土力學(xué)第七章詳解課件

1、土力學(xué)第七章詳解土力學(xué)第七章詳解第一節(jié) 概述第二節(jié) 土體破壞準(zhǔn)則和土的強(qiáng)度理論第三節(jié)土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)及參數(shù)確定參數(shù)確定第四節(jié) 土的應(yīng)力應(yīng)變特征第五節(jié) 有效應(yīng)力路徑本章主要內(nèi)容：第一節(jié) 概述本章主要內(nèi)容：第一節(jié) 概述什么是土的抗剪強(qiáng)度？土的抗剪強(qiáng)度：是指土體對(duì)于外荷載所產(chǎn)生的剪應(yīng)力的極 限抵抗能力。為什么要研究土的抗剪強(qiáng)度？剪切破壞是土體破壞的重要特點(diǎn)。 變形破壞 沉降、位移等超過規(guī)定限值(已學(xué)) 地基破壞 強(qiáng)度破壞 地基整體或局部滑移、土工構(gòu)筑物失穩(wěn)、滑坡第一節(jié) 概述什么是土的抗剪強(qiáng)度？ 工程背景 1. 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)致過大的地基變形 甚

2、至傾覆。 1.建筑物地基承載力問題(圖1)工程背景 1. 建筑物地基承載力問題 基礎(chǔ)下的 建筑物地基承載力問題(圖2) 建筑物地基承載力問題(圖2)2. 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，導(dǎo)致墻體滑動(dòng)、傾覆或支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞事故 。 2.構(gòu)筑物環(huán)境的安全性問題即土壓力問題2. 構(gòu)筑物環(huán)境的安全性問題即土壓力問題 擋土墻、 3.土工構(gòu)筑物的穩(wěn)定性問題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。 3.土工構(gòu)筑物的穩(wěn)定性問題3. 土工構(gòu)筑物的穩(wěn)定

3、性問題 土體強(qiáng)度破壞的機(jī)理是什么？ 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)，土就沿著剪應(yīng)力作用方向產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，該點(diǎn)便發(fā)生剪切破壞。strip footingembankmentfailure surfacemobilised shear resistance土體強(qiáng)度破壞的機(jī)理是什么？ strip footingstrip footingembankmentfailure surfacemobilised shear resistancestrip footingembankmentfailure一、土的強(qiáng)度特點(diǎn)二、土的強(qiáng)度的機(jī)理三、摩爾

4、-庫侖強(qiáng)度理論第二節(jié) 土體破壞準(zhǔn)則與土的強(qiáng)度理論一、土的強(qiáng)度特點(diǎn)第二節(jié) 土體破壞準(zhǔn)則與土的強(qiáng)度理論一、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主要是抗剪強(qiáng)度與剪切破壞，顆粒間粘聚力與摩擦力；2. 三相體系：三相承受與傳遞荷載有效應(yīng)力原理；3. 自然變異性：土的強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)性與復(fù)雜性。一、土的強(qiáng)度特點(diǎn)：直剪試驗(yàn)庫侖（1776）試驗(yàn)原理試驗(yàn)結(jié)果 = 100KPaS = 200KPa = 300KPa二、土的強(qiáng)度的機(jī)理PSTA上盒下盒施加（=P/A），S量測(cè) （=T/A）直剪試驗(yàn) = 100KPaS = 200KPa = Occ 粘聚力 內(nèi)摩擦角 = 100KPaS = 2

5、00KPa = 300KPa直剪試驗(yàn)庫侖（1776）試驗(yàn)原理試驗(yàn)結(jié)果 二、土的強(qiáng)度的機(jī)理庫侖公式：f ： 土的抗剪強(qiáng)度tg： 摩擦強(qiáng)度-正比于壓力c： 粘聚強(qiáng)度-與所受壓力無關(guān)Occ 粘聚力 = 100KPaS = 200密度（e, 粒徑級(jí)配（Cu, Cc）顆粒的礦物成分 對(duì)于：砂土粘性土； 高嶺石伊里石蒙特石粒徑的形狀（顆粒的棱角與長(zhǎng)寬比） 在其他條件相同時(shí)： 對(duì)于砂土，顆粒的棱角提高了內(nèi)摩擦角 對(duì)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：二、土的強(qiáng)度的機(jī)理1. 摩擦強(qiáng)度 tg密度（e, 影響土的摩擦強(qiáng)度的主要因素：二、土的強(qiáng)粘聚強(qiáng)度機(jī)理靜電引力（庫侖力）范德華力顆粒

6、間膠結(jié)假粘聚力（毛細(xì)力等）粘聚強(qiáng)度影響因素地質(zhì)歷史粘土顆粒礦物成分密度離子價(jià)與離子濃度-+二、土的強(qiáng)度的機(jī)理2. 凝聚強(qiáng)度粘聚強(qiáng)度機(jī)理粘聚強(qiáng)度影響因素-+二、土的強(qiáng)度的機(jī)理2三、摩爾-庫侖強(qiáng)度理論1. 庫侖公式2. 應(yīng)力狀態(tài)與摩爾圓3. 極限平衡應(yīng)力狀態(tài)4. 摩爾-庫侖強(qiáng)度理論5. 破壞判斷方法6. 滑裂面的位置三、摩爾-庫侖強(qiáng)度理論1. 庫侖公式PSTAc 粘聚力 內(nèi)摩擦角 f ： 土的抗剪強(qiáng)度tg： 摩擦強(qiáng)度-正比于壓力c： 粘聚強(qiáng)度-與所受壓力無關(guān)三、摩爾-庫侖強(qiáng)度理論固定滑裂面一般應(yīng)力狀態(tài)如何判斷是否破壞？借助于莫爾圓1. 庫侖公式PSTAc 粘聚力 f ： 三、摩爾-庫侖強(qiáng)度理論固定

7、滑裂=三維應(yīng)力狀態(tài)三、摩爾-庫侖強(qiáng)度理論2. 應(yīng)力莫爾圓二維應(yīng)力狀態(tài)=三維應(yīng)力狀態(tài)三、摩爾-庫侖強(qiáng)度理論2. 應(yīng)力莫爾圓二維應(yīng)莫爾圓應(yīng)力分析符號(hào)規(guī)定材料力學(xué)+-+-土力學(xué)正應(yīng)力剪應(yīng)力拉為正壓為負(fù)順時(shí)針為正逆時(shí)針為負(fù)壓為正拉為負(fù)逆時(shí)針為正順時(shí)針為負(fù)三、摩爾-庫侖強(qiáng)度理論2. 應(yīng)力莫爾圓莫爾圓應(yīng)力分析符號(hào)規(guī)定材料力學(xué)+-+-土力學(xué)正應(yīng)力剪應(yīng)力拉為Oz+zx-xzx213rR+-1三、摩爾-庫侖強(qiáng)度理論2. 應(yīng)力莫爾圓大主應(yīng)力：小主應(yīng)力:圓心：半徑：z按順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)x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)；圓周上一點(diǎn)代表一個(gè)面上的兩個(gè)應(yīng)力與Oz+zx-xzx213rR+-1三、3. 極限

8、平衡應(yīng)力狀態(tài)三、摩爾-庫侖強(qiáng)度理論f強(qiáng)度包線以內(nèi)：下任何一個(gè)面上的一對(duì)應(yīng)力與 都沒有達(dá)到破壞包線，不破壞；與破壞包線相切：有一個(gè)面上的應(yīng)力達(dá)到破壞；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)生。3. 極限平衡應(yīng)力狀態(tài)三、摩爾-庫侖強(qiáng)度理論f強(qiáng)度包線3. 極限平衡應(yīng)力狀態(tài)三、摩爾-庫侖強(qiáng)度理論極限平衡應(yīng)力狀態(tài)： 有一對(duì)面上的應(yīng)力狀態(tài)達(dá)到 = f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。f3. 極限平衡應(yīng)力狀態(tài)三、摩爾-庫侖強(qiáng)度理論極限平衡應(yīng)力狀態(tài)4. 莫爾庫侖強(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）

9、（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-庫侖強(qiáng)度理論4. 莫爾庫侖強(qiáng)度理論（1）土單元的某一個(gè)平面上的抗剪強(qiáng)度4. 莫爾庫侖強(qiáng)度理論莫爾-庫侖強(qiáng)度理論表達(dá)式極限平衡條件1f3Oc三、摩爾-庫侖強(qiáng)度理論4. 莫爾庫侖強(qiáng)度理論莫爾-庫侖強(qiáng)度理論表達(dá)式極限平衡條4. 莫爾庫侖強(qiáng)度理論三、摩爾-庫侖強(qiáng)度理論莫爾-庫侖強(qiáng)度理論表達(dá)式極限平衡條件1f3Oc4. 莫爾庫侖強(qiáng)度理論三、摩爾-庫侖強(qiáng)度理論莫爾-庫侖強(qiáng)度根據(jù)應(yīng)力狀態(tài)計(jì)算出大小主應(yīng)力1、3判斷破壞可能性由3計(jì)算1f比較1與1f11f 破壞狀態(tài)Oc1

10、f3115. 破壞判斷方法三、摩爾-庫侖強(qiáng)度理論判別對(duì)象：土體微小單元（一點(diǎn)）3= 常數(shù)：根據(jù)應(yīng)力狀態(tài)計(jì)算出大小主應(yīng)力1、3判斷破壞可能性由3計(jì)根據(jù)應(yīng)力狀態(tài)計(jì)算出大小主應(yīng)力1、3判斷破壞可能性由1計(jì)算3f比較3與3f33f 彈性平衡狀態(tài)3=3f 極限平衡狀態(tài)3 安全狀態(tài) = 極限平衡狀態(tài) 1/3剪切過程中發(fā)生剪脹： A1/3 (甚至可能A0，u c a破壞包線pqOc破壞主應(yīng)力線af線Kf線OAR0qp用若干點(diǎn)的最小二乘法確定a 和 然后計(jì)算強(qiáng)度指標(biāo)c和a確定強(qiáng)度指標(biāo)二、強(qiáng)度包線與破壞主應(yīng)力線0qp用若干點(diǎn)的最小二乘法確定a 和 a確定強(qiáng)度指標(biāo)二、總應(yīng)力與有效應(yīng)力狀態(tài)有效應(yīng)力原理典型三軸試驗(yàn)孔

11、隙水壓力計(jì)算O（13)u1331固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)三、總應(yīng)力路徑與有效應(yīng)力路徑總應(yīng)力與有效應(yīng)力狀態(tài)O（13)u13總應(yīng)力與有效應(yīng)力路徑關(guān)系O（13)u1331三、總應(yīng)力路徑與有效應(yīng)力路徑總應(yīng)力與有效應(yīng)力路徑O（13)u13總應(yīng)力與有效應(yīng)力路徑關(guān)系三軸試驗(yàn)總應(yīng)力路徑三軸固結(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）pO3q45KfpO3qKf45總應(yīng)力與有效應(yīng)力路徑pO3q45KfpO3qK三. 總應(yīng)力指標(biāo)與有效應(yīng)力指標(biāo)土的抗剪強(qiáng)度的有效應(yīng)力指標(biāo)c, = c + tg= -u符合土的破壞機(jī)理，但有時(shí)孔隙水壓力u無法確定土的抗剪強(qiáng)度的總應(yīng)力指

12、標(biāo)c, = c + tg便于應(yīng)用,但u不能產(chǎn)生抗剪強(qiáng)度，不符合強(qiáng)度機(jī)理，應(yīng)用時(shí)要符合工程條件強(qiáng)度指標(biāo)抗剪強(qiáng)度簡(jiǎn)單評(píng)價(jià)三. 總應(yīng)力指標(biāo)與有效應(yīng)力指標(biāo)土的抗剪強(qiáng)度的 = c +四. 應(yīng)用【解答】已知1=450kPa，3=150kPa，c=20kPa， =26o 方法1：計(jì)算結(jié)果表明：1f接近該單元土體實(shí)際大主應(yīng)力1，所以，該單元土體處于極限平衡狀態(tài)。 問題解答：【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(cè)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？ 七、例題

13、分析1（方法1）四. 應(yīng)用【解答】已知1=450kPa，3=150kPa計(jì)算結(jié)果表明： 3f接近該單元土體實(shí)際小主應(yīng)力 3，該單元土體處于極限平衡狀態(tài) 。在剪切面上 庫侖定律 由于f ，所以，該單元土體處于彈性平衡狀態(tài) 方法2： 例題分析1（方法2）計(jì)算結(jié)果表明： 3f接近該單元土體實(shí)際小主應(yīng)力 3，該單方法3： 作圖法 c11f3f實(shí)際應(yīng)力圓極限應(yīng)力圓最大剪應(yīng)力與主應(yīng)力作用面成45o 最大剪應(yīng)力面上的法向應(yīng)力庫侖定律 最大剪應(yīng)力面上f ，所以，不會(huì)沿剪應(yīng)力最大的面發(fā)生破壞 max問題解答： 例題分析1（方法3）方法3： c11f3f實(shí)際應(yīng)力圓極限應(yīng)力圓周圍壓力3/ kPa1/ kPauf / kPa60 100 150143 220 31323 40 67 例題分析2 【例2】對(duì)某種飽和粘性土做固結(jié)不排水試驗(yàn)，三個(gè)試樣破壞時(shí)的大、小主應(yīng)力和孔隙水壓力列于表中，試用作圖法確定土的強(qiáng)度指標(biāo)ccu、 cu和c 、 周圍壓力3/ kPa1/ kPauf / kPa60 1【解答】按比例繪出三個(gè)總應(yīng)力極限應(yīng)