土力學(xué)-6-土的抗剪強度

1、第五章,土的抗剪強度,§5.1 土體破壞與強度理論§5.2 抗剪強度測定試驗§5.3 抗剪強度指標§5.4 砂土的振動液化,§5 土的抗剪強度,土壓力邊坡穩(wěn)定地基承載力,擋土結(jié)構(gòu)物破壞各種類型的滑坡地基的破壞,,,,§5 土的抗剪強度,§5.1 土體破壞與土的強度理論,,,§5 土的抗剪強度,§5.1 土體破壞與土的強度理論,,,直剪

2、試驗庫侖（1776） 試驗原理,施加 σ（=P/A），S量測 ?（=T/A）,,,,,,,,,,,σ = 100KPa,?,S,,,A,,直剪試驗庫侖（1776）試驗原理試驗結(jié)果,,,,,,σ = 100KPa,?,S,σ = 200KPa,σ = 300KPa,§5 土的抗剪強度,§5.1 土體破壞與土的強度理論,,,,,,,,c 粘聚力 ? 內(nèi)摩擦角,直剪試驗庫侖（1776）試驗原理試驗

3、結(jié)果,§5 土的抗剪強度,§5.1 土體破壞與土的強度理論,庫侖公式：,?f ： 土的抗剪強度?tg?： 摩擦強度-正比于壓力?c： 粘聚強度-與所受壓力無關(guān),,?,滑動摩擦,,,?,?,土的強度的機理,§5 土的抗剪強度,§5.1 土體破壞與土的強度理論,1. 摩擦強度 ?tg?,（1）滑動摩擦,（2）咬合摩擦引起的剪脹,,,,,?,滑動摩擦,,,?,?,,,,,,

4、,咬合摩擦引起的剪脹,三、土的強度的機理,§5 土的抗剪強度,§5.1 土體破壞與土的強度理論,1. 摩擦強度 ?tg?,（3）顆粒的破碎與重排列,,,,,?,滑動摩擦,,,?,?,,,顆粒破碎與重排列,三、土的強度的機理,§5 土的抗剪強度,§5.1 土體破壞與土的強度理論,1. 摩擦強度 ?tg?,咬合摩擦引起的剪脹,密度（e, ?? ??粒徑級配（Cu, Cc）顆粒的礦物成分

5、 對于?：砂土>粘性土； 高嶺石>伊里石>蒙特石粒徑的形狀（顆粒的棱角與長寬比） 在其他條件相同時： 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?,影響土的摩擦強度的主要因素：,土的強度的機理,§5 土的抗剪強度,§5.1 土體破壞與土的強度理論,1

6、. 摩擦強度 ?tg?,粘聚強度機理靜電引力（庫侖力）范德華力顆粒間膠結(jié)假粘聚力（毛細力等）,?,粘聚強度影響因素地質(zhì)歷史粘土顆粒礦物成分密度離子價與離子濃度,土的強度的機理,§5 土的抗剪強度,§5.1 土體破壞與土的強度理論,2. 凝聚強度,§5 土的抗剪強度,§5.1 土體破壞與土的強度理論,摩爾-庫侖強度理論,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)

7、4. 摩爾-庫侖強度理論5. 破壞判斷方法6. 滑裂面的位置,c 粘聚力 ? 內(nèi)摩擦角,?f ： 土的抗剪強度?tg?： 摩擦強度-正比于壓力?c： 粘聚強度-與所受壓力無關(guān),§5 土的抗剪強度,§5.1 土體破壞與土的強度理論,摩爾-庫侖強度理論,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,,,,,,,,三維應(yīng)力狀態(tài),,,§5 土的抗剪強度

8、,§5.1 土體破壞與土的強度理論,摩爾-庫侖強度理論,2. 應(yīng)力莫爾圓,二維應(yīng)力狀態(tài),,,,?,?,O,,?1,?3,§5 土的抗剪強度,§5.1 土體破壞與土的強度理論,摩爾-庫侖強度理論,2. 應(yīng)力莫爾圓,大主應(yīng)力：,小主應(yīng)力:,圓心：,半徑：,σz按順時針方向旋轉(zhuǎn)α,σx按順時針方向旋轉(zhuǎn)α,莫爾圓：代表一個土單元的應(yīng)力狀態(tài)；圓周上一點代表一個面上的兩個應(yīng)力?與?,3. 極限平衡應(yīng)力狀態(tài),§

9、5 土的抗剪強度,§5.1 土體破壞與土的強度理論,摩爾-庫侖強度理論,極限平衡應(yīng)力狀態(tài)： 有一對面上的應(yīng)力狀態(tài)達到 ? = ?f土的強度包線： 所有達到極限平衡狀態(tài)的莫爾園的公切線。,?,,,,,?f,3. 極限平衡應(yīng)力狀態(tài),§5 土的抗剪強度,§5.1 土體破壞與土的強度理論,摩爾-庫侖強度理論,?,?,,,,,,,?f,強度包線以內(nèi)：下任何一個面上的一對應(yīng)力?與? 都沒有達到破壞包線

10、，不破壞；與破壞包線相切：有一個面上的應(yīng)力達到破壞；與破壞包線相交：有一些平面上的應(yīng)力超過強度；不可能發(fā)生。,4. 莫爾—庫侖強度理論,（1）土單元的某一個平面上的抗剪強度?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）某土單元的任一個平面上? = ?f ，該單元就達到了極限平衡應(yīng)力狀態(tài),§5 土的抗剪強度,

11、§5.1 土體破壞與土的強度理論,摩爾-庫侖強度理論,4. 莫爾—庫侖強度理論,§5 土的抗剪強度,§5.1 土體破壞與土的強度理論,摩爾-庫侖強度理論,莫爾-庫侖強度理論表達式－極限平衡條件,,?1f,?3,,,,4. 莫爾—庫侖強度理論,§5 土的抗剪強度,§5.1 土體破壞與土的強度理論,摩爾-庫侖強度理論,莫爾-庫侖強度理論表達式－極限平衡條件,根據(jù)應(yīng)力狀態(tài)計算出大小主應(yīng)力σ1、

12、σ3,判斷破壞可能性,由σ3計算σ1f比較σ1與σ1f,,σ1σ1f 破壞狀態(tài),5. 破壞判斷方法,§5 土的抗剪強度,§5.1 土體破壞與土的強度理論,摩爾-庫侖強度理論,判別對象：土體微小單元（一點）,?3= 常數(shù)：,根據(jù)應(yīng)力狀態(tài)計算出大小主應(yīng)力σ1、σ3,判斷破壞可能性,,由σ1計算σ3f比較σ3與σ3f,σ3>σ3f 彈性平衡狀態(tài)σ3=σ3f 極限平衡狀態(tài)σ3<σ3f 破壞狀態(tài),5.

13、 破壞判斷方法,§5 土的抗剪強度,§5.1 土體破壞與土的強度理論,摩爾-庫侖強度理論,判別對象：土體微小單元（一點）,?1= 常數(shù)：,根據(jù)應(yīng)力狀態(tài)計算出大小主應(yīng)力σ1、σ3,判斷破壞可能性,,由σ1、σ3計算?與?比較,? > ? 不可能狀態(tài)? = ? 極限平衡狀態(tài)? < ? 安全狀態(tài),,,,,?,?,O,,?,c,,,,,,5. 破壞判斷方法,§5 土的抗剪強度,§5.1 土

14、體破壞與土的強度理論,摩爾-庫侖強度理論,判別對象：土體微小單元（一點）,(?1 + ?3)/2 = 常數(shù)：圓心保持不變,,,,?,,,,,,?,?,O,,?,c,,,,,?1f,?3,,2?,,,,2?,6. 滑裂面的位置,與大主應(yīng)力面夾角： α=45? + ?/2,,§5 土的抗剪強度,§5.1 土體破壞與土的強度理論,摩爾-庫侖強度理論,一、室內(nèi)試驗二、野外試驗,§5.2 抗剪強度測定試驗,&#

15、167;5 土的抗剪強度,直剪試驗、三軸試驗等 制樣（重塑土）或現(xiàn)場取樣 缺點：擾動 優(yōu)點：應(yīng)力條件清楚，易重復(fù),十字板扭剪試驗、旁壓試驗等 原位試驗 缺點：應(yīng)力條件不易掌握 優(yōu)點：原狀土的原位強度,§5.2 抗剪強度測定試驗,§5 土的抗剪強度,一、室內(nèi)試驗,1. 直剪試驗,通過控制剪切速率來近似模擬排水條件,1. 固結(jié)慢剪：施加正應(yīng)力-充分固結(jié)慢慢施加剪應(yīng)力-小于0.02mm/分，以保

16、證無超靜孔壓2. 固結(jié)快剪施加正應(yīng)力-充分固結(jié)在3-5分鐘內(nèi)剪切破壞3. 快剪施加正應(yīng)力后立即剪切3-5分鐘內(nèi)剪切破壞,§5.2 抗剪強度測定試驗,§5 土的抗剪強度,一、室內(nèi)試驗,1. 直剪試驗,,設(shè)備簡單，操作方便 結(jié)果便于整理 測試時間短,優(yōu)點,,試樣應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜 應(yīng)變不均勻 不能控制排水條件 剪切面固定,缺點,§5.2 抗剪強度測定試驗,§5 土的抗剪強度,一、室內(nèi)試

17、驗,1. 直剪試驗,類似試驗：環(huán)剪試驗單剪試驗,,,,,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,§5.2 抗剪強度測定試驗,§5 土的抗剪強度,一、室內(nèi)試驗,2. 三軸試驗,（1）試樣應(yīng)力特點與試驗方法（2）強度包線（3）試驗類型（4）優(yōu)缺點,§5.2 抗剪強度測定試驗,§5 土的抗剪強度,一、室內(nèi)試驗,2. 三軸試驗,方法：首先試

18、樣施加靜水壓力—室壓（圍壓） ?1=?2=?3 ； 然后通過活塞桿施加的是應(yīng)力差Δ?1= ?1-?3 。,（1）試樣應(yīng)力特點與試驗方法：,特點：試樣是軸對稱應(yīng)力狀態(tài)。垂直應(yīng)力?z一般是大主應(yīng)力；徑向與切向應(yīng)力總是相等?r=??，亦即?1=?z；?2=?3=?r,強度包線,,,,,,(?1-??)f,,,c,?,,,,(?1-??)f,,,,?1,,,,,?1- ?3,?1 =15%,分別作圍壓??為100 kPa 、200 kPa

19、 、300 kPa的三軸試驗，得到破壞時相應(yīng)的（?1-??)f,繪制三個破壞狀態(tài)的應(yīng)力摩爾圓，畫出它們的公切線——強度包線，得到強度指標 c 與 ?,§5.2 抗剪強度測定試驗,§5 土的抗剪強度,一、室內(nèi)試驗,2. 三軸試驗,（2）強度包線,固結(jié)排水試驗（CD試驗）1 打開排水閥門，施加圍壓??后充分固結(jié)，超靜孔隙水壓力完全消散；2 打開排水閥門，慢慢施加軸向應(yīng)力差?????以便充分排水，避免產(chǎn)生超靜孔壓,固結(jié)

20、不排水試驗（CU試驗）1 打開排水閥門，施加圍壓??后充分固結(jié)，超靜孔隙水壓力完全消散；2 關(guān)閉排水閥門，很快剪切破壞，在施加軸向應(yīng)力差?????過程中不排水,不固結(jié)不排水試驗（UU試驗）1 關(guān)閉排水閥門，圍壓??下不固結(jié)；2 關(guān)閉排水閥門，很快剪切破壞，在施加軸向應(yīng)力差?????過程中不排水,cd 、?d,ccu 、?cu,cu 、?u,（3）試驗類型,§5.2 抗剪強度測定試驗,§5 土的抗剪強度,

21、一、室內(nèi)試驗,2. 三軸試驗,固結(jié)排水試驗（CD試驗） Consolidated Drained Triaxial test (CD) 抗剪強度指標： cd ?d （c? ??）,試驗類型匯總,固結(jié)不排水試驗（CU試驗） Consolidated Undrained Triaxial test (CU) 抗剪強度指標：ccu ?cu,不固結(jié)不排水試驗（UU試驗） Unconsolidat

22、ed Undrained Triaxial test (UU) 抗剪強度指標： cu ?u （ cuu ?uu ）,§5.2 抗剪強度測定試驗,§5 土的抗剪強度,一、室內(nèi)試驗,2. 三軸試驗,優(yōu)點：1 應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力路徑明確；2 排水條件清楚，可控制；3 破壞面不是人為固定的；4 試驗單元體試驗,缺點：設(shè)備相對復(fù)雜，現(xiàn)場無法試驗,說明： ?3＝0 即為無側(cè)限抗壓強度試驗,（4）優(yōu)點和缺點,&

23、#167;5.2 抗剪強度測定試驗,§5 土的抗剪強度,一、室內(nèi)試驗,2. 三軸試驗,真三軸儀空心圓柱扭剪儀,§5.2 抗剪強度測定試驗,§5 土的抗剪強度,一、室內(nèi)試驗,3. 其它室內(nèi)試驗,十字板剪切試驗,一般適用于測定軟粘土的不排水強度指標；,鉆孔到指定的土層，插入十字形的探頭；,通過施加的扭矩計算土的抗剪強度,§5.2 抗剪強度測定試驗,§5 土的抗剪強度,二、野外試驗,時：,,

24、§5.2 抗剪強度測定試驗,§5 土的抗剪強度,二、野外試驗,十字板剪切試驗,強度指標：,峰值強度指標與殘余強度指標,§5 土的抗剪強度,§5.3 抗剪強度指標,粘聚力 c內(nèi)摩擦角 ?,工程應(yīng)用,三種分類方法,總應(yīng)力強度指標與有效應(yīng)力強度指標,直剪強度指標與三軸試驗強度指標,目的,分析方法,試驗方法,應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài),,§5.3 抗剪強度指標,§5 土的抗剪強度

25、,一. 總應(yīng)力指標與有效應(yīng)力指標二. 三軸試驗強度指標三. 直剪試驗強度指標四. 土的強度指標的工程應(yīng)用,1. 兩種強度指標的比較,一. 總應(yīng)力指標與有效應(yīng)力指標,§5 土的抗剪強度,土的抗剪強度的有效應(yīng)力指標c?, ??,? = c? + ?? tg????= ?-u,符合土的破壞機理，但有時孔隙水壓力u無法確定,土的抗剪強度的總應(yīng)力指標c, ?,? = c + ? tg?,便于應(yīng)用,但u不能產(chǎn)生抗剪強度，不符合

26、強度機理，應(yīng)用時要符合工程條件,強度指標,抗剪強度,簡單評價,,,,,§5.3 抗剪強度指標,,,?1?,?(?’),?,??,??,?,,,???,,??,p(p’),q,,?,,,u,??,,,Kf,Kf?,,,,?f,?f?,,u,u,松砂及正常固結(jié)粘土(CU),一. 總應(yīng)力指標與有效應(yīng)力指標,§5.3 抗剪強度指標,§5 土的抗剪強度,2. 強度包線與破壞主應(yīng)力線,思考題1：實際破裂面的方向？思考

27、題2：如果破壞時孔隙水壓力u??(負孔壓)，有效應(yīng)力摩爾圓在總應(yīng)力摩爾圓哪邊？,,??,,,?(?’),?,c,c?,,?,,,,?f,?f?,,,,,超固結(jié)粘土的總應(yīng)力與有效應(yīng)力強度包線(CU),,,u(-),,一. 總應(yīng)力指標與有效應(yīng)力指標,§5 土的抗剪強度,2.強度包線與破壞主應(yīng)力線,u(+),總應(yīng)力,有效應(yīng)力,§5.3抗剪強度指標,§5 土的抗剪強度,一. 總應(yīng)力指標與有效應(yīng)力指標 二. 三軸試

28、驗強度指標 三. 直剪試驗強度指標 四. 土的強度指標的工程應(yīng)用,§5.3 抗剪強度指標,二. 三軸試驗強度指標,§5 土的抗剪強度,剪切前固結(jié)條件,剪切中排水條件,固結(jié)Consolidated,排水Drained,1.固結(jié)排水試驗 （CD）,2.固結(jié)不排水試驗（CU）,固結(jié)Consolidated,不排水Undrained,不固結(jié)Unconsolidated,不排水Undrained,三種試驗,

29、,,,,,,,3.不固結(jié)不排水試驗（UU）,§5.3 抗剪強度指標,,,?????,??,?v,軸向應(yīng)力漸進增加，體應(yīng)變是體縮，最終二者均趨于穩(wěn)定,1、松砂與正常固結(jié)粘土試驗曲線與強度包線,,,,,,?=?’,?,,?f=?f?,,,§5 土的抗剪強度,二.三軸試驗強度指標,§5.3 抗剪強度指標,?????,??,?v,?v??表示體縮?v?0表示體脹(剪脹),應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系軟化，體應(yīng)變剪脹,,,,峰值

30、強度,,殘余強度,2、密砂與超固結(jié)粘土試驗曲線與強度包線,,,,,,?,?,,,,,,,,,峰值強度,殘余強度,?f?,密砂強度包線,密砂應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線,§5 土的抗剪強度,二.三軸試驗強度指標,§5.3 抗剪強度指標,?v??表示體縮?v?0表示體脹(剪脹),超固結(jié)粘土強度包線,超固結(jié)粘土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線,2、密砂與超固結(jié)土試驗曲線與強度包線,§5 土的抗剪強度,二.三軸試驗強度指標,應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系軟化

31、，體應(yīng)變剪脹,c≠0,§5.3 抗剪強度指標,,,,,,,cu = qu/2,cu,qu = ??,?,?,,3、無側(cè)限壓縮試驗：?3 =0的不排水試驗,§5 土的抗剪強度,二.三軸試驗強度指標,§5.3 抗剪強度指標,一. 總應(yīng)力指標與有效應(yīng)力指標 二. 三軸試驗強度指標 三. 直剪試驗強度指標 四. 土的強度指標的工程應(yīng)用,§5 土的抗剪強度,§5.3 抗剪強度指標,§

32、;5 土的抗剪強度,三. 直剪試驗強度指標,1. 慢剪施加正應(yīng)力-充分固結(jié)慢慢施加剪應(yīng)力-小于0.02mm/分，以保證無超靜孔壓2. 固結(jié)快剪施加正應(yīng)力-充分固結(jié)在3-5分鐘內(nèi)剪切破壞3. 快剪施加正應(yīng)力后立即剪切3-5分鐘內(nèi)剪切破壞,§5.3 抗剪強度指標,強度指標,對于砂土，三種試驗結(jié)果都接近于c? ?? 對于粘性土，慢剪(Slowly: s) ：cs?c? ?s???;

33、 由于摩擦和中主應(yīng)力使其強度指標稍大 0.9cs?c?, 0.9?s???固結(jié)快剪（Consolidated Quickly : cq） ccq?ccu ?cq??cu 快剪 (Quickly: q) : 對于 k<10-7 cm/s 粘土 c

34、q?cu ?q??u,§5 土的抗剪強度,三. 直剪試驗強度指標,§5.3 抗剪強度指標,一. 總應(yīng)力指標與有效應(yīng)力指標 二. 三軸試驗強度指標 三. 直剪試驗強度指標 四. 土的強度指標的工程應(yīng)用,§5 土的抗剪強度,§5.3抗剪強度指標,四. 土的強度指標的工程應(yīng)用,§5 土的抗剪強度,有效應(yīng)力指標還是總應(yīng)力指標？ 三軸試驗指標還是直剪試驗指標？ 峰值強度指標還是

35、殘余強度指標？,§5.3 抗剪強度指標,,四. 土的強度指標的工程應(yīng)用,§5 土的抗剪強度,有效應(yīng)力指標與總應(yīng)力指標凡是可以確定（測量、計算）孔隙水壓力u的情況，都應(yīng)當使用有效應(yīng)力指標c?，??,§5.3 抗剪強度指標,四. 土的強度指標的工程應(yīng)用,§5 土的抗剪強度,三軸試驗指標與直剪試驗指標砂土： c?, ?? 三軸排水試驗指標與直剪試驗指標

36、（直剪試驗得到的指標偏大）粘土： 有效應(yīng)力指標：固結(jié)排水、固結(jié)不排水 總應(yīng)力指標：三軸固結(jié)不排水、不排水; 直剪固結(jié)快剪、快剪,§5.3 抗剪強度指標,,,,,,,,,,四. 土的強度指標的工程應(yīng)用,§5 土的抗剪強度,峰值強度指標與殘余強度指標 峰值強度 一般問題 殘余強度 古舊滑坡

37、斷層夾泥 大變形問題,§5.3抗剪強度指標,粘土地基上分層慢速施工的填方,穩(wěn)定滲流期的土壩,天然粘土坡或在粘土中的開挖,固結(jié)排水強度指標的應(yīng)用實例ccd ?cd,幾種固結(jié)不排水強度指標的應(yīng)用實例 ccu ?cu,在1層土固結(jié)后，施工2層,庫水位從1驟降到2,在天然土坡上快速填方,幾種不排水強度指標cu 在工程中的應(yīng)用,,,軟土地基上快速施工的填方,土壩快速施工，心墻未固結(jié),粘土地基上快速施

38、工的建筑物,飽和松砂在振動情況下孔壓急劇升高在瞬間砂土呈液態(tài),,,時間T,孔壓 U,,,§5 土的抗剪強度,§5.4砂土的振動液化,二. 飽和松砂的振動液化,1. 液化現(xiàn)象,日本阪神地震引起的路面塌陷,由于液化引起的河道破壞—日本神戶,阪神地震中新干線的傾覆,地基液化引起的儲油罐傾斜—日本神戶,日本阪神地震引起的地面下沉房屋脫離地面,樁基礎(chǔ)（房屋基礎(chǔ)露出地面）,,,§5 土的抗剪強度,§

39、5.4砂土的振動液化,2. 液化機理,振前砂土結(jié)構(gòu),振中顆粒懸浮，有效應(yīng)力為零,振后砂土變密實,§5 土的抗剪強度,§5.4砂土的振動液化,2. 液化機理,§5 土的抗剪強度,§5.4砂土的振動液化,2. 液化機理,§5 土的抗剪強度,§5.4砂土的振動液化,2. 液化機理,,,,,,,,,,,,,,礫類土： 粒徑大于5mm<60%大粒徑顆粒處于懸浮狀態(tài)，細顆粒的液

40、化導(dǎo)致整體液化。,,,,,,,,§5 土的抗剪強度,§5.4砂土的振動液化,2. 液化機理,在飽和砂土中，由于振動引起顆粒的懸浮，超靜孔隙水壓力急劇升高，直到其孔隙水壓力等于總應(yīng)力時，有效應(yīng)力為零，砂土的強度喪失，砂土呈液體流動狀態(tài)，稱為液化現(xiàn)象。,§5 土的抗剪強度,§5.4砂土的振動液化,3. 液化定義,4.1 飽和度4.2 組成粉細砂： d50 =0.07mm- 1.0mm礫類土

41、： 粒徑大于5mm<60%粉土： Ip=（3-10）Il=0.75-1.04.3 狀態(tài)： 相對密度Dr<50%4.4 結(jié)構(gòu)4.5 其他： 排水條件、應(yīng)力狀態(tài)及歷史、地震特性…….,§5 土的抗剪強度,§5.4砂土的振動液化,4. 砂土液化的影響因素,5. 砂土液化的工程防治,加固地基土：換土、加密加固建筑物深基礎(chǔ)與樁基礎(chǔ),§5 土的抗剪強度,§5.4砂土的振動液