土力学课件(清华大学)第五章5

1第五章土的抗剪强度作业5-1、5-2（CD试验）5-3、5-5、3-95-8、5-4、5-92本章特点•有较严格的理论体系•各种关系较复杂•前面各章知识的综合运用•理清应力、应变、体变、孔压、强度间的关系•砂性土与粘性土强度的区别与联系•试验条件与实际工程情况的对应关系•正常固结粘性土的强度•不固结不排水剪的强度•强度指标的运用主要难点学习要点§5土的抗剪强度3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土的抗剪强度4§5土的抗剪强度§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砂土的振动液化5§5土的抗剪强度§5.1土体破坏与强度理论一、土的强度特点二、工程中土体的破坏类型三、土的强度机理四、莫尔-库仑强度理论6§5土的抗剪强度§5.1土体破坏与强度理论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（剪切破坏），包括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。一、土的强度特点7美国某桥头挡土墙破坏（2003年9月10日）§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土体破坏与强度理论81.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使基坑旁办公室、民工宿舍和仓库倒塌，死3人，伤17人。§5.1土体破坏与强度理论9挡土墙滑裂面基坑支护§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土体破坏与强度理论102000年4月9日西藏易贡巨型滑坡§5土的抗剪强度二、工程中土体的破坏类型§5.1土体破坏与强度理论2.各种类型的滑坡11立面示意图高程（m）滑距（m）55302200400008000400020006000坡高3330m堆积体宽约2500m总方量约3亿m3§5土的抗剪强度二、工程中土体的破坏类型2000年4月9日西藏易贡巨型滑坡2.各种类型的滑坡§5.1土体破坏与强度理论关西空港一期17倍唐家山滑坡体15倍12平面示意图滑坡堆积区2264m2210m2165m2340m5520m滑坡堆积体§5土的抗剪强度二、工程中土体的破坏类型2000年4月9日西藏易贡巨型滑坡2.各种类型的滑坡§5.1土体破坏与强度理论13天然坝坝高90m滑坡堰塞湖库容40亿方2个月后处理湖水每天上涨50-60cm?§5土的抗剪强度二、工程中土体的破坏类型2000年4月9日西藏易贡巨型滑坡2.各种类型的滑坡§5.1土体破坏与强度理论14边坡滑裂面§5土的抗剪强度二、工程中土体的破坏类型2.各种类型的滑坡§5.1土体破坏与强度理论15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土体破坏与强度理论16地基p滑裂面§5土的抗剪强度二、工程中土体的破坏类型3.地基的破坏§5.1土体破坏与强度理论17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地基的破坏核心强度理论§5土的抗剪强度二、工程中土体的破坏类型§5.1土体破坏与强度理论18§5土的抗剪强度§5.1土体破坏与强度理论一、土的强度特点二、工程中土体的破坏类型三、土的强度机理四、莫尔-库仑强度理论19三、土的强度机理§5土的抗剪强度施加：正应力σ（=P/A）施加：水平位移S量测：剪应力（=T/A）上盒下盒PSTA1、直剪试验（库仑1776）试验方法σ=100KPaSσ=200KPaσ=300KPa§5.1土体破坏与强度理论20Octanfcc：粘聚力：内摩擦角σ=100KPaSσ=200KPaσ=300KPa三、土的强度机理库仑公式f：土的抗剪强度tan：摩擦强度－与成正比c：粘聚强度－粘聚力§5土的抗剪强度1.直剪试验试验结果抗剪强度指标材料特性参数§5.1土体破坏与强度理论材料特性曲线21N滑动时：T=NtanφuT滑动摩擦三、土的强度机理§5土的抗剪强度（1）滑动摩擦2、摩擦强度tan由颗粒之间发生滑动时颗粒接触面粗糙不平所引起，与颗粒大小、矿物组成等因素有关§5.1土体破坏与强度理论22（2）咬合摩擦三、土的强度机理§5土的抗剪强度2.摩擦强度tanCABCAB剪切面是指相邻颗粒对于相对移动的约束作用当发生剪切破坏时，相互咬合着的颗粒A必须抬起，跨越相邻颗粒B，或在尖角处被剪断（C），才能移动土体中的颗粒重新排列，也会消耗能量§5.1土体破坏与强度理论23•密度（e,•粒径级配（d50,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•颗粒的形状（颗粒的棱角与长宽比）在其它条件相同时：一般，对于粗粒土，颗粒的棱角可提高内摩擦角影响土的摩擦强度的主要因素：三、土的强度机理§5土的抗剪强度2.摩擦强度tan§5.1土体破坏与强度理论24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、土的强度机理§5土的抗剪强度3、粘聚强度§5.1土体破坏与强度理论25§5土的抗剪强度§5.1土体破坏与强度理论一、土的强度特点二、工程中土体的破坏类型三、土的强度机理四、莫尔-库仑强度理论26§5土的抗剪强度四、莫尔-库仑强度理论1.应力状态与莫尔圆2.极限平衡应力状态3.莫尔-库仑强度理论4.破坏判断方法5.滑裂面的位置§5.1土体破坏与强度理论27PSTAtanfc§5土的抗剪强度四、莫尔-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？借助于莫尔圆库仑公式§5.1土体破坏与强度理论28zxyxyyzzxxyxyyzzxxzzyyxz=ijxzxxzz=ij三维应力状态zxzxxz§5土的抗剪强度四、莫尔-库仑强度理论1.应力状态与莫尔圆二维应力状态§5.1土体破坏与强度理论29莫尔圆应力分析符号规定§5土的抗剪强度四、莫尔-库仑强度理论1.应力状态与莫尔圆材料力学xzxzzx+-zxxzzx+-土力学正应力剪应力拉为正压为负顺时针为正逆时针为负压为正拉为负逆时针为正顺时针为负§5.1土体破坏与强度理论30Oz+zx-xzx213rp22()/2xzxzr()/2xzp1pr3przxzxxz+-1§5土的抗剪强度四、莫尔-库仑强度理论大主应力：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：代表一个单元的应力状态；圆上一点：代表一个面上的两个应力与13()/2qr13()/2p§5.1土体破坏与强度理论1.应力状态与莫尔圆31f直剪试验：破坏时的莫尔圆与库仑抗剪强度线的关系如何？为什么？(c、)三轴＝(c、)直剪巧合吗？c与的组合满足库仑公式才破坏fc§5土的抗剪强度四、莫尔-库仑强度理论§5.1土体破坏与强度理论1.应力状态与莫尔圆三轴试验结果322.极限平衡应力状态§5土的抗剪强度四、莫尔-库仑强度理论极限平衡应力状态：有剪切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圆的公切线。f§5.1土体破坏与强度理论33§5土的抗剪强度四、莫尔-库仑强度理论f•强度包线以内：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：该面上的应力达到破坏状态；•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。2.极限平衡应力状态§5.1土体破坏与强度理论34（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+tan（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土的抗剪强度四、莫尔-库仑强度理论3.莫尔—库仑强度理论§5.1土体破坏与强度理论35§5土的抗剪强度四、莫尔-库仑强度理论莫尔-库仑强度理论表达式－极限平衡条件131313132sin2ctgctg2cc1313ctg2ctanfcOc1323.莫尔—库仑强度理论§5.1土体破坏与强度理论36§5土的抗剪强度四、莫尔-库仑强度理论莫尔-库仑强度理论表达式－极限平衡条件213231tan452ctan4522tan452ctan45221313ctg2ctanfcOc1323.莫尔—库仑强度理论§5.1土体破坏与强度理论37213tan452tan4522fc根据应力状态计算出大小主应力σ1、σ3221,322xzxzxz判断破坏可能性由σ3计算σ1f比较σ1与σ1fσ1σ1f安全状态σ1=σ1f极限平衡状态σ1σ1f不可能状态Oc1f3114.破坏判断方法§5土的抗剪强度四、莫尔-库仑强度理论判别对象：土体微小单元（一点）已知条件：一般应力状态、抗剪强度指标3=常数：§5.1土体破坏与强度理论38根据应力状态计算出大小主应力σ1、σ3221,322xzxzxz判断破坏可能性231tan452tan4522fc由σ1计算σ3f比较σ3与σ3fσ3σ3f安全状态σ3=σ3f极限平衡状态σ3σ3f不可能状态Oc13f33§5土的抗剪强度四、莫尔-库仑强度理论1=常数：4.破坏判断方法§5.1土体破坏与强度理论39根据应力状态计算出大小主应力σ1、σ3221,322xzxzxz判断破坏可能性由σ1、σ3计算与比较安全状态=极限平衡状态不可能状态Oc四、莫尔-库仑强度理论(1+3)/2=常数：圆心保持不变1313sin2ctgc§5土的抗剪强度4.破坏判断方法§5.1土体破坏与强度理论也可比较圆的直径402290Oc1f3tanfc25.滑裂面的位置破坏面与大主应力作用面夹角：α=45+/2§5土的抗剪强度四、莫尔-库仑强度理论§5.1土体破坏与强度理论破坏面为什么不在最大剪应力作用面上？31f45°＋/2破裂面41§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砂土的振动液化§5土的抗剪强度42室内试验野外试验§5.2抗剪强度测定试验§5土的抗剪强度三轴试验、直剪试验等制样：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、旁压试验等试样：原位缺点：应力条件不易掌握优点：原状土的原位强度43§5.2抗剪强度测定试验§5土的抗剪强度1、试样应力特点与试验方法2、强度包线3、试验类型4、试验条件与现场条件对应关系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量测体变或孔压一、三轴试验44§5.2抗剪强度测定试验§5土的抗剪强度方法：首先试样施加静水压力—室压（围压）1=2=3=const；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一般是大主应力；径向与切向应力总是相等r=，亦即1=z；2=3=r=const一、三轴试验3313345强度包线(1-)fc(1-)f11-3