资料教案第3章

1、高等土力学No.7Advanced Soil Mechanics主讲：郭莹土木岩土工程高等土力学内容绪论第1章 第2章第3章土工试验与测试土的本构关系土的强度3第3章 土的强度3.1 概述3.2 土的抗剪强度的机理3.3 影响土强度的内部因素3.4 影响土强度的外部因素3.5 土的排水与不排水强度3.6 土的强度理论3.7 粘性土的抗拉强度补充3.1 概述3.1.1 t f = c + stan1）1776年，库仑（Coulomb)公式：2）1900年，莫尔(Mohr):t f= f (s )n土的抗剪强度tf是作用在其破坏面上的正应力sn的单 值函数3） 广义米塞斯（Mises）和广义屈雷斯

2、卡（Tresca）强度理论4） 现代的强度理论：破坏是应力应变关系的最后状态：包括在本构模型之内；5）与拉伸、断裂及孔隙水有关的破坏问题。3.1 概述3.1.2 土的强度的特点1）土是碎散颗粒的集合，颗粒之间的相互一般是相对薄弱的。所以土的强度主要是由颗粒间的相互作用力决定，而不是由颗粒矿物本身强度决定；开始就破坏的材料 2）土的破坏主要是剪切破坏，其强度主要表现为摩擦力和粘聚力；3.1 概述3.1.2 土的强度的特点续3）三相组成，固体颗粒之间的液体、气体及液、固、气间的界面对于土的强度有很大影响：孔隙水、吸力（毛细力）；4）地质历史造成土强度多变性、结构性和各向异性；土强度的这些特点体现在

3、它受内部和外部、微观和宏观众多因素的影响， 成为一个十分复杂的课题。3.1 概述3.1.3 土的屈服、强度和土体破坏1.屈服与强度：屈服：以出现塑性变形为标志破坏：产生很大变形（完全塑性与应变硬化）微小应力引起很大的应变增量；不能稳定（应变软化和断裂）-微小应力则丧失稳定。3.1 概述3.1.3 土的屈服、强度和土体破坏1.屈服与强度：弹塑性刚塑性弹性完全塑性 屈服即破坏 断裂应变软化 土的几种本构关系3.1 概述3.1.3 土的屈服、强度和土体破坏2. 土的强度和土体破坏1) 土达到屈服不一定达到破坏；2) 在土体中，局部土达到强度，不一定引起整个土体的破坏；屈服与强度（破坏）并不是完全相同

4、的概念，与所选择的理论模型有关，土体破坏与边值问题的具体边界条件有关。塑性区屈服与破坏不同与强度有关的问题:天然与人工边坡的滑坡地基破坏土与挡土结构破坏基坑与工程倒塌土体液化某水泥厂地基滑动破坏概况：长59.4m，宽23.5m，高31.0m，共65个圆筒仓钢混筏板基础，厚61cm，埋深3.66m1911年动工，1913年完工，自重2万吨（满载42.5%）事故：1913年9月装谷物，10月17日装了31822谷物时， 1小时竖向沉降达30.5cm 24小时倾斜2653 西端下沉7.32m东端上抬1.52m 上部钢混筒仓完好无损未勘察。采用 结构物基槽开挖试验结果计算承载力352kPa，直接应用。

5、1952年勘查与计算实际承载力193.8276.6kPa，远小于发生破坏时 329.4kPa地震与砂土的液化3.1 概述3.1.4 测定土强度的试验方法1） 土破坏（强度）的2） 室内试验与现场测试3） 直剪试验与三轴试验4） 复杂应力路径试验：平面应变、真三轴、空心扭剪5） 超静孔压与吸力的影响：排水与不排水，非饱和土三轴试验.土破坏的1） 破坏是应力应变过程的最后阶段，这时微小的应力增量将会引起很大的或者不可的应变增量；2） 土的破坏主要是剪切破坏；3）有时用应力比和应力差破坏是不一致的与选择的破坏标准有关。峰值强度断裂一定应变值残余强度土的几种破坏形式与破坏标准破坏标准不同确定的强度也不

6、同第3章 土的强度3.1 概述3.2 土的抗剪强度的机理3.3 影响土强度的内部因素3.4 影响土强度的外部因素3.5 土的排水与不排水强度3.6 土的强度理论3.7 粘性土的抗拉强度223.2 土的抗剪强度的机理t f摩擦强度 stgj= c + s tanj与粘聚（力）强度c一般不可能将二者截然往往不一致，例如：。表现形式与实际机理1） 砂石土的咬合、毛细吸力表现为（假）粘聚力2） 正常固结粘土强度包线过原点（假）摩擦力3） 饱和粘土ju=0，cu，但实际存在摩擦力。3.2 土的抗剪强度的机理内容3.2.1 摩擦强度1. 固体颗粒间的滑动摩擦2. 咬合摩擦3.2.2 粘聚力1.2.3.4.

7、5.静电引力电磁引力颗粒间的胶结颗粒间接触点的化合价键表观的（假）粘聚力3.2 土的抗剪强度的机理3.2.1 摩擦强度1. 固体颗粒间的滑动摩擦1) 固体表面的“纯”滑动摩擦2) 其中N为正，3) T为剪切力，4) 为摩擦系数，5) j为滑动摩擦角.可见摩擦力T正比于正N；两物体间摩擦阻力与物体无关。m = T = tanjNm光滑表面真实的固体表面存在不规则表面的咬合和“自锁”作用。常见矿物的滑动摩擦角非 粘 土 矿物饱和石英2224.5饱和长石2837.6饱和方解石34.2饱和绿泥石12.4粘 土 矿 物高岭石12伊利石10.2蒙脱石410常见矿物的滑动摩擦角：小颗粒小得多3.2 土的抗剪

8、强度的机理3.2.1 摩擦强度2. 咬合摩擦1) 颗粒间的咬合；2) 微观结果：颗粒的提升、错动、转动、拔出、断裂、接触点的破损3) 宏观结果：剪高抗剪强度。碎、定向和重排列提咬合摩擦23土的强度及其影响因素1几点结论1) 剪胀提高了抗剪强度；剪缩（负剪胀）减少了抗剪强度；2) 颗粒的破碎与重定向排列需要额外作功，也增加了土 的抗剪强度。但由于颗粒破碎与重排列减少了土产生剪胀的可能性，甚至会发生剪缩；3) 在高围压下，颗粒破碎量大，很难发生剪胀；4) 颗粒的重排列往往会破坏土的原有结构，造成剪胀量 减少.从这个角度来看，颗粒的破碎和重排列减少了土的剪胀， 与不发生颗粒的破碎和重排列相比，实际上

9、减少了土的摩擦强度。303.2 土的抗剪强度的机理3.2.2 粘聚力破坏面没有任何正应力作用下的抗剪强度大多数强度包线不是线性，通过外延直线段找其截距确定不精确；很多情况下很低围压下甚至无围压下很难准确确 定粘聚力；土的纯粹粘聚力在数值上难于精确测定。313.2 土的抗剪强度的机理3.2.2 粘聚力由于土颗粒间引力与斥力的综合作用引力有：1. 静电引力（electrostatic attraction） 2.范得华力（Vander Waals forces）3. 颗粒间的胶结4. 颗粒间接触点的化合价键5. 表观的粘聚力.32粘聚力总结粘聚力都是来源于颗粒间由于各种内部吸引而产生的正应力。而抗

10、剪强度则是由于这些吸引力而产生的粒间的摩擦。有人认为这种粘聚抗剪强度来源于“内部”。据测试分析表明，粒间吸引力引起的粘聚力较小，化学胶结力是粘聚力的主要部分。3.2end33第3章 土的强度3.1 概述3.2 土的抗剪强度的机理3.3 影响土强度的内部因素3.4 影响土强度的外部因素3.5 土的排水与不排水强度3.6 土的强度理论3.7 粘性土的抗拉强度343.3 影响土强度的内部因素3.3.1 影响土强度的因素3.3.2 影响土强度的一般物理性质3.3.3 孔隙比e与砂土抗剪强度关系临界孔隙比ecr353.3 影响土强度的内部因素3.3.1 影响土强度的因素CHTS各种因素并不，可能相互重叠

11、。36t f= f (e, C,s ,jj, c, H, T,e ,e&,S)1. 内部因素（1）组成：矿物成分，颗粒大小与级配，颗粒形状，含水量（饱和度）以及粘性土的离 子和胶结物种类等因素；（2）状态：砂土的相对密度；粘性土的孔隙比；（3）结构：颗粒的排列与相互作用关系，原状与重塑差别很大.2.外部因素温度、应力状态（围压、中主应力）、应力历史、主应力方向、应变值、加载速率及排水条件。373.3 影响土强度的内部因素3.3.2 影响土强度的一般物理性质（组成与状态）1. 颗粒矿物成分2. 颗粒的几何性质3. 土的级配4. 土的状态5. 土的结构6. 剪切带的形成及其影响383.3.2 影响

12、土强度的一般物理性质1. 颗粒矿物成分的影响（滑动摩擦角）非粘土矿物饱和石英2224.5饱和长石2837.6饱和方解石34.2饱和绿泥石12.4粘土矿物高岭石12.0伊利石10.2蒙脱石4103.3.2 影响土强度的一般物理性质1. 颗粒矿物成分的影响不同粘土矿物的塑性指数不同，抗剪强度不同403.3.2 影响土强度的一般物理性质2. 粗粒土颗粒的几何性质大小、棱角、针片状（1）颗粒大小的影响一方面，大颗粒具有较强的咬合，可能增加土的剪胀，从而提高强度；另一方面，大 颗粒在 体积中颗粒间接触点少，接触点上应力加大，颗粒更容易破碎，从而减少剪胀，降低了土的强度。413.3.2 影响土强度的一般物

13、理性质2. 粗粒土颗粒的几何性质（1）颗粒大小的影响对于砂土，如果均匀的细砂与粗砂具有相同的孔隙比e，二者的内摩擦角j基本相同。但由于细砂的emin要大，所以这时细砂的相对密度Dr要高；如果相对密度Dr相同，则粗砂的内摩擦角j 大。423.3.2 影响土强度的一般物理性质2. 粗粒土颗粒的几何性质（2）表面糙度、针、片状形状及棱角颗粒在其他条件相同时，颗粒表面糙度增加将会增加砂土的内摩擦角；粗粒土的针、片状形状及棱角的影响较复杂：（a）加强了颗粒间的咬合作用：j；（b）针片状颗粒更易于折断，棱角易于折损:j。433.3.2 影响土强度的一般物理性质3. 土的级配级配好：密度增加剪胀性增强触点增

14、加与接触应力减小均有利于强度提高.443.3.2 影响土强度的一般物理性质4. 土的状态孔隙比e及相对密度Dr影响强度的最重要因素，密度大其强度提高；砂土（以石英为主）的干与湿：二者一般接 近，相差12.5. 土的结构：有时是性因素，原状强度比重塑有所提高，制样方法很大影响.6. 剪切带的形成及其影响：应变软化常伴随应变局部化与剪切带的形成，降低强度。45(a)单轴压缩（无侧限)试验(b)两种制样方法静压揉搓3.3.2 影响土强度的一般物理性质473.3.3 孔隙比e与砂土抗剪强度关系临界孔隙比ecr密砂应变软化，剪胀密砂松砂应变硬化，剪缩49相同围压下密砂与松砂的三轴排水剪试验破坏时孔隙比接

15、近临界孔隙比ecr 是指在三轴试验加载过程 中，达到极限应力差(s1s3)ult，轴向应变连续增加，最终试样体积几乎不变时的孔隙比；也可以叙述为：在一种围压下，用具有临界孔隙比的砂试样进行排水三轴试验，偏差应 力达到(s1s3)ult时，试样的体应变为零；或者不排水试验破坏时的孔隙水 (孔隙水压力系数A)为零；很有意义的概念：饱和砂土的液化和流滑。50 临界孔隙比与围压3.3-end51第3章 土的强度3.1 概述3.2 土的抗剪强度的机理3.3 影响土强度的内部因素3.4 影响土强度的外部因素3.5 土的排水与不排水强度3.6 土的强度理论3.7 粘性土的抗拉强度523.4 影响土强度的外部

16、因素3.4.1 围压s3的影响3.4.2 中主应力s2的影响3.4.3 主应力方向的影响土强度的各向异性3.4.4 土的抗剪强度与加载速率的关系3.4.5温度与土强度关系.533.4 影响土强度的外部因素3.4.1 围压s3的影响21 - sinj(s)(c cosj + ssinj )- s=133fj = j - Dj lg s 30pats= Abnf 碎石和堆石543.4.1 围压s3的影响 松砂CD（a）剪胀到剪缩变化 （b） 55松砂在不同围压下试验曲线s3=0.113.7MPa固结后孔隙比ec0.87 Dr=38%3.4.1 围压s3的影响 （a） （1）临界围压为2MPa左右（

17、2）Dj12降低(围压100增至3900)（3）s3=13.7MPa的高压下三轴试验破坏后，砂的孔隙比e=0.37，明显小于初始孔隙比-严重破碎。（b）56ec=0.61, Dr=100%s3=0.113.7MPa3.4 影响土强度的外部因素3.4.2 中主应力s2的影响b = s 2- s 3s1 - s 32s 2 - s 1- s 3q = tan-1洛德角3(s)- s13s1 - s 3+ s 3 + 2c cotjsinj =s1573.4.2 中主应力s2的影响b = s 2- s 3s1 - s 3中主应力系数 2s 2 - s 1 - s 3q = t an-13(s)- s

18、13洛德角s2增大， 抗剪强度和内摩擦角会增大583.4 影响土强度的外部因素3.4.3 主应力方向的影响土强度的各向异性AB阻力较小阻力较大 砂土颗粒排列CD593.4.3 主应力方向的影响土强度的各向异性s1s3s3砂土不同方向取样的强度试验备砂土自下而上通入CO2 饱和砂雨-25冻结不同方向取样三轴试验jq60q3.4.3 主应力方向的影响土强度的各向异性 孔隙率 主应力方向对砂土强度的影响613.4.3 主应力方向的影响土强度的各向异性粘土的各向异性颗粒排列与作用力：分散结构与絮凝结构固结历史：超固结与正常固结：s3=k0s1土质埋深623.4.3 主应力方向的影响土强度的各向异性剪切面与试样的沉积层面垂直沉积层面63直剪试验中剪切方向对抗剪强度的影响正常固结粘土3.4.3 主应力方向的影响土强度的各向异性应力路径对土的强度的影响（1） 应力路径对于砂土的有效应力强度指标一般影响不大；（2） 对于粘土，只要没有太大的应力反复，其有效应 力强度指标受应力路径影响不大；（3） 但由于不同应力路径下不排水情况下的超静孔隙水不同，所以粘性土的不排水及固结不排水强度指标是受应力路径影响的。643.4 影响土强度的外部因素3.4.4土的抗剪强度与加载速率的关系时间的影响651. 瞬时加载下土的动强度（1）在冲