土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

1、土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)5.1 5.1 土的抗剪強(qiáng)度概述土的抗剪強(qiáng)度概述5.2 5.2 土體破壞準(zhǔn)則和土的強(qiáng)度理論土體破壞準(zhǔn)則和土的強(qiáng)度理論5.3 5.3 土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)及參數(shù)確定參數(shù)確定土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)及參數(shù)確定參數(shù)確定5.4 5.4 土的應(yīng)力應(yīng)變特征土的應(yīng)力應(yīng)變特征5.5 5.5 有效應(yīng)力路徑及其在巖土工程中的應(yīng)用有效應(yīng)力路徑及其在巖土工程中的應(yīng)用本章主要內(nèi)容：本章主要內(nèi)容：概述土的抗剪強(qiáng)度：土的抗剪強(qiáng)度：是指土體對于外荷載所產(chǎn)生的剪應(yīng)力的極是指土體對于外荷載所產(chǎn)生的剪應(yīng)力的極 限抵抗能力。限抵抗能力。 變形破壞變形破壞 沉降、位移、不均勻沉降等超過規(guī)定限值沉降、位移、不均勻沉降等超過規(guī)定限值(已

2、學(xué)已學(xué)) 地基破壞地基破壞 強(qiáng)度破壞強(qiáng)度破壞 地基整體或局部滑移、隆起，地基整體或局部滑移、隆起， 土工構(gòu)筑物失穩(wěn)、土工構(gòu)筑物失穩(wěn)、 滑坡滑坡土體強(qiáng)度破壞的機(jī)理：土體強(qiáng)度破壞的機(jī)理： 在外荷載作用下，土體中將產(chǎn)生剪應(yīng)力和剪切變形，在外荷載作用下，土體中將產(chǎn)生剪應(yīng)力和剪切變形，當(dāng)土中某點(diǎn)由外力所產(chǎn)生的剪應(yīng)力達(dá)到土的抗剪強(qiáng)度時(shí)，當(dāng)土中某點(diǎn)由外力所產(chǎn)生的剪應(yīng)力達(dá)到土的抗剪強(qiáng)度時(shí)，土就沿著剪應(yīng)力作用方向產(chǎn)生相對滑動(dòng)，該點(diǎn)便發(fā)生剪切土就沿著剪應(yīng)力作用方向產(chǎn)生相對滑動(dòng)，該點(diǎn)便發(fā)生剪切破壞。破壞。 1. 建筑物地基承載力問題建筑物地基承載力問題 基礎(chǔ)下的地基土體產(chǎn)生整體滑動(dòng)或因局部剪切破壞而導(dǎo)致過大的地基變

3、基礎(chǔ)下的地基土體產(chǎn)生整體滑動(dòng)或因局部剪切破壞而導(dǎo)致過大的地基變形形 甚至傾覆。甚至傾覆。 建筑物地基承載力問題(圖4)2. 構(gòu)筑物環(huán)境的安全性問題即土壓力問題構(gòu)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(qiáng)度破壞將造成過大的側(cè)向土壓力，擋土墻、基坑等工程中，墻后土體強(qiáng)度破壞將造成過大的側(cè)向土壓力，導(dǎo)致墻體滑動(dòng)、傾覆或支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞事故導(dǎo)致墻體滑動(dòng)、傾覆或支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞事故 。 3.土土工工構(gòu)構(gòu)筑筑物物的的穩(wěn)穩(wěn)定定性性問問題題3. 土工構(gòu)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起土體強(qiáng)度破壞后將產(chǎn)生整體失穩(wěn)邊坡滑坡等事故。一、土的強(qiáng)度特點(diǎn)

4、一、土的強(qiáng)度特點(diǎn)二、土的強(qiáng)度的機(jī)理二、土的強(qiáng)度的機(jī)理三、摩爾三、摩爾- -庫侖強(qiáng)度理論庫侖強(qiáng)度理論5.2 5.2 土體破壞準(zhǔn)則與土的強(qiáng)度理論土體破壞準(zhǔn)則與土的強(qiáng)度理論一、土的強(qiáng)度特點(diǎn)：一、土的強(qiáng)度特點(diǎn)：碎散性：強(qiáng)度不是顆粒礦物本身的強(qiáng)度，而是顆粒間相互作用碎散性：強(qiáng)度不是顆粒礦物本身的強(qiáng)度，而是顆粒間相互作用主要是抗剪強(qiáng)度與剪切破壞，顆粒間粘聚力與摩擦力；主要是抗剪強(qiáng)度與剪切破壞，顆粒間粘聚力與摩擦力；2. 2. 三相體系：三相承受與傳遞荷載三相體系：三相承受與傳遞荷載有效應(yīng)力原理；有效應(yīng)力原理；3. 3. 自然變異性：土的強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)性與復(fù)雜性。自然變異性：土的強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)性與復(fù)雜性。二、土的強(qiáng)

5、度的機(jī)理二、土的強(qiáng)度的機(jī)理p直剪試驗(yàn)n庫侖（1776） n試驗(yàn)原理施加施加 （=P/A），），S量測量測 （=T/A）上盒上盒下盒下盒PST = 100KPa SAp直剪試驗(yàn)n庫侖（1776）n試驗(yàn)原理n試驗(yàn)結(jié)果 = 100KPa S = 200KPa = 300KPa二、土的強(qiáng)度的機(jī)理二、土的強(qiáng)度的機(jī)理PSTA Oc tanfcc 粘聚力 內(nèi)摩擦角 = 100KPa S = 200KPa = 300KPap直剪試驗(yàn)n庫侖（1776）n試驗(yàn)原理n試驗(yàn)結(jié)果 二二、土的強(qiáng)度的機(jī)理、土的強(qiáng)度的機(jī)理庫侖公式：庫侖公式： f ： 土的抗剪強(qiáng)度土的抗剪強(qiáng)度 tg ： 摩擦強(qiáng)度摩擦強(qiáng)度-正比于壓力正比于壓力

6、 c： 粘聚強(qiáng)度粘聚強(qiáng)度-與所受壓力無關(guān)與所受壓力無關(guān)NT= NT滑動(dòng)摩擦滑動(dòng)摩擦 二二、土的強(qiáng)度的機(jī)理、土的強(qiáng)度的機(jī)理1. 1. 摩擦強(qiáng)度摩擦強(qiáng)度 tgtg （1 1）滑動(dòng)摩擦）滑動(dòng)摩擦（2）咬合摩擦引起的剪脹滑動(dòng)摩擦滑動(dòng)摩擦 咬合摩擦引起的剪脹咬合摩擦引起的剪脹二二、土的強(qiáng)度的機(jī)理、土的強(qiáng)度的機(jī)理1. 1. 摩擦強(qiáng)度摩擦強(qiáng)度 tgtg （3）顆粒的破碎與重排列滑動(dòng)摩擦 NT顆粒破碎與重排列顆粒破碎與重排列二二、土的強(qiáng)度的機(jī)理、土的強(qiáng)度的機(jī)理1. 1. 摩擦強(qiáng)度摩擦強(qiáng)度 tgtg 咬合摩擦引起的剪脹咬合摩擦引起的剪脹 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

7、礦物成分 對于對于 ：砂土：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(shí)：在其他條件相同時(shí)： 對于砂土，顆粒的棱角提高了內(nèi)摩擦角對于砂土，顆粒的棱角提高了內(nèi)摩擦角 對于碎石土，顆粒的棱角可能降低其內(nèi)摩擦角對于碎石土，顆粒的棱角可能降低其內(nèi)摩擦角 影響土的摩擦強(qiáng)度的主要因素：影響土的摩擦強(qiáng)度的主要因素：二、土的強(qiáng)度的機(jī)理二、土的強(qiáng)度的機(jī)理1. 1. 摩擦強(qiáng)度摩擦強(qiáng)度 tgtg p粘聚強(qiáng)度機(jī)理n靜電引力（庫侖力）n范德華力n顆粒間膠結(jié)n假粘聚力（毛細(xì)力等）p粘聚強(qiáng)度影響因素n地質(zhì)歷史n粘土顆粒礦物成分

8、n密度n離子價(jià)與離子濃度-+二二、土的強(qiáng)度的機(jī)理、土的強(qiáng)度的機(jī)理2. 2. 凝聚強(qiáng)度凝聚強(qiáng)度三、摩爾三、摩爾- -庫侖強(qiáng)度理論庫侖強(qiáng)度理論1. 1. 庫侖公式庫侖公式2. 2. 應(yīng)力狀態(tài)與摩爾圓應(yīng)力狀態(tài)與摩爾圓3. 3. 極限平衡應(yīng)力狀態(tài)極限平衡應(yīng)力狀態(tài)4. 4. 摩爾摩爾- -庫侖強(qiáng)度理論庫侖強(qiáng)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PSTAtanfcc 粘聚力 內(nèi)摩擦角 f ： 土的抗剪強(qiáng)度土的抗剪強(qiáng)度 tg ： 摩擦強(qiáng)度摩擦強(qiáng)度-正比于壓力正比于壓力 c： 粘聚強(qiáng)度粘聚強(qiáng)度-與所受壓力無關(guān)與所受壓力無關(guān)三、摩爾三、摩爾- -庫侖強(qiáng)度理論庫侖強(qiáng)度理論固

9、定滑裂面固定滑裂面一般應(yīng)力狀態(tài)如何判斷是否破壞？一般應(yīng)力狀態(tài)如何判斷是否破壞？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(yīng)力狀態(tài)三維應(yīng)力狀態(tài)xz 三、摩爾三、摩爾- -庫侖強(qiáng)度理論庫侖強(qiáng)度理論2. 2. 應(yīng)力莫爾圓應(yīng)力莫爾圓二維應(yīng)力狀態(tài)二維應(yīng)力狀態(tài)x z xz zx x z xz zx 莫爾圓應(yīng)力分析符號規(guī)定莫爾圓應(yīng)力分析符號規(guī)定材料力學(xué)材料力學(xué)+-+-土力學(xué)土力學(xué)正應(yīng)力正應(yīng)力剪應(yīng)力剪應(yīng)力拉為正拉為正壓為負(fù)壓為負(fù)順時(shí)針為正順時(shí)針為正逆時(shí)針為負(fù)逆時(shí)

10、針為負(fù)壓為正壓為正拉為負(fù)拉為負(fù)逆時(shí)針為正逆時(shí)針為正順時(shí)針為負(fù)順時(shí)針為負(fù)三、摩爾三、摩爾- -庫侖強(qiáng)度理論庫侖強(qiáng)度理論2. 2. 應(yīng)力莫爾圓應(yīng)力莫爾圓 O z+ zx- xz x2 1 3rR222xzxzr2xzR1Rr3Rrz x zx xz +- 1 三、摩爾三、摩爾- -庫侖強(qiáng)度理論庫侖強(qiáng)度理論2. 2. 應(yīng)力莫爾圓應(yīng)力莫爾圓大主應(yīng)力：大主應(yīng)力：小主應(yīng)力小主應(yīng)力: :圓心：圓心：半徑：半徑：z z按順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)按順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)x x按順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)按順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)莫爾圓：代表一個(gè)土單元的應(yīng)力狀態(tài)；圓莫爾圓：代表一個(gè)土單元的應(yīng)力狀態(tài)；圓周上一點(diǎn)代表一個(gè)面上的兩個(gè)應(yīng)力周上一點(diǎn)代表一個(gè)面上的

11、兩個(gè)應(yīng)力 與與 3. 3. 極限平衡應(yīng)力狀態(tài)極限平衡應(yīng)力狀態(tài)三、摩爾三、摩爾- -庫侖強(qiáng)度理論庫侖強(qiáng)度理論極限平衡應(yīng)力狀態(tài)：極限平衡應(yīng)力狀態(tài)： 有一對面上的應(yīng)力狀態(tài)達(dá)到有一對面上的應(yīng)力狀態(tài)達(dá)到 = = f f土的強(qiáng)度包線：土的強(qiáng)度包線： 所有達(dá)到極限平衡狀態(tài)的莫爾園的公切線。所有達(dá)到極限平衡狀態(tài)的莫爾園的公切線。 f3. 3. 極限平衡應(yīng)力狀態(tài)極限平衡應(yīng)力狀態(tài)三、摩爾三、摩爾- -庫侖強(qiáng)度理論庫侖強(qiáng)度理論 f強(qiáng)度包線以內(nèi)：下任何一個(gè)面強(qiáng)度包線以內(nèi)：下任何一個(gè)面上的一對應(yīng)力上的一對應(yīng)力 與與 都沒有達(dá)都沒有達(dá)到破壞包線，不破壞；到破壞包線，不破壞；與破壞包線相切：有一個(gè)面上與破壞包線相切：有一個(gè)

12、面上的應(yīng)力達(dá)到破壞；的應(yīng)力達(dá)到破壞；與破壞包線相交：有一些平面與破壞包線相交：有一些平面上的應(yīng)力超過強(qiáng)度；不可能發(fā)上的應(yīng)力超過強(qiáng)度；不可能發(fā)生。生。4. 4. 莫爾莫爾庫侖強(qiáng)度理論庫侖強(qiáng)度理論（1）土單元的某一個(gè)平面上的抗剪強(qiáng)度f是該面上作用的法向應(yīng)力的單值函數(shù), f =f() （莫爾：1900年）（2）在一定的應(yīng)力范圍內(nèi)，可以用線性函數(shù)近似f = c +tg（3）某土單元的任一個(gè)平面上 = f ，該單元就達(dá)到了極限平衡應(yīng)力狀態(tài)三、摩爾三、摩爾- -庫侖強(qiáng)度理論庫侖強(qiáng)度理論4. 4. 莫爾莫爾庫侖強(qiáng)度理論庫侖強(qiáng)度理論三、摩爾三、摩爾- -庫侖強(qiáng)度理論庫侖強(qiáng)度理論莫爾莫爾- -庫侖強(qiáng)度理論表達(dá)式

13、極限平衡條件庫侖強(qiáng)度理論表達(dá)式極限平衡條件131313132sin2ctgctg2cc 1f 313ctg2ctanfc O c1324. 4. 莫爾莫爾庫侖強(qiáng)度理論庫侖強(qiáng)度理論三三、摩爾、摩爾- -庫侖強(qiáng)度理論庫侖強(qiáng)度理論莫爾莫爾- -庫侖強(qiáng)度理論表達(dá)式極限平衡條件庫侖強(qiáng)度理論表達(dá)式極限平衡條件213231452tg 4522452tg 4522fftgctgc 1f 313ctg2ctanfc O c132213452tg 4522ftgc根據(jù)應(yīng)力狀態(tài)計(jì)算出根據(jù)應(yīng)力狀態(tài)計(jì)算出大小主應(yīng)力大小主應(yīng)力1、3221,3422xzxzxz判斷破壞可能性判斷破壞可能性由由3計(jì)算計(jì)算1f比較比較1與與1

14、f1 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(qiáng)度理論庫侖強(qiáng)度理論判別對象：土體微小單元（一點(diǎn)）判別對象：土體微小單元（一點(diǎn)） 3 3= = 常數(shù)：常數(shù)：根據(jù)應(yīng)力狀態(tài)計(jì)算出根據(jù)應(yīng)力狀態(tài)計(jì)算出大小主應(yīng)力大小主應(yīng)力1、3221,3422xzxzxz判斷破壞可能性判斷破壞可能性231452tg 4522ftgc由由1計(jì)算計(jì)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 安全狀態(tài)安全狀態(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

15、/3 (A1/3 (甚至可能甚至可能A0A0，u 0 u c c a a0qp用若干點(diǎn)的最小二乘法確定用若干點(diǎn)的最小二乘法確定a 和和 然后計(jì)算強(qiáng)度指標(biāo)然后計(jì)算強(qiáng)度指標(biāo)c和和 a確定強(qiáng)度指標(biāo)確定強(qiáng)度指標(biāo)三、強(qiáng)度包線與破壞主應(yīng)力線三、強(qiáng)度包線與破壞主應(yīng)力線p 總應(yīng)力與有效應(yīng)力狀態(tài)n有效應(yīng)力原理n典型三軸試驗(yàn)n孔隙水壓力計(jì)算u O1 3 3 3 3 （ 1 3)u313uBAB 1 3 3 1固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)四、總應(yīng)力路徑與有效應(yīng)力路徑四、總應(yīng)力路徑與有效應(yīng)力路徑p 總應(yīng)力與有效應(yīng)力路徑n關(guān)系 O （ 1 3)u 1 3 3 1131313111222puuupu131313111222quuq

16、四、總應(yīng)力路徑與有效應(yīng)力路徑四、總應(yīng)力路徑與有效應(yīng)力路徑p 總應(yīng)力與有效應(yīng)力路徑n關(guān)系n三軸試驗(yàn)總應(yīng)力路徑n三軸固結(jié)不排水試驗(yàn)有效應(yīng)力路徑A=const松砂或正常固結(jié)粘土 （A1/3）密砂或超固結(jié)粘土 （A1/3）1 3 3 3 3 pO 3q45311const1212pqKfpO 3qKf13Auppuqq 45五五. 總應(yīng)力指標(biāo)與有效應(yīng)力指標(biāo)總應(yīng)力指標(biāo)與有效應(yīng)力指標(biāo)土的抗剪強(qiáng)度的土的抗剪強(qiáng)度的有效應(yīng)力指標(biāo)有效應(yīng)力指標(biāo)c c , , = c = c + + tg tg = = -u-u符合土的破壞機(jī)理，但符合土的破壞機(jī)理，但有時(shí)孔隙水壓力有時(shí)孔隙水壓力u u無法無法確定確定土的抗剪強(qiáng)度的土

17、的抗剪強(qiáng)度的總應(yīng)力指標(biāo)總應(yīng)力指標(biāo)c, c, = c + = c + tg tg 便于應(yīng)用便于應(yīng)用, ,但但u u不能產(chǎn)生不能產(chǎn)生抗剪強(qiáng)度，不符合強(qiáng)度抗剪強(qiáng)度，不符合強(qiáng)度機(jī)理，應(yīng)用時(shí)要符合工機(jī)理，應(yīng)用時(shí)要符合工程條件程條件強(qiáng)度指標(biāo)強(qiáng)度指標(biāo)抗剪強(qiáng)度抗剪強(qiáng)度簡單評價(jià)簡單評價(jià)五、五、 應(yīng)用應(yīng)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(jì)算結(jié)果表明：計(jì)算結(jié)果表明： 1f接近該單元土體實(shí)際大主應(yīng)力接近該單元土體實(shí)際大主應(yīng)力 1，所以，該單

18、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(yīng)力為450kPa，小主應(yīng)力為150kPa。通過試驗(yàn)測得土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c=20 kPa， =26o。試問該單元土體處于何種狀態(tài)？單元土體最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在哪個(gè)面上，是否會(huì)沿剪應(yīng)力最大的面發(fā)生剪破？ kPa5 .150245tan2245tan213oofc計(jì)算結(jié)果表明：計(jì)算結(jié)果表明： 3f接近該單元土體實(shí)際小主應(yīng)接近該單元土體實(shí)際小主應(yīng)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方法方法2 2：方法方法3 3： 作圖法作圖