第6章土的抗剪强度

第6章土的抗剪强度Chapter6Shearstrengthofsoils概述土体强度及其特点工程中土的强度问题土的抗剪强度土的强度的特点各种类型的滑坡(sliding)挡土和支护结构的破坏地基的破坏砂土的液化(liquefaction)大阪的港口码头挡土墙由于液化前倾挡土结构物的破坏挡土墙滑裂面基坑支护边坡滑裂面滑坡加拿大特朗斯康谷仓地基整体破坏地基p滑裂面各种类型的滑坡崩塌平移滑动旋转滑动流滑滑裂面锚固破坏整体滑动底部破坏土体下沉墙体折断挡土支护结构的破坏地基的破坏地基P滑裂面喷砂遗井松砂层地下水位地震荷载建筑物喷砂地面下沉喷砂遗井排出的剩余孔隙水地震前液化时液化后建筑物地基的液化土压力边坡稳定性地基承载力振动液化特性挡土结构物破坏各种类型的滑坡地基的破坏砂土的液化核心问题:土体的强度理论第6章土的抗剪强度Chapter6Shearstrengthofsoils6.1概述Section1Introduction1.土体的破坏形式—剪切破坏Failuremodeofsoils－shearfailure（图6-1）Ts=τ·ATf=τf·A2.土的抗剪强度Shearstrengthofsoils土体破坏时其破坏面上能够承受的最大剪应力图6-2，6-33.水工建筑物中常见的土体和地基的失稳形式（图6-2）Commonstabilitylossmodeofsoilandfoundationinhydraulicstructures4.土的应力应变关系—本构关系Relationshipbetweenstressandstrain—Constitutiverelationship（图6-3）6.2莫尔一库伦强度理论Section2Mohr-Coulombstrengththeory6.2.1土的抗剪强度定律（Lawofshearstrength）1.库伦抗剪强度公式(Coulombshearstrengthformula)（1）砂土τf＝σ·tgφ（2）粘性土τf＝σ·tgφ+c式中，c为粘聚力(Cohesion)φ为内摩擦角(Angleofinternalfriction)2.有效应力形式(Effectivestressform)（1）砂土τf＝σ'·tgφ'（2）粘性土τf＝σ'·tgφ'+c'(6-1)(6-2)(6-3)法国军事工程师，在摩擦、电磁方面做出了奠基性的贡献。1773年发表了关于土压力方面论文，成为土压力的经典理论库仑（C.A.Coulomb）(1736-1806)6.2.2莫尔—库伦强度理论Mohr-Coulombstrengththeory1.莫尔应力圆与库伦强度包线（图6-4）MohrstresscircleandCoulombstrengthenvelope(6-4)sin)(21cos)(213131c2.中主应力σ2对强度的影响Effectofintermediateprincipalstressonstrength对排水剪几乎无影响，但对不排水剪有较大的影响NearlynoeffectforCDtest,buthaseffectforUUtest•粘性土粘聚力的存在是客观的。在正常固结情况下，粘聚力c随增加而增加，从而使其隐含在摩擦强度之内•c和在物理意义上并不严格“真实”地反映粘聚和摩擦两个抗剪强度分量，而通常是“你中有我，我中有你”，从而失去其物理意义，变成仅为计算参数的含义思考题：c=0是否意味着正常固结粘土无粘聚力?6.3一点的极限平衡条件Section3Limitequilibriumconditionatrandompoint6.3.1土体中一点的应力状态（图6-5）Stressstateatrandompointinsoil1.任一截面上的法向应力和剪应力Normalstressandshearstressonrandomsection2.用莫尔应力圆表示（图6-6）StressstatedenotedbyMohrstresscircle(6-5)2sin)(212cos)(21)(21313131图6-5，6-6(6-5)Limitequilibriumcondition1.土体中某点的强度状态(图6-7)Strengthstateatrandompointinsoil（1）ττf，土体未剪坏—相离(Apart)（2）ττf，土体已剪坏—相割(Secant)（3）τ＝τf，土体处于极限平衡状态—相切(Tangent)2.极限平衡状态的条件式Conditionalexpressionoflimitequilibriumstateτ＝τf＝c+σ·tgφ(6-6)6.3.2极限平衡条件应力莫尔圆与强度包线f①强度包线以下：任何一个面上的一对应力与都没有达到破坏包线，不破坏②与破坏包线相切：有一个面上的应力达到破坏③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Ocf=c+tg13莫尔-库仑强度理论的破坏准则ctgc22)(ctgc2)(sin31313131)245(tgc2)245(tg213)245(tgc2)245(tg2312ctgc31231土的极限平衡条件：处于极限平衡状态时，1和3之间应满足的关系)245(tg213)245(tg231无粘性土3.极限平衡条件的主应力表达式（图6-8）Principalstressexpressionsoflimitequilibrium由几何关系，得(6-7)(6-8)oaooabaoabsinctgcooctgcctgc222sin31313131cos2sin)(3131csin1cos2sin1sin131c图6-8132tanfc13ctg2c对无粘性土(Forcohesionlesssoil)破坏角(Failureangle)(6-15)(6-11)(6-12)(6-13)(6-14)3131sinsin1sin131)245(231tg)245(213tg245)90(21f(6-9)(6-10))245(2)245(231tgctg)245(2)245(213tgctgΤf线Kf线由两线方程比较，得(6-16)cossin223131cfffctgdtg223131ffdtg223131sinftgcoscdf4.Kf线与τf线的关系(图6-9)图6-9Applicationoflimitequilibriumcondition（1）利用内摩擦角(Angleofinternalfriction)φ，由式（6-7）或（6-11），得，则土体破坏（2）利用大主应力(Maximumprincipalstress)σ1，即式（6-9）或（6-13），则土体破坏（3）利用小主应力(Minimumprincipalstress)σ3，即式（6-10）或（6-14），则土体破坏6.3.3极限平衡条件的应用ctgcmmmmm2sin31311mm11m336.4土的剪切试验Section4Sheartestofsoil6.4.1直接剪切试验(Directsheartest)1.直剪仪(Directshearapparatus)(图6-11)2.试验步骤(Testprocedure)(图6-12)上盒下盒PSTA1S23直剪试验的类型(1)固结慢剪•施加正应力-充分固结•剪切速率很慢，0.02mm/分，•以保证无超静孔压(2)固结快剪•施加正应力-充分固结•在3-5分钟内剪切破坏(3)快剪•施加正应力后立即剪切•3-5分钟内剪切破坏通过控制剪切速率近似模拟排水条件3.试验成果(Testresults)(图6-13)4.直剪仪的优缺点MeritanddemeritofdirectshearapparatusS123Ocf1f2f3SO•当采用总应力时，称为总应力抗剪强度指标•当采用有效应力时，称为有效应力抗剪强度指标5.直剪试验分类(Classificationofdirectsheartest)（1）快剪(Quickdirectsheartest)(q)（2）固结快剪(Consolidatedquickdirectsheartest)(cq)（3）慢剪(Consolidatedslowdirectsheartest)(s)6.应力历史对抗剪强度的影响（图6-14）（1）正常固结粘土：τqτcqτs（2）超固结粘土：τqτcqτs6.4.2三轴剪切试验(Triaxialsheartest)1.三轴剪切仪Triaxialshearapparatus(图6-15)(6-17)(6-18)试样压力室压力水排水管阀门轴向加压杆有机玻璃罩橡皮膜透水石顶帽量测体变或孔压三轴试验试样围压力3阀门始终打开阀门马达横梁量力环百分表量水管图6-162.试验原理(testprinciple)（图6-16）3.三轴剪切试验的优点Meritofthetriaxialsheartest4.试验方法(Testprinciple)（图6-16）b=0，压缩试验b=1.0，伸长试验3132bσ3σ3σ3qσ3σ3σ3qDeterminationofstrengthparameters（1）在不同的围压下的应力－应变关系曲线上求得破坏应力（2）作3～4个试样的破坏莫尔圆（3）作所有圆的公切线，得到c、φ值5.强度参数的确定(图6-17)333qf1qf2qf3q(kPa)ea(%)Op’Oq(kPa)•当采用总应力时，称为总应力抗剪强度指标•当采用有效应力时，称为有效应力抗剪强度指标（1）不固结不排水试验(UU)(图6-18)Unconsolidatedundrainedtriaxialtest6.三轴试验分类(Classificationoftriaxialsheartest)（2）固结不排水试验(CU)(图6-19)Consolidatedundrainedtriaxialtest（3）固结排水试验(CD)(图6-20)Consolidateddrainedtriaxialtest试验过程中，孔隙水压力u及含水量w变化情况见P136表6-17.三轴试验中的孔隙压力系数A和BPorewaterpressurecoefficientAandBintriaxialtest（1）孔隙水压力的表达式1.0饱和土B=0～1.0非饱和土0干土（2）饱和土孔隙水压力的表达式ExpressionofporewaterpressureforsaturatedsoilA1/3剪缩性土A1/3剪胀性土各种土典型的Af值见P137表6-2)]([313ABu)(313Au孔压系数A与有效应力路径弹性体：A=1/3松砂或正常固结粘土：剪缩A1/3密砂或超固结粘土：剪胀A1/3pOqp0=3A=0(u=0)饱和土固结排水试验A0A=0.5A=1A=1/3图6-21DeterminationofcoefficientA,Bofporewaterpressure31Bu(6-20)(6-21)BuAABu）（）（312312（3）孔隙水压力系数A、B的确定31uB图6-221.无