巖土力學課件第五章 土的抗剪強度

1、2024/4/1,巖土力學,,,滑動面,,滑前邊坡,,,,,,,,,,,,,,原地面,滑動面,,,圖5-1 土坡滑動,圖5-2 地基失穩(wěn),2024/4/1,巖土力學,二、工程中常見的強度問題（1）土作為土工結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定性問題 如人工筑成的路堤，土壩的邊坡以及天然土坡等的穩(wěn)定性問題。（2）土作為工程結(jié)構(gòu)的環(huán)境的問題 即土壓力問題。這和邊坡穩(wěn)定問題有直接聯(lián)系，若邊坡較陡不能保持穩(wěn)定，又由于場地或其他

2、條件限制而不允許采用平緩邊坡時，就可以修筑擋土墻來保持力的平衡。這類工程問題如擋土墻、橋臺、地下隧道等。（3）土作為建筑物的地基問題，即地基承載力的問題。三、土的抗剪強度測試方法室內(nèi)試驗：應力狀態(tài)被改變，取土過程受到干擾原位測試：精度不高,2024/4/1,巖土力學,§2 土的抗剪強度和破壞理論,屈服或塑流：軟土,一、土的屈服與破壞1．理想彈、塑性材料的應力-應變關系①應力-應變成直線關系 ②變形是完全

3、彈性的應力-應變關系是唯一的，與應力路徑和應力歷史無關③ 稱屈服應力或破壞應力,,,,,,a,,,,,?1,,圖5-3,2024/4/1,巖土力學,2．土的應力-應變關系（1）正常固結(jié)（松砂），圖5-3曲線（3） 加工硬化, 屈服點至b點, 無峰值（2）超固結(jié)（密松），圖5-3曲線（2） 加工軟化，出現(xiàn)峰值3．實際計算時土的彈塑性問題（1）按線彈性體（2

4、）按理想塑性材料二、莫爾——庫倫破壞理論（一）土的破壞理論1．廣義特萊斯卡理論,,,,,,?1- ?3,?1,?3 =300kpa,?3 =200kpa,?3 =100kpa,圖5-4 土的應力-應變關系,2024/4/1,巖土力學,,,2．廣義密色斯理論式中 E——材料的彈性模量 ——材料的泊松比 ——畸變能的極限值 ， 3．莫爾——庫倫理論  

5、圖5-5 固定剪切面的剪切試驗,2024/4/1,巖土力學,（1）庫倫公式基本形式（總應力抗剪強度公式）式中 ——剪切破壞面上的剪應力，即土的抗剪強度 ——破壞面上的法向應力 ——土的粘聚力，對于無粘性土， ——土的內(nèi)摩擦角* 稱為抗剪強度指標，同一種土，它們與試驗方法有關（2）有效應力抗剪強度公式式中 ——剪切破壞面上

6、的有效法向應力 u ——土中的超靜孔隙水壓力 ——土的有效粘聚力 ——土的有效內(nèi)摩擦角， 土的有效抗剪強度指標，對于同一種土，其值理論上與試驗方法無關，應接近于常數(shù)。,,,,,,,,,,,,2024/4/1,巖土力學,4．莫爾抗剪強度公式當應力變化范圍不很大時可用庫倫直線代替莫爾破壞包線（二）莫爾——庫倫破壞準則——極限平衡條件

7、1．土體中剪切破壞面位置的確定（1）在地面荷載p作用下，土中某點M的應力狀態(tài)應力圓在強度包線下面，該點應力條件處于彈性狀態(tài)應力圓正好與強度相切，該點處于極限平衡狀態(tài),,,,.A,.C,.B,,,,,,,,,,,,· M,p,2024/4/1,巖土力學,,,O,,,,,,,,,,,,450+?/2,450+?/2,,?1f,圖5-7 土的破裂面確定,2024/4/1,巖土力學,又因故得（5-7

8、）′又因得：故公式（5-7）′可寫為：,,,,,,,,,,2024/4/1,巖土力學,,若，即對潔凈的砂土，則有 當 時，,,,歸納莫爾——庫倫破壞理論，可表達為如下三個要點：1．破壞面上，材料的抗剪強度是法向應力的函數(shù)?？杀磉_為：2．當法向應力不很大時，抗剪強度可簡化為法向應力的線性函數(shù)，即表示為庫倫公式,,2024/4/1,巖土力學,3．土單元體中，任何一個面上的剪應力大于該面上

9、土的抗剪強度，土單元體即發(fā)生破壞，用破壞準則表示即為式（5-7）至式（5-10）的極限平衡條件（三）極限平衡條件的應用達到極限平衡所要求的內(nèi)磨擦角單元體已破壞單元體處于彈性平衡狀態(tài)單元體處于塑性平衡狀態(tài) 達極限平衡所要求的大主應力 土體已破壞，反之，處于彈性平衡狀態(tài),,,2024/4/1,巖土力學,§3 土的抗剪強度試驗方法,一、三軸剪切試驗（一）常規(guī)三軸剪切試驗方法（

10、1）排水剪：圖及試驗結(jié)果見第四章第二節(jié)（2）不排水剪：詳細討論見第五節(jié) 圖5-11 不排水剪切的應力-應變-孔壓關系曲線,,密實,中密,軸向應變 ?1 (%),u,100,2024/4/1,巖土力學,（二）破壞包線和抗剪強度指標1．從應力-應變關系曲線尋找破壞時的偏差應力 的方法有三種（1）取曲線的最大偏差應力值 當需要用土的殘余強度時取

11、 試驗曲線的終值 作（2）以最大有效主應力比處的偏差應力值作為（3）取規(guī)定的軸向應變值 所相應的偏差應力作為 值2．包絡線的作法由 可作出包絡線,,,2024/4/1,巖土力學,（三）三軸試驗中的應力路徑和破壞主應力線1．三軸排水,,,所以,應力路徑：直線 p=q*破壞主應力線 ，——破壞點的連

12、線,圖5-13 排水剪切應力路徑,,2024/4/1,巖土力學,2．三軸不排水試驗a. 總應力（不考慮 ）增加 ，有b. 有效應力路徑增加其中 ， 所以u不是常量。,,,,P=(?1+ ?3)/2 P/=(?1/+ ?3/)/2,圖5-14 不排水剪切應力路徑,Kf/,2024/4/1,巖土力學,,,c,,3）破壞包線與破壞主應力線關系故又故

13、,圖5-15破壞包線與破壞主應力線,2024/4/1,巖土力學,（四） 三軸試驗的發(fā)展令,2024/4/1,巖土力學,二、直剪試驗,（一）試驗設備和試驗方法設備：應變控制式直接剪切儀取破壞時的正應力和剪應力值作出 曲線取值： 取剪應力—剪變形曲線峰值為取值： — 曲線之終值,,2024/4/1,巖土力學,（二）優(yōu)缺點及新發(fā)展優(yōu)點：（1）固結(jié)快，試驗歷時短 （2）無側(cè)向膨脹 曲豎向變形直接算

14、出缺點：（1）剪切面上剪應力分布不均勻，中間小邊緣大 （2）不能控制排水條件，無法測出孔隙水壓力 （3）剪切面上土的性值不能代表其他部位土深基坑不能做直剪試驗，應作三軸試驗發(fā)展方向：單剪儀,2024/4/1,巖土力學,（三）無側(cè)限壓縮試驗,,根據(jù)土的極限平衡條件,,,,,,If,Then,應用：1° 代替三軸試驗（當）2° 可用來求土的靈敏度 缺點：1° 太軟土（流塑）

15、不可2° 試驗快 , 水來不及排除,,2024/4/1,巖土力學,四、十字板剪切試驗——原位試驗,（一）土的原位測試技術(shù)的優(yōu)點1．可在現(xiàn)場進行，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)進行，可得到完整的土層剖面及物理力學指標4．具有快速經(jīng)濟的優(yōu)點土的原位測試技術(shù)的缺點1．難于控制測試中的邊界條件，如排水條件和應力條件2．測試數(shù)據(jù)和土的工程性質(zhì)的關系建立在統(tǒng)計經(jīng)驗關系上3．測試設備進入土層

16、對土層也有一定擾動4．試驗應力路徑無法很好控制，試驗時的主應力方向與實際 工程往往不一致5．應變場不均勻，應變速率大于實際工程的正常固結(jié),2024/4/1,巖土力學,（二）十字板剪切試驗適用范圍測定正常固結(jié)飽和軟粘土的不排水抗剪強度 和靈敏度（三）測試原理：其中：假（各向同性） ——柱體的上、下面的抗剪強度對圓心所產(chǎn)生的抗扭力矩 ——圓柱面上的剪應力對圓心所產(chǎn)

17、生的抗扭力矩,1．影響測試精度的主要因素（1）旋轉(zhuǎn)速率（2）土的各向異性（3）十字板頭規(guī)格,圖5-23,2024/4/1,巖土力學,（4）排水條件（5）軸桿與孔壁摩擦2．成果分析應用（1）計算軟粘土的不排水抗剪強度峰值，殘余峰和靈敏度（2）繪制 隨深度變化曲線（3）土的長期強度僅為峰值強度的60~70%，應修正（4）十字板不排水抗剪強度的應用a. 計算地基承載力b. 預估單樁承載力c. 求

18、軟粘土靈敏度d. 軟土地區(qū)堤壩的臨界高度e. 地基抗滑穩(wěn)定分析f. 估計土的液性指數(shù)g. 檢驗地基加固效果h. 根據(jù) 變化曲線關系，判定軟土固結(jié)歷史,2024/4/1,巖土力學,§4 土的抗剪強度機理和影響因素,一、摩擦強度一般由兩部分組成：一是顆粒之間滑動時產(chǎn)生的滑動摩擦，一是顆粒之間脫離咬合狀態(tài)而移動所產(chǎn)生的咬合摩擦。滑動摩擦與顆粒形狀、礦物組成、級配有關咬合摩擦與土的密度、磨圓度有關

19、影響（粗粒土）的因素：（1）密度（2）粒經(jīng)級配 （3）顆粒形狀（4）礦物成分,2024/4/1,巖土力學,二、粘聚強度 細粒土的粘聚力取決于土粒間的各種物理化學作用力，包括庫倫力（靜電力）、范得華力、膠結(jié)作用力等。對粘聚力的微觀研究是一個很復雜的問題，目前還存在著各種不同的見解。三、摩擦強度和粘聚強度的內(nèi)在聯(lián)系 接觸點面積： Ai=Ni/?y式中 ?y ——材料的屈服強度又

20、 ?f=s Ai 所以其中 f可看成摩擦系數(shù)，f=tg?,,,,,,,,,隙,空,空,隙,,P,,P,Ni,Ai,(a),(b),圖5-30 土顆粒的微觀接觸荷載教小時荷載增加，接觸點屈服,2024/4/1,巖土力學,結(jié)論 土的抗剪強度雖然形式上區(qū)分為摩擦強度和粘聚強度，而其物理實質(zhì)則難以截然區(qū)分；c=0, 并非無摩擦強度，而是隱含在c 中；?=0 ，并非無粘聚強度，而是隱含于? 中。

21、 學習中，既要看到摩擦強度和粘聚強度間有區(qū)別的一面又要看到它們之間有相同的一面。,2024/4/1,巖土力學,四、密度對抗剪強度的影響—密度—有效應力—抗剪強度的唯一性關系影響抗剪強度最主要的因素：①土的組成②土的密度③土的結(jié)構(gòu)及所受應力狀態(tài)證明土的密度——有效應力——抗剪強度唯一性關系（a）排水試驗：密度增大, (b) 固結(jié)不排水試驗 不變,2024/4/1,巖土力學,,剪切至破壞,2,,,孔隙水壓力

22、u,試驗2（ 固界不排水試驗）,,,圖5-31 唯一性試驗驗證,2024/4/1,巖土力學,實驗結(jié)論：（1）正常固結(jié)土， 唯一性關系不受加載路徑影響（2）對于超固結(jié)土，只要應力歷史相同， 唯一性的原則仍可適用。 因此，應力歷史相同的土，密度愈高，抗剪強度愈大，有效應力愈高，抗剪強度也愈大。,,2024/4/1,巖土力學,§5 土在剪切中的性狀

23、和各類抗剪強度指標,土的特點： 同一種土，用同一臺儀器做試驗，如果采用的試驗方法，特別是排水條件不一樣，測得的結(jié)果往往差別很大，有時甚至相當懸殊。一、土在排水和不排水條件下的剪切狀態(tài)土與彈性材相比，有一個重要的特征：即受剪切時不僅產(chǎn)生形狀的變化，還要產(chǎn)生體積的變化——“剪脹性”，它包括體積剪脹和剪縮。對于 土體積的變化完全由于孔隙流體（水和氣）體積的變化非飽和土： 變化——首先表現(xiàn)為氣體的體積變化

24、——與土的透氣性有關飽和土： 變化——吸入或擠出水分——與滲透系數(shù)K有關，K大，體積變化時間短,2024/4/1,巖土力學,,1、排水剪 密砂： →很小，收縮→膨脹→密度降低→承受剪應力能力降低→峰值→殘余值松砂：→剪縮→密度增大→穩(wěn)定的應力,,,增大,密砂,?v,圖3-3三軸試驗應力應變曲線,2024/4/1,巖土力學,結(jié)論： 若兩種不同密實狀態(tài)的砂的組成相同，則剪應變很大時兩

25、種砂的密度和殘余強度將趨于一致，對應于該密度的孔隙比，稱為臨界孔隙比 ，它表示土處于這種密實狀態(tài)時，受剪切作用只產(chǎn)生剪應變而不產(chǎn)生體應變。,2024/4/1,巖土力學,細粒土：類似粗料土性狀正常固結(jié)及輕度超固結(jié)土類似于松砂和中密砂重度的超固結(jié)土則類似于密砂。2．不排水剪剪切中不讓土樣排水，控制體積固定不變機理：①土體積有膨脹趨勢→土產(chǎn)生負值的孔隙水壓力→作用于骨架的有效應力增加，使土體不能膨脹。②土體有收縮的趨勢而控

26、制不讓其收縮時→土產(chǎn)生正的孔隙水壓力→減小作用于骨架上的有效應力→土體不發(fā)生收縮。,2024/4/1,巖土力學,,結(jié)論：密砂產(chǎn)生負值孔隙水壓力，增加土的抗剪強度；松砂則產(chǎn)生正值孔隙水壓力，降低土的抗剪強度 正常固結(jié)土和輕度超固結(jié)土，類似于松砂和中密砂 ，重度超固結(jié)土類似于密砂。,2024/4/1,巖土力學,二、總應力抗剪強度指標和有效應力抗 剪強度指標,砂：總應力： 有效應力：式中：——總應力內(nèi)摩擦角——有效應力

27、內(nèi)摩擦角同一個試件，同一種試驗方法測得的強度只有一個，但卻有兩種表達方式顯然：例：松砂： 密砂：,,,?,?,,圖5-32 有效應力破壞包線和總應力破壞包線,,,,2024/4/1,巖土力學,結(jié)論 有效應力強度指標與總應力強度指標的差別實質(zhì)上是反映試件中孔隙水壓力對土的抗剪強度的影響?？倯Ψǎ河迷囼灧椒M原位土體的工作條件測 。有效應力法：確切反映土的抗剪強度的實質(zhì)，是今后發(fā)展方向。但孔隙水壓力

28、 不易測得。說明：理論上，若試件中的孔壓比 （ 為滑動面上的正應力）與原位土體的孔壓比相同，則用總應力法與有效應力法得到的抗剪強度就能相互一致。,2024/4/1,巖土力學,三、三軸不固結(jié)不排水剪切試驗（UU）和直剪快剪試驗,1、主要試驗過程,,,2024/4/1,巖土力學,,,,,,,,?,,cu,,?/,,,,,u,II,圖5-33 飽和土不固結(jié)不排水強度包線,2．試驗結(jié)論1）飽和試件：

29、① 不變 不變 不變②③,,大小取決于先期固結(jié)壓力 愈高， 愈小， 愈大。2）飽和土的孔壓系數(shù)B=1。有效應力圓只有一個證明：設飽和粘土試樣在地層中所受的垂直固結(jié)壓力為 ，則側(cè)向固結(jié)壓力為（ 為側(cè)向壓力系數(shù)）,,,,,2024/4/1,巖土力學,應力圓I，相當于時的情況應力圓II，相當于對I試件：其中 —

30、—初始孔隙水壓力 （1）試樣II： ∴ 有效應力圓只有一個,2024/4/1,巖土力學,3．與其它試驗關系 無側(cè)限壓縮，十字板剪切測得的4．應用 不排水強度用于荷載增加所引起的孔隙水壓力不消散，密度保持不變的情況，如地基的極限承載計算中，若建筑物的施工速度快，地基土的粘性大，透水性小，排水條件差時應采用不排水強度。（二）快剪試驗 與三軸不

31、固結(jié)不排水試驗方法相對應，在直剪試驗中稱為快剪試驗粘性較大的土樣，快剪試驗與UU試驗性質(zhì)基本相同低性粘或無粘性土，快剪試驗與UU試驗性質(zhì)差別較大,2024/4/1,巖土力學,四、三軸固結(jié)排水試驗和直剪慢剪試驗,,2．試驗結(jié)論（1）（2）試驗室土樣劃分注：上述定義與天然土層正常固結(jié)、超固結(jié)定義有區(qū)別,,2024/4/1,巖土力學,正常固結(jié)土：天然土：3．應用 （1）施工速度較慢，地基土的粘性小，透水性大，排水條件

32、良好時應采用排水強度。 （二）慢剪試驗與三軸排水試驗方法相對應，在直剪試驗中為慢剪試驗。,,,,,?,?d,o,摩擦強度,粘聚強度,,,,圖5-35 正常固結(jié)土強度包線,,,,,,,,,,圖5-36 天然土?f包線,,,?d,c,e,d,a,2024/4/1,巖土力學,五．三軸固結(jié)不排水試驗和直剪快剪試驗,,,（一）三軸固結(jié)不排水試驗．1、試驗過程,2．試驗結(jié)論 將試樣在不同的 下作不排水剪試驗，即可得破壞

33、圓,,,,?cu,圖5-38 固結(jié)不排水強度包線,2024/4/1,巖土力學,正常固結(jié)：天然土試件：有效應力抗剪指標：,,,o,,b,,,,,,,,,,?cu,圖5-39 正常固結(jié)土和天然土的固結(jié)不排水強度包線,,,,,,,,,,超固結(jié),,正常固結(jié),圖5-40 總應力強度包線和有效應力強度包線,總應力圓,有效應力圓,,,2024/4/1,巖土力學,3．應用 工程上如果土體在加載過程中既非完全不排水又非完全排水，而常處

34、于兩者之間時常采用。 較前兩種方法更為常用。（二）固結(jié)快剪試驗與三軸固結(jié)不排水方法相對應，在直接試驗中的固結(jié)快剪試驗。注意：塑性指標數(shù)對試驗結(jié)果的影響塑性指標數(shù)高的土，各種指標比較符合三軸試驗同類指標的變化規(guī)律；塑性指標數(shù)較低的粘性土，不同方法所測得的?相差無幾。,2024/4/1,巖土力學,六．土的殘余強度,1．排水剪密砂：松砂：強度穩(wěn)定值2、不排水剪密砂，中砂，密、松砂 隨 升高，不存

35、在極松砂?（圖5-42 ）工程應用：在飽和疏松的粉細砂中開挖基坑，類似不排水狀態(tài)，u??, ?f??, 導致在很低的?下流動，此即為流砂和流動滑坡的內(nèi)在機理。,,S(剪變形),,?r,,,,?3,Kf/,(a),(b),,圖5-42不排水試驗的殘余強度,,排水試驗,2024/4/1,巖土力學,粘性土的殘余強度機理與砂土區(qū)別：前者強度的降低主要是由于在剪切中土的結(jié)構(gòu)起變化所致。,S(剪位移）,正常固結(jié)峰值,,,,,,,超

36、固結(jié)峰值,?,,有效應力?/,超固結(jié)土,正常固結(jié)土,,,,殘余強度,,,,,,,?/,?/,?r,*,圖5-43 粘性土的剪切試驗曲線,工程應用 天然滑坡的滑動面或斷層面，土體往往因多次滑動而經(jīng)歷相當大的變形，分析其穩(wěn)定性時，應該采用殘余強度。,2024/4/1,巖土力學,七、抗剪強度指標的選用,（《巖土力學》張振營 中國水利水電出版社） 土的抗剪強度及其指標的確定將會因所采用的分析方法（總應力法或

37、有效應力法）的不同而有所不同，必須分別確定和采用相應的指標。1、當采用有效應力法進行工程設計時，應選用有效強度指標。只要能比較準確地確定孔隙壓力，則采用有效強度指標是應該推薦的； 有效強度指標可用直剪的慢剪、三軸不排水剪和固結(jié)不排水剪（監(jiān)測孔隙壓力）等方法測定；2、對于可能發(fā)生快速加荷的正常固結(jié)粘土上地基土的穩(wěn)定分析可采用不排水剪指標；,2024/4/1,巖土力學,精品課件！,2024/4/1,巖土力學,精品課件！,2