土力學(xué)_第6章(土抗剪強(qiáng)度)

1、1第六第六章章 土的抗剪強(qiáng)度土的抗剪強(qiáng)度2主要內(nèi)容主要內(nèi)容土的剪切強(qiáng)度土的剪切強(qiáng)度剪切強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)試方法剪切強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)試方法工程分析中土的剪切強(qiáng)度的選擇工程分析中土的剪切強(qiáng)度的選擇3u 四大古典材料強(qiáng)度理論四大古典材料強(qiáng)度理論: : 最大拉應(yīng)力最大拉應(yīng)力理論（第一強(qiáng)度理論）理論（第一強(qiáng)度理論） 最大伸長(zhǎng)線應(yīng)變最大伸長(zhǎng)線應(yīng)變理論（第二強(qiáng)度理論）理論（第二強(qiáng)度理論） 最大剪應(yīng)力理論（第三強(qiáng)度理論）最大剪應(yīng)力理論（第三強(qiáng)度理論） 變狀改變比能變狀改變比能理論（第四強(qiáng)度理論）理論（第四強(qiáng)度理論）6.16.1 概概 述述u 應(yīng)力是材料發(fā)生破壞的根本原因應(yīng)力是材料發(fā)生破壞的根本原因u 在應(yīng)力作用在應(yīng)力作用下

2、，材料下，材料發(fā)生破壞的形式主要有兩類(lèi)發(fā)生破壞的形式主要有兩類(lèi)： （1 1）流動(dòng)破壞流動(dòng)破壞；（；（2 2）斷裂破壞斷裂破壞。（。（材料力學(xué)劉鴻文主編，P302）（1）流動(dòng)破壞）流動(dòng)破壞（2）斷裂破壞）斷裂破壞4v土力學(xué)的基本理論之一土力學(xué)的基本理論之一v土體穩(wěn)定問(wèn)題分析的基礎(chǔ)土體穩(wěn)定問(wèn)題分析的基礎(chǔ)v土是由于受剪而產(chǎn)生破壞土是由于受剪而產(chǎn)生破壞v土的強(qiáng)度問(wèn)題實(shí)質(zhì)上就是土的抗剪強(qiáng)度問(wèn)題土的強(qiáng)度問(wèn)題實(shí)質(zhì)上就是土的抗剪強(qiáng)度問(wèn)題 屈服流動(dòng)：土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生弱化，并產(chǎn)生塑性變形。剪切流動(dòng)：土中某點(diǎn)由外力所產(chǎn)生的剪應(yīng)力達(dá)到土的抗剪強(qiáng)抗剪強(qiáng) 度度，土沿著剪應(yīng)力作用方向產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)。土 的 破壞形式土的抗剪強(qiáng)

3、度理論土的滲透破壞土的滲透破壞5土工構(gòu)筑物的穩(wěn)定性（如土壩、邊坡等）與土的強(qiáng)度有關(guān)的工程問(wèn)題：與土的強(qiáng)度有關(guān)的工程問(wèn)題：土壓力問(wèn)題 （擋土墻）地基的承載力問(wèn)題 631y)(31O1應(yīng)變硬化段應(yīng)變軟化段彈性段bacb-理想彈塑性-正常固結(jié)土或松砂-超固結(jié)土或密實(shí)砂土的應(yīng)力土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線應(yīng)變關(guān)系曲線（一種圍壓下的）b點(diǎn)為峰值強(qiáng)度b點(diǎn)過(guò)后為殘余強(qiáng)度，應(yīng)變軟化階段u 土的屈服與破壞過(guò)程6.2 6.2 土的土的抗剪強(qiáng)度和破壞理論抗剪強(qiáng)度和破壞理論7 3 = 100KPa 3 = 200KPa3 = 300KPau 莫爾-庫(kù)侖破壞理論311土的應(yīng)力土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系應(yīng)變關(guān)系曲線曲線土土的破壞理論的

4、破壞理論廣義特萊斯卡（Tresca）理論廣義米塞斯（Von Mises）理論（最大剪應(yīng)力理論）（最大剪應(yīng)力理論）3211131)(2IIfSSff（最大變形能理論）（最大變形能理論）fWE16)()()(231232221最大變形能8法國(guó)軍事工程師在摩擦、電磁方面奠基性的貢獻(xiàn)1773年發(fā)表土壓力方面論文，成為土的經(jīng)典理論。莫爾庫(kù)侖破壞理論庫(kù)侖（C. A. Coulomb）(1736-1806)9庫(kù)侖定律（Coulomb, C. A. 1776年提出的）根據(jù)砂土試驗(yàn)結(jié)果得到：f= tan 對(duì)于粘性土，通過(guò)試驗(yàn)給出的表達(dá)式：f= c+ tan 有效應(yīng)力的表達(dá)式：f=c+tan= c+(u)tan

5、f 土的抗剪強(qiáng)度，kPa；作用在剪切面上的法向應(yīng)力， kPa； 土的內(nèi)摩擦角；c土的粘聚力， kPa；土體破壞時(shí)，破裂面上法向應(yīng)力與抗剪切強(qiáng)度之間滿(mǎn)足： f = f() 庫(kù)侖定律：抗剪強(qiáng)度包線假定為線性關(guān)系 莫爾庫(kù)侖破壞理論10f= tan（砂土）f=c+ tan（粘性土）f=f()試驗(yàn)測(cè)試曲線 B點(diǎn)：臨界破壞狀態(tài) A點(diǎn)：不會(huì)發(fā)生剪切破壞 C點(diǎn)：已發(fā)生破壞（不存在的）f= c+ tan莫爾莫爾-庫(kù)侖破壞包絡(luò)線庫(kù)侖破壞包絡(luò)線f= c+tan11物體內(nèi)一個(gè)點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)物體內(nèi)一個(gè)點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)xyzxxyxzzzyzxyyxzx應(yīng)力分量：xyzyxxyyzzyzxxzMu土土的極限平衡條件的極限平衡條

6、件12土中任意一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)可表示為（平面問(wèn)題，主應(yīng)力）應(yīng)力分量：xxzzzxxzzxo摩爾圓作圖法應(yīng)力狀態(tài)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換zxo3311 （1 ， 3）xzzxxz（x ，xz）（z ，xz）132zxf = c+ tanf = c+ tano圓的半徑？圓的半徑？22314)(2xzzxzx)2(tan211xzxz213 土中任意一點(diǎn)在某一平面上的法向應(yīng)力和剪切應(yīng)力表達(dá)式（主應(yīng)力）：（，）13231o2 A 2cos)(21)(2131312sin)(213114極限平衡狀態(tài)： 土中任意一點(diǎn)在某一平面上的剪應(yīng)力達(dá)到土的抗剪強(qiáng)度。f = c+ tan（破壞判斷準(zhǔn)則）sin1cos2sin1sin13

7、1c判斷式245破壞面不是發(fā)破壞面不是發(fā)生在剪應(yīng)力最生在剪應(yīng)力最大的面上。大的面上。 2cos)(21)(2131312sin)(213131f45/2與大主應(yīng)力面夾角： 15摩爾庫(kù)侖關(guān)于土的抗剪強(qiáng)度理論特點(diǎn)，歸納為： （1） 土的抗剪強(qiáng)度隨剪切面上法向應(yīng)力的大小不同而變化；（2） 摩爾應(yīng)力圓與與抗剪強(qiáng)度曲線相切時(shí)表明土產(chǎn)生了剪切破壞；（3） 主剪切破壞面的法向與最大主應(yīng)力面面的夾角為45/2；（4） 土的抗剪強(qiáng)度與中間主應(yīng)力無(wú)關(guān)； 16例1 地面以下某點(diǎn)的最大主應(yīng)力1=580kPa，最小主應(yīng)力3=190kPa。土的內(nèi)摩擦角=22，粘聚力c=20kPa。（1）繪摩爾應(yīng)力圓；（2）求最大剪應(yīng)力及

8、作用方向；（3）與最小主應(yīng)力作用面成=85斜面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力；（4）判斷該點(diǎn)是否破壞；（5）破壞面與最大主應(yīng)力的夾角。17解： （1）摩爾應(yīng)力圓如圖： 破壞面與最大主應(yīng)力作用面的夾角為：kpa1952190580231max（2）求出最大剪應(yīng)力與方向445418（3 3）與最小主應(yīng)力作用面成）與最小主應(yīng)力作用面成 =85=85 斜面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力斜面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力與小主應(yīng)力作用面夾角：2852cos223131kpa6 .577)8590(2cos2190580219058000kpa5 .30)8590(2sin21905802sin2003113與大主應(yīng)力作用面夾角： 2（90

9、-85）19先假定最小主應(yīng)力3=190kPa 則求出最主應(yīng)力為：假定極限平衡狀態(tài)（相切）（4）判斷該點(diǎn)是否破壞？小于已知值小于已知值580kPa，破壞狀態(tài)??？，破壞狀態(tài)?。恳部上燃俣ㄒ部上燃俣?1 1，計(jì)算破壞時(shí)，計(jì)算破壞時(shí) 3f3f，結(jié)果一樣。，結(jié)果一樣。)245tan(2)245(tan00231Cfkpa477)22245tan(202)22245(tan1900000220（5 5）破壞面與最大主應(yīng)力的夾角為）破壞面與最大主應(yīng)力的夾角為 562224500f216.3 6.3 土的抗剪強(qiáng)度的測(cè)定方法土的抗剪強(qiáng)度的測(cè)定方法（1）直接剪切試驗(yàn)（2）三軸壓縮試驗(yàn)（3）無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)（4）

10、十字板剪切試驗(yàn)室內(nèi)試驗(yàn)室內(nèi)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)22一、一、 直剪試驗(yàn)直剪試驗(yàn) 測(cè)定土的抗剪強(qiáng)度最簡(jiǎn)單的方法測(cè)定土的抗剪強(qiáng)度最簡(jiǎn)單的方法試驗(yàn)儀器：直剪儀試驗(yàn)方式：應(yīng)變控制式；應(yīng)力控制式 23直剪儀24剪切盒：上盒下盒 土樣剪切面TTN頂帽透水石25試驗(yàn)步驟：（1）對(duì)試樣施加某一法向應(yīng)力（2）再施加水平剪切應(yīng)力，將下盒推動(dòng)；（3）測(cè)定剪切位移和剪切應(yīng)力（4）繪制曲線（5）進(jìn)行不同下多個(gè)土樣的試驗(yàn)（6）確定破壞剪應(yīng)力f ，繪制f曲線。26破壞剪應(yīng)力f的確定：（1）峰值時(shí)的剪應(yīng)力作為破壞剪應(yīng)力f 如較為堅(jiān)實(shí)的粘土及密砂如較為堅(jiān)實(shí)的粘土及密砂（2）無(wú)峰值出現(xiàn)時(shí)，取4mm剪變形量的剪應(yīng)力作為f 如軟粘土和

11、松砂如軟粘土和松砂27（1）快剪：強(qiáng)度指標(biāo)用）快剪：強(qiáng)度指標(biāo)用cq、 q表示。表示。 q-quick。水平剪切速度。水平剪切速度0.8mm/s、3-5分鐘完成。分鐘完成。（2）固結(jié)快剪：強(qiáng)度指標(biāo)用）固結(jié)快剪：強(qiáng)度指標(biāo)用ccq、 cq表示。表示。 c-consolidation（3）慢剪（固結(jié)）：強(qiáng)度指標(biāo)用）慢剪（固結(jié)）：強(qiáng)度指標(biāo)用cs、 s表示。表示。s-slow。水平剪切速度。水平剪切速度0.02mm/s。固結(jié)變形小于。固結(jié)變形小于0.005mm。u 按照剪切速度的不同，直剪試驗(yàn)可分為三種情況：按照剪切速度的不同，直剪試驗(yàn)可分為三種情況：28（5）不能?chē)?yán)格控制排水條件，不能量測(cè)孔隙水壓力。剪

12、切過(guò)程優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單、快捷缺點(diǎn)：（1）剪切面限定在上下盒之間，不是沿土樣最薄弱面； （2）剪切面上剪應(yīng)力分布不均勻； （3）上下盒之間的縫隙中易嵌入砂粒，使試驗(yàn)結(jié)果偏大； （4）剪切過(guò)程中，土樣剪切面逐漸縮?。患羟泻蟮拿娣e29二、二、 三軸剪切試驗(yàn)三軸剪切試驗(yàn)u試驗(yàn)儀器：三軸剪力儀（三軸壓縮儀）三軸壓縮試驗(yàn)：較為完善的試驗(yàn)方法u三軸壓縮儀的主要組成：l 主機(jī)：壓力室、軸壓系統(tǒng)l 穩(wěn)壓調(diào)壓系統(tǒng)：壓力泵l 量測(cè)系統(tǒng)：排水管、體變管30三軸壓縮儀31下面重點(diǎn)介紹壓力室32u 壓力室結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖試樣試樣壓力室圍壓力進(jìn)水排水管閥門(mén)軸向加壓桿有機(jī)玻璃罩橡皮套透水石接排水玻璃管或測(cè)孔隙水壓力33 試樣為軸對(duì)稱(chēng)應(yīng)力狀

13、態(tài)。垂試樣為軸對(duì)稱(chēng)應(yīng)力狀態(tài)。垂直應(yīng)力直應(yīng)力 1 1 是大主應(yīng)力；水是大主應(yīng)力；水平向應(yīng)力相等（平向應(yīng)力相等（ 2 2 = = 3 3） 試樣首先施加靜水壓力（圍試樣首先施加靜水壓力（圍壓）壓） 1 1= = 2 2= = 3 3 。 然后通過(guò)活塞桿施加應(yīng)力然后通過(guò)活塞桿施加應(yīng)力差差 （ 1 1- - 3 3 ）。）。 u 土樣應(yīng)力狀態(tài)分析：土樣應(yīng)力狀態(tài)分析：34試驗(yàn)步驟：試驗(yàn)步驟：（1）將土樣切成圓柱體套在橡膠膜內(nèi)，放在壓力室中；（2）施加周?chē)鷫毫?（2=）；（3）施加豎向壓力（偏差應(yīng)力 ）， 使試件受剪破壞。土試樣35（4）破壞時(shí)大主應(yīng)力為1，小主應(yīng)力為3。（5） 進(jìn)行不同圍壓三軸試驗(yàn)，繪制

14、破壞狀態(tài)的應(yīng)力摩爾圓。（6） 畫(huà)出公切線強(qiáng)度包線，得到強(qiáng)度指標(biāo) c與 。 c o36三軸試驗(yàn)的排水條件不同，分三種情況：不固結(jié)不排水試驗(yàn)（不固結(jié)不排水試驗(yàn)（UUUU）：）：關(guān)閉排水閥門(mén)，施加圍壓；施加軸向應(yīng)力（）直至破壞。土中含水量始終保持不變，孔隙水壓力也不能消散（UB,UA）。固結(jié)不排水試驗(yàn)（固結(jié)不排水試驗(yàn)（CUCU）：）：打開(kāi)排水閥門(mén)，施加圍壓充分固結(jié)，超靜孔隙水壓力完全消散；關(guān)閉排水閥門(mén)，施加軸向應(yīng)力（）直至破壞。測(cè)出孔隙水壓，計(jì)算有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo) (UA）。固結(jié)排水試驗(yàn)（固結(jié)排水試驗(yàn)（CDCD） ：打開(kāi)排水閥門(mén)，施加圍壓充分固結(jié)，超靜孔隙水壓力完全消散；排水閥門(mén)繼續(xù)打開(kāi)，施加軸向

15、應(yīng)力（）直至破壞。排出的水為土樣減小體積。測(cè)得的強(qiáng)度指標(biāo)為有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。筏門(mén)37記號(hào)：記號(hào)： 固結(jié)排水試驗(yàn)（CD）： Consolidated Drained Triaxial test (CD) cd d （c， ） 固結(jié)不排水試驗(yàn)（CU）： Consolidated Undrained Triaxial test (CU) ccu cu （c， ） 不固結(jié)不排水試驗(yàn)（UU）： (Unconsolidated ) Undrained Triaxial test (UU) cuu uu （c， ） 剪切前固結(jié)條件剪切中排水條件固結(jié)Consolidated排水Drained1.固結(jié)排水試

16、驗(yàn) （CD）2.固結(jié)不排水試驗(yàn)（CU）固結(jié)Consolidated不排水Undrained不固結(jié)Unconsolidated不排水Undrained3.不固結(jié)不排水試驗(yàn)（UU）三種三軸試驗(yàn)39三軸試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)：q 能夠控制排水條件；q 可以量測(cè)土樣中孔隙水壓力的變化；q 三軸試驗(yàn)中試件的應(yīng)力狀態(tài)比較明確；q 剪切破壞時(shí)的破裂面在試件的最弱處；缺點(diǎn)：q 設(shè)備相對(duì)復(fù)雜，無(wú)法直接進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。三軸試驗(yàn)比較可靠，是土工試驗(yàn)不可缺少的儀器設(shè)備三軸試驗(yàn)比較可靠，是土工試驗(yàn)不可缺少的儀器設(shè)備40三、無(wú)側(cè)限壓縮試驗(yàn)三、無(wú)側(cè)限壓縮試驗(yàn)三軸壓縮試驗(yàn)的特殊情況（3=0），又稱(chēng)單軸試驗(yàn)。試驗(yàn)儀器：無(wú)側(cè)限壓力儀 也可用單

17、軸壓縮儀。 41無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度：破壞時(shí)的軸向壓力（qu）3=0一個(gè)方程可以求出（c， ）？)245tan(20 Cqu42cuqu對(duì)于飽和粘性土： 不固結(jié)不排水條件下，可認(rèn)為u=0，此時(shí)cu=qu/2。2uufqC 故：43四、四、 十字板剪切試驗(yàn)十字板剪切試驗(yàn) 常用的原位測(cè)試方法 無(wú)需鉆孔取得原狀土樣，而使土少受擾動(dòng) 排水條件、受力狀態(tài)與實(shí)際條件接近 特別適用于難于取樣和高靈敏度的飽和軟粘土十字板剪切示意圖 十字板44M2M1vhHD45抗剪強(qiáng)度確定：抗剪強(qiáng)度確定：圓柱體側(cè)面上的抗扭力矩：圓柱體上、下表面上的抗扭力矩：fDDHM)2(1fDDM)342(2246 最大扭矩與抗扭

18、力矩相等： 故可以求出（可以求出（c， ）？）？fDHDMMM)62(3221)3(22DHDMf47正常固結(jié)粘土和超固結(jié)粘土排水剪切過(guò)程中：6.4 6.4 土在剪切過(guò)程中的性狀土在剪切過(guò)程中的性狀軸應(yīng)變?cè)龃螅w積減小，剪縮軸應(yīng)變?cè)龃?，體積增大，剪脹48粘性土殘余強(qiáng)度、靈敏度和觸變性飽和粘性土靈敏度的定義：在含水量不變的條件下，原狀土不排水強(qiáng)度與 徹底擾動(dòng)后的土（重塑土）的不排水強(qiáng)度之比。根據(jù)靈敏度將粘性土分成六大類(lèi)。49粘性土觸變性的定義：在含水量不變的條件下，土經(jīng)擾動(dòng)后強(qiáng)度下降， 靜置一段時(shí)間，強(qiáng)度會(huì)隨時(shí)間回復(fù)的現(xiàn)象。強(qiáng)度再生50（1） 三軸試驗(yàn)指標(biāo)與直剪試驗(yàn)指標(biāo) 根據(jù)實(shí)際工程問(wèn)題確定 重

19、大工程要求三軸試驗(yàn)指標(biāo)6.5 實(shí)際工程中土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的選擇51（2） 峰值強(qiáng)度指標(biāo)還是殘余強(qiáng)度指標(biāo)？ 一般問(wèn)題峰值強(qiáng)度 滑坡：殘余強(qiáng)度52（3）有效應(yīng)力指標(biāo)還是總應(yīng)力指標(biāo)？無(wú)超靜孔壓時(shí)，用總應(yīng)力指標(biāo)可確定超靜孔壓時(shí)，用有效應(yīng)力指標(biāo)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(wú)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，應(yīng)用時(shí)要符合工程條件強(qiáng)度指標(biāo)抗剪強(qiáng)度簡(jiǎn)單評(píng)價(jià) 兩種強(qiáng)度指標(biāo)的比較531()p(p)quKfKfffu245松砂及正常固結(jié)粘土(CU)強(qiáng)度包線與破壞主應(yīng)力線有效應(yīng)力指標(biāo)還是總應(yīng)