土力學詳解PPT課件

1、第一節(jié) 概述第二節(jié) 土體破壞準則和土的強度理論第三節(jié)土的抗剪強度試驗及參數(shù)確定參數(shù)確定第四節(jié) 土的應力應變特征第五節(jié) 有效應力路徑本章主要內容：本章主要內容：第1頁/共97頁第一節(jié) 概述什么是土的抗剪強度？土的抗剪強度：土的抗剪強度：是指土體對于外荷載所產(chǎn)生的剪是指土體對于外荷載所產(chǎn)生的剪應力的極應力的極 限抵抗能力。限抵抗能力。為什么要研究土的抗剪強度？剪切破壞剪切破壞是土體破壞的重要特點。是土體破壞的重要特點。 變形破壞變形破壞 沉降、位移等超過規(guī)定限值沉降、位移等超過規(guī)定限值(已學已學) 地基破壞地基破壞 強度破壞強度破壞 地基整體或局部滑移、土工構筑物失穩(wěn)、滑坡地基整體或局部滑移、土工

2、構筑物失穩(wěn)、滑坡第2頁/共97頁 1. 建筑物地基承載力問題建筑物地基承載力問題 基礎下的地基土體產(chǎn)生整體滑動或因局部剪切破壞而導致過大的地基變形基礎下的地基土體產(chǎn)生整體滑動或因局部剪切破壞而導致過大的地基變形 甚至甚至傾覆。傾覆。 1.建筑物地基承載力問題(圖1)第3頁/共97頁 建筑物地基承載力問題(圖2)第4頁/共97頁2. 構筑物環(huán)境的安全性問題即土壓力問題構筑物環(huán)境的安全性問題即土壓力問題 擋土墻、基坑等工程中，墻后土體強度破壞將造成過大的側向土壓力，擋土墻、基坑等工程中，墻后土體強度破壞將造成過大的側向土壓力，導致墻體滑動、傾覆或支護結構破壞事故導致墻體滑動、傾覆或支護結構破壞事故

3、 。 2.構構筑筑物物環(huán)環(huán)境境的的安安全全性性問問題題即即土土壓壓力力問問題題第5頁/共97頁 3.土土工工構構筑筑物物的的穩(wěn)穩(wěn)定定性性問問題題3. 土工構筑物的穩(wěn)定性問題土工構筑物的穩(wěn)定性問題 土壩、路堤等填方邊坡以及天然土坡等，在超載、滲流乃至暴雨作用下引土壩、路堤等填方邊坡以及天然土坡等，在超載、滲流乃至暴雨作用下引起土體強度破壞后將產(chǎn)生整體失穩(wěn)邊坡滑坡等事故。起土體強度破壞后將產(chǎn)生整體失穩(wěn)邊坡滑坡等事故。第6頁/共97頁土體強度破壞的機理是什么？土體強度破壞的機理是什么？ 在外荷載作用下，土體中將產(chǎn)生剪應力和剪切變形，當在外荷載作用下，土體中將產(chǎn)生剪應力和剪切變形，當土中某點由外力所產(chǎn)

4、生的剪應力達到土的抗剪強度時，土就土中某點由外力所產(chǎn)生的剪應力達到土的抗剪強度時，土就沿著剪應力作用方向產(chǎn)生相對滑動，該點便發(fā)生沿著剪應力作用方向產(chǎn)生相對滑動，該點便發(fā)生剪切破壞。剪切破壞。strip footingembankmentfailure surfacemobilised shear resistance第7頁/共97頁strip footingembankmentfailure surfacemobilised shear resistance第8頁/共97頁一、土的強度特點一、土的強度特點二、土的強度的機理二、土的強度的機理三、摩爾三、摩爾- -庫侖強度理論庫侖強度理論第二節(jié)第

5、二節(jié) 土體破壞準則與土的強度理論土體破壞準則與土的強度理論第9頁/共97頁一、土的強度特點：一、土的強度特點：1.1.碎散性：碎散性：強度不是顆粒礦物本身的強度，而是顆粒強度不是顆粒礦物本身的強度，而是顆粒間相互作用間相互作用主要是抗剪強度與剪切破壞，顆粒主要是抗剪強度與剪切破壞，顆粒間粘聚力與摩擦力；間粘聚力與摩擦力；2. 2. 三相體系：三相體系：三相承受與傳遞荷載三相承受與傳遞荷載有效應力原理；有效應力原理；3. 3. 自然變異性：自然變異性：土的強度的結構性與復雜性。土的強度的結構性與復雜性。第10頁/共97頁p直剪試驗直剪試驗n庫侖（1776）n試驗原理n試驗結果 = 100KPa

6、S = 200KPa = 300KPa二、土的強度的機理二、土的強度的機理PSTA上盒上盒下盒下盒施加施加（=P/A），），S量測量測 （=T/A）第11頁/共97頁 Oc tanfcc c 粘聚力粘聚力 內摩擦角內摩擦角 = 100KPa S = 200KPa = 300KPap直剪試驗直剪試驗n庫侖（1776）n試驗原理n試驗結果 二二、土的強度的機理、土的強度的機理庫侖公式：庫侖公式： f ： 土的抗剪強度 tg ： 摩擦強度-正比于壓力 c： 粘聚強度-與所受壓力無關第12頁/共97頁 密度（密度（e, 粒徑級配（粒徑級配（Cu, Cc） 顆粒的礦物成分顆粒的礦物成分 對于對于 ：砂土

7、：砂土粘性土；粘性土； 高嶺石高嶺石伊里石伊里石蒙特石蒙特石 粒徑的形狀（顆粒的棱角與長寬比）粒徑的形狀（顆粒的棱角與長寬比） 在其他條件相同時：在其他條件相同時： 對于砂土，顆粒的棱角提高了內摩擦角對于砂土，顆粒的棱角提高了內摩擦角 對于碎石土，顆粒的棱角可能降低其內摩擦角對于碎石土，顆粒的棱角可能降低其內摩擦角 影響土的摩擦強度的主要因素：影響土的摩擦強度的主要因素：二二、土的強度的機理、土的強度的機理1. 1. 摩擦強度摩擦強度 tgtg 第13頁/共97頁p粘聚強度機理n靜電引力（庫侖力）靜電引力（庫侖力）n范德華力范德華力n顆粒間膠結顆粒間膠結n假粘聚力（毛細力等）假粘聚力（毛細力等

8、）p粘聚強度影響因素n地質歷史地質歷史n粘土顆粒礦物成分粘土顆粒礦物成分n密度密度n離子價與離子濃度離子價與離子濃度-+二二、土的強度的機理、土的強度的機理2. 2. 凝聚強度凝聚強度第14頁/共97頁三、摩爾三、摩爾- -庫侖強度理論庫侖強度理論1. 1. 庫侖公式庫侖公式2. 2. 應力狀態(tài)與摩爾圓應力狀態(tài)與摩爾圓3. 3. 極限平衡應力狀態(tài)極限平衡應力狀態(tài)4. 4. 摩爾摩爾- -庫侖強度理論庫侖強度理論5. 5. 破壞判斷方法破壞判斷方法6. 6. 滑裂面的位置滑裂面的位置第15頁/共97頁PSTAtanfcc c 粘聚力粘聚力 內摩擦角內摩擦角 f ： 土的抗剪強度 tg ： 摩擦強

9、度-正比于壓力 c： 粘聚強度-與所受壓力無關三、摩爾三、摩爾- -庫侖強度理論庫侖強度理論固定滑裂面固定滑裂面一般應力狀態(tài)如何判斷一般應力狀態(tài)如何判斷是否破壞？是否破壞？借助于莫爾圓借助于莫爾圓1. 1. 庫侖公式庫侖公式第16頁/共97頁z x y xy yz zx x y xy yz zx xz zy yx z = =ij z x zx x zx xz z = =ij 三維應力狀態(tài)xz 三、摩爾三、摩爾- -庫侖強度理論庫侖強度理論2. 2. 應力莫爾圓應力莫爾圓二維應力狀態(tài)第17頁/共97頁x z xz zx x z xz zx 莫爾圓應力分析符號規(guī)定材料力學材料力學+-+-土力學正應

10、力正應力剪應力剪應力拉為正拉為正壓為負壓為負順時針為正順時針為正逆時針為負逆時針為負壓為正壓為正拉為負拉為負逆時針為正逆時針為正順時針為負順時針為負三、摩爾三、摩爾- -庫侖強度理論庫侖強度理論2. 2. 應力莫爾圓應力莫爾圓第18頁/共97頁 O z+ zx- xz x2 1 3rR222xzxzr2xzR1Rr3Rrz x zx xz +- 1 三、摩爾三、摩爾- -庫侖強度理論庫侖強度理論2. 2. 應力莫爾圓應力莫爾圓大主應力：大主應力：小主應力小主應力: :圓心：圓心：半徑：半徑：z z按順時針方向旋轉按順時針方向旋轉x x按順時針方向旋轉按順時針方向旋轉莫爾圓：代表一個土單元的應力

11、狀態(tài)；圓周上一點代表一個面上的兩個應力 與 第19頁/共97頁3. 3. 極限平衡應力狀態(tài)極限平衡應力狀態(tài)三三、摩爾、摩爾- -庫侖強度理論庫侖強度理論 f強度包線以內：強度包線以內：下任何一個面下任何一個面上的一對應力上的一對應力 與與 都沒有達都沒有達到破壞包線，不破壞；到破壞包線，不破壞；與破壞包線相切：與破壞包線相切：有一個面上有一個面上的應力達到破壞；的應力達到破壞；與破壞包線相交：與破壞包線相交：有一些平面有一些平面上的應力超過強度；不可能發(fā)上的應力超過強度；不可能發(fā)生。生。第20頁/共97頁3. 3. 極限平衡應力狀態(tài)極限平衡應力狀態(tài)三、摩爾三、摩爾- -庫侖強度理論庫侖強度理論

12、極限平衡應力狀態(tài)：極限平衡應力狀態(tài)： 有一對面上的應力狀態(tài)達到有一對面上的應力狀態(tài)達到 = = f f土的強度包線：土的強度包線： 所有達到極限平衡狀態(tài)的莫爾園的公切線。所有達到極限平衡狀態(tài)的莫爾園的公切線。 f第21頁/共97頁4. 4. 莫爾莫爾庫侖強度理論庫侖強度理論（1 1）土單元的某一個平面上的抗剪強度）土單元的某一個平面上的抗剪強度 f f是該面上作用的法向是該面上作用的法向應力應力 的單值函數(shù)的單值函數(shù), , f f =f( =f( ) ) （莫爾：（莫爾：19001900年）年）（2 2）在一定的應力范圍內，可以用線性函數(shù)近似）在一定的應力范圍內，可以用線性函數(shù)近似 f f =

13、 = c c + + tgtg （3 3）某土單元的任一個平面上）某土單元的任一個平面上 = = f f ，該單元就達到了極限平，該單元就達到了極限平衡應力狀態(tài)衡應力狀態(tài)三三、摩爾、摩爾- -庫侖強度理論庫侖強度理論第22頁/共97頁4. 4. 莫爾莫爾庫侖強度理論庫侖強度理論莫爾莫爾- -庫侖強度理論表達式極限平衡條件庫侖強度理論表達式極限平衡條件131313132sin2ctgctg2cc 1f 313ctg2ctanfc O c132三三、摩爾、摩爾- -庫侖強度理論庫侖強度理論第23頁/共97頁4. 4. 莫爾莫爾庫侖強度理論庫侖強度理論三三、摩爾、摩爾- -庫侖強度理論庫侖強度理論莫

14、爾莫爾- -庫侖強度理論表達式極限平衡條件庫侖強度理論表達式極限平衡條件213231452tg 4522452tg 4522fftgctgc 1f 313ctg2ctanfc O c132第24頁/共97頁213452tg 4522ftgc根據(jù)應力狀態(tài)計算出大根據(jù)應力狀態(tài)計算出大小主應力小主應力1、3221,3422xzxzxz判斷破壞可能性判斷破壞可能性由由3計算計算1f比較比較1與與1f1 1f 破壞狀態(tài)破壞狀態(tài) O c 1f 3 1 15. 5. 破壞判斷方法破壞判斷方法三三、摩爾、摩爾- -庫侖強度理論庫侖強度理論判別對象：土體微小單元（一點）判別對象：土體微小單元（一點） 3 3=

15、= 常數(shù)：常數(shù)：第25頁/共97頁根據(jù)應力狀態(tài)計算出大根據(jù)應力狀態(tài)計算出大小主應力小主應力1、3221,3422xzxzxz判斷破壞可能性判斷破壞可能性231452tg 4522ftgc由由1計算計算3f比較比較3與與3f3 3f 彈性平衡狀態(tài)彈性平衡狀態(tài)3= =3f 極限平衡狀態(tài)極限平衡狀態(tài)3 安全安全狀態(tài)狀態(tài) = = 極限平衡狀態(tài)極限平衡狀態(tài) 1/3A1/3剪切過程中發(fā)生剪脹：剪切過程中發(fā)生剪脹： A1/3 (A1/3 (甚至可能甚至可能A0A0，u 0 u c c a a第86頁/共97頁0qp用若干點的最小二乘法確定a 和 然后計算強度指標c和a確定強度指標確定強度指標二、強度包線與破

16、壞主應力線二、強度包線與破壞主應力線第87頁/共97頁p 總應力與有效應力狀態(tài)n有效應力原理有效應力原理n典型三軸試驗典型三軸試驗n孔隙水壓力計算孔隙水壓力計算u O1 3 3 3 3 （ 1 3)u313uBAB 1 3 3 1固結不排水三軸試驗三、總應力路徑與有效應力路徑三、總應力路徑與有效應力路徑第88頁/共97頁p 總應力與有效應力路徑n關系關系 O （ 1 3)u 1 3 3 1131313111222puuupu131313111222quuq三、總應力路徑與有效應力路徑三、總應力路徑與有效應力路徑第89頁/共97頁p 總應力與有效應力路徑n關系關系n三軸試驗總應力路徑三軸試驗總應

17、力路徑n三軸固結不排水試驗有效應力路徑三軸固結不排水試驗有效應力路徑A A=const=const松砂或正常固結粘土松砂或正常固結粘土 （A1/3A1/3）密砂或超固結粘土密砂或超固結粘土 （A1/3A1/3）1 3 3 3 3 pO 3q45311const1212pqKfpO 3qKf13Auppuqq 45第90頁/共97頁三. 總應力指標與有效應力指標土的抗剪強度的土的抗剪強度的有效應力指標有效應力指標c c , , = c = c + + tg tg = = -u-u符合土的破壞機理，但符合土的破壞機理，但有時孔隙水壓力有時孔隙水壓力u u無法無法確定確定土的抗剪強度的土的抗剪強度的

18、總應力指標總應力指標c, c, = c + = c + tg tg 便于應用便于應用, ,但但u u不能產(chǎn)生不能產(chǎn)生抗剪強度，不符合強度抗剪強度，不符合強度機理，應用時要符合工機理，應用時要符合工程條件程條件強度指標強度指標抗剪強度抗剪強度簡單評價簡單評價第91頁/共97頁四. . 應用【解答解答】已知已知 1=450kPa=450kPa， 3=150kPa=150kPa，c=20kPa=20kPa， =26=26o o 方法方法1 1：kPa1 .448245tan2245tan231oofc計算結果表明：計算結果表明： 1f接近該單元土體實際大主應力接近該單元土體實際大主應力 1，所以，該

19、單元土體處于極限平衡狀態(tài)。所以，該單元土體處于極限平衡狀態(tài)。 問題解答：問題解答：v【例1】地基中某一單元土體上的大主應力為地基中某一單元土體上的大主應力為450kPa450kPa，小，小主應力為主應力為150kPa150kPa。通過試驗測得土的抗剪強度指標。通過試驗測得土的抗剪強度指標c c=20 =20 kPakPa， =26=26o o。試問該單元土體處于何種狀態(tài)？單元。試問該單元土體處于何種狀態(tài)？單元土體最大剪應力出現(xiàn)在哪個面上，是否會沿剪應力最大的土體最大剪應力出現(xiàn)在哪個面上，是否會沿剪應力最大的面發(fā)生剪破？面發(fā)生剪破？ 七、例題分析1（方法1）第92頁/共97頁kPa5 .1502

20、45tan2245tan213oofc計算結果表明：計算結果表明： 3f接近該單元土體實際小主應接近該單元土體實際小主應力力 3，該單元土體處于極限平衡狀態(tài)，該單元土體處于極限平衡狀態(tài) 。在剪切面上在剪切面上 582459021fkPa2.2342cos21213131fkPa8 .1342sin2131f庫侖定律庫侖定律 kPa2 .134tancf 由于由于f ，所以，該單元土體處于彈性平衡狀態(tài)，所以，該單元土體處于彈性平衡狀態(tài) 方法方法2 2： 例題分析1（方法2）第93頁/共97頁方法方法3 3： 作圖法作圖法 c 1 1f 3f實際應力圓實際應力圓極限應力圓極限應力圓最大剪應力與主應力作用面成最大剪應力與主應力作用面成4545o o kPa15090sin2131max最大剪應力面上的法向應力最大剪應力面上的法向應力kPa30090cos21213131庫侖定律庫侖定律