土的抗剪强度课件

6、土的抗剪强度土的抗剪强度E6.1 6.1 概述概述E6.2 6.2 土的极限平衡条件土的极限平衡条件 E6.3 6.3 抗剪强度指标的确定抗剪强度指标的确定E6.4 6.4 影响抗剪强度指标的因素影响抗剪强度指标的因素土的抗剪强度：土的抗剪强度：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 工程实例地基承载力问题工程实例地基承载力问题1911年动工1913年完工谷仓自重20000吨1913年10月17日发现1小时内竖向沉降达30.5厘米，结构物向西倾斜，并在24小时内倾倒，谷仓西端下沉7.32米，东端上抬1.52米。原因：地基承载力不够，超载引发强度破坏而产生滑动。加拿大特朗斯康谷仓工程实例地基承载力问题 1.整体剪切破坏整体剪切破坏 整体剪切破坏型式的整体剪切破坏型式的压力压力沉降关系曲线沉降关系曲线ps0线性变形阶段线性变形阶段弹塑性变形阶段弹塑性变形阶段塑性破坏阶段塑性破坏阶段整体剪切破坏整体剪切破坏 2.局部剪切破坏局部剪切破坏 sp局部剪切破坏型式的局部剪切破坏型式的压力压力沉降关系曲线沉降关系曲线0压力和沉降关系曲线从一压力和沉降关系曲线从一开始就呈现开始就呈现非线性关系非线性关系局部剪切破坏局部剪切破坏 3.冲剪破坏冲剪破坏ps冲剪破坏型式的冲剪破坏型式的压力压力沉降关系曲线沉降关系曲线0无明显的转折现象无明显的转折现象 地基剪切破坏的型式，主要与地基剪切破坏的型式，主要与土的压缩土的压缩性质有关性质有关。坚硬坚硬或或密实密实的土的土松软松软土土整体剪切破坏整体剪切破坏局部剪切破坏局部剪切破坏冲剪破坏冲剪破坏整体剪切变形的三个阶段压密变形阶段局部剪切阶段整体破坏阶段压密变形阶段压密变形阶段OaO p（kPa）aS（mm）基础 地面 p s局部剪切阶段abO p（kPa）a b S（mm）基础 地面 p p整体破坏阶段bcO p（kPa）a b cS（mm）基础 地面 p土体内一点处土体内一点处任意方向任意方向截面上应力的集合截面上应力的集合（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6.2.1土中任一点的应力状态土中任一点的应力状态6.2 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 O 1 31/2(1+3)2 A(,)土中某点的土中某点的应应力状态力状态可用莫可用莫尔应力圆描述尔应力圆描述 3 1 莫尔圆可以表示土体中一点的应力状态，莫尔圆可以表示土体中一点的应力状态，莫尔圆圆周上各点的坐标就表示该点在相莫尔圆圆周上各点的坐标就表示该点在相应平面上的应平面上的正应力正应力和和剪应力剪应力。6.2.2 莫尔莫尔-库仑破坏理论库仑破坏理论17761776年，库仑根据年，库仑根据砂土砂土剪切试验剪切试验得出得出 f=tan 砂土砂土后来，根据后来，根据粘性土粘性土剪切试验剪切试验得出得出 f=c+tan 粘土粘土c 库仑定律：库仑定律：土的抗剪强土的抗剪强度是剪切面上的法向总应度是剪切面上的法向总应力力 的线性函数的线性函数 f f库伦公式库伦公式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(无粘性土：无粘性土：c=0)莫尔包线表示材料在不同应力作用下达莫尔包线表示材料在不同应力作用下达到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 与剪应与剪应力力 f 的关系。的关系。莫尔包线莫尔包线 f=c+tan 应力圆应力圆与强度线与强度线相离：相离：强度线强度线应力圆应力圆与强度线与强度线相切：相切：应力圆应力圆与强度线与强度线相割：相割：极限应极限应力圆力圆f 破坏状态破坏状态 6.2.3 土的极限平衡条件土的极限平衡条件莫尔库仑破坏准则莫尔库仑破坏准则 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：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粘性土的极限平衡条件1=3tg2(45+/2)2ctg(45+/2)3=1tg2(45/2)2ctg(45/2)无粘性土的极限平衡条件1 1=3 3tgtg2 2(45+/2)(45+/2)3 3=1 1tgtg2 2(45(45/2)/2)土体处于极限平衡状态时，破坏面与大主应力作用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面的夹角为 f f2 f 3 1c A cctg 1/2(1+3)说明：说明：剪破面并不产生于最大剪应力面，而与最大剪剪破面并不产生于最大剪应力面，而与最大剪应力面成应力面成 /2的夹角。因此，土的剪切破坏并不是由的夹角。因此，土的剪切破坏并不是由最大剪应力最大剪应力max所控制。所控制。max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6.3 抗剪强度指标的确定抗剪强度指标的确定试验仪器：试验仪器：直剪仪（直剪仪（应变控制式应变控制式，应力控制式），应力控制式）6.3.1 直接剪切试验直接剪切试验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，分别个平行试样，分别在不同垂直压力在不同垂直压力 下剪切破坏，将试验结果下剪切破坏，将试验结果绘制抗剪强度绘制抗剪强度 f与相应垂直压力与相应垂直压力 的关系图。的关系图。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，得相应的抗剪下进行剪切试验，得相应的抗剪强度强度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（kPakPa)1 1 2 2 快剪快剪固结快剪固结快剪慢剪慢剪在直剪试验过程中，根据加荷速率的快慢可将试验 划分为:直剪试验优缺点直剪试验优缺点n优点：优点：仪器构造简单，试样的制备和安装方便，仪器构造简单，试样的制备和安装方便，易于操作。易于操作。n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不能严格控制排水条件，不能量测土样的孔隙水压力。压力。剪切过程中试样剪切面积逐渐减小，剪切面上的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。剪应力分布不均匀。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 6.3.2 三轴压缩试验三轴压缩试验二、三轴剪切试验二、三轴剪切试验n试验仪器：试验仪器：应变控制式应变控制式三轴仪：三轴仪：压力室压力室，加压系统加压系统，量测系量测系 统统组成组成(常用常用）应力控制式三轴仪应力控制式三轴仪n试验步骤试验步骤:3 3 3 3 3 3 2.2.施加周围压力施加周围压力3.3.施加竖向压力施加竖向压力1.1.装样装样三轴压缩仪三轴压缩仪应变控制式三轴仪：应变控制式三轴仪：n压力室压力室n加压系统加压系统n量测系统量测系统轴向加荷系统加压和量测系统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，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，与土体实际受力情的轴对称条件下进行，与土体实际受力情况可能不符。况可能不符。