《土的抗剪強度》ppt課件

1、土體強度表現(xiàn)為：一部分土體相對與另一部分土體的滑土體強度表現(xiàn)為：一部分土體相對與另一部分土體的滑動，滑動面上剪應力超越了極限抵抗才干抗剪強度；動，滑動面上剪應力超越了極限抵抗才干抗剪強度；土的抗剪強度是指土體對于外荷載所產生的剪應力土的抗剪強度是指土體對于外荷載所產生的剪應力的極限抵抗才干。的極限抵抗才干。TNGf土的破壞主要是由于剪切所引起的，剪切破壞是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重要特點。土體破壞的重要特點。在外荷載的作用下，土體中任一截面將同時產生法在外荷載的作用下，土體中任一截面將同時產生法向應力和剪應力，其中法向應力作用將使土體發(fā)生向應力和剪應力，其中法向應力

2、作用將使土體發(fā)生壓密，而剪應力作用可使土體發(fā)生剪切變形。壓密，而剪應力作用可使土體發(fā)生剪切變形。1. 土體的破壞從本質上講是由于土體的破壞從本質上講是由于 (A) 壓壞壓壞 (B) 拉壞拉壞 (C) 剪壞剪壞17761776年，庫侖根據(jù)砂土剪真實驗得出年，庫侖根據(jù)砂土剪真實驗得出庫侖定律：土的抗剪強度是剪切面上的法向總應力庫侖定律：土的抗剪強度是剪切面上的法向總應力 的線性函數(shù)的線性函數(shù) 后來，根據(jù)粘性土剪真實驗得出后來，根據(jù)粘性土剪真實驗得出 f = tan 砂土砂土 f f =c+ tan 粘土粘土c f抗剪強度目的抗剪強度目的c:土的粘聚力土的粘聚力 :土的內摩擦角土的內摩擦角tanft

3、ancf f 破壞破壞z x f 穩(wěn)定穩(wěn)定 = f 極限平衡外形極限平衡外形莫爾應力圓莫爾應力圓 3 3 1 1 3 1斜面上的應力斜面上的應力斜邊長斜邊長L縱向縱向1m 0FX0LsinLcosLsin3 0FZ0LcosLsinLcos1 cos2223131sin2231cos22231312312231)2()2(圓心圓心半徑半徑,0)2(31231 O 1 32O),A(cos2223131sin2231莫爾圓可以表示土體中一點的應莫爾圓可以表示土體中一點的應力外形，莫爾圓圓周上各點的坐力外形，莫爾圓圓周上各點的坐標就表示該點在相應平面上的標就表示該點在相應平面上的正應力和剪應力。正

4、應力和剪應力。莫爾應力圓圓周上的恣意點，都代表著單元土體中相應斜面上莫爾應力圓圓周上的恣意點，都代表著單元土體中相應斜面上的應力外形的應力外形 3 1 3 1 O 1 32O2312231)2()2(應力圓與抗剪強度線相離：應力圓與抗剪強度線相離： 抗剪強度直線抗剪強度直線應力圓與抗剪強度線相切：應力圓與抗剪強度線相切：應力圓與抗剪強度線相割：應力圓與抗剪強度線相割：f f f 破壞外形破壞外形 f = tan +cc 穩(wěn)定穩(wěn)定 f = tan +cc 209022450 剪破面與大主應力面的夾角剪破面與大主應力面的夾角 3 3 1 1 土的極限平衡條件土的極限平衡條件根據(jù)莫爾庫侖破壞準那么來

5、研討某一土體單元處于極限平衡根據(jù)莫爾庫侖破壞準那么來研討某一土體單元處于極限平衡外形時的應力條件及其大、小主應力之間的關系，該關系稱為土外形時的應力條件及其大、小主應力之間的關系，該關系稱為土的極限平衡條件。的極限平衡條件。根據(jù)莫爾庫侖破壞準那么，當單元土體到達極限平衡外形時，根據(jù)莫爾庫侖破壞準那么，當單元土體到達極限平衡外形時，莫爾應力圓恰好與庫侖抗剪強度線相切。莫爾應力圓恰好與庫侖抗剪強度線相切。 3 1c 2 fA ccot 313121cot21sinc245tan2245tan231ooc245tan2245tan213ooc無粘性土：無粘性土：c=0c=0粘性土：粘性土：245ta

6、n231o245tan213o231極限平衡應力外形：極限平衡應力外形： 有一對面上的應力外形到達有一對面上的應力外形到達 = = f f土的強度包線：一切到達極限平衡外形的莫爾圓的公切線。土的強度包線：一切到達極限平衡外形的莫爾圓的公切線。 f強度包絡線強度包絡線【例題】知某土體單元的大主應力【例題】知某土體單元的大主應力1380kPa，小主應，小主應力力3210kPa。經過實驗測得土的抗剪強度目的。經過實驗測得土的抗剪強度目的c=20kPa，19，問該單元土體處于什么外形？，問該單元土體處于什么外形？解解 1直接用直接用與與f的關系來判別的關系來判別2450剪破面與大主應力面的夾角剪破面與

7、大主應力面的夾角054求相應面上的抗剪強度求相應面上的抗剪強度f為為分別求出剪破面上的法向應力分別求出剪破面上的法向應力和剪應力和剪應力為為cos2223131sin2231020303tan190cos10822104802210480128kPa0480210sin1082303kPatancf124kPa求相應面上的抗剪強度求相應面上的抗剪強度f為為分別求出最大剪應力面上的法向應力分別求出最大剪應力面上的法向應力和剪應力和剪應力為為cos2223131sin2231020345tan190480210480210cos9022135kPa0480210sin902345kPatancf1

8、39kPa2取最大剪應力斜面處于什么外形取最大剪應力斜面處于什么外形045最大剪應力與大主應力面的夾角最大剪應力與大主應力面的夾角例：設砂土的內摩擦角為例：設砂土的內摩擦角為38度度,A點的大主應力為點的大主應力為530kPa，小主應力為，小主應力為120kPa，該點處于什么外，該點處于什么外形？形？ B點所受剪應力點所受剪應力122kPa，法線應力，法線應力246kPa該點處于什么外形？該點處于什么外形？解：解：判別判別A點方法一：點方法一：2450剪破面與大主應力面的夾角剪破面與大主應力面的夾角064分別求出剪破面上的法向應力分別求出剪破面上的法向應力和剪應力和剪應力為為cos222313

9、1sin22310cos12821205302120530162kPa0sin1282120530kPa1990tan381099tancf155kPa)22ctan(45)2(45tan00231f)2380tan(452)238(45120tan00002504.45kPa53011fA點破壞點破壞 f = tan +c 判別判別A點方法二：點方法二：B點不會破壞點不會破壞tancf0246tan380192.2kPaf122土體破壞土體破壞11f土體不破壞土體不破壞11f土體不破壞土體不破壞31f土體破壞土體破壞31fkPa2503kPa4001kPa160u時，土樣可以破裂面上的剪應力

10、是多少時，土樣可以破裂面上的剪應力是多少?例：某飽和土樣，有效抗剪強度目的為例：某飽和土樣，有效抗剪強度目的為 2812kPaC大小主應力為大小主應力為孔隙水壓力為孔隙水壓力為土樣能否會破壞？土樣能否會破壞？ f=c+(-u)tg解：解：u11u33400160 = 240kpa250160 = 90kpa2450剪破面與大主應力面的夾角剪破面與大主應力面的夾角590分別求出剪破面上的法向應力分別求出剪破面上的法向應力和剪應力和剪應力為為1313cos22213sin2266kPa301kPa130012tan28fctan81kPa02409024090cos11822240090sin11

11、825.3 抗剪強度實驗抗剪強度實驗按常用的實驗儀器可將剪真實驗分：按常用的實驗儀器可將剪真實驗分：為直接剪真實驗為直接剪真實驗三軸緊縮實驗三軸緊縮實驗無側限抗壓強度實驗無側限抗壓強度實驗和十字板剪真實驗四種。和十字板剪真實驗四種。5.3.1 直接剪真實驗直接剪真實驗可以測定土的兩個抗剪強度目的：可以測定土的兩個抗剪強度目的：c:土的粘聚力土的粘聚力 :土的內摩擦角土的內摩擦角PSTA 在不同的垂直壓力在不同的垂直壓力 下進展剪真實驗，得相應的抗剪強下進展剪真實驗，得相應的抗剪強度度ff，繪制，繪制f -f - 曲線，得該土的抗剪強度包線曲線，得該土的抗剪強度包線RcfC鋼環(huán)變形常數(shù)鋼環(huán)變形常

12、數(shù)R變形量變形量5.3.2、三軸緊縮實驗、三軸緊縮實驗三軸是指一個豎向和兩個側向而言，由于壓力室和試樣均三軸是指一個豎向和兩個側向而言，由于壓力室和試樣均為圓柱形，因此，兩個側向或稱周圍的應力相等并為為圓柱形，因此，兩個側向或稱周圍的應力相等并為小主應力小主應力3 ，而豎向或軸向的應力為大主應力，而豎向或軸向的應力為大主應力1。1 3 3 3 3 1 抗剪強度包線抗剪強度包線 c 分別在不同的周圍壓力分別在不同的周圍壓力3 3作用下進展剪切，得作用下進展剪切，得到到3 34 4 個不同的破壞應力圓，繪出各應力圓的公切個不同的破壞應力圓，繪出各應力圓的公切線即為土的抗剪強度包線。線即為土的抗剪強

13、度包線。 例例. 直剪實驗土樣的破壞面在上下剪切盒之間，三軸試直剪實驗土樣的破壞面在上下剪切盒之間，三軸試驗土樣的破壞面驗土樣的破壞面 。與試樣頂面夾角呈與試樣頂面夾角呈45面面 與試樣頂面夾角呈與試樣頂面夾角呈45+/2面面(C) 與試樣頂面夾角呈與試樣頂面夾角呈45/2面面試樣試樣壓力室壓力室壓力壓力水水排水管排水管閥門閥門軸向加壓桿軸向加壓桿有機玻璃罩有機玻璃罩橡皮膜橡皮膜透水石透水石頂帽頂帽1 3 3 3 3 1 三軸實驗的實驗類型三軸實驗的實驗類型1.不固結不排水實驗不固結不排水實驗UU實驗實驗在不排水條件下，施加周圍壓力增量在不排水條件下，施加周圍壓力增量3 ，然后在不允許水進出的

14、條件下，逐漸施加附然后在不允許水進出的條件下，逐漸施加附加軸向壓力加軸向壓力q，直至試樣剪破，直至試樣剪破 工程背景：運用與飽和粘土、軟粘土快速工程背景：運用與飽和粘土、軟粘土快速施工測定施工測定cu 、u 接近不固結不排水剪切條件接近不固結不排水剪切條件 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 有效應力圓有效應力圓總應力圓總應力圓 u=0u=0BCcu uAA 3A 1A實驗闡明：雖然三個試樣的周圍壓力實驗闡明：雖然三個試樣的周圍壓力 3 3不同，但破壞時的主不同，但破壞時的主應力差相等，三個極限應力圓的直徑相等，因此強度包線是應力差相等，三個極限應力圓的直徑相等，因此強度包線是一條

15、程度線。一條程度線。31312.固結不排水實驗固結不排水實驗CU實驗實驗加部分圍壓允許試樣在周加部分圍壓允許試樣在周圍應力增量下排水，待固圍應力增量下排水，待固結穩(wěn)定，再在不允許水有結穩(wěn)定，再在不允許水有進出才條件下逐漸施加軸進出才條件下逐漸施加軸向壓力，直至試樣剪破向壓力，直至試樣剪破 將總應力圓在程度將總應力圓在程度軸上左移軸上左移ufuf得到相得到相應的有效應力圓應的有效應力圓按有效應力圓強按有效應力圓強度包線可確定度包線可確定c c 、 ccuc cucuABCu11u33 3 3 3 3 3 3 翻開排翻開排水閥水閥封鎖排封鎖排水閥水閥工程背景：正常固結土體，遭到大量快速活荷載工程背

16、景：正常固結土體，遭到大量快速活荷載3.固結排水實驗固結排水實驗CD實驗實驗允許試樣在周圍壓力增量下排水，待固結穩(wěn)定在允許水有進出的允許試樣在周圍壓力增量下排水，待固結穩(wěn)定在允許水有進出的條件下以極慢的速率對試樣逐漸施加附加軸向壓力，直至試樣剪破條件下以極慢的速率對試樣逐漸施加附加軸向壓力，直至試樣剪破 在整個排水剪實驗過程中，在整個排水剪實驗過程中，uf uf 0 0，總應力全部轉化為有，總應力全部轉化為有效應力，所以總應力圓即是有效應力圓，總應力強度線即效應力，所以總應力圓即是有效應力圓，總應力強度線即是有效應力強度線，強度目的為是有效應力強度線，強度目的為cdcd、 d d。 cd d

17、d 3 3 3 3 3 3 翻開排翻開排水閥水閥例例. 一個飽和粘性土試樣，進展三軸固結不排水實驗，一個飽和粘性土試樣，進展三軸固結不排水實驗，并測出孔隙水壓力，可以得到一個總應力圓和有效應力圓并測出孔隙水壓力，可以得到一個總應力圓和有效應力圓那么那么 (A) 總應力圓大總應力圓大 (B) 有效應力圓大有效應力圓大 (C) 兩個應力圓一樣大兩個應力圓一樣大例例. 一個飽和的粘性土試樣，在三軸儀內進展不固結不排一個飽和的粘性土試樣，在三軸儀內進展不固結不排水實驗。試問土樣的破壞面水實驗。試問土樣的破壞面 (A) 與程度面呈與程度面呈45 (B) 與程度面呈與程度面呈60 (C) 與程度面呈與程度

18、面呈75ququ加壓加壓框架框架量表量表量力環(huán)量力環(huán)升降升降螺桿螺桿無側限緊縮儀無側限緊縮儀 3=0試試樣樣無側限抗壓強度實驗無側限抗壓強度實驗 0cu0 u qu無側限抗壓強度實驗所得的飽和無側限抗壓強度實驗所得的飽和粘土極限應力圓的程度切線就是粘土極限應力圓的程度切線就是破壞包線破壞包線2uufqc utuqSquq原狀土無側限抗壓強度原狀土無側限抗壓強度uq擾動土無側限抗壓強度擾動土無側限抗壓強度還可測定飽和粘土靈敏度還可測定飽和粘土靈敏度 十字板剪真實驗十字板剪真實驗實驗時，先將十字板插到要進展實驗的深度，再在十字板剪切實驗時，先將十字板插到要進展實驗的深度，再在十字板剪切儀上端的加力

19、架上以一定的轉速對其施加扭力矩，使板內的土儀上端的加力架上以一定的轉速對其施加扭力矩，使板內的土體與其周圍土體產生相對扭剪，直至剪破，測出其相應的最大體與其周圍土體產生相對扭剪，直至剪破，測出其相應的最大扭力矩。然后，根據(jù)力矩的平衡條件，推算出圓柱形剪破面上扭力矩。然后，根據(jù)力矩的平衡條件，推算出圓柱形剪破面上土的抗剪強度。土的抗剪強度。M1H HDM22 21 1DDDDM = 2M = 2 43431212M = MMM = MM2 2D DM =M =DHDH 2 22 22M2M= =D DD (H+)D (H+)3 3適用于在現(xiàn)場測定飽和粘性土的原位不排水強度適用于在現(xiàn)場測定飽和粘性

20、土的原位不排水強度結果與無側限抗壓強度實驗結果接近結果與無側限抗壓強度實驗結果接近5.4土的剪切性狀土的剪切性狀5.4.1、砂性土的剪切性狀、砂性土的剪切性狀松砂受剪時，顆粒滾落到平衡位置，陳列得更嚴密些，松砂受剪時，顆粒滾落到平衡位置，陳列得更嚴密些，所以它的體積減少，把這種因剪切而體積減少的景象所以它的體積減少，把這種因剪切而體積減少的景象稱為剪縮性；稱為剪縮性；砂土的初始孔隙比不同，在受剪過程中將顯示出非常不同的性狀。砂土的初始孔隙比不同，在受剪過程中將顯示出非常不同的性狀。緊砂受剪時，顆粒必需升高以分開緊砂受剪時，顆粒必需升高以分開它們原來的位置而彼此才干相互滑它們原來的位置而彼此才干

21、相互滑過，從而導致體積膨脹，把這種因過，從而導致體積膨脹，把這種因剪切而體積膨脹的景象稱為剪脹性。剪切而體積膨脹的景象稱為剪脹性。 隨著軸向應變的添加，松砂的強度逐漸添加，曲線應變硬化。體積逐漸減小體積逐漸減小緊砂的強度到達一定值緊砂的強度到達一定值后，隨著軸向應變的繼后，隨著軸向應變的繼續(xù)添加，強度反而減小，續(xù)添加，強度反而減小，最后呈應變軟化型最后呈應變軟化型 體積開場時稍有減小，繼而添加，超越它的初始體積5.4、粘性土的剪切性狀、粘性土的剪切性狀1.粘土的剩余強度粘土的剩余強度超固結粘土在剪真實驗中有與超固結粘土在剪真實驗中有與緊砂類似的應力應變特征，緊砂類似的應力應變特征，當強度隨著剪

22、位移到達峰值后，當強度隨著剪位移到達峰值后，假設剪切繼續(xù)進展，隨著剪位假設剪切繼續(xù)進展，隨著剪位移繼續(xù)增大，強度顯著降低，移繼續(xù)增大，強度顯著降低，最后穩(wěn)定在某一數(shù)值不變，該最后穩(wěn)定在某一數(shù)值不變，該不變的值即稱為粘土的剩余強度不變的值即稱為粘土的剩余強度5.5.6 三軸緊縮實驗中的孔隙應力系數(shù)三軸緊縮實驗中的孔隙應力系數(shù)uBuA33q=1 -31.孔隙應力系數(shù)孔隙應力系數(shù)B當試樣在不排水條件下遭到各向相等壓力增量當試樣在不排水條件下遭到各向相等壓力增量3時，時，產生的孔隙應力增量為產生的孔隙應力增量為uB， B uB/3在飽和土的不固結不排水剪實驗中，周圍壓力增量將完全在飽和土的不固結不排水

23、剪實驗中，周圍壓力增量將完全由孔隙水承當，所以由孔隙水承當，所以B1；當土完全枯燥時，孔隙氣的緊縮性要比骨架的緊縮性高的多，當土完全枯燥時，孔隙氣的緊縮性要比骨架的緊縮性高的多，這時周圍壓力增量將完全由土骨架承當，于是這時周圍壓力增量將完全由土骨架承當，于是B0。2.孔隙應力系數(shù)孔隙應力系數(shù)A當試樣遭到軸向應力增量當試樣遭到軸向應力增量q(即主應力差即主應力差13作用時，產生的作用時，產生的孔隙水應力為孔隙水應力為uA， uA的大小與主應力差的大小與主應力差13及土樣的飽和程及土樣的飽和程度有關，我們定義另一孔壓系數(shù)度有關，我們定義另一孔壓系數(shù)A如下：如下： 三向緊縮條件下的孔隙應力為：三向緊

24、縮條件下的孔隙應力為：u= u1+ u2=B3 + BA 13 uA=BA 13 5.5.7應力途徑應力途徑 應力途徑：土體中一點應力途徑：土體中一點(某個斜面某個斜面)應力外形延續(xù)變化，應力外形延續(xù)變化，在坐標中的軌跡在坐標中的軌跡作用：記錄加載的外形、歷史作用：記錄加載的外形、歷史選擇點：最大剪應力面與主應力面成選擇點：最大剪應力面與主應力面成45的斜面的斜面 最危險破壞面面與主應力面成最危險破壞面面與主應力面成45+/2的斜面的斜面 O 3 1 13 堅持為常數(shù)堅持為常數(shù) 1.直剪實驗應力途徑：直剪實驗應力途徑：不變，逐漸添加不變，逐漸添加至破壞至破壞 f = tan +c 2.三軸三軸UU實驗應力途徑：實驗應力途徑：飽和粘土，孔隙水壓力飽和粘土，孔隙水壓力U不斷增大不斷增大至土體破壞至土體破壞 閱歷強度線閱歷強度線450 3.三軸三軸CU實驗應力途徑：實驗應力途徑：軸壓增大，孔隙水壓力軸壓增大，孔隙水壓力U不斷增大，有效應力逐不斷增大，有效應力逐漸減小有效應力途徑漸減小