修改土的抗剪强PPT课件

1、17.1 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第1页/共94页2二、工程中土体的破坏类型第2页/共94页3二、工程中土体的破坏类型第3页/共94页4一、库伦公式17731773年C.A.CoulombC.A.Coulomb根据砂土试验，提出了： f f = = tantan 17761776年他又提出了适用于粘土的更普遍公式： f f = = c c + + tantan c c和 是决定

2、土的抗剪强度的两个指标，称为抗剪强度指标。7.2 土的抗剪强度理论第4页/共94页5 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 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。第5页/共94页6二、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

3、线，并被称为莫尔包（络）线或抗剪强度包线。ff = f ( )图5-1 莫尔包络线l如果材料中某点的应力圆位于包线之下，表明该点安全；l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；l如果应力圆与莫尔包线相交，说明该点已经破坏。第6页/共94页7 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。第7页/共94页8PSTAtanfc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

4、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理论就称为莫尔-库伦强度理论。第8页/共94页9摩尔应力圆的意义和用法第9页/共94页10摩尔应力圆的意义和用法第10页/共94页11三、土的极限平衡状态第11页/共94页12三、土的极限平衡状态第12页/共94页13四、土的极限平衡状态第13页/共94页14第14页/共94页15第15页/共94页16室内试验室内试验野外试验野外试验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

5、原位试验 缺点：应力条件不易掌握 优点：原状土的原位强度第16页/共94页17一、 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 = 100KPaS = 200KPa = 300KPa第17页/共94页18通过控制剪切速率来近似模拟排水条件一、直剪试验PSTA(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分钟内剪切破坏第18页/共94

6、页19l 设备简单，操作方便l 结果便于整理l 测试时间短优点l 试样应力状态复杂l 应变不均匀l 不易控制排水条件l 剪切面固定缺点PSTA类似试验：环剪试验单剪试验一、直剪试验TP试样内的变形分布第19页/共94页20Octanfcc： 粘聚力 ：内摩擦角 = 100KPaS = 200KPa = 300KPa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第20页/共94页21 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RcfC钢环变形常数R变形量第21页/共94页22第22页/共94页23第23页

7、/共94页241、试样应力特点与试验方法2、强度包线3、试验类型4、优缺点试样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量测体变或孔压二、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。第24页/共94页25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=r3 3 13 3 第25页/共94页26强度包线(1-)fc (1-)f11- 31 =15%v分别作围压为100 kPa

8、 、200 kPa 、300 kPa的三轴试验，得到破坏时相应的（1-)fv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、强度包线第26页/共94页27v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v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v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

9、差过程中不排水cd 、d ccu 、cu cu 、u 3、试验类型第27页/共94页28试验条件与现场条件的对应关系粘土地基上的分层慢速填方 在1层固结后，快速施工2层12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第28页/共94页29v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v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第29页/共94页30v一般适用于测定软粘土的不排水强度指标；v钻孔到指定的土层，插入十字形的探头；v通过施加的扭矩计算土的抗剪强度三、十字板剪切试验第

10、30页/共94页31max12MMMfvfh时：ffHDDMMM262321maxmax2()23fMDDH fhDfhDrrrM6d2232/01fvDDHM22M1HDM2三、十字板剪切试验第31页/共94页323 3 1 u 轴对称三维应力状态3 3 31 Bu 3 =+Au 3 3 3 Bu Au 31 等向压缩应力状态偏差应力状态封闭土样ABuuu 7.4 三轴压缩试验中的孔隙压力系数第32页/共94页33(1) 等向压缩应力状态321 l孔隙流体产生了超静孔隙水压力uBl土骨架的有效附加应力B3321u l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

11、变1vvBvBVCuVCunVl土骨架的体积变化设土骨架的体积压缩系数为CsV)u(CVCVB3s3s2 体积Vl土骨架的体变等于孔隙流体的体变V1=V2v11sBn CCv3()BsBCunVCu V3v11Bsun CC3BBu 3 3 3 Bu 孔压系数B土骨架为线弹性体s3(12 )CE 第33页/共94页34饱和土：干 土： 非饱和土：B是一个反映土饱和程度的指标v1,0,1rSCBv0,0rSCB v01,0,01rSCB 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Csv11sBn CC321 3 3 3 Bu 孔压系数B(1) 等向压缩应

12、力状态第34页/共94页35Au 31 l孔隙流体产生了超静孔隙水压力uA有效附加应力Au l孔隙流体的体积变化1vAVCunVl土骨架的体积变化V)u3)(C31V)u3(E21VA31sA312 l土骨架的体变等于孔隙流体的体变V1=V213v11 ()13Asun CC )(ABu31A 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s3(12 )CE V)(VV321v2 )(31Bu31A 31 0A31u E/)u(2)u(AA31 E/)u()u(uAA31A 第35页/共94页36)(ABu31A 孔压系数A对饱和土:)(Au, 1B31

13、A 31AuA 剪切作用引起的孔压响应对于线弹性体:A=1/3A不是常数，随加载过程而变化A1/3A ；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oqpa第42页/共94页43u 313uBAB (p)(q)O(p)u1331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3 3 13 3 131313112212puuupu131313112212quuq有效应力原理孔隙水压力u第43页/共94页443311const1212pq 1Auppuqq 2、总应力路径与有效应力路径u45pOqKfpqKfu3

14、3 13 3 u131322pq第44页/共94页45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第45页/共94页461. 两种强度指标的比较有效应力指标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第46页/共94页471()p(p)quKfKfffuu45/2松砂及

15、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？第47页/共94页48()ccff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.强度包线与破坏主应力线u(+)总应力有效应力第48页/共94页49二二. . 三轴试验强度指三轴试验强度指标标剪切前固结条件剪切中排水条件固结Consolidated排水Drained1.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

16、Unconsolidated不排水Undrained三种试验3.不固结不排水试验（UU）第49页/共94页501.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第50页/共94页51ddcc245(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: 1= 1d=f= fcd = c破坏面位置：第51页/共94页52v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：

17、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第52页/共94页53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第53页/共94页54vv表示体缩v0表示体胀

18、(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第54页/共94页55v表示体缩v0表示体胀(剪胀)峰值强度残余强度f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cp0cr = 0v残余强度峰值强度第55页/共94页56ep强度包线fp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第56页/共94页57

19、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) 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第57页/共94页582.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(2) 正常固结粘土固结不排水试验曲线与强度包线ffcucu2.固结不排水试验二.三轴试验强度指标第59页/共94

20、页60u应力应变关系软化，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fcucucuccu02.固结不排水试验二.三轴试验强度指标第60页/共94页61(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 cuc第61页/共94页623.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第62页/共94页

21、63(1)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试样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量测孔隙水压力第63页/共94页64u =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=13.不固结不排水试验二.三轴试验强度指标Cu依赖于初始状态第64页/共94页65cu p1cu1p2cu2p3cu3(3)不

22、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第65页/共94页66cu = qu/2cuqu = (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第66页/共94页67(5)(5)不饱和试样的不排水强不饱和试样的不排水强度度不饱和区饱和区3.不固结不排水试验二.三轴试验强度指标第67页/共94页68三. 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

23、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PSTA第68页/共94页69强度指标l 对于砂土，三种试验结果都接近于c l 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 k1dN动应变Kc=1uN孔压dN动荷载3311固结比Kc=1/35.5 砂土的振动液化一、动三轴试验第78页/共94页79二、液化现象时间 T孔压uF饱和松砂在振动情况下孔压急剧升高F在瞬间砂土呈液态振动台松砂5.5 砂土的振动液化第79页/共94页80三、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，砂土呈液体流动状态，称为液化现