第三讲：土的变形及强度特性.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第三讲：土的变形及强度特性,新疆农业大学水利水电设计研究所,土的压缩性,是指土在压力作用下体积缩小的特性,压缩量的组成,固体颗粒的压缩,土中水的压缩,空气的排出,水的排出,占总压缩量的约,1/400,可忽略不计,压缩量主要组成部分,说明,：,土的压缩认为是由于孔隙体积减小的结果,无粘性土,粘性土,透水性好，水易于排出,压缩稳定很快完成,透水性差，水不易排出,压缩稳定需要很长一段时间,土的固结,土体在压力作用下，压缩量随时间增长的过程,土的压缩性,主机系统,稳压调压系统,量测系统,1,、三轴压缩试验,孔压传感器,体变管,轴向位移量测,轴向力量测,压力泵,调压阀,压力表,压力室,压力室底座,主机马达,主机框架,离合器,Casagrande 1930,年首先使用，,可控制排水条件；可完整地测定试样受力、变形和破坏的过程；可进行不同应力路径的试验；应力状态明确；变形量测简单,固结容器：,环刀、护环、导环、透水石、加压上盖和量表架等,加压设备：杠杆比例,1:10,变形测量设备,2,、侧限压缩试验,支架,加压设备,固结容器,变形测量,研究土的压缩性大小及其特征常用的室内试验方法,(1),、侧限压缩仪（固结仪）,三联固结仪,室内压缩试验,是用金属环刀切取保持天然结构的原状土样，并置于圆筒形压缩容器的刚性护环内，土样上下各垫有一块透水石，土样受压后土中水可以自由排出，由于金属环刀和刚性护环的限制，土样的压力作用下只可能发生竖向压缩，而无侧向变形。土样在天然状态下或经人工饱和后，进行逐级加压固结，以便测定各级压力,P,作用下土样压缩稳定后的,孔隙比,的变化。,在常规试验中，一般按,P,12.5,、,25,、,50,、,100,、,200,、,400,、,800,、,1600,、,3200kPa9,级加荷,在室内压缩试验过程中，如加压到某一值后不再加压，相反地逐级进行卸荷，则可观察到土样的回弹,播放,水槽,内环,环刀,透水石,试样,传压板,百分表,施加荷载，静置至变形稳定,逐级加大荷载,测定：,轴向应力,轴向变形,时间,(3),、,试验结果,(2),、试验方法,P,1,s,1,e,1,e,0,P,t,e s,t,P,2,s,2,e,2,P,3,s,3,e,3,注意：,土样在竖直压力作用下，由于环刀和刚性护环的限制，只产生竖向压缩，不产生侧向变形,室内压缩曲线,(e-p,曲线,),研究土在不同压力作用下，孔隙比变化规律,V,v,e,0,V,s,1,H,0,/(1+,e,0,),H,0,V,v,e,V,s,1,H,1,/,(,1+,e,),p,H,1,s,土样在压缩前后变形量为,s,，整个过程中,土粒体积,和,底面积,不变,土粒高度在受压前后不变,整理,其中,根据不同压力,p,i,作用下，达到稳定的变形量,s,i,推算出孔隙比,e,i,，绘制,e-p,曲线，称为压缩曲线,e,0,e,p,p,e,e,-,p,曲线,曲线,A,曲线,B,曲线,A,压缩性曲线,B,压缩性,e,0,1.,压缩系数,a,v,土体在侧限条件下孔隙比减少量与竖向压应力增量的比值,利用单位压力增量所引起的孔隙比改变表征土的压缩性高低,在压缩曲线中，实际采用割线斜率表示土的压缩性,规范,用,p,1,100kPa,、,p,2,200kPa,对应的压缩系数,a,1-2,评价土的压缩性,a,1-2,0.1MPa,-1,低压缩性土,0.1MPa,-1,a,1-2,0.5MPa,-1,中压缩性土,a,1-2,0.5MPa,-1,高压缩性土,p,1,p,2,e,1,e,2,M,1,M,2,e,0,e,p,e,-,p,曲线,p,e,土的压缩性指标,2.,压缩模量,Es,土在,侧限,条件下竖向压应力与竖向总应变的比值，或称为侧限模量,说明：,土的压缩模量,Es,与土的的压缩系数,a,v,成反比,a,v,愈小，,Es,愈大，土的压缩性愈低,3.,体积压缩系数,m,V,土在单位压应力作用下单位体积的变化量,根据压缩曲线,(e-lgp),可以得到以下压缩性指标,p,1,p,2,e,1,e,2,M,1,M,2,e,lgp,e,-lg,p,曲线,p,e,4.,压缩指数,c,在压力较大部分,e-lg,p,关系接近直线,其斜率称为土的压缩指数,工程上一般用,p,1,200kPa,、,p,2,1600kPa,对应的压缩指数,c,评价土的压缩性,c,0.2,低压缩性土,0.2,c,0.35,中压缩性土,c,0.35,高压缩性土,5.,变形模量,E,0,土在,无侧限,条件下竖向压应力与竖向总应变的比值,变形模量与压缩模量之间关系,其中,土的泊松比，一般,0,0.5,之间,虽然压缩系数和压缩指数都能反映土的压缩性大小,但两者是有区别的,压缩系数的大小不但与压力增量大小有关,还与初始压力大小有关,压缩指数在压力较高的范围内是一个常数,施加：正应力,（,=,P/A,）,施加：水平位移,S,量测,：剪应力,（,=,T/A,）,上盒,下盒,P,S,T,A,试验方法,=,100KPa,S,=,200KPa,=,3,00KPa,1776,年，法国,C.A.Coulomb,根据,砂土,剪切试验,土的抗剪强度,f,=tan,砂土,f,=c+tan,粘土,c,库仑定律,：,抗剪强度是剪切面上法向总应力,的线性函数,f,f,土的内摩擦角,剪切破裂面上的剪应力，即土的抗剪强度,剪破面上的法向应力,土的粘聚力,试验结果,c,与,是决定土抗剪强度大小的指标，称为土的抗剪强度指标；,只有有效应力的变化才会引起土抗剪强度的变化，也就是说，土的抗剪强度是由有效应力控制的。,c,与,值，对同一种土，在完全相同的试验条件下为常数，但随试,验方法不同会有差异,c,和,tg,实际上对应着,f,曲线的截距和斜率；,为什么会有差异,？,库仑定律,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,有效应力抗剪强度公式,土的有效内摩擦角,剪破面上的法向有效应力,土的有效粘聚力,土中超,孔隙水压力,库仑定律,两类抗剪强度指标：,1,）,总应力,抗剪强度指标：,c,、,2,）,有效应力,抗剪强度指标：,c,、,两类指标并存,室内试验，如直剪试验，不能直接测定孔隙水压力,u,;,即使在室内试验中能测定,u,，在实际应用时还需要知道现场土体中的孔隙水压力。,限于目前土工试验技术和现场测试水平，不可能所有工程都能采用有效应力来分析。另外，采用总应力指标的抗剪强度，在工程界已经积累了丰富的经验，工程实践中比较多的还是采用总应力指标。,？,库仑定律,抗剪强度的测定方法,室内试验,野外试验,三轴试验、直剪试验等,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,一、直接剪切试验,1,、试验设备,直剪仪（应力控制式，应变控制式）,剪切容器与应力环,松砂或正常固结粘土,密砂或超固结粘土,通过百分表记测水平位移，每隔一定水平位移增量，读一次水平推力值，并计算出相应的剪应力；,试验发现,:,对松砂或正常固结粘土，曲线呈双曲线型（硬化型）；对密砂或超固结粘土，曲线呈软化型,.,什么条件下可以认定为破坏？,2,、试验成果,曲线,P,T,T,松砂或正常固结粘土,密砂或超固结粘土,破坏标准,土的剪切强度的大小与取值标准有关,曲线型态,有峰值：取峰值为破坏强度,t,f,无峰值：取,4 mm,时的,为破坏强度,t,f,4mm,曲线,2,、试验成果,曲线,破坏标准,试验发现,在法向应力变化不很大的条件下，土的抗剪强度,f,与法向应力,成正比,剪切强度,f,的大小与破坏标准有关,f,曲线近似为直线,;,对粘性土，存在一 个截距,c,c,2,、试验成果,在不同的垂直压力,下进行剪切试验，得相应的抗剪强度,f,，绘制,f,-,曲线，得该土的抗剪强度包线,3,、试验类型,直剪试验过程不能量测孔隙水应力,也不能控制排水,只能以总应力法来表示土的抗剪强度,为考虑固结程度和排水条件对抗剪强度的影响,根据加荷速率的快慢将直剪试验分为,:,快剪,(Q),、固结快剪（,R,）、慢剪（,S,）,通过试验加荷的快慢来实现是否排水,垂直荷载施加后,立刻进行剪切,使试样在,3,5min,之内剪破,称之为快剪,快剪,(Q),固结快剪（,R,）,剪切前试样在垂直荷载下充分固结，剪切时速率较快，使土样在剪切过程中不排水，这种剪切方法为称固结快剪,慢剪（,S,）,试样在垂直压力下固结稳定，再以缓慢的速率施加水平剪力，直至剪破，整个试验过程中尽量使土样排水，试验方法称为慢剪,以上三种试验结果,4,、试验优缺点,缺点：,剪切破坏面固定为上下盒之间的水平面不符合实际情况，不一定是土样的最薄弱面,试验中不能严格控制排水条件，对透水性强的土尤为突出，不能量测土样的孔隙水压力,上下盒的错动，剪切过程中试样剪切面积逐渐减小，剪切面上的剪应力分布不均匀，且主应力发生偏心；,优点：,仪器构造简单，试样的制备和安装方便，易于操作；,f,概念明晰,二,.,三轴试验,1,、试验设备,3,、试验类型,先加围压模拟起始应力状态；,再加轴向压力进行剪切，至破坏,试样内通道与外部测水管连接：,畅通时测体变,关闭时测孔压,T,饱和土样,常规三轴试验：围压恒定,:,二,.,三轴试验,2,、试验原理,C,onsolidation,固结,U,nconsolidation,不固结,D,rained shear,排水剪切,U,ndrained shear,不排水剪切,不固结不排水剪,(,UU,或,不排水剪,),固结不排水剪,(,CU,),固结排水剪,(,CD,或,排水剪,),土试样,D,模拟起始状态,模拟剪破过程,+,D,阀门,土试样,固 结,(,Consolidation,),：,施加围压后，将通向试样的排水阀门打开，与外界大气连同，使超孔隙水压力消散为零，这时土体积收缩，孔隙水排出,模拟起始状态：,不固结,(,Unconsolidation,),:,施加围压后，将通向试样的排水阀门处于关闭状态，不允许试样内的水排出来，这时产生的超孔隙水压力,二,.,三轴试验,排 水,(,Drained,),：,在施加偏差应力时，整个剪切过程中打开阀门，让试样内水充分进出，试样体积可胀可缩，不产生超孔压,模拟剪破过程：,阀门,土试样,D,=,1,3,不排水,(,Undrained,),：,施加偏差应力时，阀门关闭，饱和试样体积不变，水不允许进出，产生超孔压,二,.,三轴试验,排 水,(,Drained,),：,在施加偏差应力时，整个剪切过程中打开阀门，让试样内水充分进出，试样体积可胀可缩，不产生超孔压,不排水,(,Undrained,),：,施加偏差应力时，阀门关闭，饱和试样体积不变，水不允许进出，产生超孔压,模拟剪破过程：,二,.,三轴试验,（,1,）不固结不排水剪（,UU,）,三轴试验：,施加周围压力,3,、轴向压力,直至剪破的整个过程都关闭排水阀门，不允许试样排水固结,3,3,3,3,3,3,直剪试验：,快剪试验,关闭排水阀,试验,播放,3,、试验类型,（,2,）固结不排水剪（,CU,）,三轴试验：,施加周围压力,3,时打开排水阀门，试样完全排水固结，孔隙水压力完全消散。然后关闭排水阀门，再施加轴向压力增量,，使试样在不排水条件下剪切破坏,直剪试验：,固结快剪试验,3,3,3,3,3,3,关闭排水阀,试验,播放,3,、试验类型,（,3,）固结排水剪（,CD,）,三轴试验：,试样在周围压力,3,作用下排水固结，再缓慢施加轴向压力增量,，直至剪破，整个试验过程中打开排水阀门，始终保持试样的孔隙水压力为零,3,3,3,3,3,3,直剪试验：,慢剪试验,打开,排水阀,试验,播放,3,、试验类型,以松砂或正常固结排水试验结果为例,300KPa,200KPa,100KPa,强度包线,二,.,三轴试验,4,、试验结果,5,、试验优缺点,缺点：,试验仪器复杂，操作技术要求高，试样制备较复杂,试验在,2,=,3,的轴对称条件下进行，与土体实际受力情况可能不符,优点：,试验中能严格控制试样排水条件，量测孔隙水压力，了解土中有效应力变化情况,试样中的应力分布比较均匀,二,.,三轴试验,三、无侧限抗压强度试验,加压框架,量表,量力环,升降螺杆,无侧限压缩仪,无侧限抗压强度试验是三轴剪切试验的特例，对试样不施加周围压力，即,3,=0,，只施加轴向压力直至发生破坏，试样在无侧限压力条件下，剪切破坏时试样承受的最大轴向压力,q,u,，,称为无侧限抗压强度,试样,1,、试验设备,根据试验结果只能作出一个极限应力圆（,3,=0,，,1,=q,u,）。因此对一般粘性土，无法作出强度包线,说明：,对于饱和软粘土，根据三轴不排水剪试验成果，其强度包线近似于一水平线，即,u,=0,，因此无侧限抗压强度试验适用于测定饱和软粘土的不排水强度,q,u,c,u,u,=0,无侧限抗压强度试验仪器构造简单，操作方便，可代替三轴试验测定饱和软粘土的不排水强度,2,、试验结果,测定土的灵敏度,粘性土的原状土无侧限抗压强度与原土结构完全破坏,的重塑土的无侧限抗压强度的比值,反映土的结构受挠动后对强度的影响程度,根据灵敏度将饱和粘性土分类：,低灵敏度土,1S,t,2,中灵敏度土,24,适用于野外测定饱和粘性,土的不排水强度，尤其适,用于均匀的饱和软粘土,四、十字板剪切试验,柱体上下平面的抗剪强度产生的抗扭力矩,柱体侧面剪应力产生的抗扭力矩,1,、试验设备,2,、试验结果,可以测得最大扭矩,M,max,土的抗剪强度与扭矩之间的关系：,r,3,、适用条件,适用于饱和软粘土，测定不排水强度,C,u,；,特别适用于均匀饱和软粘土；,在我国软土地区勘查工作中应用较广。,各向同性,一般地，,优点,缺点,与室内试验相比，避免了试验时扰动而破坏土的天然结构，测得土的原位强度；,简单，易操作。,十字板旋转时两端和周围各点的应变分布不均匀，相应地应力分布也不均匀，使得整个剪切面上不能同时达到峰值抗剪强度，故测得的平均强度实际上比峰值强度低。,4,、试验优缺点,