土体破坏与强度理论培训讲义PPT95页

27
§5.2 抗剪强度测定试验 一、三轴试验 1、试样应力特点与试验方法 2、强度包线 3、试验类型 4、试验条件与现场条件对应关系 有机玻璃罩
橡皮膜 压力水
轴向加压杆
顶帽
压力室
试
样
透水石
排水管 阀门
量测体变或孔压
28
§5.2 抗剪强度测定试验 一、三轴试验
1、试样应力特点与试验方法
特点：
试样处于轴对称应力状态。竖向应力z一般 是大主应力；径向与周向应力总是相等r=， 亦即1=z；2=3=r=const
§5.1 土体破坏与强度理论 §5.2 抗剪强度测定试验 §5.3 应力路径与破坏主应力线 §5.4 抗剪强度指标
1
§5.1 土体破坏与强度理论
一、土的强度特点 二、土的强度机理 三、莫尔-库仑强度理论
2
§5.1 土体破坏与强度理论
一、土的强度特点
材料的强度是材料抵抗外荷载的能力， 其数值等于作用在其上的极限应力。
z 1
大主应力： 1 p r
σz按顺时针方向旋转α
小主应力: 3 p r
σx按顺时针方向旋转α
圆心： p ( x z ) / 2
半径：
r
(
x
z
)
/
2 2
2 xz
莫 尔 圆：代表一个单元的应力状态； 圆上一点：代表一个面上的一对应力与
p ( 1 3 ) / 2
q ( 1 3 ) / 2 r
❖ 绘制各围压下破坏状态的应力莫尔 圆，画出它们的公切线—强度包线， 得到强度指标 c 与
寻找破坏偏差应力(σ1-σ3)f的方法
❖ 取峰值对应的偏差应力
❖ 规定的轴向应变值（通常取
c
15%）对应的偏差应力
❖ 最大有效主应力比(σ1′/σ3′)max 处的偏差应力
1 =15% 1
强度包线
(1-)f (1-)f
1. 直剪试验
σ = 300kPa
f ：土的抗剪强度 tan：摩擦强度－与成正比
c：粘聚强度－粘聚力
σ = 200kPa
σ = 100kPa S
抗剪强度指标 材料特性参数
库仑公式： 材料特性曲线
库仑公式
f c tan
c： 粘聚力 c
：内摩擦角 O
5
§5.1 土体破坏与强度理论 三、土的强度机理
18
§5.1 土体破坏与强度理论 三、莫尔-库仑强度理论 3. 莫尔—库仑强度理论
（1）土单元的某一个平面上的抗剪强度f 是该面上作用的法 向应力 的单值函数, f =f() （莫尔：1900年）
（2）在一定的应力范围内，可以用线性函数近似(库仑公式)：
f = c +tan
（3）某土单元的任一个平面上 = f ，该单元就达到了极限平
衡应力状态
19
§5.1 土体破坏与强度理论 三、莫尔-库仑强度理论 3. 莫尔—库仑强度理论
莫尔-库仑强度理论－用主应力表示的极限平衡条件
1 3
sin
1 3
2 c ctg
1
1 3 3 2c ctg
2
1 3
2
f c tan
c
O
3
1
c ctg 1 3
2
20
§5.1 土体破坏与强度理论 三、莫尔-库仑强度理论 3. 莫尔—库仑强度理论
σ3<σ3f 不可能状态
1
3f
1
tan
2
45
2
2
c
tan
4
5
2
24
§5.1 土体破坏与强度理论 四、莫尔-库仑强度理论 5. 滑裂面的位置
破坏面与大主应力作用面夹角：
α=45 + /2
45°＋/2
1f 3
破坏面为什么不在最大 剪应力作用面上？
c
O
3
破裂面
f c tan
2 90
35
§5.2 抗剪强度测定试验 二、直剪试验
三轴试验与直剪试验优缺点比较
三轴试验
直剪试验
1、应力状态及其变化明确 优点 2、排水条件清楚，可控制
3、破坏面非人为固定
1、设备简单，操作方便 2、结果便于整理 3、测试时间短
缺点
1、设备较复杂，现场难以试验 2、有时测试时间长
1、试样应力状态复杂 2、应变不均匀 3、不易控制排水条件 4、剪切面固定
莫尔-库仑强度理论－用主应力表示的极限平衡条件
1
3
tan 2
45
2
2c
tan
45
2
3
1
tan 2
45
2
2c
tan
45
2
1 3
2
f c tan
c
O
3
1
c ctg 1 3
21
2
10D2
22
§5.1 土体破坏与强度理论
三、莫尔-库仑强度理论
4. 破坏判断方法
借助于莫尔圆 !
11
§5.1 土体破坏与强度理论 四、莫尔-库仑强度理论 1. 应力状态与莫尔圆
三维应力状态 z
zx
xy y yz
二维应力状态
zx
x
z
x
xz
ij =
x xy xz yx y yz
zx zy z
x xz
ij= zx z
12
§5.1 土体破坏与强度理论 三、莫尔-库仑强度理论 1. 应力状态与莫尔圆
由于无黏性土在无侧限条件下难以 成型，故该试验主要用于黏性土， 尤其适用于原状饱和软黏土。属于 不固结不排水剪的一种。
32
§5.2 抗剪强度测定试验 一、三轴试验
4、试验条件与现场条件的对应关系
以验算软粘土地基稳定性为例： 事前取土样，模拟施工条件进行试验求 取参数，验算施工过程中地基的稳定性 强度试验： 关键是合理模拟施工过程中土体排 水条件及应力状态的变化
2
2 1f
25
§5.1 土体破坏与强度理论 §5.2 抗剪强度测定试验 §5.3 应力路径与破坏主应力线 §5.4 抗剪强度指标
26
§5.2 抗剪强度测定试验
室内试验 野外试验
三轴试验、直剪试验等 制样：重塑土或现场取样 缺点：扰动 优点：应力条件清楚，易重复
十字板扭剪试验、旁压试验等 试样：原位 缺点：应力条件不易掌握 优点：原状土的原位强度
36
05A43 答案BC 03A11 答案B
37
§5.2 抗剪强度测定试验 三、十字板剪切试验
❖ 一般适用于测定软粘土的不 排水强度指标；
❖ 钻孔到指定的土层，插入十 字形的探头；
❖ 施加扭矩至土体破坏，据此 计算土的抗剪强度
38
§5.2 抗剪强度测定试验 三、十字板剪切试验
M max M1 M 2
--
+
--
9
§5.1 土体破坏与强度理论 三、莫尔-库仑强度理论
1. 应力状态与莫尔圆 2. 极限平衡应力状态 3. 莫尔-库仑强度理论 4. 破坏判断方法 5. 滑裂面的位置
10
§5.1 土体破坏与强度理论 三、莫尔-库仑强度理论
P
A
库仑公式
S
T
f c tan
固定滑裂面
一般应力状态，如何判断是否破坏？
1. 碎散性：强度不是颗粒矿物本身的强度，而是与颗粒 间相 互作用力有关—主要是抗剪强度（剪 切破坏），包括粘聚 强度与摩擦强度；
2. 三相体系：三相承受与传递荷载—有效应力原理；
3. 天然性：土的地质历史造成土强度强烈的多变性、结 构性 和各向异性。
土的抗剪强度，首先决定于它本身的基本性质，那就是土的 组成、土的状态和土的结构，这些性质又与它形成的环境和 应力历史等因素有关；其次还决定于它当前所受的应力状态。
在其它条件相同时：
一般，对于粗粒土，颗粒的棱角可提高内摩擦角
• 密度（e,
8
§5.1 土体破坏与强度理论 三、土的强度机理 3、粘聚强度
粘聚强度机理
静电引力（库仑力） 范德华力 颗粒间胶结 假粘聚力（毛细力等）
粘聚强度影响因素
地质历史 粘土颗粒矿物成分 密度 离子价与离子浓度
14
04A5 答案C
15
§5.1 土体破坏与强度理论
三、莫尔-库仑强度理论 1. 应力状态与莫尔圆
f
c
c
三轴试验结果
f
与的组合满足库仑 公式才破坏
16
§5.1 土体破坏与强度理论
三、莫尔-库仑强度理论 2. 极限平衡应力状态
极限平衡应力状态：
有剪切面上的应力状态达到 = f
土的强度包线：
判别对象：土体微小单元（一点）
3= 常数：
已知条件：一般应力状态、抗剪强度指标
1,3
x
z 2
x
2
z
2
2 xz
根据应力状态计算出 大小主应力σ1、σ3
σ1<σ1f 安全状态 σ1=σ1f 极限平衡状态 σ1>σ1f 不可能状态
由σ3计算σ1f 比较σ1与σ1f
1f
3
tan
2
45
2
2c
tan
方法：
首先试样施加静水压力—室压（围压） 1=2=3=const； 然后通过活塞杆施加的是应力差
Δ1= 1-3 。
3
1 3 3
3
29
§5.2 抗剪强度测定试验
一、三轴试验 2、强度包线
1- 3
❖ 做一系列不同围压的三轴试验，求 取破坏时相应的（1-)f（一般3~5个 围压，根据实际工程的应力范围取值）
须抬起，跨越相邻颗粒B，或在尖角处被剪 断（C），才能移动 土体中的颗粒重新排列，也会消耗能量
7
§5.1 土体破坏与强度理论
三、土的强度机理 2. 摩擦强度 tan
影响土的摩擦强度的主要因素：
• 粒径级配（d50, Cu, Cc） • 颗粒的矿物成分
对于：砂土>粘性土；
高岭石>伊里石>蒙特石 • 颗粒的形状（颗粒的棱角与长宽比）
M1
D/2
2
0
fh
2r
rdr
D3
6
fh
M2
DH
D 2
fv
fh fv f 时：
M1
M max M1 M 2
D3
6
f
D2H
2
f M2
H
f
M max
30
§5.2 抗剪强度测定试验 一、三轴试验 3、试验类型
❖ 固结排水试验（CD试验） cd 、d 1 打开排水阀门，施加围压后充分固结，
超静孔隙水压力完全消散； 2 打开排水阀门，慢慢施加轴向应力差
以便充分排水，避免产生超静孔压
❖ 固结不排水试验（CU试验） ccu 、cu 1 打开排水阀门，施加围压后充分固结，超静孔隙水压力完全消散；
莫尔圆应力分析符号规定
- zx
z
+
材料力学
xzx
正应力
拉为正 压为负
土力学
- zx
z
+
xzx
压为正 拉为负
剪应力 顺时针为正 逆时针为负
逆时针为正 顺时针为负
13
§5.1 土体破坏与强度理论
三、莫尔-库仑强度理论 1. 应力状态与莫尔圆
+zx z
(+)zx
- 1
x
xz
O
(-)xz
r
3 x
p
2
4
5
2
判断破坏可能性
c
O
3
1 1f 1
23
§5.1 土体破坏与强度理论 三、莫尔-库仑强度理论 4. 破坏判断方法
1= 常数：
1,3
x
z 2
x
2
z
2
2 xz
根据应力状态计算出 大小主应力σ1、σ3
c O 3 3f 3
判断破坏可能性
由σ1计算σ3f 比较σ3与σ3f
σ3>σ3f 安全状态 σ3=σ3f 极限平衡状态
二、直剪试验
1、试验条件
通过控制剪切速率来近似模拟排水 条件：仅适用于粘性土
(1) 固结慢剪
P
• 施加正应力，充分固结
• 慢慢施加剪应力-小于0.02mm/分，
以保证无超静孔压
A
(2) 固结快剪
• 施加正应力-充分固结 S • 在3-5分钟内剪切破坏
T (3) 快剪
• 施加正应力后
• 立即剪切，3-5分钟内剪切破坏
2、摩擦强度 tan
（1）滑动摩擦
N
T
滑动摩擦
滑动时：T= Ntanφu
由颗粒之间发生滑动时颗粒接触面 粗糙不平所引起，与颗粒大小、矿物 组成等因素有关
6
§5.1 土体破坏与强度理论
三、土的强度机理 2. 摩擦强度 tan
（2）咬合摩擦
AC B
剪切面
AC B
是指相邻颗粒对于相对移动的约束作用 当发生剪切破坏时，相互咬合着的颗粒A必
2 关闭排水阀门，很快剪切破坏，在施加轴向应力差过程中不排水
❖ 不固结不排水试验（UU试验） cu 、u 1 基于某初始状态。关闭排水阀门，围压下不固结；
2 关闭排水阀门，很快剪切破坏，在施加轴向应力差过程中不排水
31
§5.2 抗剪强度测定试验 一、三轴试验 3、试验类型
3＝0 即为无侧限抗压强度试验
3
§5.1 土体破坏与强度理论
二、土的强度机理
1、直剪试验（库仑 1776）
试验方法
施加：正应力σ（=P/A）
施加：水平位移 S
量测：剪应力 （=T/A）
P
上盒 下盒
A
S T
σ = 300kPa σ = 200kPa σ = 100kPa
S
4
§结果
所有达到极限平衡状态的莫尔圆的公切线。
f
17
§5.1 土体破坏与强度理论 三、莫尔-库仑强度理论 2. 极限平衡应力状态
f
•强度包线以内：任何一个 面上的一对应力与都没有
达到破坏包线，不破坏；
•与破坏包线相切：与切点
相应的面上的应力达到破坏
状态；
•与破坏包线相交：有一些 平面上的应力超过强度；不 可能发生。
固结排水试验
固结不排水试验
2 1
在1层固结后，快速施工2层
不固结不排水试验
粘土地基上的分层慢速填方
软土地基上的快速填方
33
§5.2 抗剪强度测定试验
二、 直剪试验
1、试验条件
P
A
S
T
问题：
c
如何反映现场排水条件？
O
σ = 300kPa σ = 200kPa σ = 100kPa
S
34
§5.2 抗剪强度测定试验