第6章抗剪强度

第五章土的抗剪强度理论主要内容第一节概述第二节库仑定律和摩尔-库仑强度准则（重点）第三节抗剪强度指标的试验方法及其应用第四节孔隙应力系数及土的剪胀性（难点）第五节土的抗剪强度特性的几个问题(自学)材料的强度理论1．强度理论定义：假设材料的某一种类型的破坏是由某种因素所引起的，这种假说通常就称为强度理论。2．常用的强度理论：（1）最大拉应力理论（第一强度理论）：脆断破坏。（2）最大伸长线应变理论（第二强度理论）：脆断破坏。（3）最大剪应力理论（第三强度理论）：屈服破坏。（4）形状改变比能理论（第四强度理论）：屈服破坏。问题：土的破坏型式是什么？它的强度理论是什么？龙观嘴黄崖沟乌江2000年西藏易贡巨型滑坡地点：西藏林芝地区，易贡藏布江，扎木弄沟高程（m）滑距（m）55302200400008000400020006000立面示意图坡高3330m堆积体宽约2500m总方量约3亿方2000年西藏易贡巨型滑坡滑坡堆积区2264m2210m2165m2340m平面示意图5520m滑坡堆积体2000年西藏易贡巨型滑坡天然坝坝高290m滑坡堰塞湖库容15亿方湖水每天上涨50cm?2000年西藏易贡巨型滑坡边坡滑裂面•三、土的破坏形式——剪切破坏•因为土颗粒自身的强度远大于颗粒间的联接强度，在外力作用下，土中的颗粒沿接触处互相错动而发生剪切破坏。•四、土的强度理论•滑裂面上的剪应力达到极限值。（注：与最大剪应力理论不同）土的抗剪强度定义土体抵抗剪切破坏的极限能力。剪切破坏时滑动面上的剪应力。工程应用边坡的稳定性由强度控制；土压力的计算；地基的承载力需通过强度确定。土力学研究内容基础物理性质先导土中应力具体应用土压力土坡稳定地基承载力核心渗透特性变形特性强度特性第二节库仑定律与摩尔-库仑强度准则（一）直剪试验（法国库仑）1.试验原理施加σ（=P/A），剪切变形S量测（=T/A）上盒下盒PSTσ=100KPaSA一、库仑（Coulomb）定律2.试验结果σ=100KPaSσ=200KPaσ=300KPaPSTAOctanfcc粘聚力内摩擦角σ=100KPaSσ=200KPaσ=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2.试验结果土的抗剪强度不是常数•砂土:τf=σtg•粘性土:τf=c+σtg•有效应力原理：有效应力与抗剪强度存在唯一对应关系用有效应力表达：τf=c´+σ´tgφ´=c´+（σ-u）tgφ´3、抗剪强度公式（库仑定律）NT=NT滑动摩擦（二）土的强度的机理1.摩擦强度tg（1）滑动摩擦（2）咬合摩擦引起的剪胀滑动摩擦咬合摩擦引起的剪胀1.摩擦强度tg（二）土的强度的机理•密度（e,•粒径级配（Cu,Cc）•颗粒的矿物成分对于：砂土粘性土；高岭石伊里石蒙特石•粒径的形状（颗粒的棱角与长宽比）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：1.摩擦强度tg（二）土的强度的机理粘聚强度机理静电引力（库仑力）范德华力颗粒间胶结假粘聚力（毛细力等）粘聚强度影响因素地质历史粘土颗粒矿物成分密度离子价与离子浓度----+2.凝聚强度（二）土的强度的机理（三）应力状态分析τ﹤τf平衡状态τ=τf极限平衡状态（土趋于破坏的临界状态）τ﹥τf破坏状态小结：从变形过程看，抗剪强度仅当施加了剪应力，发生了剪切变形后才能表现出来，所以抗剪强度只能用达到极限平衡时的剪应力来衡量。二、摩尔-库仑强度准则（一）摩尔理论：摩尔认为材料的破坏是剪切破坏（1910年）)(ff这个函数在f-坐标中是一条曲线，称为摩尔包线（或抗剪强度包线）（二）摩尔—库仑强度理论——在土力学中，为了实用的目的，在应力变化范围不很大的情况下，可近似的用直线来代替摩尔包线，该直线方程就是库仑公式。定义：用库仑公式表示摩尔包线的强度理论被称为摩尔-库仑强度理论。摩尔包线极限平衡状态：土单元体中任一平面上的τ=τf的临界状态。极限平衡条件：土体中某点处于极限平衡状态时的应力条件。（τ=τf，土的剪切破坏条件）基本概念一般应力状态如何判断是否破坏？借助于摩尔圆——摩尔-库仑强度准则2sin212cos2121mn313131平面上的应力解根据隔离体上静力平衡)0,21(213131圆心：半径摩尔应力圆的1.土中一点的应力状态（平面应变）（三）土的极限平衡条件摩尔圆：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摩尔应力圆与抗剪强度包线之间的关系有三种：（1）整个摩尔圆位于抗剪强度包线的下方——平衡状态（2）摩尔圆与抗剪强度包线相切（切点为A）——极限平衡状态（3）摩尔圆与抗剪强度包线相割——破坏状态I.II.III.Ac摩尔圆与抗剪强度包线之间的关系2、摩尔—库仑破坏准则根据Mohr-Coulomb破坏理论，破坏时的Mohr应力圆必定与破坏包线相切。切点所代表的平面满足τ=τf的条件，该点处于极限平衡状态。131313132sin2ctgctg2cc1f313ctg2ctanfcOc132极限平衡条件表达式极限平衡条件表达式213231452tg4522452tg4522fftgctgc1f313ctg2ctanfcOc132213452tg4522ftgc根据应力状态计算出大小主应力σ1、σ3221,3422xzxzxz判断破坏可能性由σ3计算σ1f比较σ1与σ1fσ1σ1f弹性平衡状态σ1=σ1f极限平衡状态σ1σ1f破坏状态Oc1f311三、破坏判别方法判别对象：土体微小单元（一点）3=常数：根据应力状态计算出大小主应力σ1、σ3221,3422xzxzxz判断破坏可能性231452tg4522ftgc由σ1计算σ3f比较σ3与σ3fσ3σ3f弹性平衡状态σ3=σ3f极限平衡状态σ3σ3f破坏状态Oc13f33判别对象：土体微小单元（一点）1=常数：三、破坏判别方法Oc1f32tanfc29031f45°＋/2破裂面2滑裂面的位置与大主应力作用面夹角:α=45+/2总结：Mohr-Coulomb破坏理论的要点①剪切破裂面上，土体的抗剪强度是法向应力的函数τf=f（σ）②当法向应力不大时，该函数可以简化为线性函数关系，用Coulomb公式来表示τf=c+σtgφ③土单元体的任何一个面上τ=τf时，就会发生剪切破坏。此时土单元体的应力状态满足极限平衡条件。•莫尔—库仑强度理论与材料力学中的最大剪应力理论有何区别？土体的剪切破坏是发生在τmax作用面上吗？答：M-C理论中τf=tanф+c是随正应力的增大而增大的，不是一个定值，也不等于τmax。最大剪应力理论假设材料沿τmax所在截面滑移而发生屈服破坏。土的破坏点不一定在τmax作用面上，破坏面与σ1作用面的夹角：αf=45º+ф/2，不是45º。只有当ф=0时，破坏面才是τmax作用面，这是特例。思考题课后作业•课后习题5-1第三节抗剪强度指标的试验方法及其应用1.剪切试验的类型——室内剪切试验（直剪试验、三轴压缩试验和无侧限压缩试验）——现场原位测试（十字板剪切试验）2.室内试验的特点——边界条件比较明确，且容易控制。但室内试验要求从现场采取试样，在取样的过程中不可避免地引起应力释放和土的结构扰动。3.现场原位试验的优点——直接在现场原位进行，不需取试样，因而能够更好地反映土的结构和构造特性；对无法进行或很难进行室内试验的土，如粗颗粒土、极软粘土及岩土接触面等，可以取得必要的力学指标。1、试验装置及试验方法：试验装置——应变控制式和应力控制式一、直剪试验•直剪试验根据排水条件可分为：快剪、固结快剪和慢剪．（1）快剪：竖向应力施加后，立即快速施加水平剪力使试样剪切破坏,以模拟不排水的工况。如《土工试验规程》规定，要使试样在3～5分钟内剪坏。其快剪强度指标为cq、q。（2）固结快剪：竖向应力施加后，让试样充分固结。固结完成后，再进行快速剪切，其剪切速率与快剪相同。其固快指标为ccq、cq。（3）慢剪：竖向应力施加后，允许试样排水固结。待固结完成后，施加水平剪应力，剪切速率放慢，使试样在剪切过程中有充分的时间产生体积变形和排水（对剪胀性土为吸水）。其慢剪强度指标为cs、s。2、试验分类3、不同土类的试验（1）无粘性土——渗透性好，即使快剪也能使其排水固结。故《土工试验规程》规定：对无粘性土，一律采用一种加荷速率进行试验。（2）正常固结的粘性土（通常为软土），在竖向应力和剪应力作用下，土样都被压缩，所以通常在一定应力范围内，τq＜τcq＜τs。（饱和软粘土фq一般在0º～5º之间）4、直剪试验的优缺点优点：直接剪切仪构造简单，操作方便等缺点：①限定的剪切面；②剪切面上剪应力分布不均匀；③在计算抗剪强度时按土样的原截面积计算的；④试验时不能严格控制排水条件，不能量测孔隙水压力二、三轴试验1.三轴压缩仪组成压力室周围压力系统轴向加荷系统孔压量测系统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333331=3+1=3+2、试验方法与试验特点试验特点：试样是轴对称应力状态。垂直应力z一般是大主应力；径向与切向应力总是相等r=，即1=z；2=3=r试验方法：首先试样施加静水压力—围压1=2=3；然后通过活塞杆施加的是应力差Δ=1-3。强度包线(1-)fc(1-)f11-31=15%分别作围压为100kPa、200kPa、300kPa的三轴试验，得到破坏时相应的（1-)f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与3.强度包线固结排水试验（CD试验）（1）施加围压后，打开排水阀门充分固结，超静孔隙水压力完全消散；（2）打开排水阀门，慢慢施加以便充分排水，避免产生超静孔压固结不排水试验（CU试验）（1）施加围压后，打开排水阀门，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，在施加轴向应力差过程中不排水不固结不排水试验（UU试验）（1）围压下关闭排水阀门，不固结；（2）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cd、dccu、cucu、u4.试验类型分类依据：按剪切前的固结程度、剪切过程中的排水条件固结排水试验（CD试验）ConsolidatedDrainedsheartest(CD)抗剪强度指标：cdd（c）三轴试验类型汇总固结不排水试验（CU试验）ConsolidatedUndrainedsheartest(CU)抗剪强度指标：ccucu不固结不排水试验（UU试验）UnconsolidatedUndrainedsheartest(UU)抗剪强度指标：cuu（cuuuu）优点：1应力状态和应力路径明确；2排水条件清楚，可控制；3可量测孔隙水压力4破坏面不是人为固定的。缺点：12=3，轴对称2设备相对复杂，现场无法试验；5.优点和缺点6、饱和粘性土的抗剪强度（1）不固结不排水抗剪强度31210ufuc313131