项目五土的抗剪强度分析.ppt

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1、项目五 土的抗剪强度分析,任务5.1 土的抗剪强度和破坏理论认知,任务5.2 土的抗剪强度指标的测定,任务5.3 砂类土的振动液化分析,学习目标:理解抗剪强度的定义、影响抗剪强度的因素、土的极限平衡条件；掌握库伦定律，熟悉土的强度指标的测定方法；能够根据建筑物施工速度和地基土的工程特性正确选择土的抗剪强度测定方法；了解砂类土振动液化机理,相关案例1：,加拿大特朗斯康谷仓,加拿大特朗斯康谷仓平面呈矩形，长59.44m，宽23.47m，高31.00m，容积36368m3。谷仓为圆筒仓，每排13个圆筒仓，5排，一共65个圆筒仓组成。谷仓的基础为钢筋混凝土筏基，厚61cm，基础理深3.66m。谷仓于1

2、911年开始施工，1913年秋完工。谷仓自重20000t，相当于装满谷物后满载总重量的42.5。1913年9月起往谷仓装谷物，仔细地装载，使谷物均匀分布。10月，当谷仓装了31822m3谷物时，发现1小时内垂直沉降达30.5cm。结构物向西倾斜，并在24小时内谷仓倾倒，倾斜度离垂线达26053。谷仓西端下沉7.32m，东端上抬1.52m。1913年10月18日谷仓倾倒后，上部钢筋混凝土筒仓坚如盘石，仅有极少的表面裂缝。,谷仓地基土事先未进行调查研究，只是根据邻近结构物基槽开挖试验结果，计算地基承载力为352kPa，应用到此谷仓。1952年经勘察试验与计算，谷仓地基实际承载力为（193.8276

3、.6）kPa，远小于谷仓破坏时发生的压329.4kPa。因此，谷仓地基因超载发生剪切破坏而滑动。事后在下面做了七十多个支撑于基岩上的混凝土墩，使用388个50t千斤顶以及支撑系统，才把仓体逐渐纠正过来，但其位置比原来降低了。,事故分析：,由此案例可以看出，建筑物的正常使用不仅仅是上部结构的强度满足要求，还要考虑上部结构产生的压力与地基承载力的关系，如果地基承载力不足，就会造成地基土的剪切破坏，使地基土沿着滑动面挤出，因此，上部结构强度再高也无法正常使用，甚至会造成人员伤亡。本项目主要讨论基地土的抗剪强度的定义、土的剪切破坏机理、土的极限平衡条件和土的抗剪强度指标的测定方法,相关案例2：,“地震

4、液化”现象2011年福岛第一核电站地面因地震产生的裂痕,土是一种三相介质的堆积体，与一般固体材料不同，它不能承受拉力，但能承受一定的剪力和压力。在一般工作条件下，土的破坏形态是剪切破坏，即：剪切破坏是土体破坏的重要特点。,土的抗剪强度是指土体抵抗剪切破坏的极限能力，是土的重要力学性质之一。其数值等于剪切破坏时滑动面上的剪应力，主要依靠室内试验和原位测试确定。,工程实践中与土的抗剪强度有关的工程主要有以下3类：（1）土质土坝的稳定（2）土压力（3）地基的承载力问题,工程中土体的破坏类型,挡土墙,滑裂面,基坑支护,1.挡土结构物的破坏,边坡,2.边坡,地基,3.地基的破坏,5.1.1土的抗剪强度,

5、一、土的抗剪强度的基本规律库伦公式,库伦(Coulomb)根据砂土的试验，将土的抗剪强度表达为滑动面上法向总应力的函数，即,以后又提出了适合粘性土的更普遍的形式,砂土,粘土,土体抗剪强度指标参考值,二、抗剪强度指标与主要影响因素,1.抗剪强度的来源,（1）无粘性土：来源于土粒间的摩擦力（内摩擦力）。包括：1）一部分由于土颗粒粗糙产生的表面摩擦力。2）另一部分是粗颗粒之间互相镶嵌，联锁作用 产生的咬合力。,（2）粘性土：除内摩擦力外，还有内聚力。内聚力主要来源于：土颗粒之间的电分子吸引力 和土中胶结物质（eg.硅、铁物质和碳酸盐等）对 土粒的胶结作用。,2.影响土的抗剪强度的因素,影响c，的因素

6、可归纳为两类：,（1）土的物理化学性质的影响 1）土粒的矿物成分、颗粒形状与级配的影响。2）土的原始密度的影响。3）土的含水量的影响。4）土的结构的影响。,（2）孔隙水压力的影响 工程上，根据实际地质情况和孔隙水压力消散程度，采用三种不同方法。1）排水剪；2）不排水剪；3）固结不排水剪。,5.1.2 土的强度理论（极限平衡条件）,土体中某点任意平面上的剪应力如果等于该平面上土的抗剪强度时，表明该点的任意平面土体已处于极限平衡状态。此时的应力状态与土的抗剪强度之间的关系就是土的极限平衡条件。由此可知：土中某一剪切面上的极限平衡状态的条件式为：,1.土中一点的应力状态,土体中任一点的应力,平面问题

7、：,根据静力平衡条件可得：,由材料力学可知，以上 与 之间的关系也可以用莫尔应力圆表示,莫尔圆圆周上各点的坐标就表示该点在相应平面上的正应力和剪应力。,2.土的极限平衡条件,将抗剪强度包络线与莫尔应力圆画在同一张座标图上,它们之间的关系有以下三种情况：,黏性土体中任一点处于极限平衡状态时应力圆与抗剪强度线关系图,黏性土:,砂土:c,土体中任一点处于极限平衡状态时:,破裂角：,土体中剪破面并不发生在最大剪应力的作用面=45上，而是发生在与最大主应力平面成 夹角的斜面上。,对于饱和软粘土，在不排水条件下，其内摩擦角0，此时成立，即：土体的最大剪应力面即为剪切破裂面。,土体中某点处于极限平衡状态时:

8、,3,土的抗剪强度理论（莫尔库伦抗剪强度理论）可归纳为：（1）土的抗剪强度与该面上正应力成正比,即法向应力增大时，土的抗剪强度也随之增大；（2）土的强度破坏是由于土中某点的剪应力达到土的抗剪强度所致；（3）破坏面不发生在最大剪应力作用面上，而是与大主应力作用面成 交角的平面上；（4）如果同一种土有几个试样在不同的大小主应力组合下破坏，则在 坐标图上可得几个莫尔极限圆，这些应力圆的公切线就 是其抗剪强度包络线；（5）土的极限平衡条件=f是判别土体中某点是否达到极限平衡 状态的基本公式。,例题：已知某地基土的c=20kPa，=200,若地基中某点的大主应力为300kPa，当小主应力为何值时，该土处

9、于极限平衡状态?并说明其剪裂面的位置。,解：已知最大主应力1=300kPa，最小主应力：,当 时，该土处于极限平衡状态，其剪裂面的位置与大主应力面夹角为。,例某粘性土地基中土的内摩擦角 粘聚力 kPa，地基中一点的大主应力和小主应力分别为 kPa，kPa，试判断该点土体所处状态。,解 根据土的极限平衡条件，若大主应力 kPa时土体处于极限平衡状态，则所对应的小主应力 为：=86.2kPa3=100kPa 故该点土体处于稳定平衡状态。上述计算也可以根据实际最小主应力计算的方法进行。,例：已知某砂类土的内摩擦角。当土中某点的最大主应力=360kPa，最小主应力=90kPa时，该点处于极限平衡状态。

10、试求这一点的最大剪应力、破裂面与最大主应力作用面的夹角以及破裂面上的剪应力和法向应力。,1.砂类土当时，剪应力最大。所以最大剪应力为：,【解】,2.破裂面与最大主应力作用面间的夹角为,3.破裂面上的剪应力为,4.破裂面上的法向应力为,测定土抗剪强度指标的试验称为剪切试验,室内试验常用的有：直接剪切试验 三轴压缩试验 无侧限抗压强度试验现场原位测试的有：十字板剪切试验 大型直接剪切试验,任务5.2 土的抗剪强度试验,工程上，为了测定土的抗剪强度，必须作土的抗剪强度试验,5.2.1 直剪试验,剪切容器与应力环,在不同的垂直压力下进行剪切试验，得相应的抗剪强度f，绘制f-曲线，得该土的抗剪强度包线,

11、为了近似模拟土体在现场受剪的排水条件，直剪试验可分为快剪、固结快剪和慢剪三种方法。,快剪试验：在试样施加竖向压力后，立即快速施加水平剪应力使试样剪切破坏；固结快剪：允许试样在竖向压力下充分排水，待固结稳定后，再快速施加水平剪应力使试样剪切破坏。慢剪试验：则是允许试样在竖向压力下排水，待固结稳定后，以缓慢的速率施加水平剪应力使试样剪切破坏。,直接剪切仪的优点：构造简单、操作方便。直接剪切仪的缺点：人为地限制剪切面在上下盒之间的平面，而不是沿土样最薄弱的剪切面破坏；剪切面上剪应力分布不均，在边缘发生应力集中现象；在剪切过程中，剪切面逐渐缩小，而计算抗剪强度时却按圆截面计算；试验时不能严格控制排水条

12、件，不能量测孔隙水压力。,5.2.2 三轴剪切试验,三轴试验根据试样的固结和排水条件不同，可分为：不固结不排水剪（UU）固结不排水剪（CU）固结排水剪（CD）分别对应于直剪试验的快剪、固结快剪、和慢剪试验。,主要步骤如下：,分别在不同的周围压力3作用下进行剪切，得到34 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。,c,应变控制式三轴仪：压力室加压系统量测系统,轴向加荷系统,(1)不固结不排水试验（UU）试样在施加周围压力和随后施加竖向压力直至剪切破坏的整个过程中部不允许排水，试验自始至终关闭排水阀门。,(2)固结不排水试验（CU）试样在施加周围压力时打开排水阀门，允许排水固

13、结，待固结稳定后关闭排水阀门，再施加竖向压力，使试样在不排水的条件下剪切破坏。(3)固结排水试验（CD）试样在施加周围压力时允许排水固结，待固结稳定后，再在排水条件下施加竖向压 力至试件剪切破坏。,三轴压缩仪的优点：能较为严格地控制排水条件以及可以量测试件中孔隙水压力的变化，试件中的应力状态比较明确，破裂面发生在最薄弱的部位。缺点：试件中的主应力，而实际上土体的受力状态未必都属于轴对称情况。仪器设备和试样制备都较复杂,5.2.3 无侧限抗压强度试验,三轴压缩试验当周围压力为零时即为无侧限试验条件，此时只有轴向压力，所以也称单轴压缩试验。由于试样的侧向力为零，在轴向受压时，其侧向变形不受限制，故

14、又称无侧限压缩试验。由于试样是在轴向压缩的条件下破坏的，因此把这种情况下土能承受的最大轴向压力称为无侧限抗压强度，以qu表示。,相当于三轴剪切仪进行和不排水试验。,试验结果：,极限应力圆,5.2.4 十字板剪切试验,利用十字板剪切仪在现场测定土的抗剪强度的方法。这种方法适用于在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。,由于十字板在现场测定的土的抗剪强度，属于不排水剪切的试验条件，因此其结果应与无侧限抗压强度试验结果接近，即,优点：构造简单、操作方便、对土的扰动小。,强度指标：,峰值强度指标与残余强度指标,粘聚力 c内摩擦角,工程应用,三种分类方法,总应力强度指标与有效应

15、力强度指标,直剪强度指标与三轴试验强度指标,目的,分析方法,试验方法,应力应变状态,土的抗剪强度的有效应力指标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,土的抗剪强度的总应力指标c,=c+tan,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,抗剪强度,简单评价,总应力指标与有效应力指标比较,一般认为，由三轴固结不排水试验确定的有效应力强度参数 和 宜用于分析地基的长期稳定性（如土坡的长期稳定分析，估计挡土结构的长期土压力等）；而对于饱和粘性土的短期稳定问题，则宜采用不固结不排水试验的强度指标，即，以总应力法分析。,在测定土的抗剪强度指标

16、时，应该紧密结合工程实际来选择试验方法，如施工期的长短、加荷速率、土的性质和排水条件，以及工程使用过程中的荷载变化情况与土样原来的固结程度等。,若建筑物施工速度较快，而地基土的透水性和排水条件不良时，可采用三轴仪不固结不排水试验或直剪仪快剪试验的结果；如果地基荷载增长速率较慢，地基透水性不太小（如低塑性的粘土）以及排水条件又较佳时（如粘土中夹砂层），则可采用固结排水或慢剪试验；如介于上述两种情况之间，可用固结不排水或固结快剪试验结果。,饱和砂类土在振动时完全丧失抗剪强度而呈现类似液体状态的现象，叫做砂类土的振动液化。地震、车辆行驶、机器震动、打桩以及爆破等，都可能引起饱和砂类土的液化，其中又以

17、地震引起的大面积砂类土液化的危害性最大，经常造成工程场地的整体失稳。,5.4.1 砂类土振动液化的危害,5.4.2 砂类土振动液化影响因素,（）土的类型。黏性土不具备液化的条件 粒径很粗的砂类土一般也不会液化 粉细砂或粉土粉土，处于地下水位以下时，在周期荷载作用下，孔隙水一时来不及排出，因而孔隙水压力不断积累，最终使抗剪强度完全丧失，发生液化。级配不良的砂比级配良好的砂容易液化。,（）土的密度 砂越松散越易液化。1964年日本新泻地震的现场调查资料表明：D50的砂普遍发生液化，而D70的砂区，则没有发生液化。,（）土的原始应力状态 埋深较大的土层难于液化。同时地下水位深比浅更有利于防止液化。,

18、（）地震动的强度 砂土液化只发生在地震烈度度及度以上地区。,5.4.3 砂类土防止震动液化的措施,对可能发生液化的砂土层一般可采用避开、开挖或加固等一些工程措施。当可能发生液化的范围不大时，可根据具体情况改变工程的位置，或挖除砂土层；当可能发生液化的范围较大较深时，一般只能采取加固措施，如人工加密砂土层、围封、桩基和盖重等。加密是增大砂层的密实度；围封是用板桩把可能发生液化的范围包围起来；桩基是将建筑物支承在可能发生液化的砂层以下的坚实土层上；盖重是在可液化的砂层地面上堆放重物。上述方法如果使用合理，便可起到消减砂土液化带来的危害。,小 结 本章主要介绍了土的强度理论与抗剪强度指标、土的极限平衡条件、土抗剪强度指标的测定方法。1.土的抗剪强度理论是研究与计算地基承载力和分析地基承载稳定性的基础。土的抗剪强度可以采用库仑公式表达，土的极限平衡条件是判定土中一点平衡状态的基准。2.土的抗剪强度指标c值一般通过试验确定，试验条件尤其是排水条件对强度指标将带来很大的影响，故在选择抗剪强度指标时应尽可能符合工程实际的受力条件和排水条件。,