土力學課件第六章

1、第第六六章章土的抗剪強度土的抗剪強度6.1 6.1 概述概述 6.2 6.2 土的抗剪強度理論土的抗剪強度理論6.3 6.3 土的抗剪強度測定試驗土的抗剪強度測定試驗6.6.4 4 飽和粘性土的抗剪強度飽和粘性土的抗剪強度6.6.5 5 無粘性土的抗剪強度無粘性土的抗剪強度本章主要內容：本章主要內容：土工結構物或地基土滲透滲透問題問題變形問題變形問題強度強度問題問題滲透滲透特性特性變形特性變形特性強度強度特性特性6.1 6.1 概述概述1.1.碎散性：碎散性：強度不是顆粒礦物本身的強度，而強度不是顆粒礦物本身的強度，而是顆粒間相互作用是顆粒間相互作用主要是抗剪強度與主要是抗剪強度與剪切破壞，顆

2、粒間粘聚力與摩擦力；剪切破壞，顆粒間粘聚力與摩擦力；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有效應力原理；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。一、土的抗剪強度一、土的抗剪強度二、土的強度特點：二、土的強度特點：基坑支護基坑支護1.1.擋土結構物的破壞擋土結構物的破壞三、工程中土體的破壞類型三、工程中土體的破壞類型擋土墻擋土墻滑裂面滑裂面平移滑動平移滑動2.2.各種類型的滑坡各種類型的滑坡崩塌崩塌旋轉滑動旋轉滑動流滑流滑地基地基p3.3.地基的破壞地基的破壞土壓力土壓力邊坡穩(wěn)定邊坡穩(wěn)定地基承載力地基承載力擋土結

3、構物破壞擋土結構物破壞各種類型的滑坡各種類型的滑坡地基的破壞地基的破壞一、直剪試驗和庫侖公式一、直剪試驗和庫侖公式二、土的強度機理二、土的強度機理三、摩爾三、摩爾- -庫侖強度理論庫侖強度理論6.2 6.2 土的抗剪強度理論土的抗剪強度理論本節(jié)主要內容：一、直剪試驗和庫侖公式一、直剪試驗和庫侖公式直剪試驗直剪試驗庫侖（庫侖（17761776） 施加施加 （= =P/AP/A）量測量測 （= =T/AT/A） 上盒上盒下盒下盒PSTA試驗原理試驗原理 Oc tanfcc c 粘聚力粘聚力 內摩擦角內摩擦角 = 100KPa S = 200KPa = 300KPa庫侖公式：庫侖公式： f ： 土的

4、抗剪強度土的抗剪強度 tg ： 摩擦強度摩擦強度- -正比于壓力正比于壓力 c： 粘聚強度粘聚強度- -與所受壓力無關與所受壓力無關強度指標強度指標NT= NT二、土的強度的機理二、土的強度的機理1.1.摩擦強度摩擦強度 tgtg （1 1）滑動摩擦）滑動摩擦（2 2）咬合摩擦引起的剪脹咬合摩擦引起的剪脹（3 3）顆粒的破碎與重排列）顆粒的破碎與重排列NT滑動摩擦 顆粒破碎與重排列顆粒破碎與重排列咬合摩擦引起的剪脹咬合摩擦引起的剪脹 密度（密度（e, e, 粒徑級配（粒徑級配（C Cu u, C, Cc c） 顆粒的礦物成分：顆粒的礦物成分：對于對于 ：砂土：砂土 粘性土；粘性土； 高嶺石高嶺

5、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：粘聚強度機理粘聚強度機理粘聚強度影響因素粘聚強度影響因素 2.2.凝聚強度凝聚強度靜電引力（庫侖力）靜電引力（庫侖力）范德華力范德華力顆粒間膠結顆粒間膠結假粘聚力（毛細力等）假粘聚力（毛細力等）地質歷史地質歷史粘土顆粒礦物成分粘土顆粒礦物成分密度密度離子價

6、與離子濃度離子價與離子濃度三、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tanfcc c 粘聚力粘聚力 內摩擦角內摩擦角 f ： 土的抗剪強度土的抗剪強度 tg ： 摩擦強度摩擦強度-正比于壓力正比于壓力 c： 粘聚強度粘聚強度-與所受壓力無關與所受壓力無關1.1.庫侖公式庫侖公式c無粘性土無粘性土粘性土粘性土抗剪強度曲線砂土：粘性土：tanfcftan庫侖（

7、庫侖（Coulomb）公式公式c:土的粘聚力土的粘聚力 :土的內摩擦角土的內摩擦角莫爾莫爾庫侖強度理論庫侖強度理論（1 1）在一定的應力范圍內，可以用線性）在一定的應力范圍內，可以用線性函數近似函數近似 f f = = c c + + tgtg （2 2）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衡應力狀態(tài)該單元就達到了極限平衡應力狀態(tài) 3 3 1 1 3 1 dlcos dlsin 2 2、土中一點的應力狀態(tài)、土中一點的應力狀態(tài) O z+ zx- xz x2 1 3rR222xzxzr2xzR3. 3. 應力莫爾圓應力莫爾圓圓心：圓心：半徑：半徑：莫

8、爾圓：代表一個土單元的應莫爾圓：代表一個土單元的應力狀態(tài)；圓周上一點代表一個力狀態(tài)；圓周上一點代表一個面上的兩個應力面上的兩個應力 與與 不同狀態(tài)時的摩爾圓4. 4. 極限平衡應力狀態(tài)極限平衡應力狀態(tài)極限平衡應力狀態(tài)：極限平衡應力狀態(tài)： 有一面上的應力狀態(tài)達到有一面上的應力狀態(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 f與破壞包線相交：與破壞包線相交：有一些平有一些平面上的應力超過強度；不可面上的應力超過強度；不可能發(fā)生能發(fā)生。強度包線以內：強度包線以內：任何一個面任何一個面上的一對應力上的一對應力 與與

9、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：有一個面有一個面上的應力達到破壞；上的應力達到破壞；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 c132213231452tg 4522452tg 4522fftgctgc213452tg 4522ftgc221,3422xzxzxz1 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 3 3= = 常數：常數：判別對象：土體微小單元（一點）判別對象：土體微小

10、單元（一點）根據應力狀態(tài)計算出大小主應力根據應力狀態(tài)計算出大小主應力1、3，由，由3計算計算1f，比較比較1與與1f221,3422xzxzxz231452tg 4522ftgc3 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) 不可能不可能狀態(tài)狀態(tài) O c( ( 1 1 + + 3 3)/2)/2 = = 常數：圓心保持不變常數：圓心保持不變1313sin2ctgc根據應力狀態(tài)計算出大小主應力根據應力狀態(tài)計算出大小主應力13，由，由1、3計算計算 ，與與 比較比較 3 1f45 /2 O c 1f 32 tanfc2

11、902 6. 6. 滑裂面的位置滑裂面的位置 與大主應力面夾角：與大主應力面夾角： =45 + /2圖中虛線所指位置為滑裂面一、室內試驗一、室內試驗二、野外試驗二、野外試驗6.3 6.3 抗剪強度測定試驗抗剪強度測定試驗直剪試驗、三軸試驗等直剪試驗、三軸試驗等 制樣（重塑土）或現場取樣制樣（重塑土）或現場取樣 缺點：擾動缺點：擾動 優(yōu)點：應力條件清楚，易重復優(yōu)點：應力條件清楚，易重復十字板扭剪試驗、旁壓試驗等十字板扭剪試驗、旁壓試驗等 原位試驗原位試驗 缺點：應力條件不易掌握缺點：應力條件不易掌握 優(yōu)點：原狀土的原位強度優(yōu)點：原狀土的原位強度 PSTA = 100KPa S = 200KPa

12、= 300KPa Oc 一、室內試驗一、室內試驗1. 1. 直剪試驗直剪試驗通過控制剪切速率來通過控制剪切速率來近似模擬排水條件近似模擬排水條件 3. 3. 快剪快剪 施加正應力后立即剪切施加正應力后立即剪切3-53-5分鐘內剪切破壞分鐘內剪切破壞1. 固結慢剪：固結慢剪：施加正應力施加正應力-充分固結慢慢施加剪應力充分固結慢慢施加剪應力-小小于于0.02mm/分，以保證無超靜孔壓分，以保證無超靜孔壓2. 2. 固結快剪固結快剪施加正應力施加正應力- -充分固結在充分固結在3-53-5分鐘內剪切破壞分鐘內剪切破壞l 設備簡單，操作方便設備簡單，操作方便l 結果便于整理結果便于整理l 測試時間短

13、測試時間短l 試樣應力狀態(tài)復雜試樣應力狀態(tài)復雜l 應變不均勻應變不均勻l 不能控制排水條件不能控制排水條件l 剪切面固定剪切面固定優(yōu)點優(yōu)點缺點缺點直接剪切試驗直接剪切試驗土的剪切試驗方法土的剪切試驗方法抗剪強度曲線抗剪強度曲線試樣試樣壓力室壓力室壓力壓力水水排水管排水管閥門閥門軸向加壓桿軸向加壓桿有機玻璃罩有機玻璃罩橡皮膜橡皮膜透水石透水石頂帽頂帽 2. 2. 三軸試驗三軸試驗（1 1）試樣應力特點與試驗方法）試樣應力特點與試驗方法（2 2）強度包線）強度包線（3 3）試驗類型）試驗類型（4 4）優(yōu)缺點）優(yōu)缺點 應變控制式三軸儀：壓力室，加壓系統(tǒng)，應變控制式三軸儀：壓力室，加壓系統(tǒng)，量測系統(tǒng)組

14、成量測系統(tǒng)組成 應力控制式三軸儀應力控制式三軸儀試驗步驟試驗步驟: :1.1.裝樣裝樣2.2.施加周圍壓力施加周圍壓力3.3.施加豎向壓力施加豎向壓力 3 3 3 3 3 3 三軸剪切試驗三軸剪切試驗方法：方法：首先試樣施加靜水壓力首先試樣施加靜水壓力室壓（圍壓）室壓（圍壓） 1 1= = 2 2= = 3 3 ； 然后通過活塞桿施加的是應力差然后通過活塞桿施加的是應力差 1 1= = 1 1- - 3 3 。 （1 1）試樣應力特點與試驗方法：）試樣應力特點與試驗方法：特點：特點：試樣是軸對稱應力狀態(tài)。垂直應力試樣是軸對稱應力狀態(tài)。垂直應力 z z一般是大主應力；徑向與切向應力總一般是大主應

15、力；徑向與切向應力總是相等是相等 r r= = ，亦即亦即 1 1= = z z； 2 2= = 3 3= = r r強度包線強度包線( 1- )fc ( 1- )f 1 1- 3 1 =15%v分別作圍壓分別作圍壓 為為100 100 kPakPa 、200 200 kPakPa 、300 300 kPakPa的三軸的三軸試驗，得到破壞時相應的試驗，得到破壞時相應的（ 1 1- - ) )f fv繪制三個破壞狀態(tài)的應力摩繪制三個破壞狀態(tài)的應力摩爾圓，畫出它們的公切線爾圓，畫出它們的公切線強度包線，得到強度指標強度包線，得到強度指標 c c 與與 （2 2）強度包線）強度包線v固結排水試驗（C

16、DCD試驗）1 打開排水閥門，打開排水閥門，施加圍壓施加圍壓 后充分固結，超靜孔隙水壓力完全消散；后充分固結，超靜孔隙水壓力完全消散；2 打開排水閥門，慢慢施加軸向應力差打開排水閥門，慢慢施加軸向應力差 以便充分排水，避免產生以便充分排水，避免產生超靜孔壓超靜孔壓v固結不排水試驗（CUCU試驗）1 打開排水閥門，打開排水閥門，施加圍壓施加圍壓 后充分固結，超靜孔隙水壓力完全消散；后充分固結，超靜孔隙水壓力完全消散；2 關閉排水閥門，很快剪切破壞，在施加軸向應力差關閉排水閥門，很快剪切破壞，在施加軸向應力差 過程中不排水過程中不排水v不固結不排水試驗（UUUU試驗）1 關閉排水閥門，關閉排水閥門

17、，圍壓圍壓 下不固結；下不固結；2 關閉排水閥門，很快剪切破壞，在施加軸向應力差關閉排水閥門，很快剪切破壞，在施加軸向應力差 過程中不排水過程中不排水cd 、 d ccu 、 cu cu 、 u （3 3）試驗類型）試驗類型固結排水試驗（CDCD試驗） Consolidated Drained Consolidated Drained TriaxialTriaxial test (CD) test (CD) 抗剪強度指標： c cd d d d （c c ）固結不排水試驗（CUCU試驗） Consolidated Consolidated UndrainedUndrained Triaxial

18、Triaxial test (CU) test (CU) 抗剪強度指標：c ccucu cucu不固結不排水試驗（UUUU試驗） Unconsolidated Unconsolidated UndrainedUndrained TriaxialTriaxial test (UU) test (UU) 抗剪強度指標： c cu u u u （ c cuuuu uuuu ）試驗類型匯總試驗類型匯總v優(yōu)點：優(yōu)點：1 1 應力狀態(tài)和應力路徑明確；應力狀態(tài)和應力路徑明確；2 2 排水條件清楚，可控制；排水條件清楚，可控制；3 3 破壞面不是人為固定的；破壞面不是人為固定的；4 4 試驗單元體試驗試驗單元

19、體試驗v缺點：缺點：設備相對復雜，現場無法試驗設備相對復雜，現場無法試驗說明：說明： 3 30 0 即為即為無側限抗壓強度試驗無側限抗壓強度試驗（4 4）優(yōu)點和缺點）優(yōu)點和缺點二、野外試驗二、野外試驗十字板剪切試驗十字板剪切試驗v一般適用于測定軟粘土一般適用于測定軟粘土的不排水強度指標；的不排水強度指標；v鉆孔到指定的土層，鉆孔到指定的土層，插入十字形的探頭；插入十字形的探頭；v通過施加的扭矩計算通過施加的扭矩計算土的抗剪強度土的抗剪強度21maxMMMfvfh時ffHDDMMM262321max)3(22maxHDDMffhDfhDrrrM6d2232/01fvDDHM22M1H HDM2無

20、側限抗壓強度試驗無側限抗壓強度試驗強度指標強度指標：6. 6.4 4 飽和粘性土的抗剪強度飽和粘性土的抗剪強度粘聚力粘聚力 c c內摩擦角內摩擦角 按照分析方法，可分為總應力強度指標與按照分析方法，可分為總應力強度指標與有效應力強度指標；有效應力強度指標；按照試驗方法，可分為直剪強度指標與三按照試驗方法，可分為直剪強度指標與三軸試驗強度指標；軸試驗強度指標；按照應力應變狀態(tài)，可分為峰值強度指標按照應力應變狀態(tài)，可分為峰值強度指標與殘余強度指標。與殘余強度指標。一一. . 總應力指標與有效應力指標總應力指標與有效應力指標二二. . 三軸試驗強度指標三軸試驗強度指標三三. . 土的強度指標的工程應

21、用土的強度指標的工程應用本節(jié)主要內容：一、總應力指標與有效應力指標一、總應力指標與有效應力指標1.兩種強度指標的比較兩種強度指標的比較2.有效應力、總應力強度包線有效應力、總應力強度包線1. 1. 兩種強度指標的比較兩種強度指標的比較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 + + tgtg = = -u-u符合土的破壞機理，符合土的破壞機理，但有時孔隙水壓力但有時孔隙水壓力u u無法確定無法確定土的抗剪強度的土的抗剪強度的總應力指標總應力指標c, c, = = c + c + tgtg 便于應用便于應用, ,但但u u不能產不能產生抗剪強度，不符合生抗剪強度，不符合強度機理強度機理強度指標強度指標抗剪強度抗剪強度簡單評價簡單評價二、飽和粘