岩土力学土抗剪强度第章

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1、1 第九章 土的抗剪强度 2 土压力边坡稳定地基承载力 挡土结构物破坏各种类型的滑坡地基的破坏 工程中土体的破坏类型 3 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 9 1土的抗剪强度与极限平衡条件 一 库仑定律 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 5 c 粘聚力 内摩擦角 库仑公式 土的抗剪强度的计算 6 二 土体抗剪强度影响因素 摩擦力的两个来源1 滑动摩擦 剪切面土粒间表面的粗糙所产生的摩擦2 咬合摩擦 土粒间

2、互相嵌入所产生的咬合力粘聚力 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摩擦力 剪切面上的法向总应力 土的初始密度 土粒级配 土粒形状以及表面粗糙程度粘聚力 土中矿物成分 粘粒含量 含水量以及土的结构 7 1 滑动摩擦 2 摩擦强度 tg 由颗粒之间发生滑动时颗粒接触面粗糙不平所引起 与颗粒大小 矿物组成等因素有关 8 2 咬合摩擦 剪切面 是指相邻颗粒对于相对移动的约束作用当发生剪切破坏时 相互咬合着的颗粒A必须抬起 跨越相邻颗粒B 或在尖角处被剪断 C 才能移动土体中的颗粒重新排列 也会消耗能量 9 密度 e 粒径级配 Cu Cc 颗粒的矿物成分对于 砂土 粘性土 高岭石

3、伊里石 蒙特石粒径的形状 颗粒的棱角与长宽比 在其他条件相同时 一般 对于粗粒土 颗粒的棱角提高了内摩擦角 影响土的摩擦强度的主要因素 10 粘聚强度机理静电引力 库仑力 范德华力颗粒间胶结假粘聚力 毛细力等 粘聚强度影响因素地质历史粘土颗粒矿物成分密度离子价与离子浓度 3 粘聚强度 11 莫尔圆应力分析符号规定 材料力学 土力学 正应力 剪应力 拉为正压为负 顺时针为正逆时针为负 压为正拉为负 逆时针为正顺时针为负 莫尔 库伦强度理论 极限平衡条件 12 3 大主应力 小主应力 圆心 半径 z按顺时针方向旋转 x按顺时针方向旋转 莫尔圆 代表一个土单元的应力状态 圆上一点 代表一个面上的两个

4、应力 与 13 14 四 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 弹性平衡状态 f 极限平衡状态 f 破坏状态 15 莫尔 库仑破坏准则 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 16 莫尔 库仑强度理论表达式 极限平衡条件 17 根据应力状态计算出大小主应力 1 3 判断破坏可能性 1 1f不可能状态 判别对象 土体微小单元 一点 3 常数 18 根据应力状态计算出大小主应力 1 3 判断破坏可能性 3 3f安全状态 3 3f极限平衡状态 3 3f不可能状态 1 常数 19 强度包线以

5、内 任何一个面上的一对应力 与 都没有达到破坏包线 不破坏 与破坏包线相切 该面上的应力达到破坏状态 与破坏包线相交 有一些平面上的应力超过强度 不可能发生 20 1 土单元的某一个平面上的抗剪强度 f是该面上作用的法向应力 的单值函数 f f 莫尔 1900年 2 在一定的应力范围内 可以用线性函数近似 f c tg 3 某土单元的任一个平面上 f 该单元就达到了极限平衡应力状态 3 莫尔 库仑强度理论 21 例1 一饱和粘性土试样在三轴仪中进行固结不排水试验 施加周围压力 试件破坏时主应力差 测得孔隙水压力 有效内摩擦角 有效粘聚力 试求破坏面上的法向应力和剪应力及试件中的最大剪应力 22

6、 例2 试说明为什么上例中试样发生在57 的平面 而不是发生在最大剪应力的作用面 23 2 2 5 滑裂面的位置 与大主应力面夹角 45 2 破坏面为什么不在最大剪应力作用面上 24 室内试验野外试验 9 2抗剪强度测定试验 三轴试验 直剪试验等制样 重塑土 或现场取样缺点 扰动优点 应力条件清楚 易重复 十字板扭剪试验 旁压试验等原位试验缺点 应力条件不易掌握优点 原状土的原位强度 25 二 土的抗剪强度指标测定 施加 P A 施加S量测 T A 上盒 下盒 P A 1 直剪试验 库仑1776 试验方法 100KPa 200KPa 300KPa 26 试验仪器 直剪仪 应力控制式 应变控制式

7、 27 c 粘聚力 内摩擦角 库仑公式 f 土的抗剪强度 tg 摩擦强度 正比于压力 c 粘聚强度 试验结果 28 通过控制剪切速率来近似模拟排水条件 二 直剪试验 1 固结慢剪施加正应力 充分固结慢慢施加剪应力 小于0 02mm 分 以保证无超静孔压 2 固结快剪施加正应力 充分固结在3 5分钟内剪切破坏 3 快剪施加正应力后立即剪切3 5分钟内剪切破坏 29 设备简单 操作方便结果便于整理测试时间短 优点 试样应力状态复杂应变不均匀不易控制排水条件剪切面固定 缺点 类似试验 环剪试验单剪试验 二 直剪试验 30 1 试样应力特点与试验方法2 强度包线3 试验类型4 优缺点 三轴试验 31

8、二 三轴剪切试验 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 试验步骤 2 施加周围压力 3 施加竖向压力 1 装样 32 方法 首先试样施加静水压力 室压 围压 1 2 3 然后通过活塞杆施加的是应力差 1 1 3 1 试样应力特点与试验方法 特点 试样是轴对称应力状态 垂直应力 z一般是大主应力 径向与切向应力总是相等 r 亦即 1 z 2 3 r 33 固结排水试验 CD试验 1打开排水阀门 施加围压 后充分固结 超静孔隙水压力完全消散 2打开排水阀门 慢慢施加轴向应力差 以便充分排水 避免产生超静孔压 固结不排水试验 CU试验 1打开排水阀门 施加围压 后充分固结

9、 超静孔隙水压力完全消散 2关闭排水阀门 很快剪切破坏 在施加轴向应力差 过程中不排水 不固结不排水试验 UU试验 1关闭排水阀门 围压 下不固结 2关闭排水阀门 很快剪切破坏 在施加轴向应力差 过程中不排水 cd d ccu cu cu u 3 试验类型 34 二 三轴试验强度指标 35 强度包线 1 f c 1 f 1 15 分别作围压 为100kPa 200kPa 300kPa的三轴试验 得到破坏时相应的 1 f 绘制三个破坏状态的应力莫尔圆 画出它们的公切线 强度包线 得到强度指标c与 2 强度包线 36 优点 1应力状态和应力路径明确 2排水条件清楚 可控制 3破坏面不是人为固定的

10、缺点 设备相对复杂 现场难以试验 说明 3 0即为无侧限抗压强度试验 4 优点和缺点 真三轴仪空心圆柱扭剪仪 37 三 无侧限抗压强度试验 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 38 一般适用于测定软粘土的不排水强度指标 钻孔到指定的土层 插入十字形的探头 通过施加的扭矩计算土的抗剪强度 三 十字板剪切试验 39 9 3排水条件与试验成果的关系 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

11、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 40 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 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 直剪试验 通过试验加荷的快慢来实现是否排水 使试样在3 5min之内剪破 称之为快剪 41 有效应力圆 总应力圆 u 0 cu uA 饱和粘性土在三组

12、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 42 2 固结不排水剪 CU 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 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 43 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 ccu

13、c 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 44 3 固结排水剪 CD 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 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 45 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 所以总应力圆即是有效应力圆 总应力强度线即是有效应力强度线 强度指标为cd d cd 总结

14、 对于同一种土 在不同的排水条件下进行试验 总应力强度指标完全不同 有效应力强度指标不随试验方法的改变而不同 抗剪强度与有效应力有唯一的对应关系 46 三 抗剪强度指标的选用 土的抗剪强度指标随试验方法 排水条件的不同而异 对于具体工程问题 应该尽可能根据现场条件决定采用实验室的试验方法 以获得合适的抗剪强度指标 47 cu qu 2 cu qu 4 无侧限压缩试验 3 0的不排水试验 48 例 某饱和粘性土无侧限抗压强度试验得到不排水抗剪强度 如果对同一土样进行三轴不固结不排水试验 施加周围压力 问试件将在多大的轴向压力作用下发生破坏 49 例 某饱和粘土的强度指标 取该土样作固结不排水剪切

15、试验 测得破坏时 求该土样破坏时的孔隙水压力 50 四 土的强度指标的工程应用 有效应力指标还是总应力指标 三轴试验指标还是直剪试验指标 峰值强度指标还是残余强度指标 51 四 土的强度指标的工程应用 有效应力指标与总应力指标凡是可以确定 测量 计算 孔隙水压力u的情况 都应当使用有效应力指标c 52 四 土的强度指标的工程应用 三轴试验指标与直剪试验指标砂土 c 三轴排水试验指标与直剪试验指标 直剪试验得到的指标偏大 粘土 有效应力指标 固结排水 固结不排水总应力指标 三轴固结不排水 不排水 直剪固结快剪 快剪 53 四 土的强度指标的工程应用 峰值强度指标与残余强度指标 峰值强度 一般问题残余强度古旧滑坡断层夹泥大变形问题 54 四 土的强度指标的工程应用