岩土力学课件第五章土的抗剪强度.pptx
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1、2024/4/11周四岩土力学第五章土的抗剪强度1概述一、抗剪强度的基本概念一、抗剪强度的基本概念土土的的强强度度是是指指一一部部分分土土体体相相对对于于另另一一部部分分土土体体滑滑动动时的抵抗力,实质上就是土体与土体之间的摩擦力。时的抵抗力,实质上就是土体与土体之间的摩擦力。土土的的抗抗剪剪强强度度,首首先先决决定定于于它它本本身身的的性性质质,即即土土的的组组成成,土土的的状状态态和和土土的的结结构构,这这些些性性质质又又与与它它形形成成的的环环境境和和应应力力历历史史等等因因素素有有关关;其其次次还还决决定定于于它它当当前所受的应力状态。前所受的应力状态。2024/4/11周四岩土力学滑
2、动面滑动面滑前边坡滑前边坡原地面原地面滑动面滑动面图图5-15-1土坡滑动土坡滑动图图5-25-2地基失稳地基失稳2024/4/11周四岩土力学二、工程中常见的强度问题二、工程中常见的强度问题二、工程中常见的强度问题二、工程中常见的强度问题(1 1)土作为土工结构物的稳定性问题)土作为土工结构物的稳定性问题 如如人人工工筑筑成成的的路路堤堤,土土坝坝的的边边坡坡以以及及天天然然土土坡坡等等的的稳稳定定性性问问题。题。(2 2)土作为工程结构的环境的问题)土作为工程结构的环境的问题 即即土土压压力力问问题题。这这和和边边坡坡稳稳定定问问题题有有直直接接联联系系,若若边边坡坡较较陡陡不不能能保保持
3、持稳稳定定,又又由由于于场场地地或或其其他他条条件件限限制制而而不不允允许许采采用用平平缓缓边边坡坡时时,就就可可以以修修筑筑挡挡土土墙墙来来保保持持力力的的平平衡衡。这这类类工工程程问问题题如如挡挡土土墙墙、桥台、地下隧道等。桥台、地下隧道等。(3 3)土作为建筑物的地基问题,即地基承载力的问题。)土作为建筑物的地基问题,即地基承载力的问题。三、土的抗剪强度测试方法三、土的抗剪强度测试方法三、土的抗剪强度测试方法三、土的抗剪强度测试方法室内试验:室内试验:应力状态被改变,取土过程受到干扰应力状态被改变,取土过程受到干扰原位测试:原位测试:精度不高精度不高2024/4/11周四岩土力学2土的抗
4、剪强度和破坏理论屈服或塑流:软土屈服或塑流:软土材料破坏形式材料破坏形式断裂:岩石,硬粘土断裂:岩石,硬粘土一、土的屈服与破坏一、土的屈服与破坏一、土的屈服与破坏一、土的屈服与破坏1 1理想弹、塑性材料的应力理想弹、塑性材料的应力-应变关系应变关系应力应力-应变成直线关系应变成直线关系 变形是完全弹性的应力变形是完全弹性的应力-应变关系是应变关系是唯一的,与应力路径和应力历史无关唯一的,与应力路径和应力历史无关称屈服应力或破坏应力称屈服应力或破坏应力 abba123应变硬化应变软化弹性阶段1图5-32024/4/11周四岩土力学2 2土的应力土的应力-应变关系应变关系(1 1)正常固结(松砂)
5、,)正常固结(松砂),图5-3曲线(曲线(3 3)加工硬化加工硬化,屈服点至屈服点至b b点点,无峰值无峰值(2 2)超固结(密松),)超固结(密松),图5-3曲线(曲线(2 2)加工软化,出现峰值加工软化,出现峰值3 3实际计算时土的弹塑性问题实际计算时土的弹塑性问题(1 1)按线弹性体)按线弹性体(2 2)按理想塑性材料)按理想塑性材料二、莫尔二、莫尔二、莫尔二、莫尔库伦破坏理论库伦破坏理论库伦破坏理论库伦破坏理论(一)土的破坏理论(一)土的破坏理论1 1广义特莱斯卡理论广义特莱斯卡理论1-313=300kpa3=200kpa3=100kpa图5-4土的应力应力-应变关系应变关系2024/
6、4/11周四岩土力学2广义密色斯理论式中E材料的弹性模量材料的泊松比畸变能的极限值,3莫尔库伦理论图5-5固定剪切面的剪切试验2024/4/11周四岩土力学(1)库伦公式基本形式(总应力抗剪强度公式)式中剪切破坏面上的剪应力,即土的抗剪强度破坏面上的法向应力土的粘聚力,对于无粘性土,土的内摩擦角*称为抗剪强度指标,同一种土,它们与试验方法有关(2)有效应力抗剪强度公式式中剪切破坏面上的有效法向应力u土中的超静孔隙水压力土的有效粘聚力土的有效内摩擦角,土的有效抗剪强度指标,对于同一种土,其值理论上与试验方法无关,应接近于常数。2024/4/11周四岩土力学4 4莫尔抗剪强度公式莫尔抗剪强度公式当
7、应力变化范围不很大时可用当应力变化范围不很大时可用库伦直线代替莫尔破坏包线库伦直线代替莫尔破坏包线(二)莫尔(二)莫尔库伦破坏准则库伦破坏准则极限平衡条件极限平衡条件1 1土体中剪切破坏面位置的确定土体中剪切破坏面位置的确定(1 1)在地面荷载)在地面荷载p p作用下,土中作用下,土中某点某点MM的应力状态应力圆在强度的应力状态应力圆在强度包线下面,该点应力条件处于弹包线下面,该点应力条件处于弹性状态应力圆正好与强度相切,性状态应力圆正好与强度相切,该点处于极限平衡状态该点处于极限平衡状态.A.C.BMp2024/4/11周四岩土力学O O450+/2450+/2 1f1f(2 2)破裂面位置
8、与最大主平面成)破裂面位置与最大主平面成2 2极限平衡条件推导极限平衡条件推导由由(5-7)(5-7)整理后:整理后:3 3 1f1f c c图图5-75-7土的破裂面确定土的破裂面确定2024/4/11周四岩土力学又因又因故得故得(5-75-7)又因又因得:得:故公式(故公式(5-75-7)可写为:可写为:2024/4/11周四岩土力学若,即对洁净的砂土,则有当时,归纳莫尔归纳莫尔库伦破坏理论,可表达为如下三个要点:库伦破坏理论,可表达为如下三个要点:1 1破坏面上,材料的抗剪强度是法向应力的函数。破坏面上,材料的抗剪强度是法向应力的函数。可表达为:可表达为:2 2当当法法向向应应力力不不很
9、很大大时时,抗抗剪剪强强度度可可简简化化为为法法向向应应力力的的线线性性函数,即表示为库伦公式函数,即表示为库伦公式2024/4/11周四岩土力学3 3土土单单元元体体中中,任任何何一一个个面面上上的的剪剪应应力力大大于于该该面面上上土土的的抗抗剪剪强强度度,土土单单元元体体即即发发生生破破坏坏,用用破破坏坏准准则则表表示示即即为为式式(5-75-7)至至式式(5-105-10)的极限平衡条件)的极限平衡条件(三)极限平衡条件的应用(三)极限平衡条件的应用达到极限平衡所要求的内磨擦角达到极限平衡所要求的内磨擦角单元体已破坏单元体已破坏单元体处于弹性平衡状态单元体处于弹性平衡状态单元体处于塑性平
10、衡状态单元体处于塑性平衡状态 达极限平衡所要求的大主应力达极限平衡所要求的大主应力土体已破坏,反之,处于弹性平衡状态土体已破坏,反之,处于弹性平衡状态2024/4/11周四岩土力学3土的抗剪强度试验方法一、三轴剪切试验一、三轴剪切试验一、三轴剪切试验一、三轴剪切试验(一)常规三轴剪切试验方法(一)常规三轴剪切试验方法(1 1)排水剪:图及试验结果见第四章第二节)排水剪:图及试验结果见第四章第二节(2 2)不排水剪:)不排水剪:详细讨论见第五节详细讨论见第五节图图5-115-11不排水剪切的应力不排水剪切的应力-应变应变-孔压关系曲线孔压关系曲线密实中密轴向应变轴向应变 1 1(%)(%)u密实
11、中密松0松轴向应变轴向应变 1 1(%)(%)-1000-500501002024/4/11周四岩土力学(二)破坏包线和抗剪强度指标1 1从应力从应力-应变关系曲线寻找破坏时应变关系曲线寻找破坏时的偏差应力的偏差应力的方法有三种的方法有三种(1 1)取曲线的最大偏差应力值)取曲线的最大偏差应力值当需要用土的残余强度时取当需要用土的残余强度时取试验曲线的终值试验曲线的终值作作(2 2)以最大有效主应力比)以最大有效主应力比处的偏差应力值作为处的偏差应力值作为(3 3)取规定的轴向应变值)取规定的轴向应变值所相应的偏差应力作为所相应的偏差应力作为值值2 2包络线的作法包络线的作法由可作出包络线l2
12、024/4/11周四岩土力学(三)三轴试验中的应力路径和破坏主应力线(三)三轴试验中的应力路径和破坏主应力线1 1三轴排水三轴排水所以所以应力路径:直线p=q*破坏主应力线,破坏点的连线图图5-135-13排水剪切应力路径排水剪切应力路径apKfq4502024/4/11周四岩土力学2 2三轴不排水试验三轴不排水试验a.a.总应力(不考虑总应力(不考虑)增加增加,有有b.b.有效应力路径有效应力路径增加增加其中其中,所以所以u u不是常量。不是常量。450apKfq=(1-3)/2P=(1+3)/2P/=(1/+3/)/2图图5-145-14不排水剪切应力路径不排水剪切应力路径Kf/2024/
13、4/11周四岩土力学 c c 3 3 1 1 O OO O/p pq q a a f f线线K Kf f线线R R3 3)破坏包线与破坏主应力线关系)破坏包线与破坏主应力线关系故故又又故故图5-15破坏包线与破坏主应力线破坏包线与破坏主应力线2024/4/11周四岩土力学(四)(四)三轴试验的发展三轴试验的发展令令2024/4/11周四岩土力学二、直剪试验(一)试验设备和试验方法一)试验设备和试验方法设备:应变控制式直接剪切仪设备:应变控制式直接剪切仪取破坏时的正应力和剪应力值作出取破坏时的正应力和剪应力值作出曲线曲线取值:取值:取剪应力取剪应力剪变形曲线峰值为剪变形曲线峰值为取值:取值:曲线
14、之终值曲线之终值2024/4/11周四岩土力学(二)优缺点及新发展优点:(1)固结快,试验历时短(2)无侧向膨胀曲竖向变形直接算出缺点:(1)剪切面上剪应力分布不均匀,中间小边缘大(2)不能控制排水条件,无法测出孔隙水压力(3)剪切面上土的性值不能代表其他部位土深基坑不能做直剪试验,应作三轴试验发展方向:单剪仪2024/4/11周四岩土力学(三)无侧限压缩试验根据土的极限平衡条件根据土的极限平衡条件IfThen应用:应用:11代替三轴试验(当代替三轴试验(当)22可用来求土的灵敏度可用来求土的灵敏度 缺点:缺点:11太软土(流塑)不可太软土(流塑)不可22试验快试验快,水来不及排除水来不及排除
15、2024/4/11周四岩土力学四、十字板剪切试验原位试验(一)土的原位测试技术的(一)土的原位测试技术的优点优点1 1可在现场进行,避免取样可在现场进行,避免取样2 2涉及的土体积比室内试验样品大很多涉及的土体积比室内试验样品大很多3 3可连续进行,可得到完整的土层剖面及物理力学指标可连续进行,可得到完整的土层剖面及物理力学指标4 4具有快速经济的优点具有快速经济的优点土的原位测试技术的土的原位测试技术的缺点缺点1 1难于控制测试中的边界条件,如排水条件和应力条件难于控制测试中的边界条件,如排水条件和应力条件2 2测试数据和土的工程性质的关系建立在统计经验关系上测试数据和土的工程性质的关系建立
16、在统计经验关系上3 3测试设备进入土层对土层也有一定扰动测试设备进入土层对土层也有一定扰动4 4试试验验应应力力路路径径无无法法很很好好控控制制,试试验验时时的的主主应应力力方方向向与与实实际际 工程往往不一致工程往往不一致5 5应变场不均匀,应变速率大于实际工程的正常固结应变场不均匀,应变速率大于实际工程的正常固结2024/4/11周四岩土力学(二)十字板剪切试验适用范围(二)十字板剪切试验适用范围测定正常固结饱和软粘土测定正常固结饱和软粘土的不排水抗剪强度的不排水抗剪强度和灵敏度和灵敏度(三)测试原理:(三)测试原理:其中:假其中:假(各向同性)(各向同性)柱体的上、下面的抗剪强度对柱体的
17、上、下面的抗剪强度对圆心所产生的抗扭力矩圆心所产生的抗扭力矩圆柱面上的剪应力对圆心所产圆柱面上的剪应力对圆心所产生的抗扭力矩生的抗扭力矩1 1影响测试精度的主要因素影响测试精度的主要因素(1 1)旋转速率)旋转速率(2 2)土的各向异性)土的各向异性(3 3)十字板头规格)十字板头规格图5-232024/4/11周四岩土力学(4 4)排水条件)排水条件(5 5)轴杆与孔壁摩擦)轴杆与孔壁摩擦2 2成果分析应用成果分析应用(1 1)计算软粘土的不排水抗剪强度峰值,残余峰和灵敏度)计算软粘土的不排水抗剪强度峰值,残余峰和灵敏度(2 2)绘制)绘制随深度变化曲线随深度变化曲线(3 3)土的长期强度仅
18、为峰值强度的)土的长期强度仅为峰值强度的6070%6070%,应修正,应修正(4 4)十字板不排水抗剪强度的应用)十字板不排水抗剪强度的应用a.a.计算地基承载力计算地基承载力b.b.预估单桩承载力预估单桩承载力c.c.求软粘土灵敏度求软粘土灵敏度d.d.软土地区堤坝的临界高度软土地区堤坝的临界高度e.e.地基抗滑稳定分析地基抗滑稳定分析f.f.估计土的液性指数估计土的液性指数g.g.检验地基加固效果检验地基加固效果h.h.根据根据变化曲线关系,判定软土固结历史变化曲线关系,判定软土固结历史2024/4/11周四岩土力学4土的抗剪强度机理和影响因素一、摩擦强度一、摩擦强度一般由两部分组成:一般
19、由两部分组成:一是颗粒之间滑动时产生的滑动摩擦,一是颗粒之间滑动时产生的滑动摩擦,一是颗粒之间脱离咬合状态而移动所产生的咬合摩擦。一是颗粒之间脱离咬合状态而移动所产生的咬合摩擦。滑动摩擦与颗粒形状、矿物组成、级配有关滑动摩擦与颗粒形状、矿物组成、级配有关咬合摩擦与土的密度、磨圆度有关咬合摩擦与土的密度、磨圆度有关影响(粗粒土)的因素:影响(粗粒土)的因素:(1 1)密度)密度(2 2)粒经级配)粒经级配(3 3)颗粒形状)颗粒形状(4 4)矿物成分)矿物成分2024/4/11周四岩土力学二、粘聚强度二、粘聚强度 细粒土的粘聚力取决于土粒间的细粒土的粘聚力取决于土粒间的各种物理化学作用力,包括库
20、伦力各种物理化学作用力,包括库伦力(静电力)、范得华力、胶结作用(静电力)、范得华力、胶结作用力等。对粘聚力的微观研究是一个很力等。对粘聚力的微观研究是一个很复杂的问题,目前还存在着各种不同复杂的问题,目前还存在着各种不同的见解。的见解。三、摩擦强度和粘聚强度的内在联系三、摩擦强度和粘聚强度的内在联系 接触点面积:接触点面积:Ai=Ni/y式中式中 y材料的屈服强度材料的屈服强度又又 f f=s=sAi 所以所以其中其中 f f可看成摩擦系数,可看成摩擦系数,f=tgf=tg 隙隙空空空空隙隙PPNiAi(a)(b)图图5-305-30土颗粒的微观接触土颗粒的微观接触(a)(a)荷载教小时荷载
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- 岩土 力学 课件 第五 强度
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