土力学6抗剪强度课件.ppt

1、第第六六章章土的抗剪强度土的抗剪强度6.1 6.1 概述概述 6.2 6.2 土的抗剪强度理论土的抗剪强度理论6.3 6.3 土的抗剪强度测定试验土的抗剪强度测定试验6.6.4 4 饱和粘性土的抗剪强度饱和粘性土的抗剪强度6.6.5 5 无粘性土的抗剪强度无粘性土的抗剪强度本章主要内容：本章主要内容：土工结构物或地基土渗透渗透问题问题变形问题变形问题强度强度问题问题渗透渗透特性特性变形特性变形特性强度强度特性特性6.1 6.1 概述概述1.1.碎散性：碎散性：强度不是颗粒矿物本身的强度，而强度不是颗粒矿物本身的强度，而是颗粒间相互作用是颗粒间相互作用主要是抗剪强度与主要是抗剪强度与剪切破坏，颗

2、粒间粘聚力与摩擦力；剪切破坏，颗粒间粘聚力与摩擦力；2.2.三相体系：三相体系：三相承受与传递荷载三相承受与传递荷载有效应有效应力原理；力原理；3.3.自然变异性：自然变异性：土的强度的结构性与复杂性。土的强度的结构性与复杂性。一、土的抗剪强度一、土的抗剪强度二、土的强度特点：二、土的强度特点：基坑支护基坑支护1.1.挡土结构物的破坏挡土结构物的破坏三、工程中土体的破坏类型三、工程中土体的破坏类型挡土墙挡土墙滑裂面滑裂面平移滑动平移滑动2.2.各种类型的滑坡各种类型的滑坡崩塌崩塌旋转滑动旋转滑动流滑流滑地基地基p3.3.地基的破坏地基的破坏土压力土压力边坡稳定边坡稳定地基承载力地基承载力挡土结

3、构物破坏挡土结构物破坏各种类型的滑坡各种类型的滑坡地基的破坏地基的破坏一、直剪试验和库仑公式一、直剪试验和库仑公式二、土的强度机理二、土的强度机理三、摩尔三、摩尔-库仑强度理论库仑强度理论6.2 6.2 土的抗剪强度理论土的抗剪强度理论本节主要内容：一、直剪试验和库仑公式一、直剪试验和库仑公式直剪试验直剪试验库仑（库仑（17761776）施加施加 （=P/AP/A）量测量测 （=T/AT/A）上盒上盒下盒下盒PSTA试验原理试验原理 Oc tanfcc c 粘聚力粘聚力 内摩擦角内摩擦角 =100KPa S=200KPa=300KPa库仑公式：库仑公式：f：土的抗剪强度土的抗剪强度 tg：摩擦

4、强度摩擦强度-正比于压力正比于压力 c：粘聚强度粘聚强度-与所受压力无关与所受压力无关强度指标强度指标NT=NT二、土的强度的机理二、土的强度的机理1.1.摩擦强度摩擦强度 tgtg（1 1）滑动摩擦）滑动摩擦（2 2）咬合摩擦引起的剪胀咬合摩擦引起的剪胀（3 3）颗粒的破碎与重排列）颗粒的破碎与重排列NT滑动摩擦 颗粒破碎与重排列颗粒破碎与重排列咬合摩擦引起的剪胀咬合摩擦引起的剪胀 密度（密度（e,e,粒径级配（粒径级配（C Cu u,C,Cc c）颗粒的矿物成分：颗粒的矿物成分：对于对于：砂土：砂土 粘性土；粘性土；高岭石高岭石 伊里石伊里石 蒙特石蒙特石 粒径的形状（颗粒的棱角与长宽比）

5、粒径的形状（颗粒的棱角与长宽比）在其他条件相同时：在其他条件相同时：对于砂土，颗粒的棱角提高了内摩擦角对于砂土，颗粒的棱角提高了内摩擦角 对于碎石土，颗粒的棱角可能降低其内摩擦角对于碎石土，颗粒的棱角可能降低其内摩擦角 影响土的摩擦强度的主要因素：影响土的摩擦强度的主要因素：粘聚强度机理粘聚强度机理粘聚强度影响因素粘聚强度影响因素 2.2.凝聚强度凝聚强度静电引力（库仑力）静电引力（库仑力）范德华力范德华力颗粒间胶结颗粒间胶结假粘聚力（毛细力等）假粘聚力（毛细力等）地质历史地质历史粘土颗粒矿物成分粘土颗粒矿物成分密度密度离子价与离子浓度离子价与离子浓度三、摩尔三、摩尔-库仑强度理论库仑强度理论

6、1.1.库仑公式库仑公式2.2.应力状态与摩尔圆应力状态与摩尔圆3.3.极限平衡应力状态极限平衡应力状态4.4.摩尔摩尔-库仑强度理论库仑强度理论5.5.破坏判断方法破坏判断方法6.6.滑裂面的位置滑裂面的位置tanfcc c 粘聚力粘聚力 内摩擦角内摩擦角 f：土的抗剪强度土的抗剪强度 tg：摩擦强度摩擦强度-正比于压力正比于压力 c：粘聚强度粘聚强度-与所受压力无关与所受压力无关1.1.库仑公式库仑公式c无粘性土无粘性土粘性土粘性土抗剪强度曲线砂土：粘性土：tanfcftan库仑（库仑（Coulomb）公式公式c:土的粘聚力土的粘聚力:土的内摩擦角土的内摩擦角莫尔莫尔库仑强度理论库仑强度理

7、论（1 1）在一定的应力范围内，可以用线性）在一定的应力范围内，可以用线性函数近似函数近似 f f =c c+tgtg（2 2）某土单元的任一个平面上某土单元的任一个平面上 =f f ，该单元就达到了极限平衡应力状态该单元就达到了极限平衡应力状态 3 3 1 1 3 1 dlcos dlsin 2 2、土中一点的应力状态、土中一点的应力状态 O z+zx-xz x2 1 3rR222xzxzr2xzR3.3.应力莫尔圆应力莫尔圆圆心：圆心：半径：半径：莫尔圆：代表一个土单元的应莫尔圆：代表一个土单元的应力状态；圆周上一点代表一个力状态；圆周上一点代表一个面上的两个应力面上的两个应力 与与 不同

8、状态时的摩尔圆4.4.极限平衡应力状态极限平衡应力状态极限平衡应力状态：极限平衡应力状态：有一面上的应力状态达到有一面上的应力状态达到 =f f土的强度包线：土的强度包线：所有达到极限平衡状态的莫尔园的公切线所有达到极限平衡状态的莫尔园的公切线。f f与破坏包线相交：与破坏包线相交：有一些平有一些平面上的应力超过强度；不可面上的应力超过强度；不可能发生能发生。强度包线以内：强度包线以内：任何一个面任何一个面上的一对应力上的一对应力 与与 都没有达都没有达到破坏包线，不破坏；到破坏包线，不破坏；与破坏包线相切：与破坏包线相切：有一个面有一个面上的应力达到破坏；上的应力达到破坏；莫尔莫尔-库仑强度

9、理论表达式极限平衡条件库仑强度理论表达式极限平衡条件131313132sin2ctgctg2cc 1f 313ctg2ctanfc O c132213231452tg 4522452tg 4522fftgctgc213452tg 4522ftgc221,3422xzxzxz1 1f 破坏状态破坏状态 O c 1f 3 1 15.5.破坏判断方法破坏判断方法 3 3=常数：常数：判别对象：土体微小单元（一点）判别对象：土体微小单元（一点）根据应力状态计算出大小主应力根据应力状态计算出大小主应力1、3，由，由3计算计算1f，比较比较1与与1f221,3422xzxzxz231452tg 4522f

10、tgc3 3f 弹性平衡状态弹性平衡状态3=3f 极限平衡状态极限平衡状态3 安全安全状态状态 =极限平衡状态极限平衡状态 不可能不可能状态状态 O c(1 1+3 3)/2)/2 =常数：圆心保持不变常数：圆心保持不变1313sin2ctgc根据应力状态计算出大小主应力根据应力状态计算出大小主应力13，由，由1、3计算计算，与与 比较比较 3 1f45/2 O c 1f 32 tanfc2902 6.6.滑裂面的位置滑裂面的位置 与大主应力面夹角：与大主应力面夹角：=45 +/2图中虚线所指位置为滑裂面一、室内试验一、室内试验二、野外试验二、野外试验6.3 6.3 抗剪强度测定试验抗剪强度测

11、定试验直剪试验、三轴试验等直剪试验、三轴试验等 制样（重塑土）或现场取样制样（重塑土）或现场取样 缺点：扰动缺点：扰动 优点：应力条件清楚，易重复优点：应力条件清楚，易重复十字板扭剪试验、旁压试验等十字板扭剪试验、旁压试验等 原位试验原位试验 缺点：应力条件不易掌握缺点：应力条件不易掌握 优点：原状土的原位强度优点：原状土的原位强度 PSTA=100KPa S=200KPa=300KPa Oc 一、室内试验一、室内试验1.1.直剪试验直剪试验通过控制剪切速率来通过控制剪切速率来近似模拟排水条件近似模拟排水条件 3.3.快剪快剪 施加正应力后立即剪切施加正应力后立即剪切3-53-5分钟内剪切破坏

12、分钟内剪切破坏1.固结慢剪：固结慢剪：施加正应力施加正应力-充分固结慢慢施加剪应力充分固结慢慢施加剪应力-小小于于0.02mm/分，以保证无超静孔压分，以保证无超静孔压2.2.固结快剪固结快剪施加正应力施加正应力-充分固结在充分固结在3-53-5分钟内剪切破坏分钟内剪切破坏l 设备简单，操作方便设备简单，操作方便l 结果便于整理结果便于整理l 测试时间短测试时间短l 试样应力状态复杂试样应力状态复杂l 应变不均匀应变不均匀l 不能控制排水条件不能控制排水条件l 剪切面固定剪切面固定优点优点缺点缺点直接剪切试验直接剪切试验土的剪切试验方法土的剪切试验方法抗剪强度曲线抗剪强度曲线试样试样压力室压力

13、室压力压力水水排水管排水管阀门阀门轴向加压杆轴向加压杆有机玻璃罩有机玻璃罩橡皮膜橡皮膜透水石透水石顶帽顶帽 2.2.三轴试验三轴试验（1 1）试样应力特点与试验方法）试样应力特点与试验方法（2 2）强度包线）强度包线（3 3）试验类型）试验类型（4 4）优缺点）优缺点 应变控制式三轴仪：压力室，加压系统，应变控制式三轴仪：压力室，加压系统，量测系统组成量测系统组成 应力控制式三轴仪应力控制式三轴仪试验步骤试验步骤:1.1.装样装样2.2.施加周围压力施加周围压力3.3.施加竖向压力施加竖向压力 3 3 3 3 3 3 三轴剪切试验三轴剪切试验方法：方法：首先试样施加静水压力首先试样施加静水压力

14、室压（围压）室压（围压）1 1=2 2=3 3 ；然后通过活塞杆施加的是应力差然后通过活塞杆施加的是应力差 1 1=1 1-3 3 。（1 1）试样应力特点与试验方法：）试样应力特点与试验方法：特点：特点：试样是轴对称应力状态。垂直应力试样是轴对称应力状态。垂直应力 z z一般是大主应力；径向与切向应力总一般是大主应力；径向与切向应力总是相等是相等 r r=，亦即亦即 1 1=z z；2 2=3 3=r r强度包线强度包线(1-)fc (1-)f 1 1-3 1=15%v分别作围压分别作围压 为为100 100 kPakPa 、200 200 kPakPa 、300 300 kPakPa的三轴

15、的三轴试验，得到破坏时相应的试验，得到破坏时相应的（1 1-)f fv绘制三个破坏状态的应力摩绘制三个破坏状态的应力摩尔圆，画出它们的公切线尔圆，画出它们的公切线强度包线，得到强度指标强度包线，得到强度指标 c c 与与 （2 2）强度包线）强度包线v固结排水试验（CDCD试验）1 打开排水阀门，打开排水阀门，施加围压施加围压 后充分固结，超静孔隙水压力完全消散；后充分固结，超静孔隙水压力完全消散；2 打开排水阀门，慢慢施加轴向应力差打开排水阀门，慢慢施加轴向应力差 以便充分排水，避免产生以便充分排水，避免产生超静孔压超静孔压v固结不排水试验（CUCU试验）1 打开排水阀门，打开排水阀门，施加

16、围压施加围压 后充分固结，超静孔隙水压力完全消散；后充分固结，超静孔隙水压力完全消散；2 关闭排水阀门，很快剪切破坏，在施加轴向应力差关闭排水阀门，很快剪切破坏，在施加轴向应力差 过程中不排水过程中不排水v不固结不排水试验（UUUU试验）1 关闭排水阀门，关闭排水阀门，围压围压 下不固结；下不固结；2 关闭排水阀门，很快剪切破坏，在施加轴向应力差关闭排水阀门，很快剪切破坏，在施加轴向应力差 过程中不排水过程中不排水cd、d ccu、cu cu、u（3 3）试验类型）试验类型固结排水试验（CDCD试验）Consolidated Drained Consolidated Drained Triax

17、ialTriaxial test (CD)test (CD)抗剪强度指标：c cd d d d （c c ）固结不排水试验（CUCU试验）Consolidated Consolidated UndrainedUndrained TriaxialTriaxial test (CU)test (CU)抗剪强度指标：c ccucu cucu不固结不排水试验（UUUU试验）Unconsolidated Unconsolidated UndrainedUndrained TriaxialTriaxial test (UU)test (UU)抗剪强度指标：c cu u u u（c cuuuu uuuu ）

18、试验类型汇总试验类型汇总v优点：优点：1 1 应力状态和应力路径明确；应力状态和应力路径明确；2 2 排水条件清楚，可控制；排水条件清楚，可控制；3 3 破坏面不是人为固定的；破坏面不是人为固定的；4 4 试验单元体试验试验单元体试验v缺点：缺点：设备相对复杂，现场无法试验设备相对复杂，现场无法试验说明：说明：3 30 0 即为即为无侧限抗压强度试验无侧限抗压强度试验（4 4）优点和缺点）优点和缺点二、野外试验二、野外试验十字板剪切试验十字板剪切试验v一般适用于测定软粘土一般适用于测定软粘土的不排水强度指标；的不排水强度指标；v钻孔到指定的土层，钻孔到指定的土层，插入十字形的探头；插入十字形的

19、探头；v通过施加的扭矩计算通过施加的扭矩计算土的抗剪强度土的抗剪强度21maxMMMfvfh时ffHDDMMM262321max)3(22maxHDDMffhDfhDrrrM6d2232/01fvDDHM22M1H HDM2无侧限抗压强度试验无侧限抗压强度试验强度指标强度指标：6.6.4 4 饱和粘性土的抗剪强度饱和粘性土的抗剪强度粘聚力粘聚力 c c内摩擦角内摩擦角 按照分析方法，可分为总应力强度指标与按照分析方法，可分为总应力强度指标与有效应力强度指标；有效应力强度指标；按照试验方法，可分为直剪强度指标与三按照试验方法，可分为直剪强度指标与三轴试验强度指标；轴试验强度指标；按照应力应变状态

20、，可分为峰值强度指标按照应力应变状态，可分为峰值强度指标与残余强度指标。与残余强度指标。一一.总应力指标与有效应力指标总应力指标与有效应力指标二二.三轴试验强度指标三轴试验强度指标三三.土的强度指标的工程应用土的强度指标的工程应用本节主要内容：一、总应力指标与有效应力指标一、总应力指标与有效应力指标1.两种强度指标的比较两种强度指标的比较2.有效应力、总应力强度包线有效应力、总应力强度包线1.1.两种强度指标的比较两种强度指标的比较土的抗剪强度的土的抗剪强度的有效应力指标有效应力指标c c,=c c +tgtg=-u-u符合土的破坏机理，符合土的破坏机理，但有时孔隙水压力但有时孔隙水压力u u

21、无法确定无法确定土的抗剪强度的土的抗剪强度的总应力指标总应力指标c,c,=c+c+tgtg 便于应用便于应用,但但u u不能产不能产生抗剪强度，不符合生抗剪强度，不符合强度机理强度机理强度指标强度指标抗剪强度抗剪强度简单评价简单评价二、饱和粘性土的抗剪强度二、饱和粘性土的抗剪强度1、不固结不排水抗剪强度、不固结不排水抗剪强度2、固结不排水抗剪强度、固结不排水抗剪强度3、固结排水抗剪强度、固结排水抗剪强度凡是可以确定（测量、计算）孔隙水压凡是可以确定（测量、计算）孔隙水压力力u u的情况，都应当使用有效应力指标的情况，都应当使用有效应力指标c c，有效应力指标与总应力指标有效应力指标与总应力指标

22、三、土的强度指标的工程应用三、土的强度指标的工程应用砂土：砂土：c c,三轴排水试验指标与直剪试验指标三轴排水试验指标与直剪试验指标 （直剪试验得到的指标偏大）（直剪试验得到的指标偏大）粘土：粘土：有效应力指标：固结排水、固结不排水有效应力指标：固结排水、固结不排水 总应力指标：三轴固结不排水、不排水总应力指标：三轴固结不排水、不排水;直剪固结快剪、快剪直剪固结快剪、快剪三轴试验指标与直剪试验指标三轴试验指标与直剪试验指标 饱和松砂在振动情况下孔压急剧升高 在瞬间砂土呈液态时间T孔压 U6.6.5 5 砂土的振动液化砂土的振动液化1.1.液化现象液化现象饱和松砂的振动液化饱和松砂的振动液化（1 1）初始的疏松状态）初始的疏松状态（2 2）振动以后处于悬浮状态）振动以后处于悬浮状态 孔压升高（液化）孔压升高（液化）（3 3）振后处于密实状态）振后处于密实状态2.2.液化机理液化机理振前砂土结构振中颗粒悬浮，有效应力为零振后砂土变密实 在饱和砂土中，由于振动引起颗粒的悬浮，超静孔隙水压力急剧升高，直到其孔隙水压力等于总应力时，有效应力为零，砂土的强度丧失，砂土呈液体流动状态，称为液化现象。3.3.液化定义液化定义