土力學(xué) 課件 5 土的抗剪強(qiáng)度

第5章

土的抗剪強(qiáng)度12010年3月10日凌晨1時(shí)30分許，位于山西省北部的子洲縣雙湖峪鎮(zhèn)雙湖峪村石溝發(fā)生山體滑坡地址災(zāi)害，十多戶住戶房屋被壓埋，致44人被壓埋，其中17人生還，27人死亡。2案例：陜西子洲山體滑坡原因分析：（1）發(fā)生滑塌的山體地形高陡，巖性為砂質(zhì)黃土，孔隙較大、結(jié)構(gòu)疏松。近20年來發(fā)生過多次小型滑塌事故，山體本身存在滑塌隱患；2010年3月10日凌晨1時(shí)30分許，位于山西省北部的子洲縣雙湖峪鎮(zhèn)雙湖峪村石溝發(fā)生山體滑坡地址災(zāi)害，十多戶住戶房屋被壓埋，致44人被壓埋，其中17人生還，27人死亡。3案例：陜西子洲山體滑坡原因分析：（2）去冬今春當(dāng)?shù)亟笛┹^為充沛，累計(jì)降水量74.9毫米，較往年同期降水均值18.9毫米明顯升高。雨雪融水滲入山體后結(jié)冰發(fā)生膨脹，天氣回暖冰體消融，使坡體自重增大，土體強(qiáng)度降低，土坡穩(wěn)定性差，引起山體崩塌。（3）被壓埋的民房建筑結(jié)構(gòu)不盡合理，受地形條件限。制，過于靠近高陡山體沒有足夠的有效緩沖區(qū)等。本章提綱5.1概述5.2土的抗剪強(qiáng)度理論5.3土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)5.4飽和黏性土的剪切性狀5.5砂土的剪切性狀45.1概述土工結(jié)構(gòu)物或地基

土

強(qiáng)度問題變形問題滲透問題強(qiáng)度特性變形特性滲透特性51.各種類型的滑坡平移滑動(dòng)崩塌旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)流滑一、工程中土體的破壞類型5.1概述62.擋土結(jié)構(gòu)物的破壞基坑支護(hù)滑裂面擋土墻5.1概述一、工程中土體的破壞類型7地基p3.地基的破壞一、工程中土體的破壞類型5.1概述8☆邊坡穩(wěn)定☆土壓力☆地基承載力★各種類型的滑坡★擋土結(jié)構(gòu)物破壞★地基的破壞土的抗剪強(qiáng)度：土體對(duì)于外荷載所產(chǎn)生的剪應(yīng)力的極限抵抗能力，其數(shù)值等于剪切破壞時(shí)的滑動(dòng)面上的剪應(yīng)力。5.1概述一、工程中土體的破壞類型9概況：共65個(gè)圓筒倉。1913年完工，自重2萬噸。事件：完工9月開始裝谷物，至10月17日共裝入3萬噸谷物發(fā)生破壞：1小時(shí)豎向沉降30.5cm；24小時(shí)傾斜26°53′；西端下沉7.32m；東端上抬1.52m；上部鋼混筒倉完好無損加拿大特朗斯康谷倉105.1概述11香港1900年建市，1977年成立土力工程署1972PoShan滑坡(~20,000m3)(67死、20傷)PoShanRoadConduitRoadNotewellRoad5.1概述115.1概述

5.2土的抗剪強(qiáng)度理論5.3土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)5.4飽和黏性土的剪切性狀5.5砂土的剪切性狀12一、庫侖定律直剪試驗(yàn)庫侖（1776）

施加σ（=P/A）量測(cè)

（=T/A）P上盒下盒STA試驗(yàn)原理5.2土的抗剪強(qiáng)度理論13抗剪強(qiáng)度與法向應(yīng)力之間的關(guān)系5.2土的抗剪強(qiáng)度理論14一、庫侖定律無黏性土黏性土

f—土的抗剪強(qiáng)度

tg—摩擦強(qiáng)度-正比于壓力；—內(nèi)摩擦角c—黏聚強(qiáng)度-與所受壓力無關(guān)庫侖抗剪強(qiáng)度定律5.2土的抗剪強(qiáng)度理論15（1）在一定的應(yīng)力范圍內(nèi)，可以用線性函數(shù)近似

f

=c+

tg

（2）某土單元的任一個(gè)平面上=f，該單元就達(dá)到了極限平衡應(yīng)力狀態(tài)莫爾—庫侖強(qiáng)度理論一、庫侖定律砂土:τf=σtan

黏性土:

3

3

1

1

3

1

dlcosdlsin1.土中某點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)5.2土的抗剪強(qiáng)度理論二、莫爾-庫侖強(qiáng)度理論及土的極限平衡條件16

O

z+zx-xz

x2

1

3rR莫爾應(yīng)力圓莫爾圓：代表一個(gè)土單元的應(yīng)力狀態(tài)；圓周上一點(diǎn)代表一個(gè)面上的兩個(gè)應(yīng)力

與

5.2土的抗剪強(qiáng)度理論17圓心：半徑：二、莫爾-庫侖強(qiáng)度理論及土的極限平衡條件2.土的極限平衡條件5.2土的抗剪強(qiáng)度理論18

1f

3

O

c二、莫爾-庫侖強(qiáng)度理論及土的極限平衡條件

O

c

1f

3

1

1破壞判斷方法

3=常數(shù)：判別對(duì)象：土體微小單元（一點(diǎn)）根據(jù)應(yīng)力狀態(tài)計(jì)算出大小主應(yīng)力σ1、σ3，由σ3計(jì)算σ1f，比較σ1與σ1fσ1<σ1f

彈性平衡狀態(tài)σ1=σ1f

極限平衡狀態(tài)σ1>σ1f

破壞狀態(tài)5.2土的抗剪強(qiáng)度理論19

O

c

1

3f

3

3

1=常數(shù)：根據(jù)應(yīng)力狀態(tài)計(jì)算出大小主應(yīng)力σ1、σ3，由σ1計(jì)算σ3f，比較σ3與σ3fσ3>σ3f

彈性平衡狀態(tài)σ3=σ3f

極限平衡狀態(tài)σ3<σ3f

破壞狀態(tài)5.2土的抗剪強(qiáng)度理論20

3

1f45°＋

/2滑裂面的位置與大主應(yīng)力面夾角：α=45+

/25.2土的抗剪強(qiáng)度理論21

O

c

1f

322虛線所指位置為滑裂面5.1概述

5.2土的抗剪強(qiáng)度理論

5.3土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)5.4飽和黏性土的剪切性狀5.5砂土的剪切性狀22一、室內(nèi)試驗(yàn)二、野外試驗(yàn)直剪試驗(yàn)、三軸試驗(yàn)等制樣（重塑土）或現(xiàn)場(chǎng)取樣缺點(diǎn)：擾動(dòng)優(yōu)點(diǎn)：應(yīng)力條件清楚，易重復(fù)十字板扭剪試驗(yàn)、旁壓試驗(yàn)等原位試驗(yàn)缺點(diǎn)：應(yīng)力條件不易掌握優(yōu)點(diǎn)：原狀土的原位強(qiáng)度

5.3土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)23直接剪切試驗(yàn)一、直接剪切試驗(yàn)5.3土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)241）快剪

2）固結(jié)快剪

3）慢剪5.3土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)25直接剪切試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度與豎向壓力的關(guān)系曲線試樣壓力室壓力水排水管閥門軸向加壓桿有機(jī)玻璃罩橡皮膜透水石頂帽三軸壓縮試驗(yàn)（1）試樣應(yīng)力特點(diǎn)與試驗(yàn)方法（2）強(qiáng)度包線（3）試驗(yàn)類型（4）優(yōu)缺點(diǎn)5.3土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)26二、三軸壓縮試驗(yàn)應(yīng)變控制式三軸儀：壓力室，加壓系統(tǒng)，量測(cè)系統(tǒng)組成應(yīng)力控制式三軸儀。試驗(yàn)步驟：1.裝樣2.施加周圍壓力3.施加豎向壓力

3

3

3

3

3

3△△三軸壓縮試驗(yàn)5.3土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)27不固結(jié)不排水剪三軸試驗(yàn)(UU)：施加周圍壓力σ3，軸向壓力Δδ直至剪破的整個(gè)過程都關(guān)閉排水閥門，不允許試樣排水固結(jié)。固結(jié)不排水剪三軸試驗(yàn)(CU)：施加周圍壓力σ3時(shí)打開排水閥門，試樣完全排水固結(jié)，孔隙水壓力完全消散，然后關(guān)閉排水閥門，再施加軸向壓力Δδ，使試樣在不排水條件下剪切破壞。三軸試驗(yàn)可以嚴(yán)格控制排水條件.根據(jù)試驗(yàn)過程中是否允許固結(jié)和排水可分為不固結(jié)不排水剪(UU)，固結(jié)不排水剪(CU)和固結(jié)排水剪(CD)5.3土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)28固結(jié)排水剪三軸試驗(yàn)(CD)：試樣在周圍壓力σ3作用下排水固結(jié),再緩慢施加軸向壓力Δδ,直至剪破,整個(gè)試驗(yàn)過程中打開排水閥門，始終保持試樣的孔隙水壓力為零。對(duì)于同一種土，在不同的排水條件下進(jìn)行試驗(yàn)，總應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)完全不同，故土的抗剪強(qiáng)度與總應(yīng)力之間沒有唯一的對(duì)應(yīng)關(guān)系。有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)不隨試驗(yàn)方法的改變而不同，抗剪強(qiáng)度與有效應(yīng)力有唯一的對(duì)應(yīng)關(guān)系。5.3土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)29結(jié)論:優(yōu)點(diǎn)：1應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力路徑明確；2排水條件清楚，可控制；3破壞面不是人為固定的；4試驗(yàn)單元體試驗(yàn)。缺點(diǎn)：設(shè)備相對(duì)復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)無法試驗(yàn)說明：3＝0即為無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)5.3土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)30無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)5.3土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)31三、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)四、十字板剪切試驗(yàn)5.3土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)32十字板剪切試驗(yàn)一般適用于測(cè)定飽和軟黏土的不排水強(qiáng)度指標(biāo)；鉆孔到指定的土層，插入十字形的探頭；通過施加的扭矩計(jì)算土的抗剪強(qiáng)度時(shí)M1HDM25.3土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)33五、三軸壓縮試驗(yàn)中的孔隙壓力系數(shù)5.3土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)341.孔隙壓力系數(shù)B斯開普頓通過對(duì)非飽和土體在三軸不排水和不排氣條件下的孔隙壓力研究，提出了孔隙壓力系數(shù)A、B的概念。對(duì)于飽和土，B=1.0；對(duì)于干土，B=0；對(duì)于部分飽和土，B介于0~1之間。所以B值是反映土體飽和程度的指標(biāo)。五、三軸壓縮試驗(yàn)中的孔隙壓力系數(shù)5.3土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)352.孔隙壓力系數(shù)A、

B參數(shù)

B可用等應(yīng)力比三軸不排水剪試驗(yàn)測(cè)定，在堤壩穩(wěn)定分析中很重要，用于估算堤壩填筑期的初始孔隙壓力。對(duì)于正常固結(jié)的飽和黏土和飽和松砂，0<A<1；對(duì)于超固結(jié)的飽和黏土和飽和緊砂，A<0五、三軸壓縮試驗(yàn)中的孔隙壓力系數(shù)5.3土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)36在飽和土的不固結(jié)不排水剪試驗(yàn)中，孔隙壓力的總增量為在固結(jié)不排水剪試驗(yàn)中，在固結(jié)排水剪試驗(yàn)中，恒有Δu=0。五、三軸壓縮試驗(yàn)中的孔隙壓力系數(shù)5.3土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)373.各向等壓作用下的孔隙壓力系數(shù)B由彈性力學(xué)理論可知，在各向等壓條件下，有效應(yīng)力引起的土骨架的體積壓縮為在土中孔隙壓力的作用下，孔隙體積的壓縮量為根據(jù)ΔV＝ΔV?的條件，有五、三軸壓縮試驗(yàn)中的孔隙壓力系數(shù)5.3土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)384.偏壓應(yīng)力作用下的孔隙壓力系數(shù)A軸對(duì)稱三向應(yīng)力狀態(tài)下孔隙壓力為由于土并不是理想的彈性體，為此可將上式中的系數(shù)1/3用一個(gè)更具有普遍意義的系數(shù)A來代替，則可以寫成Skempton孔隙壓力系數(shù)A與Henkel孔隙壓力系數(shù)a的關(guān)系為5.1概述

5.2土的抗剪強(qiáng)度理論

5.3土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)

5.4飽和黏性土的剪切性狀5.5砂土的剪切性狀39強(qiáng)度指標(biāo)：粘聚力c內(nèi)摩擦角按照分析方法，可分為總應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)與有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)；按照試驗(yàn)方法，可分為直剪強(qiáng)度指標(biāo)與三軸試驗(yàn)強(qiáng)度指標(biāo)；按照應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，可分為峰值強(qiáng)度指標(biāo)與殘余強(qiáng)度指標(biāo)。5.4飽和黏性土的剪切性狀40強(qiáng)度指標(biāo)的分類：兩種強(qiáng)度指標(biāo)的比較土的抗剪強(qiáng)度的有效應(yīng)力指標(biāo)c,=c+tg=-u符合土的破壞機(jī)理，但有時(shí)孔隙水壓力u無法確定土的抗剪強(qiáng)度的總應(yīng)力指標(biāo)c,=c+tg便于應(yīng)用,但u不能產(chǎn)生抗剪強(qiáng)度，不符合強(qiáng)度機(jī)理強(qiáng)度指標(biāo)抗剪強(qiáng)度簡單評(píng)價(jià)一.不同排水條件下的剪切試驗(yàn)成果表達(dá)方法5.4飽和黏性土的剪切性狀41圖中三個(gè)實(shí)線圓A、B、C表示三個(gè)試樣在不同σ?作用下剪切破壞時(shí)的總應(yīng)力圓，虛線圓為有效應(yīng)力圓。三個(gè)試樣只有同一有效應(yīng)力圓，即二、不固結(jié)不排水強(qiáng)度5.4飽和黏性土的剪切性狀42飽和黏性土的三軸不排水剪切試驗(yàn)結(jié)果飽和黏性土在不排水剪切試驗(yàn)中的這一剪切性狀表明，隨著σ?的增加，試樣存在含水率-體積-有效應(yīng)力唯一性的特征，導(dǎo)致剪切過程中強(qiáng)度不變。由固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)所得的總應(yīng)力破壞莫爾圓向坐標(biāo)原點(diǎn)平移-破壞時(shí)的uf值距離，圓的半徑保持不變，就可繪出有效應(yīng)力破壞莫爾圓。三、固結(jié)不排水抗剪強(qiáng)度5.4飽和黏性土的剪切性狀43固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)的主應(yīng)力差及孔隙水壓力與軸向應(yīng)變的關(guān)系固結(jié)排水試驗(yàn)在整個(gè)試驗(yàn)過程中超孔隙水壓力始終為零，總應(yīng)力最后全部轉(zhuǎn)化為有效應(yīng)力，所以總應(yīng)力圓就是有效應(yīng)力圓，總應(yīng)力破壞包線就是有效應(yīng)力破壞包線。四、固結(jié)排水抗剪強(qiáng)度5.4飽和黏性土的剪切性狀44固結(jié)排水試驗(yàn)結(jié)果凡是可以確定（測(cè)量、計(jì)算）孔隙水壓力u的情況，都應(yīng)當(dāng)使用有效應(yīng)力指標(biāo)c，五、抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的選用5.4飽和黏性土的剪切性狀45有效應(yīng)力指標(biāo)與總應(yīng)力指標(biāo)三軸試驗(yàn)指標(biāo)與直剪試驗(yàn)指標(biāo)砂土：

c,三軸排水試驗(yàn)指標(biāo)與直剪試驗(yàn)指標(biāo)

（直剪試驗(yàn)得到的指標(biāo)偏大）黏土：有效應(yīng)力指標(biāo)：固結(jié)排水、固結(jié)不排水總應(yīng)力指標(biāo)：三軸固結(jié)不排水、不排水;直剪固結(jié)快剪、快剪5.1概述

5.2土的抗剪強(qiáng)度理論

5.3土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)

5.4飽和黏性土的剪切性狀

5.5砂土的剪切性狀46

砂土是透水性很強(qiáng)的土類，現(xiàn)場(chǎng)的受剪過程大多相當(dāng)于固結(jié)排水剪情況，試驗(yàn)求得的抗剪強(qiáng)度包線一般為過原點(diǎn)的直線，抗剪強(qiáng)度表達(dá)式為一、砂土的內(nèi)摩擦角5.5砂土的剪切性狀47τf=σtan'

影響砂土內(nèi)摩擦角的主要因素是土體的初始孔隙比、土粒表面粗糙度及顆粒級(jí)配，初始孔隙比小、土粒表面粗糙、級(jí)配良好的砂土內(nèi)摩擦角較大。飽和松砂在振動(dòng)情況下孔壓急劇升