土力學第七章詳解課件

1、土力學第七章詳解土力學第七章詳解第一節(jié) 概述第二節(jié) 土體破壞準則和土的強度理論第三節(jié)土的抗剪強度試驗及參數(shù)確定參數(shù)確定第四節(jié) 土的應力應變特征第五節(jié) 有效應力路徑本章主要內(nèi)容：第一節(jié) 概述本章主要內(nèi)容：第一節(jié) 概述什么是土的抗剪強度？土的抗剪強度：是指土體對于外荷載所產(chǎn)生的剪應力的極 限抵抗能力。為什么要研究土的抗剪強度？剪切破壞是土體破壞的重要特點。 變形破壞 沉降、位移等超過規(guī)定限值(已學) 地基破壞 強度破壞 地基整體或局部滑移、土工構筑物失穩(wěn)、滑坡第一節(jié) 概述什么是土的抗剪強度？ 工程背景 1. 建筑物地基承載力問題 基礎下的地基土體產(chǎn)生整體滑動或因局部剪切破壞而導致過大的地基變形 甚

2、至傾覆。 1.建筑物地基承載力問題(圖1)工程背景 1. 建筑物地基承載力問題 基礎下的 建筑物地基承載力問題(圖2) 建筑物地基承載力問題(圖2)2. 構筑物環(huán)境的安全性問題即土壓力問題 擋土墻、基坑等工程中，墻后土體強度破壞將造成過大的側向土壓力，導致墻體滑動、傾覆或支護結構破壞事故 。 2.構筑物環(huán)境的安全性問題即土壓力問題2. 構筑物環(huán)境的安全性問題即土壓力問題 擋土墻、 3.土工構筑物的穩(wěn)定性問題3. 土工構筑物的穩(wěn)定性問題 土壩、路堤等填方邊坡以及天然土坡等，在超載、滲流乃至暴雨作用下引起土體強度破壞后將產(chǎn)生整體失穩(wěn)邊坡滑坡等事故。 3.土工構筑物的穩(wěn)定性問題3. 土工構筑物的穩(wěn)定

3、性問題 土體強度破壞的機理是什么？ 在外荷載作用下，土體中將產(chǎn)生剪應力和剪切變形，當土中某點由外力所產(chǎn)生的剪應力達到土的抗剪強度時，土就沿著剪應力作用方向產(chǎn)生相對滑動，該點便發(fā)生剪切破壞。strip footingembankmentfailure surfacemobilised shear resistance土體強度破壞的機理是什么？ strip footingstrip footingembankmentfailure surfacemobilised shear resistancestrip footingembankmentfailure一、土的強度特點二、土的強度的機理三、摩爾

4、-庫侖強度理論第二節(jié) 土體破壞準則與土的強度理論一、土的強度特點第二節(jié) 土體破壞準則與土的強度理論一、土的強度特點：碎散性：強度不是顆粒礦物本身的強度，而是顆粒間相互作用主要是抗剪強度與剪切破壞，顆粒間粘聚力與摩擦力；2. 三相體系：三相承受與傳遞荷載有效應力原理；3. 自然變異性：土的強度的結構性與復雜性。一、土的強度特點：直剪試驗庫侖（1776）試驗原理試驗結果 = 100KPaS = 200KPa = 300KPa二、土的強度的機理PSTA上盒下盒施加（=P/A），S量測 （=T/A）直剪試驗 = 100KPaS = 200KPa = Occ 粘聚力 內(nèi)摩擦角 = 100KPaS = 2

5、00KPa = 300KPa直剪試驗庫侖（1776）試驗原理試驗結果 二、土的強度的機理庫侖公式：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Occ 粘聚力 = 100KPaS = 200密度（e, 粒徑級配（Cu, Cc）顆粒的礦物成分 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：二、土的強度的機理1. 摩擦強度 tg密度（e, 影響土的摩擦強度的主要因素：二、土的強粘聚強度機理靜電引力（庫侖力）范德華力顆粒

6、間膠結假粘聚力（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-+二、土的強度的機理2. 凝聚強度粘聚強度機理粘聚強度影響因素-+二、土的強度的機理2三、摩爾-庫侖強度理論1. 庫侖公式2. 應力狀態(tài)與摩爾圓3. 極限平衡應力狀態(tài)4. 摩爾-庫侖強度理論5. 破壞判斷方法6. 滑裂面的位置三、摩爾-庫侖強度理論1. 庫侖公式PSTAc 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-與所受壓力無關三、摩爾-庫侖強度理論固定滑裂面一般應力狀態(tài)如何判斷是否破壞？借助于莫爾圓1. 庫侖公式PSTAc 粘聚力 f ： 三、摩爾-庫侖強度理論固定

7、滑裂=三維應力狀態(tài)三、摩爾-庫侖強度理論2. 應力莫爾圓二維應力狀態(tài)=三維應力狀態(tài)三、摩爾-庫侖強度理論2. 應力莫爾圓二維應莫爾圓應力分析符號規(guī)定材料力學+-+-土力學正應力剪應力拉為正壓為負順時針為正逆時針為負壓為正拉為負逆時針為正順時針為負三、摩爾-庫侖強度理論2. 應力莫爾圓莫爾圓應力分析符號規(guī)定材料力學+-+-土力學正應力剪應力拉為Oz+zx-xzx213rR+-1三、摩爾-庫侖強度理論2. 應力莫爾圓大主應力：小主應力:圓心：半徑：z按順時針方向旋轉(zhuǎn)x按順時針方向旋轉(zhuǎn)莫爾圓：代表一個土單元的應力狀態(tài)；圓周上一點代表一個面上的兩個應力與Oz+zx-xzx213rR+-1三、3. 極限

8、平衡應力狀態(tài)三、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力與 都沒有達到破壞包線，不破壞；與破壞包線相切：有一個面上的應力達到破壞；與破壞包線相交：有一些平面上的應力超過強度；不可能發(fā)生。3. 極限平衡應力狀態(tài)三、摩爾-庫侖強度理論f強度包線3. 極限平衡應力狀態(tài)三、摩爾-庫侖強度理論極限平衡應力狀態(tài)： 有一對面上的應力狀態(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。f3. 極限平衡應力狀態(tài)三、摩爾-庫侖強度理論極限平衡應力狀態(tài)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力的單值函數(shù), f =f() （莫爾：1900年）

9、（2）在一定的應力范圍內(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力狀態(tài)三、摩爾-庫侖強度理論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4. 莫爾庫侖強度理論莫爾-庫侖強度理論表達式極限平衡條件1f3Oc三、摩爾-庫侖強度理論4. 莫爾庫侖強度理論莫爾-庫侖強度理論表達式極限平衡條4. 莫爾庫侖強度理論三、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1f3Oc4. 莫爾庫侖強度理論三、摩爾-庫侖強度理論莫爾-庫侖強度根據(jù)應力狀態(tài)計算出大小主應力1、3判斷破壞可能性由3計算1f比較1與1f11f 破壞狀態(tài)Oc1

10、f3115. 破壞判斷方法三、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)應力狀態(tài)計算出大小主應力1、3判斷破壞可能性由3計根據(jù)應力狀態(tài)計算出大小主應力1、3判斷破壞可能性由1計算3f比較3與3f33f 彈性平衡狀態(tài)3=3f 極限平衡狀態(tài)3 安全狀態(tài) = 極限平衡狀態(tài) 1/3剪切過程中發(fā)生剪脹： A1/3 (甚至可能A0，u c a破壞包線pqOc破壞主應力線af線Kf線OAR0qp用若干點的最小二乘法確定a 和 然后計算強度指標c和a確定強度指標二、強度包線與破壞主應力線0qp用若干點的最小二乘法確定a 和 a確定強度指標二、總應力與有效應力狀態(tài)有效應力原理典型三軸試驗孔

11、隙水壓力計算O（13)u1331固結不排水三軸試驗三、總應力路徑與有效應力路徑總應力與有效應力狀態(tài)O（13)u13總應力與有效應力路徑關系O（13)u1331三、總應力路徑與有效應力路徑總應力與有效應力路徑O（13)u13總應力與有效應力路徑關系三軸試驗總應力路徑三軸固結不排水試驗有效應力路徑A=const松砂或正常固結粘土 （A1/3）密砂或超固結粘土 （A1/3）pO3q45KfpO3qKf45總應力與有效應力路徑pO3q45KfpO3qK三. 總應力指標與有效應力指標土的抗剪強度的有效應力指標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力指

12、標c, = c + tg便于應用,但u不能產(chǎn)生抗剪強度，不符合強度機理，應用時要符合工程條件強度指標抗剪強度簡單評價三. 總應力指標與有效應力指標土的抗剪強度的 = c +四. 應用【解答】已知1=450kPa，3=150kPa，c=20kPa， =26o 方法1：計算結果表明：1f接近該單元土體實際大主應力1，所以，該單元土體處于極限平衡狀態(tài)。 問題解答：【例1】地基中某一單元土體上的大主應力為450kPa，小主應力為150kPa。通過試驗測得土的抗剪強度指標c=20 kPa， =26o。試問該單元土體處于何種狀態(tài)？單元土體最大剪應力出現(xiàn)在哪個面上，是否會沿剪應力最大的面發(fā)生剪破？ 七、例題

13、分析1（方法1）四. 應用【解答】已知1=450kPa，3=150kPa計算結果表明： 3f接近該單元土體實際小主應力 3，該單元土體處于極限平衡狀態(tài) 。在剪切面上 庫侖定律 由于f ，所以，該單元土體處于彈性平衡狀態(tài) 方法2： 例題分析1（方法2）計算結果表明： 3f接近該單元土體實際小主應力 3，該單方法3： 作圖法 c11f3f實際應力圓極限應力圓最大剪應力與主應力作用面成45o 最大剪應力面上的法向應力庫侖定律 最大剪應力面上f ，所以，不會沿剪應力最大的面發(fā)生破壞 max問題解答： 例題分析1（方法3）方法3： c11f3f實際應力圓極限應力圓周圍壓力3/ kPa1/ kPauf / kPa60 100 150143 220 31323 40 67 例題分析2 【例2】對某種飽和粘性土做固結不排水試驗，三個試樣破壞時的大、小主應力和孔隙水壓力列于表中，試用作圖法確定土的強度指標ccu、 cu和c 、 周圍壓力3/ kPa1/ kPauf / kPa60 1【解答】按比例繪出三個總應力極限應