土力学课件第六章.pptx

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1、6.1 6.1 概述概述 6.2 6.2 土的抗剪强度理论土的抗剪强度理论6.3 6.3 土的抗剪强度测定试土的抗剪强度测定试验验6.6.4 4 饱和粘性土的抗剪强饱和粘性土的抗剪强度度6.6.5 5 无粘性土的抗剪强度无粘性土的抗剪强度本章主要内容：第1页/共62页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6.1 6.1 概述概述第2页/共62页1.1.碎散性：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主要是抗剪强度与剪切破坏，颗粒间粘聚力与摩擦力；与剪切破坏，颗粒间粘聚力与摩擦力；2.2.三相体

2、系：三相体系：三相承受与传递荷载三相承受与传递荷载有效应力原理；有效应力原理；3.3.自然变异性：自然变异性：土的强度的结构性与复杂性。土的强度的结构性与复杂性。一、土的抗剪强度二、土的强度特点：第3页/共62页基坑支护1.1.挡土结构物的破坏三、工程中土体的破坏类型挡土墙滑裂面滑裂面第4页/共62页平移滑动平移滑动2.2.各种类型的滑坡崩塌崩塌旋转滑动旋转滑动流滑流滑第5页/共62页地基p3.3.地基的破坏第6页/共62页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第7页/共62页一、直剪试验和库仑公式一、直剪试验和库仑公式二、土的强度机理二、土的强度机理三、摩尔三、摩尔-

3、库仑强度理论库仑强度理论6.2 6.2 土的抗剪强度理论土的抗剪强度理论本节主要内容：第8页/共62页一、直剪试验和库仑公式直剪试验库仑（17761776）施加 （=P/AP/A）量测 （=T/AT/A）上盒上盒下盒下盒PSTA试验原理第9页/共62页 Oc c c 粘聚力 内摩擦角 =100KPa S=200KPa=300KPa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-与所受压力无关强度指标第10页/共62页NT=NT二、土的强度的机理1.1.摩擦强度 tgtg（1 1）滑动摩擦（2 2）咬合摩擦引起的剪胀（3 3）颗粒的破碎与重排列NT第11页/共62页滑动摩擦

4、 颗粒破碎与重排列颗粒破碎与重排列咬合摩擦引起的剪胀第12页/共62页密度（密度（e,e,粒径级配（粒径级配（C Cu u,C,Cc c）颗粒的矿物成分：颗粒的矿物成分：对于对于：砂土：砂土 粘性土；粘性土；高岭石高岭石 伊里石伊里石 蒙特石蒙特石粒径的形状（颗粒的棱角与长宽比）粒径的形状（颗粒的棱角与长宽比）在其他条件相同时：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：第13页/共62页粘聚强度机理粘聚强度影响因素 2.2.凝聚强度静电引力

5、（库仑力）范德华力颗粒间胶结假粘聚力（毛细力等）地质历史粘土颗粒矿物成分密度离子价与离子浓度第14页/共62页三、摩尔-库仑强度理论1.1.库仑公式2.2.应力状态与摩尔圆3.3.极限平衡应力状态4.4.摩尔-库仑强度理论5.5.破坏判断方法6.6.滑裂面的位置第15页/共62页c c 粘聚力 内摩擦角 f：土的抗剪强度土的抗剪强度 tg：摩擦强度摩擦强度-正比于压力正比于压力 c：粘聚强度粘聚强度-与所受压力无关与所受压力无关1.1.库仑公式第16页/共62页c无粘性土粘性土抗剪强度曲线第17页/共62页砂土：粘性土：库仑（Coulomb）公式c:土的粘聚力:土的内摩擦角第18页/共62页莫

6、尔库仑强度理论（1 1）在一定的应力范围内，可以用线性）在一定的应力范围内，可以用线性函数近似函数近似 f f =c c+tgtg（2 2）某土单元的任一个平面上某土单元的任一个平面上 =f f ，该单元就达到了极限平衡应力状态该单元就达到了极限平衡应力状态第19页/共62页 3 3 1 1 3 1 dlcos dlsin 2 2、土中一点的应力状态第20页/共62页第21页/共62页 O z+zx-xz x2 1 3rR3.3.应力莫尔圆圆心：半径：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 第22页/共62页不同状态时的摩尔圆不同状态时的摩尔圆第23页/共62页

7、4.4.极限平衡应力状态极限平衡应力状态：有一面上的应力状态达到 =f 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。f第24页/共62页 f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。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：有一个面上的应力达到破坏；第25页/共62页莫尔-库仑强度理论表达式极限平衡条件 1f 3 O c第26页/共62页第27页/共62页1 1f 破坏状态破坏状态 O c 1f 3 1 15.5.破坏判断方法 3 3=常数：判别对象：土体微小单元（一点）根据应力状态计算出大小主应力1、3，由3计算1f，比较1

8、与1f第28页/共62页3 3f 弹性平衡状态弹性平衡状态3=3f 极限平衡状态极限平衡状态3 安全安全状态状态 =极限平衡状态极限平衡状态 不可能不可能状态状态 O c(1 1+3 3)/2)/2 =常数：圆心保持不变根据应力状态计算出大小主应力13，由1、3计算，与 比较第30页/共62页 3 1f45/2 O c 1f 32 2 6.6.滑裂面的位置 与大主应力面夹角：=45 +/2图中虚线所指位置为滑裂面第31页/共62页第32页/共62页一、室内试验一、室内试验二、野外试验二、野外试验6.3 6.3 抗剪强度测定试验抗剪强度测定试验直剪试验、三轴试验等 制样（重塑土）或现场取样 缺点

9、：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 第33页/共62页PSTA=100KPa S=200KPa=300KPa Oc 一、室内试验1.1.直剪试验第34页/共62页通过控制剪切速率来近似模拟排水条件 3.3.快剪 施加正应力后立即剪切3-53-5分钟内剪切破坏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2.2.固结快剪施加正应力-充分固结在3-53-5分钟内剪切破坏第35页/共62页l 设备简单，操作方便l 结果便于整理l 测试时间短l 试样应力状态复杂l 应变不均匀l

10、 不能控制排水条件l 剪切面固定优点缺点第36页/共62页直接剪切试验直接剪切试验土的剪切试验方法第37页/共62页抗剪强度曲线抗剪强度曲线第38页/共62页试试样样压力室压力室压力水压力水排水管排水管阀门阀门轴向加压杆轴向加压杆有机玻璃罩有机玻璃罩橡皮膜橡皮膜透水石透水石顶帽顶帽 2.2.三轴试验（1 1）试样应力特点与试验方法（2 2）强度包线（3 3）试验类型（4 4）优缺点第39页/共62页应变控制式三轴仪：压力室，加压系统，量测系统组成应变控制式三轴仪：压力室，加压系统，量测系统组成应力控制式三轴仪应力控制式三轴仪试验步骤试验步骤:1.1.装样装样2.2.施加周围压力施加周围压力3.

11、3.施加竖向压力施加竖向压力 3 3 3 3 3 3 三轴剪切试验第40页/共62页方法：首先试样施加静水压力室压（围压）1 1=2 2=3 3 ；然后通过活塞杆施加的是应力差 1 1=1 1-3 3 。（1 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 z一般是大主应力；径向与切向应力总是相等 r r=，亦即 1 1=z z；2 2=3 3=r r第41页/共62页强度包线强度包线(1-)fc (1-)f 1 1-3 1=15%v分别作围压 为100 100 kPakPa 、200 200 kPakPa 、300 300 kPakPa的三轴试验，得到破坏时相应的（1

12、1-)f fv绘制三个破坏状态的应力摩尔圆，画出它们的公切线强度包线，得到强度指标 c c 与 （2 2）强度包线第42页/共62页v固结排水试验（CDCD试验）1 打开排水阀门，打开排水阀门，施加围压施加围压 后充分固结，超静孔隙水压力完全消散；后充分固结，超静孔隙水压力完全消散；2 打打开开排排水水阀阀门门，慢慢慢慢施施加加轴轴向向应应力力差差 以以便便充充分分排排水水，避避免免产产生生超静孔压超静孔压v固结不排水试验（CUCU试验）1 打开排水阀门，打开排水阀门，施加围压施加围压 后充分固结，超静孔隙水压力完全消散；后充分固结，超静孔隙水压力完全消散；2 关闭排水阀门，很快剪切破坏，在施

13、加轴向应力差关闭排水阀门，很快剪切破坏，在施加轴向应力差 过程中不排水过程中不排水v不固结不排水试验（UUUU试验）1 关闭排水阀门，关闭排水阀门，围压围压 下不固结；下不固结；2 关闭排水阀门，很快剪切破坏，在施加轴向应力差关闭排水阀门，很快剪切破坏，在施加轴向应力差 过程中不排水过程中不排水cd、d ccu、cu cu、u（3 3）试验类型第43页/共62页固结排水试验（CDCD试验）Consolidated Drained Triaxial test (CD)Consolidated Drained Triaxial test (CD)抗剪强度指标：c cd d d d （c c ）固结

14、不排水试验（CUCU试验）Consolidated Undrained Triaxial test Consolidated Undrained Triaxial test (CU)(CU)抗剪强度指标：c ccu cu cucu不固结不排水试验（UUUU试验）Unconsolidated Undrained Triaxial test (UU)Unconsolidated Undrained Triaxial test (UU)抗剪强度指标：c cu u u u（c cuu uu uu uu）试验类型汇总第44页/共62页v优点：1 1 应力状态和应力路径明确；2 2 排水条件清楚，可控制；

15、3 3 破坏面不是人为固定的；4 4 试验单元体试验v缺点：设备相对复杂，现场无法试验说明：说明：3 30 0 即为即为无侧限抗压强度试验无侧限抗压强度试验（4 4）优点和缺点第45页/共62页二、野外试验十字板剪切试验第46页/共62页v一般适用于测定软粘土一般适用于测定软粘土的不排水强度指标；的不排水强度指标；v钻孔到指定的土层，钻孔到指定的土层，插入十字形的探头；插入十字形的探头；v通过施加的扭矩计算通过施加的扭矩计算土的抗剪强度土的抗剪强度第47页/共62页时M1H HDM2第48页/共62页无侧限抗压强度试验第49页/共62页强度指标：6.6.4 4 饱和粘性土的抗剪强度饱和粘性土的

16、抗剪强度粘聚力 c c内摩擦角 强度指标的分类：按照分析方法，可分为总应力强度指标与有效应力强度指标；按照试验方法，可分为直剪强度指标与三轴试验强度指标；按照应力应变状态，可分为峰值强度指标与残余强度指标。第50页/共62页一.总应力指标与有效应力指标二.三轴试验强度指标三.土的强度指标的工程应用本节主要内容：第51页/共62页一、总应力指标与有效应力指标1.两种强度指标的比较2.有效应力、总应力强度包线第52页/共62页1.1.两种强度指标的比较土的抗剪强度的有效应力指标c c,=c c +tg tg=-u-u符合土的破坏机理，但有时孔隙水压力u u无法确定土的抗剪强度的总应力指标c,c,=

17、c+c+tg tg 便于应用,但u u不能产生抗剪强度，不符合强度机理强度指标抗剪强度简单评价第53页/共62页二、饱和粘性土的抗剪强度1、不固结不排水抗剪强度2、固结不排水抗剪强度3、固结排水抗剪强度第54页/共62页凡是可以确定（测量、计算）孔隙水压力u u的情况，都应当使用有效应力指标c c，有效应力指标与总应力指标三、土的强度指标的工程应用第55页/共62页砂土：c c,三轴排水试验指标与直剪试验指标 （直剪试验得到的指标偏大）粘土：有效应力指标：固结排水、固结不排水 总应力指标：三轴固结不排水、不排水;直剪固结快剪、快剪三轴试验指标与直剪试验指标第56页/共62页饱和松砂在振动情况下

18、孔压急剧升高在瞬间砂土呈液态时间T孔压 U6.6.5 5 砂土的振动液化砂土的振动液化1.1.液化现象饱和松砂的振动液化P P第57页/共62页（1 1）初始的疏松状态（2 2）振动以后处于悬浮状态 孔压升高（液化）（3 3 3 3）振后处于密实状态）振后处于密实状态2.2.液化机理第58页/共62页振前砂土结构振中颗粒悬浮，有效应力为零振后砂土变密实第59页/共62页第60页/共62页 在饱和砂土中，由于振动引起颗粒的悬浮，超静孔隙水压力急剧升高，直到其孔隙水压力等于总应力时，有效应力为零，砂土的强度丧失，砂土呈液体流动状态，称为液化现象。3.3.液化定义第61页/共62页感谢您的观看。第62页/共62页