第四章土的抗剪强度.pptx
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1、第四章第四章 土的抗剪强度与地基承载力土的抗剪强度与地基承载力第第1节节 概述概述第第2节节 土的抗剪强度土的抗剪强度第第3节节 土的抗剪强度试验方法土的抗剪强度试验方法第第4节节 地基的破坏形式与地基承载力地基的破坏形式与地基承载力返回第第1节节 概述概述 土的抗剪强度土的抗剪强度是土体抵抗是土体抵抗剪切剪切破坏的破坏的极限能力极限能力。土的抗剪强度对地基承载力、挡土墙土的抗剪强度对地基承载力、挡土墙土压力和土坡稳定等问题产生直接影响。土压力和土坡稳定等问题产生直接影响。土的抗剪强度一般可分为两部分:一部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,通常呈正比例分与颗粒间的法向
2、应力有关,通常呈正比例关系,其本质是关系,其本质是摩擦力摩擦力;另一部分是与法向;另一部分是与法向应力无关的土粒之间的粘结力,通常称为应力无关的土粒之间的粘结力,通常称为粘粘聚力聚力。各类建筑工程设计中,为了建筑物的安全可各类建筑工程设计中,为了建筑物的安全可靠,要求建筑地基必须同时满足下列两个技术条靠,要求建筑地基必须同时满足下列两个技术条件:件:地基变形条件地基变形条件 包括地基的沉降量、沉降差、倾斜与局部倾包括地基的沉降量、沉降差、倾斜与局部倾斜,都不超过国家斜,都不超过国家规范规范规定的地基变形允许规定的地基变形允许值;值;地基强度条件地基强度条件 在建筑物的上部荷载作用下,确保地基的
3、稳在建筑物的上部荷载作用下,确保地基的稳定性,不发生地基剪切或滑动破坏。这两个技术定性,不发生地基剪切或滑动破坏。这两个技术条件中,第一个地基变形条件已在第条件中,第一个地基变形条件已在第3 3章中阐述,章中阐述,本章着重研究地基强度问题。本章着重研究地基强度问题。因此因此,土的强度问题实质上就是土的抗剪强土的强度问题实质上就是土的抗剪强度问题度问题.返回第第2 2节节 土的抗剪强度一、抗剪强度(一)库仑理论17761776年,库仑总结出土的抗剪强度规律:年,库仑总结出土的抗剪强度规律:砂砂 土土:粘性土粘性土:f ftgtg f ftgtgc c 式中式中 公式为著名的公式为著名的库仑定库仑
4、定律律,如图,如图4.84.8所示。库仑所示。库仑定律是摩尔强度理论的特定律是摩尔强度理论的特例。此时摩尔破坏包线例。此时摩尔破坏包线f ftgtgc c为为一直线。一直线。以库仑定律表示摩尔以库仑定律表示摩尔破坏包线的理论称破坏包线的理论称摩尔摩尔库仑破坏理论库仑破坏理论。c和和 称为称为抗剪强度指标抗剪强度指标。C:内:内聚聚力;力;:内摩擦角,由试验测定。内摩擦角,由试验测定。影影响响因因素素土土的的抗抗剪剪强强度度的的内在因素内在因素外在因素:试验时的排水条件等因素外在因素:试验时的排水条件等因素颗粒间的有效法向应力颗粒间的有效法向应力土的孔隙比土的孔隙比(二)抗剪强度的构成因素(二)
5、抗剪强度的构成因素(三)、(三)、抗剪强度的来源抗剪强度的来源1 1、无粘性土、无粘性土无无粘粘性性土土抗抗剪剪强强度度指指标标的的来来源源,传传统统的的观观念念为为内内摩摩擦擦力力。除除内内摩擦力外还存在一种新的力摩擦力外还存在一种新的力-咬合力。咬合力。内摩擦力内摩擦力内摩擦力是指土粒表面之间的摩擦力。内摩擦力是指土粒表面之间的摩擦力。内内摩摩擦擦力力由由作作用用于于剪剪切切面面的的法法向向压压力力与与土土的的内内摩摩擦擦系系数数tgtg组成,内摩擦力的数值为这两项的乘积组成,内摩擦力的数值为这两项的乘积tgtg咬合力咬合力天然休止角天然休止角密实卵石的稳定坡角密实卵石的稳定坡角2 2、粘
6、性土、粘性土粘性土的抗剪强度包括内磨擦力与粘聚力两部分。粘性土的抗剪强度包括内磨擦力与粘聚力两部分。内摩擦力内摩擦力粘聚力粘聚力电分子吸引力电分子吸引力 土中天然胶结物质土中天然胶结物质(四)、(四)、影响抗剪强度指标的各种因素影响抗剪强度指标的各种因素土土的的抗抗剪剪强强度度非非标标准准定定值值,受受很很多多因因素素的的影影响响,不不同同地地区区、不不同同成成因因、不不同同类类型型土土的的抗抗剪剪强强度度往往往往有有很很大大的的差差别别,即即使使同同一一种种土土,在在不不同同的的密密度度、含含水水量量、剪剪切切速速率率、仪仪器器型型式式等等不不同同的的条条件件下下,其其抗剪强度的数值也不相等
7、。抗剪强度的数值也不相等。根根据据库库仑仑定定律律中中公公式式(4.64.6)可可知知:土土的的抗抗剪剪强强度度与与法法向向压压力力、土土的的内内摩摩擦擦角角和和土土的的粘粘聚聚力力c c三三者者有有关关。因因此此,影影响响抗抗剪剪强强度度的因素可归纳为两类的因素可归纳为两类:1 1、土的物理化学性质的影响、土的物理化学性质的影响土粒的矿物成分土粒的矿物成分砂砂土土中中石石英英矿矿物物含含量量多多,大大;云云母母矿矿物物含含量量多多,则则小小。粘粘性性土土的的矿矿物物成成分分不不同同,土土粒粒表表面面结结合合水水和和电电分分子子力力不不同同,其其粘粘聚聚力力c c也不同。土中含有各种胶结物质,
8、可使也不同。土中含有各种胶结物质,可使c c增大。增大。土的颗粒形状与级配土的颗粒形状与级配土土的的颗颗粒粒越越粗粗,表表面面越越粗粗糙糙,大大。土土的的级级配配良良好好,大大;土土粒均匀,粒均匀,小。小。土的原始密度土的原始密度土的原始密度越大,土粒之间接触点多且紧密,则土粒之土的原始密度越大,土粒之间接触点多且紧密,则土粒之间的表面摩擦力和粗粒土之咬合力越大,即间的表面摩擦力和粗粒土之咬合力越大,即越大。同时,土越大。同时,土的原始密度大,土的孔隙小,接触紧密,粘聚力的原始密度大,土的孔隙小,接触紧密,粘聚力c c也必然大。也必然大。土的含水量土的含水量当土的含水量增加时,水分在土粒表面形
9、成润滑剂,使内当土的含水量增加时,水分在土粒表面形成润滑剂,使内摩擦角摩擦角减小。对粘性土来说,含水量增加,将使薄膜水变厚,减小。对粘性土来说,含水量增加,将使薄膜水变厚,甚至增加自由水,则填料之间的电分子力减弱,使粘聚力降低。甚至增加自由水,则填料之间的电分子力减弱,使粘聚力降低。联系实际,凡是山坡滑动,通常都在雨后,雨水入渗使山坡土联系实际,凡是山坡滑动,通常都在雨后,雨水入渗使山坡土中含水量增加,降低土的抗剪强度,导致山坡失稳滑动。中含水量增加,降低土的抗剪强度,导致山坡失稳滑动。土的结构土的结构粘性土具有结构强度,如粘性土的结构受扰动,则其粘聚粘性土具有结构强度,如粘性土的结构受扰动,
10、则其粘聚力力c c降低。降低。2 2、孔隙水压力的影响孔隙水压力的影响孔隙水压力的影响孔隙水压力的影响固结排水剪(慢剪)固结排水剪(慢剪)测得的抗剪强度测得的抗剪强度c cd d、d d值最大值最大。不固结不排水剪(快剪)不固结不排水剪(快剪)测得的抗剪强度测得的抗剪强度c c、值最小值最小。固结不排水剪(固结快剪固结不排水剪(固结快剪 )测得的抗剪强度测得的抗剪强度c ccucu、cucu值居中值居中。由由此此可可见见,试试样样中中是是否否存存在在孔孔隙隙水水压压力力,对对抗抗剪剪强强度度有有重重要要影影响响。如如前前所所述述,这这三三种种不不同同的的试试验验方方法法,各各适适用用于于不不同
11、的土层分布、土质、排水条件和施工的速度同的土层分布、土质、排水条件和施工的速度。二、莫尔二、莫尔-库伦强度理论库伦强度理论现现将将作作用用在在平平面面mnmn上上的的剪剪应应力力与与地地基基土土的的抗抗剪剪强强度度f f进进行比较:行比较:当当f f,平面,平面mnmn为稳定状态;为稳定状态;当当f f,平面,平面mnmn发生剪切破坏;发生剪切破坏;当当f f,平面,平面mnmn极限平衡状态。极限平衡状态。莫尔提出:材料的破坏为剪切破莫尔提出:材料的破坏为剪切破坏,当任一平面上的剪应力等于材料坏,当任一平面上的剪应力等于材料的抗剪强度时该点就发生破坏的抗剪强度时该点就发生破坏,破坏,破坏面上的
12、剪切强度面上的剪切强度 f f是该面上法向应力是该面上法向应力 的函数,的函数,用库伦公式表示莫尔包线的用库伦公式表示莫尔包线的强度理论称为莫尔强度理论称为莫尔-库伦强度理论。库伦强度理论。当土体中任意一点在某一平面上的剪应力达到土的抗剪强当土体中任意一点在某一平面上的剪应力达到土的抗剪强度时,就发生剪切破坏度时,就发生剪切破坏。1 1 1 1、最大主应力与最小主应力、最大主应力与最小主应力、最大主应力与最小主应力、最大主应力与最小主应力(一)、(一)、土体中任一点的应力状态土体中任一点的应力状态微元体顶面和底面作用力,均为微元体顶面和底面作用力,均为 1 1ZZ式中式中 1 1-作用在微元体
13、上的竖向法向应力,即土的自重应力,作用在微元体上的竖向法向应力,即土的自重应力,kpakpa。微元体侧面作用力为:微元体侧面作用力为:2 23 3ZZ式中式中 2 2、3 3-作用在微元体侧面的水平向法向应力,作用在微元体侧面的水平向法向应力,kpakpa;-土的静止侧压力系数,小于土的静止侧压力系数,小于1 1,可查表,可查表3.13.1。因因为为土土体体并并无无外外荷荷作作用用,只只有有土土的的自自重重作作用用,故故在在微微元元体体各各个个面面上上没没有有剪剪应应变变,也也就就没没有有剪剪应应力力,凡凡是是没没有有剪剪应应力力的的面面称称为为主主应应面面。作作用用在在主主应应面面上上的的力
14、力称称为主应力,因此图为主应力,因此图4.44.4中的中的1 1为最大主应力,为最大主应力,3 3为最小主应力。同时为最小主应力。同时2 23 3。2 2 2 2、任意斜面上的应力任意斜面上的应力在在微微元元体体上上取取任任一一截截面面mnmn,与与大大主主应应力力面面即即水水平平面面成成角角,斜斜面面mnmn上上作作用用法法向向应应力力和和剪剪应应力力,如如图图所所示示。现现在在求求、与与1 1、3 3之间的关系。之间的关系。取取dy=1dy=1,按按平平面面问问题题计计算算。设设直直角角坐坐标标:以以m m点点为为坐坐标标原原点点O O,oxox向向右右为为正正,ozoz向向下下为为正。根
15、据静力平衡条件与竖向合力为零。正。根据静力平衡条件与竖向合力为零。水平方向水平方向 垂直方向垂直方向 解解联联立立方方程程(a)(a)、(b)(b)可可求求得得任任意意截截面面mnmn上上的的法法向向应应力力与与剪剪应应力力:式中式中 与大主应面成与大主应面成角的截面角的截面mnmn上的法向应力,上的法向应力,kPakPa;同一截面上的剪应力,同一截面上的剪应力,kPakPa。3 3 3 3、用摩尔应力圆表示斜面上的应力用摩尔应力圆表示斜面上的应力将上式两边分别平方并相加,整理得:将上式两边分别平方并相加,整理得:将上式两边分别平方并相加,整理得:将上式两边分别平方并相加,整理得:显见,在显见
16、,在坐标系中,上式表示圆心为坐标系中,上式表示圆心为(1 1+2 2)/2,0)/2,0,半径为半径为(1 1-3 3)/2)/2的圆的方程。的圆的方程。从圆心逆时针转从圆心逆时针转22角与圆周交于角与圆周交于a a点,点,a a点的坐标点的坐标,即为,即为M M点处与最大主应力面成点处与最大主应力面成角的斜面角的斜面mnmn上的法向应力和剪应力值。上的法向应力和剪应力值。证明如下:证明如下:如果给定了土的抗剪强度指标如果给定了土的抗剪强度指标c和和 以及以及土中某点的应力状态,则可将抗剪强度包线土中某点的应力状态,则可将抗剪强度包线与莫尔应力圆画在同一张坐标图上,抗剪强与莫尔应力圆画在同一张
17、坐标图上,抗剪强度包线与莫尔应力圆的关系可能有:度包线与莫尔应力圆的关系可能有:1.整个莫尔圆位于抗剪强度包线的下方。整个莫尔圆位于抗剪强度包线的下方。说明该点在任何平面上的剪应力都小于土的说明该点在任何平面上的剪应力都小于土的抗剪强度,抗剪强度,所以不会发生剪切破坏所以不会发生剪切破坏;2.莫尔圆与抗剪强度包线相切,切点为莫尔圆与抗剪强度包线相切,切点为A。说明在。说明在A点所代表的平面上,剪应力正点所代表的平面上,剪应力正好达到抗剪强度,该点就处于好达到抗剪强度,该点就处于极限平衡状态极限平衡状态。这时的莫尔圆称为这时的莫尔圆称为极限应力圆极限应力圆。3.抗剪强度包线是莫尔圆的一条抗剪强度
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