土力学5土的抗剪强度.ppt

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1、第五章,土的抗剪强度,土工结构物或地基,土,渗透问题变形问题强度问题,渗透特性变形特性强度特性,一、工程中土体的破坏类型二、土的强度的机理三、摩尔-库仑强度理论,5 土的抗剪强度,5.1 土的抗剪强度概述土体破坏与土的强度理论,大阪的港口码头档土墙由于液化前倾,二、工程中土体的破坏类型,1.挡土结构物的破坏,5 土的抗剪强度,5.1土的抗剪强度概述,1.挡土结构物的破坏,二、工程中土体的破坏类型,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。,5 土的抗剪强度,5.1土的抗剪强度概述,挡土墙,滑裂面,基坑支护,1.挡土结构物的破坏,二、工程中土体的破坏类型,5 土

2、的抗剪强度,5.1土的抗剪强度概述,平移滑动,2.各种类型的滑坡,崩塌,旋转滑动,流滑,二、工程中土体的破坏类型,5 土的抗剪强度,5.1土的抗剪强度概述,1994年4月30日崩塌体积400万方10万方进入乌江死4人，伤5人，失踪12人击沉拖轮、驳轮各一艘，渔船2只1994年7月2-3日降雨引起再次滑坡崩塌体巨大石块滚入江内，无法通航滑坡体崩入乌江近百万方；江水位差数米。,乌江武隆县兴顺乡鸡冠岭山体崩塌,2.各种类型的滑坡,二、工程中土体的破坏类型,5 土的抗剪强度,5.1土的抗剪强度概述,龙观嘴,黄崖沟,乌江,2000年西藏易贡巨型滑坡,2.各种类型的滑坡,二、工程中土体的破坏类型,5 土的

3、抗剪强度,5.1土的抗剪强度概述,高程（m）,滑距（m）,5530,2200,4000,扎 木 弄 沟,滑坡堆积体,0,8000,4000,2000,6000,立面示意图,坡高 3330 m堆积体宽 约2500m总方量 约3亿方,2.各种类型的滑坡,二、工程中土体的破坏类型,2000年西藏易贡巨型滑坡,5 土的抗剪强度,5.1土的抗剪强度概述,易贡滑坡堰塞湖,滑 坡 堆 积 区,扎木弄沟,2264m,2210m,2165m,2340m,平面示意图,5520m,滑坡堆积体,2.各种类型的滑坡,二、工程中土体的破坏类型,2000年西藏易贡巨型滑坡,5 土的抗剪强度,5.1土的抗剪强度概述,天然坝

4、坝高290 m滑坡堰塞湖 库容15亿方,湖水每天上涨50cm?,2.各种类型的滑坡,二、工程中土体的破坏类型,2000年西藏易贡巨型滑坡,5 土的抗剪强度,5.1土的抗剪强度概述,边坡,2.各种类型的滑坡,二、工程中土体的破坏类型,5 土的抗剪强度,5.1土的抗剪强度概述,粘土地基上的某谷仓地基破坏,3.地基的破坏,二、工程中土体的破坏类型,5 土的抗剪强度,5.1土的抗剪强度概述,日本新泻1964年地震引起大面积液化,3.地基的破坏,二、工程中土体的破坏类型,5 土的抗剪强度,5.1土的抗剪强度概述,地基,3.地基的破坏,二、工程中土体的破坏类型,5 土的抗剪强度,5.1土的抗剪强度概述,土

5、压力边坡稳定地基承载力,挡土结构物破坏各种类型的滑坡地基的破坏,二、工程中土体的破坏类型,5 土的抗剪强度,5.1土的抗剪强度概述,一、工程中土体的破坏类型二、土的强度的机理三、摩尔-库仑强度理论,5 土的抗剪强度,5.1 土的抗剪强度概述土体破坏与土的强度理论,三、土的强度的机理,直剪试验库仑（1776）试验原理,施加（=P/A），S量测（=T/A）,=100KPa,S,5 土的抗剪强度,5.1土的抗剪强度概述,直剪试验库仑（1776）试验原理试验结果,=100KPa,S,=200KPa,=300KPa,三、土的强度的机理,5 土的抗剪强度,5.1土的抗剪强度概述,c 粘聚力 内摩擦角,直剪

6、试验库仑（1776）试验原理试验结果,三、土的强度的机理,库仑公式：,f：土的抗剪强度tg：摩擦强度-正比于压力c：粘聚强度-与所受压力无关,5 土的抗剪强度,5.1土的抗剪强度概述,密度（e,粒径级配（Cu,Cc）颗粒的矿物成分 对于：砂土粘性土；高岭石伊里石蒙特石粒径的形状（颗粒的棱角与长宽比）在其他条件相同时：对于砂土，颗粒的棱角提高了内摩擦角 对于碎石土，颗粒的棱角可能降低其内摩擦角,影响土的摩擦强度的主要因素：,三、土的强度的机理,1.摩擦强度 tg,5 土的抗剪强度,5.1土的抗剪强度概述,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

7、史粘土颗粒矿物成分密度离子价与离子浓度,三、土的强度的机理,2.凝聚强度,5 土的抗剪强度,5.1土的抗剪强度概述,5 土的抗剪强度,一、土的强度特点二、工程中土体的破坏类型三、土的强度的机理四、摩尔-库仑强度理论,5.1 土的抗剪强度概述土体破坏与土的强度理论,四、摩尔-库仑强度理论,1.库仑公式2.应力状态与摩尔圆3.极限平衡应力状态4.摩尔-库仑强度理论5.破坏判断方法6.滑裂面的位置,5 土的抗剪强度,5.1土的抗剪强度概述,c 粘聚力 内摩擦角,f：土的抗剪强度tg：摩擦强度-正比于压力c：粘聚强度-与所受压力无关,四、摩尔-库仑强度理论,固定滑裂面,如何判断一点是否破坏？一点的应力

8、状态,借助于莫尔圆,1.库仑公式,5 土的抗剪强度,5.1土的抗剪强度概述,三维应力状态,四、摩尔-库仑强度理论,2.应力莫尔圆,二维应力状态,5 土的抗剪强度,5.1土的抗剪强度概述,莫尔圆应力分析符号规定,材料力学,+,-,+,-,土力学,正应力,剪应力,拉为正压为负,顺时针为正逆时针为负,压为正拉为负,逆时针为正顺时针为负,四、摩尔-库仑强度理论,2.应力莫尔圆,5 土的抗剪强度,5.1土的抗剪强度概述,O,1,3,四、摩尔-库仑强度理论,2.应力莫尔圆,大主应力：,小主应力:,圆心：,半径：,z按顺时针方向旋转,x按顺时针方向旋转,莫尔圆：代表一个土单元的应力状态；圆周上一点代表一个面

9、上的两个应力与,5 土的抗剪强度,5.1土的抗剪强度概述,3.极限平衡状态,四、摩尔-库仑强度理论,极限平衡状态：,f,5 土的抗剪强度,5.1土的抗剪强度概述,土的强度包线：,有一对面上的应力状态达到=f,所有达到极限平衡状态的莫尔园的公切线。,3.极限平衡应力状态,四、摩尔-库仑强度理论,f,强度包线以内：下任何一个面上的 都没有达到破坏包线，不破坏；,5 土的抗剪强度,5.1土的抗剪强度概述,与破坏包线相切：有一个面上的应力达到破坏；,与破坏包线相交：有一些平面上的应力超过强度；不可能发生。,4.莫尔库仑强度理论,（1）土单元的某一个平面上的抗剪强度f是该面上作 用的 法向应力的单值函数

10、,f=f(),四、摩尔-库仑强度理论,5 土的抗剪强度,5.1土的抗剪强度概述,（2）在一定的应力范围内，可以用线性函数近似f=c+tg,（3）某土单元的任一个平面上=f，该单元就达到了极限 平衡应力状态,4.莫尔库仑强度理论,四、摩尔-库仑强度理论,莫尔-库仑强度理论表达式极限平衡条件,1,3,5 土的抗剪强度,5.1土的抗剪强度概述,4.莫尔库仑强度理论,四、摩尔-库仑强度理论,莫尔-库仑强度理论表达式极限平衡条件,5 土的抗剪强度,5.1土的抗剪强度概述,根据应力状态计算出大小主应力1、3,判断破坏可能性,由3计算1f比较1与1f,11f 弹性平衡状态,5.破坏判断方法,四、摩尔-库仑强

11、度理论,判别对象：土体微小单元（一点）,3=常数：,5 土的抗剪强度,5.1土的抗剪强度概述,1=1f 极限平衡状态,11f 破坏状态,根据应力状态计算出大小主应力1、3,判断破坏可能性,由1计算3f比较3与3f,33f 弹性平衡状态,5.破坏判断方法,四、摩尔-库仑强度理论,判别对象：土体微小单元（一点）,1=常数：,5 土的抗剪强度,5.1土的抗剪强度概述,3=3f 极限平衡状态,33f 破坏状态,根据应力状态计算出大小主应力1、3,判断破坏可能性,由1、3计算与比较,安全状态,O,c,5.破坏判断方法,四、摩尔-库仑强度理论,判别对象：土体微小单元（一点）,(1+3)/2=常数：圆心保持

12、不变,5 土的抗剪强度,5.1土的抗剪强度概述,=极限平衡状态,不可能状态,2,2,6.滑裂面的位置,与大主应力面夹角：=45+/2,四、摩尔-库仑强度理论,5 土的抗剪强度,5.1土的抗剪强度概述,例 题,砂土地基中的一点1=500KPa，3=180KPa，=360，c=01、判断是否发生剪切破坏；2、如未发生破坏，可采用几种加载方式使之破坏。,思 路（1）,3,f=c+tg,1f,1,思 路（2）,3f,f=c+tg,1,3,思 路（3）,3,1,例 题,例 题,3,1,180,500,693.3,129.8,1925.8,70.3,一、室内试验二、野外试验,5.2 抗剪强度测定方法,5

13、土的抗剪强度,直剪试验、三轴试验等 制样（重塑土）或现场取样 缺点：扰动 优点：应力条件清楚，易重复,十字板扭剪试验、旁压试验等 原位试验 缺点：应力条件不易掌握 优点：原状土的原位强度,5.2 抗剪强度测定方法,5 土的抗剪强度,一、室内试验,1.直剪试验,通过控制剪切速率来近似模拟排水条件,1.固结慢剪：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2.固结快剪施加正应力-充分固结在3-5分钟内剪切破坏3.快剪施加正应力后立即剪切3-5分钟内剪切破坏,5.2 抗剪强度测定方法,5 土的抗剪强度,一、室内试验,1.直剪试验,O,n,K0n,5.2 抗剪强度测定方法

14、,5 土的抗剪强度,一、室内试验,1.直剪试验,设备简单，操作方便 结果便于整理 测试时间短,优点,试样应力状态复杂 应变不均匀 不能控制排水条件 剪切面固定,缺点,5.2 抗剪强度测定方法,5 土的抗剪强度,一、室内试验,1.直剪试验,类似试验：环剪试验单剪试验,压力室,压力水,排水管,阀门,轴向加压杆,有机玻璃罩,橡皮膜,透水石,顶帽,5.2 抗剪强度测定方法,5 土的抗剪强度,一、室内试验,2.三轴试验,（1）试样应力特点与试验方法（2）强度包线（3）试验类型（4）优缺点,5.2 抗剪强度测定方法,5 土的抗剪强度,一、室内试验,2.三轴试验,方法：首先试样施加静水压力室压（围压）1=2

15、=3；然后通过活塞杆施加的是应力差1=1-3。,（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一般是大主应力；径向与切向应力总是相等r=，亦即1=z；2=3=r,强度包线,(1-)f,c,(1-)f,1,1-3,1=15%,分别作围压为100 kPa、200 kPa、300 kPa的三轴试验，得到破坏时相应的（1-)f,绘制三个破坏状态的应力摩尔圆，画出它们的公切线强度包线，得到强度指标 c 与,5.2 抗剪强度测定方法,5 土的抗剪强度,一、室内试验,2.三轴试验,（2）强度包线,固结排水试验（CD试验）1 打开排水阀门，施加围压后充分固结，超静孔隙水压力完全消散；2

16、 打开排水阀门，慢慢施加轴向应力差以便充分排水，避免产生超静孔压,固结不排水试验（CU试验）1 打开排水阀门，施加围压后充分固结，超静孔隙水压力完全消散；2 关闭排水阀门，很快剪切破坏，在施加轴向应力差过程中不排水,不固结不排水试验（UU试验）1 关闭排水阀门，围压下不固结；2 关闭排水阀门，很快剪切破坏，在施加轴向应力差过程中不排水,cd、d,ccu、cu,cu、u,（3）试验类型,5.2 抗剪强度测定方法,5 土的抗剪强度,一、室内试验,2.三轴试验,固结排水试验（CD试验）Consolidated Drained Triaxial test(CD)抗剪强度指标：cd d（c）,试验类型汇

17、总,固结不排水试验（CU试验）Consolidated Undrained Triaxial test(CU)抗剪强度指标：ccu cu,不固结不排水试验（UU试验）Unconsolidated Undrained Triaxial test(UU)抗剪强度指标：cu u（cuu uu）,5.2 抗剪强度测定方法,5 土的抗剪强度,一、室内试验,2.三轴试验,v,=,f=f,1.固结排水试验,u,轴向应力和孔压渐进增加并趋于稳定，孔压 u 0,f,f,cu,2.固结不排水试验,u=0,cu,并且有效应力莫尔圆是唯一的,思考题：可否由不排水试验确定有效应力强度指标？,cu,3.不固结不排水试验,

18、Cu依赖于初始状态,试验条件与现场条件的对应关系,固结排水试验,固结不排水试验,不固结不排水试验,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；,缺点：设备相对复杂，现场无法试验,说明：30 即为无侧限抗压强度试验,（4）优点和缺点,5.2 抗剪强度测定方法,5 土的抗剪强度,一、室内试验,2.三轴试验,真三轴仪空心圆柱扭剪仪,5.2 抗剪强度测定方法,5 土的抗剪强度,一、室内试验,3.其它室内试验,十字板剪切试验,一般适用于测定软粘土的不排水强度指标；,钻孔到指定的土层，插入十字形的探头；,通过施加的扭矩计算土的抗剪强度,5.2 抗剪强度测定方法,5 土的抗剪强度,二、野外试验,时：,5.2 抗剪强度测定方法,5 土的抗剪强度,二、野外试验,十字板剪切试验,例 一个饱和黏土试样，已知孔隙水压力系数A=0.7。装入三轴剪切仪中，先施加各向均等应力=3=100kPa，并固结稳定。然后在不排水条件下向试样施加应力增量=60kPa，3=20kPa，试计算施加应力增量后，试样内孔隙水压力u及、3、3。,5.2 抗剪强度测定方法,5 土的抗剪强度,