土力学第五章土的抗剪强度精.ppt

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1、土力学第五章土的抗剪强度土力学第五章土的抗剪强度第1页，本讲稿共73页n n概述概述n n土的库仑定律土的库仑定律n n土的莫尔库仑强度理论土的莫尔库仑强度理论n n土的抗剪强度指标的测定土的抗剪强度指标的测定主要内容主要内容 第2页，本讲稿共73页本本 章章 要要 点点 牢固掌握库仑公式和莫尔库仑强度理论；掌握土的抗剪强度指标的测定方法；明确不同固结和排水条件下的抗剪强度指标 的意义及其应用。第3页，本讲稿共73页概概 述述n n土土的的破破坏坏主主要要是是由由于于剪剪切切引引起起的的，剪剪切切破破坏坏是是土土体体破破坏坏的的重重要特点。要特点。n n工工程程时时间间中中与与土土的的抗抗剪剪

2、强强度度有有关关的工程主要有以下的工程主要有以下3 3类类 (1)(1)土质土坝的稳定土质土坝的稳定 (2)(2)土压力土压力 (3)(3)地基的承载力问题地基的承载力问题第4页，本讲稿共73页工程实例土坡稳定工程实例土坡稳定第5页，本讲稿共73页工程实例土压力工程实例土压力第6页，本讲稿共73页第7页，本讲稿共73页第8页，本讲稿共73页第9页，本讲稿共73页第10页，本讲稿共73页工程实例地基承载力问题工程实例地基承载力问题第11页，本讲稿共73页工程实例地基承载力问题工程实例地基承载力问题加拿大特朗斯康谷仓第12页，本讲稿共73页概概 述述n n抗剪强度：土体抵抗剪切破坏的极限能力。抗剪

3、强度：土体抵抗剪切破坏的极限能力。n n破坏准则：土体达到破坏状态时的应力组合破坏准则：土体达到破坏状态时的应力组合 称为破坏准则。称为破坏准则。第13页，本讲稿共73页思思 考考 固体之间的摩擦力与土的抗剪强度是否会有一定联系？第14页，本讲稿共73页土的库仑定土的库仑定律律 固体间的摩擦力直接取决于接触面上的法向力和接触材料的摩擦角固体间的摩擦力直接取决于接触面上的法向力和接触材料的摩擦角第15页，本讲稿共73页直接剪切试验直接剪切试验第16页，本讲稿共73页库仑定律库仑定律 f砂土f粘性土c第17页，本讲稿共73页c,-有效抗剪强度指标c,-总应力抗剪强度指标第18页，本讲稿共73页土的

4、抗剪强度来源土的抗剪强度来源摩擦强度粘聚强度CABCAB剪切面剪切面-+第19页，本讲稿共73页摩擦强度影响因素摩擦强度影响因素摩擦强度影响因素摩擦强度影响因素n n密密密密 度度度度n n粒径级配粒径级配粒径级配粒径级配n n颗粒形状颗粒形状颗粒形状颗粒形状n n矿物成分矿物成分矿物成分矿物成分n n地质历史地质历史地质历史地质历史n n粘土颗粒矿物成分粘土颗粒矿物成分粘土颗粒矿物成分粘土颗粒矿物成分n n密度密度密度密度n n离子价与离子浓度离子价与离子浓度离子价与离子浓度离子价与离子浓度粘聚强度影响因素粘聚强度影响因素第20页，本讲稿共73页思思 考考剪切破坏面的位置？剪切破坏面上满足什

5、么应力条件？第21页，本讲稿共73页第22页，本讲稿共73页 ff 破坏状态破坏状态破坏状态破坏状态莫尔强度理论莫尔强度理论第23页，本讲稿共73页莫尔应力圆莫尔应力圆第24页，本讲稿共73页莫尔应力圆莫尔应力圆 (1-3)/2o(1+3)/2 第25页，本讲稿共73页 ff 破坏状态破坏状态破坏状态破坏状态土的莫尔库仑强度理论土的莫尔库仑强度理论第26页，本讲稿共73页土的莫尔库仑强度理论土的莫尔库仑强度理论ABDO =f极限平衡状态极限平衡状态极限应力圆极限应力圆破坏应力圆破坏应力圆第27页，本讲稿共73页土的极限平衡条件土的极限平衡条件 土体处于极限平衡状态时的应力组合及强度土体处于极限

6、平衡状态时的应力组合及强度指标之间的数学表达式称为指标之间的数学表达式称为极限平衡条件极限平衡条件。莫尔库仑破坏准则莫尔库仑破坏准则第28页，本讲稿共73页土的极限平衡条件土的极限平衡条件第29页，本讲稿共73页土的极限平衡条件土的极限平衡条件第30页，本讲稿共73页土的极限平衡条件土的极限平衡条件第31页，本讲稿共73页【例例例例题题题题】已已已已知知知知某某某某土土土土体体体体单单单单元元元元的的的的大大大大主主主主应应应应力力力力 11200kPa200kPa，小小小小主主主主应应应应力力力力 3350kPa50kPa。通通通通过过过过试试试试验验验验测测测测得得得得土土土土的的的的抗抗

7、抗抗剪剪剪剪强强强强度度度度指指指指标标标标 3030，问问问问该该该该单单单单元元元元土体处于什么状态？土体处于什么状态？土体处于什么状态？土体处于什么状态？（方法（方法（方法（方法1:1:方法方法方法方法2:2:方法方法方法方法3:3:）第32页，本讲稿共73页拓拓 展展 思思 考考 莫尔库仑强度理论存在的问题第33页，本讲稿共73页第34页，本讲稿共73页5.4 土的抗剪强度指标的测定土的抗剪强度指标的测定 直接剪切试验 三轴压缩试验 无侧限抗压强度试验 十字板剪切试验第35页，本讲稿共73页直接剪切试验直接剪切试验第36页，本讲稿共73页直接剪切试验直接剪切试验第37页，本讲稿共73页

8、直接剪切试验直接剪切试验第38页，本讲稿共73页直接剪切试验直接剪切试验第39页，本讲稿共73页直接剪切试验直接剪切试验第40页，本讲稿共73页直接剪切试验直接剪切试验第41页，本讲稿共73页直接剪切试验直接剪切试验第42页，本讲稿共73页直接剪切试验直接剪切试验第43页，本讲稿共73页直接剪切试验直接剪切试验n n在在在在直直直直剪剪剪剪试试试试验验验验过过过过程程程程中中中中，不不不不能能能能量量量量测测测测孔孔孔孔隙隙隙隙水水水水应应应应力力力力，也也也也不不不不能能能能控控控控制制制制排排排排水水水水，所所所所以以以以只只只只能能能能以以以以总总总总应应应应力力力力法法法法来来来来表表

9、表表示示示示土土土土的的的的抗抗抗抗剪剪剪剪强强强强度度度度。但但但但是是是是为为为为了了了了考考考考虑虑虑虑固固固固结结结结程程程程度度度度和和和和排排排排水水水水条条条条件件件件对对对对抗抗抗抗剪剪剪剪强强强强度度度度的的的的影影影影响响响响，根根根根据据据据加加加加荷荷荷荷速速速速率率率率的的的的快快快快慢慢慢慢可可可可将之间试验划分为将之间试验划分为将之间试验划分为将之间试验划分为 快剪快剪快剪快剪 固结快剪固结快剪固结快剪固结快剪 慢剪慢剪慢剪慢剪第44页，本讲稿共73页直接剪切试验直接剪切试验慢剪快剪固结快剪第45页，本讲稿共73页直接剪切试验的优缺点直接剪切试验的优缺点 直剪试验

10、的缺点直剪试验的缺点直剪试验的缺点直剪试验的缺点n n剪切破坏面固定为上下盒之间的水平面；剪切破坏面固定为上下盒之间的水平面；剪切破坏面固定为上下盒之间的水平面；剪切破坏面固定为上下盒之间的水平面；n n试验中试验的排水程度靠试验速度的快慢控制；试验中试验的排水程度靠试验速度的快慢控制；试验中试验的排水程度靠试验速度的快慢控制；试验中试验的排水程度靠试验速度的快慢控制；n n由由由由于于于于上上上上下下下下土土土土盒盒盒盒的的的的错错错错动动动动，剪剪剪剪切切切切过过过过程程程程中中中中试试试试样样样样的的的的有有有有效效效效面面面面积积积积减减减减小小小小，使使使使试试试试样样样样中中中中的

11、的的的应应应应力力力力分分分分布布布布不不不不均均均均匀匀匀匀，主主主主应应应应力力力力方方方方向向向向发发发发生生生生变变变变化化化化，当当当当剪剪剪剪切切切切变变变变形形形形较较较较大大大大时时时时这这这这一一一一缺缺缺缺陷陷陷陷表表表表现现现现更更更更为突出。为突出。为突出。为突出。第46页，本讲稿共73页三轴压缩试验三轴压缩试验n n三三轴轴压压缩缩试试验验直直接接量量测测的的是是试试样样在在不不同同恒恒定定周周围围压压力力下下的的抗抗压压强强度度，然然后后利利用用莫莫尔尔库库仑仑破破坏坏理理论间接推求土的抗剪强度。论间接推求土的抗剪强度。第47页，本讲稿共73页三轴压缩试验三轴压缩试

12、验第48页，本讲稿共73页三轴压缩试验三轴压缩试验第49页，本讲稿共73页三轴压缩试验三轴压缩试验第50页，本讲稿共73页第51页，本讲稿共73页三轴压缩试验三轴压缩试验n n三三三三轴轴轴轴试试试试验验验验根根根根据据据据试试试试样样样样的的的的固固固固结结结结和和和和排排排排水水水水条条条条件件件件不不不不同同同同，可可可可分分分分为为为为不不不不固固固固结结结结不不不不排排排排水水水水剪剪剪剪（UUUU）、固固固固结结结结不不不不排排排排水水水水剪剪剪剪（CUCU）、固固固固结结结结排排排排水水水水剪剪剪剪（CDCD）。分分分分别别别别对对对对应应应应于于于于直直直直剪剪剪剪试验的快剪、

13、固结快剪、和慢剪试验。试验的快剪、固结快剪、和慢剪试验。试验的快剪、固结快剪、和慢剪试验。试验的快剪、固结快剪、和慢剪试验。第52页，本讲稿共73页 将总应力圆在水平轴上左移将总应力圆在水平轴上左移u uf f得到相应的有效应力圆，按得到相应的有效应力圆，按有效应力圆强度包线可确定有效应力圆强度包线可确定c 、j j ccuc j jcucuj j 饱和粘性土在三组饱和粘性土在三组 3 3下进行固结不排水剪试验得到下进行固结不排水剪试验得到A、B、C三个不三个不同同 3 3作用下破坏时的总应力圆，由总应力圆强度包线确定固结不排作用下破坏时的总应力圆，由总应力圆强度包线确定固结不排水剪总应力强度

14、指标水剪总应力强度指标ccu、j j cuABC（1）固结不排水剪（）固结不排水剪（CU）（2 2）固固结结不不排排水水剪剪的的剪剪切切试试验验结结果果n n不同试验方法的剪切试验结果不同试验方法的剪切试验结果第53页，本讲稿共73页有效应力圆有效应力圆总应力圆总应力圆j ju u=0=0BCcu uAA 3A 1A 饱和粘性土在三组饱和粘性土在三组 3 3下的不排水剪试验得到下的不排水剪试验得到A、B、C三个不同三个不同 3 3作用下破坏时的总应力圆。作用下破坏时的总应力圆。试验表明：三个试样的周围压力试验表明：三个试样的周围压力 3 3不同，但破坏时的主应力差相等，不同，但破坏时的主应力差

15、相等，三个极限应力圆的直径相等，因而强度包线是一条水平线。三个极限应力圆的直径相等，因而强度包线是一条水平线。三个试样只能得到一个有效应力圆三个试样只能得到一个有效应力圆。（2）不固结不排水剪（）不固结不排水剪（UU）第54页，本讲稿共73页 在整个排水剪试验过程中，在整个排水剪试验过程中，uf 0 0，总应力全部转化为有效应力，所，总应力全部转化为有效应力，所以总应力圆即是有效应力圆，总应力强度线即是有效应力强度线。强度以总应力圆即是有效应力圆，总应力强度线即是有效应力强度线。强度指标为指标为cd、j jd d cdj jd d总结总结:对于同一种土，在不同的排水条件下进行试验，总应力强度指

16、标完对于同一种土，在不同的排水条件下进行试验，总应力强度指标完全不同。全不同。有效应力强度指标不随试验方法的改变而不同，抗剪强度与有效应力有唯有效应力强度指标不随试验方法的改变而不同，抗剪强度与有效应力有唯一的对应关系。一的对应关系。（3）固结排水剪（）固结排水剪（CD）（3 3）固固结结排排水水剪剪的的剪剪切切试试验验结结果果第55页，本讲稿共73页 土的抗剪强度指标随试验方法、排水条件的不同而异，对于具体工土的抗剪强度指标随试验方法、排水条件的不同而异，对于具体工程问题，应该尽可能根据现场条件决定采用实验室的试验方法，以获得程问题，应该尽可能根据现场条件决定采用实验室的试验方法，以获得合适

17、的抗剪强度指标。合适的抗剪强度指标。试验方法试验方法适用条件适用条件UU试验试验地地基基土土的的透透水水性性差差的的饱饱和和粘粘性性土土或或排排水水不不良良，且且建建筑筑物物施工速度较快。常用于施工期的强度与稳定验算。施工速度较快。常用于施工期的强度与稳定验算。CD试验试验地地基基土土的的透透水水性性好好，排排水水条条件件良良好好，而而建建筑筑物物施施工工速速度度又较慢。又较慢。CU试验试验建建筑筑物物竣竣工工后后较较长长时时间间，突突遇遇荷荷载载增增大大，如如房房屋屋加加层层、天然土坡上堆载等。天然土坡上堆载等。第56页，本讲稿共73页【解答】解答】已知已知 1=450kPa=450kPa，

18、3=150kPa=150kPa，c=20kPa=20kPa，j j =26=26o o 方法方法1 1：计算结果表明：计算结果表明：1f接近该单元土体实际大主应力接近该单元土体实际大主应力 1，所以，所以，该单元土体处于极限平衡状态。该单元土体处于极限平衡状态。问题问题解答：解答：n n【例【例1 1】地基中某一单元土体上的大主应力为地基中某一单元土体上的大主应力为地基中某一单元土体上的大主应力为地基中某一单元土体上的大主应力为450kPa450kPa450kPa450kPa，小主应力为，小主应力为，小主应力为，小主应力为150kPa150kPa150kPa150kPa。通。通。通。通过试验测

19、得土的抗剪强度指标过试验测得土的抗剪强度指标过试验测得土的抗剪强度指标过试验测得土的抗剪强度指标c c c c=20kPa=20kPa=20kPa=20kPa，j j j j =26=26=26=26o o o o。试问。试问。试问。试问该单元土体处于该单元土体处于该单元土体处于该单元土体处于何种状态？何种状态？何种状态？何种状态？单元土体最大剪应力出现在哪个面上，是否会沿剪应单元土体最大剪应力出现在哪个面上，是否会沿剪应单元土体最大剪应力出现在哪个面上，是否会沿剪应单元土体最大剪应力出现在哪个面上，是否会沿剪应力最大的面发生剪破？力最大的面发生剪破？力最大的面发生剪破？力最大的面发生剪破？例

20、题分析例题分析第57页，本讲稿共73页 计算结果表明：计算结果表明：3f接近该单元土体实际小主应力接近该单元土体实际小主应力 3，该单元土，该单元土体处于极限平衡状态体处于极限平衡状态 。在剪切面上在剪切面上 库仑定律库仑定律 由于由于f ，所以，该单元土体处于极限平衡状态，所以，该单元土体处于极限平衡状态 方法方法2 2：第58页，本讲稿共73页方法方法3 3：作图法作图法 j jc 1 1f 3f实际应力圆实际应力圆极限应力圆极限应力圆最大剪应力与主应力作用面成最大剪应力与主应力作用面成4545o o最大剪应力面上的法向应力最大剪应力面上的法向应力库仑定律库仑定律 最大剪应力面上最大剪应力

21、面上0 f f cu2.2.固结不排水试验固结不排水试验第64页，本讲稿共73页 u=0,cu,并且有效应力莫尔圆是唯一的并且有效应力莫尔圆是唯一的思考题：可否由不排水试验确定有效应力强度指标？cu3.3.不固结不排水试验不固结不排水试验Cu依赖于初始状态第65页，本讲稿共73页试验条件与现场条件试验条件与现场条件的对应关系的对应关系粘土地基上的分层慢粘土地基上的分层慢速填方速填方 在在1层固结后，快速施工层固结后，快速施工2层层12软土地基上的快速填方软土地基上的快速填方固结排水试验固结排水试验固结不排水试验固结不排水试验不固结不排水试验不固结不排水试验第66页，本讲稿共73页优点：1 应力

22、状态和应力路径明确；应力状态和应力路径明确；2 排水条件清楚，可控制；排水条件清楚，可控制；3 破坏面不是人为固定的破坏面不是人为固定的缺点：设备相对复杂，现场难以试验设备相对复杂，现场难以试验优点和缺点优点和缺点真三轴仪真三轴仪空心圆柱扭剪仪空心圆柱扭剪仪第67页，本讲稿共73页无侧限抗压强度试验无侧限抗压强度试验n n三三轴轴压压缩缩试试验验当当周周围围压压力力为为零零时时即即为为无无侧侧限限试试验验条条件件，此此时时只有轴向压力，所以也称单轴压缩试验。只有轴向压力，所以也称单轴压缩试验。n n由由于于试试样样的的侧侧向向力力为为零零，在在轴轴向向受受压压时时，其其侧侧向向变变形形不不受受

23、限限制制，故又称无侧限压缩试验。故又称无侧限压缩试验。n n由由于于试试样样是是在在轴轴向向压压缩缩的的条条件件下下破破坏坏的的，因因此此把把这这种种情情况况下下土土能承受的最大轴向压力称为无侧限抗压强度，以能承受的最大轴向压力称为无侧限抗压强度，以q qu u表示表示第68页，本讲稿共73页无侧限抗压强度试验无侧限抗压强度试验第69页，本讲稿共73页无侧限抗压强度试验无侧限抗压强度试验极限应力圆不排水强度第70页，本讲稿共73页原位十字板剪切试验原位十字板剪切试验n n原原原原位位位位十十十十字字字字板板板板剪剪剪剪切切切切试试试试验验验验是是是是一一一一种种种种利利利利用用用用十十十十字字

24、字字板板板板剪剪剪剪切切切切仪仪仪仪在在在在现现现现场场场场测测测测定定定定土土土土的的的的抗抗抗抗剪剪剪剪强强强强度度度度的的的的方方方方法法法法。这这这这种种种种方方方方法法法法适适适适用用用用于于于于在在在在现现现现场场场场测测测测定定定定饱饱饱饱和和和和粘粘粘粘性性性性土土土土的的的的原原原原位位位位不不不不排排排排水水水水强强强强度度度度，特特特特别别别别适适适适用用用用于于于于均匀的饱和软粘土。均匀的饱和软粘土。均匀的饱和软粘土。均匀的饱和软粘土。第71页，本讲稿共73页原位十字板剪切试验原位十字板剪切试验第72页，本讲稿共73页原位十字板剪切试验原位十字板剪切试验第73页，本讲稿共73页