土力學(xué)-第6章-土的抗剪強(qiáng)度

1、第六章,土的抗剪強(qiáng)度,6.1 土體強(qiáng)度的工程應(yīng)用 6.2 摩爾庫(kù)侖強(qiáng)度理論 6.3 土的極限平衡條件 6.4 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的確定 6.5 孔隙壓力系數(shù) 6.6 砂性土的剪切性狀 6.7 黏性土的剪切性狀,主要內(nèi)容,重點(diǎn)內(nèi)容,6.1 土體強(qiáng)度的工程應(yīng)用,大量的工程實(shí)踐和室內(nèi)試驗(yàn)表明：建筑物地基和土工建筑物的破壞，絕大多數(shù)是屬于剪切破壞，即沿著某一滑動(dòng)面產(chǎn)生破壞。,基坑坑壁滑動(dòng)破壞,坑壁支護(hù),6.1 土體強(qiáng)度的工程應(yīng)用,邊坡滑坡,6.1 土體強(qiáng)度的工程應(yīng)用,因此，剪切破壞是土體破壞的主要形式。,土的抗剪強(qiáng)度：土體抵抗剪切破壞的極限能力。,土的重要力學(xué)性質(zhì)指標(biāo),6.2 摩爾庫(kù)侖強(qiáng)度理論,前面我們從太

2、沙基的土有效應(yīng)力原理已經(jīng)知道：土體承受的上覆荷載主要由土顆粒的有效應(yīng)力承擔(dān)。 而有效應(yīng)力是由土顆粒之間的黏結(jié)作用和相互之間的咬合作用組成。 黏結(jié)作用產(chǎn)生的力稱為土的黏聚力（內(nèi)聚力）， 咬合作用產(chǎn)生的咬合與摩擦稱為土的內(nèi)摩擦角。,土中一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài),土體內(nèi)某一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)如下： 1豎向應(yīng)力(最大主應(yīng)力) 3側(cè)向應(yīng)力(最小主應(yīng)力) 剪切面上為 法向應(yīng)力 剪應(yīng)力,一、庫(kù)侖定律,在一定載荷范圍內(nèi)，土的抗剪強(qiáng)度與法向應(yīng)力之間呈直線關(guān)系。 其中C、 被稱為土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。 為剪切破裂面與大主應(yīng)力的作用面成夾角，其值等于（45+/2）的。,庫(kù)侖經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，得出以下關(guān)系式：,砂土：,黏性土：,黏性土,c,C=

3、0,砂土,f,f,庫(kù)侖定律的總應(yīng)力表達(dá)式,庫(kù)侖定律的有效應(yīng)力表達(dá)式 C稱為土的有效黏聚力 稱為土的有效內(nèi)摩擦角,飽和土有效應(yīng)力：,一、庫(kù)侖定律,二、摩爾庫(kù)侖強(qiáng)度理論,莫爾認(rèn)為土中某點(diǎn)達(dá)到該點(diǎn)的抗剪強(qiáng)度時(shí)，土即發(fā)生破壞。,莫爾把f=f（）的曲線，稱為摩爾破壞包線。 f=f()可用直線（庫(kù)侖定律 ）代替，故稱為莫爾庫(kù)侖強(qiáng)度理論。,f,1、安全（彈性平衡狀態(tài)）,2、臨界狀態(tài)（極限平衡狀態(tài)）,3、破壞,摩爾庫(kù)侖強(qiáng)度判斷土單元的狀態(tài),某一單元土體上的作用力如下右圖所示，將作用于ABC的各力分別在水平和垂直方向投影（合力為零），根據(jù)靜力平衡條件可得：,6.3 土的極限平衡條件,一、摩爾應(yīng)力圓,水平方向合力

4、,垂直方向合力,A,B,C,由上述兩式得：,6.3 土的極限平衡條件,一、摩爾應(yīng)力圓,解上述聯(lián)立二元一次方程式得：,法向應(yīng)力,剪應(yīng)力,A,O1,6.3 土的極限平衡條件,在-坐標(biāo)中，以1/2(1 +3 )，0為圓心、1/2(13 )為半徑作圓,則A點(diǎn)的坐標(biāo)（a，a）即為ABC斜面AB上的法向應(yīng)力和剪應(yīng)力。,摩爾 應(yīng)力圓,O,A,B,C,c,A,O,O1,6.3 土的極限平衡條件,我們把庫(kù)侖公式強(qiáng)度線繪制于同一坐標(biāo)系中，則該強(qiáng)度線為摩爾圓的切線。,B,f,1、安全（彈性平衡狀態(tài)）,2、臨界狀態(tài)（極限平衡狀態(tài)）,3、破壞,摩爾庫(kù)侖強(qiáng)度判斷土單元的狀態(tài),摩爾庫(kù)侖強(qiáng)度判斷土單元的狀態(tài),f時(shí)，彈性平衡狀

5、態(tài)，整個(gè)摩爾圓位于抗剪強(qiáng)度線的下方，說(shuō)明該點(diǎn)在任何平面上的剪應(yīng)力都小于土所能發(fā)揮的抗剪強(qiáng)度，因此不會(huì)發(fā)生剪切破壞。,二、土的極限平衡應(yīng)力狀態(tài),=f時(shí)，極限平衡狀態(tài)，摩爾圓與抗剪強(qiáng)度線相切于A點(diǎn)，表明通過(guò)A點(diǎn)的任意平面上的剪應(yīng)力都等于抗剪強(qiáng)度，該點(diǎn)就處于極限平衡狀態(tài)。 f時(shí)，剪切破壞狀態(tài)，抗剪強(qiáng)度線是摩爾圓的一條割線，該點(diǎn)的任意平面上的剪應(yīng)力已超過(guò)了土的抗剪強(qiáng)度，實(shí)際上這種情況是不可能存在的。,c,A,O,O1,下圖是土體處于極限平衡條件（即破壞臨界狀態(tài)）的關(guān)系圖。,B,三、土的極限平衡條件,由圖直角ABO1可知：,整理下面公式：,三、土的極限平衡條件,得出以下三式：,此三式均可用于判斷土體是否

6、處于極限平衡狀態(tài),教材P114式(6-15)更正,c,A,O,O1,B,三、土的極限平衡條件,由圖直角ABO1外角與內(nèi)角的關(guān)系可知：,即：,由此可見(jiàn)：剪切破裂面與大主應(yīng)力的作用面成（45+/2）的夾角。,四、土的極限平衡條件的應(yīng)用,根據(jù)上述三式，分別計(jì)算出極限平衡所能承受的1f與當(dāng)時(shí)所施加的1來(lái)作比較，即可判斷出土體是處于何種狀態(tài)：,（1）當(dāng)11f，土體處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)；,（2）當(dāng)1=1f，土體處于極限平衡狀態(tài)；,（3）當(dāng)11f，土體處于破壞狀態(tài)；,四、土的極限平衡條件的應(yīng)用,根據(jù)上述三式，分別計(jì)算出極限平衡所能承受的3f與當(dāng)時(shí)所施加的3來(lái)作比較，即可判斷出土體是處于何種狀態(tài)：,（1）當(dāng)33f

7、，土體處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)；,（2）當(dāng)3=3f，土體處于極限平衡狀態(tài)；,（3）當(dāng)33f，土體處于破壞狀態(tài)；,四、土的極限平衡條件的應(yīng)用,根據(jù)上述三式，計(jì)算出達(dá)到極限平衡所需要的m與當(dāng)前土體的來(lái)作比較，即可判斷出土體是處于何種狀態(tài)：,（1）當(dāng)m，土體處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)；,（2）當(dāng)m=，土體處于極限平衡狀態(tài)；,（3）當(dāng)m，土體處于破壞狀態(tài)；,四、土的極限平衡條件的應(yīng)用,總結(jié)，分別比較m、1f、3f，與、1、3，即可判斷出土體是處于何種狀態(tài)：,（1）當(dāng)m3f，土體處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)；,（2）當(dāng)m=、1=1f、3=3f，土體處于極限平衡狀態(tài)；,（3）當(dāng)m、11f、33f，土體處于破壞狀態(tài)；,3，處于穩(wěn)定狀態(tài),

8、實(shí)際應(yīng)用,1、當(dāng)計(jì)算A點(diǎn)時(shí)： 1=？、3=？,黏土 C、,A,2、當(dāng)計(jì)算B點(diǎn)時(shí)： 1=？、3=？,B,1=h1、3=k01,h1,h2,1=h2、3=0,k0為靜止土壓力系數(shù)，可查47頁(yè)表4-1確定,3、開(kāi)挖多深不會(huì)失穩(wěn)？即C點(diǎn)的深度為多大？,當(dāng)3=0時(shí)，認(rèn)為此處為剪切滑動(dòng)面的最底端,此時(shí),C,h,測(cè)定土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的試驗(yàn)稱為剪切試驗(yàn),6.4 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的確定,直剪儀,一、直剪試驗(yàn),6.4 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的確定,剪切力計(jì)量?jī)x表,剪切盒,一、直剪試驗(yàn),水平推力,垂直壓力p,應(yīng)力環(huán)水平力T,一、直剪試驗(yàn),水平推力,垂直壓力P,6.4 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的確定,應(yīng)力環(huán)水平力T,一、直剪試驗(yàn),水平推力,6.

9、4 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的確定,應(yīng)力環(huán)水平力T,垂直壓力P,一、直剪試驗(yàn),水平推力,6.4 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的確定,應(yīng)力環(huán)水平力T,垂直壓力P,一、直剪試驗(yàn),水平推力,6.4 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的確定,應(yīng)力環(huán)水平力T,垂直壓力P,一、直剪試驗(yàn),水平推力,6.4 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的確定,應(yīng)力環(huán)水平力T,垂直壓力P,一、直剪試驗(yàn),水平推力,應(yīng)力環(huán)水平力T,垂直壓力P,A,一、直剪試驗(yàn),A土樣面積,應(yīng)力環(huán)水平力T,垂直壓力P,正應(yīng)力：,剪應(yīng)力：,A,一、直剪試驗(yàn),應(yīng)力環(huán)水平力T,垂直壓力P,施加P，量測(cè) T，然后計(jì)算,一、直剪試驗(yàn),三組試樣,正應(yīng)力：,剪應(yīng)力：,最后畫(huà)點(diǎn)，連直線，求出抗剪強(qiáng)度指標(biāo),直剪三種試驗(yàn)類型,直剪儀

10、的優(yōu)點(diǎn): 設(shè)備簡(jiǎn)單,價(jià)格便宜,操作方便,易于掌握,直剪試驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn),二、三軸壓縮（剪切）試驗(yàn),壓力室,加壓設(shè)備,電腦采集,三軸剪切試驗(yàn),試驗(yàn)裝置,壓力室； 圍壓系統(tǒng)； 軸壓系統(tǒng)； 孔隙水壓力量測(cè)系統(tǒng)； 排水系統(tǒng),主要組成：,壓力室,壓力水,排水管,閥門(mén),軸向加壓桿,有機(jī)玻璃罩,橡皮膜,透水石,頂帽,壓力室分解,1,Pc,二、三軸剪切試驗(yàn),3,1,Pc,3,二、三軸剪切試驗(yàn),1,Pc,3,二、三軸剪切試驗(yàn),3,1,總應(yīng)力表示法,有效應(yīng)力表示法,三組試樣,三軸剪切三種試驗(yàn)類型,三軸試驗(yàn)優(yōu)缺點(diǎn),優(yōu)點(diǎn)： 試驗(yàn)中能嚴(yán)格控制試樣排水條件，量測(cè)孔隙水壓力，了解土中有效應(yīng)力變化情況； 試樣中的應(yīng)力分布比較均勻

11、，剪切面在試樣的最薄弱處，結(jié)果比直剪試驗(yàn)可靠。 缺點(diǎn)： 試驗(yàn)儀器復(fù)雜，操作技術(shù)要求高，試樣制備較復(fù)雜； 試驗(yàn)在2=3的軸對(duì)稱條件下進(jìn)行，與土體實(shí)際受力情況可能不符 。,無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，與巖石單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)類似，是三軸壓縮試驗(yàn)的特例，對(duì)試樣不施加周圍壓力，即3=0，只施加軸向壓力直至發(fā)生破壞，試樣在無(wú)側(cè)限壓力條件下，剪切破壞時(shí)試樣承受的最大軸向壓力qu，稱為無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。,三、無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn),無(wú)側(cè)限壓縮儀,根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果只能作出一個(gè)極限應(yīng)力圓（3=0，1=qu）。因此對(duì)一般黏性土，無(wú)法作出強(qiáng)度包絡(luò)線。,qu,cu,u=0,無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)儀器構(gòu)造簡(jiǎn)單，操作方便，可代替三軸試驗(yàn)測(cè)定飽和軟黏土的不排水強(qiáng)度。,u=0,靈敏度,黏性土的原狀土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與原土結(jié)構(gòu)完全破壞的重塑土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的比值：,根據(jù)靈敏度將飽和黏性土分類：,低靈敏度土 1St2,中靈敏度土 2 St4,高靈敏度土 St4,適用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定飽和黏性土的不排水強(qiáng)度，尤其適用于均勻的飽和軟黏土。,四、十字板剪切試驗(yàn),M剪切破壞時(shí)的扭矩，kNm。,土的抗剪強(qiáng)度：,土的原位測(cè)試技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)： 1可在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，避免取樣； 2涉及的土體積比室內(nèi)試驗(yàn)樣品大很多； 3可連續(xù)進(jìn)行，可得到完整的土層剖面及物理力學(xué)指標(biāo)； 4具有快速經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn)。