第四章 土的抗剪强度与地基承载力

仁者乐山，智者乐水中州大学工程技术学院仁者乐山，智者乐水周六上午：建工2班第一组：压缩试验建工2班第二组：直剪试验周六下午：建工2班第二组：压缩试验建工2班第一组：直剪试验周日上午：建工1班第一组：压缩试验建工1班第二组：直剪试验周日下午：建工1班第二组：压缩试验建工1班第一组：直剪试验时间：上午：压缩试验8:30，直剪试验9:30下午：压缩试验13:00，直剪试验14:00请同学们严格按照上述时间到试验室做试验，试验成绩根据考勤及试验报告质量综合评定，占期末考试总成绩的20%。两次无故不做试验或者不交试验报告者，试验成绩按零分计算！注意事项：同学们在做试验的过程中，要爱护仪器设备，不要损坏及弄污精密仪器，不要动与本次试验无关的仪器；在教师讲解完仪器的操作使用方法后再操作仪器，以免因操作不当而损坏仪器；要保持室内整洁，不要把土撒在地面上；每一小组做完试验后请擦拭干净所用仪器及试验台；每大组由班干部或组长负责组织2-3位同学打扫试验室卫生，以便为大家创造一个良好的试验环境。仁者乐山，智者乐水4.1土的抗剪强度与极限平衡理论4.2土的剪切试验4.3土的剪切特性4.4地基承载力仁者乐山，智者乐水本章提要学习难点第四章土的抗剪强度与地基承载力•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仁者乐山，智者乐水工程中的强度问题概述土的抗剪强度：土体抵抗剪切破坏的极限能力。等于剪切破坏时滑动面上的剪应力大小。仁者乐山，智者乐水地基的破坏地基P滑裂面仁者乐山，智者乐水工程实例－地基承载力问题仁者乐山，智者乐水工程实例－地基承载力问题近代世界上最严重的建筑物破坏之一1940年水泥仓库装载水泥，使粘性土超载，引起地基土剪切破坏而滑动。倾斜45度，地基土被挤出达5.18米，23米外的办公楼也发生倾斜。美国纽约某水泥仓库仁者乐山，智者乐水挡土墙滑裂面基坑支护挡土结构物的破坏仁者乐山，智者乐水大阪的港口码头挡土墙由于液化前倾挡土结构物的破坏仁者乐山，智者乐水挡土结构物的破坏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人仁者乐山，智者乐水边坡滑裂面各种类型的滑坡仁者乐山，智者乐水平移滑动各种类型的滑坡崩塌旋转滑动流滑仁者乐山，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•击沉拖轮、驳轮各一艘，渔船2只•1994年7月2-3日降雨引起再次滑坡•崩塌体巨大石块滚入江内，无法通航•滑坡体崩入乌江近百万方；江水位差数米。乌江鸡冠岭山体崩塌各种类型的滑坡仁者乐山，智者乐水土压力边坡稳定地基承载力挡土结构物破坏各种类型的滑坡地基的破坏核心强度理论工程中土体的破坏类型仁者乐山，智者乐水土体抗剪强度影响因素土的基本性质：土中矿物成分、粘粒含量、含水量以及土的结构。颗粒越粗、形状越不规则、表面越粗糙、级配越好，摩擦力越大，抗剪强度越大。密度越大，抗剪强度越大；随含水量增多，抗剪强度降低；结构受扰动，抗剪强度降低。所受的应力状态土体是否达到剪切破坏状态，还与其所受的应力组合密切相关，破坏时的应力组合关系就称为破坏准则。测定方法：室内直接剪切试验、三轴压缩试验、无侧限抗压强度试验及原位十字板剪切试验。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)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•剪切位移S1S23仁者乐山，智者乐水4.1.2库仑定律1776年，库仑根据砂土剪切试验砂土后来，根据粘性土剪切试验粘土c库仑定律：土的抗剪强度是剪切面上的法向总应力的线性函数tanfcftanc:土的粘聚力:土的内摩擦角ff总应力强度指标剪切试验播放仁者乐山，智者乐水有效应力强度表达式•饱和粘性土的渗透固结过程，实际上是孔隙水压力消散和有效应力增长的过程。因此抗剪强度随着固结压密而不断增长。•总应力强度指标只是表述s-tf关系试验成果的两个数学参数，并非常数，因实验方法和土样的试验条件的不同而不同。而有效应力强度指标是唯一的。•线性库伦公式仅适用于法向应力不大的情况。应力范围较大时，抗剪强度线为上凸的曲线。tantan)(tantan)(cucuff有效应力强度指标仁者乐山，智者乐水土体抗剪强度的组成土的抗剪强度一般可分为两部分：一部分与颗粒间的法向应力有关，通常呈正比例关系，其本质是摩擦力；另一部分是与法向应力无关的土粒之间的粘结力，通常称为粘聚力。摩擦力的两个来源1.滑动摩擦：剪切面土粒间表面的粗糙所产生的摩擦2.咬合摩擦：土粒间互相嵌入所产生的咬合力粘聚力：由土粒之间的胶结作用和电分子引力等因素形成仁者乐山，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x4.1.3土中一点的应力状态仁者乐山，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4.1.3土中一点的应力状态仁者乐山，智者乐水4.1.3土中一点的应力状态主应力面、主应力•土体内一点处不同方位的截面上应力的集合（剪应力和法向应力）331131dlcosdlsin楔体静力平衡0cosdsindsind3lll0sindcosdcosd1lll仁者乐山，智者乐水•斜面上的应力2cos212131312sin21312312231212131dlcosdlsin莫尔应力圆方程O131/2(1+3)2A(,)圆心坐标[1/2(1+3)，0]应力圆半径r＝1/2(1－3)土中某点的应力状态可用莫尔应力圆描述仁者乐山，智者乐水应力圆与强度线相离：强度线应力圆与强度线相切：应力圆与强度线相割：极限应力圆ττf弹性平衡状态τ=τf极限平衡状态有一个面上的应力达到破坏ττf破坏状态有一些平面上的应力超过强度，事实上不存在4.1.4莫尔－库仑破坏准则仁者乐山，智者乐水•莫尔应力圆与库仑强度线相切的应力状态作为土的破坏准则(目前判别土体所处状态的最常用准则)强度线4.1.4莫尔－库仑破坏准则仁者乐山，智者乐水31cf2fAccot(1+3)/2313121cot21sinc245tan2245tan231ooc245tan2245tan213ooc或：无粘性土：c=0245tan231o245tan213o4.1.4莫尔－库仑破坏准则土体单元处于极限平衡状态时的应力条件仁者乐山，智者乐水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ff2f31cAccotg1/2(1+3)2459021f45max说明：剪切破坏面并不产生于最大剪应力面，而与最大剪应力面成/2的夹角，可知，土的剪切破坏并不是由最大剪应力τmax所控制max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仁者乐山，智者乐水例题分析•【例】地基中某一单元土体上的大主应力为430kPa，小主应力为200kPa。通过试验测得土的抗剪强度指标c=15kPa，=20o。试问①该单元土体处于何种状态？②单元土体最大剪应力出现在哪个面上，是否会沿剪应力最大的面发生剪破？【解答】已知1=430kPa，3=200kPa，c=15kPa，=20o1.计算法kPacoof8.450245tan2245tan231计算结果表明：1f大于该单元土体实际大主应力1，实际应力圆半径小于极限应力圆半径，所以，该单元土体处于弹性平衡状态仁者乐山，智者乐水kPacoof8.189245tan2245tan213计算结果表明：3f小于该单元土体实际小主应力3，实际应力圆半径小于极限应力圆半径，所以，该单元土体处于弹性平衡状态在剪切面上552459021fkPaf7.2752cos21213131kPaf1.1082sin2131库仑定律kPacf3.115tan由于ττf，所以，该单元土体处于弹性平衡状态仁者乐山，智者乐水2.图解法c11f3f实际应力圆极限应力圆最大剪应力与主应力作用面成45okPa11590sin2131max最大剪应力面上的法向应力kPa31590cos21213131库仑定律kPacf7.129tan最大剪应力面上ττf，所以，不会沿剪应力最大的面发生破坏τmax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§4.2土的剪切试验仁者乐山，智者乐水直剪试验PT土样下盒上盒S面积AOc直剪仪(directsheartestapparatus)§4.2土的剪切试验–直接剪切试验4mmab剪切位移△l剪应力（kPa)12以剪应力为纵坐标，剪切位移为横坐标，绘制剪应力与剪切位移关系曲线,取曲线上剪应力的峰值为抗剪强度,无峰值时,取剪切位移4mm所对应的剪应力为抗剪强度。--确