清华大学土力学1-张丙印-第五章

清华大学土木水利学院岩土工程研究所张丙印《土力学1》之第五章土的抗剪强度12月6日习题讨论课范围：第四章内容：小测验习题讨论、方法讨论难点讨论、其它讨论答疑时间：12月5日晚8：00–10：00地点：新水利馆227（从正门进，上2楼，两个左拐，右手）本章提要学习难点第五章：土的抗剪强度•土是如何破坏的？•如何衡量土的强度？•如何测定土的强度？•如何应用土的强度指标？•土的抗剪强度理论及本质•土的抗剪强度指标及测试方法•土的抗剪强度指标的种类及选取5-15-35-53-95-85-45-9§5.1概述§5.2土体破坏与土的强度理论§5.3土的抗剪强度的测定试验§5.4应力路径与破坏主应力线§5.5土的抗剪强度指标§5.6土的动强度与砂土的振动液化第五章：土的抗剪强度仁者乐山智者乐水§5.1概述-土体强度及其特点概述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)仁者乐山智者乐水土的强度及其特点NTtgNtgT天然状态下的砂沿坡方向的平衡：天然休止角，也是最松状态下的砂内摩擦角砂堆TWN§5.1概述-土体强度及其特点仁者乐山智者乐水土的强度及其特点静止砂丘移动砂丘30~35天然状态下的沙丘固定沙丘背风坡角度接近天然休止角，一般为=30-35，大于矿物滑动摩擦角颗粒间存在一定的咬合作用§5.1概述-土体强度及其特点仁者乐山智者乐水土体强度的特点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-主要是抗剪强度与剪切破坏，颗粒间粘聚力与摩擦力三相体系：三相承受与传递荷载-有效应力原理自然变异性：土的强度的结构性与复杂性§5.1概述-土体强度及其特点仁者乐山智者乐水各种类型的滑坡崩塌平移滑动旋转滑动流滑滑裂面§5.1概述-土体强度及其特点仁者乐山智者乐水1994年4月30日崩塌体积400万方，10万方进入乌江死4人，伤5人，失踪12人；击沉多艘船只1994年7月2-3日降雨引起再次滑坡滑坡体崩入乌江近百万方；江水位差数米，无法通航。乌江武隆鸡冠岭山体崩塌§5.1概述-土体强度及其特点仁者乐山智者乐水滑坡堰塞湖—易贡湖湖水每天上涨50cm！天然坝坝高290m滑坡堰塞湖库容15亿方2000年西藏易贡巨型滑坡§5.1概述-土体强度及其特点仁者乐山智者乐水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§5.1概述-土体强度及其特点仁者乐山智者乐水广州京光广场基坑塌方使基坑旁办公室、民工宿舍和仓库倒塌，死3人，伤17人§5.1概述-土体强度及其特点仁者乐山智者乐水大阪的港口码头挡土墙由于液化前倾§5.1概述-土体强度及其特点仁者乐山智者乐水地基的破坏地基P滑裂面§5.1概述-土体强度及其特点仁者乐山智者乐水某谷仓地基的破坏§5.1概述-土体强度及其特点仁者乐山智者乐水砂土的液化(liquefaction)日本新泻1964年地震引起大面积液化§5.1概述-土体强度及其特点仁者乐山智者乐水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§5.1概述-土体强度及其特点§5.1概述§5.2土的抗剪强度理论§5.3土的抗剪强度的测定试验§5.4应力路径与破坏主应力线§5.5土的抗剪强度指标§5.6土的动强度与砂土的振动液化第五章：土的抗剪强度§5.2土的抗剪强度理论仁者乐山智者乐水土的抗剪强度理论直剪试验与库仑公式土的抗剪强度机理莫尔-库仑强度理论§5.2土的抗剪强度理论仁者乐山智者乐水法国军事工程师，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)§5.2土的抗剪强度理论–直剪试验与库伦公式仁者乐山智者乐水直剪试验PT土样下盒上盒S面积A直剪试验•法向应力：AP•剪应力：AT•剪切变形S1S23§5.2土的抗剪强度理论–直剪试验与库伦公式仁者乐山智者乐水直剪试验的强度包线S123Oc库仑公式：（1776）f1f2f3f：土的抗剪强度tg：摩擦强度-正比于压力：土的内摩擦角c：粘聚强度-与所受压力无关tgcf§5.2土的抗剪强度理论–直剪试验与库伦公式仁者乐山智者乐水土的抗剪强度指标c和是决定土的抗剪强度的两个指标，称为抗剪强度指标•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对无粘性土通常认为，粘聚力C=0库仑公式:tgcf§5.2土的抗剪强度理论–直剪试验与库伦公式仁者乐山智者乐水摩擦强度摩擦强度：决定于剪切面上的正应力σ和土的内摩擦角由颗粒之间发生滑动时颗粒接触面粗糙不平所引起，与颗粒的形状，矿物组成，级配等因素有关0.020.060.20.623020颗粒直径(mm)滑动摩擦角u粗粉细砂中砂粗砂滑动摩擦咬合摩擦包括如下两个组成部分：滑动摩擦§5.2土的抗剪强度理论–土的抗剪强度机理仁者乐山智者乐水摩擦强度：决定于剪切面上的正应力σ和土的内摩擦角滑动摩擦咬合摩擦包括如下两个组成部分：•是指相邻颗粒对于相对移动的约束作用•当发生剪切破坏时，相互咬合着的颗粒A必须抬起，跨越相邻颗粒B，或在尖角处被剪断（C），才能移动•土体中的颗粒重新排列，也会消耗能量咬合摩擦CABCAB剪切面§5.2土的抗剪强度理论–土的抗剪强度机理摩擦强度仁者乐山智者乐水摩擦强度密度粒径级配颗粒的矿物成分粒径的形状粘土颗粒表面的吸附水膜影响土的摩擦强度的主要因素:§5.2土的抗剪强度理论–土的抗剪强度机理仁者乐山智者乐水凝聚强度细粒土：粘聚力c取决于土粒间的各种物理化学作用力作用机理：库伦力（静电力）、范德华力、胶结作用力和毛细力等影响因素：地质历史、粘土颗粒矿物成分、密度与离子浓度粗粒土：一般认为是无粘性土，不具有粘聚强度：当粗间有胶结物质存在时可具有一定的粘聚强度非饱和砂土，粒间受毛细压力，具有假粘聚力§5.2土的抗剪强度理论–土的抗剪强度机理仁者乐山智者乐水应力状态与莫尔圆极限平衡应力状态莫尔-库仑强度理论破坏判断方法滑裂面的位置莫尔-库仑强度理论§5.2土的抗剪强度理论–莫尔-库仑强度理论仁者乐山智者乐水应力状态yyzxyzxxzzzyzxyzyyxxzxyxijzzxxzxij三维应力状态二维应力状态zxzxzx§5.2土的抗剪强度理论–莫尔-库仑强度理论仁者乐山智者乐水莫尔圆应力分析符号规定zxxzzx材料力学+-正应力剪应力拉为正压为负顺时针为正逆时针为负zxxzzx+-土力学压为正拉为负逆时针为正顺时针为负§5.2土的抗剪强度理论–莫尔-库仑强度理论仁者乐山智者乐水应力莫尔圆O213rp22()/2xzxzr()/2xzp1pr3pr大主应力：小主应力:圆心：半径：zxzxzx1(z,zx)(x,xz)•莫尔圆：单元的应力状态•圆上点：一个面上的与•莫尔圆转角2：作用面转角§5.2土的抗剪强度理论–莫尔-库仑强度理论仁者乐山智者乐水极限平衡应力状态§5.2土的抗剪强度理论–莫尔-库仑强度理论极限平衡应力状态：当一面上的应力状态达到=f土的强度包线：所有达到极限平衡状态的莫尔圆的公切线tgcf切点=破坏面仁者乐山智者乐水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§5.2土的抗剪强度理论–莫尔-库仑强度理论不可能发生仁者乐山智者乐水1.土单元的某一个平面上的抗剪强度f是该面上作用的法向应力的单值函数,f=f()（莫尔：1900年）2.在一定的应力范围内，可以用线性函数近似f=c+tg3.某土单元的任一个平面上=f，该单元就达到了极限平衡应力状态莫尔—库仑强度理论§5.2土的抗剪强度理论–莫尔-库仑强度理论仁者乐山智者乐水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§5.2土的抗剪强度理论–莫尔-库仑强度理论仁者乐山智者乐水土单元是否破坏的判别根据极限平衡条件可以用来判别一点土体是否已发生剪切破坏计算主应力1,3：确定土单元体的应力状态（x，z，xz）2xz2zxzx3,14)2(2判别是否剪切破坏：•由31f，比较1和1f•由13f，比较3和3f•由1,3m，比较和m§5.2土的抗剪强度理论–莫尔-库仑强度理论仁者乐山智者乐水cf=c+tgO土单元是否破坏的判别)245(tgc2)245(tg23f11=1f极限平衡状态（破坏）11f安全状态11f不可能状态（破坏）1f3方法一：由31f，比较1和1f§5.2土的抗剪强度理论–莫尔-库仑强度理论仁者乐山智者乐水Ocf=c+tg土单元是否破坏的判别方法二：由13f，比较3和3f3=3f极限平衡状态（破坏）33f安全状态33f不可能状态（破坏）13f)245(tgc2)245(tg21f3§5.2土的抗剪强度理论–莫尔-库仑强度理论仁者乐山智者乐水Of=c+tgOc土单元是否破坏的判别方法三：由1,3m，比较和mm安全状态m=极限平衡状态（破坏）m不可能状态（破坏）ctgc2sin3131m处于极限平衡状态所需的内摩擦角§5.2土的抗剪强度理论–莫尔-库仑强度理论仁者乐山智者乐水剪切破坏面的位置31f22=90+=45+/2O1f32/45可见土体破坏的剪切破坏不在45º最大剪应力面上，为什么？与大主应力面夹角:2§5.2土的抗剪强度理论–莫尔-库仑强度理论仁者乐山智者乐水小结直剪试验与库仑公式土的抗剪强度机理莫尔-库仑强度理论•直剪试验•库仑公式•土的抗剪强度指标c和•应力状态与莫尔圆•极限平衡应力状态•莫尔-库仑强度理论•土体破坏判断方法•滑裂面的位置•摩擦强度：滑动、咬合摩擦•凝聚强度§5.2土的抗剪强度理论–莫尔-库仑强度理论§5.1概述§5.2土的抗剪强度理论§5.3土的抗剪强度的测定试验§5.4应力路径与破坏主应力线§5.5土的抗剪强度指标§5.6土的动强度与砂土的振动液化第五章：土的抗剪强度§5.3土的抗剪强度的测定试验仁者乐山智者乐水室内试验：•直剪试验•三轴试验等野外试验：•十字板扭剪试验•旁压试验等抗剪强度测定试验重塑土制样或现场取样缺点：扰动优点：应力和边界条件清楚，易重复缺点：应力和边界条件不易掌握优点：原状土的原位强度§5.3土的抗剪强度的测定试验仁者乐山智者乐水直剪试验PT土样下盒上盒S面积AOc1S23f1f2f3直剪仪(directsheartestapparatus)§5.3土的抗