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1、清华大学土木水利学院 岩 土 工 程 研 究 所,张 丙 印,土力学1之第五章,土的抗剪强度,12月6日习题讨论课,范围：第四章,内容： 小测验 习题讨论、方法讨论 难点讨论、其它讨论,提示,答疑,时间：12月5日晚8：00 10：00 地点：新水利馆227 （从正门进，上2楼，两个左拐，右手）,本章提要 学习难点,第五章： 土的抗剪强度,土是如何破坏的？ 如何衡量土的强度？ 如何测定土的强度？ 如何应用土的强度指标？ 土的抗剪强度理论及本质 土的抗剪强度指标及测试方法 土的抗剪强度指标的种类及选取,作业,5-1 5-3 5-5 3-9 5-8 5-4 5-9,5.1 概述 5.2 土体破坏与
2、土的强度理论 5.3 土的抗剪强度的测定试验 5.4 应力路径与破坏主应力线 5.5 土的抗剪强度指标 5.6 土的动强度与砂土的振动液化,第五章： 土的抗剪强度,5.1 概述 - 土体强度及其特点,概 述,土体强度及其特点 工程中土的强度问题,土的抗剪强度 土的强度的特点,各种类型的滑坡(sliding) 挡土和支护结构的破坏 地基的破坏 砂土的液化(liquefaction),土的强度及其特点,天然状态下的砂,沿坡方向的平衡：,天然休止角，也是最松状态下的砂内摩擦角,5.1 概述 - 土体强度及其特点,土的强度及其特点,天然状态下的沙丘,固定沙丘背风坡角度接近天然休止角，一般为=30-35
3、，大于矿物滑动摩擦角,颗粒间存在一定的咬合作用,5.1 概述 - 土体强度及其特点,土体强度的特点,碎散性：强度不是颗粒矿物本身的强度，而是颗粒间相互作用 - 主要是抗剪强度与剪切破坏，颗粒间粘聚力与摩擦力 三相体系：三相承受与传递荷载 - 有效应力原理 自然变异性：土的强度的结构性与复杂性,5.1 概述 - 土体强度及其特点,各种类型的滑坡,5.1 概述 - 土体强度及其特点,1994年4月30日 崩塌体积400万方，10万方进入乌江 死4人，伤5人，失踪12人；击沉多艘船只 1994年7月2-3日降雨引起再次滑坡 滑坡体崩入乌江近百万方；江水位差数米，无法通航。,乌江武隆鸡冠岭 山体崩塌,
4、5.1 概述 - 土体强度及其特点,滑坡堰塞湖易贡湖 湖水每天上涨50cm！,天然坝 坝高290 m 滑坡堰塞湖 库容15亿方,2000年西藏易贡巨型滑坡,5.1 概述 - 土体强度及其特点,锚固破坏,整体滑动,底部破坏,土体下沉,墙体折断,挡土支护结构的破坏,5.1 概述 - 土体强度及其特点,广州京光广场基坑塌方,使基坑旁办公室、民工宿舍和仓库倒塌，死3人，伤17人,5.1 概述 - 土体强度及其特点,大阪的港口码头挡土墙由于液化前倾,5.1 概述 - 土体强度及其特点,地基的破坏,5.1 概述 - 土体强度及其特点,5.1 概述 - 土体强度及其特点,砂土的液化(liquefaction
5、),日本新泻1964年地震引起大面积液化,5.1 概述 - 土体强度及其特点,土压力 边坡稳定性 地基承载力 振动液化特性,挡土结构物破坏 各种类型的滑坡 地基的破坏 砂土的液化,核心问题:,土体的强度理论,5.1 概述 - 土体强度及其特点,5.1 概述 5.2 土的抗剪强度理论 5.3 土的抗剪强度的测定试验 5.4 应力路径与破坏主应力线 5.5 土的抗剪强度指标 5.6 土的动强度与砂土的振动液化,第五章： 土的抗剪强度,5.2 土的抗剪强度理论,土的抗剪强度理论,直剪试验与库仑公式 土的抗剪强度机理 莫尔-库仑强度理论,5.2 土的抗剪强度理论,法国军事工程师，在摩擦、电磁方面做出了
6、奠基性的贡献。1773年发表了关于土压力方面论文，成为土压力的经典理论,库仑 （C. A. Coulomb） (1736-1806),5.2 土的抗剪强度理论 直剪试验与库伦公式,直 剪 试 验,直剪试验,法向应力：,剪应力：,剪切变形S,5.2 土的抗剪强度理论 直剪试验与库伦公式,直剪试验的强度包线,库仑公式：（1776）,f ： 土的抗剪强度 tg： 摩擦强度-正比于压力 ： 土的内摩擦角 c： 粘聚强度-与所受压力无关,5.2 土的抗剪强度理论 直剪试验与库伦公式,土的抗剪强度指标,c和是决定土的抗剪强度的两个指标，称为抗剪强度指标,当采用总应力时，称为总应力抗剪强度指标 当采用有效应
7、力时，称为有效应力抗剪强度指标,对无粘性土通常认为，粘聚力C=0,库仑公式:,5.2 土的抗剪强度理论 直剪试验与库伦公式,摩 擦 强 度,摩擦强度：决定于剪切面上的正应力和土的内摩擦角,由颗粒之间发生滑动时颗粒接触面粗糙不平所引起，与颗粒的形状，矿物组成，级配等因素有关,滑动摩擦,5.2 土的抗剪强度理论 土的抗剪强度机理,摩擦强度：决定于剪切面上的正应力和土的内摩擦角,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,咬合摩擦,5.2 土的抗剪强度理论 土的抗剪强度机理,摩
8、 擦 强 度,摩 擦 强 度,密度 粒径级配 颗粒的矿物成分 粒径的形状 粘土颗粒表面的吸附水膜,影响土的摩擦强度的主要因素:,5.2 土的抗剪强度理论 土的抗剪强度机理,凝 聚 强 度,细粒土：粘聚力c取决于土粒间的各种物理化学作用力,作用机理：库伦力（静电力）、范德华力、 胶结作用力和毛细力等 影响因素：地质历史、粘土颗粒矿物成分、 密度与离子浓度,粗粒土：一般认为是无粘性土，不具有粘聚强度：,当粗间有胶结物质存在时可具有一定的粘聚强度 非饱和砂土，粒间受毛细压力，具有假粘聚力,5.2 土的抗剪强度理论 土的抗剪强度机理,应力状态与莫尔圆 极限平衡应力状态 莫尔-库仑强度理论 破坏判断方法
9、 滑裂面的位置,莫尔-库仑强度理论,5.2 土的抗剪强度理论 莫尔-库仑强度理论,应力状态,三维应力状态,二维应力状态,5.2 土的抗剪强度理论 莫尔-库仑强度理论,莫尔圆应力分析符号规定,5.2 土的抗剪强度理论 莫尔-库仑强度理论,应力莫尔圆,5.2 土的抗剪强度理论 莫尔-库仑强度理论,极限平衡应力状态,5.2 土的抗剪强度理论 莫尔-库仑强度理论,极限平衡应力状态：当一面上的应力状态达到=f 土的强度包线：所有达到极限平衡状态的莫尔圆的公切线,切点=破坏面,应力莫尔圆与强度包线,强度包线以下：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：有一个面上的应力达到破坏
10、与破坏包线相交：有一些平面上的应力超过强度,5.2 土的抗剪强度理论 莫尔-库仑强度理论, 不可能发生,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） 在一定的应力范围内，可以用线性函数近似f=c+tg 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,莫尔库仑强度理论,5.2 土的抗剪强度理论 莫尔-库仑强度理论,莫尔-库仑强度理论的破坏准则,土的极限平衡条件： 处于极限平衡状态时， 1和3之间应满足的关系,无粘性土,5.2 土的抗剪强度理论 莫尔-库仑强度理论,土单元是否破坏的判别,根据极限平衡条件可以用来判别一点土体是否已
11、发生剪切破坏,计算主应力1, 3：,确定土单元体的应力状态（x，z，xz）,判别是否剪切破坏：,由3 1f，比较1和1f 由1 3f，比较3和3f 由1 , 3 m，比较和m,5.2 土的抗剪强度理论 莫尔-库仑强度理论,土单元是否破坏的判别,1= 1f 极限平衡状态 （破坏） 11f 不可能状态 （破坏）,方法一： 由3 1f，比较1和1f,5.2 土的抗剪强度理论 莫尔-库仑强度理论,土单元是否破坏的判别,方法二： 由1 3f，比较3和3f,3= 3f 极限平衡状态 （破坏） 3 3f 安全状态 33f 不可能状态 （破坏）,5.2 土的抗剪强度理论 莫尔-库仑强度理论,土单元是否破坏的判
12、别,方法三： 由1 , 3 m，比较和m,m 不可能状态 （破坏）,处于极限平衡状态所需的内摩擦角,5.2 土的抗剪强度理论 莫尔-库仑强度理论,剪切破坏面的位置,2=90+,=45+/2,可见土体破坏的剪切破坏不在45最大剪应力面上，为什么？,与大主应力面夹角:,5.2 土的抗剪强度理论 莫尔-库仑强度理论,小 结,直剪试验与库仑公式 土的抗剪强度机理 莫尔-库仑强度理论,直剪试验 库仑公式 土的抗剪强度指标c和,应力状态与莫尔圆 极限平衡应力状态 莫尔-库仑强度理论 土体破坏判断方法 滑裂面的位置,摩擦强度：滑动、咬合摩擦 凝聚强度,5.2 土的抗剪强度理论 莫尔-库仑强度理论,5.1 概
13、述 5.2 土的抗剪强度理论 5.3 土的抗剪强度的测定试验 5.4 应力路径与破坏主应力线 5.5 土的抗剪强度指标 5.6 土的动强度与砂土的振动液化,第五章： 土的抗剪强度,5.3 土的抗剪强度的测定试验,室内试验： 直剪试验 三轴试验等 野外试验： 十字板扭剪试验 旁压试验等,抗剪强度测定试验,重塑土制样或现场取样 缺点：扰动 优点：应力和边界条件 清楚，易重复,缺点：应力和边界条 件不易掌握 优点：原状土的原位 强度,5.3 土的抗剪强度的测定试验,直 剪 试 验,P,T,土样,下盒,上盒,S,面积A,1,S,2,3,f1,f2,f3,直剪仪 (direct shear test a
14、pparatus),5.3 土的抗剪强度的测定试验 直剪试验,直剪试验的类型,(1) 固结慢剪 施加正应力-充分固结 剪切速率很慢，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,通过控制剪切速率近似模拟排水条件,5.3 土的抗剪强度的测定试验 直剪试验,直剪试验的优缺点,设备和操作简单 人为固定剪切面 剪切面应力状态复杂 应力、应变不均匀 主应力方向旋转 剪切面积逐渐减小 排水条件不明确,5.3 土的抗剪强度的测定试验 直剪试验,直剪试验中的应力状态,剪切 破坏时,5.3 土的抗剪
15、强度的测定试验 直剪试验,三轴试验,试样应力特点 与试验方法 强度包线 试验类型 优缺点,5.3 土的抗剪强度的测定试验 三轴试验,应力特点与试验方法,方法： 固结：试样施加围压力1=2=3 剪切：施加应力差1=1-3,应力特点： 试样是轴对称应力状态 垂直应力z一般是大主应力1 侧向应力总是相等x=y，且为中、小主应力2=3,5.3 土的抗剪强度的测定试验 三轴试验,应力特点与试验方法,常用试验类型,5.3 土的抗剪强度的测定试验 三轴试验,破坏偏差应力取值方法,松砂,密砂,取曲线的最大偏差应力值作为(1-3)f 取规定的轴向应变值（通常15%）所相应的偏差应力作为(1-3)f 以最大有效主应力比(1/3)max处的偏差应力值作为(1-3)f,5.3 土的抗剪强度的测定试验 三轴试验
