抗剪强度

第7章土的抗剪强度Shearstrengthofsoil§7.1概述§7.2土的抗剪强度理论§7.3土的抗剪强度试验§7.4三轴压缩试验中的孔隙压力系数§7.5饱和粘性土的抗剪强度§7.6无粘性土的抗剪强度本章主要内容：土工结构物或地基土渗透问题变形问题强度问题渗透特性变形特性强度特性§7.1概述一、土的抗剪强度shearstrength是指土体对于外荷载所产生的剪应力的极限抵抗能力。f1.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；2.三相体系：三相承受与传递荷载——有效应力原理；3.自然变异性：土的强度的结构性与复杂性。二、土的强度特点基坑支护1.挡土结构物的破坏三、与土的强度有关的工程问题挡土墙滑裂面平移滑动2.各种类型的滑坡崩塌旋转滑动流滑地基p3.地基的破坏☆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★地基的破坏四、土的强度指标现场试验Insitutest室内试验Testsindoor直剪试验directtest三轴压缩试验triaxialcompressiontest无侧限抗压强度试验unconfinedcompressionstrengthtest十字板剪切试验Vanestrengthtest一、库仑公式及抗剪强度指标二、土的强度机理三、摩尔-库仑强度理论§7.2土的抗剪强度理论本节主要内容：直剪试验库仑（1773）施加σ（=P/A）量测（=T/A）上盒下盒PSTA试验原理一、库仑公式一、库仑公式库仑(Coulomb,1773）Octanfcc粘聚力内摩擦角库仑公式：f：土的抗剪强度tg：摩擦强度-正比于压力c：粘聚强度-与所受压力无关强度指标tan''cfNT=NT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（3）颗粒的破碎与重排列NT滑动摩擦颗粒破碎与重排列咬合摩擦引起的剪胀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：粘聚强度机理粘聚强度影响因素2.凝聚强度静电引力（库仑力）范德华力颗粒间胶结假粘聚力（毛细力等）地质历史粘土颗粒矿物成分密度离子价与离子浓度三、摩尔-库仑强度理论1.库仑公式2.应力状态与摩尔圆3.极限平衡应力状态4.摩尔-库仑强度理论5.破坏判断方法6.滑裂面的位置tanfcc粘聚力内摩擦角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1.库仑公式στφστφc无粘性土粘性土抗剪强度曲线στ砂土：粘性土：tanfcftan库仑（Coulomb）公式c:土的粘聚力:土的内摩擦角莫尔—库仑强度理论（1）在一定的应力范围内，可以用线性函数近似f=c+tg（2）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331131dlcosdlsin2、土中一点的应力状态Oz+zx-xzx213rR222xzxzr2xzR3.应力莫尔圆圆心：半径：莫尔圆：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不同状态时的摩尔圆4.极限平衡应力状态极限平衡应力状态：有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园的公切线。ff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。强度包线以内：任何一个面上的一对应力与都没有达到破坏包线，不破坏；与破坏包线相切：有一个面上的应力达到破坏；莫尔-库仑强度理论表达式－极限平衡条件131313132sin2ctgctg2cc1f313ctg2ctanfcOc132213231452tg4522452tg4522fftgctgc213452tg4522ftgc221,3422xzxzxzσ1σ1f弹性平衡状态σ1=σ1f极限平衡状态σ1σ1f破坏状态Oc1f3115.破坏判断方法3=常数：判别对象：土体微小单元（一点）根据应力状态计算出大小主应力σ1、σ3，由σ3计算σ1f，比较σ1与σ1f221,3422xzxzxz231452tg4522ftgcσ3σ3f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1=常数：根据应力状态计算出大小主应力σ1、σ3，由σ1计算σ3f，比较σ3与σ3f221,3422xzxzxz安全状态=极限平衡状态不可能状态Oc(1+3)/2=常数：圆心保持不变1313sin2ctgc根据应力状态计算出大小主应力σ1σ3，由σ1、σ3计算，与比较31f45°＋/2Oc1f32tanfc29026.滑裂面的位置与大主应力面夹角：α=45+/2图中虚线所指位置为滑裂面一、室内试验二、野外试验§7.3土的抗剪强度试验直剪试验、三轴试验等制样（重塑土）或现场取样缺点：扰动优点：应力条件清楚，易重复十字板扭剪试验、旁压试验等原位试验缺点：应力条件不易掌握优点：原状土的原位强度PSTAσ=100KPaSσ=200KPaσ=300KPaOc一、室内试验1.直剪试验仪器仪器可观看试验过程动画演示1.装样2.施加轴向荷载3.施加水平剪力试验过程通过控制剪切速率来近似模拟排水条件3.快剪施加正应力后立即剪切3-5分钟内剪切破坏1.固结慢剪：施加正应力-充分固结慢慢施加剪应力-小于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分钟内剪切破坏试验方法设备简单，操作方便结果便于整理测试时间短试样应力状态复杂应变不均匀不能控制排水条件剪切面固定优点缺点抗剪强度曲线试验成果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2.三轴试验（1）试样应力特点与试验方法（2）强度包线（3）试验类型（4）优缺点应变控制式三轴仪：压力室，加压系统，量测系统组成应力控制式三轴仪试验步骤:1.装样2.施加周围压力3.施加竖向压力333333△△三轴剪切试验方法：首先试样施加静水压力—室压（围压）1=2=3；然后通过活塞杆施加的是应力差Δ1=1-3。（1）试样应力特点与试验方法：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=，亦即1=z；2=3=r133331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（2）强度包线固结排水试验（CD试验）1打开排水阀门，施加围压后充分固结，超静孔隙水压力完全消散；2打开排水阀门，慢慢施加轴向应力差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打开排水阀门，施加围压后充分固结，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关闭排水阀门，围压下不固结；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、u（3）试验类型固结排水试验（CD试验）ConsolidatedDrainedTriaxialtest(CD)抗剪强度指标：cdd（c）固结不排水试验（CU试验）ConsolidatedUndrainedTriaxialtest(CU)抗剪强度指标：ccucu不固结不排水试验（UU试验）UnconsolidatedUndrainedTriaxialtest(UU)抗剪强度指标：cuu（cuuuu）试验类型汇总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破坏面不是人为固定的；4试验单元体试验缺点：设备相对复杂，现场无法试验说明：3＝0即为无侧限抗压强度试验（4）优点和缺点二、野外试验十字板剪切试验一般适用于测定软粘土的不排水强度指标；钻孔到指定的土层，插入十字形的探头；通过施加的扭矩计算土的抗剪强度21maxMMMfvfh时ffHDDMMM262321max)3(22maxHDDMffhDfhDrrrM6d2232/01fvDDHM22M1HDM2无侧限抗压强度试验强度指标：§7.4饱和粘性土的抗剪强度粘聚力c内摩擦角强度指标的分类：按照分析方法，可分为总应力强度指标与有效应力强度指标；按照试验方法，可分为直剪强度指标与三轴试验强度指标；按照应力应变状态，可分为峰值强度指标与残余强度指标。一.总应力指标与有效应力指标二.三轴试验强度指标三.土的强度指标的工程应用本节主要内容：一、总应力指标与有效应力指标1.两种强度指标的比较2.有效应力、总应力强度包线1.两种强度指标的比较土的抗剪强度的有效应力指标c,=c+tg=-u符合土的破坏机理，但有时孔隙水压力u无法确定土的抗剪强度的总应力指标c,=c+tg便于应用,但u不能产生抗剪强度，不符合强度机理强度指标抗剪强度简单评价二、饱和粘性土的抗剪强度1、不固结不排水抗剪强度2、固结不排水抗剪强度3、固结排水抗剪强度凡是可以确定（测量、计算）孔隙水压力u的情况，都应当使用有效应力指标c，有效应力指标与总应力指标三、土的强度指标的工程应用砂土：c,三轴排水试验指标与直剪试验指标（直剪试验得到的指标偏大）粘土：有效应力指标：固结排水、固结不排水总应力指标：三轴固结不排水、不排水;直剪固结快剪、快剪三轴试验指标与直剪试验指标§7.5无粘性土的抗剪强度1、密砂2、松砂受剪时体积膨胀，孔隙比变大受剪时体积缩小，孔隙比变小随着轴向应变的增加，松砂的强度逐渐增加，曲线应变硬化。体积逐渐减小紧砂的强度达到一定值后，随着轴向应变的继续增加，强度反而减小，最后呈应变软化型体积开始时稍有减小，继而增加，超过它的初始体积砂土的应力～轴向应变～体变饱和松砂在振动情况下孔压急剧升高在瞬间砂土呈液态时间T孔压U1.液化现象饱和松砂的振动液化P（1）初始的疏松状态（2）振动以后处于悬浮状态—孔压升高（液化）（3）振后处于密实状态2.液化机理振前砂土结构振中颗粒悬浮，有效应力为零振后砂土变密实在饱和砂土中，由于振动引起颗粒的悬浮，超静孔隙水压力急剧升高，直到其孔隙水压力等于总应力时，有效应力为零，砂土的强度丧失，砂土呈液体流动状态，称为液化现象。3.液化定义