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1、1 概述土的抗剪强度理论抗剪强度指标测定方法有效应力原理在抗剪强度问题中的应用应力路径 第5章土的抗剪强度Ch 5ShearStrengthofSoil 主要内容 本章重点 土的极限平衡理论 三种三轴试验 有效应力原理在抗剪强度中的应用 应力路径及其应用 2 设计技术条件 地基变形条件地基强度条件 5 1概述 土的抗剪强度 土体抵抗剪切破坏的极限能力 3 公路工程发生路基土剪切破坏 浙江萧甬铁路发生地基土体剪切破坏 4 5 2 1库仑公式 库仑 Coulomb 于1776年对砂土进行了这样的剪切试验 FLASH 5 2土的抗剪强度理论 5 库仑根据砂土剪切试验 提出砂土抗剪强度的表达式 f t
2、an 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 6 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 5 2 2莫尔 库仑强度理论及极限平衡条件 当土体中某点任一平面上的剪应力等于土的抗剪强度时 将该点即濒于破
3、坏的临界状态称为 极限平衡状态 表征该状态下各种应力之间的关系称为 极限平衡条件 1 土体中任意点的应力状态 8 斜面上的应力 9 FLASH 10 应力圆A与强度线相离 强度线 应力圆B与强度线相切 应力圆C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 将土中某点的摩尔应力圆与土的抗剪强度包线绘在同一坐标图上可见 A B C 11 莫尔 库仑破坏准则 c A c cot 1 2 1 3 无粘性土 c 0 粘性土 c 0 由 AOO O O 12 土体处于极限平衡状态时 破坏面与大主应力作用面的夹角为 f 讨论 1 当 1f 1或 sf 3时 土体于破坏状态 4
4、破裂面与大主应力作用面夹角为45 2 与小应力作用面夹角为45 2 土的剪切破坏并不是由最大剪应力 max所控制 13 5 3抗剪强度的测定方法 5 3 1直接剪切试验 测定方法 室内 直剪试验 无侧限抗压强度试验 三轴压缩试验 室外 十字板剪切试验和大型直接剪切试验 14 15 16 17 直剪试验 1 2 3 4 观看实验录象 18 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 19 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
5、抗剪强度包线 20 根据试验过程中是否排水 直剪试验可分为三种类型 1 快剪 加 后立即加 3 minu剪坏 模拟不排水剪切 2 固结快剪 加 固结稳定后 快速加 使土样剪坏 3 慢剪 加 固结稳定后 慢速加 使土样剪坏 21 直剪试验优缺点 优点 仪器构造简单 试样的制备和安装方便 易于操作缺点 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 22 5 3 2三轴压缩试验 应变控制式三轴仪 压力室 加压系统 量测系统
6、组成应力控制式三轴仪 1 试验设备和试验方法 23 试验步骤 2 施加周围压力 3 施加竖向压力 1 装样 24 应变控制式三轴仪 量测系统 压力室 加压系统 25 数据自动采集三轴压缩试验系统 26 三轴实验室一角 27 28 1 2 3 4 切土样 试样饱和 试样脱模 试样装橡皮膜 29 5 6 7 8 装好的试样 检查管路 装透水石 连接管路 30 加围压 开孔压阀 9 10 11 12 装压力室 调整位移传感器 或百分表 31 13 读排水管 32 观看三轴试验操作演示 1 2 3 4 33 三轴压缩试验可供在复杂应力条件下研究土的抗剪强度特性之用 其突出优点是 1 试验中能严格控制试
7、样的排水条件 准确测定试样在剪切过程中孔隙水压力变化 从而可定量获得土中有效应力的变化情况 2 与直剪试验对比起来 试样中的应力状态相对地较为明确和均匀 不硬性指定破裂面位置 3 除抗剪强度指标外 还可测定如土的灵敏度 侧压力系数 孔隙水压力系数等力学指标 3 三轴试验的特点 34 4 其他的三轴试验 应力控制式全自动三轴试验仪 真三轴仪 35 5 3 3无侧限抗压强度试验 无侧限抗压强度试验如同三轴压缩试验中 3 0时的特殊情况 剪切破坏时试样所承受的轴向压力称为无侧限抗压强度qu 无粘性土在无侧限条件下试样难以成型 主要用于粘性土 尤其适用于饱和软土 Flash 36 无侧限压缩仪 37
8、对于饱和软粘土 在不固结不排水条件下进行剪切试验 可认为内摩擦角为0 其抗剪强度包线与 轴平行 因而 由无例限抗压强度试验所得的极限应力圆的水平切线 即为饱和软粘土的不徘水抗剪强度包线 38 按下式计算灵敏度st 式中qu为原状土的无侧限抗压强度 kPa qu 为重塑后土的无侧限抗压强度 kPa 无侧限抗压强度试验还可用来测定粘性土的灵敏度 其方法是将已做完无侧限抗压强度试验的原状土样 彻底破坏其结构 并迅速塑成与原状试样同体积的重塑试样 以保持重塑试样的含水率与原状试样相同 并避免因触变性导致土的强度部分恢复 39 5 3 4十字板剪切试验 40 适用于现场测定饱和粘性土的不排水强度 尤其适
9、用于均匀的饱和软粘土 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 41 5 4有效应力原理在抗剪强度问题中的应用 据此作出有效应力园 求出有效应力强度指标C 和 注 对于饱和软粘土 不排水剪只能绘出一个有效应力园 所有有效应力园重合 不能用不排水剪求取土的C 值 5 4 1有效抗剪强度指标土的抗剪强度取决于该面上的有效法向应力 土体内的剪应力仅能由土的骨架承担 土的抗剪强度应表示为剪切面上的有效法向应力的函数土的抗剪强度与总应力间没有唯一的关系 与有效应力有唯一的对应关系据 42 5 4 1孔隙压力系数A和B 1 等向压应力 3作用下孔压系数B 对于饱和土B 1 干土B
10、 0非饱和土0 B 1Sr 则B 孔隙压力 u1 43 2 偏应力作用下的孔隙压力系数A 孔隙压力 u2 44 若试样同时受到各向均等压力增量 3和轴向偏应力增量 1 3作用 产生的孔隙压力增量 u为 3 试样所受力 1 2 3共同作用下 由于土体并非弹性体故上式中1 3改为A 影响A值的因素 偏应力增量 1 3 A 土的压缩性高 A 土的固结状态 超固结土 A为负初始应力状态初应力 A 见图6 18应力历史先期固结压力Pc A u B 3 A 1 3 A 偏应力条件下孔隙压力系数 反映土体剪切过程中的胀缩性 45 例5 2 有一圆柱体非饱和土试样 见图 在不排水条件下 1 先施加周围压力 3
11、 100kPa 测得孔压系数B 0 7 试求土样内的u和 3 2 在上述试验上又施加 3 50kPa 1 150kPa 并测得孔压系数A 0 5 试求此时土样的 1 3 u 1 3 各为多少 假设B值不变 解 根据式 5 19 u1 B 3 0 7 100kPa 70kPa 3 3 u1 100kPa 70kPa 30kPa当 3 50kPa 1 150kPa时 土样内新增加的孔隙压力 u2 u2 B 3 A 1 3 由于又施加了 3 50kPa 0 7 50 0 5 150 50 70kPa则此时试样内的总孔压u u1 u2 70kPa 70kPa 140kPa 1 100kPa 150kP
12、a 250kPa 3 100kPa 50kPa 150kPa 1 250kPa 140kPa 110kPa 3 150kPa 140kPa 10kPa 讨论题 课后考虑 三种三轴试验的孔隙水压力 U计算式 46 5 4 1粘性土在不同固结和排水条件下的抗剪强度指标 三种三轴试验方法 2 固结不排水剪 CU试验 1 不固结不排水剪 UU试验 3 固结排水剪 CD试验 5 4强度试验方法与抗剪强度指标选用 47 1固结不排水剪强度指标 48 49 2不固结不排水剪强度指标 50 3固结排水剪强度指标 51 例题5 1 一饱和粘土试样在三轴压缩仪中进行固结不排水剪试验 施加的周围压力 3 200kP
13、a 试样破坏时的轴向偏应力 1一 3 280kPa 测得孔隙水压力uf 180kPa 有效应力强度指标c 80kPa 24 试求破裂面上的法向应力和剪应力 以及该面与水平面的夹角 f 若该试祥在同样周围压力下进行固结排水剪试验 问破坏时的大主应力值 1 是多少 解 据试验结果 破裂面与水平面的夹角 计算破裂面上的法向应力 和剪应力 52 排水剪的孔隙水压力恒为零 故试样破坏时 根据极限平衡理论求破坏时的最大主应力 本题也可按教材所介绍的方法 根据破坏面上剪应力等于抗剪强度来解决 53 例题5 2 某无粘性土饱和试样进行排水剪试验 测得抗剪强度指标为cd 0 d 31 如果对同一试样进行固结不排
14、水剪试验 施加的周围压力 3 200kPa 试祥破坏时的轴向偏应力 1一 3 f 180kPa 试求试样的不排水剪强度指标 cu和破坏时的孔隙水压力uf和系数Af 解 据试验结果 排水剪的孔隙水压力恒为零 得 而无粘性土的 根据极限平衡理论 54 解之得 根据 联立求解 可得有效大 小主应力 故破坏时的孔隙水压力 破坏时的孔隙水压力系数 55 56 5 4 2粘性土的残余强度指标 57 5 4 3无粘性土的抗剪强度指标 58 5 4 4软化与硬化以及剪胀与剪缩应变硬化 土在剪切时 随应变加大 土能承受的应力也增加 在一般试验应变范围内不出现峰值应力的特性 应变软化 土在剪切时 出现峰值应力 但
15、在峰值以后随着应变增大 土所能承受的应力则减小的特性 剪胀性 剪缩性 临界孔隙比ek 初始孔隙比eoek剪缩型 59 5 5应力路径 5 5 1应力路径的概念 应力路径 是指在外力作用下土中某一点的应力变化过程在应力坐标图中的轨迹 1 应力路径表示法1 直角坐标表示法2 P q直角坐标表示法P 1 3 2q 1 3 2 两种应力路径 总应力路径TSP 与土质 排水条件无关 有效应力路径ESP 与土质 排水条件有关 60 flash 61 2 几种典型条件下的应力路径 1 直剪试验应力路径2 三轴试验应力路径 a 固结不排水剪试验正常固结土试验和超固结土试验 62 b 固结排水剪试验注 P q座标中Kf Kf不是强度包线 而是最大剪应力点连线 其a 与C 关系为sin tg C a cos 63 3 建筑物地基中的应力路径 4 路堤分级加荷施工时地基中的应力路径 64 3 应力路径方法对强度 变形的意义应力路径法确定强度破坏值的方法 TSP ESP分别已达Kf Kf线即认为土样达到破坏状态 其交点即为强度破坏值 讨论思考题 将图6 41中不同试验用应力路径表示之
