土的抗剪强度和地基承载力.ppt

1、第4章,土的抗剪强度 和地基承载力,4.1 土的抗剪强度与极限平衡条件 4.2 土的剪切试验 4.3 土的剪切特性 4.4 地基的临塑荷载和临界荷载 4.5 地基的极限承载力,本章主要内容,土的破坏主要是由于剪切引起的，剪切破坏是土体破坏的重要特点。 工程实践中与土的抗剪强度有关工程主要有以下3类,一、土的强度问题工程背景,1）是土作为材料构成的土工构筑物的稳定问题；如土坝、路堤等填方边坡及天然土坡的稳定问题。 （2）是土作为工程构筑物的环境的问题，即土压力问题；如挡土墙、地下结构等的周围土体。 （3）是土作为建筑物地基的承载力问题,3.土工构筑物的稳定性问题,1. 土工构筑物的稳定性问题 土

2、坝、路堤等填方边坡以及天然土坡等，在超载、渗流乃至暴雨作用下引起土体强度破坏后将产生整体失稳边坡滑坡等事故,2. 构筑物环境的安全性问题即土压力问题 挡土墙、基坑等工程中，墙后土体强度破坏将造成过大的侧向土压力，导致墙体滑动、倾覆或支护结构破坏事故,3. 建筑物地基承载力问题 基础下的地基土体产生整体滑动或因局部剪切破坏而导致过大的地基变形 甚至倾覆,建筑物地基承载力问题(图4,4.1 土的抗剪强度与极限平衡条件,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,变形破坏 沉降、位移、不均匀沉降等超过规定限值(已学) 地基破坏 强度破坏 地基整体或局部滑移、隆起， 土工构筑物失稳

3、、 滑坡,土体强度破坏的机理： 在外荷载作用下，土体中将产生剪应力和剪切变形，当土中某点由外力所产生的剪应力达到土的抗剪强度时，土就沿着剪应力作用方向产生相对滑动，该点便发生剪切破坏,一、莫尔-库仑破坏理论 二、莫尔-库仑破坏准则 极限平衡条件,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,一、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,1. 库仑公式,库仑公式,1776年，库仑根据砂土剪切试验得出,f = tan,砂土,后来，根据粘性土剪切试验得出,f =c+ tan,粘土,c,库仑定律：土

4、的抗剪强度是剪切面上的法向总应力 的线性函数,库伦公式,抗剪强度指标,c:土的粘聚力 :土的内摩擦角,无粘性土：c=0,土体内一点处任意方向截面上应力的集合（剪应力 和法向应力,斜面上的应力,土中任一点的应力状态,土的抗剪强度与极限平衡原理,A(,土中某点的应力状态可用莫尔应力圆描述,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,应力圆与强度线相离,强度线,应力圆与强度线相切,应力圆与强度线相割,极限应力圆,f,弹性平衡状态,f,极限平衡状态,f,破坏状态,土的极限平衡条件,莫尔库仑破坏准则(极限平衡状态,c,A,cctg,1/2(1 +3,

5、无粘性土：c=0,粘性土,粘性土的极限平衡条件,1= 3tg2(45+/2)2ctg (45+/2) 3= 1tg2(45/2)2ctg (45/2,无粘性土的极限平衡条件,1= 3tg2(45+/2) 3= 1tg2(45/2,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。因此，土的剪切破坏并不是由最大剪应力max所控制,3. 极限平衡应力状态,二、摩尔-库仑破坏准则,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,3. 极限平衡应力状态,f,强

6、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,二、摩尔-库仑破坏准则,4. 莫尔库仑强度理论,莫尔-库仑强度理论表达式极限平衡条件,1f,3,二、摩尔-库仑破坏准则,4. 莫尔库仑强度理论,莫尔-库仑强度理论表达式极限平衡条件,二、摩尔-库仑破坏准则,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,判别对象：土体微小单元（一点,3= 常数,二、摩尔-库仑破坏准则,根据应力状态计算出大小主应力1、3,判断

7、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,三、摩尔-库仑强度理论,判别对象：土体微小单元（一点,1= 常数,O,c,1f,3,2,2,6. 滑裂面的位置,与大主应力面夹角： =45 + /2,二、摩尔-库仑破坏准则,1、室内试验 2、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：原状土的原位强度,4.2 土的剪切试验,测定土抗剪强度指标的试验称为剪切试验: 按常用的试验仪器可将剪切试验分为直接剪

8、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。 影响土的抗剪强度的因素： 土的密度、含水率、初始应力状态、应力历史及固结程度、试验中的排水条件等,4.2.1直接剪切试验,直接剪切试验：用直接剪切仪（简称直剪仪）测 定土的抗剪强度的试验,剪切面,剪切面,试验仪器：直剪仪（应力控制式，应变控制式,剪切位移（mm,剪应力（kPa,f,f,= 100KPa,= 200KPa,= 300KPa,= 400KPa,4,一）快剪（Q,土工试验方法标准规定快剪试验适用于渗透系数小于106cm / s的细粒土，试验时在试样上施加垂直压力后，拔去固定销钉，立即以0.8mm/min的剪切速度进行剪切

9、，使试样在3min5min内剪破。试样每产生剪切位移0.2mm0.4mm测记测力计和位移读数，直至测力计读数出现峰值，继续剪切至剪切位移为4mm时停机，记下破坏值；当剪切过程中测力计读数无峰值时，应剪切至剪切位移为6mm时停机，该试验所得的强度称为快剪强度，相应的指标称为快剪强度指标，以 表示,固结快剪试验也适用于渗透系数小于106cm/s的细粒土。试验时对试样施加垂直压力后，每小时测读垂直变形一次，直至固结变形稳定。变形稳定标准为变形量每小时不大于0.005mm，在拔去固定销，剪切过程同快剪试验。所得强度称为固结快剪强度，相应指标称为固结快剪强度指标，以 表示,二）固结快剪（R,三）慢剪（S

10、,慢剪试验是对试样施加垂直压力后，待固结稳定后，再拔去固定销，以小于0.02mm/min的剪切速度使试样在充分排水的条件下进行剪切，这样得到的强度称为慢剪强度，其相应的指标称为慢剪强度指标，以 表示,直剪仪(图2,4.2.2 直接剪切试验,三轴压缩试验原理是根据莫尔库伦强度理论得出的。 三轴压缩仪主要由压力室、加压系统和量测系统三大部分组成，图6是三轴压缩仪的压力室示意图，它是一个由金属顶盖、底座和透明有机玻璃圆筒组成的密闭容器。 取35个相同土样，在不同的周围压力作用下进行剪切破坏，可得到相应的作用力，便可绘出几个极限应力圆，这些极限应力圆的公切线，即为该土样的抗剪强度线（图7）。由此得出抗

11、剪强度指标,4.2.3 无侧限抗压强度试验,三轴压缩试验中当周围压力30时即为无侧限试验条件，这时只有q=1。所以，也可称为单轴压缩试验。由于试样的侧向压力为零，在侧向受压时，其侧向变形不受限制，故又称为无侧限压缩试验。同时，又由于试样是在轴向压缩的条件下破坏的，因此，把这种情况下土所能承受的最大轴向压力称为无侧限抗压强度，以qu表示。试验时仍用圆柱状试样，可在专门的无侧限仪上进行，也可在三轴仪上进行,无侧限仪,4.2.4 十字板剪切试验,十字板剪切试验是一种利用十字板剪切仪在现场测定土的抗剪强度的方法。这种试验方法适合于在现场测定饱和粘性土的原位不排水强度，特别适用于均匀的饱和粘性土,4.3

12、.1 粘性土的剪切性状 正常固结试样与超固结试样 （一）正常固结粘土 1、不固结不排水强度（UU,在饱和土的不固结不排水剪试验中，总强度包线为一水平线。所以,4.3 土的剪切特性,1、不固结不排水强度（UU,如果使试样在另一个较高的剪前固结压力 下固结稳定后进行一组不固结不排水试验,如果使试样在另一个较高的剪前固结压力 下固结稳定后进行一组不固结不排水试验，那么，由于固结压力增大，试样的剪前孔隙比将减少，试样的不排水强度 将增大。 与 通常呈线性关系，即 ，其中 为比例系数。如图524（a）、（b）所示,2、固结不排水强度（CU） 固结不排水剪切试验的过程如图525所示,正常固结土的CU试验总

13、强度线是如图526所示一条通过坐标原点的直线，倾角为 ， 。其抗剪强度可表示为,若在固结不排水剪试验中量测孔隙水应力，则结果可用有效应力整理。从破坏时的总应力中减去 ,可得到相应破坏时的有效大主应力 和有效小主应力 及破坏应力圆，绘出这些破坏应力圆的包线，可得有效应力强度包线。由于正常固结土剪破时的孔隙水应力为正值，则剪破时的有效应力圆总在总应力圆的左边。有效应力强度包线也是通过坐标原点的直线，直线的倾角 大于 ， ，于是用有效应力表示的CU试验抗剪强度为,3、固结排水强度（CD) 固结排水剪切试验的过程如图528所示,如图529所示，由于试验过程中孔隙水应力始终保持为零，有效应力就等于外加总

14、应力，极限总应力圆就是极限有效应力圆，因而总应力强度包线即为有效应力强度包线。CD试验中的有效应力强度指标常用 ， 表示。其强度包线是一条通过坐标原点的直线，其倾角为 ， 。于是，CD试验抗剪强度可表示为,将上述三种三轴压缩试验的结果汇总 于图530中。由图可见，对于同一 种正常固结的饱和粘土，当采用三种 不同的试验方法来测定其抗剪强度时， 其强度包线是不同的。其中UU试验结 果是一条水平线，CU和CD试验各是 一条通过坐标原点的直线。三种方法 所得到的强度指标间的关系是 ， 。试验结果表明，当用有效应力表示试验结果时，三种剪切试验将得到基本相同的强度包线及十分接近的有效应力强度指标，这就意味

15、着同一种土三种试验的试样将沿着同一平面剪破,实测资料表明，f通常约为60，而粘性土的 一般在30左右，实测的f角接近于 ，这也是有效应力概念下的理论剪破角。 正常固结土为应变硬化型，体变多表现为剪缩,4.3.2 砂性土的剪切性状 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。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,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,紧砂的这种剪胀趋势随着周围压力的增大，土粒的破碎而逐渐消失。在高周围压力下，不论砂土

16、的松紧如何，受剪都将剪缩,松砂的强度逐渐增大，应力轴向应变关系呈应变硬化型，它的体积则逐渐减小,紧砂的强度达一定值后，随着轴向应变的继续增加强度反而减小，应力轴向应变关系最后呈随应变软化型，它的体积开始时稍有减小，继而增加，超过了它的初始体积,既然砂土在低周围压力下由于初始孔隙比的不同，剪破时的体积可能小于初始体积，也可能大于初始体积，那么，可以想象，砂土在某一初始孔隙比下受剪，它剪破时的体积将等于其初始体积，这一初始孔隙比称为临界孔隙比。砂土的初始孔隙比将随周围压力的增加而减小,砂土的液化 液化被定义为任何物质转化为液体的行为或过程。对于饱和疏松的粉细砂，当受到突发的动力荷载时，例如地震荷载

17、，一方面由于动剪应力的作用有使体积缩小的趋势，另一方面由于时间短来不及向外排水，因此就产生了很大的孔隙水应力。按有效应力原理，无粘性土的抗剪强度应表达为,地基变形的三个阶段： （1）线性变形阶段：相应于P-S曲线的部分。由于荷载较小，地基主要产生压密变形，荷载与沉降的关系接近于直线。 （）弹塑性变形阶段：相应于P-S曲线部分。当荷载增加到超过点压力时，荷载与沉降之间成曲线。 （）破坏阶段：相应于P-S曲线的段。在这个阶段塑性区已发展到形成一连续的滑动面，荷载略有增加或不增加，沉降均有急剧变化，地基丧失稳定,c,压力与沉降关系曲线,4.4.1 地基变形的过程,4.4 地基的临塑荷载和临界荷载,2

18、)随着荷载增加，压密区I向两侧挤压，土中产生塑性区，塑性区先在基础边缘产生，然后逐步扩大形成II、III塑性区。基础的沉降增长率较前一阶段增大，故 ps曲线呈曲线状,1)当基础上荷载较小时，基础下形成一个三角形压密区I，随同基础压入土中，ps曲线呈直线关系,整体剪切破坏p-s曲线上有两个明显的转折点，区分地基变形三个阶段,1、整体剪切破坏,3)当荷载达到最大值后，土中形成连续滑动面，并延伸到地面，土从基础两侧挤出并隆起，基础沉降急剧增加，整个地基失稳破坏,4.4.2 地基的破坏类型,随着荷载的增加，基础下也产生压密区I及塑性区II，但塑性区仅仅发展到地基某一范围内，土中滑动面并不延伸到地面，基

19、础两侧地面微微隆起，没有出现明显的裂缝,局部剪切破坏p-s曲线没有明显的直线段，地基破坏时曲线也没有明显的陡降,2、局部剪切破坏,ps曲线上坡度发生显著变化（即变化率最大的点）所对应的基底压力p作为地基的极限承载力fu,随着荷载的增加，基础下土层发生压缩变形，基础出现持续下沉，当荷载继续增加，基础周围附近土体发生竖向剪切破坏，使基础刺入土中，地基不出现连续的滑动面，基础两侧地面不出现隆起,冲剪破坏p-s曲线没有明显的转折点,3、冲剪破坏,ps曲线上平均下沉梯度接近常数且出现不规则下沉时对应的基底压力p作为地基的极限承载力fu,冲剪破坏,4.4.3 地基的临塑荷载(定义,一、临塑荷载的基本公式建立于下述理论之上： （1）应用弹性理论计算附加应力； （2）利用强度理论