土力学第五章.ppt

1、第五章 土的抗剪强度,5.1 概述 5.2 土的抗剪强度理论 5.3 土的抗剪强度测定试验 5.4 应力路径和破坏主应力线 5.5 土的抗剪强度指标,5.1 概述,T,N,W,砂坡的天然休止角,砂坡的天然休止角与砂粒本身的颗粒强度无关，主要取决于沙粒在接触面的相互作用,5.1 概述,土的基本性质 土所受的应力状态,土的强度指土体抵抗剪切破坏的能力（抗剪强度），主要表现为粘聚力和摩擦力,抗剪强度,5.2 土的抗剪强度理论,5.2.1 直剪试验与库仑公式,5.2.2 土的抗剪强度机理,5.2.3 摩尔-库仑强度理论,5.2.1 直剪试验与库仑公式,上盒,下盒,P,A,5.2.1 直剪试验与库仑公式

2、,有效抗剪强度公式,5.2.1 直剪试验与库仑公式,5.2.2 土的抗剪强度机理,黏聚强度,摩擦强度,1、 摩擦强度,滑动摩擦,咬合摩擦,内摩擦角,内摩擦角,10,40,0,1,相对密度,粗粒、棱角状，不均匀,细粒、圆球状、匀粒,密度 粒径级配 颗粒形状 矿物成分,粗粒土内摩擦角影响因素：,细粒土内摩擦角影响因素：,滑动、咬合摩擦 颗粒表面的吸引力,5.2.2 土的抗剪强度机理,2、 黏聚强度,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 离子价与离子浓度,5.2.2 土的抗剪强度机理,砂土为0,1、应力状态

3、和摩尔圆,压为正 拉为负,逆时针为正 顺时针为负,土力学中应力符号规定,5.2.3 摩尔-库仑强度理论,z,+zx,-xz,x,2,1,3,大主应力：,小主应力:,圆心：,半径：,圆上一点：代表应力为（，）的那个面 莫尔圆：代表一个土单元的所有应力状态,(p,q),5.2.3 摩尔-库仑强度理论,2、极限平衡应力状态,当土单元发生剪切破坏，即破坏面上剪应力达到抗剪强度时，称该土单元达到极限平衡状态, f 剪切破坏,摩尔破坏包线（抗剪强度包线 ）,5.2.3 摩尔-库仑强度理论,土的极限平衡条件,摩尔应力圆与直线关系： 相离 稳定状态(弹性平衡) 相切 极限平衡状态 摩尔破裂圆 相割 剪切破坏,

4、3,1,2、极限平衡应力状态,5.2.3 摩尔-库仑强度理论,3、极限平衡条件和土体破坏的判断方法,土的极限平衡方程,5.2.3 摩尔-库仑强度理论,3、极限平衡条件和土体破坏的判断方法,极限平衡条件的工程应用判断土体是否破坏,确定土单元体在任意面上的应力状态 计算主应力1、3,选用极限平衡条件判别土单元体是否发生剪切破坏,5.2.3 摩尔-库仑强度理论,3、极限平衡条件和土体破坏的判断方法,5.2.3 摩尔-库仑强度理论,极限平衡条件的工程应用判断土体是否破坏,（1）最大主应力比较法,已知1、3、c、,结论：1 1f，剪切破坏,3、极限平衡条件和土体破坏的判断方法,5.2.3 摩尔-库仑强度

5、理论,极限平衡条件的工程应用判断土体是否破坏,（2）最小主应力比较法,已知1、3、c、,结论：33f，剪切破坏,3、极限平衡条件和土体破坏的判断方法,5.2.3 摩尔-库仑强度理论,极限平衡条件的工程应用判断土体是否破坏,（3）内摩擦角比较法,已知1、3、c、,结论：视内摩擦角m ，剪切破坏,O,4、剪切破坏面的位置,5.2.3 摩尔-库仑强度理论,破裂面与最大主应力面夹角：=45+/2,破裂面在最大剪应力作用面上吗，为什么？,2,2,5.2.3 摩尔-库仑强度理论,5.2.3 摩尔-库仑强度理论,5.2.3 摩尔-库仑强度理论,5.3 土的抗剪强度的测定试验,5.3.1 直剪试验 5.3.2

6、 三轴剪切试验 5.3.3 无侧限压缩试验 5.3.4 十字板剪切试验,5.3.1 直剪试验,固结慢剪试验 固结快剪试验 快剪试验,1、试验方法,2、分类,3、优缺点,5.3.2 三轴试验,5.3.2 三轴剪切试验,围压阶段：给试样施加静水压力（围压） 1=2=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为大主应力；侧向应力相等2=3,剪切阶段：通过活塞杆施加的是应力差1= 1-3,固结与不固结,排水与不排水,5.3.2 三轴剪切试验,固结排水（CD）试验 固结不排水（CU）试验 不固结不排水（UU）试验,5.3.2 三轴剪切试验,2、强度包线的确定方法,强度包线,

7、(1-)f,c,(1-)f,1 =15%,分别作围压为100 kPa 、300 kPa 、500 kPa的三轴试验，得到破坏时相应的破坏偏差应力（1-)f,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 ,密砂,松砂,峰值强度,残余强度,5.3.2 三轴剪切试验,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、完整反映试样受力变形直至破坏的全过程,缺点： 设备相对复杂，现场难以试验,3、优点和缺点,5.3.3 无侧限压缩试验,饱和软黏土,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软粘土,5.3.4 十字板剪

8、切试验,抗剪强度：,灵敏度：,5.3.4 十字板剪切试验,5.4 应力路径和破坏主应力线,5.4.1 应力路径及其表示方法,应力状态：作用在土体中一点上的应力大小和方向 应力路径：土体中一点应力状态连续变化，在应力空间（平面）中的轨迹,5.4 应力路径和破坏主应力线,5.4.1 应力路径及其表示方法,1,3,q,p,p,q,顶点（p, q）与摩尔圆有一 一对应的关系 顶点坐标可以反应一个点的应力状态,3,1,13,O,O,5.4 应力路径和破坏主应力线,5.4.1 应力路径及其表示方法,摩尔圆法,3,1,p,O,q,O,应力平面法,45,强度包线,破坏主应力线,摩尔圆顶点的移动轨迹表示应力变化

9、,5.4 应力路径和破坏主应力线,5.4.2 强度包线和破坏主应力线,强度包线 f ： 在 坐标系中所有破坏状态莫尔圆的公切线,破坏主应力线 Kf 在p q 坐标系中所有处于极限平衡应力状态对应点的集合,p,q,Kf线,O ,两条直线与横坐标交点都是 O,5.4 应力路径和破坏主应力线,5.4.2 强度包线和破坏主应力线,已知应力路径图，Kf线（a，） 推求摩尔破坏包线（c，）,5.4 应力路径和破坏主应力线,5.4.3 总应力路径和有效应力路径,1、总应力路径和有效应力路径,总应力圆,有效应力圆,5.4 应力路径和破坏主应力线,5.4.3 总应力路径和有效应力路径,2、三轴试验应力路径,3,

10、p,O,q,Kf,p,q,Kf,u,5.5 土的抗剪强度指标,5.5.1 总应力强度指标和有效应力强度指标 5.5.2 三轴试验强度指标 5.5.3 直剪试验强度指标 5.5.4 残余抗剪强度指标 5.5.5 土的强度指标的工程应用,5.5.1 总应力强度指标和有效应力强度指标,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,计算方法,特点,总应力强度指标、有效应力强度指标的选择原则：对于能够可靠确定孔隙水压力的问题，优先采用有效

11、应力分析法 对于孔隙水压力不能确定的问题，应采用总应力方法进行分析，应该选择与原位土体孔隙水条件相同或相近的试验方法来测定土的总应力抗剪强度指标 土的实际破裂面倾角为45+/2,5.5.1 总应力强度指标和有效应力强度指标,5.5.2 三轴试验强度指标,1、三轴固结排水（CD）试验,总应力指标与有效应力指标一致:,破坏面位置：,排水阀门始终打开，排水强度,c ，,5.5.2 三轴试验强度指标,1、三轴固结排水（CD）试验,土样的正常固结状态： 3 p 砂土和正常固结状态黏土： f =tand, cd=0,f=f,=,正常固结粘土包线过原点，为什么？,砂土和正常固结黏土的破坏包线,5.5.2 三

12、轴试验强度指标,1、三轴固结排水（CD）试验,土样的超固结状态： 3 p,残余强度,超固结粘土强度包线,v表示体缩 v0表示体胀(剪胀),5.5.2 三轴试验强度指标,1、三轴固结排水（CD）试验,天然土的破坏包线ab、bc段，实际中用de段来表示,f =cd+tand cd：排水试验的粘聚力 d：排水试验内摩擦角,5.5.2 三轴试验强度指标,2、三轴固结不排水（CU）试验,总应力包线、Ccu、cu,f =ccu+tancu,固结不排水强度,5.5.2 三轴试验强度指标,2、三轴固结不排水（CU）试验,有效应力包线、c、 ,5.5.2 三轴试验强度指标,3、粘性土密度-有效应力-抗剪强度的唯

13、一性关系,对于同一种饱和正常固结黏土，存在单一的有效应力强度包线，且破坏时土样的含水量（密度）和强度间存在唯一关系，与试验的类型、排水条件和应力路径无关 超固结黏土，只要应力历史相同，上述结论同样适用,5.5.2 三轴试验强度指标,4、三轴不固结不排水（UU）试验,，,cu,Cu取决于土样的先期固结压力,c,无法确定有效应力指标c ，,不排水强度,5.5.3 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 慢剪强度指标：cs,s 2、固结快剪 施加正应力-充分固结 在3-5分钟内剪切破坏 固结快剪指标：ccq,cq 3、快剪 施加正应力

14、后 立即剪切3-5分钟内剪切破坏 快剪强度指标：cq,q,对于砂土，三种试验结果都接近于c, 对于粘性土， 慢剪：csc s; 与三轴试验相比，强度指标稍大 0.9csc, 0.9s,5.5.3 直剪试验强度指标,5.5.4 残余抗剪强度指标,1 =15%,密砂,松砂,峰值强度,残余强度,砂土：咬合作用被破坏，强度不变的摩擦流体,1、机理,砂土的应力应变关系,5.5.4 残余抗剪强度指标,黏土：土的结构发生变化，剪切面附近片状颗粒沿剪切面形成定向排列，强度降低,1、机理,5.5.4 残余抗剪强度指标,2、特点和影响因素,残余强度破坏包线过原点 残余强度取决于土的矿物成分，与其所受的应力历史等因

15、素无关,5.5.5 土的强度指标的工程应用,有效应力指标还是总应力指标？ 三轴试验指标还是直剪试验指标？ 峰值强度指标还是残余强度指标？,有效应力指标与总应力指标 凡是可以确定（测量、计算）孔隙水压力u的情况，都应当使用有效应力指标c，,5.5.5 土的强度指标的工程应用,三轴试验指标与直剪试验指标 优先选用三轴指标 砂土： c, 三轴排水试验指标与直剪试验指标 （直剪试验得到的指标偏大） 粘土：有效应力指标：固结排水、固结不排水 总应力指标：三轴固结不排水、不固结不排水; 直剪固结快剪、快剪,5.5.5 土的强度指标的工程应用,峰值强度指标与残余强度指标,峰值强度 ：一般问题 残余强度 大变形问题 古旧滑坡