到A、B、C三个不同3作用 下破坏时的总应力圆 试验表明：虽然三
13、个试样的周围压力3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 ，因而强度包线是一条水平线 三个试样只能得到一个有效应力圆 2. 固结不排水剪（CU） n三轴试验：施加周围压力3时 打开排水阀门，试样完全排水 固结，孔隙水压力完全消散。 然后关闭排水阀门，再施加轴 向压力增量，使试样在不排 水条件下剪切破坏 3 3 3 3 3 3 n直剪试验：剪切前试样在垂直荷 载下充分固结，剪切时速率较快 ，使土样在剪切过程中不排水， 这种剪切方法为称固结快剪 打开排 水阀 关闭排 水阀 3 3 3 3 3 3 将总应力圆在水平轴上左移uf得到相应的有效应力 圆，按有效应力圆强度包线可确定c 、
14、 ccu c cu 饱和粘性土在三组3下进行固结不排水剪 试验得到A、B、C三个不同3作用下破坏 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ccu、 cu A B C 3. 固结排水剪（CD） n三轴试验：试样在周围压 力3作用下排水固结，再 缓慢施加轴向压力增量 ，直至剪破，整个试验过 程中打开排水阀门，始终 保持试样的孔隙水压力为 零 3 3 3 3 3 3 n直剪试验：试样在垂直压力 下固结稳定，再以缓慢的速 率施加水平剪力，直至剪破 ，整个试验过程中尽量使土 样排水，试验方法称为慢剪 打开排 水阀 在整个排水剪试验过程中， uf 0，总应力全部转化 为有效应力，所以总应
