土力学与基础工程土的抗剪强度幻灯片.ppt

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1、土力学与基础工程土的抗剪强度第1页，共47页，编辑于2022年，星期五给土的抗剪强度下定义：给土的抗剪强度下定义：土体抵抗剪切破坏的极限能力土体抵抗剪切破坏的极限能力 第2页，共47页，编辑于2022年，星期五5.1 土的抗剪强度与极限平衡原理土的抗剪强度与极限平衡原理5.1.1 库仑定律库仑定律 f=c+tan 粘土粘土c 库仑定律：库仑定律：土的抗剪强度是剪切面上的法向总应力土的抗剪强度是剪切面上的法向总应力 的线性函数的线性函数 f f=tan 砂土砂土 f第3页，共47页，编辑于2022年，星期五库伦公式库伦公式两大抗剪强度指标两大抗剪强度指标c:土的粘聚力土的粘聚力:土的内摩擦角土的

2、内摩擦角注：对于无粘性土而言注：对于无粘性土而言c=0)第4页，共47页，编辑于2022年，星期五土的抗剪强度一般可分为两部分：土的抗剪强度一般可分为两部分：第一部分与颗粒间的法向应力有关，通常呈正比第一部分与颗粒间的法向应力有关，通常呈正比例关系，其本质是摩擦力；例关系，其本质是摩擦力；另一部分是与法向应力无关的土粒之间的粘结力，通另一部分是与法向应力无关的土粒之间的粘结力，通常称为粘聚力。常称为粘聚力。第5页，共47页，编辑于2022年，星期五影影响响因因素素土土的的抗抗剪剪强强度度内在因素内在因素外在因素：外在因素：试验时的排水条件等因素试验时的排水条件等因素颗粒间的有效法向应力颗粒间的

3、有效法向应力土的孔隙比土的孔隙比第6页，共47页，编辑于2022年，星期五表表达达方方法法土土的的抗抗剪剪强强度度总应力法：总应力法：总应力强度指标总应力强度指标有效应力法：有效应力法：有效应力强度指标有效应力强度指标第7页，共47页，编辑于2022年，星期五 莫尔包线表示材料在不同应力作用下达到莫尔包线表示材料在不同应力作用下达到极限状态极限状态时，滑动面上法向应力时，滑动面上法向应力 与剪应力与剪应力 f 的的关系。关系。莫尔包线莫尔包线 f=c+tan 5.1.2 莫尔莫尔-库伦强度理论库伦强度理论第8页，共47页，编辑于2022年，星期五土体内一点处不同方位的截面上应力的集合土体内一点

4、处不同方位的截面上应力的集合（剪应力（剪应力 和法向应力和法向应力）3 3 1 1 3 1 斜面上的应力斜面上的应力5.1.3 土中一点的应力状态土中一点的应力状态第9页，共47页，编辑于2022年，星期五 O 1 31/2(1+3)2 A(,)3 1 莫尔圆可以表示土体中任何一点的应力状态，莫尔圆可以表示土体中任何一点的应力状态，莫尔圆圆周上各点的坐标就表示该点在相应平莫尔圆圆周上各点的坐标就表示该点在相应平面上的面上的正应力正应力和和剪应力剪应力。第10页，共47页，编辑于2022年，星期五当应力圆与强度线相离时：当应力圆与强度线相离时：强度包线强度包线当应力圆与强度线相切时：当应力圆与强

5、度线相切时：当应力圆与强度线相割时：当应力圆与强度线相割时：极限应力摩尔圆f（处于破坏状态）（处于破坏状态）5.1.4 土的极限平衡条件土的极限平衡条件第11页，共47页，编辑于2022年，星期五莫尔库仑破坏的准则：莫尔库仑破坏的准则：3 1c f2 fA cctg 1/2(1+3)无粘性土：无粘性土：c=0粘性土：粘性土：第12页，共47页，编辑于2022年，星期五ABDOf极限平衡条件莫尔库仑破坏准则极限应力圆破坏应力圆剪切破坏面第13页，共47页，编辑于2022年，星期五粘性土的极限平衡条件：粘性土的极限平衡条件：1=3tg2(45+/2)2ctg(45+/2)3=1tg2(45/2)2

6、ctg(45/2)无粘性土的极限平衡条件：无粘性土的极限平衡条件：1=3tg2(45+/2)3=1tg2(45/2)第14页，共47页，编辑于2022年，星期五 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)max第15页，共47页，编辑于2022年，星期五的的方方法法测测定定土土抗抗剪剪强强度度直接剪切试验直接剪切试验三轴压缩试验三轴压缩试验无侧限抗压强度试验无侧限抗压强度试验现场十字板剪切仪现场十字板剪切仪5.2 土的剪切试验方法土的剪切试验方法第16页，共47页，编辑于2

7、022年，星期五试验仪器：直剪仪（应变控制式，应力控制式）试验仪器：直剪仪（应变控制式，应力控制式）5.2.1 直接剪切试验直接剪切试验第17页，共47页，编辑于2022年，星期五应变控制式直剪仪的试验原理：应变控制式直剪仪的试验原理：对同一种土至少取对同一种土至少取4个平行试样，分别在不同垂直个平行试样，分别在不同垂直压力压力 下剪切破坏，将试验结果绘制抗剪强度下剪切破坏，将试验结果绘制抗剪强度 f与相应与相应垂直压力垂直压力 的关系图。的关系图。第18页，共47页，编辑于2022年，星期五剪切容器与应力环剪切容器与应力环第19页，共47页，编辑于2022年，星期五第20页，共47页，编辑于

8、2022年，星期五第21页，共47页，编辑于2022年，星期五 在不同的垂直压力在不同的垂直压力 下进行剪切试验，得相应的抗剪强下进行剪切试验，得相应的抗剪强度度f，绘制绘制f-曲线，得该土的抗剪强度包线曲线，得该土的抗剪强度包线第22页，共47页，编辑于2022年，星期五在法向应力在法向应力 作用下，剪应力与剪切位移关系曲线。作用下，剪应力与剪切位移关系曲线。4 4mmmm a a b b 剪切位移剪切位移l(0.01mm)(0.01mm)剪应力剪应力（kPa)kPa)1 1 2 2 第23页，共47页，编辑于2022年，星期五快剪快剪固结快剪固结快剪慢剪慢剪根据加荷速率的快慢分类：第24页

9、，共47页，编辑于2022年，星期五直剪试验优缺点：直剪试验优缺点：优点：优点：仪器构造简单，试样的制备和安装方便，易于操作。仪器构造简单，试样的制备和安装方便，易于操作。缺点：缺点：剪切破坏面固定，且不一定是土样的最薄弱面。剪切破坏面固定，且不一定是土样的最薄弱面。不能严格控制排水条件，不能量测土样的孔隙水压力。不能严格控制排水条件，不能量测土样的孔隙水压力。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。均匀。第25页，共47页，编辑于2022年，星期五一、抗剪强度包线一、抗剪强度包线 分别在不同的周围压力分别在不同的周围压

10、力 3作用下进行剪切，得作用下进行剪切，得到到3 34 4 个不同的破坏应力圆，绘出各应力圆的公切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。线即为土的抗剪强度包线。抗剪强度包线抗剪强度包线 c 5.2.2 三轴压缩试验三轴压缩试验第26页，共47页，编辑于2022年，星期五二、三轴剪切试验二、三轴剪切试验试验仪器组成：试验仪器组成：应变控制式三轴仪：压力室，加压系统，量测系应变控制式三轴仪：压力室，加压系统，量测系 统组成统组成 应力控制式三轴仪应力控制式三轴仪第27页，共47页，编辑于2022年，星期五试验步骤试验步骤:3 3 3 3 3 3 第二步：施加周围压力第二步：

11、施加周围压力第三步：施加竖向压力第三步：施加竖向压力第一步：装土样第一步：装土样第28页，共47页，编辑于2022年，星期五三轴压缩仪三轴压缩仪第29页，共47页，编辑于2022年，星期五轴向加荷系统轴向加荷系统第30页，共47页，编辑于2022年，星期五加压和量测系统第31页，共47页，编辑于2022年，星期五三轴试验优缺点：三轴试验优缺点：优点：优点：能控制排水条件，量测孔隙水压力。能控制排水条件，量测孔隙水压力。试样的应力分布比较均匀，试样的应力分布比较均匀，剪切破坏面为最薄弱面。剪切破坏面为最薄弱面。缺点：缺点：试验仪器复杂，操作技术要求高，试样制备较复杂。试验仪器复杂，操作技术要求高

12、，试样制备较复杂。试验在试验在 2 2=3 3的轴对称条件下进行，与土体实际受力情况可的轴对称条件下进行，与土体实际受力情况可能不符。能不符。第32页，共47页，编辑于2022年，星期五5.3 不同排水条件时的剪切试验不同排水条件时的剪切试验5.3.1 总应力强度指标与有效应力强度指标总应力强度指标与有效应力强度指标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 c、为土的总应力强度指标 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，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。而是取决于剪切面上的法向有效应力。第33页

13、，共47页，编辑于2022年，星期五 三轴压缩试验可以分为三种试验方法：三轴压缩试验可以分为三种试验方法：1.不固结不排水试验不固结不排水试验(UUUU试验试验)2.固结不排水试验固结不排水试验(CUCU试验试验)3.固结排水试验固结排水试验(CDCD试验试验)5.3.2 不同排水条件时的剪切试验方法不同排水条件时的剪切试验方法第34页，共47页，编辑于2022年，星期五1.1.不固结不排水剪（不固结不排水剪（UUUU）三轴试验：三轴试验：施加周围压力施加周围压力 3、轴向压力轴向压力 直至剪破的整直至剪破的整个过程都关闭排水阀门，个过程都关闭排水阀门，不允许试样排水固结。不允许试样排水固结。

14、3 3 3 3 3 3 直剪试验：直剪试验：通过试验加荷的通过试验加荷的快慢来实现是否排水。使试快慢来实现是否排水。使试样在样在3 35 5minmin内剪破，称之为内剪破，称之为快剪。快剪。关闭排关闭排水阀水阀第35页，共47页，编辑于2022年，星期五 3 3 3 3 3 3 有效应力圆总应力圆 u u=0=0BCcu A 3A 1A饱和粘性土在三组饱和粘性土在三组 3 3下的不排水剪试验下的不排水剪试验得到得到A、B、C三个不同三个不同 3 3作用下破坏时作用下破坏时的总应力圆，但只能得到的总应力圆，但只能得到一个有效应力圆一个有效应力圆。为什么强度包线是一为什么强度包线是一条水平线条水

15、平线第36页，共47页，编辑于2022年，星期五2.2.固结不排水剪（固结不排水剪（CUCU）三轴试验：三轴试验：施加周围压力施加周围压力 3 3时打时打开排水阀门，试样完全排水固结，开排水阀门，试样完全排水固结，孔隙水压力完全消散。然后关闭孔隙水压力完全消散。然后关闭排水阀门，再施加轴向压力增量排水阀门，再施加轴向压力增量，使试样在不排水条件下剪，使试样在不排水条件下剪切破坏。切破坏。3 3 3 3 3 3 直剪试验：直剪试验：剪切前试样在垂直剪切前试样在垂直荷载下充分固结，剪切时速率较荷载下充分固结，剪切时速率较快，使土样在剪切过程中不排水，快，使土样在剪切过程中不排水，这种剪切方法为称固

16、结快剪。这种剪切方法为称固结快剪。关闭排关闭排水阀水阀第37页，共47页，编辑于2022年，星期五 3 3 3 3 3 3 将总应力圆在水平轴上左移将总应力圆在水平轴上左移u uf f得到相应的有效应力圆，按得到相应的有效应力圆，按有效应力圆强度包线可确定有效应力圆强度包线可确定c 、ccuc cucu 饱和粘性土在三组饱和粘性土在三组 3 3下进行固结不排水剪试验得下进行固结不排水剪试验得到到A、B、C三个不同三个不同 3 3作用下破坏时的总应力作用下破坏时的总应力圆，由总应力圆强度包线确定固结不排水剪总圆，由总应力圆强度包线确定固结不排水剪总应力强度指标应力强度指标ccu、cuABC第38

17、页，共47页，编辑于2022年，星期五3.3.固结排水剪（固结排水剪（CDCD）三轴试验：三轴试验：试样在围压试样在围压 3 3作作用下排水固结，再缓慢施加用下排水固结，再缓慢施加轴向压力增量轴向压力增量，直至剪，直至剪破，整个试验过程中打开排破，整个试验过程中打开排水阀门，始终保持试样的孔水阀门，始终保持试样的孔隙水压力为零。隙水压力为零。3 3 3 3 3 3 直剪试验：直剪试验：试样在垂直压力下试样在垂直压力下固结稳定，再以缓慢的速率施固结稳定，再以缓慢的速率施加水平剪力，直至剪破，整个加水平剪力，直至剪破，整个试验过程中尽量使土样排水，试验过程中尽量使土样排水，试验方法称为慢剪。试验方

18、法称为慢剪。打开排打开排水阀水阀第39页，共47页，编辑于2022年，星期五在整个排水剪试验过程中，在整个排水剪试验过程中，uf 0 0，总应力全部转化为有效应力，总应力全部转化为有效应力，所以总应力圆即是有效应力圆，总应力强度线即是有效应力强所以总应力圆即是有效应力圆，总应力强度线即是有效应力强度线，强度指标为度线，强度指标为cd、d d。cd d d总结总结:3 3 3 3 3 3 对于同一种土，在不同的排水条件下进行试验，总应力强度对于同一种土，在不同的排水条件下进行试验，总应力强度指标完全不同。指标完全不同。有效应力强度指标不随试验方法的改变而不同，抗剪强度与有效有效应力强度指标不随试

19、验方法的改变而不同，抗剪强度与有效应力有唯一的对应关系。应力有唯一的对应关系。第40页，共47页，编辑于2022年，星期五ququ加压加压框架框架量表量表量力环量力环升降升降螺杆螺杆无侧限压缩仪无侧限压缩仪 3=0试试样样5.3.3 无侧限抗压强度试验无侧限抗压强度试验第41页，共47页，编辑于2022年，星期五无无侧侧限限压压缩缩仪仪第42页，共47页，编辑于2022年，星期五0cu无侧限抗压强度试验无侧限抗压强度试验qu无侧限抗压强度试验所得的极限应无侧限抗压强度试验所得的极限应力圆的水平切线就是破坏包线力圆的水平切线就是破坏包线第43页，共47页，编辑于2022年，星期五加压加压框架框架

20、量表量表量力环量力环升降升降螺杆螺杆无侧限压缩仪无侧限压缩仪试试样样无侧限抗压强度试验无侧限抗压强度试验第44页，共47页，编辑于2022年，星期五无无侧侧限限压压缩缩仪仪第45页，共47页，编辑于2022年，星期五0cu无侧限抗压强度试验无侧限抗压强度试验qu无侧限抗压强度试验所得的极限应无侧限抗压强度试验所得的极限应力圆的力圆的水平切线水平切线就是破坏包线就是破坏包线第46页，共47页，编辑于2022年，星期五 十字板剪切试验可在现场钻孔内进行。试验时，先将十字板插到要进行十字板剪切试验可在现场钻孔内进行。试验时，先将十字板插到要进行试验的深度，再在十字板剪切仪上端的加力架上以一定的转速对其施加扭力试验的深度，再在十字板剪切仪上端的加力架上以一定的转速对其施加扭力矩，使板内的土体与其周围土体产生相对扭剪，直至剪破，测出其相应的最矩，使板内的土体与其周围土体产生相对扭剪，直至剪破，测出其相应的最大扭力矩。然后，根据力矩的平衡条件，推算出圆柱形剪破面上土的抗剪强大扭力矩。然后，根据力矩的平衡条件，推算出圆柱形剪破面上土的抗剪强度。度。十字板剪切试验简介十字板剪切试验简介第47页，共47页，编辑于2022年，星期五