第5章土的抗剪强度.ppt

土体强度表现为 一部分土体相对与另一部分土体的滑动 滑动面上剪应力超过了极限抵抗能力 抗剪强度 土的抗剪强度是指土体对于外荷载所产生的剪应力的极限抵抗能力 第五章土的抗剪强度 土的破坏主要是由于剪切所引起的 剪切破坏是土体破坏的重要特点 在外荷载的作用下 土体中任一截面将同时产生法向应力和剪应力 其中法向应力作用将使土体发生压密 而剪应力作用可使土体发生剪切变形 1 土体的破坏从本质上讲是由于 A 压坏 B 拉坏 C 剪坏 5 1 1莫尔 库仑破坏准则总应力法 1776年 库仑根据砂土剪切试验得出 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 后来 根据粘性土剪切试验得出 抗剪强度指标 c 土的粘聚力 土的内摩擦角 库仑抗剪强度 有效应力 表达式 对于砂土 f tg 对于粘性土 f c tg f c u tg c 为土体有效应力强度指标 f破坏 f稳定 f极限平衡状态 莫尔应力圆 斜面上的应力 斜边长L 纵向1m 圆心 半径 O 莫尔圆可以表示土体中一点的应力状态 莫尔圆圆周上各点的坐标就表示该点在相应平面上的正应力和剪应力 莫尔应力圆圆周上的任意点 都代表着单元土体中相应斜面上的应力状态 O O 应力圆与抗剪强度线相离 抗剪强度直线 应力圆与抗剪强度线相切 应力圆与抗剪强度线相割 f f 极限平衡状态 f 破坏状态 f tan c c 稳定 f tan c c 2 剪破面与大主应力面的夹角 土的极限平衡条件 根据莫尔 库仑破坏准则来研究某一土体单元处于极限平衡状态时的应力条件及其大 小主应力之间的关系 该关系称为土的极限平衡条件 根据莫尔 库仑破坏准则 当单元土体达到极限平衡状态时 莫尔应力圆恰好与库仑抗剪强度线相切 c A ccot 无粘性土 c 0 粘性土 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圆的公切线 f 强度包络线 例题 已知某土体单元的大主应力 1 380kPa 小主应力 3 210kPa 通过试验测得土的抗剪强度指标c 20kPa 19 问该单元土体处于什么状态 解 1 直接用 与 f的关系来判别 剪破面与大主应力面的夹角 求相应面上的抗剪强度 f为 由于 128 f 124 说明该单元体早已破坏 分别求出剪破面上的法向应力 和剪应力 为 求相应面上的抗剪强度 f为 由于 135 f 138 说明最大剪应力面没有破坏 分别求出最大剪应力面上的法向应力 和剪应力 为 2 取最大剪应力斜面处于什么状态 最大剪应力与大主应力面的夹角 例 设砂土的内摩擦角为38度 A点的大主应力为530kPa 小主应力为120kPa 该点处于什么状态 B点所受剪应力122kPa 法线应力246kPa该点处于什么状态 解 判断A点方法一 剪破面与大主应力面的夹角 分别求出剪破面上的法向应力 和剪应力 为 由于 162 f 155 说明A点破坏 A点破坏 判断A点方法二 B点不会破坏 土体破坏 土体不破坏 土体不破坏 土体破坏 时 土样可能破裂面上的剪应力是多少 例 某饱和土样 有效抗剪强度指标为 大小主应力为 孔隙水压力为 土样是否会破坏 f c u tg 解 剪破面与大主应力面的夹角 分别求出剪破面上的法向应力 和剪应力 为 由于 66 f 81 说明土体稳定 5 3抗剪强度实验 按常用的试验仪器可将剪切试验分 为直接剪切试验三轴压缩试验无侧限抗压强度试验和十字板剪切试验四种 5 3 1直接剪切试验 可以测定土的两个抗剪强度指标 c 土的粘聚力 土的内摩擦角 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 C钢环变形常数 R变形量 5 3 2 三轴压缩试验 三轴是指一个竖向和两个侧向而言 由于压力室和试样均为圆柱形 因此 两个侧向 或称周围 的应力相等并为小主应力 3 而竖向 或轴向 的应力为大主应力 1 c 分别在不同的周围压力 3作用下进行剪切 得到3 4个不同的破坏应力圆 绘出各应力圆的公切线即为土的抗剪强度包线 例 直剪试验土样的破坏面在上下剪切盒之间 三轴试验土样的破坏面 与试样顶面夹角呈45 面与试样顶面夹角呈45 2面 C 与试样顶面夹角呈45 2面 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 三轴试验的试验类型 1 不固结不排水试验 UU试验 在不排水条件下 施加周围压力增量 3 然后在不允许水进出的条件下 逐渐施加附加轴向压力q 直至试样剪破 工程背景 应用与饱和粘土 软粘土快速施工测定cu u接近不固结不排水剪切条件 有效应力圆 总应力圆 u 0 cu uA 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 2 固结不排水试验 CU试验 加部分围压允许试样在周围应力增量下排水 待固结稳定 再在不允许水有进出才条件下逐渐施加轴向压力 直至试样剪破 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 工程背景 正常固结土体 受到大量快速活荷载 3 固结排水试验 CD试验 允许试样在周围压力增量下排水 待固结稳定在允许水有进出的条件下以极慢的速率对试样逐渐施加附加轴向压力 直至试样剪破 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 例 一个饱和粘性土试样 进行三轴固结不排水试验 并测出孔隙水压力 可以得到一个总应力圆和有效应力圆则 A 总应力圆大 B 有效应力圆大 C 两个应力圆一样大 例 一个饱和的粘性土试样 在三轴仪内进行不固结不排水试验 试问土样的破坏面 A 与水平面呈45 B 与水平面呈60 C 与水平面呈75 3 0 无侧限抗压强度试验 0 cu qu 无侧限抗压强度试验所得的饱和粘土极限应力圆的水平切线就是破坏包线 原状土无侧限抗压强度 扰动土无侧限抗压强度 还可测定饱和粘土灵敏度 十字板剪切试验 试验时 先将十字板插到要进行试验的深度 再在十字板剪切仪上端的加力架上以一定的转速对其施加扭力矩 使板内的土体与其周围土体产生相对扭剪 直至剪破 测出其相应的最大扭力矩 然后 根据力矩的平衡条件 推算出圆柱形剪破面上土的抗剪强度 适用于在现场测定饱和粘性土的原位不排水强度结果与无侧限抗压强度试验结果接近 5 4土的剪切性状 5 4 1 砂性土的剪切性状 松砂受剪时 颗粒滚落到平衡位置 排列得更紧密些 所以它的体积缩小 把这种因剪切而体积缩小的现象称为剪缩性 砂土的初始孔隙比不同 在受剪过程中将显示出非常不同的性状 紧砂受剪时 颗粒必须升高以离开它们原来的位置而彼此才能相互滑过 从而导致体积膨胀 把这种因剪切而体积膨胀的现象称为剪胀性 随着轴向应变的增加 松砂的强度逐渐增加 曲线应变硬化 体积逐渐减小 紧砂的强度达到一定值后 随着轴向应变的继续增加 强度反而减小 最后呈应变软化型 体积开始时稍有减小 继而增加 超过它的初始体积 5 4 粘性土的剪切性状 1 粘土的残余强度 超固结粘土在剪切试验中有与紧砂相似的应力 应变特征 当强度随着剪位移达到峰值后 如果剪切继续进行 随着剪位移继续增大 强度显著降低 最后稳定在某一数值不变 该不变的值即称为粘土的残余强度 5 5 6三轴压缩试验中的孔隙应力系数 uB uA 3 3 q 1 3 1 孔隙应力系数B 当试样在不排水条件下受到各向相等压力增量 3时 产生的孔隙应力增量为uB B uB 3 在饱和土的不固结不排水剪试验中 周围压力增量将完全由孔隙水承担 所以B 1 当土完全干燥时 孔隙气的压缩性要比骨架的压缩性高的多 这时周围压力增量将完全由土骨架承担 于是B 0 2 孔隙应力系数A 当试样受到轴向应力增量q 即主应力差 1 3 作用时 产生的孔隙水应力为uA uA的大小与主应力差 1 3及土样的饱和程度有关 我们定义另一孔压系数A如下 三向压缩条件下的孔隙应力为 u u1 u2 B 3 BA 1 3 uA BA 1 3 5 5 7应力路径 应力路径 土体中一点 某个斜面 应力状态连续变化 在坐标中的轨迹作用 记录加载的状态 历史选择点 最大剪应力面 与主应力面成45的斜面最危险破坏面面 与主应力面成45 2的斜面 O 3 1 1 3 保持为常数 1 直剪试验应力路径 不变 逐步增加 至破坏 2 三轴UU试验应力路径 饱和粘土 孔隙水压力U不断增大至土体破坏 3 三轴CU试验应力路径 轴压增大 孔隙水压力U不断增大 有效应力逐渐减小有效应力路径呈曲线 4 三轴CD试验应力路径 孔隙水压力为0 1 粘土的蠕变 定剪应力作用下应变随时间而改变的现象 5 7粘性土的特性 2 应力松弛 3 残余强度 长期强度 1 动荷载作用下土的抗剪强度降低 5 8土的动力强度特征 2 饱和砂土地震液化 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 振前砂土结构 振中颗粒悬浮 有效应力为零 振后砂土变密实 产生喷水冒砂 地层大面