第五章 土的抗剪强度.ppt

1第五章 土的抗剪强度2一、土和土体的强度 挡土结构上的土压力 地基破坏 土坡稳定 表现形式(1)形成明显的剪切滑移面 紧密砂土和干硬粘土(2)位移不断增大 软塑粘土土的破坏是剪切破坏shear failure3Transcona 谷仓2500t容量饲料筒仓 4美国，California,La Conchita，19955衡重式挡土墙钢筋混凝土挡土墙挖孔桩支护6二、土的抗剪强度shear strength和破坏理论1.土的抗剪强度和 Coulomb 定律tanfc问题：土中一点（无数个面）的破坏准则是什么？（针对某一特定面）7NT 土的直接剪切试验8 粘性土无粘性土c c 内摩擦角internal friction angle粘聚力cohesiontanfcCoulomb 定律9Charles-Auguste de Coulomb (17361806)法国科学家 1773年，最大最小原理在某些与建筑有关的静力学问题中的应用 Sc af N 休止角angle of repose休止角自然坡由 Richard Woltman 在1794提出内摩擦角tanfc 原文 现在 最初，工程师以休止角反映土体的强度。10 c c tanc13131312（）=sin1312（）cosc+132.MohrCoulomb 强度理论（极限平衡条件）11Mohr-Coulomb 强度理论的破坏准则（极限平衡条件）131311sincos22c（-）=（+）+213tan(45)2tan(45)22c231tan(45)2tan(45)22c=或12 452tanc132902破坏面ffffc13131cos2f（）1313sin22f452破坏面上的应力破坏面与小主应力面的夹角破坏面与大主应力面的夹角破坏面的方向及破坏面上的应力问题：剪切破坏是否发生在剪应力最大的面上？max剪应力最大面否13相离：未破坏相切：破坏相割：破坏13tanc c3.判断一点是否发生剪切破坏(通过应力调整变成相切)方法114未破坏方法2破 坏tanc c131312（-）131sincos2c（+）+131311sincos22c（-）（+）+131311sincos22c（-）（+）+15破 坏方法3tanc c13*213tan(45)2tan(45)22c=*231tan(45)2tan(45)22c=*1*31*1破 坏3*316例题分析例题分析【例】地基中某一单元土体上的大主应力为地基中某一单元土体上的大主应力为430kPa430kPa，小，小主应力为主应力为200kPa200kPa。通过试验测得土的抗剪强度指标。通过试验测得土的抗剪强度指标c c=15=15 kPakPa，=20=20o o。试问该单元土体处于何种状态？。试问该单元土体处于何种状态？【解答解答】已知已知 1=430kPa=430kPa，3=200kPa=200kPa，c=15kPa=15kPa，=20=20o o 1.1.主应力比较法主应力比较法kPacoof8.450245tan2245tan231计算结果表明：计算结果表明：1f大于该单元土体实际大主应力大于该单元土体实际大主应力 1，实际应力圆半径小于极限应力圆半径，所以，该单实际应力圆半径小于极限应力圆半径，所以，该单元土体处于弹性平衡状态元土体处于弹性平衡状态 17kPacoof8.189245tan2245tan213计算结果表明：计算结果表明：3f小于该单元土体实际小主应力小于该单元土体实际小主应力 3，实际应力圆半径小于极限应力圆半径实际应力圆半径小于极限应力圆半径，所以，该单，所以，该单元土体处于弹性平衡状态元土体处于弹性平衡状态 在剪切破坏面上在剪切破坏面上 552459021fkPaf7.2752cos21213131kPaf1.1082sin2131库仑定律库仑定律 kPacf3.115tan 由于由于f ，所以，该单元土体处于弹性平衡状态，所以，该单元土体处于弹性平衡状态 2.2.剪应力比较法剪应力比较法18三、三、抗剪强度试验1.直接剪切试验（3）直剪仪无法控制土样孔隙水压的大小。（1）剪切面的变化。（2）剪切面上的应力假定为定值，有较大的误差。（2）可用于大尺寸土样。（1）简单方便。优点 缺点192.单轴压力试验只能得到一个极限应力圆。230 1ff20干硬粘土otan(45)22fc c1ffo452o902或o2tan(45)2fc可以测出破坏面的方向21饱和粘土2fc c1fc0或2fc0 孔隙水未及排出223.三轴压力试验常规三轴试验23p1vp3constantv13v13constant3313113ppv23tanc c对饱和粘土，可控制孔隙水压，以模拟实际土层的排水条件。优 点Mohr包线24四、四、砂土的抗剪强度1.影响砂土抗剪强度的主要因素颗粒较粗而无粘聚力的土。砂土：0c 2942大于休止角对极松散的砂天然坡角砂土抗剪强度的主要来源：（1）砂土表面的滑动摩擦。（2）颗粒之间的咬合作用。（3）颗粒的重新排列。影响强度指标的因素：（1）颗粒的矿物成分、形状、级配。（2）沉积条件。252.砂土强度与密实度的关系临界孔隙比critical void ratio ecrcreecree剪 胀dilatancy剪 缩contract密 砂松 砂密 砂松 砂剪切位移0V剪切位移剪 胀剪 缩26日本新瀉，1964年6月16日，7.5级地震砂土液化liquefaction(饱和粉砂、细砂)u 0动 载剪 缩u液 化强度丧失孔隙比较大时27五、五、饱和粘土的抗剪强度饱和土的抗剪强度取决于有效应力。tanSc131311sincos22c（-）（+）+饱和粘土的抗剪强度随固结的进行而逐渐加大。室内试验通过控制排水条件来模拟饱和粘土的固结程度。tanSc131311sincos22c（-）（+）+总应力强度指标c有效应力强度指标c28tanc tanc1u2u29固结排水条件（1）不固结不排水UU试验（2）固结不排水CU试验（3）固结排水CD试验三轴试验的加载过程液 压液压+竖向压力固 结排水排水阀打开排水阀打开Consolidated Drained UndrainedUnconsolidated超固结土：液压前期固结压力ppv301.不排水剪和快剪总应力强度指标u013u2c有效应力强度指标无法确定c 312.固结不排水剪和固结快剪总应力强度指标cu0cu0c（1）正常固结（2）超固结cu0cu0c有效应力强度指标 cucuccp正常固结超固结323.固结排水剪和固结慢剪总应力强度指标cd0cd0c（1）正常固结（2）超固结cd0cd0c有效应力强度指标cd cdcc cdcdccp正常固结超固结334.应 用总 结（1）饱和粘土的抗剪强度与固结程度密切相关。（2）抗剪强度：固结排水固结不排水不固结不排水。（3）在工程应用时，应选择与实际工程中排水条件相近的指标。（1）软土上的填筑软土地基问题：快速填筑还是慢速填筑？第1层填筑固 结抗剪强度提高第2层填筑固 结抗剪强度提高34（2）排水固结法砂 井预压的目的：a.提高软土的强度，从而提高地基的承载力。b.降低地基在使用期间的沉降。35例题分析例题分析【例】对某种饱和粘性土做固结不排水试验，三个对某种饱和粘性土做固结不排水试验，三个试样破坏时的大、小主应力和孔隙水压力列于表中，试样破坏时的大、小主应力和孔隙水压力列于表中，试用作图法确定土的强度指标试用作图法确定土的强度指标c ccucu、cucu和和c c 、周围压力周围压力 3/kPa 1/kPauf/kPa606010010015015014314322022031331323234040676736解答解答按比例绘出三个总应力极限应力圆，如图所示，再绘按比例绘出三个总应力极限应力圆，如图所示，再绘出总应力强度包线出总应力强度包线 按由按由 1 1=1 1-u uf，3 3=3 3-u uf ，将总应力圆在水，将总应力圆在水平轴上左移相应的平轴上左移相应的u uf即得即得3 3个有效应力极限莫尔圆，个有效应力极限莫尔圆，如图中虚线圆，再绘出有效应力强度包线如图中虚线圆，再绘出有效应力强度包线 c ccu根据强度包线得到：根据强度包线得到：ccu=10 kPa，c u=18o c=6 kPa，、=27o cucu (kPa)100(kPa)100300200400371 1、应力路径的概念、应力路径的概念 应力路径应力路径土中一点的应力变化过程。有多种表示方土中一点的应力变化过程。有多种表示方法。必要性：一点的应力状态可以用应力圆表示，但不便于法。必要性：一点的应力状态可以用应力圆表示，但不便于表示应力的变化过程，为了简洁，一般以某特定面上的应力表示应力的变化过程，为了简洁，一般以某特定面上的应力变化来表示，如最大剪应力面，剪破面等。如固结快剪试验变化来表示，如最大剪应力面，剪破面等。如固结快剪试验的应力路径可表示为：（画图）的应力路径可表示为：（画图）六、六、应力路径 stress path38cABCe 392 2、应力路径的实用价值、应力路径的实用价值因为土是一种非线性材料，而且天然土多为各向异性，因为土是一种非线性材料，而且天然土多为各向异性，故土的受力特性和变形性质往往与土的应力路径有关。故土的受力特性和变形性质往往与土的应力路径有关。例如超固结性质的考虑对于高层建筑地基沉降计算的影例如超固结性质的考虑对于高层建筑地基沉降计算的影响。响。3 3、应力历史（路径）对土的强度和变形的影响、应力历史（路径）对土的强度和变形的影响 1 1对砂土和饱和粘土的有效应力强度指标无影响；对砂土和饱和粘土的有效应力强度指标无影响；2 2对饱和粘土的总应力强度指标有影响；对饱和粘土的总应力强度指标有影响；3 3对变形有明显影响，比如正常固结和超固结。对变形有明显影响，比如正常固结和超固结。