Transcript 第七章土的抗剪强度
《土质学与土力学》 安徽理工大学资源与环境工程系 第七章 土的抗剪强度 ★ 概述 ★抗剪强度的基本理论 ★抗剪强度的试验方法 概述 剪切破坏 沉降过大 土工建筑物（如： 路堤、土坝等） 土体破坏 强度破坏 建筑物事故 研究土的强度特性，就是研究土的抗剪强度特性 概述 土的抗剪强度：土体抵抗剪切破坏的极限能力 概述 大阪的港口码头档土墙由于液化前倾 剪切面（剪切带）：土体剪切破坏是沿某一面发生与剪切方向一致的 相对位移，这个面通常称为剪切面。 概述 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。 概述 2000年西藏易贡巨型滑坡 龙观嘴 黄崖沟 乌江 概述 日本新泻1964年地震引起大面积液化 无粘性土一般无连结，抗剪强度主要是由颗粒间的摩擦力组成，这 与粒度、密实度和含水情况有关。 概述 粘土地基上的某谷仓地基破坏 无粘性土一般无连结，抗剪强度主要是由颗粒间的摩擦力组 成，这与粒度、密实度和含水情况有关。 抗剪强度的基本理论 库仑定律说明：（1）土的抗剪强度由土的 内摩擦力tg和内聚力c两部分组成； （2）内摩擦力与剪切面上的法向应力成正 比，其比值为土的内摩擦系数tg； （3）表征抗剪强度指标：土的内摩擦角φ 和内聚力c。 一、库仑定律（剪切定律） 1776年，库仑根据砂土剪切试验 f 砂土 f tan f f tan c c 库仑定律：土的抗剪强度是剪切 面上的法向总应力 的线性函 数 粘土 c:土的粘聚力 :土的内摩擦角 抗剪强度的基本理论 二、总应力法和有效应力法 强度指标 土的抗剪强度的 有效应力指标c, 土的抗剪强度的 总应力指标c, 抗剪强度 = c + tg = -u = c + tg 符合土的破坏机理，但 便于应用,但u不能产生 抗剪强度，不符合强度 有时孔隙水压力u无法 简单评价 机理，应用时要符合工 确定 程条件 抗剪强度的基本理论 二、总应力法和有效应力法 f f c c u(+) u(-) 总应力 有效应力 超固结粘土的总应力与有效应力强度包线 (’) 抗剪强度的基本理论 三、莫尔～库仑破坏标准 f tan c 莫尔～库仑破坏理论：以库仑公式 作为抗剪强度公式。根据剪应力是否达到抗剪强度 （τ＝τf）作为破坏标准的理论就称为莫尔～库仑破坏理论。 莫尔～库仑破坏准则（标准）：研究莫尔～库仑破坏理论如何直接用主 应力表示，这就是莫尔～库仑破坏准则，也称土的极限平衡条件。 抗剪强度的基本理论 三、莫尔～库仑破坏标准 1.单元体上的应力和应力圆 3 O 2 dlcos A(, ) 3 1 1 3 1 1 3 cos 2 2 2 1 1 3 sin 2 2 莫尔应力圆方程 1 dlsin 1 1 2 1 3 3 2 1 2 2 1/2(1 +3 ) 圆心坐标[1/2(1 +3 )，0] 应力圆半径r＝1/2(1－3 ) 1 土中某点的应 力状态可用莫 尔应力圆描述 2 抗剪强度的基本理论 三、莫尔～库仑破坏标准 2、极限平衡条件 1 f 3tg 2 45 2c tg 45 2 2 3 f 1tg 2 45 2c tg 45 2 2 1 3 2 f c tan c O 1f 3 c ctg 1 3 2 抗剪强度的基本理论 三、莫尔～库仑破坏标准 强度线 极限应力圆 应力圆与强度线相离： σ1<σ1f 应力圆与强度线相切： σ1=σ1f 应力圆与强度线相割： σ1>σ1f 弹性平衡状态 极限平衡状态 破坏状态 抗剪强度的基本理论 三、莫尔～库仑破坏标准 当3= 常数： 1,3 x z 2 判别对象：土体微小单元（一点） z 2 x 4 xz 2 2 根据应力状态计算出 大小主应力σ1、σ3 判断破坏可能性 σ1<σ1f 弹性平衡状态 由σ3计算σ1f 比较σ1与σ1f σ1=σ1f 极限平衡状态 σ1>σ1f 破坏状态 1 f 3tg 45 2c tg 45 2 2 2 c O 3 1 1f 1 抗剪强度的基本理论 三、莫尔～库仑破坏标准 当1= 常数： 判别对象：土体微小单元（一点） 1,3 x z 2 z 2 x 4 xz 2 2 根据应力状态计算出 大小主应力σ1、σ3 判断破坏可能性 c O 3 3f 3 由σ1计算σ3f 比较σ3与σ3f 1 σ3>σ3f 弹性平衡状态 σ3=σ3f 极限平衡状态 σ3<σ3f 破坏状态 3 f 1tg 2 45 2c tg 45 2 2 抗剪强度的基本理论 三、莫尔～库仑破坏标准 判别对象：土体微小单元（一点） 当(1 + 3)/2 = 常数：圆心保持不变 1,3 x z 2 z 2 x 4 xz 2 2 根据应力状态计算出 大小主应力σ1、σ3 判断破坏可能性 c O > 安全状态 由σ1、σ3计算 = 极限平衡状态 与比较 < 不可能状态 1 3 sin 1 3 2c ctg 抗剪强度的基本理论 四、抗剪强度的试验方法 快剪（不排水剪）：这种试验方法要求在剪切过程中土的 含水量不变，因此，无论加垂直压力或水平剪力，都必须 迅速进行，不让孔隙水排出。 适用范围：加荷速率快，排水条件差 按排水条件分 固结快剪（固结不排水剪）：试样在垂直压力下排水固结 稳定后，迅速施加水平剪力，以保持土样的含水量在剪切 前后基本不变。 试用范围：一般建筑物地基的稳定性，施工期间具有一定 的固结作用。 慢剪（排水剪）：土样的上、下两面均为透水石，以利排 水，土样在垂直压力作用下，待充分排水固结达稳定后， 再缓慢施加水平剪力，使剪力作用也充分排水固结，直至 土样破坏。 适用范围：加荷速率慢，排水条件好，施工期长， 抗剪强度的基本理论 按试验仪器分 四、抗剪强度的试验方法 直接剪切试验 优点：仪器构造简单，操作方便 缺点：（1）剪切面不一定是试样抗剪能力最弱的面； （2）剪切面上的应力分布不均匀，而且受剪 切面面积愈来愈小； （3）不能严格控制排水条件，测不出剪切过 程中孔隙水压力的变化。 三轴剪切试验 优点：（1）试验中能严格控制试样排水条件及测定 孔隙水压力的变化；（2）剪切面不固定；（3）应力 状态比较明确；（4）除抗剪强度外，尚能测定其它 指标。 缺点：（1）操作复杂；（2）所需试样较多；（3）主 应力方向固定不变，而且是再令的轴对称情况下进行的， 与实际情况尚不能完全符合。 抗剪强度的基本理论 四、抗剪强度的试验方法 应变控制式 按控制方法分 应力控制式 抗剪强度的基本理论 四、抗剪强度的试验方法 1.直接剪切试验 试验仪器：直剪仪（应力控制式，应变控制式） 抗剪强度的基本理论 四、抗剪强度的试验方法 1.直接剪切试验 抗剪强度的基本理论 四、抗剪强度的试验方法 1.直接剪切试验 抗剪强度的基本理论 四、抗剪强度的试验方法 1.直接剪切试验 剪前施加在试样顶面上 的竖向压力为剪破面上 的法向应力，剪应力由 剪切力除以试样面积 P A f T A 剪应力（kPa) 在法向应力作用下，剪应力与剪切位移关系曲线， 根据曲线得到该作用下，土的抗剪强度 a b 1 2 4mm 剪切位移△l (0.01mm) 抗剪强度的基本理论 四、抗剪强度的试验方法 1.直接剪切试验 在不同的垂直压力下进行剪切试验，得相应的抗剪强度τf，绘制τf - 曲线，得该土的抗剪强度包线 抗剪强度的基本理论 四、抗剪强度的试验方法 2.三轴剪切试验 应变控制式三轴仪：压力室，加压系统，量测系统组成 应力控制式三轴仪 试验步骤: △ 3 1.装样 3 2.施加周围压力 3.施加竖向压力 3 3 3 3 △ 抗剪强度的基本理论 2.三轴剪切试验 四、抗剪强度的试验方法 抗剪强度的基本理论 2.三轴剪切试验 应变控制式三轴仪：压力 室，量测系统 四、抗剪强度的试验方法 抗剪强度的基本理论 四、抗剪强度的试验方法 2.三轴剪切试验 抗剪强度包线 分别在不同的周围压力3作用下进行剪切，得到3～4 个不同的破坏 应力圆，绘出各应力圆的公切线即为土的抗剪强度包线 抗剪强度包线 c 抗剪强度的基本理论 2.三轴剪切试验 量表 四、抗剪强度的试验方法 无侧限抗压强度试验 量力环 试 样 升降 螺杆 qu 加压框 架 qu 无侧限压缩仪 无侧限抗压强度试验是三轴剪切试验的特例，对试样不施加周围压力，即3=0， 只施加轴向压力直至发生破坏，试样在无侧限压力条件下，剪切破坏时试样承 受的最大轴向压力qu，称为无侧限抗压强度 抗剪强度的基本理论 2.三轴剪切试验 无侧限压 缩仪 四、抗剪强度的试验方法 抗剪强度的基本理论 四、抗剪强度的试验方法 2.三轴剪切试验 根据试验结果只能作出一个极限应力圆（3=0，1=qu）。因此对一 般粘性土，无法作出强度包线 u=0 说明：对于饱和软粘土，根据三轴不排 水剪试验成果，其强度包线近似于一水 平线，即u=0，因此无侧限抗压强度试 验适用于测定饱和软粘土的不排水强度 cu qu qu f cu 2 无侧限抗压强度试验仪器构造简单，操作方便，可代替三轴试验 测定饱和软粘土的不排水强度