土力学课件第五章土的抗剪强度.ppt
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1、第五章第五章 土的抗剪强度土的抗剪强度本章主要内容本章主要内容5.1 5.1 抗剪强度概述抗剪强度概述5.2 5.2 土的抗剪强度试验土的抗剪强度试验5.3 5.3 土的抗剪强度及破坏理论土的抗剪强度及破坏理论5.4 5.4 砂类土的抗剪强度特征砂类土的抗剪强度特征5.5 5.5 粘性土的抗剪强度特征粘性土的抗剪强度特征5.6 5.6 特殊粘性土的抗剪强度特征特殊粘性土的抗剪强度特征5.7 5.7 粘性土的流变特性粘性土的流变特性5.8 5.8 土的动力强度特性土的动力强度特性土工结构物或地基土渗透问题渗透问题变形问题变形问题强度问题强度问题渗透特性渗透特性变形特性变形特性强度特性强度特性1.
2、1.碎散性:碎散性:强度不是颗粒矿物本身的强度,而是颗粒间强度不是颗粒矿物本身的强度,而是颗粒间相互作用相互作用主要是抗剪强度(剪切破坏),颗粒间主要是抗剪强度(剪切破坏),颗粒间粘聚力与摩擦力;粘聚力与摩擦力;2.2.三相体系: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。土的强度特点土的强度特点 5 5.1 .1 概述概述在外荷载的作用下,土体中任一截面将同时产生法向应力和在外荷载的作用下,土体中任一截面将同时产生法向应力和剪应力,其中剪应力,其中法向应力作用将使土体发生压密法向
3、应力作用将使土体发生压密,而,而剪应力作剪应力作用可使土体发生剪切变形用可使土体发生剪切变形。土的土的抗剪强度抗剪强度是指土体对于外荷载所产生的剪应力的极限抵是指土体对于外荷载所产生的剪应力的极限抵抗能力。抗能力。当土中一点某一截面上由外力所产生的剪应力达到土的抗剪当土中一点某一截面上由外力所产生的剪应力达到土的抗剪强度时,它将沿着剪应力作用方向产生相对滑动,该点便发强度时,它将沿着剪应力作用方向产生相对滑动,该点便发生剪切破坏。生剪切破坏。土的破坏主要是由于剪切所引起的土的破坏主要是由于剪切所引起的,剪切破坏是土体破坏的,剪切破坏是土体破坏的主要特点。主要特点。与土体强度有关的工程问题:与土
4、体强度有关的工程问题:建筑物地基稳定性、填方或挖建筑物地基稳定性、填方或挖方边坡、挡土墙土压力方边坡、挡土墙土压力等。等。概述概述平移滑动平移滑动崩塌崩塌旋转滑动旋转滑动流滑流滑概述概述1994年年4月月30日上午日上午11时时45分分崩塌体积崩塌体积530万万m3,30万万m3堆入乌江,形成长堆入乌江,形成长110m、宽宽100m、高、高100m的碎石的碎石坝,阻碍乌江通航达数月坝,阻碍乌江通航达数月之久。之久。死死4人,伤人,伤5人,失踪人,失踪12人人乌江武隆县兴顺乡乌江武隆县兴顺乡鸡冠岭山体崩塌鸡冠岭山体崩塌概述概述龙观嘴龙观嘴黄崖沟黄崖沟乌江乌江20002000年西藏易贡巨型滑坡年西
5、藏易贡巨型滑坡概述概述边坡边坡滑裂面滑裂面概述概述日本新泻日本新泻19641964年地震引起大面积液化年地震引起大面积液化地基的破坏地基的破坏概述概述粘土地基上的某谷仓地基破坏粘土地基上的某谷仓地基破坏概述概述地基地基p滑裂面滑裂面 地基的破坏地基的破坏概述概述5.2 5.2 莫尔莫尔库伦强度理论库伦强度理论一、库伦公式一、库伦公式17731773年根据砂土试验,提出了:年根据砂土试验,提出了:f f=tantan 17761776年他又提出了适用于粘土的更普遍公式:年他又提出了适用于粘土的更普遍公式:f f=c c+tantan c c和和 是决定土的抗剪强度的两个指标,称为抗剪强度是决定土
6、的抗剪强度的两个指标,称为抗剪强度指标。指标。(教材教材5.1,5.3.2,5.3.3)以后,由于有效应力原理的发展,人们认识到土体内以后,由于有效应力原理的发展,人们认识到土体内的剪应力只能由土骨架承担,只有有效应力的变化才的剪应力只能由土骨架承担,只有有效应力的变化才能引起抗剪强度的变化。因此,上述库伦公式应修改能引起抗剪强度的变化。因此,上述库伦公式应修改为:为:f=tan f=c+tan 式中:式中:c c 土的有效粘聚力;土的有效粘聚力;土的有效内摩擦角。土的有效内摩擦角。以上实际上将土的抗剪强度分成了以上实际上将土的抗剪强度分成了总应力表达法总应力表达法和和有有效应力表达法效应力表
7、达法。二、莫尔理论二、莫尔理论 莫尔(莫尔(Mohr)继库伦的早期研究工作之后,在)继库伦的早期研究工作之后,在1900年年提出了材料的剪切破坏理论。提出了材料的剪切破坏理论。莫尔认为,根据试验得到的各种应力状态下的极限应力莫尔认为,根据试验得到的各种应力状态下的极限应力圆具有一条公共包络线,如下图所示。一般来讲,这条圆具有一条公共包络线,如下图所示。一般来讲,这条包络线是曲线,并被称为莫尔包(络)线或抗剪强度包包络线是曲线,并被称为莫尔包(络)线或抗剪强度包线。线。ff=f()图5-1 莫尔包络线l如果材料中某点的应力圆位于如果材料中某点的应力圆位于包线之下,表明该点安全;包线之下,表明该点
8、安全;l如果某点的应力圆与莫尔包线如果某点的应力圆与莫尔包线相切,表明该点处于极限平衡相切,表明该点处于极限平衡状态;状态;l如果应力圆与莫尔包线相交,如果应力圆与莫尔包线相交,说明该点已经破坏。说明该点已经破坏。莫尔包线的一般表达式是莫尔包线的一般表达式是 f=f()具体形式多种多样,有斜直线,双曲线、抛物线、具体形式多种多样,有斜直线,双曲线、抛物线、摆线等,应当通过试验确定,而不是靠什么理论摆线等,应当通过试验确定,而不是靠什么理论和假设推导出来。对各种型式的莫尔包络线的讨和假设推导出来。对各种型式的莫尔包络线的讨论在以后选修的岩石力学课程中能够见到。论在以后选修的岩石力学课程中能够见到
9、。三、莫尔三、莫尔库伦理论库伦理论 实验证明,在应力变化范围不很大的情况下,土的莫实验证明,在应力变化范围不很大的情况下,土的莫尔破坏包线可以近似的用直线代替,该直线的方程与尔破坏包线可以近似的用直线代替,该直线的方程与库伦公式一致。库伦公式一致。这种用库伦公式来表示莫尔包线的强这种用库伦公式来表示莫尔包线的强度理论就称为莫尔度理论就称为莫尔-库伦强度理论库伦强度理论。f f f f=c c c c+tantantantan 在在 -平面上作莫尔应力平面上作莫尔应力圆,如右图圆,如右图(教材教材P178图图)所示。所示。图 土体中某点极限平衡时的摩尔圆 由于土体处于极限平衡状态,根据莫尔由于土
10、体处于极限平衡状态,根据莫尔-库库伦理论,破坏应力圆必定与破坏包线相切,伦理论,破坏应力圆必定与破坏包线相切,切点切点A的位置也就是破坏面的位置,并且:的位置也就是破坏面的位置,并且:2 f=+90 f=45+/2 即即破坏面与最大主应力作用面成破坏面与最大主应力作用面成45 +/2的夹角,与最大剪应力面成的夹角,与最大剪应力面成 /2的夹角的夹角,这是岩土类材料与钢等连续材料在强度上这是岩土类材料与钢等连续材料在强度上的又一区别,由于内摩擦的作用,破坏既的又一区别,由于内摩擦的作用,破坏既不发生在最大主应力作用面,也不发生在不发生在最大主应力作用面,也不发生在最大剪应力作用面。通常情况下,只
11、要土最大剪应力作用面。通常情况下,只要土样均质,应力均匀,试件内就会出现两组样均质,应力均匀,试件内就会出现两组共轭破裂面,如右图所示。共轭破裂面,如右图所示。45o+/23f1f 图 土中的共轭破裂面四、主应力表示的莫尔四、主应力表示的莫尔库伦准则(极限平衡条件)库伦准则(极限平衡条件)进一步分析进一步分析莫尔直线包线与莫尔破坏应力圆莫尔直线包线与莫尔破坏应力圆,还会发现以下,还会发现以下关系:关系:AD=RD sin 而而 AD=(1-3)/2RD=ctan+(1+3)/2故故 (1-3)/2=ctan+(1+3)/2sin 1(1-sin)=3(1+sin)+2ccos (5-6)(5-
12、7)对于无粘性土,由于对于无粘性土,由于c=0,(,(5-6)和()和(5-7)式可以简化)式可以简化为为:1=3tan2(45+)(5-8)3=1tan2(45-)(5-9)虽然莫尔虽然莫尔-库伦准则在不同土体中的有效性都得到库伦准则在不同土体中的有效性都得到了较好的证实,但有时也不尽准确,造成差别的了较好的证实,但有时也不尽准确,造成差别的重要原因就是重要原因就是它没有考虑中间主应力它没有考虑中间主应力 2的影响的影响。由于由于 f决定于有效应力,所以,以上各式中的决定于有效应力,所以,以上各式中的 也应当是也应当是 。【例例5-1】如下图所示地基表面作用条形均布荷载如下图所示地基表面作用
13、条形均布荷载p,在地基内,在地基内M点引起应力为点引起应力为 z=94kPa,x=45kPa,zx=xz=51kPa。地基为粉质粘土,重度。地基为粉质粘土,重度 19.6kN/m3,c=19.6kPa,=28o,侧压力系数,侧压力系数k00.5。试求作用于。试求作用于M点的主应力值,最大点的主应力值,最大主应力面方向并判断该点土体是否破坏。主应力面方向并判断该点土体是否破坏。图5-4解:解:1.计算计算M点的总应力点的总应力 z=z+cz=94+0.519.6=10.3kpa x=x+k0cz=45+0.50.519.6=49.9 kpa zx=xz=51.0 kpa 按第三章应力符号规定,单
14、元体应力如图按第三章应力符号规定,单元体应力如图b。2.求求M点主应力值点主应力值1=134.53kPa,3=19.17 kPa 13 3.求最大主应力面方向求最大主应力面方向 根据应力状态图根据应力状态图b绘制图绘制图c中的莫尔圆,注意这时中的莫尔圆,注意这时 zx为为负值。负值。2=-62.140,=-31.070 大主应力面方向如图b所示。4.破坏可能性判断破坏可能性判断假设假设 3不变,求相应的最大破坏主应力不变,求相应的最大破坏主应力 1f 1f=3 tan2(450+/2)+2c tan2(450+/2)=118.34kPa f,说明该单元体早已破坏。说明该单元体早已破坏。2202
15、20309.83kPa123.64kPa=20+309.83tan18=120.67kPa问:此例题中最大剪应力平面上,是否也达到破坏?问:此例题中最大剪应力平面上,是否也达到破坏?1 3 O c90 最大剪应力平面与大主应力平面成最大剪应力平面与大主应力平面成45 角,正应力角,正应力=(1+3)/2=345kPa,f=133.72kPa剪应力剪应力=(1-3)/2=130kPa由于由于 f,说明土单元中此点尚未达到破坏状态。说明土单元中此点尚未达到破坏状态。5.3 抗剪强度实验抗剪强度实验按常用的试验仪器可将剪切试验分:按常用的试验仪器可将剪切试验分:p直接剪切试验直接剪切试验p三轴压缩试
16、验三轴压缩试验p无侧限抗压强度试验无侧限抗压强度试验p十字板剪切试验四种十字板剪切试验四种一、一、直接剪切试验直接剪切试验可以测定土的两个可以测定土的两个抗剪强度指标:抗剪强度指标:c:土的粘聚力土的粘聚力:土的内摩擦角土的内摩擦角PSTA剪切容器与应力环剪切容器与应力环 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C钢环变形常数钢环变形常数R变形量变形量二、三轴剪切试验二、三轴剪切试验三轴是指一个竖向和两个侧向而言,由于压力室和三轴是指一个竖向和两个侧向而言,由于压力室
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- 土力学 课件 第五 强度
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