土力学之 土的抗剪强度.ppt

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1、第五章,土的抗剪强度,土工结构物或地基,土,渗透问题 变形问题 强度问题,渗透特性 变形特性 强度特性,5.1 土体破坏与强度理论 5.2 抗剪强度测定试验 5.3 应力路径与破坏主应力线 5.4 抗剪强度指标 5.5 动强度与砂土的振动液化,5 土的抗剪强度,一、土的强度特点 二、工程中土体的破坏类型 三、土的强度的机理 四、摩尔-库仑强度理论,5 土的抗剪强度,5.1 土体破坏与土的强度理论,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

2、的结构性与复杂性。,5 土的抗剪强度,5.1 土体破坏与土的强度理论,大阪的港口码头档土墙由于液化前倾,5 土的抗剪强度,二、工程中土体的破坏类型,1. 挡土结构物的破坏,5.1 土体破坏与土的强度理论,1. 挡土结构物的破坏,5 土的抗剪强度,二、工程中土体的破坏类型,广州京光广场基坑塌方,5.1 土体破坏与土的强度理论,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,5 土的抗剪强度,二、工程中土体的破坏类型,5.1 土体破坏与土的强度理论,平移滑动,2. 各种类型的滑坡,5 土的抗剪强度,崩塌,旋转滑动,流滑,二、工程中土体的破坏

3、类型,5.1 土体破坏与土的强度理论,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,5 土的抗剪强度,2. 各种类型的滑坡,二、工程中土体的破坏类型,5.1 土体破坏与土的强度理论,龙观嘴,黄崖沟,乌江,2000年西藏易贡巨型滑坡,5 土的抗剪强度,2. 各种类型的滑坡,二、工程中土体的破坏类型,5.1 土体破坏与土的强度理论,高程（m）,滑距（m）,5530,2200,400

4、0,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,5 土的抗剪强度,2. 各种类型的滑坡,二、工程中土体的破坏类型,5.1 土体破坏与土的强度理论,2000年西藏易贡巨型滑坡,易贡滑坡堰塞湖,滑 坡 堆 积 区,扎 木 弄 沟,2264m,2210m,2165m,2340m,平面示意图,5520m,滑坡堆积体,5 土的抗剪强度,2. 各种类型的滑坡,二、工程中土体的破坏类型,5.1 土体破坏与土的强度理论,2000年西藏易贡巨型滑坡,天然坝 坝高290 m 滑坡堰塞湖 库容15亿方,湖水每天上涨

5、50cm ?,5 土的抗剪强度,2. 各种类型的滑坡,二、工程中土体的破坏类型,5.1 土体破坏与土的强度理论,2000年西藏易贡巨型滑坡,边坡,5 土的抗剪强度,2. 各种类型的滑坡,二、工程中土体的破坏类型,5.1 土体破坏与土的强度理论,粘土地基上的某谷仓地基破坏,3. 地基的破坏,5 土的抗剪强度,二、工程中土体的破坏类型,5.1 土体破坏与土的强度理论,日本新泻1964年地震引起大面积液化,3. 地基的破坏,5 土的抗剪强度,二、工程中土体的破坏类型,5.1 土体破坏与土的强度理论,地基,3. 地基的破坏,5 土的抗剪强度,二、工程中土体的破坏类型,5.1 土体破坏与土的强度理论,土

6、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,5 土的抗剪强度,二、工程中土体的破坏类型,5.1 土体破坏与土的强度理论,一、土的强度特点 二、工程中土体的破坏类型 三、土的强度的机理 四、摩尔-库仑强度理论,5 土的抗剪强度,5.1 土体破坏与土的强度理论,三、土的强度的机理,5 土的抗剪强度,5.1 土体破坏与土的强度理论,直剪试验 库仑（1776） 试验原理,施加 （=P/A），S 量测 （=T/A）, = 100KPa,S,A,直剪试验 库仑（1776） 试验原理 试验结果, = 100KPa,S, = 200KPa, = 300KPa,三、土的强度的机理,5

7、 土的抗剪强度,5.1 土体破坏与土的强度理论,c 粘聚力 内摩擦角,直剪试验 库仑（1776） 试验原理 试验结果,三、土的强度的机理,5 土的抗剪强度,5.1 土体破坏与土的强度理论,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-与所受压力无关,滑动摩擦,三、土的强度的机理,5 土的抗剪强度,5.1 土体破坏与土的强度理论,1. 摩擦强度 tg,（1）滑动摩擦,（2）咬合摩擦引起的剪胀,滑动摩擦,咬合摩擦引起的剪胀,三、土的强度的机理,5 土的抗剪强度,5.1 土体破坏与土的强度理论,1. 摩擦强度 tg,（3）颗粒的破碎与重排列,滑动摩擦,颗粒破碎与重排

8、列,三、土的强度的机理,5 土的抗剪强度,5.1 土体破坏与土的强度理论,1. 摩擦强度 tg,咬合摩擦引起的剪胀,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：,三、土的强度的机理,5 土的抗剪强度,5.1 土体破坏与土的强度理论,1. 摩擦强度 tg,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

9、与离子浓度,三、土的强度的机理,5 土的抗剪强度,5.1 土体破坏与土的强度理论,2. 凝聚强度,一、土的强度特点 二、工程中土体的破坏类型 三、土的强度的机理 四、摩尔-库仑强度理论,5 土的抗剪强度,5.1 土体破坏与土的强度理论,5 土的抗剪强度,5.1 土体破坏与土的强度理论,四、摩尔-库仑强度理论,1. 库仑公式 2. 应力状态与摩尔圆 3. 极限平衡应力状态 4. 摩尔-库仑强度理论 5. 破坏判断方法 6. 滑裂面的位置,c 粘聚力 内摩擦角,f ： 土的抗剪强度 tg： 摩擦强度-正比于压力 c： 粘聚强度-与所受压力无关,5 土的抗剪强度,5.1 土体破坏与土的强度理论,四、

10、摩尔-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,1. 库仑公式,三维应力状态,5 土的抗剪强度,5.1 土体破坏与土的强度理论,四、摩尔-库仑强度理论,2. 应力莫尔圆,二维应力状态,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,5 土的抗剪强度,5.1 土体破坏与土的强度理论,四、摩尔-库仑强度理论,2. 应力莫尔圆,O,1,3,5 土的抗剪强度,5.1 土体破坏与土的强度理论,四、摩尔-库仑强度理论,2. 应力莫尔圆,大主应力：,小主应力:,圆心：,半径

11、：,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；圆周上一点代表一个面上的两个应力与,3. 极限平衡应力状态,5 土的抗剪强度,5.1 土体破坏与土的强度理论,四、摩尔-库仑强度理论,极限平衡应力状态： 有一对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园的公切线。,f,3. 极限平衡应力状态,5 土的抗剪强度,5.1 土体破坏与土的强度理论,四、摩尔-库仑强度理论,f,强度包线以内：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； 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。

12、,4. 莫尔库仑强度理论,（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,5 土的抗剪强度,5.1 土体破坏与土的强度理论,四、摩尔-库仑强度理论,4. 莫尔库仑强度理论,5 土的抗剪强度,5.1 土体破坏与土的强度理论,四、摩尔-库仑强度理论,莫尔-库仑强度理论表达式极限平衡条件,1f,3,4. 莫尔库仑强度理论,5 土的抗剪强度,5.1 土体破坏与土的强度理论,四、摩尔-库仑强度理论,莫尔-库仑

13、强度理论表达式极限平衡条件,根据应力状态计算出大小主应力1、3,判断破坏可能性,由3计算1f 比较1与1f,11f 破坏状态,5. 破坏判断方法,5 土的抗剪强度,5.1 土体破坏与土的强度理论,四、摩尔-库仑强度理论,判别对象：土体微小单元（一点）,3= 常数：,根据应力状态计算出大小主应力1、3,判断破坏可能性,由1计算3f 比较3与3f,33f 弹性平衡状态 3=3f 极限平衡状态 33f 破坏状态,5. 破坏判断方法,5 土的抗剪强度,5.1 土体破坏与土的强度理论,四、摩尔-库仑强度理论,判别对象：土体微小单元（一点）,1= 常数：,根据应力状态计算出大小主应力1、3,判断破坏可能性

14、,由1、3计算与比较, 安全状态 = 极限平衡状态 不可能状态,O,c,5. 破坏判断方法,5 土的抗剪强度,5.1 土体破坏与土的强度理论,四、摩尔-库仑强度理论,判别对象：土体微小单元（一点）,(1 + 3)/2 = 常数：圆心保持不变,O,c,1f,3,2,2,6. 滑裂面的位置,与大主应力面夹角： =45 + /2,5 土的抗剪强度,5.1 土体破坏与土的强度理论,四、摩尔-库仑强度理论,一、室内试验 二、野外试验,5.2 抗剪强度测定试验,5 土的抗剪强度,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

15、点：应力条件不易掌握 优点：原状土的原位强度,5.2 抗剪强度测定试验,5 土的抗剪强度,一、室内试验,1. 直剪试验,通过控制剪切速率来近似模拟排水条件,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,5.2 抗剪强度测定试验,5 土的抗剪强度,一、室内试验,1. 直剪试验,O,n,K0n,5.2 抗剪强度测定试验,5 土的抗剪强度,一、室内试验,1. 直剪试验,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

16、杂 应变不均匀 不能控制排水条件 剪切面固定,缺点,5.2 抗剪强度测定试验,5 土的抗剪强度,一、室内试验,1. 直剪试验,类似试验： 环剪试验 单剪试验,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,5.2 抗剪强度测定试验,5 土的抗剪强度,一、室内试验,2. 三轴试验,（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,5.2 抗剪强度测定试验,5 土的抗剪强度,一、室内试验,2. 三轴试验,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

17、： 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,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,绘制三个破坏状态的应力摩尔圆，画出它们的公切线强度包线，得到强度指标 c 与 ,5.2 抗剪强度测定试验,5 土的抗剪强度,一、室内试验,2. 三轴试验,（2）强度包线,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,

18、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,cu 、u,（3）试验类型,5.2 抗剪强度测定试验,5 土的抗剪强度,一、室内试验,2. 三轴试验,固结排水试验（CD试验） Consolidated Drained Triaxial test (CD) 抗剪强度指标： cd d （c ）,试验类型汇总,固结不排水试验（CU试验） Con

19、solidated Undrained Triaxial test (CU) 抗剪强度指标：ccu cu,不固结不排水试验（UU试验） Unconsolidated Undrained Triaxial test (UU) 抗剪强度指标： cu u （ cuu uu ）,5.2 抗剪强度测定试验,5 土的抗剪强度,一、室内试验,2. 三轴试验,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； 4 试验单元体试验,缺点： 设备相对复杂，现场无法试验,说明： 30 即为无侧限抗压强度试验,（4）优点和缺点,5.2 抗剪强度测定试验,5 土的抗剪强度,一、

20、室内试验,2. 三轴试验,真三轴仪 空心圆柱扭剪仪,5.2 抗剪强度测定试验,5 土的抗剪强度,一、室内试验,3. 其它室内试验,十字板剪切试验,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,5.2 抗剪强度测定试验,5 土的抗剪强度,二、野外试验,时：,5.2 抗剪强度测定试验,5 土的抗剪强度,二、野外试验,十字板剪切试验,5. 3应力路径与破坏主应力线,一、应力路径及表示法 二、强度包线与破坏主应力线 三、总应力路径与有效应力路径,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 应力状态：土体中一点（微小单元）

21、上作用的应力的大小与方向 土体中一点应力状态连续变化，在应力空间（平面）中的轨迹,5.3 应力路径与破坏主应力线,5 土的抗剪强度,一、应力路径及表示法,应力圆 某一特定面上的应力点 通常选择最大剪应力面（与主应力面成45度的斜面）,O,3,1,13,固结排水三轴试验,莫尔圆圆心,莫尔圆半径,一个点代表一个摩尔圆； 一条线代表一系列摩尔圆应力路径,5.3 应力路径与破坏主应力线,5 土的抗剪强度,一、应力路径及表示法,摩尔园一个园代表一个应力状态,p,q平面一个 点代表一个应力状态, 保持为常数,二. 摩尔圆与 p, q 平面上的应力路径,用摩尔圆,用应力平面,土中一点的应力状态,一个摩尔圆,

22、一点,应力的变化过程,一系列摩尔圆,一条线,（应力路径）,极限应力状态,与强度包线相切的摩,尔圆,破坏主应力线上的一,点,破坏包线 f 在 坐标系中所有破坏状态摩尔圆的公切线,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点的集合,p,q,O,f 线,Kf线,固结排水三轴试验,5.3 应力路径与破坏主应力线,5 土的抗剪强度,二、强度包线与破坏主应力线,两条直线与横坐标交点都是 0,破坏包线 在 坐标系中所有破坏状态摩尔圆的公切线,p,q,O,c,破坏主应力线 在p q 坐标系中所有处于极限平衡应力状态点的集合,a,f线,Kf线,O,A,R,固结排水三轴试验,5.3 应力路径与

23、破坏主应力线,5 土的抗剪强度,二、强度包线与破坏主应力线,破坏包线 在 坐标系中所有破坏状态摩尔圆的公切线,p,q,O,c,破坏主应力线 在p q 坐标系中所有处于极限平衡应力状态点的集合,a,f线,Kf线,O,A,R,固结排水三轴试验,5.3 应力路径与破坏主应力线,5 土的抗剪强度,二、强度包线与破坏主应力线,破坏包线 在 坐标系中所有破坏状态摩尔圆的公切线,p,q,O,c,破坏主应力线 在p q 坐标系中所有处于极限平衡应力状态点的集合,a,f线,Kf线,O,A,R,固结排水三轴试验,5.3 应力路径与破坏主应力线,5 土的抗剪强度,二、强度包线与破坏主应力线, c a,0,q,p,用

24、若干点的最小二乘法确定a 和 然后计算强度指标c和,a,确定强度指标,5.3 应力路径与破坏主应力线,5 土的抗剪强度,二、强度包线与破坏主应力线,总应力与有效应力状态 有效应力原理 典型三轴试验 孔隙水压力计算,O,（13),固结不排水三轴试验,5.3 应力路径与破坏主应力线,5 土的抗剪强度,三、总应力路径与有效应力路径,总应力与有效应力路径 关系,O,（13),u,1,3,3,1,5.3 应力路径与破坏主应力线,5 土的抗剪强度,三、总应力路径与有效应力路径,总应力与有效应力路径 关系 三轴试验总应力路径 三轴固结不排水试验有效应力路径 A=const 松砂或正常固结粘土 （A1/3）

25、密砂或超固结粘土 （A1/3）,5.3 应力路径与破坏主应力线,5 土的抗剪强度,三、总应力路径与有效应力路径,作业 习题3-9 习题5-8,强度指标：,峰值强度指标 与 残余强度指标,5 土的抗剪强度,5.4 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,5.4 抗剪强度指标,5 土的抗剪强度,一. 总应力指标与有效应力指标 二. 三轴试验强度指标 三. 直剪试验强度指标 四. 土的强度指标的工程应用,5 土的抗剪强度,一. 总应力指标与有效应力指标,两种强度指标

26、的比较 有效应力、总应力强度包线与破坏主应力线,5.4 抗剪强度指标,1. 两种强度指标的比较,一. 总应力指标与有效应力指标,5 土的抗剪强度,土的抗剪强度的 有效应力指标c, , = c + tg = -u,符合土的破坏机理，但有时孔隙水压力u无法确定,土的抗剪强度的 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,5.4 抗剪强度指标,1,(),p(p),q,u,Kf,Kf,f,f,u,u,松砂及正常固结粘土(CU),一. 总应力指标与有效应力指标,5.4 抗剪强度指标,5 土的抗剪强度,2. 强度

27、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)，有效应力摩尔圆在总应力摩尔圆哪边？,(),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,5 土的抗剪强度,2.强度包线与破坏主应力线,u(+),总应力,有效应力,5.4 抗剪强度指标,5 土的抗剪强度,一. 总应力指标与有效应力指标 二. 三轴试验强度指标 三. 直剪试验强度指标 四. 土的强度指标的工程应用,5.4 抗剪强度指标,二. 三轴试验强度指标,5 土的抗剪强度,剪切前固结条件,剪切中排水条件,固结 Consolidated,排水 D

28、rained,1.固结排水试验 （CD）,2.固结不排水试验 （CU）,固结 Consolidated,不排水 Undrained,不固结 Unconsolidated,不排水 Undrained,三种试验,3.不固结不排水试验 （UU）,5.4 抗剪强度指标,1.固结排水试验,5 土的抗剪强度,强度指标：cd，d (1) 试验条件 (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,5.4 抗剪强度指标,(1)试验条件,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,

29、顶帽,1.固结排水试验,5 土的抗剪强度,二.三轴试验强度指标,施加围压充分固结 施加(1 -)时，排水阀门始终打开，速度慢足以使孔压消散 始终u=0，=-u=,5.4 抗剪强度指标,1= 1,d=,=,f= f,(1)试验条件,1.固结排水试验,5 土的抗剪强度,二.三轴试验强度指标,总应力指标与有效应力指标一致:,cd = c,破坏面位置：,5.4 抗剪强度指标,v,轴向应力渐进增加，体应变是体缩，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,5 土的抗剪强度,二.三轴试验强度指标,5.4 抗剪强度指

30、标,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,5 土的抗剪强度,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,5.4 抗剪强度指标,v,v表示体缩 v0表示体胀(剪胀),应力应变关系软化，体应

31、变剪胀,峰值强度,残余强度,(3)密砂与超固结粘土试验曲线与强度包线,峰值强度,残余强度,f,密砂强度包线,密砂应力应变关系曲线,1.固结排水试验,5 土的抗剪强度,二.三轴试验强度指标,5.4 抗剪强度指标,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,5 土的抗剪强度,二.三轴试验强度指标,应力应变关系软化，体应变剪胀,c0,5.4 抗剪强度指标,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,5 土的抗剪

32、强度,二.三轴试验强度指标,5.4 抗剪强度指标,固结排水试验小结,松砂与正常固结粘土试验曲线与强度包线： 应变硬化与体积收缩，cd = 0； 密砂试验曲线与强度包线： 应变软化与剪胀性，cd = 0； 超固结粘土试验曲线与强度包线： 应变软化与剪胀性，cd与d; 超固结粘土+正常固结粘土的强度包线: 折线 c0 的直线近似,1.固结排水试验,5 土的抗剪强度,二.三轴试验强度指标,5.4 抗剪强度指标,剪切前固结条件,剪切中排水条件,固结 Consolidated,排水 Drained,1.固结排水试验 （CD）,2.固结不排水试验 （CU）,固结 Consolidated,不排水 Undr

33、ained,不固结 Unconsolidated,不排水 Undrained,三种试验,3.不固结不排水试验 （UU）,5 土的抗剪强度,二.三轴试验强度指标,5.4 抗剪强度指标,2.固结不排水试验,5 土的抗剪强度,二.三轴试验强度指标,强度指标：ccu ，cu；c， (1) 试验条件 (2) 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,5.4 抗剪强度指标,(1)试验条件 施加围压充分固结 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 u u0，=-u,量测孔隙水压

34、力,2.固结不排水试验,5 土的抗剪强度,二.三轴试验强度指标,5.4 抗剪强度指标,2.固结不排水试验,5 土的抗剪强度,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 ( 对于剪切过程中无体积变化： 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 ）,5.4 抗剪强度指标,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,5 土的抗剪强度,二.三轴试验强度指标,5.4 抗剪强度指标,u,应力

35、应变关系软化，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,5 土的抗剪强度,二.三轴试验强度指标,5.4 抗剪强度指标,(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,5 土的抗剪强度,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 ,5.4 抗剪强度指标,固结不排水试验小结,剪切过程中的超静孔隙水压力u 正常固结粘土的应力应变关系曲线: 硬化 正常固结粘土的有效应力与总应力的强度包线: cu 超固结粘土的应力应变关系曲线: 软化 超固结粘土的固结

36、不排水强度指标: c ccu, cu 固结不排水三轴试验确定的强度指标: ccu, cu; c, ,2.固结不排水试验,5 土的抗剪强度,二.三轴试验强度指标,5.4 抗剪强度指标,剪切前固结条件,剪切中排水条件,固结 Consolidated,排水 Drained,1.固结排水试验 （CD）,2.固结不排水试验 （CU）,固结 Consolidated,不排水 Undrained,不固结 Unconsolidated,不排水 Undrained,三种试验,3.不固结不排水试验 （UU）,5 土的抗剪强度,二.三轴试验强度指标,5.4 抗剪强度指标,3.不固结不排水试验,5 土的抗剪强度,二.

37、三轴试验强度指标,强度指标：cuu (cu)，uu (u) (1) 试验条件 (2) 粘土的孔隙比有效应力抗剪强度唯一性关系 (3) 饱和试样的不排水强度指标cu (4) 不排水试验与固结不排水试验 (5) 无侧限压缩试验：3 = 0的不排水试验 (6) 不饱和试样的不排水强度,5.4 抗剪强度指标,(1)试验条件 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,5 土的抗剪强度,二.三轴试验强度指标,量测孔隙水压力,5.4 抗剪强度指标,3.不固结不排水

38、试验,5 土的抗剪强度,二.三轴试验强度指标,(2)粘土的孔隙比有效应力抗剪强度唯一性关系,强度的影响因素:,土的组成,土的状态,土的结构,应力状态,ef pf - qf 唯一性关系,ef f - f 唯一性关系, (p), (q),Kf线,f线,唯一的ef,应力历史,同一种正常 固结粘土,土的状态 (,e),应力状态,应力历史相同时 也满足唯一性关系,研究表明,超固结粘土:,5.4 抗剪强度指标,u =0 , cu, 并且有效应力摩尔圆是唯一的,思考题：可否由不排水试验确定有效应力强度指标？,(3)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,5 土

39、的抗剪强度,二.三轴试验强度指标,5.4 抗剪强度指标,cu, p1,cu1,p2,cu2,p3,cu3,(4)不排水试验与固结不排水试验,3.不固结不排水试验,5 土的抗剪强度,二.三轴试验强度指标,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,5.4 抗剪强度指标,cu = qu/2,cu,qu = ,(5)无侧限压缩试验：3 =0的不排水试验,3.不固结不排水试验,5 土的抗剪强度,二.三轴试验强度指标,5.4 抗剪强度指标,(6)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,5 土的抗剪强度,二.三轴试验强度指标,5.

40、4 抗剪强度指标,不固结不排水试验小结,3.不固结不排水试验,5 土的抗剪强度,二.三轴试验强度指标,饱和试样的不排水强度指标: u =0 , cu 饱和试样的固结不排水试验与不排水强度指标: 有关联 无侧限压缩试验： 3=0, 是一种特殊的不排水试验 不饱和试样的不排水强度指标: 随3增加而增加并趋于稳定,5.4 抗剪强度指标,一. 总应力指标与有效应力指标 二. 三轴试验强度指标 三. 直剪试验强度指标 四. 土的强度指标的工程应用,5 土的抗剪强度,5.4 抗剪强度指标,5 土的抗剪强度,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

41、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,5.4 抗剪强度指标,强度指标,对于砂土，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,5 土的抗剪强度,三. 直剪试验强度指标,5.4 抗剪强度指标,一. 总应力指标与有效应力指标 二. 三轴试

42、验强度指标 三. 直剪试验强度指标 四. 土的强度指标的工程应用,5 土的抗剪强度,5.4 抗剪强度指标,四. 土的强度指标的工程应用,5 土的抗剪强度,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？,5.4 抗剪强度指标,四. 土的强度指标的工程应用,5 土的抗剪强度,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，,5.4 抗剪强度指标,四. 土的强度指标的工程应用,5 土的抗剪强度,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

43、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,5.4 抗剪强度指标,四. 土的强度指标的工程应用,5 土的抗剪强度,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,5.4 抗剪强度指标,粘土地基上分层慢速施工的填方,稳定渗流期的土坝,天然粘土坡或在粘土中的开挖,固结排水强度指标的应用实例 ccd cd,几种固结不排水强度指标的应用实例 ccu cu,在1层土固结后，施工2层,库水位从1骤降到2,在天然土坡上快速填方,几种不排水强度指标 cu 在工程中的应用,软土地基上快速施工的填方,土坝快速施工，心墙未固结

44、,粘土地基上快速施工的建筑物,作业: 5-4 5-9,一、周期荷载下饱和砂土的动强度 二、饱和松砂的振动液化,5 土的抗剪强度,5.5土的动强度与砂土的振动液化,饱和松砂： dkPa 随着循环次数的增加， 孔隙水压力接近等于 初始围压，有效应力 等于0轴向应变突 然加大，土样破坏。,初始围压,应力循环次数N,应力循环次数N,轴向应变,孔隙水压力,5 土的抗剪强度,5.5土的动强度与砂土的振动液化,一、周期荷载下饱和砂土的动强度,周期荷载下饱和砂土的孔压积累与动强度,动应力d,应力循环次数 logN,u,周期荷载下饱和砂土强度用途与循环次数关系,N,5 土的抗剪强度,5.5土的动强度与砂土的振动液化,一、周期荷载下饱和砂土的动强度,饱和松砂在振动情况下孔压急剧升高 在瞬间砂土呈液态,时间T,孔压 U,5 土的抗剪强度,5.5土的动强度与砂土的振动液化,二. 饱和松砂的振动液化,1. 液化现象,日本阪神地震引起的路面塌陷,由于液化引起的河道破坏日本神户,阪神地震中新干线的倾覆,地基液化引起的储油罐倾斜日本神户,日本阪