土力学课件(清华大学)5

第五章土的抗剪强度土工结构物或地基土渗透问题变形问题强度问题渗透特性变形特性强度特性§5.1土体破坏与强度理论§5.2抗剪强度测定试验§5.3应力路径与破坏主应力线§5.4抗剪强度指标§5.5动强度与砂土的振动液化§5土的抗剪强度一、土的强度特点二、工程中土体的破坏类型三、土的强度的机理四、摩尔-库仑强度理论§5土的抗剪强度§5.1土体破坏与土的强度理论一、土的强度特点：1.碎散性：强度不是颗粒矿物本身的强度，而是颗粒间相互作用——主要是抗剪强度与剪切破坏，颗粒间粘聚力与摩擦力；2.三相体系：三相承受与传递荷载——有效应力原理；3.自然变异性：土的强度的结构性与复杂性。§5土的抗剪强度§5.1土体破坏与土的强度理论大阪的港口码头档土墙由于液化前倾§5土的抗剪强度二、工程中土体的破坏类型1.挡土结构物的破坏§5.1土体破坏与土的强度理论1.挡土结构物的破坏§5土的抗剪强度二、工程中土体的破坏类型广州京光广场基坑塌方§5.1土体破坏与土的强度理论使基坑旁办公室、民工宿舍和仓库倒塌，死3人，伤17人。挡土墙滑裂面基坑支护1.挡土结构物的破坏§5土的抗剪强度二、工程中土体的破坏类型§5.1土体破坏与土的强度理论平移滑动2.各种类型的滑坡§5土的抗剪强度崩塌旋转滑动流滑二、工程中土体的破坏类型§5.1土体破坏与土的强度理论•1994年4月30日•崩塌体积400万方•10万方进入乌江•死4人，伤5人，失踪12人•击沉拖轮、驳轮各一艘，渔船2只•1994年7月2-3日降雨引起再次滑坡•崩塌体巨大石块滚入江内，无法通航•滑坡体崩入乌江近百万方；江水位差数米。乌江武隆县兴顺乡鸡冠岭山体崩塌§5土的抗剪强度2.各种类型的滑坡二、工程中土体的破坏类型§5.1土体破坏与土的强度理论龙观嘴黄崖沟乌江2000年西藏易贡巨型滑坡§5土的抗剪强度2.各种类型的滑坡二、工程中土体的破坏类型§5.1土体破坏与土的强度理论高程（m）滑距（m）55302200400008000400020006000立面示意图坡高3330m堆积体宽约2500m总方量约3亿方§5土的抗剪强度2.各种类型的滑坡二、工程中土体的破坏类型§5.1土体破坏与土的强度理论2000年西藏易贡巨型滑坡滑坡堆积区2264m2210m2165m2340m平面示意图5520m滑坡堆积体§5土的抗剪强度2.各种类型的滑坡二、工程中土体的破坏类型§5.1土体破坏与土的强度理论2000年西藏易贡巨型滑坡天然坝坝高290m滑坡堰塞湖库容15亿方湖水每天上涨50cm?§5土的抗剪强度2.各种类型的滑坡二、工程中土体的破坏类型§5.1土体破坏与土的强度理论2000年西藏易贡巨型滑坡边坡滑裂面§5土的抗剪强度2.各种类型的滑坡二、工程中土体的破坏类型§5.1土体破坏与土的强度理论粘土地基上的某谷仓地基破坏3.地基的破坏§5土的抗剪强度二、工程中土体的破坏类型§5.1土体破坏与土的强度理论日本新泻1964年地震引起大面积液化3.地基的破坏§5土的抗剪强度二、工程中土体的破坏类型§5.1土体破坏与土的强度理论地基p滑裂面3.地基的破坏§5土的抗剪强度二、工程中土体的破坏类型§5.1土体破坏与土的强度理论土压力边坡稳定地基承载力挡土结构物破坏各种类型的滑坡地基的破坏核心§5土的抗剪强度二、工程中土体的破坏类型§5.1土体破坏与土的强度理论一、土的强度特点二、工程中土体的破坏类型三、土的强度的机理四、摩尔-库仑强度理论§5土的抗剪强度§5.1土体破坏与土的强度理论三、土的强度的机理§5土的抗剪强度§5.1土体破坏与土的强度理论直剪试验库仑（1776）试验原理施加σ（=P/A），S量测（=T/A）上盒下盒PSTσ=100KPaSA直剪试验库仑（1776）试验原理试验结果σ=100KPaSσ=200KPaσ=300KPa三、土的强度的机理§5土的抗剪强度§5.1土体破坏与土的强度理论PSTAOctanfcc粘聚力内摩擦角σ=100KPaSσ=200KPaσ=300KPa直剪试验库仑（1776）试验原理试验结果三、土的强度的机理§5土的抗剪强度§5.1土体破坏与土的强度理论库仑公式：f：土的抗剪强度tg：摩擦强度-正比于压力c：粘聚强度-与所受压力无关NT=NT滑动摩擦三、土的强度的机理§5土的抗剪强度§5.1土体破坏与土的强度理论1.摩擦强度tg（1）滑动摩擦（2）咬合摩擦引起的剪胀滑动摩擦咬合摩擦引起的剪胀三、土的强度的机理§5土的抗剪强度§5.1土体破坏与土的强度理论1.摩擦强度tg（3）颗粒的破碎与重排列滑动摩擦NT颗粒破碎与重排列三、土的强度的机理§5土的抗剪强度§5.1土体破坏与土的强度理论1.摩擦强度tg咬合摩擦引起的剪胀•密度（e,•粒径级配（Cu,Cc）•颗粒的矿物成分对于：砂土粘性土；高岭石伊里石蒙特石•粒径的形状（颗粒的棱角与长宽比）在其他条件相同时：对于砂土，颗粒的棱角提高了内摩擦角对于碎石土，颗粒的棱角可能降低其内摩擦角影响土的摩擦强度的主要因素：三、土的强度的机理§5土的抗剪强度§5.1土体破坏与土的强度理论1.摩擦强度tg粘聚强度机理静电引力（库仑力）范德华力颗粒间胶结假粘聚力（毛细力等）粘聚强度影响因素地质历史粘土颗粒矿物成分密度离子价与离子浓度----+三、土的强度的机理§5土的抗剪强度§5.1土体破坏与土的强度理论2.凝聚强度§5土的抗剪强度§5.1土体破坏与土的强度理论四、摩尔-库仑强度理论1.库仑公式2.应力状态与摩尔圆3.极限平衡应力状态4.摩尔-库仑强度理论5.破坏判断方法6.滑裂面的位置PSTAtanfcc粘聚力内摩擦角f：土的抗剪强度tg：摩擦强度-正比于压力c：粘聚强度-与所受压力无关§5土的抗剪强度§5.1土体破坏与土的强度理论四、摩尔-库仑强度理论固定滑裂面一般应力状态如何判断是否破坏？借助于莫尔圆1.库仑公式zxyxyyzzxxyxyyzzxxzzyyxz=ijzxzxxzxxzz=ij三维应力状态xz§5土的抗剪强度§5.1土体破坏与土的强度理论四、摩尔-库仑强度理论2.应力莫尔圆二维应力状态Oz+zx-xzx213rR222xzxzr2xzR1Rr3Rrzxzxxz+-1§5土的抗剪强度§5.1土体破坏与土的强度理论四、摩尔-库仑强度理论2.应力莫尔圆大主应力：小主应力:圆心：半径：σz按顺时针方向旋转ασx按顺时针方向旋转α莫尔圆：代表一个土单元的应力状态；圆周上一点代表一个面上的两个应力与3.极限平衡应力状态§5土的抗剪强度§5.1土体破坏与土的强度理论四、摩尔-库仑强度理论极限平衡应力状态：有一对面上的应力状态达到=f土的强度包线：所有达到极限平衡状态的莫尔园的公切线。f3.极限平衡应力状态§5土的抗剪强度§5.1土体破坏与土的强度理论四、摩尔-库仑强度理论f•强度包线以内：下任何一个面上的一对应力与都没有达到破坏包线，不破坏；•与破坏包线相切：有一个面上的应力达到破坏；•与破坏包线相交：有一些平面上的应力超过强度；不可能发生。4.莫尔—库仑强度理论（1）土单元的某一个平面上的抗剪强度f是该面上作用的法向应力的单值函数,f=f()（莫尔：1900年）（2）在一定的应力范围内，可以用线性函数近似f=c+tg（3）某土单元的任一个平面上=f，该单元就达到了极限平衡应力状态§5土的抗剪强度§5.1土体破坏与土的强度理论四、摩尔-库仑强度理论4.莫尔—库仑强度理论§5土的抗剪强度§5.1土体破坏与土的强度理论四、摩尔-库仑强度理论莫尔-库仑强度理论表达式－极限平衡条件131313132sin2ctgctg2cc1f313ctg2ctanfcOc1324.莫尔—库仑强度理论§5土的抗剪强度§5.1土体破坏与土的强度理论四、摩尔-库仑强度理论莫尔-库仑强度理论表达式－极限平衡条件213231452tg4522452tg4522fftgctgc1f313ctg2ctanfcOc132213452tg4522ftgc根据应力状态计算出大小主应力σ1、σ3判断破坏可能性由σ3计算σ1f比较σ1与σ1fσ1σ1f弹性平衡状态σ1=σ1f极限平衡状态σ1σ1f破坏状态Oc1f3115.破坏判断方法§5土的抗剪强度§5.1土体破坏与土的强度理论四、摩尔-库仑强度理论判别对象：土体微小单元（一点）3=常数：2xz2xzzx3122）（，根据应力状态计算出大小主应力σ1、σ3判断破坏可能性231452tg4522ftgc由σ1计算σ3f比较σ3与σ3fσ3σ3f弹性平衡状态σ3=σ3f极限平衡状态σ3σ3f破坏状态Oc13f335.破坏判断方法§5土的抗剪强度§5.1土体破坏与土的强度理论四、摩尔-库仑强度理论判别对象：土体微小单元（一点）1=常数：2xz2xzzx3122）（，根据应力状态计算出大小主应力σ1、σ3判断破坏可能性由σ1、σ3计算与比较不可能状态=极限平衡状态安全状态Oc5.破坏判断方法§5土的抗剪强度§5.1土体破坏与土的强度理论四、摩尔-库仑强度理论判别对象：土体微小单元（一点）(1+3)/2=常数：圆心保持不变1313sin2ctgc2xz2xzzx3122）（，Oc1f32tanfc29031f45°＋/2破裂面26.滑裂面的位置与大主应力面夹角：α=45+/2§5土的抗剪强度§5.1土体破坏与土的强度理论四、摩尔-库仑强度理论一、室内试验二、野外试验§5.2抗剪强度测定试验§5土的抗剪强度直剪试验、三轴试验等制样（重塑土）或现场取样缺点：扰动优点：应力条件清楚，易重复十字板扭剪试验、旁压试验等原位试验缺点：应力条件不易掌握优点：原状土的原位强度PSTAσ=100KPaSσ=200KPaσ=300KPaOc§5.2抗剪强度测定试验§5土的抗剪强度一、室内试验1.直剪试验通过控制剪切速率来近似模拟排水条件1.固结慢剪：施加正应力-充分固结慢慢施加剪应力-小于0.02mm/分，以保证无超静孔压2.固结快剪施加正应力-充分固结在3-5分钟内剪切破坏3.快剪施加正应力后立即剪切3-5分钟内剪切破坏§5.2抗剪强度测定试验§5土的抗剪强度一、室内试验1.直剪试验PSTA13OnK0nPSTAzxzxxz§5.2抗剪强度测定试验§5土的抗剪强度一、室内试验1.直剪试验设备简单，操作方便结果便于整理测试时间短优点试样应力状态复杂应变不均匀不能控制排水条件剪切面固定缺点§5.2抗剪强度测定试验§5土的抗剪强度一、室内试验1.直剪试验PSTA类似试验：环剪试验单剪试验试样压力室压力水排水管阀门轴向加压杆有机玻璃罩橡皮膜透水石顶帽§5.2抗剪强度测定试验§5土的抗剪强度一、室内试验2.三轴试验（1）试样应力特点与试验方法（2）强度包线（3）试验类型（4）优缺点§5.2抗剪强度测定试验§5土的抗剪强度一、室内试验2.三轴试验方法：首先试样施加静水压力—室压（围压）1=2=3；然后通过活塞杆施加的是应力差Δ1=1-3。（1）试样应力特点与试验方法：特点：试样是轴对称应力状态。垂直应力z一