岩土力学课件土的抗剪强度第9章.pptx
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1、1第九章土的抗剪强度2p土压力土压力p边坡稳定边坡稳定p地基承载力地基承载力p挡土结构物破坏挡土结构物破坏p各种类型的滑坡各种类型的滑坡p地基的破坏地基的破坏工程中土体的破坏类型工程中土体的破坏类型3工程中的强度问题概述土的抗剪强度:土的抗剪强度:土体抵抗剪切破坏的极限能力土体抵抗剪切破坏的极限能力 49.1土的抗剪强度与极限平衡条件一、库仑定律一、库仑定律17761776年,库仑根据年,库仑根据砂土砂土剪切试验剪切试验 f=tan 砂土砂土后来,根据后来,根据粘性土粘性土剪切试验剪切试验 f=c+tan 粘土粘土c 库仑定律:库仑定律:土的抗剪强土的抗剪强度是剪切面上的法向总应度是剪切面上的
2、法向总应力力 的线性函数的线性函数 c:土的粘聚力土的粘聚力:土的内摩擦角土的内摩擦角 f f5 Oc c:粘聚力粘聚力 :内摩擦角:内摩擦角 库仑公式库仑公式土的抗剪强度的计算土的抗剪强度的计算6二、土体抗剪强度影响因素二、土体抗剪强度影响因素摩擦力的两个来源摩擦力的两个来源 1.1.滑动摩擦:滑动摩擦:剪切面土粒间表面的粗糙所产生的剪切面土粒间表面的粗糙所产生的摩擦摩擦 2.2.咬合摩擦:咬合摩擦:土粒间互相嵌入所产生的咬合力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粘聚力:由土粒之间的胶结作用和电分子引力等因素形成素形成 抗剪强度影响因素抗剪强度影响因素摩
3、擦力:摩擦力:剪切面上的法向总应力、土的初始密度、土剪切面上的法向总应力、土的初始密度、土粒级配、土粒形状以及表面粗糙程度粒级配、土粒形状以及表面粗糙程度粘聚力:粘聚力:土中矿物成分、粘粒含量、含水量以及土的土中矿物成分、粘粒含量、含水量以及土的结构结构7NT=Ntgu uT滑动摩擦 (1 1)滑动摩擦)滑动摩擦2、摩擦强度 tg由颗粒之间发生滑动时由颗粒之间发生滑动时颗粒接触面粗糙不平所颗粒接触面粗糙不平所引起,与颗粒大小,矿引起,与颗粒大小,矿物组成等因素有关物组成等因素有关0.02 0.06 0.2 0.6 230 20 颗粒直径颗粒直径 (mm)滑动摩擦角滑动摩擦角 u粗粉粗粉 细砂细
4、砂 中砂中砂 粗砂粗砂8(2 2)咬合摩擦咬合摩擦CABCAB剪切面剪切面是指相邻颗粒对于相对移动的约束作用是指相邻颗粒对于相对移动的约束作用当发生剪切破坏时,相互咬合着的颗粒当发生剪切破坏时,相互咬合着的颗粒A必须抬起,跨越相邻颗粒必须抬起,跨越相邻颗粒B,或在尖角处,或在尖角处被剪断(被剪断(C),才能移动),才能移动 土体中的颗粒重新排列,也会消耗能量土体中的颗粒重新排列,也会消耗能量 9密度(密度(e,e,粒径级配(粒径级配(C Cu u,C,Cc c)颗粒的矿物成分颗粒的矿物成分 对于对于:砂土:砂土 粘性土;粘性土;高岭石高岭石 伊里石伊里石 蒙特石蒙特石粒径的形状(颗粒的棱角与长
5、宽比)粒径的形状(颗粒的棱角与长宽比)在其他条件相同时:在其他条件相同时:一般,对于粗粒土,颗粒的棱角提高了内摩擦角一般,对于粗粒土,颗粒的棱角提高了内摩擦角 影响土的摩擦强度的主要因素影响土的摩擦强度的主要因素:10p粘聚强度机理n静电引力(库仑力)静电引力(库仑力)n范德华力范德华力n颗粒间胶结颗粒间胶结n假粘聚力(毛细力等)假粘聚力(毛细力等)p粘聚强度影响因素n地质历史地质历史n粘土颗粒矿物成分粘土颗粒矿物成分n密度密度n离子价与离子浓度离子价与离子浓度3 3、粘聚强度、粘聚强度11莫尔圆应力分析符号规定莫尔圆应力分析符号规定材料力学材料力学+-+-土力学土力学正应力正应力剪应力剪应力
6、拉为正拉为正压为负压为负顺时针为正顺时针为正逆时针为负逆时针为负压为正压为正拉为负拉为负逆时针为正逆时针为正顺时针为负顺时针为负莫尔莫尔-库伦强度理论库伦强度理论(极限平衡条件极限平衡条件)12 3+-1 大主应力:大主应力:小主应力小主应力:圆心:圆心:半径:半径:z按顺时针方向旋转按顺时针方向旋转x x按顺时针方向旋转按顺时针方向旋转莫莫 尔尔 圆:代表一个土单元的应力状态;圆:代表一个土单元的应力状态;圆上一点:代表一个面上的两个应力圆上一点:代表一个面上的两个应力 与与 O z+zx-xz x2 1rp13 O+zx2 1 14四、土的极限平衡条件四、土的极限平衡条件应力圆与强度线应力
7、圆与强度线相离:相离:强度线强度线应力圆与强度线应力圆与强度线相切:相切:应力圆与强度线应力圆与强度线相割:相割:极限应极限应力圆力圆f 破坏状态破坏状态 15莫尔库仑破坏准则莫尔库仑破坏准则莫尔应力圆与库仑强度线相切的应力状态作为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土的破坏准则(目前判别土体所处状态的最常用准则目前判别土体所处状态的最常用准则)强度线强度线 16莫尔莫尔-库仑强度理论表达式极限平衡条件库仑强度理论表达式极限平衡条件 1 3 O c17根据应力状态计算出根据应力状态计算出大小主应力大小主应力1、3判断破坏可能性判断破坏可能性11f 不可能状态不可能状态 O c
8、1f 3 1 1判别对象:土体微小单元(一点)判别对象:土体微小单元(一点)3 3=常数:常数:18根据应力状态计算出根据应力状态计算出大小主应力大小主应力1、3判断破坏可能性判断破坏可能性33f 安全状态安全状态3=3f 极限平衡状态极限平衡状态33f 不可能状态不可能状态 O c 1 3f 3 3 1 1=常数:常数:19 f强度包线以内:强度包线以内:任何一个任何一个面上的一对应力面上的一对应力 与与 都没都没有达到破坏包线,不破坏;有达到破坏包线,不破坏;与破坏包线相切:与破坏包线相切:该面上该面上的应力达到破坏状态;的应力达到破坏状态;与破坏包线相交:与破坏包线相交:有一些有一些平面
9、上的应力超过强度;平面上的应力超过强度;不可能发生。不可能发生。20(1)土单元的某一个平面上的抗剪强度)土单元的某一个平面上的抗剪强度 f是该面上作用的法向应是该面上作用的法向应力力 的单值函数的单值函数,f=f()(莫尔:(莫尔:1900年)年)(2)在一定的应力范围内,可以用线性函数近似:)在一定的应力范围内,可以用线性函数近似:f=c+tg(3)某土单元的任一个平面上)某土单元的任一个平面上 =f,该单元就达到了极限平衡应,该单元就达到了极限平衡应力状态力状态3.莫尔库仑强度理论21例例1:1:一饱和粘性土试样在三轴仪中进行固结不排水一饱和粘性土试样在三轴仪中进行固结不排水试验试验,施
10、加周围压力施加周围压力 ,试件破坏时主应试件破坏时主应力差力差 ,测得孔隙水压力测得孔隙水压力 ,有效内摩擦角有效内摩擦角 ,有效粘聚力有效粘聚力 ,试求破坏面上的法向应力和剪应力及试件中的最试求破坏面上的法向应力和剪应力及试件中的最大剪应力大剪应力.22例例2:2:试说明为什么上例中试样发生在试说明为什么上例中试样发生在5757的平面的平面,而而不是发生在最大剪应力的作用面不是发生在最大剪应力的作用面.232 3 1f45/2破裂面破裂面 O c 1f 32 5.滑裂面的位置 与大主应力面夹角:与大主应力面夹角:=45 +/2破坏面为什么不在最大剪应破坏面为什么不在最大剪应力作用面上?力作用
11、面上?24室内试验室内试验野外试验野外试验9.2 9.2 抗剪强度测定试验抗剪强度测定试验三轴试验、直剪试验等三轴试验、直剪试验等 制样(重塑土)或现场取样制样(重塑土)或现场取样 缺点:扰动缺点:扰动 优点:应力条件清楚,易重复优点:应力条件清楚,易重复十字板扭剪试验、旁压试验等十字板扭剪试验、旁压试验等 原位试验原位试验 缺点:应力条件不易掌握缺点:应力条件不易掌握 优点:原状土的原位强度优点:原状土的原位强度25二、土的抗剪强度指标测定二、土的抗剪强度指标测定施加施加 (=P/A)施加施加 S S量测量测 (=T/A)上盒上盒下盒下盒PSTA1、直剪试验(库仑 1776)试验方法试验方法
12、=100KPa S=200KPa=300KPa26试验仪器:试验仪器:直剪仪(应力控制式,应变控制式)直剪仪(应力控制式,应变控制式)27 Oc c:粘聚力粘聚力 :内摩擦角:内摩擦角 =100KPa S=200KPa=300KPa库仑公式库仑公式 f:土的抗剪强度土的抗剪强度 tg:摩擦强度摩擦强度-正比于压力正比于压力 c:粘聚强度粘聚强度试验结果试验结果28通过控制剪切速率通过控制剪切速率来近似模拟排水条来近似模拟排水条件件二、直剪试验二、直剪试验PSTA(1)(1)固结慢剪固结慢剪 施加正应力施加正应力-充分固结充分固结 慢慢施加剪应力慢慢施加剪应力-小于小于0.02mm/0.02mm
13、/分,分,以保证无超静孔压以保证无超静孔压(2)(2)固结快剪固结快剪 施加正应力施加正应力-充分固结充分固结 在在3-53-5分钟内剪切破坏分钟内剪切破坏(3)(3)快剪快剪 施加正应力后施加正应力后 立即剪切立即剪切3-53-5分钟内剪切破坏分钟内剪切破坏29l 设备简单,操作方便设备简单,操作方便l 结果便于整理结果便于整理l 测试时间短测试时间短优点优点l 试样应力状态复杂试样应力状态复杂l 应变不均匀应变不均匀l 不易控制排水条件不易控制排水条件l 剪切面固定剪切面固定缺点缺点PSTA类似试验:类似试验:环剪试验环剪试验单剪试验单剪试验二、直剪试验二、直剪试验TP试样内的试样内的变形
14、分布变形分布301 1、试样应力特点与试验方法、试样应力特点与试验方法2 2、强度包线、强度包线3 3、试验类型、试验类型4 4、优缺点、优缺点试试样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量测体变或孔压量测体变或孔压三轴试验三轴试验31二、三轴剪切试验二、三轴剪切试验应变控制式三轴仪:压力室,加压系统,量测系统应变控制式三轴仪:压力室,加压系统,量测系统组成组成应力控制式三轴仪应力控制式三轴仪n试验步骤试验步骤:3 3 3 3 3 3 2.2.施加周围压力施加周围压力3.3.施加竖向压力施加竖向压力1.1.装样装样32方法:方法:首先试样施加静水压力首先试样施加静水压力室
15、压(围压)室压(围压)1 1=2 2=3 3 ;然后通过活塞杆施加的是应力差然后通过活塞杆施加的是应力差 1 1=1 1-3 3 。1 1、试样应力特点与试验方法、试样应力特点与试验方法特点:特点:试样是轴对称应力状态。垂直应力试样是轴对称应力状态。垂直应力 z z一般是大主应力;径向与切向应力总一般是大主应力;径向与切向应力总是相等是相等 r r=,亦即,亦即 1 1=z z;2 2=3 3=r r33v固结排水试验(CDCD试验)1 打打开开排排水水阀阀门门,施施加加围围压压 后后充充分分固固结结,超静孔隙水压力完全消散;超静孔隙水压力完全消散;2 打打开开排排水水阀阀门门,慢慢慢慢施施加
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