地基基礎(chǔ)第四土的抗剪強度(73P)

1、第四章第四章、土的抗剪強度土的抗剪強度e4.1 4.1 土的抗剪強度與極限平衡原理土的抗剪強度與極限平衡原理e4.2 4.2 土的剪切試驗方法土的剪切試驗方法 e4.3 4.3 不同排水條件時的剪切試驗成果不同排水條件時的剪切試驗成果e4.4 4.4 地基破壞型式和地基承載力地基破壞型式和地基承載力e4.5 4.5 工程地質(zhì)勘察工程地質(zhì)勘察土的抗剪強度：土的抗剪強度：土體抵抗剪切破壞的極限能力土體抵抗剪切破壞的極限能力 實例地基承載力問題實例地基承載力問題實例地基承載力問題實例地基承載力問題加拿大特朗斯康大谷倉工程實例地基承載力問題近代世界上最嚴(yán)重的建筑物破壞之一1940年水泥倉庫裝載水泥，使

2、粘性土超載，引起地基土剪切破壞而滑動。傾斜45度，地基土被擠出達5.18米，23米外的辦公樓也發(fā)生傾斜。美國紐約某水泥倉庫4.1 土的抗剪強度與極限平衡原理土的抗剪強度與極限平衡原理4.1.1 庫侖定律庫侖定律17761776年，庫侖根據(jù)年，庫侖根據(jù)砂土砂土剪切試驗得出剪切試驗得出 f = tan 砂土砂土后來，根據(jù)后來，根據(jù)粘性土粘性土剪切試驗剪切試驗得出得出 f =c+ tan 粘土粘土c 庫侖定律：庫侖定律：土的抗剪強土的抗剪強度是剪切面上的法向總應(yīng)度是剪切面上的法向總應(yīng)力力 的線性函數(shù)的線性函數(shù) tanfcftan f f庫倫公式庫倫公式 tgcf cf 抗剪強度指標(biāo)抗剪強度指標(biāo)c:

3、:土的粘聚力土的粘聚力 : :土的內(nèi)摩擦角土的內(nèi)摩擦角( (無粘性土：無粘性土：c=0) 土的抗剪強度一般可分為兩部分：一部土的抗剪強度一般可分為兩部分：一部分與顆粒間的法向應(yīng)力有關(guān)，通常呈正比例分與顆粒間的法向應(yīng)力有關(guān)，通常呈正比例關(guān)系，其本質(zhì)是關(guān)系，其本質(zhì)是摩擦力摩擦力；另一部分是與法向；另一部分是與法向應(yīng)力無關(guān)的土粒之間的粘結(jié)力，通常稱為應(yīng)力無關(guān)的土粒之間的粘結(jié)力，通常稱為粘粘聚力聚力。影響因素影響因素土的抗剪強度土的抗剪強度內(nèi)在因素內(nèi)在因素外在因素：外在因素：試驗時的排水條件等因素試驗時的排水條件等因素顆粒間的有效法向應(yīng)力顆粒間的有效法向應(yīng)力土的孔隙比土的孔隙比表達方法表達方法土的抗剪

4、強度土的抗剪強度總應(yīng)力法：總應(yīng)力法：總應(yīng)力強度指標(biāo)總應(yīng)力強度指標(biāo)有效應(yīng)力法：有效應(yīng)力法：有效應(yīng)力強度指標(biāo)有效應(yīng)力強度指標(biāo)uu cf 莫爾包線表示材料在不同應(yīng)力作用下達莫爾包線表示材料在不同應(yīng)力作用下達到到極限狀態(tài)極限狀態(tài)時，滑動面上法向應(yīng)力時，滑動面上法向應(yīng)力 與剪應(yīng)與剪應(yīng)力力 f 的關(guān)系。的關(guān)系。莫爾包線莫爾包線 f =c+ tan 4.1.2 莫爾莫爾- -庫倫強度理論庫倫強度理論土體內(nèi)一點處土體內(nèi)一點處不同方位不同方位的截面上應(yīng)力的集合的截面上應(yīng)力的集合（剪應(yīng)力（剪應(yīng)力 和法向應(yīng)力和法向應(yīng)力 ） 3 3 1 1 3 1 斜面上的應(yīng)力斜面上的應(yīng)力2cos212131312sin21314.

5、1.3 土中一點的應(yīng)力狀態(tài)土中一點的應(yīng)力狀態(tài) o 1 31/2( 1 + 3 ) 2 a( , )土中某點的土中某點的應(yīng)應(yīng)力狀態(tài)力狀態(tài)可用莫可用莫爾應(yīng)力圓描述爾應(yīng)力圓描述 3 1 莫爾圓可以表示土體中一點的應(yīng)力狀態(tài)，莫爾圓可以表示土體中一點的應(yīng)力狀態(tài)，莫爾圓圓周上各點的坐標(biāo)就表示該點在相莫爾圓圓周上各點的坐標(biāo)就表示該點在相應(yīng)平面上的應(yīng)平面上的正應(yīng)力正應(yīng)力和和剪應(yīng)力剪應(yīng)力。應(yīng)力圓應(yīng)力圓與強度線與強度線相離：相離： 強度線強度線應(yīng)力圓應(yīng)力圓與強度線與強度線相切：相切：應(yīng)力圓應(yīng)力圓與強度線與強度線相割：相割：極限應(yīng)極限應(yīng)力圓力圓f 破壞狀態(tài)破壞狀態(tài) 4.1.4 土的極限平衡條件土的極限平衡條件莫爾庫

6、侖破壞準(zhǔn)則莫爾庫侖破壞準(zhǔn)則 3 1c f2 fa cctg 1/2( 1 + 3 )313121cot21sinc245tan2245tan231ooc245tan2245tan213ooc無粘性土：無粘性土：c=0245tan231o245tan213o粘性土：粘性土：tg cfabdof極限平衡條件莫爾庫侖破壞準(zhǔn)則極限應(yīng)力圓破壞應(yīng)力圓剪切破壞面粘性土的極限平衡條件1= 3tg2(45+/2)2ctg (45+/2)3= 1tg2(45/2)2ctg (45/2)無粘性土的極限平衡條件1 1= = 3 3tgtg2 2(45+/2)(45+/2)3 3= = 1 1tgtg2 2(45(45

7、/2)/2) )245( 土體處于極限平衡狀態(tài)時，破壞面與大主應(yīng)力作土體處于極限平衡狀態(tài)時，破壞面與大主應(yīng)力作用面的夾角為用面的夾角為 f f2 f 3 1c a cctg 1/2( 1 + 3 )2459021f45max說明：說明：剪破面并不產(chǎn)生于最大剪應(yīng)力面，而與最大剪破面并不產(chǎn)生于最大剪應(yīng)力面，而與最大剪應(yīng)力面成剪應(yīng)力面成 / 2的夾角。因此，土的剪切破壞并不是的夾角。因此，土的剪切破壞并不是由最大剪應(yīng)力由最大剪應(yīng)力max所控制。所控制。 max的方法的方法測定土抗剪強度測定土抗剪強度直接剪切試驗直接剪切試驗三軸壓縮試驗三軸壓縮試驗無側(cè)限抗壓強度試驗無側(cè)限抗壓強度試驗現(xiàn)場十字板剪切儀現(xiàn)

8、場十字板剪切儀4.2 土的剪切試驗方法土的剪切試驗方法試驗儀器：試驗儀器：直剪儀（直剪儀（應(yīng)變控制式應(yīng)變控制式，應(yīng)力控制式），應(yīng)力控制式）4.2.1 直接剪切試驗直接剪切試驗應(yīng)變控制式直剪儀的試驗原理：應(yīng)變控制式直剪儀的試驗原理： 對同一種土至少取對同一種土至少取4個平行試樣，分別個平行試樣，分別在不同垂直壓力在不同垂直壓力 下剪切破壞，將試驗結(jié)果下剪切破壞，將試驗結(jié)果繪制抗剪強度繪制抗剪強度 f與相應(yīng)垂直壓力與相應(yīng)垂直壓力 的關(guān)系圖。的關(guān)系圖。剪切容器與應(yīng)力環(huán) 在不同的垂直壓力在不同的垂直壓力 下進行剪切試驗，得相應(yīng)的抗剪下進行剪切試驗，得相應(yīng)的抗剪強度強度f，繪制繪制f - 曲線，得該土的

9、抗剪強度包線曲線，得該土的抗剪強度包線apatf在法向應(yīng)力在法向應(yīng)力 作用下，剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線。作用下，剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線。4 4mmmm a a b b 剪切位移剪切位移l (0.01mm)(0.01mm) 剪應(yīng)力剪應(yīng)力 （kpakpa) ) 1 1 2 2 快剪快剪固結(jié)快剪固結(jié)快剪慢剪慢剪在直剪試驗過程中，根據(jù)加荷速率的快慢可將試驗 劃分為:直剪試驗優(yōu)缺點直剪試驗優(yōu)缺點n優(yōu)點：優(yōu)點：儀器構(gòu)造簡單，試樣的制備和安裝方便，儀器構(gòu)造簡單，試樣的制備和安裝方便，易于操作。易于操作。 n缺點：缺點： 剪切破壞面固定，且不一定是土樣的最薄弱面。剪切破壞面固定，且不一定是土樣的最薄弱面。

10、不能嚴(yán)格控制排水條件，不能量測土樣的孔隙水不能嚴(yán)格控制排水條件，不能量測土樣的孔隙水壓力。壓力。 剪切過程中試樣剪切面積逐漸減小，剪切面上的剪切過程中試樣剪切面積逐漸減小，剪切面上的剪應(yīng)力分布不均勻。剪應(yīng)力分布不均勻。一、抗剪強度包線一、抗剪強度包線 分別在不同的周圍壓力分別在不同的周圍壓力 3作用下進行剪切，得作用下進行剪切，得到到3 34 4 個不同的破壞應(yīng)力圓，繪出各應(yīng)力圓的公切個不同的破壞應(yīng)力圓，繪出各應(yīng)力圓的公切線即為土的抗剪強度包線。線即為土的抗剪強度包線。 抗剪強度包線抗剪強度包線 c 4.2.2 三軸壓縮試驗三軸壓縮試驗二、三軸剪切試驗二、三軸剪切試驗n試驗儀器：試驗儀器： 應(yīng)

11、變控制式應(yīng)變控制式三軸儀：三軸儀：壓力室壓力室，加壓系統(tǒng)加壓系統(tǒng)，量測系量測系 統(tǒng)統(tǒng)組成組成 ( (常用常用） 應(yīng)力控制式三軸儀應(yīng)力控制式三軸儀n試驗步驟試驗步驟: : 3 3 3 3 3 3 2.2.施加周圍壓力施加周圍壓力3.3.施加豎向壓力施加豎向壓力1.1.裝樣裝樣三軸壓縮儀三軸壓縮儀應(yīng)變控制式三軸儀：應(yīng)變控制式三軸儀：n壓力室壓力室n加壓系統(tǒng)加壓系統(tǒng)n量測系統(tǒng)量測系統(tǒng)軸向加荷系統(tǒng)加壓和量測系統(tǒng)三軸試驗優(yōu)缺點三軸試驗優(yōu)缺點 優(yōu)點：優(yōu)點： 能控制排水條件，量測孔隙水壓力。能控制排水條件，量測孔隙水壓力。試樣的應(yīng)力分布比較均勻，試樣的應(yīng)力分布比較均勻，剪切破壞面為最薄弱面。剪切破壞面為最薄

12、弱面。 缺點：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。試驗儀器復(fù)雜，操作技術(shù)要求高，試樣制備較復(fù)雜。 試驗在試驗在 2 2= = 3 3的軸對稱條件下進行，與土體實際受力情的軸對稱條件下進行，與土體實際受力情況可能不符。況可能不符。 4.3 4.3 不同排水條件時的剪切試驗成果不同排水條件時的剪切試驗成果4.3.1 總應(yīng)力強度指標(biāo)與有效應(yīng)力強度指標(biāo)總應(yīng)力強度指標(biāo)與有效應(yīng)力強度指標(biāo)cftancucftantanc 、 為土的有效為土的有效粘聚力和有效內(nèi)摩粘聚力和有效內(nèi)摩擦角，即土的有效擦角，即土的有效應(yīng)力強度指標(biāo)應(yīng)力強度指標(biāo) c 、 為土的總應(yīng)為土的總應(yīng)力強度指標(biāo)力強度指標(biāo) 有效應(yīng)

13、力原理：有效應(yīng)力原理：土的抗剪強度并不是由剪切面上的法向總土的抗剪強度并不是由剪切面上的法向總應(yīng)力決定，而是取決于剪切面上的應(yīng)力決定，而是取決于剪切面上的法向有效應(yīng)力。法向有效應(yīng)力。 三軸壓縮試驗三軸壓縮試驗按剪切前的按剪切前的固結(jié)程度固結(jié)程度和和剪切時的剪切時的排水條件排水條件，可以分為三種試驗方法：，可以分為三種試驗方法： 1.不固結(jié)不排水試驗不固結(jié)不排水試驗 (uuuu試驗試驗) 2.固結(jié)不排水試驗固結(jié)不排水試驗 (cucu試驗試驗) 3.固結(jié)排水試驗固結(jié)排水試驗 (cdcd試驗試驗)4.3.24.3.2 不同排水條件時的剪切試驗方法及成果不同排水條件時的剪切試驗方法及成果1.1.不固結(jié)

14、不排水剪（不固結(jié)不排水剪（uuuu） n三軸試驗：三軸試驗：施加周圍壓力施加周圍壓力 3、軸向壓力、軸向壓力 直至剪直至剪破的整個過程都關(guān)閉排水破的整個過程都關(guān)閉排水閥門，不允許試樣排水固閥門，不允許試樣排水固結(jié)。結(jié)。 3 3 3 3 3 3 n直剪試驗：直剪試驗：通過試驗加荷通過試驗加荷的快慢來實現(xiàn)是否排水。的快慢來實現(xiàn)是否排水。使試樣在使試樣在3 35 5minmin內(nèi)剪破，內(nèi)剪破，稱之為快剪。稱之為快剪。關(guān)閉排關(guān)閉排水閥水閥 3 3 3 3 3 3 有效應(yīng)力圓有效應(yīng)力圓總應(yīng)力圓總應(yīng)力圓 u u=0=0bccu uaa 3a 1a飽和粘性土在三組飽和粘性土在三組 3 3下的不排水剪下的不排

15、水剪試驗得到試驗得到a、b、c三個不同三個不同 3 3作用作用下破壞時的總應(yīng)力圓，但只能得到下破壞時的總應(yīng)力圓，但只能得到一個有效應(yīng)力圓一個有效應(yīng)力圓。試驗表明：試驗表明：雖然三個試樣的周圍壓力雖然三個試樣的周圍壓力 3 3不同，但破壞不同，但破壞時的主應(yīng)力差相等，三個極限應(yīng)力圓的直徑相等，因時的主應(yīng)力差相等，三個極限應(yīng)力圓的直徑相等，因而強度包線是一條水平線。而強度包線是一條水平線。2. 2. 固結(jié)不排水剪（固結(jié)不排水剪（cucu） n三軸試驗：三軸試驗：施加周圍壓力施加周圍壓力 3 3時打開排水閥門，試樣完全時打開排水閥門，試樣完全排水固結(jié)，孔隙水壓力完全排水固結(jié)，孔隙水壓力完全消散。然后

16、關(guān)閉排水閥門，消散。然后關(guān)閉排水閥門，再施加軸向壓力增量再施加軸向壓力增量 ，使，使試樣在不排水條件下剪切破試樣在不排水條件下剪切破壞。壞。 3 3 3 3 3 3 n直剪試驗：直剪試驗：剪切前試樣在垂剪切前試樣在垂直荷載下充分固結(jié)，剪切時直荷載下充分固結(jié)，剪切時速率較快，使土樣在剪切過速率較快，使土樣在剪切過程中不排水，這種剪切方法程中不排水，這種剪切方法為稱固結(jié)快剪。為稱固結(jié)快剪。打開打開排排水閥水閥關(guān)閉關(guān)閉排排水閥水閥 3 3 3 3 3 3 將總應(yīng)力圓在水平軸上左移將總應(yīng)力圓在水平軸上左移u uf f得到相應(yīng)的有效應(yīng)力得到相應(yīng)的有效應(yīng)力圓，按有效應(yīng)力圓強度包線可確定圓，按有效應(yīng)力圓強度

17、包線可確定c 、 ccuc cucu 飽和粘性土在三組飽和粘性土在三組 3 3下進行固結(jié)不排水剪下進行固結(jié)不排水剪試驗得到試驗得到a、b、c三個不同三個不同 3 3作用下破壞作用下破壞時的總應(yīng)力圓，由總應(yīng)力圓強度包線確定時的總應(yīng)力圓，由總應(yīng)力圓強度包線確定固結(jié)不排水剪總應(yīng)力強度指標(biāo)固結(jié)不排水剪總應(yīng)力強度指標(biāo)ccu、 cuabc3. 3. 固結(jié)排水剪（固結(jié)排水剪（cdcd） n三軸試驗：三軸試驗：試樣在圍壓試樣在圍壓 3 3作用下排水固結(jié)，再緩慢作用下排水固結(jié)，再緩慢施加軸向壓力增量施加軸向壓力增量 ，直，直至剪破，整個試驗過程中至剪破，整個試驗過程中打開排水閥門，始終保持打開排水閥門，始終保持

18、試樣的孔隙水壓力為零。試樣的孔隙水壓力為零。 3 3 3 3 3 3 n直剪試驗：直剪試驗：試樣在垂直壓力試樣在垂直壓力下固結(jié)穩(wěn)定，再以緩慢的速下固結(jié)穩(wěn)定，再以緩慢的速率施加水平剪力，直至剪破，率施加水平剪力，直至剪破，整個試驗過程中盡量使土樣整個試驗過程中盡量使土樣排水，試驗方法稱為慢剪。排水，試驗方法稱為慢剪。打開打開排排水閥水閥在整個排水剪試驗過程中，在整個排水剪試驗過程中，uf 0 0，總應(yīng)力全部轉(zhuǎn)化為總應(yīng)力全部轉(zhuǎn)化為有效應(yīng)力，所以總應(yīng)力圓即是有效應(yīng)力圓，總應(yīng)力強有效應(yīng)力，所以總應(yīng)力圓即是有效應(yīng)力圓，總應(yīng)力強度線即是有效應(yīng)力強度線，強度指標(biāo)為度線即是有效應(yīng)力強度線，強度指標(biāo)為cd、 d

19、 d。 cd d d總結(jié)總結(jié): : 3 3 3 3 3 3 對于同一種土，在不同的排水條件下進行試驗，總應(yīng)力對于同一種土，在不同的排水條件下進行試驗，總應(yīng)力強度指標(biāo)完全不同。強度指標(biāo)完全不同。有效應(yīng)力強度指標(biāo)不隨試驗方法的改變而不同，抗剪強有效應(yīng)力強度指標(biāo)不隨試驗方法的改變而不同，抗剪強度與有效應(yīng)力有唯一的對應(yīng)關(guān)系。度與有效應(yīng)力有唯一的對應(yīng)關(guān)系。ququ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(cè)限壓縮儀無側(cè)限壓縮儀 3=0試試樣樣4.3.3 無側(cè)限抗壓強度試驗無側(cè)限抗壓強度試驗無側(cè)限無側(cè)限壓縮儀壓縮儀 0cu0 u 無側(cè)限抗壓強度試驗無側(cè)限抗壓強度試驗qu無側(cè)限抗壓強度試驗所得的

20、極限無側(cè)限抗壓強度試驗所得的極限應(yīng)力圓的應(yīng)力圓的水平切線水平切線就是破壞包線就是破壞包線2uufqc 5.4 地基破壞型式和地基承載力地基破壞型式和地基承載力整體剪切破壞整體剪切破壞局部剪切破壞局部剪切破壞沖剪破壞沖剪破壞5.4.1 地基破壞型式地基破壞型式 1.整體剪切破壞整體剪切破壞 整體剪切破壞型式的整體剪切破壞型式的壓力壓力沉降關(guān)系曲線沉降關(guān)系曲線ps0線性變形階段線性變形階段彈塑性變形階段彈塑性變形階段塑性破壞階段塑性破壞階段整體剪切破壞整體剪切破壞 2.局部剪切破壞局部剪切破壞 sp局部剪切破壞型式的局部剪切破壞型式的壓力壓力沉降關(guān)系曲線沉降關(guān)系曲線0壓力和沉降關(guān)系曲線從一壓力和沉降關(guān)系曲線從一開始就呈現(xiàn)開始就呈現(xiàn)非線性關(guān)系非線性關(guān)系局部剪切破壞局部剪切破壞 3.沖剪破壞沖剪破壞ps沖剪破壞型式的沖剪破壞型式的壓力壓力沉降關(guān)系曲線沉降關(guān)系曲線0無明顯的轉(zhuǎn)折現(xiàn)象無明顯的轉(zhuǎn)折現(xiàn)象 地基剪切破壞的型式，主要與地基剪切破壞的型式，主要與土的壓縮土的壓縮性質(zhì)有關(guān)性質(zhì)有關(guān)。堅硬堅硬或或密實密實的土的土松軟松軟土土整體剪切破壞整體剪切破壞局部剪切破壞局部剪切破壞沖剪破壞沖剪破壞地基承載力地基承載力臨塑荷載臨塑荷載pcr地基極限承載力地基極限承載力pu地基容許承載力地基容許承載力pa4.4.2 地基承載力地基承載力ps0abpupcr整體剪