土力学第五章土的抗剪强度理论讲义PPT

第五章土土的抗抗剪强度理论论主要内容第一节概概述第二节库库仑定律和摩摩尔-库仑强度准则则（重点）第三节抗抗剪强度指标标的试验方法法及其应用第四节孔孔隙应力系数数及土的剪胀胀性（难点））第五节节土土的抗抗剪强强度特特性的的几个个问题题一、材材料的的破坏坏形式式铸铁：（1）断裂型型破坏坏（脆断断破坏坏）；；拉伸试试件沿横截截面断断裂，，扭转圆圆试件件沿斜截截面断断裂，，但断断裂面面都是是最大拉拉应力力所在平平面；；是正正截面面破坏坏；（2）剪切型型破坏坏（屈服服破坏坏）：：压缩试试件沿斜截截面发发生错错动而而破坏坏，是是由于于斜截截面上上的剪剪应力力所引引起的的剪断断破坏坏。低碳钢钢：拉伸和和压缩缩试件件的破坏坏由斜截面面上的的剪应应力引起，，属于于剪切型型破坏坏。结论：材料的的破坏坏按其其物理理本质质而言言分为为断裂型型和剪切型型两大类类。第一节节概概述述二、材材料的的强度度理论论1．强度度理论论定义义：假假设材材料的的某一一种类类型的的破坏坏是由由某种种因素素所引引起的的，这这种假假说通通常就就称为为强度度理论论。2．常用用的强强度理理论：：（1）最大大拉应应力理理论（（第一一强度度理论论）：：脆断破破坏。（2）最大大伸长长线应应变理理论（（第二二强度度理论论）：：脆断破破坏。（3）最大剪剪应力力理论论（第第三强强度理理论））：屈服破破坏。（4）形状状改变变比能能理论论（第第四强强度理理论））：屈服破破坏。问题：：土的的破坏坏型式式是什什么？？它的的强度度理论论是什什么？？边坡坡滑裂面三、、土土的的破破坏坏形形式式———剪切切破破坏坏因为为土土颗颗粒粒自自身身的的强强度度远远大大于于颗颗粒粒间间的的联联接接强强度度，，在在外外力力作作用用下下，，土土中中的的颗颗粒粒沿沿接接触触处处互互相相错错动动而而发发生生剪剪切切破破坏坏。。四、、土土的的强强度度理理论论滑裂裂面面上上的的剪剪应应力力达达到到极极限限值值。。（注注：：与与最最大大剪剪应应力力理理论论不不同同））土的的抗抗剪剪强强度度定定义义土体体抵抵抗抗剪剪切切破破坏坏的的极极限限能能力力。。剪切切破破坏坏时时滑滑动动面面上上的的剪剪应应力力。。工程程应应用用边坡坡的的稳稳定定性性由由强强度度控控制制；；土压压力力的的计计算算；；地基基的的承承载载力力需需通通过过强强度度确确定定。。土力力学学研研究究内内容容基础础物理理性性质质先导导土中中应应力力具体体应应用用土压压力力土坡坡稳稳定定地基基承承载载力力核心心渗透透特特性性变形形特特性性强度度特特性性第二二节节库库仑仑定定律律与与摩摩尔尔-库仑仑强强度度准准则则（一一））直直剪剪试试验验（法法国国库库仑仑））1.试验验原原理理施加加σ（=P/A），，剪剪切切变变形形S量测测（=T/A）上盒下盒PSTσ=100KPaSA一、、库库伦伦（（Coulomb）定律律2.试验验结果果σ=100KPaSσ=200KPaσ=300KPaPSTAOcc粘聚聚力力内摩摩擦擦角角σ

=100KPaSσ

=200KPaσ

=300KPa库仑仑公公式式：：f：土的的抗抗剪剪强强度度tg：摩擦擦强强度度-正比比于于压压力力c：粘聚聚强强度度-与所所受受压压力力无无关关2.试验验结结果果砂土土:ττf=σσtg粘性性土土:ττf=c+σσtg有效效应应力力原原理理：：有效效应应力力与与抗抗剪剪强强度度存存在在唯唯一一对对应应关关系系用有有效效应应力力表表达达：τf=c´´+σσ´´tgφφ´=c´´+（σ-u）tgφφ´3、抗抗剪剪强强度度公公式式（库库仑仑定定律律））NT=NT滑动动摩摩擦擦（二二））土土的的强强度度的的机机理理1.摩擦擦强强度度tg（1）滑滑动动摩摩擦擦（2）咬合合摩摩擦擦引引起起的的剪剪胀胀滑动动摩摩擦擦咬合合摩摩擦擦引引起起的的剪剪胀胀1.摩擦强度度tg（二）土土的强度度的机理理密度（e,粒径级配配（Cu,Cc）颗粒的矿矿物成分分对于：砂土>粘性土；；高岭石>伊里石>蒙特石粒径的形形状（颗颗粒的棱棱角与长长宽比））在其他条条件相同同时：对于砂土土，颗粒粒的棱角角提高了了内摩擦擦角对于碎石石土，颗颗粒的棱棱角可能能降低其其内摩擦擦角影响土的的摩擦强强度的主主要因素素：1.摩擦强度度tg（二）土土的强度度的机理理粘聚强度度机理静电引力力（库仑仑力）范德华力力颗粒间胶胶结假粘聚力力（毛细细力等））粘聚强度度影响因因素地质历史史粘土颗粒粒矿物成成分密度离子价与与离子浓浓度----+2.凝聚强度度（二）土土的强度度的机理理（三）应应力状态态分析τ﹤τf平衡状态态τ=τf极限平衡衡状态（（土趋于于破坏的的临界状状态）τ﹥τf­破坏状态态小结：从变形过过程看，，抗剪强强度仅当当施加了了剪应力力，发生生了剪切切变形后后才能表表现出来来，所以以抗剪强强度只能能用达到极限限平衡时时的剪应应力来衡衡量。二、摩尔尔-库仑强度度理论（（1910年）（一）摩尔理论论：摩尔认认为材料料的破坏坏是剪切切破坏这个函数数在f-坐标中是是一条曲曲线，称称为摩尔包线线（或抗剪剪强度包包线）（二）摩尔—库仑强度度理论——在土力学学中，为为了实用用的目的的，在较较小的侧侧向压力力作用下下，可近近似的用用直线来来代替摩尔包线线，该直线线方程就就是库仑公式式。定义：用用库仑公公式表示示摩尔包包线的强强度理论论摩尔包线线极限平衡衡状态：土单元体体中任一一平面上上的τ=τf的临界状状态。极限平衡衡条件：土体中某点处于极限限平衡状状态时的的应力条条件。（τ=τf，土的剪切切破坏条条件）基本概念念一般应力力状态如如何判断断是否破坏坏？借助于摩摩尔圆——摩尔-库仑强度度准则1.土中一点点的应力状状态（平面应应变）（三）土土的极限限平衡条条件摩尔圆：：代表一一个土单单元的应应力状态态；圆周上一一点代表表一个面面上的两两个应力力与摩尔应力力圆与抗抗剪强度度包线之之间的关关系有三三种：（1）整个摩摩尔圆位位于抗剪剪强度包包线的下方——平衡状态态（2）摩尔圆圆与抗剪剪强度包包线相切（切点为为A）——极限平衡衡状态（3）摩尔圆圆与抗剪剪强度包包线相割——破坏状态态

Ac摩尔圆与抗剪强度包线之间的关系2、摩尔—库伦破坏坏准则根据Mohr-Coulomb破坏理论论，破坏坏时的Mohr应力圆必必定与破破坏包线线相切。切点所代代表的平平面满足足τ=τf的条件，，该点处处于极限平衡衡状态。1f3Oc极限平衡衡条件表表达式极限平衡衡条件表表达式1f3Oc根据应力力状态计计算出大大小主应应力σ1、σ3判断破坏坏可能性性由σ3计算σ1f比较σ1与σ1fσ1<σ1f弹性平衡衡状态σ1=σ1f极限平衡衡状态σ1>σ1f破坏状态态Oc1f311三、破坏坏判别方方法判别对象象：土体体微小单单元（一一点）3=常数：根据应力力状态计计算出大大小主应应力σ1、σ3判断破坏坏可能性性由σ1计算σ3f比较σ3与σ3fσ3>σ3f弹性平衡衡状态σ3=σ3f极限平衡衡状态σ3<σ3f破坏状态态Oc13f33判别对象象：土体体微小单单元（一一点）1=常数：三、破坏坏判别方方法Oc1f3231f45°＋/2破裂面2滑裂面的的位置与大主应应力作用用面夹角角:α=45+/2总结：Mohr-Coulomb破坏理论论的要点点①剪切破破裂面上上，土体体的抗剪剪强度是是法向应应力的函函数τf=f（σ）②当法向应应力不大大时，该该函数可可以简化化为线性性函数关关系，用用Coulomb公式来表表示τf=c+σtgφ③土单元体体的任何何一个面面上τ=τf时，就会会发生剪剪切破坏坏。此时时土单元元体的应应力状态态满足极极限平衡衡条件。。莫尔—库仑强度度理论与材料力学中的的最大剪应力理理论有何区别？土土体的剪切破破坏是发生在在τmax作用面上吗？？答：M-C理论中τf=tanф+c是随正应力的的增大而增大大的，不是一一个定值，也也不等于τmax。最大剪应力理理论假设材料料沿τmax所在截面滑移移而发生屈服服破坏。土的破坏点不不一定在τmax作用面上，破破坏面与σ1作用面的夹角角：αf=45º+фф/2，不是45º。只有当ф=0时，破坏面才才是τmax作用面，这是是特例。思考题课后作业课后习题5-1第三节抗剪强度指标标的试验方法法及其应用剪切试验的类类型——室内剪切试验验（直剪试验、三轴轴压缩试验和和无侧限压缩缩试验）——现场原位测试试（十字板剪剪切试验）室内试验的特特点——边界条件比较较明确，且容容易控制。但但室内试验要要求从现场采采取试样，在在取样的过程程中不可避免免地引起应力力释放和土的的结构扰动。。现场原位试验验的优点——直接在现场原原位进行，不不需取试样，，因而能够更更好地反映土土的结构和构构造特性；对对无法进行或或很难进行室室内试验的土土，如粗颗粒粒土、极软粘粘土及岩土接接触面等，可可以取得必要要的力学指标标。1、试验装置及试试验方法：试验装置——应变控制式和和应力控制式式一、直剪试验验直剪试验根据据排水条件可分为：快剪、固结快剪和慢剪．（1）快剪：竖向应力施加加后，立即快快速施加水平平剪力使试样样剪切破坏,以模拟不排水水的工况。如如《土工试验规程程》规定，要使试试样在3～5分钟内剪坏。。其快剪强度度指标为cq、q。（2）固结快剪：竖向应力施加加后，让试样样充分固结。。固结完成后后，再进行快快速剪切，其其剪切速率与与快剪相同。。其固快指标标为ccq、cq。（3）慢剪：竖向应力施加加后，允许试试样排水固结结。待固结完完成后，施加加水平剪应力力，剪切速率率放慢，使试试样在剪切过过程中有充分分的时间产生生体积变形和和排水（对剪剪胀性土为吸吸水）。其慢慢剪强度指标标为cs、s。2、试验分类3、不同土类的的试验（1）无粘性土——渗透性好，即即使快剪也能能使其排水固固结。故《土工试验规程程》规定：对无粘粘性土，一律律采用一种加加荷速率进行行试验。（2）正常固结的的粘性土（通通常为软土）），在竖向应应力和剪应力力作用下，土土样都被压缩缩，所以通常常在一定应力力范围内，τq＜τcq＜τs。（饱和软粘土фq一般在0º～5º之间）4、直剪试验验的优缺点点优点：直接剪切切仪构造简简单，操作作方便等缺点：①限定的剪剪切面；②剪切面上上剪应力分分布不均匀匀；③在计算抗抗剪强度时时按土样的的原截面积积计算的；；④试验时不不能严格控控制排水条条件，不能能量测孔隙隙水压力二、三轴试试验1.三轴压缩仪仪组成压力室轴向加荷系系统周围压力系系统孔压量测系系统试样压力室压力水排水管阀门轴向加压杆有机玻璃罩罩橡皮膜透水石顶帽333331=3+1=3+2、试验方法法与试验特特点试验特点：：试样是轴对对称应力状状态。垂直应力z一般是大主主应力；径向与切向向应力总是是相等r=，即1=z；2=3=r试验方法：：首先试样施施加静水压压力—围压1=2=3；然后通过活活塞杆施加加的是应力力差Δ=1-3。强度包线(1-)fc(1-)f11-31=15%分别作围压压为100kPa、200kPa、300kPa的三轴试验验，得到破破坏时相应应的（1-)f绘制三个破破坏状态的的应力摩尔尔圆，画出出它们的公公切线——强度包线，，得到强度度指标c与3.强度包线固结排水试试验（CD试验）（1）施加围压后，打开排排水阀门充充分固结，，超静孔隙隙水压力完完全消散；；（2）打开排水水阀门，慢慢慢施加以便充分排排水，避免免产生超静静孔压固结不排水水试验（CU试验）（1）施加围压后，打开排水阀阀门，充分分固结，超超静孔隙水水压力完全全消散（2）关闭排水水阀门，很很快剪切破破坏，在施施加轴向应应力差过程中不排排水不固结不排排水试验（（UU试验）（1）围压下关闭排水水阀门，不不固结；（2）关闭排水水阀门，很很快剪切破破坏，在施施加轴向应应力差过程中不排排水cd、dccu、cucu、u4.试验类型分类依据：：按剪切前的固结程度、剪切过程中中的排水条件固结排水试试验（CD试验）ConsolidatedDrainedsheartest(CD)抗剪强度指指标：cdd（c）三轴试验类类型汇总固结不排水水试验（CU试验）ConsolidatedUndrainedsheartest(CU)抗剪强度指指标：ccucu不固结不排排水试验（（UU试验）UnconsolidatedUndrainedsheartest(UU)抗剪强度指指标：cuu（cuuuu）优点：1应力状态和和应力路径径明确；2排水条件清清楚，可控控制；3可量测孔隙隙水压力4破坏面不是是人为固定定的。缺点：12=3，轴对称2设备相对复复杂，现场场无法试验验；5.优点和缺点点6、饱和粘性性土的抗剪剪强度（1）不固结不不排水抗剪剪强度不排水条件件下,试样在试验验过程中含水量不变变,体积不变,改变周围压压力增量只只能引起孔隙水压力力的变化,并不会改变变试样中的的有效应力,各试样在剪剪切前的有有效应力相相同,因此抗剪强度不不变。（2）固结不排排水抗剪强强度正常固结土土O点说明未受受任何固结结压力的土土，它不具有抗剪强度。。有效应力圆圆直径与总应力圆直径相等。但位置不同同，两者之之间相差uf。一般正常固固结土’比cu大一倍左右右。（3）固结排水水抗剪强度度在整个试验验过程中，，孔隙水压力力始终为零零；总应力等于于有效应力力，所以总总应力圆就就是有效应应力圆；总应力破坏坏包线就是是有效应力力破坏包线线；cd、d与CU试验得到的的c’、’相近。同一种土不不同排水条条件下的试试验结果对对比（1）以总应力法表示，将得得出不同的的试验结果果，一般u<cu<d，c值也不相同同；（2）以有效应应力法法表示，，则不不论采采用哪哪种试试验方方法，，都得得到近近乎同一条条有效应应力破破坏包包线。。结论：抗剪剪强度度与有有效应应力有有唯一一对应应的关关系。。三、真真三轴轴试验验四、无无侧限限抗压压强度度试验验试验时时围压压σ3=0（无侧限限），，试样样在轴轴向压压力下下产生生剪切切破坏坏。破坏时时的轴轴向压压力称称为无侧限限抗压压强度度，以qu表示。。适用于于——饱和软软粘土土五、十十字板板剪切切试验验——适用于于饱和和软粘粘土量测设设备加力装装置板头饱和软软粘土土六、抗抗剪强强度指指标的的选择择1、粘性性土的的抗剪剪强度度与剪剪切条条件、、试验验条件件、试试验方方法等等有关关，总应力力分析法法用总应力力抗剪强强度指指标；；有效应应力分析法法用有效应应力抗剪强强度指指标。。2、各种种试验验方法法的适适用范范围UU/快剪试试验——地基为为透水水性差差的饱饱和粘粘性土土，排排水不不良，，且建建筑物物施工工速度度快。。常用用于施施工期期的强强度与与稳定定验算算；CU/固快试试验——建筑物物竣工工后较较长时时间，，突遇遇荷载载增大大。如如房屋屋加层层、天天然土土坡上上堆载载等；；CD/慢剪试试验的的有效效应力力强度度指标标——地基的的透水水性较较好（（如砂砂土等等），，排水水条件件良好好（如如粘土土中夹夹有砂砂层）），而而建筑筑物施施工速速度慢慢。第四节节孔孔隙隙应力力系数数及及土土的剪剪胀性性教学重重点——孔隙应应力系系数的的物理理意义义一、孔孔隙应应力系系数定定义土体在在不排排水和和不排排气的的条件件下，，外荷载载引起起的孔隙应应力增增量与应力增增量（用总总应力力表示示）的的比值值，其其表征征了孔孔隙应应力对对总应应力变变化的的反映映。增量形形式：：1、轴对对称三三维应应力状状态等向压缩应力状态偏差应力状态二、孔孔隙压压力系系数的的推导导参见教教材图图5-19（1）等向向压缩缩应力力状态态——孔隙应应力系系数B孔隙应应力系系数B：表示单单位周周围压压力增增量所所引起起的孔孔隙应应力增增量Cs—土骨架架的体体积压压缩系系数，，表示示单位位有效效周围围压力力作用用下土土骨架架的体体应变变；Cf—孔隙流流体的的体积积压缩缩系数数，表表示单单位孔孔隙压压力作作用下下，单单位体体积孔孔隙流流体的的体积积变化化。对于饱和土，，Cf=Cw<<Cs，∴B=1.0；(Cw-水的体积压缩缩系数)对于干土，Cf=Ca>>Cs，∴B=0；(Ca-空气的体积压压缩系数)对于部分饱和和土B=0~1之间。所以B值是可用作反反映土体饱和程度度的指标。说明：偏差应力为轴向压力与与周围压力之之差（2）偏差应力状状态——孔隙应力系数数A（2）偏差应力状状态——孔隙应力系数数A说明：上式假设土体体为弹性体。。弹性体的剪剪应力只引起起受力体的形形状变化而不不引起体积变变化。而土并并非理想弹性性体，在受剪剪后，体积要要发生膨胀或或收缩，故上上式系数1/3只适用于弹性性体而不符合合实际土体的的情况。引入经验系数数A代替1/3对于饱和土，，B=1，Δu2=A（Δσ1-Δσ3）饱和土的孔隙隙应力系数A考虑土的剪胀胀性，A.W.Skemp