土力學(xué)第五章 土的抗剪強(qiáng)度

1、第五章 土的抗剪強(qiáng)度第五章 土的抗剪強(qiáng)度引 言從圖5.1的工程實(shí)例出發(fā)，闡述土體的破壞是剪切破壞，土體的強(qiáng)度問題實(shí)質(zhì)是土的抗剪強(qiáng)度問題，因?yàn)橥令w粒之間的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度遠(yuǎn)小于顆粒之間的強(qiáng)度，所以對土的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行研究。土的抗剪強(qiáng)度成果的應(yīng)用：（1） 地基承載力與地基穩(wěn)定性；（2） 土坡穩(wěn)定性；（3） 支擋結(jié)構(gòu)的土壓力。(a)土體滑坡 (b) 擋土墻 (c)地基失穩(wěn)圖5.1 土體破壞示意圖§ 5.1 摩爾庫侖強(qiáng)度理論一、物理模型NFQWRqNFmaxQWRd圖5.2 物體滑動(dòng)示意圖1Q>0，物體有滑動(dòng)的趨勢；2Q=Fmax，極限平衡狀態(tài)。由物理學(xué)知識可得Fmax=mN Fmax=Ntgd

2、即m=tgd，d稱為摩擦角。除以面積得：tf=stgdtf為接觸面的摩擦抗剪強(qiáng)度，s為正應(yīng)力。備 注采用設(shè)問法，引出本章要研究的內(nèi)容。由物理模型引出庫倫定律二、庫侖定律(Coulomb Law)圖5.3 土的強(qiáng)度線1776年法國科學(xué)家?guī)靵?C.A Coulomb)總結(jié)土的破壞現(xiàn)象和影響因素，提出土的破壞公式為： 式中 S代表抗剪強(qiáng)度(shear strength)；c土的粘聚力(cohesion)；土的內(nèi)摩擦角(internal friction angle)； 作用在剪切面上的有效法向應(yīng)力。圖5.4 土中一點(diǎn)的極限應(yīng)力圓三、土中一點(diǎn)應(yīng)力極限平衡 注 意：(1) 破裂面不發(fā)生在最大剪應(yīng)力作用面

3、上。為什么？請思考。(2) 破裂面與大主應(yīng)力作用面夾角為。四、判斷土中一點(diǎn)是否破壞1. t < S時(shí)，土不會(huì)被破壞，t = S時(shí)，土被剪壞；2. 根據(jù)應(yīng)力極限平衡判斷；3. 剪切面的應(yīng)力偏角；4. 僅憑某一截面上的應(yīng)力，無法判斷一點(diǎn)是否處于彈性應(yīng)力狀態(tài)。五、典型例題講解已知土中某點(diǎn)的最大、最小主應(yīng)力s1=300kPa，s3=100kPa ，土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c=10kPa，試判斷該點(diǎn)所處的應(yīng)力狀態(tài)。備 注只有t £ S？土的抗剪強(qiáng)度是否為定值？參數(shù)c、值如何確定？黑板板書推導(dǎo)極限平衡方程，告訴學(xué)生記憶該方程的方法。采用設(shè)問發(fā)，啟發(fā)學(xué)生，引出判斷土中一點(diǎn)是否破壞的方法。講解時(shí)注意采

4、用多種方法進(jìn)行判斷。§ 5.3 抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)室內(nèi)測定土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的常用方法：直接剪切試驗(yàn)(direct shear test)、單軸壓力試驗(yàn)(unconfined compressive strength test)、三軸壓力試驗(yàn)(triaxial compression test)。一、 直接剪切試驗(yàn)儀器1. 儀器簡介圖5.5直剪儀簡圖2. 試驗(yàn)原理測得34組試驗(yàn)可得(s1，S1), (s2，S2), (s3，S3), (s4，S4)，在st中描點(diǎn)并近似可連成一直線，即得強(qiáng)度線，此線得截距即為c，傾角為j。3. 評價(jià)優(yōu)點(diǎn)：儀器簡單，操作方便；能用于土樣的大剪切應(yīng)變；如果把剪切盒

5、尺存放大，就可用于大土樣。缺點(diǎn)：（1）剪切面上的應(yīng)力非常復(fù)雜，并非想象的那樣均勻；（2）剪切過程中，剪切面不斷減小，與假定的定值不符；（3）不能控制孔隙水壓力。二、軸壓試驗(yàn)1. 單軸壓力試驗(yàn) （1） 干硬粘性土，壓壞時(shí)有明顯的剪裂面；（2） 飽和粘土，加壓時(shí)孔隙水來不及排出，剪切面上的有效壓力為0，強(qiáng)度線為水平線。單軸壓力試驗(yàn)不能用于不滿足上述條件的粘性土和難于制備土樣的砂土。備 注實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)時(shí)，剪切盒的上、下盒哪個(gè)移動(dòng)？簡介在Excel電子表格中如何進(jìn)行直剪試驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理和繪圖。圖5.6 干硬粘性土單軸壓力試驗(yàn) 圖5.7 飽和粘土單軸壓力試驗(yàn)2. 三軸壓力試驗(yàn)（1） 儀器簡介圖5.8 三軸壓

6、力室示意圖（2） 加壓程序 先加圍壓，維持圍壓不變，施加垂直壓力至土樣破壞； 圍壓和垂直壓力都加到一定值后，垂直壓力保持不變，減小圍壓至土樣被剪壞。（3） 試驗(yàn)方法 不排水剪或快剪； 固結(jié)不排水剪或固結(jié)快剪； 排水剪或慢剪。（4） 評價(jià)三軸試驗(yàn)的主要優(yōu)點(diǎn)：在于能控制孔隙水，從工程實(shí)際出發(fā)，采用不同的排水條件，以求得與實(shí)際情況相近似的土的抗剪強(qiáng)度。備 注只有一個(gè)極限應(yīng)力圓如何確定抗剪強(qiáng)度參數(shù)？結(jié)合儀器構(gòu)造介紹試驗(yàn)方法。§ 5.4 應(yīng)力路徑(stress path)及其影響一、概念 應(yīng)力路徑：土體中的應(yīng)力隨外力的變化而演變的途徑。對加荷過程中土體內(nèi)某點(diǎn)，其應(yīng)力狀態(tài)的變化可在應(yīng)力坐標(biāo)圖中以

7、應(yīng)力點(diǎn)的移動(dòng)軌跡來表示，這種軌跡稱為應(yīng)力路徑。以某一特定截面上的應(yīng)力來表示。特定截面：剪裂面或最大剪應(yīng)力面。表示法：總應(yīng)力(total stress)路徑和有效應(yīng)力(effectives stress)路徑二、S線、Kf線K0線K0固結(jié)為無側(cè)向變形固結(jié)若有效應(yīng)力路徑與K0線平行，則土樣在該應(yīng)力路徑下的側(cè)向應(yīng)變?yōu)榱?；若有效?yīng)力路徑的傾角大于K0線的b角，則土樣發(fā)生側(cè)向膨脹；若有效應(yīng)力路徑的傾角小于K0線的b角，則土樣發(fā)生側(cè)向收縮。三、結(jié)論由于土體的變形和強(qiáng)度不僅與受力的大小有關(guān)，更重要的還與土的應(yīng)力歷史有關(guān)，土的應(yīng)力路徑可以模擬土體實(shí)際應(yīng)力歷史，因此應(yīng)力路徑對探討土的應(yīng)力應(yīng)變和強(qiáng)度都具有十分重要

8、的意義。§ 5.5 砂土的抗剪強(qiáng)度(shear strength)一、砂土的強(qiáng)度試驗(yàn)和強(qiáng)度機(jī)理1 強(qiáng)度試驗(yàn)強(qiáng)度線為通過原點(diǎn)的直線。2 強(qiáng)度機(jī)理構(gòu)成砂土抗剪強(qiáng)度的三部分： 砂粒表面的滑動(dòng)摩擦是抗剪強(qiáng)度的主體； 顆粒相互間的咬合作用，產(chǎn)生于密砂中； 當(dāng)砂土結(jié)構(gòu)受到剪切破壞后，顆粒重新排列，要消耗一部分剪切能。緊砂松砂tftdtf松tf緊二、砂土強(qiáng)度與緊密度的關(guān)系緊砂松砂dev膨脹收縮 圖5.11 砂土剪應(yīng)力與剪位移的關(guān)系 圖5.12 砂土體積變化和剪位移的關(guān)系1. 緊砂在受剪時(shí)會(huì)產(chǎn)生體積膨脹即剪脹(dilatancy)；2. 松砂在受剪時(shí)會(huì)產(chǎn)生體積收縮即剪縮；3. 砂土在剪切過程中是否出

9、現(xiàn)剪脹或剪縮，主要取決于它的初始孔隙比e0。三、影響砂土強(qiáng)度的因素1. 顆粒礦物成分、顆粒形狀和級配2. 沉積條件3. 試驗(yàn)條件4. 其它因素備 注介紹“假粘聚力”概念。砂土在什么情況下會(huì)發(fā)生剪脹？設(shè)問法引出顆粒形狀和級配、沉積條件及試驗(yàn)條件對強(qiáng)度的影響。§5.6 粘性土的抗剪強(qiáng)度一、粘性土強(qiáng)度的來源顆粒間的凝聚力、克服剪脹作功所需付出的力、顆粒間的摩擦力。二、與應(yīng)力歷史(stress history)的關(guān)系正常固結(jié)粘土：沒有剪脹，凝聚力??；超固結(jié)粘土：發(fā)生剪脹，凝聚力很高。二者強(qiáng)度特征不同。三、與排水條件有關(guān)（1）不排水剪或快剪強(qiáng)度(quick shear test) 試驗(yàn)方法排水

10、管閥門關(guān)閉，土樣的含水量和體積是不變的，極限應(yīng)力圓的直徑不變。stcu圖5.13 飽和黏土不排水剪試驗(yàn)強(qiáng)度指標(biāo) ju = 0 ； cu = 注意：ju = 0，并不意味著土不具有摩擦強(qiáng)度，因?yàn)榧羟忻嫔洗嬖谟行?yīng)力就應(yīng)該有摩擦強(qiáng)度，只不過是這種試驗(yàn)方法，摩擦強(qiáng)度隱含于粘聚強(qiáng)度內(nèi)，兩者難以區(qū)分。（2）固結(jié)不排水剪或固結(jié)快剪強(qiáng)度(consolidated quick shear test) 試驗(yàn)方法室內(nèi)加圍壓下充分固結(jié)，使孔隙壓力消散，在關(guān)閉排水閥，并進(jìn)行垂直加壓直到破壞。 強(qiáng)度指標(biāo) 正常固結(jié)粘土：ccu=0 ; jcu =10° 20°；有效應(yīng)力強(qiáng)度線的j大于總應(yīng)力強(qiáng)度線的jc

11、u；對于超固結(jié)粘土ccu ¹ 0 ; jcu > 0。j>jcu，c<ccu。備 注對比砂土，介紹粘性土強(qiáng)度來源。為什么ju = 0？stj'cuf'cu總應(yīng)力圓jcuf'cu圖5.14 正常固結(jié)粘性土固結(jié)不排水剪試驗(yàn)（3）排水剪或慢剪(slow shear test)強(qiáng)度 試驗(yàn)方法在整個(gè)過程中，排水管一直打開，在圍壓和垂直壓力下充分固結(jié)。 強(qiáng)度指標(biāo) 工程分析中，往往運(yùn)用有效強(qiáng)度指標(biāo)，如采用慢剪來測定這些強(qiáng)度指標(biāo)，則太費(fèi)時(shí)間，常采用固結(jié)快剪。jddds'tcdjdddstcujcuddCD試驗(yàn) ddCU試驗(yàn) ddUU試驗(yàn) dd圖5.15慢剪試驗(yàn)圖 5.16 正常固結(jié)飽和粘土三種試驗(yàn)結(jié)果的強(qiáng)度包線四、工程應(yīng)用中抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的選擇試驗(yàn)條件應(yīng)與工程實(shí)際條件一致，主要影響因素為：土層的厚度、土層的滲透性及施工速度的快慢。（1）一般工程問題，