第六章 土的抗剪强度.ppt

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1、第五章 土的抗剪强度,第一节 概 述 第二节 土的抗剪强度理论 第三节 土的抗剪强度试验 第四节 饱和粘性土的抗剪强度 第五节 无粘性土的抗剪强度,主要内容,重点及难点：,重点： 土的抗剪强度理论； 黏性土的抗剪强度指标的测定与选择； 无黏性土的减胀性和临界孔隙比； 空隙压力系数的概念和途径，应力历史、 应力路径对土体强度指标的影响； 了解无黏性土直剪试验。 难点： 摩尔-库仑强度理论和极限平衡方程的应用； 饱和土抗剪强度试验的三种不同方法。,第四章 土的压缩性,第一节 概 述,一、土的强度特点： 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

2、擦力； 2. 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。 土的抗剪强度：土体抗抵抗剪应力的极限值。剪切破坏是土的强度破坏的重要特点。,大阪的港口码头档土墙由于液化前倾,二、工程中土体的破坏类型,1. 挡土结构物的破坏,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,使基坑旁办公室、民工宿舍和仓库倒塌，死3人，伤17人。,挡土墙,滑裂面,基坑支护,1. 挡土结构物的破坏,二、工程中土体的破坏类型,平移滑动,2. 各种类型的滑坡,崩塌,旋转滑动,流滑,二、工程中土体的破坏类型,1994年4月30日 崩塌体积400万方 10万方进入乌江

3、 死4人，伤5人，失踪12人 击沉拖轮、驳轮各一艘，渔船2只 1994年7月2-3日降雨引起再次滑坡 崩塌体巨大石块滚入江内，无法通航 滑坡体崩入乌江近百万方；江水位差数米。,乌江武隆县兴顺乡鸡冠岭山体崩塌,2. 各种类型的滑坡,二、工程中土体的破坏类型,龙观嘴,黄崖沟,乌江,2000年西藏易贡巨型滑坡,2. 各种类型的滑坡,二、工程中土体的破坏类型,高程（m）,滑距（m）,5530,2200,4000,扎 木 弄 沟,滑坡堆积体,0,8000,4000,2000,6000,立面示意图,坡高 3330 m 堆积体宽 约2500m 总方量 约3亿方,2. 各种类型的滑坡,二、工程中土体的破坏类型

4、,2000年西藏易贡巨型滑坡,边 坡,2. 各种类型的滑坡,二、工程中土体的破坏类型,日本新泻1964年地震引起大面积液化,3. 地基的破坏,二、工程中土体的破坏类型,粘土地基上的某谷仓地基破坏,3. 地基的破坏,二、工程中土体的破坏类型,地基,3. 地基的破坏,二、工程中土体的破坏类型,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,二、工程中土体的破坏类型,一、库仑定律,剪切试验播放,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

5、力 kPa :土的内摩擦角,第二节 土的抗剪强度理论,二、土体抗剪强度机制和影响因素,机制 1.滑动摩擦：剪切面土粒间表面的粗糙所产生的摩擦，即摩阻力。（砂土和粘土都有） 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。在粘土和和粉土中存在,第二节 土的抗剪强度理论,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： 对于砂土，颗粒的棱角提高了内摩擦角 对于碎石土，颗粒的棱角可能降低其内摩擦角,影响土的摩擦强度的主要因素：,1. 摩擦强度 tg,二、土

6、体抗剪强度机制和影响因素,第二节 土的抗剪强度理论,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,2. 凝聚强度,二、土体抗剪强度机制和影响因素,三、摩尔库伦强度理论,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：1910年）,在一定的应力范围内，可用线性函数近似：,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。,第二节 土的抗剪强度理论,zx,z,xz,x,第二节 土的抗剪强度理论,三、摩尔库伦理论及极限平衡条件,三、摩尔库

7、伦理论及极限平衡条件,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）,dscos,楔体静力平衡,第二节 土的抗剪强度理论,斜面上的应力,莫尔应力圆方程,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,B,D,C,强度包线以内： 与破坏包线相切： 与破坏包线相交：,f,三、摩尔库伦理论及极限平衡条件,第二节 土的抗剪强度理论,3.1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，即土的极限平衡状态。 (目前判别土体所处状态的最常用准则),3.1莫尔库仑破坏准则,c,A,cctg,1/2(1 +3

8、 ),无粘性土：c=0,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,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,五、例题分析,【例】地基中某一单元土体上的大主应力为430kPa，小主应力为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

9、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,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,第三节 土的抗剪强度试验,一、室内试验 二、野外试验,直剪试验、三轴试验等 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

10、：原状土的原位强度,一、直接剪切试验（室内试验）,试验仪器：直剪仪（应力控制式，应变控制式）,第三节 土的抗剪强度试验,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：,一、直接剪切试验（室内试验）,1、试验过程：试验时，由杠杆系统通过加压活塞和透水石对试样施加某一垂直压力，然后等速转动手轮对下盒施加水平推力，使试样在上下盒的水平接触面上产生剪切变形，直至破坏，剪应力的大小可借助与土盒接触的量力环的变形值计算确定。,在法向应力作用下，得到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,一、直接剪切试验（室内试验）,2、抗剪强度指标的选取,对硬黏土和

11、密砂，曲线出现剪应力峰值，峰后强度随剪切位移增大而减小，称为应变软化现象，取峰值强度（a点）作为抗剪强度,对软黏土和松砂，曲线不出现剪应力峰值，强度随剪切位移增大而增大，称为应变硬化现象，此时应按某一剪切位移值（一般4mm）作为抗剪破坏强度控制点（b点）,3、试验结果的整理,一、直接剪切试验（室内试验）,对对同一种土至少取4个重度和含水量相同的试样，分别在不同垂直压力下剪切破坏，一般可取垂直压力为100、200、300、400 kPa，将试验结果绘制抗剪强度f 和垂直压力 之间关系曲线。,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,3、试验结果的

12、整理,通过控制剪切速率来近似模拟排水条件,（1） 快剪： 施加正应力后立即快速(0.02mm/ 分)施加水平剪应力，以保证无超静孔 压力产生 （2）固结快剪 施加正应力-充分固结后，快速施 加水平剪应力使试样剪切破坏。 （3）慢剪 施加正应力土体充分固结后，缓 慢施加水平剪应力使试样剪切破坏。,一、直接剪切试验（室内试验）,4、直减试验类型,5、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。 剪切面上的剪应力分布不均匀，剪切破坏开始于边缘，在边缘发生应力集中现象。 下盒的错动，剪切过程中试样

13、剪切面积逐渐减小，计算时却还用原截面积。 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。,一、直接剪切试验（室内试验）,二、三轴压缩试验,第三节 土的抗剪强度试验,三轴压缩试验也称三轴剪切试验，是测定土抗剪强度的一 种较为完善的方法。三轴压缩仪由压力室、轴向加荷系统、施加围压系统、孔隙水压力量测系统等组成。,应变控制式三轴仪：压力室，量测系统,二、三轴压缩试验,压力室,压力水,排水管,阀门,轴向加压杆,有机玻璃罩,橡皮膜,透水石,顶帽,二、三轴压缩试验,1、压力室结构,第三节 土的抗剪强度试验,2、试验加载步骤和方法：,二、三轴压缩试验,（1）将土样切成圆柱体套

14、在橡胶膜内、放在密封的压力室中 （2）然后向压力室内压入水，使试样各向受到围压3 ，并使液压在整个试验过程中保持不变，这时试样内各向的三个主应力都相等、因此不发生剪应力。,（3）然通过传力杆对试样施加竖向压力， 这样，竖向主应力就大于水平向主应力 水平向主应力保持不变。而竖向主应力 逐渐增大，试件终于至剪切破坏。,1=2=3,1= 1-3,强度包线,(1-)f,c,(1-)f,1,1- 3,1 =15%,分别作围压为100 kPa 、200 kPa 、300 kPa的三轴试验，得到破坏时相应的（1-)f，绘制主应力差与轴向应变关系曲线。,绘制三个破坏状态的应力摩尔圆，画出它们的公切线强度包线，

15、得到强度指标 c 与 ,3、强度包线,二、三轴压缩试验,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水,cd 、d,ccu 、cu,4、试验类型,二、三轴压缩试验,c 、,试验方法与现场条件 的对应关系,粘土地

16、基上的分层慢速填方,在1层固结后 快速施工2层,软土地基上的快速填方,固结排水试验,固结不排水试验,不固结不排水试验,优点： 试验中能够严格控制试样排水条件，量测空隙水压力，了解土中有效应力原理； 试样中的应力分布均匀； 破坏面不是人为固定的；,缺点： 设备相对复杂，操作要求高；现场无法试验,说明： 30 即为无侧限抗压强度试验,5、优点和缺点,二、三轴压缩试验,例题分析,【例】对某种饱和粘性土做固结不排水试验，三个试样破坏时的大、小主应力和孔隙水压力列于表中，试用作图法确定土的强度指标ccu、 cu和c 、 ,第三节 土的抗剪强度试验,【解答】,按比例绘出三个总应力极限应力圆，如图所示，再绘

17、出总应力强度包线,按由1=1- uf，3=3- uf ，将总应力圆在水平轴上左移相应的uf即得3个有效应力极限莫尔圆，如图中虚线圆，再绘出有效应力强度包线,c,ccu,根据强度包线得到： ccu= 10 kPa， c u=18o c= 6 kPa，、=27o,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

18、达出了土的抗剪强度的实质，是比较合理的表达方法,第四节 饱和黏性土抗剪强度,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35min之内剪破，称之为快剪,有效应力圆,总应力圆,u=0,cu,uA,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

19、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,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,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,土样所处的状态： 3 pc、属于正常固结试样； 3 pc，属于超固结试样

20、 试验结果证明，这两种不同固结状态的试样，抗剪强度性状是不同的，即空压变化和体积变化完全不同。,说明：正常固结试样剪切时体积有减少的趋势 (剪缩)。但由于不允许排水，产生正的孔隙水压力，超固结试样在剪切时体积有增加的趋势( 剪胀)。超固结试样在剪切过程中开始产生正的孔隙水压力以后转为负值。,2.1 固结不排水剪（CU）强度指标,正常固结饱和粘性土固结不排水试验结果：,正常固结饱和粘性土固结不排水试验,2.1 固结不排水剪（CU）强度指标,有效应力圆与总应力圆直径相等、仅位置不同。两者之间的距离为uf，因为正常固结试样在剪切破坏时产生正的孔隙水压力，故有效应力圆在总应力圆的左方。总应力破坏包线和

21、有效应力破坏包线都通原点，说明未受任何固结压力的土(如泥浆状土)不具有抗剪强度。 总应力破坏包线的倾角以cu表示，一般在1020之间，有效应力破坏包线的倾角称为有效内摩擦角，比 cu大一倍左右。,超固结土的固结不排水试验结果,超固结饱和粘性土固结不排水试验,2.1 固结不排水剪（CU）强度指标,超固结土的固结不排水总应力破坏包线是一条平缓的曲线，可近似用直线ab代替，与正常固结破坏包线bc相交。bc的延长线仍通过原点，实用上将abc折线取为一条直线。 固结不排水剪的总应力强度包线可表达为：f = ccu tan cu 固结不排水剪的有效应力强度包线可表达为：f = ctan 由于超固结土在剪切

22、破坏时，产生负孔隙水压力，有效应力圆在总应力圆的右方，正常固结试祥产生正的孔隙水压力，故有效应力圆在总应力圆的左方。通常 c cu 。,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,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,固结排水试验在整个试验过程中，孔隙

23、水压力始终为零，总应力最后全部转化为有效应力，所以总应力圆就是有效应力圆总应力破坏包线就是有效应力破坏包线。 固结排水剪的强度包线可表达为：f = cd tan d,固结排水试验 （a)正常固结 (b) 超固结,3.1 固结排水剪（CU）强度指标,试验证明， cd、 d与固结不排水试验得到的c、接近，由于固结排水试验所需的时间太长故实用上用c、 代替cd 、d ，但是两者的试验条件是有差别的，固结不排 水试验在剪切过程中试样的体积保持不变，而固结排水试验 在剪切过程中试样的体积一般发生变化， cd 、 d 略大于c 、。,总结：对同一种土进行三种试验结果,对于同一种黏性土，在不同的排水条件下进

24、行试验，总应力强度指标完全不同，但都可以得到一条有效应力强度包线，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。,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,第四节 饱和黏性土抗剪强度,第四节 饱和黏性土抗剪强度,四、孔隙压力系数与应力路径,4.1三轴压缩实验中的孔隙压力系数,研究目的：通过空隙压力系数建立轴对称应力状态下土中空隙压力与大、小主应力之间的关系，以便计算应力作用下的孔隙水压力及计算有效应力。1959年斯开普敦（A.W Skempt

25、on）,单元土中孔隙压力发展过程,孔隙压力系数B,当试样在不排水条件下受到各向等压增量(围压）时，产生的孔隙应力增量与压力增量之比定义为孔隙压力系数B：,B反映土体在各向等压作用下，孔隙应力变化情况，也是反映土体饱和程度的指标,饱和土：B=1,非饱和土：0B1,干土：B=0,孔隙压力系数A,当试样在轴向应力作用下，产生的孔隙应力增量与轴向应力增量之比定义为孔隙压力系数Af：,一：应力路径的基本概念 土体中一点的应力状态可以用应力空间中的一个应力点来描述。在荷载作用下，土体中一点应力状态的改变过程可以用对应的应力点在应力空间的运动轨迹来描述。应力点在应力空间的运动轨迹称为应力路径。,二：应力路径

26、的绘制 可在莫尔圆上适当选择一个特征应力点来代表整个应力圆，常用的特征点是应力圆的顶点(最大剪应力处)，其座标为， ，按应力变化过程顺序把这些点连按起来就是应力路径，并以箭头指明应力状态的发展方向。,4.2 应力路径,应力状态可用莫尔圆表示,应力状态也可用莫尔圆上的点，如（p,q）来表示,圆心坐标： () 、0,半径：r = (),顶点坐标：(p、q),其中，p=(),q=(),应力状态的表示,方法一：用一系列的莫尔圆表示,1 ,方法二：用莫尔圆的顶点坐标的变化线表示,应力路径的表示,破坏点位于破坏主应力线上,破坏时的莫尔圆与强度包线相切,保持为常数,p,q,Kf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,强度包线（）与破坏主应力线（Kf）的关系,强度包线（）与破坏主应力线的关系, ；c a,以上关系说明，可以根据a 和反算抗剪强度指标指标c和,强度包线（）与破坏主应力线的关系,总应力路径和有效应力路径,有效应力原理,