土的抗剪強度PPT精選文檔

1、1,土的抗剪強度,王英浩,內(nèi)蒙古科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院巖土教研組,2,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. 工程時間中與土的抗剪強度有關(guān)的工程主要有以下3類: （1）土質(zhì)土壩的穩(wěn)定 （2）土壓力 （3）地基的承載力問題,3,工程實例土坡穩(wěn)定,4,工程實例土坡穩(wěn)定,5,工程實例土壓力,6,工程實例土壓力,7,工程實例地基承載力問題,8,工程實例地基承載力問題,9,第一節(jié) 土的抗剪強度概述 土的抗剪強度:是指土體抵抗剪切破壞的極限能力。 滑動面(破壞面):當土體受到荷載作用后,土中各點將產(chǎn)生剪應(yīng)力,若某點的剪應(yīng)力達到其抗剪強度,在剪切面兩側(cè)的土體將產(chǎn)生相對位移

2、而產(chǎn)生滑動破壞,該剪切面稱為滑動面或破壞面,10,一.庫侖公式 1）庫倫公式基本形式（總應(yīng)力抗剪強度公式） 式中 剪切破壞面上的剪應(yīng)力，即土的抗剪強度(KPa ) 破壞面上的法向應(yīng)力(KPa ) 土的粘聚力， (KPa )對于無粘性土， 土的內(nèi)摩擦角() 稱為抗剪強度指標，同一種土，它們與試驗方法有關(guān),11,無粘性土 粘性土,12,2）有效應(yīng)力抗剪強度公式 式中 剪切破壞面上的有效法向應(yīng)力(KPa ) u 土中的超靜孔隙水壓力(KPa ) 土的有效粘聚力(KPa ) 土的有效內(nèi)摩擦角() 稱為土的有效抗剪強度指標，同一種土，其值理論上與試驗方法無關(guān)，應(yīng)接近于常數(shù),問題:總應(yīng)力法與有效應(yīng)力法的優(yōu)

3、缺點是什么,13,總應(yīng)力法比有效應(yīng)力法簡單,因為試驗時不需測量孔隙水壓力,進行穩(wěn)定分析時也不考慮孔隙水壓力,只需測量總應(yīng)力即可.但是對于同一種土,施加相同的總應(yīng)力,如果試驗方法不同,或者說控制的排水條件不同,則所得的強度指標也就不相同.也就是說,總應(yīng)力和土的抗剪強度沒有唯一對應(yīng)的關(guān)系,應(yīng)用較多. 有效應(yīng)力法考慮了孔隙水壓力的影響,只計入作用于粒間的有效應(yīng)力,試驗證明,對于同一種土,不論采用何種試驗方法,只要能準確測量出孔隙水壓力,則所得的有效抗剪強度指標是相同的.它們有唯一對應(yīng)的關(guān)系.但測量孔隙水壓力時,比較麻煩,需要精確評價地基強度和穩(wěn)定性時常采用,14,抗剪強度的來源,1）無粘性土：來源于

4、土粒間的摩擦力（內(nèi)摩擦力）。 包括： a.一部分由于土顆粒粗糙產(chǎn)生的表面摩擦力； b.另一部分是粗顆粒之間互相鑲嵌，聯(lián)鎖作用 產(chǎn)生的咬合力,2）粘性土：除內(nèi)摩擦力外，還有內(nèi)聚力。 內(nèi)聚力主要來源于：土顆粒之間的電分子吸引力和土中膠結(jié)物質(zhì)（硅、鐵物質(zhì)和碳酸鹽等）對土粒的膠結(jié)作用,15,二.莫爾-庫侖強度理論,一)、土體中任一點的應(yīng)力狀態(tài) 假定土層為均勻、連續(xù)的半空間材料，研究地面以下任一深度處M點的應(yīng)力狀態(tài)。 下面僅研究平面問題， 在土體中取一微單元體， 作用在該單元體上的兩個 主應(yīng)力為 ， 則作用在與大主應(yīng)力作用面成 角的 平面上的正應(yīng)力 和剪應(yīng)力 可根據(jù)靜力平衡條件求得,16,17,二)、土

5、的極限平衡條件的建立,18,19,土處于極限平衡狀態(tài)下時,根據(jù)極限應(yīng)力圓與抗剪強度包線相切的幾何關(guān)系，可建立以下極限平衡條件,20,粘性土,化簡后得,21,破壞面與大主應(yīng)力作用面間的夾角,問題:土體的最大剪應(yīng)力面是否即剪切破裂面,對于飽和軟粘土,在不排水條件下,其內(nèi)摩擦角為0,此時土體的最大剪應(yīng)力面即為剪切破裂面,22,第二節(jié) 抗剪強度的測定方法,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(cè)向抗壓強度試驗 十字板剪切試驗 近似模擬,23,直接剪切試驗,應(yīng)變控制式直剪儀,24,25,26,27,28,29,應(yīng)變控制式直剪儀的試驗原理：

6、對同一種土至少取4個平行試樣，分別在不同垂直壓力下剪切破壞，將試驗結(jié)果繪制抗剪強度f與相應(yīng)垂直壓力的關(guān)系圖。試驗結(jié)果表明，對于粘性土f 基本上呈直線關(guān)系，直線方程可用庫倫公式表示；對于無粘性土， f 則是通過原點的直線,30,31,的缺點 直接剪切儀,限定剪切面不一定是最薄弱面,剪切面上剪應(yīng)力分布不均勻,剪切面在剪切過程中是逐漸縮小的,不能嚴格控制排水條件，不能量測孔隙水壓力,構(gòu)造簡單,操作方便,的優(yōu)點 直接剪切儀,32,三軸壓縮試驗,對同一種土至少取3個平行試樣，分別在不同周圍壓力3 和軸壓1 作用下剪切破壞，將試驗結(jié)果繪制為若干個極限應(yīng)力圓。根據(jù)莫爾-庫倫理論，這一組極限應(yīng)力圓的公共切線即

7、為土的抗剪強度包線，可近似取為一條直線，直線的方程即為庫倫公式所表示的方程,三軸壓縮儀的試驗原理,33,c,0,三軸壓縮試驗原理,34,的優(yōu)點 三軸壓縮儀,的缺點 三軸壓縮儀,能較嚴格地控制排水條件,剪切破壞面為最薄弱面,試驗設(shè)備、試驗過程相對復(fù)雜,試樣的受力狀態(tài)為軸對稱情況，與實際土體的受力狀態(tài)未必相符,35,36,37,38,無側(cè)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(cè)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(cè)向力為零，在軸向受壓時，其側(cè)向變形不受限制，故又稱無側(cè)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

8、無側(cè)限抗壓強度，以qu表示,39,40,極限應(yīng)力圓,41,應(yīng)用： 代替三軸試驗（當3 =0） 可用來求土的靈敏度 缺點： 無粘性土以及太軟土（流塑）不可 試驗快 , 水來不及排除,42,十字板剪切試驗,原位十字板剪切試驗是一種利用十字板剪切儀在現(xiàn)場測定土的抗剪強度的方法。這種方法適用于在現(xiàn)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。 無需鉆孔取得原狀土樣,從而使土少受擾動,試驗時土的排水條件和受力狀態(tài)與實際條件十分接近,43,44,45,第四節(jié) 土的抗剪強度指標,一.粘性土在不同固結(jié)和排水條件下的抗剪強度指標,1.固結(jié)不排水剪試驗(又稱固結(jié)快剪,以符號Cu表示,試驗過程,固結(jié)

9、不排水試驗（CU試驗）是在施加周圍壓力時充分排水（固結(jié)），而在施加軸向壓力直至剪切破壞的整個試驗過程中不允許排水（不排水,46,飽和粘性土的固結(jié)不排水抗剪強度受應(yīng)力歷史的影響，所以首先要區(qū)分試樣是處于什么樣的固結(jié)狀態(tài),正常固結(jié)狀態(tài)的試樣在剪切過程中體積有減小的趨勢（剪縮），但由于不允許排水，故產(chǎn)生正的孔隙水壓力；而強超固結(jié)狀態(tài)的試樣在剪切過程中，先表現(xiàn)為剪縮（產(chǎn)生正的孔隙水壓力），然后轉(zhuǎn)為剪脹（產(chǎn)生負的孔隙水壓力,47,試驗結(jié)論,a.正常固結(jié)飽和粘土,48,剪切過程中不排水，根據(jù)有效應(yīng)力原理可知，有效應(yīng)力圓與總應(yīng)力圓直徑相等，位置不同。 因為正常固結(jié)狀態(tài)的試樣在剪切破壞時產(chǎn)生正的孔隙水壓力，故

10、有效應(yīng)力圓在總應(yīng)力圓的左邊。 總應(yīng)力破壞包線和有效應(yīng)力破壞包線都通過原點，說明固結(jié)壓力為零的土不會具有抗剪強度,49,超固結(jié)狀態(tài),正常固結(jié)狀態(tài),ccu,0,a,b,c,b.超固結(jié)飽和粘土,超固結(jié)狀態(tài)土的固結(jié)不排水試驗,50,超固結(jié)狀態(tài)的飽和粘性土的固結(jié)不排水剪切試驗得到的總應(yīng)力破壞包線是一條略平緩的曲線，可近似以直線ab代替，與正常固結(jié)狀態(tài)土的固結(jié)不排水破壞包線bc相交，bc的延長線通過原點。實用上將abc折線取為一條直線。 由于超固結(jié)狀態(tài)的土樣在剪切破壞時，產(chǎn)生負的孔隙水壓力，有效應(yīng)力圓在總應(yīng)力圓的右邊,51,2.不固結(jié)不排水剪試驗(又稱快剪,以符號UU表示,試驗過程,不固結(jié)不排水試驗（UU

11、試驗）是在施加周圍壓力時不排水（不固結(jié)），且在施加軸向壓力直至剪切破壞的整個試驗過程中也不允許排水（不排水,52,試驗結(jié)論,0,cu,飽和粘性土的不固結(jié)不排水試驗,53,圖中三個實線圓分別表示三個試件在不同的圍壓作用下破壞時的總應(yīng)力圓，虛線表示有效應(yīng)力圓。試驗結(jié)果表明，雖然三個試件的圍壓不同，但破壞時的主應(yīng)力差相等，所以三個總應(yīng)力圓的直徑相同，所以破壞包線是一條水平線，可得,54,由于在不排水條件下，試樣在試驗過程中含水量不變，體積不變，改變周圍壓力增量只能引起孔隙水壓力的變化，并不會改變試樣中的有效應(yīng)力，各試件在剪切前的有效應(yīng)力相等，因此抗剪強度不變。 由于只能得到一個有效應(yīng)力圓，所以不能得

12、到有效應(yīng)力破壞包線，不固結(jié)不排水試驗只用于測定飽和土的不排水強度，所以可以用無側(cè)限抗壓強度試驗代替三軸壓縮試驗來測定飽和土的不排水抗剪強度,55,不固結(jié)不排水試驗的“不固結(jié)”是在保持試樣原來有效應(yīng)力不變的情況下，在三軸壓力室的周圍壓力下不再排水固結(jié)。如果飽和粘性土從未固結(jié)過，則其中的有效應(yīng)力為零（先期固結(jié)壓力也為零），表現(xiàn)為一種泥漿狀土，其抗剪強度必然也等于零。 如果在較高的剪前固結(jié)壓力下進行不固結(jié)不排水試驗，就會得到較大的不排水抗剪強度,56,3.固結(jié)排水剪試驗(又稱慢剪,以符號CD表示,試驗過程,固結(jié)排水試驗（CD試驗）是在施加周圍壓力時充分排水（固結(jié)），而在施加軸向壓力直至剪切破壞的整個

13、試驗過程中允許排水（排水,57,試驗結(jié)論,a.正常固結(jié)飽和粘土,58,b.超固結(jié)飽和粘土,59,在整個試驗過程中，土樣中的孔隙水壓力始終為零，總應(yīng)力最后完全轉(zhuǎn)化為有效應(yīng)力，所以總應(yīng)力圓就是有效應(yīng)力圓，總應(yīng)力破壞包線就是有效應(yīng)力破壞包線。 正常固結(jié)狀態(tài)的土，其破壞包線通過原點。 超固結(jié)飽和粘土在固結(jié)排水剪中先剪縮后剪脹,但不會排出水分,反而因剪脹而有吸水的趨勢,含水量還要增加,60,試驗結(jié)果表明，對于同一種土，固結(jié)排水試驗得到的cd、d與固結(jié)不排水試驗得到的c、 很接近，由于固結(jié)排水試驗所需的時間太長，故實用上用c、 代替cd、d,61,三種試驗結(jié)果的強度包線,62,對同一種飽和粘性土，分別在三

14、種不同的排水條件下進行剪切試驗。如果用總應(yīng)力表示，將得到完全不同的試驗結(jié)果，而以有效應(yīng)力表示，則不論采用哪種試驗方法，都得到近乎同一條有效應(yīng)力破壞包線。 所以說，抗剪強度與總應(yīng)力沒有唯一的對應(yīng)關(guān)系，而與有效應(yīng)力有唯一的對應(yīng)關(guān)系,63,二.粘性土的殘余強度指標,堅硬的超壓密粘土的 曲線可出現(xiàn)剪應(yīng)力的峰值 ,即為土的峰值抗剪強度.峰后強度隨剪切位移增大而降低,稱為應(yīng)變軟化特征.當剪切位移較大時,其強度最終也降低至某一穩(wěn)定值,這種終值強度稱為殘余強度.試驗證明,粘性土的殘余強度同峰值強度一樣也符合庫侖公式,即,64,65,粘性土的殘余強度可解釋為,沿剪切面兩側(cè)非定向排列的薄層微粒結(jié)構(gòu),隨著剪應(yīng)變的增

15、加而逐漸轉(zhuǎn)化為沿剪切方向定向排列,因而土的抗剪強度隨之降低. 殘余強度與土的結(jié)構(gòu)關(guān)系不大,而主要取決于土的礦物成分和有效法向應(yīng)力的影響. 粘土的殘余強度與它的應(yīng)力歷史無關(guān). 在大剪位移下超固結(jié)粘土的強度降低幅度比正常固結(jié)粘土的大. 殘余強度線為通過坐標原點的直線,66,三.無粘性土的抗剪強度指標,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(dǎo)致體積膨脹，把這種因剪切而體積膨脹的現(xiàn)象稱為剪脹性,緊 砂,67,松 砂,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(xiàn)象稱為剪縮性,68,緊砂的強度達到一定值后，隨著軸向應(yīng)變的繼續(xù)增加，強度反而

16、減小，最后呈應(yīng)變軟化型,隨著軸向應(yīng)變的增加，松砂的強度逐漸增加，曲線應(yīng)變硬化,體積開始時稍有減小，繼而增加，超過它的初始體積,體積逐漸減小,69,對一定側(cè)限壓力下的同種砂土,緊密和松散的砂土最終的強度趨于同一數(shù)值,而最終孔隙比也大致趨向于某一穩(wěn)定值,該值稱為臨界孔隙比.在這一孔隙比下,砂土在不排水條件下受荷至破壞時,其體積變化為零,砂土的臨界孔隙比將隨周圍壓力的增加而減小,70,砂土在突發(fā)的動荷載作用下，不能在短時間排 水固結(jié)，為抵抗剪力引起的體積縮小的趨勢，將產(chǎn) 生很大的孔隙水壓力，從而導(dǎo)致土體的抗剪能力完 全喪失的現(xiàn)象稱為砂土液化. 砂土液化從宏觀上可引起噴水冒砂和地下砂層 液化,原來有明顯層理的土,震后層理紊亂.上述現(xiàn) 象可導(dǎo)致地表沉陷和變形,71,四、抗剪強度指標的選擇 飽和粘性土的抗剪強度性狀是很復(fù)雜的，它不僅與剪切條件有關(guān)，還與土的應(yīng)力歷史等因素有關(guān)。由于實際工程條件的復(fù)雜性，用實驗室的試驗條件去完全模擬現(xiàn)場條件是不可能的。所以針對具體的工程問題，確定土的抗剪強度指標的方法只能是盡可能地模擬實際工況來進行試驗,72,對于一般的工程問題多采用總應(yīng)