土力學(xué)與基礎(chǔ)工程T56

電子教案南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院土力學(xué)與基礎(chǔ)工程土力學(xué)與基礎(chǔ)工程緒論第一章土的物理性質(zhì)及工程分類第二章土中應(yīng)力計(jì)算第三章土的壓縮性與地基沉降計(jì)算第四章土的抗剪強(qiáng)度與地基承載力第五章土壓力與土坡穩(wěn)定分析第六章工程地質(zhì)勘察第七章天然地基上淺基礎(chǔ)第八章樁基礎(chǔ)第九章地基處理與托換技術(shù)第四章土的抗剪強(qiáng)度與地基承載力

4.1土的抗剪強(qiáng)度概述4.2土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)方法4.3地基承載力土工結(jié)構(gòu)物或地基土滲透問題變形問題強(qiáng)度問題滲透特性變形特性強(qiáng)度特性土的抗剪強(qiáng)度土體對(duì)于外荷載所產(chǎn)生的剪應(yīng)力的極限抵抗能力。地基破壞變形破壞：沉降、位移、不均勻沉降等超過規(guī)定限值強(qiáng)度破壞：地基整體或局部滑移、隆起，土工構(gòu)筑物失穩(wěn)、滑坡4.1土的抗剪強(qiáng)度概述土體強(qiáng)度破壞的機(jī)理在外荷載的作用下，土體中任一截面將同時(shí)產(chǎn)生法向應(yīng)力和剪應(yīng)力；法向應(yīng)力作用將使土體發(fā)生壓密，而剪應(yīng)力作用可使土體發(fā)生剪切變形；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。土的破壞主要是由于剪切所引起的，剪切破壞是土體破壞的主要特點(diǎn)。4.1土的抗剪強(qiáng)度概述成龍上德國(guó)電視大展劈磚神功工程中的強(qiáng)度問題概述土的抗剪強(qiáng)度：土體抵抗剪切破壞的極限能力

土壓力邊坡穩(wěn)定地基承載力擋土結(jié)構(gòu)物破破壞各種類型的滑滑坡地基的破壞工程中土體的的破壞類型4.1土的抗剪強(qiáng)度度概述核心強(qiáng)度理論工程背景1.建筑物地基承承載力問題基礎(chǔ)下的地基基土體產(chǎn)生整整體滑動(dòng)或因因局部剪切破破壞而導(dǎo)致過過大的地基變變形甚至傾傾覆。2.構(gòu)筑物環(huán)境的的安全性問題題即土壓力問問題擋土墻、基坑坑等工程中，，墻后土體強(qiáng)強(qiáng)度破壞將造造成過大的側(cè)側(cè)向土壓力，，導(dǎo)致墻體滑滑動(dòng)、傾覆或或支護(hù)結(jié)構(gòu)破破壞事故。。3.土工構(gòu)筑物的的穩(wěn)定性問題題土壩、路堤等等填方邊坡以以及天然土坡坡等，在超載載、滲流乃至至暴雨作用下下引起土體強(qiáng)強(qiáng)度破壞后將將產(chǎn)生整體失失穩(wěn)邊坡滑坡坡等事故。工程背景1.建筑物地基承承載力問題加拿大特朗斯斯康谷倉(cāng)美國(guó)紐約某水水泥倉(cāng)庫(kù)工程背景2.構(gòu)筑物環(huán)境的的安全性問題題即土壓力問問題工程背景3.土工構(gòu)筑物的的穩(wěn)定性問題題土的強(qiáng)度特點(diǎn)點(diǎn)碎散性：強(qiáng)度不是顆粒粒礦物本身的的強(qiáng)度，而是是顆粒間相互互作用——主主要是抗剪強(qiáng)強(qiáng)度（剪切破破壞），顆粒粒間粘聚力與與摩擦力；三相體系：三相承受與傳傳遞荷載——有效應(yīng)力原理理；自然變異性：：土的強(qiáng)度的結(jié)結(jié)構(gòu)性與復(fù)雜雜性。4.1土的抗剪強(qiáng)度度概述庫(kù)倫公式及抗抗剪強(qiáng)度指標(biāo)標(biāo)庫(kù)倫(Coulomb,1773)根據(jù)砂土的試驗(yàn)，將土土的抗剪強(qiáng)度度τf，表達(dá)為滑滑動(dòng)面上法向向總應(yīng)力σ的函數(shù)，即σ

=100KPaSσ

=200KPaσ

=300KPaO摩擦強(qiáng)度4.1土的抗剪強(qiáng)度度概述庫(kù)倫公式及抗抗剪強(qiáng)度指標(biāo)標(biāo)適合粘性土的的更普遍的表表達(dá)式，即兩式統(tǒng)稱為庫(kù)庫(kù)倫公式，或或庫(kù)倫定律，，c、稱為抗剪剪強(qiáng)度指標(biāo)(抗剪強(qiáng)度參數(shù)數(shù))σ

=100KPaSσ

=200KPaσ

=300KPaOc摩擦強(qiáng)度+粘聚強(qiáng)度4.1土的抗剪強(qiáng)度度概述庫(kù)倫公式及抗抗剪強(qiáng)度指標(biāo)標(biāo)4.1土的抗剪強(qiáng)度度概述上盒下盒PSTA固定滑裂面c粘聚力內(nèi)摩擦角施加σ（=P/A），S量測(cè)（=T/A）f：土的抗剪強(qiáng)強(qiáng)度tg：摩擦強(qiáng)度-正比于壓力力c：粘聚強(qiáng)度-與所受壓力力無關(guān)NT=NtgφuT滑動(dòng)摩擦4.1土的抗剪強(qiáng)強(qiáng)度概述土的強(qiáng)度機(jī)機(jī)理——摩擦強(qiáng)度＋＋粘聚強(qiáng)度度摩擦強(qiáng)度tg（1）滑動(dòng)摩擦擦由顆粒之間間發(fā)生滑動(dòng)動(dòng)時(shí)顆粒接接觸面粗糙糙不平所引引起，與顆顆粒大小，，礦物組成成等因素有有關(guān)4.1土的抗剪強(qiáng)強(qiáng)度概述土的強(qiáng)度機(jī)機(jī)理——摩擦強(qiáng)度＋＋粘聚強(qiáng)度度摩擦強(qiáng)度tg（1）滑動(dòng)摩擦擦由顆粒之間間發(fā)生滑動(dòng)動(dòng)時(shí)顆粒接接觸面粗糙糙不平所引引起，與顆顆粒大小，，礦物組成成等因素有有關(guān)0.020.060.20.623020顆粒直徑(mm)滑動(dòng)摩擦角u粉砂細(xì)砂中砂粗砂4.1土的抗剪強(qiáng)強(qiáng)度概述摩擦強(qiáng)度tg（2）咬合摩擦擦是指相鄰顆顆粒對(duì)于相相對(duì)移動(dòng)的的約束作用用；當(dāng)發(fā)生剪切切破壞時(shí)，，相互咬合合著的顆粒粒A必須抬起，，跨越相鄰鄰顆粒B，或在尖角角處被剪斷斷（C），才能移移動(dòng)；土體中的顆顆粒重新排排列，也會(huì)會(huì)消耗能量量。CABCAB剪切面4.1土的抗剪強(qiáng)強(qiáng)度概述摩擦強(qiáng)度tg（2）咬合摩擦擦引起的剪剪脹滑動(dòng)摩擦咬合摩擦引引起的剪脹脹4.1土的抗剪強(qiáng)強(qiáng)度概述摩擦強(qiáng)度tg（3）顆粒的破破碎與重排排列NT滑動(dòng)摩擦顆粒粒破破碎碎與與重重排排列列咬合合摩摩擦擦引引起起的的剪剪脹脹4.1土的的抗抗剪剪強(qiáng)強(qiáng)度度概概述述摩擦擦強(qiáng)強(qiáng)度度tg影響響土土的的摩摩擦擦強(qiáng)強(qiáng)度度的的主主要要因因素素：：密度度（（e,粒徑徑級(jí)級(jí)配配（（Cu,Cc）顆粒粒的的礦礦物物成成分分對(duì)于于：：砂砂土土>粘性性土土；；高嶺嶺石石>伊里里石石>蒙特特石石粒徑徑的的形形狀狀（（顆顆粒粒的的棱棱角角與與長(zhǎng)長(zhǎng)寬寬比比））在其其他他條條件件相相同同時(shí)時(shí)：：對(duì)于于砂砂土土，，顆顆粒粒的的棱棱角角提提高高了了內(nèi)內(nèi)摩摩擦擦角角對(duì)于于碎碎石石土土，，顆顆粒粒的的棱棱角角可可能能降降低低其其內(nèi)內(nèi)摩摩擦擦角角4.1土的的抗抗剪剪強(qiáng)強(qiáng)度度概概述述粘聚聚強(qiáng)強(qiáng)度度（1）粘粘聚聚強(qiáng)強(qiáng)度度機(jī)機(jī)理理（（2）粘粘聚聚強(qiáng)強(qiáng)度度影影響響因因素素靜電電引引力力（（庫(kù)庫(kù)侖侖力力））范德德華華力力顆粒粒間間膠膠結(jié)結(jié)假粘粘聚聚力力（（毛毛細(xì)細(xì)力力等等））地質(zhì)質(zhì)歷歷史史粘土土顆顆粒粒礦礦物物成成分分密度度離子子價(jià)價(jià)與與離離子子濃濃度度----+§5.1土土的的抗抗剪剪強(qiáng)強(qiáng)度度與與極極限限平平衡衡條條件件一、、庫(kù)庫(kù)侖侖定定律律1776年年，，庫(kù)庫(kù)侖侖根根據(jù)據(jù)砂土土剪切切試試驗(yàn)驗(yàn)f=tan砂土土后來來，，根根據(jù)據(jù)粘性性土土剪切切試試驗(yàn)驗(yàn)f=c+tan粘土土c庫(kù)侖侖定定律律：：土的的抗抗剪剪強(qiáng)強(qiáng)度度是是剪剪切切面面上上的的法法向向總總應(yīng)應(yīng)力力的線線性性函函數(shù)數(shù)c:土的的粘粘聚聚力力:土的的內(nèi)內(nèi)摩摩擦擦角角ff二、、土土體體抗抗剪剪強(qiáng)強(qiáng)度度影影響響因因素素摩擦擦力力的的兩兩個(gè)個(gè)來來源源1.滑滑動(dòng)動(dòng)摩摩擦擦：：剪切切面面土土粒粒間間表表面面的的粗粗糙糙所所產(chǎn)產(chǎn)生生的的摩摩擦擦2.咬咬合合摩摩擦擦：：土粒粒間間互互相相嵌嵌入入所所產(chǎn)產(chǎn)生生的的咬咬合合力力粘聚聚力力：：由由土土粒粒之之間間的的膠膠結(jié)結(jié)作作用用和和電電分分子子引引力力等等因因素素形形成成抗剪剪強(qiáng)強(qiáng)度度影影響響因因素素摩擦擦力力：：剪切切面面上上的的法法向向總總應(yīng)應(yīng)力力、、土土的的初初始始密密度度、、土土粒粒級(jí)級(jí)配配、、土土粒粒形形狀狀以以及及表表面面粗粗糙糙程程度度粘聚力力：土中礦礦物成成分、、粘粒粒含量量、含含水量量以及及土的的結(jié)構(gòu)構(gòu)4.1土的抗抗剪強(qiáng)強(qiáng)度概概述土的抗抗剪強(qiáng)強(qiáng)度有有兩種種表達(dá)達(dá)方法法：總應(yīng)力力法以總應(yīng)力力表示示剪切破破壞面面上的的法向向應(yīng)力力，抗抗剪強(qiáng)強(qiáng)度表表達(dá)式式即為為庫(kù)倫倫公式式，稱稱為抗剪強(qiáng)強(qiáng)度總總應(yīng)力力法，相應(yīng)應(yīng)的c、φ稱為總應(yīng)力力強(qiáng)度度指標(biāo)標(biāo)(參數(shù))有效應(yīng)應(yīng)力法法以有效應(yīng)應(yīng)力表表示剪切破破壞面面上的的法向向應(yīng)力力，稱稱為抗剪強(qiáng)強(qiáng)度有有效應(yīng)應(yīng)力法法，c’、φ’稱為有效應(yīng)應(yīng)力強(qiáng)強(qiáng)度指指標(biāo)(參參數(shù))。。4.1土的抗抗剪強(qiáng)強(qiáng)度概概述土的抗抗剪強(qiáng)強(qiáng)度有有兩種種表達(dá)達(dá)方法法：試驗(yàn)研研究表表明，，土的的抗剪剪強(qiáng)度度取決決于土土粒間間的有有效應(yīng)應(yīng)力;然而，，由庫(kù)庫(kù)倫公公式建建立的的概念念在應(yīng)應(yīng)用上上比較較方便便，許許多土土工問問題的的分析析方法法都還還建立立在這這種概概念的的基礎(chǔ)礎(chǔ)上，，故在在工程程上仍仍沿用用至今今。土的抗抗剪強(qiáng)強(qiáng)度有有效應(yīng)應(yīng)力表表達(dá)式式：砂土粘性土土==三維應(yīng)應(yīng)力狀狀態(tài)三、摩摩爾-庫(kù)侖強(qiáng)強(qiáng)度理理論2.應(yīng)力莫莫爾圓圓二維應(yīng)應(yīng)力狀狀態(tài)莫爾圓圓應(yīng)力力分析析符號(hào)號(hào)規(guī)定定材料力力學(xué)+-+-土力學(xué)學(xué)正應(yīng)力力剪應(yīng)力力拉為正正壓為負(fù)負(fù)順時(shí)針針為正正逆時(shí)針針為負(fù)負(fù)壓為正正拉為負(fù)負(fù)逆時(shí)針針為正正順時(shí)針針為負(fù)負(fù)三、摩摩爾-庫(kù)侖強(qiáng)強(qiáng)度理理論2.應(yīng)力莫莫爾圓圓土中一一點(diǎn)的的應(yīng)力力狀態(tài)態(tài)土體內(nèi)內(nèi)一點(diǎn)點(diǎn)處不不同方方位的的截面面上應(yīng)應(yīng)力的的集合合（剪剪應(yīng)力力τ和法向向應(yīng)力力σ）——莫爾應(yīng)應(yīng)力圓圓331131dldlcosdlsin楔體靜靜力平平衡4.1.2土的極極限平平衡強(qiáng)度理理論土中一一點(diǎn)的的應(yīng)力力狀態(tài)態(tài)土體內(nèi)內(nèi)一點(diǎn)點(diǎn)處不不同方方位的的截面面上應(yīng)應(yīng)力的的集合合（剪剪應(yīng)力力τ和法向向應(yīng)力力σ）——莫爾應(yīng)應(yīng)力圓圓31dldlcosdlsin斜面上上的應(yīng)應(yīng)力4.1.2土的極極限平平衡強(qiáng)度理理論莫爾應(yīng)應(yīng)力圓圓方程程：O131/2(1+3)2A(,)圓心坐坐標(biāo)[1/2(1+3)，0]應(yīng)力圓圓半徑徑r＝1/2(1－3)土中某某點(diǎn)的的應(yīng)力狀狀態(tài)可用莫莫爾應(yīng)應(yīng)力圓圓描述述莫爾應(yīng)應(yīng)力圓圓土單元元應(yīng)力力狀態(tài)態(tài)的軌軌跡是是一個(gè)個(gè)圓4.1.2土的極極限平平衡強(qiáng)度理理論莫爾應(yīng)應(yīng)力圓圓對(duì)于一一般應(yīng)應(yīng)力狀狀態(tài)，，即不不知道道大、、小主主應(yīng)力力Oz+zx-xzx213rpxs+-1大主應(yīng)應(yīng)力：：小主應(yīng)力力:圓心：半徑：σz按順時(shí)針針方向旋旋轉(zhuǎn)ασx按順時(shí)針針方向旋旋轉(zhuǎn)α莫爾圓圓：代代表一個(gè)個(gè)土單元元的應(yīng)力力狀態(tài)；；圓上一點(diǎn)點(diǎn)：代表表一個(gè)面面上的兩兩個(gè)應(yīng)力力與4.1.2土的極限限平衡強(qiáng)強(qiáng)度理論論應(yīng)力圓與與強(qiáng)度線線相離：強(qiáng)度線應(yīng)力圓與與強(qiáng)度線線相切：應(yīng)力圓與與強(qiáng)度線線相割：極限應(yīng)力圓彈性平衡衡狀態(tài)極限平衡衡狀態(tài)早已破壞壞，不可可能發(fā)生生土的極限限平衡條條件4.1.2土的極限限平衡強(qiáng)度理論論莫爾－庫(kù)庫(kù)侖破壞壞準(zhǔn)則莫爾應(yīng)力力圓與庫(kù)庫(kù)侖強(qiáng)度度線相切切的應(yīng)力力狀態(tài)作作為土的的破壞準(zhǔn)準(zhǔn)則(目前判別別土體所所處狀態(tài)態(tài)的最常常用準(zhǔn)則則)

強(qiáng)度線

4.1.2土的極限限平衡強(qiáng)度理論論13Oc剪破面與與大主應(yīng)應(yīng)力作用用平面的的夾角f稱為破壞角，從圖中中幾何關(guān)關(guān)系可得得理論剪剪破角為為：2f注意：剪剪破面并并不是剪剪應(yīng)力最最大平面面4.1.2土的極限限平衡強(qiáng)強(qiáng)度理論論極限平衡衡條件莫爾-庫(kù)庫(kù)侖強(qiáng)度度理論表表達(dá)式－－極限平平衡條件件Oc1f32f31f破裂面2f滑裂面的的位置與大主應(yīng)應(yīng)力面夾夾角：f強(qiáng)度包線線以內(nèi)：：任何一個(gè)個(gè)面上的的一對(duì)應(yīng)應(yīng)力與都沒沒有達(dá)到到破壞包包線，不不破壞；；與破壞包包線相切切：該面上的的應(yīng)力達(dá)達(dá)到破壞壞狀態(tài)；；與破壞包包線相交交：有一些平平面上的的應(yīng)力超超過強(qiáng)度度；不可可能發(fā)生生。4.1.2土的極限限平衡強(qiáng)強(qiáng)度理論論極限平衡衡條件如果已知知土的抗抗剪強(qiáng)度度指標(biāo)，，同時(shí)土土中某點(diǎn)點(diǎn)的應(yīng)力力狀態(tài)已已經(jīng)確定定，就可可將抗剪強(qiáng)強(qiáng)度線與與莫爾應(yīng)應(yīng)力圓畫畫在同一一坐標(biāo)紙紙上，從而判別該點(diǎn)點(diǎn)是否達(dá)達(dá)到極限限平衡狀狀態(tài)。極限平衡衡條件極限平衡衡應(yīng)力狀狀態(tài)：有一對(duì)面面上的應(yīng)應(yīng)力狀態(tài)態(tài)達(dá)到τ=τf土的強(qiáng)度度包線：：所有達(dá)到到極限平平衡狀態(tài)態(tài)的莫爾圓的的公切線線4.1.2土的極限限平衡強(qiáng)強(qiáng)度理論論f莫爾－庫(kù)庫(kù)侖破壞壞準(zhǔn)則31c

f2

fAcctg1/2(1+3)無粘性土：c=0極限平衡條件件變換得到極限限平衡狀態(tài)時(shí)時(shí)大小主應(yīng)力力之間的關(guān)系系滿足：上式即為土的的極限平衡條條件。當(dāng)土的的強(qiáng)度指標(biāo)c，φ為已知，若土土中某點(diǎn)的大大小主應(yīng)力σ1和σ3滿足上列關(guān)系系式時(shí)，則該該土體正好處處于極限平衡或破壞狀態(tài)。上式也可適用用于有效應(yīng)力力，相應(yīng)c，φ應(yīng)該用c’，φ’土體處于極限限平衡狀態(tài)時(shí)時(shí)，破壞面