(修改)第七章 土的抗剪强度.ppt

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1、1,第七章,土的抗剪强度,2,7.1 概述,1. 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（剪切破坏），颗粒间粘聚力与摩擦力； 2. 三相体系：三相承受与传递荷载有效应力原理； 3. 自然变异性：土的强度的结构性与复杂性。,一、土的强度特点,抗剪强度土体抵抗剪应力的极限值,3,二、工程中土体的破坏类型,4,二、工程中土体的破坏类型,5,一、库伦公式 1773年C.A.Coulomb根据砂土试验，提出了： f = tan 1776年他又提出了适用于粘土的更普遍公式： f = c + tan c和 是决定土的抗剪强度的两个指标，称为抗剪强度指标。,7.2 土的抗剪强度理论,6,

2、以后，由于有效应力原理的发展，人们认识到土体内的剪应力只能由土骨架承担，只有有效应力的变化才能引起抗剪强度的变化。因此，上述库伦公式应修改为： f = tan f = c + tan 式中：c 土的有效粘聚力； 土的有效内摩擦角。 以上实际上将土的抗剪强度分成了总应力表达法和有效应力表达法。,7,二、莫尔理论,莫尔（Mohr）继库伦的早期研究工作之后，在1900年提出了材料的剪切破坏理论。 莫尔认为，根据试验得到的各种应力状态下的极限应力圆具有一条公共包络线，如下图所示。一般来讲，这条包络线是曲线，并被称为莫尔包（络）线或抗剪强度包线。,f,f = f ( ),图5-1 莫尔包络线,如果材料中

3、某点的应力圆位于包线之下，表明该点安全； 如果某点的应力圆与莫尔包线相切，表明该点处于极限平衡状态； 如果应力圆与莫尔包线相交，说明该点已经破坏。,8,莫尔包线的一般表达式是 f = f() 具体形式多种多样，有斜直线，双曲线、抛物线、摆线等，应当通过试验确定，而不是靠什么理论和假设推导出来。对各种型式的莫尔包络线的讨论在以后选修的岩石力学课程中能够见到。,9,三、莫尔-库仑强度理论,固定滑裂面,一般应力状态如何判断是否破坏？,借助于莫尔圆,库仑公式,实验证明，在应力变化范围不很大的情况下，土的莫尔破坏包线 可以近似的用直线代替，该直线的方程与库伦公式一致。这种用库伦公式来 表示莫尔包线的强度

4、理论就称为莫尔-库伦强度理论。,10,摩尔应力圆的意义和用法,11,摩尔应力圆的意义和用法,12,三、土的极限平衡状态,13,三、土的极限平衡状态,14,四、土的极限平衡状态,15,16,17,室内试验 野外试验,7.3 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,18,一、 直剪试验,应变控制式：控制位移（我国较普遍） 应力控制式：控制水平剪应力,直剪试验结果,垂直压力一般取：100kPa、200kPa、 300kPa、 400kPa,19,通过

5、控制剪切速率来近似模拟排水条件,一、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,20,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,一、直剪试验,21,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,抗剪强度指标,22,在不同的垂直压力下进行剪

6、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,C钢环变形常数,R变形量,23,24,25,1、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,二、三轴试验,由压力室、轴向加荷系统、施加围压系统、孔隙水压力量测系统组成。,26,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,27,强度包线,(1-)f,c,(1-)f,1 =15%,分别作围压为100 kPa 、200

7、 kPa 、300 kPa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,28,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，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

8、水,cd 、d,ccu 、cu,cu 、u,3、试验类型,29,试验条件与现场条件 的对应关系,固结排水试验,固结不排水试验,不固结不排水试验,30,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,缺点： 设备相对复杂，现场难以试验,说明： 30 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,31,一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,32,时：,三、十字板剪切试验,33,轴对称三维应力状态,=,+,等向压缩应力状态,偏差应力状态,封闭土样

9、,7.4 三轴压缩试验中的孔隙压力系数,34,(1) 等向压缩应力状态,孔隙流体产生了超静孔隙水压力uB,土骨架的有效附加应力,孔隙流体的体积变化,孔隙流体的体积压缩系数为Cv ，单位孔隙压力作用引起的体应变,土骨架的体积变化,设土骨架的体积压缩系数为Cs,体积V,土骨架的体变等于孔隙流体的体变V1=V2,孔压系数B,土骨架为 线弹性体,35,饱和土： 干 土： 非饱和土：,B是一个反映土饱和程度的指标,孔隙流体的体积压缩系数为Cv ，单位孔隙压力作用引起的体应变,设土骨架的体积压缩系数为Cs,孔压系数B,(1) 等向压缩应力状态,36,孔隙流体产生了超静孔隙水压力uA,有效附加应力,孔隙流体

10、的体积变化,土骨架的体积变化,土骨架的体变等于孔隙流体的体变V1=V2,孔压系数A,(2) 偏差应力状态,体积V,暂时假定土骨架为线弹性体,轴向,侧向,总应力增量,应变增量,0,37,孔压系数A,对饱和土:,剪切作用引起的孔压响应,对于线弹性体:,A=1/3,A不是常数，随加载过程而变化,A1/3,A1/3,剪胀：,剪缩：,(2) 偏差应力状态,A 是一个反映土剪胀性强弱的指标，其大小与土性有关,剪胀性：剪应力引起土的体积变化的特性,38,一、应力路径及表示法,土的应力应变关系特性 、弹塑性、,需要记录加载历史,应力路径概念,土体中一点应力状态连续变化，在应力空间（平面）中的轨迹,应力状态：土

11、体中一点（微小单元）上作用的应力的大小与方向,7.5 应力路径在强度问题中的应用,39,一、应力路径及表示法,1,3,q,p,莫尔 圆,应力 状态,圆上 特定点,p,q,p, q平面：一个 点代表一个应力状态,40,3,1,13,固结排水三轴试验,保持为常数,一、应力路径及表示法,莫尔圆与 p, q 平面上的应力路径,41,p,q,Kf线,以固结排水三轴试验为例,二、强度包线与破坏主应力线,两条直线与横坐标交点都是 O,强度包线 f ： 在 坐标系中所有破坏状态莫尔圆的公切线,破坏主应力线 Kf 在p q 坐标系中所有处于极限平衡应力状态对应点的集合,O,42,二、强度包线与破坏主应力线,43

12、, ；c a,二、强度包线与破坏主应力线,用若干点的最小二乘法确定a 和 然后计算强度指标c和,确定强度指标,a,44,以松砂固结不排水三轴试验为例,三、总应力路径与有效应力路径,1、总应力与有效应力状态,有效应力原理,孔隙水压力,u,45,3,2、总应力路径与有效应力路径,u,46,强度指标：,峰值强度指标 与 残余强度指标,7.6 抗剪强度指标,粘聚力 c 内摩擦角 ,工程应用,三种分类方法,总应力强度指标 与 有效应力强度指标,直剪强度指标 与 三轴试验强度指标,目的,分析方法,试验方法,应力应变状态,47,1. 两种强度指标的比较,有效应力指标c, , = c + tg = -u,符合

13、土的破坏机理，但有时孔隙水压力u无法确定,总应力指标c, , = c + tg,便于应用，但u不能产生抗剪强度，不符合强度机理，应用时要符合工程条件,强度指标,抗剪强度,简单评价,一. 总应力指标与有效应力指标,48,1,(),p(p),q,u,Kf,Kf,f,f,u,u,松砂及正常固结粘土：CU试验,一. 总应力指标与有效应力指标,2. 强度包线与破坏主应力线,思考题1：实际破裂面的方向？ 思考题2：如果破坏时孔隙水压力u(负孔压)，有效应力莫尔圆在总应力莫尔圆哪边？,49,(),c,c,f,f,超固结粘土的总应力与有效应力强度包线(CU),u(-),一. 总应力指标与有效应力指标,2.强度

14、包线与破坏主应力线,u(+),总应力,有效应力,50,二. 三轴试验强度指标,51,1.固结排水试验,强度指标：cd，d (1) 特点 (2) 松砂与正常固结粘土试验曲线与强度包线 (3) 密砂与超固结粘土试验曲线与强度包线 (4) 超固结粘土+正常固结粘土的强度包线,二.三轴试验强度指标,52,(1)特点,1.固结排水试验,二.三轴试验强度指标,总应力指标与有效应力指标一致:,破坏面位置：,53,v,轴向应力渐进增加，体应变表现为体缩，最终二者均趋于稳定,(2) 松砂与正常固结粘土试验曲线与强度包线,=,f=f,思考题：正常固结粘土包线为什么过原点？,1.固结排水试验,二.三轴试验强度指标,

15、54,实验室的正常固结粘土： 有效固结压力c 等于先期固结压力p。,地基中的正常固结粘土： z s p 取回室内, 如 c z，不再是正常固结土。,f,“正常固结粘土”,(2) 松砂与正常固结粘土试验曲线与强度包线,1.固结排水试验,二.三轴试验强度指标,抗剪强度指标有时失去其物理意义，而变成计算参数的含义,z,固结压力为0的正常固结粘土: 当正常固结粘土试样的固结压力为0时，亦即其历史上的最大固结压力是0 处于泥浆状态，抗剪强度为0。,c=0是否意味着正常固结粘土无粘聚力? 粘聚力随增加而增加,55,v,v表示体缩 v0表示体胀(剪胀),应力应变关系软化硬化，体应变剪胀剪缩,(3)密砂与超固

16、结粘土试验曲线与强度包线,f,密砂强度包线,密砂应力应变关系曲线,1.固结排水试验,二.三轴试验强度指标,56,v表示体缩 v0表示体胀(剪胀),超固结粘土强度包线,超固结粘土应力应变关系曲线,(3)密砂与超固结土试验曲线与强度包线,1.固结排水试验,二.三轴试验强度指标,应力应变关系软化硬化，体应变剪胀剪缩,cp0 cr = 0,57,e,p,强度包线,f,p,土的压缩曲线,(4)超固结粘土+正常固结粘土强度包线, p ，正常固结粘土； p ，超固结粘土,1.固结排水试验,二.三轴试验强度指标,58,2.固结不排水试验,二.三轴试验强度指标,强度指标：ccu ，cu；c， (1) 特点 (2

17、) 正常固结粘土固结不排水试验曲线与强度包线 (3) 超固结粘土固结不排水试验曲线与强度包线 (4) 固结不排水三轴试验确定的强度指标,59,2.固结不排水试验,二.三轴试验强度指标,剪切过程中的超静孔隙水压力u 对于饱和土试样：孔压系数B=1.0 u=BA ( = A ( 对于剪切过程中无剪胀性： A=1/3 剪切过程中发生剪缩： A1/3 剪切过程中发生剪胀： A1/3 (甚至可能A0，u 0 ）,(1)特点,60,u,轴向应力和孔压渐进增加并趋于稳定， 孔压 u 0,(2) 正常固结粘土固结不排水试验曲线与强度包线,f,f,cu,2.固结不排水试验,二.三轴试验强度指标,61,u,应力应

18、变关系软化，孔压可能小于0 与超固结度有关,f,(3) 超固结粘土固结不排水试验曲线与强度包线,f,cu,u0,u0,2.固结不排水试验,二.三轴试验强度指标,62,(4) 固结不排水三轴试验确定的强度指标,2.固结不排水试验,二.三轴试验强度指标,应力变量,试验量测, u,计算,= u =,确定的强度指标,ccu cu,c ,63,3.不固结不排水试验,二.三轴试验强度指标,强度指标：cuu (cu)，uu (u) (1) 特点 (2) 饱和试样的不排水强度指标cu (3) 不排水试验与固结不排水试验 (4) 无侧限压缩试验：3 = 0的不排水试验 (5) 不饱和试样的不排水强度,64,(1

19、)特点 从某一初始状态开始，关闭阀门施加围压，产生孔隙水压力 u1=B 施加（1 -）时，阀门关闭，可连接孔压传感器，量测剪切过程中产生的超静孔隙水压力u2 = BA (),3.不固结不排水试验,二.三轴试验强度指标,量测孔隙水压力,65,u =0 , cu, 并且有效应力莫尔圆是唯一的,思考题：可否由不排水试验确定有效应力强度指标？,(2)饱和试样的不排水强度指标,cu,u = B + A () B=1,3.不固结不排水试验,二.三轴试验强度指标,Cu依赖于 初始状态,66,cu, p1,cu1,p2,cu2,p3,cu3,(3)不排水试验与固结不排水试验,3.不固结不排水试验,二.三轴试验

20、强度指标,正常固结粘土层,固结不排水试验强度包线上的每一点对应于一个具有相同先期固结压力的不排水强度指标,67,cu = qu/2,cu,qu = ,(4)无侧限压缩试验：3 =0的不排水试验,3.不固结不排水试验,二.三轴试验强度指标,68,(5)不饱和试样的不排水强度,不饱和区,饱和区,3.不固结不排水试验,二.三轴试验强度指标,69,三. 直剪试验强度指标,1. 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,70,强度指标,对于砂土，

21、三种试验结果都接近于c 对于粘性土， 慢剪(Slowly: s) ：csc s; 由于摩擦和中主应力使其强度指标稍大 0.9csc, 0.9s 固结快剪（Consolidated Quickly : cq） ccqccu cqcu 快剪 (Quickly: q) : 对于 k10-7 cm/s 粘土 cqcu qu,三. 直剪试验强度指标,71,四. 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，,72,四. 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

22、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,73,四. 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,74,四. 土的强度指标的工程应用,75,不固结不排水剪（快剪） cu、u（cq、q）,粘土地基上快速施工的建筑物,四. 土的强度指标的工程应用,76,固结不排水剪（固结快剪） ccu、cu（ccq、cq）,在天然土坡上快速填方,四. 土的强度指标的工程应用,77,固结排水剪（慢剪） ccd、cd（cs、s）,粘土地基上慢速施工的建筑物,四. 土的强度

23、指标的工程应用,78,一、动三轴试验 二、液化现象 三、液化机理 四、液化危害 五、影响因素和防治,5.5 砂土的振动液化,79,静力固结 动载试验 典型试验结果,5.5 砂土的振动液化,一、动三轴试验,80,二、液化现象,饱和松砂在振动情况下孔压急剧升高 在瞬间砂土呈液态,5.5 砂土的振动液化,81,三、液化机理,（1）初始处于疏松状态,（3）振后处于密实状态,（2）振动过程中处于悬浮状态 - 孔压升高（液化）,5 土的抗剪强度,5.5 砂土的振动液化,液化定义：在饱和砂土中，由于振动引起颗粒的悬浮，超静孔隙水压力急剧升高，直到其孔隙水压力等于总应力时，有效应力为零，砂土的强度丧失，砂土呈

24、液体流动状态，称为液化现象。,82,振前松砂的结构,振中颗粒悬浮， 有效应力为零,振后砂土 变密实,5.5 砂土的振动液化,三、液化机理,83,四、液化危害,5.5 砂土的振动液化,84,85,日本阪神地震引起的路面塌陷,86,由于液化引起的河道破坏日本神户,87,阪神地震中新干线的倾覆,88,地基液化引起的储油罐倾斜日本神户,89,日本阪神地震引起的地面下沉房屋脱离地面,90,桩基础（房屋基础露出地面）,91,桥台基础（地震液化后突出地面）,92,5.5土的动强度与砂土的振动液化,五、影响因素和防治,1、影响因素,饱和度 组成 粉细砂： d50 =0.07mm- 1.0mm 砾类土： 粒径大

25、于5mm60% 粉 土： Ip=（3-10）Il=0.75-1.0 状态： 相对密度Dr50% 结构 其他： 排水条件、应力状态及历史、地震特性.,93,5.5土的动强度与砂土的振动液化,五、影响因素和防治,2、工程防治措施,加固地基土：换土、加密 围封 加固建筑物 深基础与桩基础,94,土体破坏与强度理论,抗剪强度测定试验,应力路径与破坏主应力线,抗剪强度 指标,砂土的 振动液化,小结,土的强度特点 工程中土体的破坏类型 土的强度机理 莫尔-库仑强度理论,三轴试验 直剪试验 十字板剪切试验,应力路径及表示法 强度包线与破坏主应力线 总应力路径与有效应力路径 粘性土密度有效应力抗剪强度唯一性关系,总应力指标与有效应力指标 三轴试验强度指标 直剪试验强度指标 土的强度指标的工程应用,动三轴试验 液化现象 液化机理 液化危害 影响因素和防治,