土力學(xué)-第6章-土的抗剪強度

1、第六章,土的抗剪強度,6.1 土體強度的工程應(yīng)用 6.2 摩爾庫侖強度理論 6.3 土的極限平衡條件 6.4 抗剪強度指標(biāo)的確定 6.5 孔隙壓力系數(shù) 6.6 砂性土的剪切性狀 6.7 黏性土的剪切性狀,主要內(nèi)容,重點內(nèi)容,6.1 土體強度的工程應(yīng)用,大量的工程實踐和室內(nèi)試驗表明：建筑物地基和土工建筑物的破壞，絕大多數(shù)是屬于剪切破壞，即沿著某一滑動面產(chǎn)生破壞。,基坑坑壁滑動破壞,坑壁支護,6.1 土體強度的工程應(yīng)用,邊坡滑坡,6.1 土體強度的工程應(yīng)用,因此，剪切破壞是土體破壞的主要形式。,土的抗剪強度：土體抵抗剪切破壞的極限能力。,土的重要力學(xué)性質(zhì)指標(biāo),6.2 摩爾庫侖強度理論,前面我們從太

2、沙基的土有效應(yīng)力原理已經(jīng)知道：土體承受的上覆荷載主要由土顆粒的有效應(yīng)力承擔(dān)。 而有效應(yīng)力是由土顆粒之間的黏結(jié)作用和相互之間的咬合作用組成。 黏結(jié)作用產(chǎn)生的力稱為土的黏聚力（內(nèi)聚力）， 咬合作用產(chǎn)生的咬合與摩擦稱為土的內(nèi)摩擦角。,土中一點的應(yīng)力狀態(tài),土體內(nèi)某一點的應(yīng)力狀態(tài)如下： 1豎向應(yīng)力(最大主應(yīng)力) 3側(cè)向應(yīng)力(最小主應(yīng)力) 剪切面上為 法向應(yīng)力 剪應(yīng)力,一、庫侖定律,在一定載荷范圍內(nèi)，土的抗剪強度與法向應(yīng)力之間呈直線關(guān)系。 其中C、 被稱為土的抗剪強度指標(biāo)。 為剪切破裂面與大主應(yīng)力的作用面成夾角，其值等于（45+/2）的。,庫侖經(jīng)過試驗，得出以下關(guān)系式：,砂土：,黏性土：,黏性土,c,C=

3、0,砂土,f,f,庫侖定律的總應(yīng)力表達(dá)式,庫侖定律的有效應(yīng)力表達(dá)式 C稱為土的有效黏聚力 稱為土的有效內(nèi)摩擦角,飽和土有效應(yīng)力：,一、庫侖定律,二、摩爾庫侖強度理論,莫爾認(rèn)為土中某點達(dá)到該點的抗剪強度時，土即發(fā)生破壞。,莫爾把f=f（）的曲線，稱為摩爾破壞包線。 f=f()可用直線（庫侖定律 ）代替，故稱為莫爾庫侖強度理論。,f,1、安全（彈性平衡狀態(tài)）,2、臨界狀態(tài)（極限平衡狀態(tài)）,3、破壞,摩爾庫侖強度判斷土單元的狀態(tài),某一單元土體上的作用力如下右圖所示，將作用于ABC的各力分別在水平和垂直方向投影（合力為零），根據(jù)靜力平衡條件可得：,6.3 土的極限平衡條件,一、摩爾應(yīng)力圓,水平方向合力

4、,垂直方向合力,A,B,C,由上述兩式得：,6.3 土的極限平衡條件,一、摩爾應(yīng)力圓,解上述聯(lián)立二元一次方程式得：,法向應(yīng)力,剪應(yīng)力,A,O1,6.3 土的極限平衡條件,在-坐標(biāo)中，以1/2(1 +3 )，0為圓心、1/2(13 )為半徑作圓,則A點的坐標(biāo)（a，a）即為ABC斜面AB上的法向應(yīng)力和剪應(yīng)力。,摩爾 應(yīng)力圓,O,A,B,C,c,A,O,O1,6.3 土的極限平衡條件,我們把庫侖公式強度線繪制于同一坐標(biāo)系中，則該強度線為摩爾圓的切線。,B,f,1、安全（彈性平衡狀態(tài)）,2、臨界狀態(tài)（極限平衡狀態(tài)）,3、破壞,摩爾庫侖強度判斷土單元的狀態(tài),摩爾庫侖強度判斷土單元的狀態(tài),f時，彈性平衡狀

5、態(tài)，整個摩爾圓位于抗剪強度線的下方，說明該點在任何平面上的剪應(yīng)力都小于土所能發(fā)揮的抗剪強度，因此不會發(fā)生剪切破壞。,二、土的極限平衡應(yīng)力狀態(tài),=f時，極限平衡狀態(tài)，摩爾圓與抗剪強度線相切于A點，表明通過A點的任意平面上的剪應(yīng)力都等于抗剪強度，該點就處于極限平衡狀態(tài)。 f時，剪切破壞狀態(tài)，抗剪強度線是摩爾圓的一條割線，該點的任意平面上的剪應(yīng)力已超過了土的抗剪強度，實際上這種情況是不可能存在的。,c,A,O,O1,下圖是土體處于極限平衡條件（即破壞臨界狀態(tài)）的關(guān)系圖。,B,三、土的極限平衡條件,由圖直角ABO1可知：,整理下面公式：,三、土的極限平衡條件,得出以下三式：,此三式均可用于判斷土體是否

6、處于極限平衡狀態(tài),教材P114式(6-15)更正,c,A,O,O1,B,三、土的極限平衡條件,由圖直角ABO1外角與內(nèi)角的關(guān)系可知：,即：,由此可見：剪切破裂面與大主應(yīng)力的作用面成（45+/2）的夾角。,四、土的極限平衡條件的應(yīng)用,根據(jù)上述三式，分別計算出極限平衡所能承受的1f與當(dāng)時所施加的1來作比較，即可判斷出土體是處于何種狀態(tài)：,（1）當(dāng)11f，土體處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)；,（2）當(dāng)1=1f，土體處于極限平衡狀態(tài)；,（3）當(dāng)11f，土體處于破壞狀態(tài)；,四、土的極限平衡條件的應(yīng)用,根據(jù)上述三式，分別計算出極限平衡所能承受的3f與當(dāng)時所施加的3來作比較，即可判斷出土體是處于何種狀態(tài)：,（1）當(dāng)33f

7、，土體處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)；,（2）當(dāng)3=3f，土體處于極限平衡狀態(tài)；,（3）當(dāng)33f，土體處于破壞狀態(tài)；,四、土的極限平衡條件的應(yīng)用,根據(jù)上述三式，計算出達(dá)到極限平衡所需要的m與當(dāng)前土體的來作比較，即可判斷出土體是處于何種狀態(tài)：,（1）當(dāng)m，土體處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)；,（2）當(dāng)m=，土體處于極限平衡狀態(tài)；,（3）當(dāng)m，土體處于破壞狀態(tài)；,四、土的極限平衡條件的應(yīng)用,總結(jié)，分別比較m、1f、3f，與、1、3，即可判斷出土體是處于何種狀態(tài)：,（1）當(dāng)m3f，土體處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)；,（2）當(dāng)m=、1=1f、3=3f，土體處于極限平衡狀態(tài)；,（3）當(dāng)m、11f、33f，土體處于破壞狀態(tài)；,3，處于穩(wěn)定狀態(tài),

8、實際應(yīng)用,1、當(dāng)計算A點時： 1=？、3=？,黏土 C、,A,2、當(dāng)計算B點時： 1=？、3=？,B,1=h1、3=k01,h1,h2,1=h2、3=0,k0為靜止土壓力系數(shù)，可查47頁表4-1確定,3、開挖多深不會失穩(wěn)？即C點的深度為多大？,當(dāng)3=0時，認(rèn)為此處為剪切滑動面的最底端,此時,C,h,測定土抗剪強度指標(biāo)的試驗稱為剪切試驗,6.4 抗剪強度指標(biāo)的確定,直剪儀,一、直剪試驗,6.4 抗剪強度指標(biāo)的確定,剪切力計量儀表,剪切盒,一、直剪試驗,水平推力,垂直壓力p,應(yīng)力環(huán)水平力T,一、直剪試驗,水平推力,垂直壓力P,6.4 抗剪強度指標(biāo)的確定,應(yīng)力環(huán)水平力T,一、直剪試驗,水平推力,6.

9、4 抗剪強度指標(biāo)的確定,應(yīng)力環(huán)水平力T,垂直壓力P,一、直剪試驗,水平推力,6.4 抗剪強度指標(biāo)的確定,應(yīng)力環(huán)水平力T,垂直壓力P,一、直剪試驗,水平推力,6.4 抗剪強度指標(biāo)的確定,應(yīng)力環(huán)水平力T,垂直壓力P,一、直剪試驗,水平推力,6.4 抗剪強度指標(biāo)的確定,應(yīng)力環(huán)水平力T,垂直壓力P,一、直剪試驗,水平推力,應(yīng)力環(huán)水平力T,垂直壓力P,A,一、直剪試驗,A土樣面積,應(yīng)力環(huán)水平力T,垂直壓力P,正應(yīng)力：,剪應(yīng)力：,A,一、直剪試驗,應(yīng)力環(huán)水平力T,垂直壓力P,施加P，量測 T，然后計算,一、直剪試驗,三組試樣,正應(yīng)力：,剪應(yīng)力：,最后畫點，連直線，求出抗剪強度指標(biāo),直剪三種試驗類型,直剪儀

10、的優(yōu)點: 設(shè)備簡單,價格便宜,操作方便,易于掌握,直剪試驗的優(yōu)缺點,二、三軸壓縮（剪切）試驗,壓力室,加壓設(shè)備,電腦采集,三軸剪切試驗,試驗裝置,壓力室； 圍壓系統(tǒng)； 軸壓系統(tǒng)； 孔隙水壓力量測系統(tǒng)； 排水系統(tǒng),主要組成：,壓力室,壓力水,排水管,閥門,軸向加壓桿,有機玻璃罩,橡皮膜,透水石,頂帽,壓力室分解,1,Pc,二、三軸剪切試驗,3,1,Pc,3,二、三軸剪切試驗,1,Pc,3,二、三軸剪切試驗,3,1,總應(yīng)力表示法,有效應(yīng)力表示法,三組試樣,三軸剪切三種試驗類型,三軸試驗優(yōu)缺點,優(yōu)點： 試驗中能嚴(yán)格控制試樣排水條件，量測孔隙水壓力，了解土中有效應(yīng)力變化情況； 試樣中的應(yīng)力分布比較均勻

11、，剪切面在試樣的最薄弱處，結(jié)果比直剪試驗可靠。 缺點： 試驗儀器復(fù)雜，操作技術(shù)要求高，試樣制備較復(fù)雜； 試驗在2=3的軸對稱條件下進(jìn)行，與土體實際受力情況可能不符 。,無側(cè)限抗壓強度試驗，與巖石單軸抗壓強度試驗類似，是三軸壓縮試驗的特例，對試樣不施加周圍壓力，即3=0，只施加軸向壓力直至發(fā)生破壞，試樣在無側(cè)限壓力條件下，剪切破壞時試樣承受的最大軸向壓力qu，稱為無側(cè)限抗壓強度。,三、無側(cè)限抗壓試驗,無側(cè)限壓縮儀,根據(jù)試驗結(jié)果只能作出一個極限應(yīng)力圓（3=0，1=qu）。因此對一般黏性土，無法作出強度包絡(luò)線。,qu,cu,u=0,無側(cè)限抗壓強度試驗儀器構(gòu)造簡單，操作方便，可代替三軸試驗測定飽和軟黏土的不排水強度。,u=0,靈敏度,黏性土的原狀土無側(cè)限抗壓強度與原土結(jié)構(gòu)完全破壞的重塑土的無側(cè)限抗壓強度的比值：,根據(jù)靈敏度將飽和黏性土分類：,低靈敏度土 1St2,中靈敏度土 2 St4,高靈敏度土 St4,適用于現(xiàn)場測定飽和黏性土的不排水強度，尤其適用于均勻的飽和軟黏土。,四、十字板剪切試驗,M剪切破壞時的扭矩，kNm。,土的抗剪強度：,土的原位測試技術(shù)的優(yōu)點： 1可在現(xiàn)場進(jìn)行，避免取樣； 2涉及的土體積比室內(nèi)試驗樣品大很多； 3可連續(xù)進(jìn)行，可得到完整的土層剖面及物理力學(xué)指標(biāo)； 4具有快速經(jīng)濟的優(yōu)點。