土的强度理论

第五章土的抗剪强度•§1土的抗剪强度理论1.库仑定律2.土的极限平衡条件•§2土的抗剪强度试验(直剪，三轴，无侧限，十字板）•§3不同排水条件下剪切试验成果*主要内容大阪的港口码头挡土墙由于液化前倾§5土的抗剪强度工程中土体的破坏类型1.挡土结构物的破坏§5土的抗剪强度工程中的强度问题概述1.挡土结构物的破坏§5土的抗剪强度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土的抗剪强度挡土墙滑裂面基坑支护§5土的抗剪强度工程中土体的破坏类型1.挡土结构物的破坏平移滑动2.各种类型的滑坡§5土的抗剪强度崩塌旋转滑动流滑工程中土体的破坏类型•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。乌江鸡冠岭山体崩塌§5土的抗剪强度工程中土体的破坏类型2.各种类型的滑坡龙观嘴黄崖沟乌江2000年西藏易贡巨型滑坡§5土的抗剪强度工程中土体的破坏类型2.各种类型的滑坡立面示意图高程（m）滑距（m）55302200400008000400020006000坡高3330m堆积体宽约2500m总方量约3亿方§5土的抗剪强度工程中土体的破坏类型2000年西藏易贡巨型滑坡2.各种类型的滑坡平面示意图滑坡堆积区2264m2210m2165m2340m5520m滑坡堆积体§5土的抗剪强度工程中土体的破坏类型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土的抗剪强度工程中土体的破坏类型2000年西藏易贡巨型滑坡2.各种类型的滑坡边坡滑裂面§5土的抗剪强度工程中土体的破坏类型2.各种类型的滑坡粘土地基上的某谷仓地基破坏3.地基的破坏§5土的抗剪强度工程中土体的破坏类型日本新泻1964年地震引起大面积液化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地基p滑裂面§5土的抗剪强度工程中土体的破坏类型§5土的抗剪强度3.地基的破坏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土的抗剪强度——土体抵抗剪切破坏的极限能力§1土的抗剪强度与极限平衡条件•一、库仑定律剪切试验播放1776年，库仑根据砂土剪切试验砂土后来，根据粘性土剪切试验粘土c库仑定律：土的抗剪强度是剪切面上的法向总应力的线性函数tanfcftanc:土的粘聚力:土的内摩擦角ff二、土体抗剪强度影响因素摩擦力的两个来源1.滑动摩擦：剪切面土粒间表面的粗糙所产生的摩擦2.咬合摩擦：土粒间互相嵌入所产生的咬合力粘聚力：由土粒之间的胶结作用和电分子引力等因素形成抗剪强度影响因素摩擦力：剪切面上的法向总应力、土的初始密度、土粒级配、土粒形状以及表面粗糙程度粘聚力：由于粘聚力来源于静电引力（库仑力）、范德华力、颗粒间胶结、假粘聚力（毛细力等）等物理化学作用力。因此影响因素有土中矿物成分、粘粒含量、含水量以及土的结构三、土中一点的应力状态•土体内一点处不同方位的截面上应力的集合（剪应力和法向应力）331131dlcosdlsin楔体静力平衡0cossinsin3dldldl0sincoscos1dldldl2cos212131312sin21312312231212131dlcosdlsin斜面上的应力莫尔应力圆方程O131/2(1+3)2A(,)圆心坐标[1/2(1+3)，0]应力圆半径r＝1/2(1－3)土中某点的应力状态可用莫尔应力圆描述四、土的极限平衡条件应力圆与强度线相离：强度线应力圆与强度线相切：应力圆与强度线相割：极限应力圆ττf弹性平衡状态τ=τf极限平衡状态ττf破坏状态1、莫尔－库仑破坏准则•莫尔应力圆与库仑强度线相切的应力状态作为土的破坏准则(目前判别土体所处状态的最常用准则)强度线莫尔－库仑破坏准则的主应力表达31cf2fAcctg1/2(1+3)313121cot21sinc245tan2245tan231ooc245tan2245tan213ooc无粘性土：c=0245tan231o245tan213o•土体处于极限平衡状态时，破坏面与大主应力作用面的夹角为ff2f31cAcctg1/2(1+3)2459021f45max说明：剪破面并不产生于最大剪应力面，而与最大剪应力面成/2的夹角，可知，土的剪切破坏并不是由最大剪应力τmax所控制max213452tg4522ftgc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12.破坏判断方法判别对象：土体微小单元（一点）3=常数：根据应力状态计算出大小主应力σ1、σ3221,322xzxzxz判断破坏可能性231452tg4522ftgc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1=常数：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(1+3)/2=常数：圆心保持不变1313sin2ctgc也可比较圆的直径五、例题分析•【例】地基中某一单元土体上的大主应力为430kPa，小主应力为200kPa。通过试验测得土的抗剪强度指标c=15kPa，=20o。试问①该单元土体处于何种状态？②单元土体最大剪应力出现在哪个面上，是否会沿剪应力最大的面发生剪破？【解答】已知1=430kPa，3=200kPa，c=15kPa，=20o1.计算法kPacoof8.450245tan2245tan231计算结果表明：1f大于该单元土体实际大主应力1，实际应力圆半径小于极限应力圆半径，所以，该单元土体处于弹性平衡状态kPacoof8.189245tan2245tan213计算结果表明：3f小于该单元土体实际小主应力3，实际应力圆半径小于极限应力圆半径，所以，该单元土体处于弹性平衡状态在剪切面上552459021fkPaf7.2752cos21213131kPaf1.1082sin2131库仑定律kPacf3.115tan由于ττf，所以，该单元土体处于弹性平衡状态2.图解法c11f3f实际应力圆极限应力圆最大剪应力与主应力作用面成45okPa11590sin2131max最大剪应力面上的法向应力kPa31590cos21213131库仑定律kPacf7.129tan最大剪应力面上ττf，所以，不会沿剪应力最大的面发生破坏τmax§2土的剪切试验方法•室内试验•野外试验三轴试验、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、旁压试验等原位试验缺点：应力条件不易掌握优点：原状土的原位强度一、直接剪切试验试验仪器：直剪仪（应力控制式，应变控制式）剪切试验剪前施加在试样顶面上的竖向压力为剪破面上的法向应力，剪应力由剪切力除以试样面积在法向应力作用下，剪应力与剪切位移关系曲线，根据曲线得到该作用下，土的抗剪强度APATf4mmab剪切位移△l(0.01mm)剪应力（kPa)12•在不同的垂直压力下进行剪切试验，得相应的抗剪强度τf，绘制τf-曲线，得该土的抗剪强度包线直剪试验优缺点•优点：仪器构造简单，试样的制备和安装方便，易于操作•缺点：①剪切破坏面固定为上下盒之间的水平面不符合实际情况，不一定是土样的最薄弱面。②试验中不能严格控制排水条件，对透水性强的土尤为突出，不能量测土样的孔隙水压力。③上下盒的错动，剪切过程中试样剪切面积逐渐减小，剪切面上的剪应力分布不均匀二、三轴剪切试验•应变控制式三轴仪：压力室，加压系统，量测系统组成•应力控制式三轴仪试验步骤:333333△△2.施加周围压力3.施加竖向压力1.装样•应变控制式三轴仪：压力室，量测系统抗剪强度包线•分别在不同的周围压力3作用下进行剪切，得到3～4个不同的破坏应力圆，绘出各应力圆的公切线即为土的抗剪强度包线抗剪强度包线c三轴试验优缺点•优点：①试验中能严格控制试样排水条件，量测孔隙水压力，了解土中有效应力变化情况②试样中的应力分布比较均匀•缺点：①试验仪器复杂，操作技术要求高，试样制备较复杂②试验在2=3的轴对称条件下进行，与土体实际受力情况可能不符三、无侧限抗压强度试验ququ加压框架量表量力环升降螺杆无侧限压缩仪无侧限抗压强度试验是三轴剪切试验的特例，对试样不施加周围压力，即3=0，只施加轴向压力直至发生破坏，试样在无侧限压力条件下，剪切破坏时试样承受的最大轴向压力qu，称为无侧限抗压强度试样无侧限压缩仪根据试验结果只能作出一个极限应力圆（3=0，1=qu）。因此对一般粘性土，无法作出强度包线说明：对于饱和软粘土，根据三轴不排水剪试验成果，其强度包线近似于一水平线，即u=0，因此无侧限抗压强度试验适用于测定饱和软粘土的不排水强度qucuu=02uufqc无侧限抗压强度试验仪器构造简单，操作方便，可代替三轴试验测定饱和软粘土的不排水强度适用于现场测定饱和粘性土的不排水强度，尤其适用于均匀的饱和软粘土四、十字板剪切试验21maxMMM2324221DDMf22DDHMf322maxDHDMf柱体上下平面的抗剪强度产生的抗扭力矩柱体侧面剪应力产生的抗扭力矩§3排水条件与试验成果的关系•一、总应力强度指标与有效应力强度指标cftan库仑定律说明：施加于试样上的垂直法向应力为总应力，c、为总应力意义上的土的粘聚力和内摩擦角，称之为总应力强度指标根据有效应力原理：土的抗剪强度并不是由剪切面上的法向总应力决定，而是取决于剪切面上的法向有效应力cucftantan＝c、为土的有效粘聚力和有效内摩擦角，即土的有效应力强度指标有效应力强度指标确切地表达出了土的抗剪强度的实质，是比较合理的表达方法•二、不同排水条件时的剪切试验方法及成果表达1.不固结不排水剪（UU）三轴试验：施加周围压力3、轴向压力△直至剪破的整个过程都关闭排水阀门，不允许试样排水固结333333△△直剪试验：通过试验加荷的快慢来实现是否排水。使试样在3～5min之内剪破，称之为快剪关闭排水阀333333△△有效应力圆总应力圆u=0BCcuuAA3A