土力學與地基基礎4-1.ppt

第4章土的抗剪強度,4.1概 述,土的破壞主要是由于剪切引起的，剪切破壞是土體破壞的重要特點 工程實踐中與土的抗剪強度有關的工程主要有以下3類 （1）土質土壩的穩(wěn)定 （2）土壓力 （3）地基的承載力問題,工程實例土坡穩(wěn)定,This photo shows a failure of a tailings dam retaining gypsum tailings in Florida. It can be seen that the wet gypsum tailings flowed like a viscous liquid when the dam failed.,工程實例土坡穩(wěn)定,This tailings dam in South Africa retained tailings from a platinum mine. Note the very flat slope formed by the tailings as they came to rest, indicating their very low shear strength.,工程實例土坡穩(wěn)定,The slide extended for about 1100 feet along the embankment. At the north end, near the inlet-outlet structure visible in this photo, the scarp at the top of the slide was about 30 feet high. At the bottom of the slope the toe of the slide moved horizontally about 30 feet out into the reservoir.,工程實例土坡穩(wěn)定,The slide in the upstream shell is shown here with the reservoir emptied. The paved road surface identifies the former crest of the dam.,工程實例土坡穩(wěn)定,工程實例土坡穩(wěn)定,工程實例地基承載力問題,工程實例地基承載力問題,工程實例地基承載力問題,加拿大特朗斯康谷倉： 1911年動工 1913年完工 谷倉自重20000噸 1913年10月17日發(fā)現1小時內豎向沉降達30.5厘米，結構物向西傾斜，并在24小時內傾倒，谷倉西端下沉7.32米，東端上抬1.52米 產生原因：地基承載力不夠，超載引發(fā)強度破壞而產生滑動。,工程實例地基承載力問題,美國紐約某水泥倉庫： 是近代世界上最嚴重的建筑物破壞之一 位于紐約漢森河旁 1940年水泥倉庫裝載水泥，使粘性土超載，引起地基土剪切破壞而滑動。 傾斜45度，地基土被擠出達5.18米，23米外的辦公樓也發(fā)生傾斜。,工程實例地基承載力問題,4.2 土的抗剪強度的基本理論,強度的概念與莫爾庫侖理論 庫侖的抗剪強度定律將土的抗剪強度表示為剪切面上法向應力的函數，即f=c+ tg ， 式中，c，分別為土的粘聚力和內摩擦角，亦稱為土的強度指標。 砂土的抗剪強度表達式為f= tg ，粘性土的抗剪強度表達式為f=c+ tg ， 前者是后者的特殊形式，即前者是粘聚力c=0的后者形式。,強度的概念與莫爾庫侖理論,固體間的摩擦力直接取決于接觸面上的法向力和接觸材料的摩擦角,強度的概念與莫爾庫侖理論,材料力學理論,強度的概念與莫爾庫侖理論,強度的概念與莫爾庫侖理論,（13）/2,o,oo,（13）/2,強度的概念與莫爾庫侖理論,強度的概念與莫爾庫侖理論,土的極限平衡條件,A,B,D,O,f 極限平衡條件 莫爾庫侖破壞準則,極限應力圓 破壞應力圓,剪切破壞面,土的極限平衡條件,土的極限平衡條件,土的極限平衡條件,土的極限平衡條件,土體中剪破面并不發(fā)生在最大剪應力的作用面= 45上，而是發(fā)生在與最大主應力平面成= 45+ /2夾角的斜面上。 P124 例4-1已知有關參數1、3 、c、, 判斷土樣的狀態(tài),4.3 抗剪強度試驗方法,測定土抗剪強度指標的試驗稱為剪切試驗 按照常用的試驗儀器將剪切試驗分為 直接剪切試驗 三軸壓縮試驗 無側向抗壓強度試驗 十字板剪切試驗,直接剪切試驗,直接剪切試驗,直接剪切試驗,直接剪切試驗,直接剪切試驗,直接剪切試驗,直接剪切試驗,直接剪切試驗,直接剪切試驗,在直剪試驗過程中，不能量測孔隙水應力，也不能控制排水，所以只能以總應力法來表示土的抗剪強度。但是為了考慮固結程度和排水條件對抗剪強度的影響，根據加荷速率的快慢可將試驗劃分為快剪、固結快剪、慢剪三種試驗類型。 快剪(P125釋義) 固結快剪 慢剪,直接剪切試驗,直接剪切試驗,直剪試驗的缺點 剪切破壞面固定為上下盒之間的水平面 試驗中試驗的排水程度靠試驗速度的快慢控制 由于上下土盒的錯動，剪切過程中試樣的有效面積減小，使試樣中的應力分布不均勻，主應力方向發(fā)生變化，當剪切變形較大時這一缺陷表現更為突出,三軸壓縮試驗,三軸壓縮試驗直接量測的是試樣在不同恒定周圍壓力下的抗壓強度，然后利用莫爾庫侖破壞理論間接推求土的抗剪強度。,三軸壓縮試驗,三軸壓縮試驗,三軸壓縮試驗,三軸壓縮試驗,圖中:A為緊砂，B為松砂,三軸壓縮試驗,三軸試驗根據試樣的固結和排水條件不同，可分為不固結不排水剪（UU）、固結不排水剪（CU）、固結排水剪（CD）。分別對應于直剪試驗的快剪、固結快剪、和慢剪試驗。,三軸壓縮試驗,剪破有效應力,有效應力圓與總應力圓大小相同，只是當剪破時的孔隙水應力為正值時，有效應力圓在總應力圓的左邊；而當剪破時的孔隙水應力為負值時，有效應力圓在總應力圓的右邊。,三種試驗結果的對比,4.4土的抗剪強度指標與主要影響因素,1、土的抗剪強度指標c、 2、影響土的抗剪強度的因素(P129) 土粒的礦物成分、形狀、顆粒大小與顆粒級配 土的密度 含水量 土體結構的擾動情況 孔隙水壓力的影響,4.5土的天然強度及強度增長規(guī)律,4.5.1 土的天然強度 測定土的天然強度的幾種方法 (1)三軸不固結不排水剪切(UU)試驗 (2)無側限抗壓強度試驗 (3)直接剪切試驗 (4)十字版剪切試驗,三軸不固結不排水剪切(UU)試驗,測定土的天然強度 f= (1+3)/2,無側限抗壓強度試驗,三軸壓縮試驗當周圍壓力為零時即為無側限試驗條件，此時只有軸向壓力，所以也稱單軸壓縮試驗。 由于試樣的側向力為零，在軸向受壓時，其側向變形不受限制，故又稱無側限壓縮試驗。 由于試樣是在軸向壓縮的條件下破壞的，因此把這種情況下土能承受的最大軸向壓力稱為無側限抗壓強度，以qu表示,無側限抗壓強度試驗,無側限抗壓強度試驗,極限應力圓,不排水強度,直接剪切試驗,土的天然強度 f=cq+ tg q,原位十字板剪切試驗,原位十字板剪切試驗是一種利用十字板剪切儀在現場測定土的抗剪強度的方法。這種方法適用于在現場測定飽和粘性土的原位不排水強度，特別適用于均勻的飽和軟粘土。,原位十字板剪切試驗,原位十字板剪切試驗,軟土在荷載下的強度增長規(guī)律,軟土在外荷載作用下，若總應力不變和地基有排水固結條件，則正常固結土在自重應力作用下已固結，在附加應力作用下抗剪強度增加到ft= f0+ f 提高地基強度的措施的原則:使應力路徑處于抗剪強度線以下 提高地基強度的措施:油罐充水對軟土地基進行預壓(P134) 工程中常用排水固結法,排水固結法,排水固結法是在建筑物建造前，對天然地基或已設置豎向排水體的地基加載預壓，使土體固結沉降基本結束或完成大部分，從而提高地基土強度的一種地基加固方法。,加載方法 主要包括：直接堆載法、真空預壓法、降低地下水法以及電滲法 真空預壓法 在粘土層上鋪設砂墊層，然后用不透氣薄膜密封砂墊層，用真空泵對砂墊層和砂井抽氣，使土體和砂墊層以及砂井之間形成壓力差，發(fā)生滲流，使土中孔隙水壓力不斷降低，有效應力不斷增強，促使土體固結沉降。 降低地下水位法 電滲法 在土中插入金屬電極并通以直流電，由于電場作用，土中水從陽極流向陰極。如將陰極積聚的水排走，土體中孔隙水就會減少，有效應力增大導致沉降固結。,排水系統的作用 改變地基的排水邊界條件，縮短排水距離和增加孔隙水排出的途徑； 加壓系統的作用 起固結作用，使地基土的固結壓力增加而產生固結； 排水系統和加壓系統是聯合使用的。 適用范圍：飽和軟粘土地基，應用于路堤、倉庫。罐體、飛機跑道等,排水固結的原理,1.固結機理 飽和軟粘土地基在荷載作用下，孔隙中的水被慢慢排出，孔隙體積慢慢減小，地基發(fā)生固結變形，同時，隨著超靜水壓力逐漸消散，有效應力逐漸提高，地基土的強度逐漸增長。,abc為壓縮曲線、cef為卸荷曲線、fgc為再壓縮曲線,固結理論公式,固結時間與排水距離的平方成正比，縮短排水距離可大大縮短固結時間。 在地基中設置砂墊層及砂井等的目的就是為了增加排水途徑，縮短排水距離，從而加快軟弱土層的排水固結。,排水固結法設計計算,一、設計前應取得的資料 進行巖土工程勘察，查明場地的工程地質和水文地質條件； 室內土工試驗，確定土的固結系數、孔隙比和固結壓力關系、三軸試驗強度等； 進行原位十字板剪切試驗，確定各土層十字板抗剪強度。,二、加載預壓法設計 其設計內容包括：選擇豎向排水體，確定其尺寸、間距、排列方式和深度； 確定預壓荷載的大小、范圍、速率和預壓時間； 計算地基的固結度、強度增長； 進行穩(wěn)定性和變形計算。,預壓荷載的施工 可分三類：利用建筑物自重加壓；施加外部荷載（堆載預壓法）；減小地基土的孔隙水（真空預壓法） (一)利用建筑物的自重 在未經預壓的天然軟土地基上直接建造建筑物。如：路堤、土壩、貯礦場、油罐、水池等。,(二)堆載預壓,2.施工要點和施工控制,1.施工工藝,(三)真空預 壓施工 1.施工工藝,2.施工設備 包括：真空泵和一套膜內、外管路 真空泵,3.密封系統 由密封膜、密封溝和輔助密封措施組成。 密封膜：一般鋪3層。 密封要求：一是膜與軟土的接觸有足夠的長度，以保證有足夠長的滲透途徑；二是膜周邊密封處應有一定的壓力，保證膜與軟土接觸緊密。 密封方式主要有：挖溝折膜法和平鋪膜法。 4.施工要點,施工觀測及質量檢驗,一、地基土的物理力學性能指標檢驗,二、孔隙水壓力觀測 1.觀測儀器 雙管式孔隙壓力計和鋼弦式孔隙壓力計。 2.觀測點的布置 一般布置在場地中央，堆載坡頂及堆載坡角的不 同深度處。 3.資料應用 計算固結度；用u/p值控制加荷速率；用u-p 曲線控制加荷速率,觀測項目：孔隙水壓力，沉降，邊樁位移，真空度等,施工觀測及質量檢驗 三、沉降觀測 1.觀測點的布置： 沿場地對稱軸線、場地中心、坡頂、坡腳和場外 10m范圍 2.資料應用 推算最終變形量；求任意時間固結度； 控制加荷速率。,四、邊樁位移觀測,4.6 土的強度特性,砂土的抗剪強度受密度、顆粒形狀、表面粗糙度和級配的影響。對于一般砂土來講，影響抗剪強度的主要因素是其初始孔隙比（或初始干密度） 初始孔隙比越小，抗剪強度越高 同一種砂土在相同的孔隙比下飽和時的內摩擦角比干燥時小,砂性土的剪切性狀,砂性土的剪切性狀,砂土的應力軸向應變體變,松砂受剪時，顆粒滾落到平衡位置，排列更緊密些，所以體積縮小，把這種因剪切而體積縮小的現象稱為剪縮性,松 砂,砂土的應力軸向應變體變,緊砂受剪時，顆粒必須升高以離開它們原來的位置而彼此才能滑過，從而導致體積膨脹，把這種因剪切而體積膨脹的現象稱為剪脹性。,緊 砂,砂土的應力軸向應變體變,砂土的應力軸向應變體變,隨著軸向應變的增加，松砂的強度逐漸增加，曲線應變硬化。,體積逐漸減小,緊砂的強度達到一定值后，隨著軸向應變的繼續(xù)增加，強度反而減小，最后呈應變軟化型,體積開始時稍有減小，繼而增加，超過它的初始體積,砂土的應力軸向應變體變,砂土在低周圍壓力下由于初始孔隙比的不同，剪破時的體積可能小于初始體積，也可能大于初始體積，則可以想象，砂土在某一初始孔隙比下受剪，它剪破時的體積將等于其初始體積，這一初始孔隙比稱為臨界孔隙比。,砂土的臨界孔隙比將隨周圍壓力的增加而減小,砂土的應力軸向應變體變,飽和砂土在低周圍壓力下受剪時，如果不允許它的體積發(fā)生變化，則 緊砂為抵抗剪脹的趨勢，將通過調整土體內部應力，產生負孔隙水壓力，使周圍壓力增加，以保持體積不變 松砂為抵抗體積縮小的趨勢，將產生正孔隙水壓力，是周圍壓力減小，以保持體積不變。,砂土的殘余強度,砂土的液化,液化：任何物質轉化為液體的行為或過程 砂土液化：砂土在突發(fā)的動荷載作用下，不能在短時間排水固結，為抵抗剪力引起的體積縮小的趨勢，將產生很大的孔隙水壓力，從而導致土體的抗剪能力完全喪失的現象。,地震引起的砂土液化,飽和的粉、細砂在動荷載作用下易發(fā)生砂土液化，使地基失去承載力。 下圖所示為 1964 年 6 月 16 日 日本新瀉發(fā)生 7.5 級地震后，因地基土發(fā)生液化所造成的破壞，注意到雖然因地基破壞而使得建筑物嚴重傾斜甚至倒下，但結構本身并未破壞。,粘性土的剪切性狀,重塑土:某些在含水率不變的條件下使其原有結構受徹底擾動的粘土 飽和粘性土試樣的抗剪強度除受固結程度和排水條件影響外，在一定程度上還受它的應力歷史的影響,粘土的殘余強度,粘土的殘余強度,粘土的殘余強度與它的應力歷史無關 在大剪位移下超固結粘土的強度降低幅度比正常固結粘土的大 殘余強度線為通過坐標原點的直線,粘土的結構性與靈敏度,粘土的強度隨著其結構的改變而發(fā)生變化的特性稱為土的結構性 某些在含水率不變的條件下使其原有結構受徹底擾動粘土，稱為重塑土 靈敏度:原狀試樣的無側限抗壓強度與相同含水率下重塑試樣的無側限抗壓強度之比 在含水率不變的條件下粘土因重塑而軟化（強度降低），軟化后又隨靜置時間的延長而硬化（強度增長）的這種性質稱為粘土的觸變性。,粘土的蠕變,粘土的蠕變:在恒定剪應力作用下應變隨時間而增長的現象。,粘土的蠕變,只有當主應力差較大時，才能導致粘土的蠕變破壞。 粘土的蠕變破壞過程的四個階段(P140) (1)彈性應變階段：圖中OA段 (2)初始蠕變階段：圖中AB段 (3)穩(wěn)定蠕變階段：圖中BC段 (4)加速蠕變階段：在這一階段，蠕變速率迅速增長，最后達到破壞。 利用粘土的蠕變現象解釋某些擋土結構物的側向移動和土坡的破壞。,4.7 應力路徑對