土质学与土力学-第七章-土的抗剪强度课件

1、第七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7.1 概述7.2 土的抗剪强度理论7.3 土的抗剪强度试验7.4 三轴压缩试验中的孔隙压力系数7.5 饱和粘性土的土的抗剪强度7.6 应力路径与破坏主应力线简介 7 土的抗剪强度 7 土的抗剪强度本章需要重点掌握内容：1）掌握库仑公式、莫尔库仑强度理论；2）掌握土的抗剪强度指标的测定方法；3）掌握不同固结和排水条件下土的抗剪强度指标的意义及其应用；本章需要了解内容：1）孔隙压力系数A和B2）应力路径概念3）抗剪强度的影响因素。4）能利用抗剪强度的基本理论和试验方法解决实际工程土中的强度和稳定问题。一、土的强度

2、特点二、工程中土体的破坏类型 7 土的抗剪强度7.1 土的抗剪强度概述一、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：土的强度的结构性与复杂性。7.1 土的抗剪强度概述大阪的港口码头挡土墙由于液化前倾二、工程中土体的破坏类型1. 挡土结构物的破坏7.1 土的抗剪强度概述1. 挡土结构物的破坏二、工程中土体的破坏类型广州京光广场基坑塌方使基坑旁办公室、民工宿舍和仓库倒塌，死3人，伤17人。7.1 土的抗剪强度概述挡土墙滑裂面基坑支护1. 挡土结构物的破坏二、工

3、程中土体的破坏类型7.1 土的抗剪强度概述平移滑动2. 各种类型的滑坡崩塌旋转滑动流滑二、工程中土体的破坏类型7.1 土的抗剪强度概述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2. 各种类型的滑坡二、工程中土体的破坏类型龙观嘴黄崖沟乌江2000年西藏易贡巨型滑坡2. 各种类型的滑坡二、工程中土体的破坏类型高程（m）滑距（m）553022004000扎 木 弄 沟滑坡堆积体0800040002

4、0006000立面示意图坡高 3330 m堆积体宽 约2500m总方量 约3亿方2. 各种类型的滑坡二、工程中土体的破坏类型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2264m2210m2165m2340m平面示意图5520m滑坡堆积体2. 各种类型的滑坡二、工程中土体的破坏类型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约50cm?2. 各种类型的滑坡二、工程中土体的破坏类型2000年西藏易贡巨型滑坡边坡滑裂面2. 各种类型的滑坡二、工程中土体的破坏类型粘土地基上的某谷仓地基破坏3. 地基的破坏二、工程中土体的破坏类型日本新泻1

5、964年地震引起大面积液化3. 地基的破坏二、工程中土体的破坏类型地基p滑裂面3. 地基的破坏二、工程中土体的破坏类型土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核心强度理论二、工程中土体的破坏类型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7.2 土的抗剪强度理论PSTAc 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及抗剪强度指标 （总应力法与有效应力法）=三维应力状态二. 应力莫尔圆二

6、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二. 应力莫尔圆Oz+zx-xzx213rR+-1二. 应力莫尔圆大主应力：小主应力:圆心：半径：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三. 极限平衡应力状态极限平衡应力状态： 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三. 极限平衡应力状态f强度包线以内：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

7、坏包线相交：有一些平面上的应力超过强度；不可能发生。四. 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 +tg3.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四. 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1f3Oc四. 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1f3Oc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1f11f 破坏状态Oc1f311五. 破坏判断方法判别对象：土体微小单元（一点）3=

8、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3f33f 弹性平衡状态3=3f 极限平衡状态33f 破坏状态Oc 13f33五. 破坏判断方法判别对象：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判断破坏可能性由1、3计算与比较 粘性土； 高岭石伊里石蒙脱石粒径的形状（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：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

9、子价与离子浓度-+2. 凝聚强度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分钟内剪切破坏一. 直剪试验PSTAOnK0nPSTA一. 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 试样应力状态复杂 应变不均匀 不能控制排水条件 剪切面固定缺点一. 直剪试验PSTA类似试验：环剪试验单剪试验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二. 三轴压缩（剪切）试验1.试样应力特

10、点与试验方法2.强度包线3.试验类型4.优缺点二. 三轴压缩试验方法：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：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-)fc (1-)f11- 31 =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 二. 三轴压缩试验2.强度包线固结排水试验（CD试验）1 打开排水阀门

11、，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.试验类型二. 三轴压缩试验固结排水试验（CD试验） Consolidated Drained Triaxial test (CD) 抗剪强度指标： cd d （c ）试验类型汇

12、总固结不排水试验（CU试验） Consolidated 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 ）二. 三轴压缩试验优点：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.优点和缺点二. 三轴压缩试验无侧限抗压强度试验如同三轴压缩试验中3 =0时的特殊情况。试验时，将圆柱形

13、试样置于无侧限压缩仪中，对试样不加周围压力，仅对它施加垂直轴向压力1（见右图），剪切破坏时试样所承受的轴向压力称为无侧限抗压强度。无粘性土在无侧限条件下试样难以成型，故该试验主要用于粘性土，尤其适用于饱和软粘土。三.无侧限抗压强度试验对于饱和软粘土，在不固结不排水条件下进行剪切试验，可认为=0，其抗剪强度包线与轴平行。因而，由无侧限抗压强度试验所得的极限应力圆的水平切线即为饱和软粘土的不排水抗剪强度包线（水平线）。 由图可知，其不排水抗剪强度cu为： cu=qu/2真三轴仪空心圆柱扭剪仪其它室内试验 四.十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

14、过施加的扭矩计算土的抗剪强度7.3 土的抗剪强度试验时：M1HDM2 四、十字板剪切试验?几种简单的情形：饱和土中孔隙水压力和有效应力的计算附加应力情况 外荷载附加应力z土骨架：有效应力(2) 轴对称三维应力状态(1) 侧限应力状态孔隙水：孔隙水压力超静孔隙水压力7.4 三轴压缩试验中的孔隙压力系数侧限应力状态及一维渗流固结附加应力作用情况 实践背景：大面积均布荷载p0不透水岩层饱和压缩层z=p0p0侧限应力状态侧限应力状态及一维渗流固结附加应力作用情况 物理模型：钢筒侧限条件 弹簧土骨架 水体孔隙水 带孔活塞排水顶面 活塞小孔渗透性大小初始状态边界条件渗透固结过程p0一般方程p0侧限应力状态

15、及一维渗流固结附加应力作用情况 ppp附加应力:z=p超静孔压: u = z=p有效应力:z=0渗透固结过程附加应力:z=p超静孔压: u 0附加应力:z=p超静孔压: u =0有效应力:z=p 孔压系数：不排水条件下相当于t=0时刻:附加应力作用情况 侧限应力状态及一维渗流固结渗透固结过程u,随时间在变化产生超静孔隙水压力附加应力作用情况 轴对称三维应力状态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不固结不排水试验从某一初始状态，阀门关闭，连接孔压传感器，施加围压不固结，量测超静孔隙水压力 uB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

16、uA一、孔压系数A和B 轴对称三维应力状态=+等向压缩应力状态偏差应力状态封闭土样1. 等向压缩应力状态孔隙流体产生了超静孔隙水压力uB土骨架的有效附加应力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变土骨架的体积变化设土骨架的体积压缩系数为Cs体积V土骨架的体变等于孔隙流体的体变V1=V2孔压系数B线弹性体饱和土：干 土： 非饱和土：B是一个反映土饱和程度的指标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Cs孔压系数B1. 等向压缩应力状态孔隙流体产生了超静孔隙水压力uA有效附加应力孔隙流体的体积变化土骨架的体积变化土骨

17、架的体变等于孔隙流体的体变V1=V2孔压系数A2. 偏差应力状态体积V假定为线弹性体轴向侧向总应力增量应变增量0孔压系数A对饱和土: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A1/3A1/3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ffcu2.固结不排水试验二.三轴试验强度指标u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fcuu02.固结不排水试验二.三轴试验强度指标(4) 固结不排水三轴试验确定的强度指标2.固结不排水试验二.三轴试验强度指标应力变量

18、试验量测u计算= u=确定的强度指标ccu cuc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.固结不排水试验二.三轴试验强度指标教材198页图7-17、7-18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Unconso

19、lidated不排水Undrained三种试验3.不固结不排水试验（UU）二.三轴试验强度指标3.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) 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(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.不固结不排水试验二.三轴试验强度指标

20、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3.不固结不排水试验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: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cuu = B + A ()B=13.不固结不排水试验二.三轴试验强度指

21、标cu pc1cu1pc2cu2pc3cu3(4)不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cu = qu/2cuqu = (5)无侧限压缩试验：3 =0的不排水试验3.不固结不排水试验二.三轴试验强度指标(6)不饱和试样的不排水强度不饱和区饱和区3.不固结不排水试验二.三轴试验强度指标不固结不排水试验小结3.不固结不排水试验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教材197页图7-15三. 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.