土的抗剪强度与地基承载力.ppt

地基与基础工程 Soil Mechanics and Foundation Engineering,土的抗剪强度 与地基承载力,§4.1 概述 §4.2 土的抗剪强度 §4.3 土的抗剪强度试验方法 §4.4 地基承载力,第四章,,4.1概述,土的抗剪强度：是指土体对于外力作用下，土体内部产生剪应力时，土对剪切破坏的极限抵抗能力主要应用于地基承载力的计算和地基稳定性的分析、边坡稳定性分析、档土墙及地下结构物上的土压力计算等 变形破坏 沉降、位移、不均匀沉降等超过规定限值(已学) 地基破坏 强度破坏 地基整体或局部滑移、隆起， 土工构筑物失稳、 滑坡,,,,土体强度破坏的机理： 在外荷载作用下，土体中将产生剪应力和剪切变形，当土中某点由外力所产生的剪应力达到土的抗剪强度时，土就沿着剪应力作用方向产生相对滑动，该点便发生剪切破坏4.1 概述,,工程背景 1. 建筑物地基承载力问题 基础下的地基土体产生整体滑动或因局部剪切破坏而导致过大的地基变形甚至倾覆1.建筑物地基承载力问题(图1),,建筑物地基承载力问题(图2),,建筑物地基承载力问题(图4),,2. 构筑物环境的安全性问题即土压力问题 挡土墙、基坑等工程中，墙后土体强度破坏将造成过大的侧向土压力，导致墙体滑动、倾覆或支护结构破坏事故 。

2.构筑物环境的安全性问题即土压力问题,,3.土工构筑物的稳定性问题,3. 土工构筑物的稳定性问题 土坝、路堤等填方边坡以及天然土坡等，在超载、渗流乃至暴雨作用下引起土体强度破坏后将产生整体失稳边坡滑坡等事故2006年3月27日下午4时45分，太原到旧关高速公路寿阳段发生严重塌陷，路面整体沉陷，路基向外滑移，塌陷处长130米，宽12米，深8.5米，所幸没有发生交通事故，未造成人员伤亡 专家勘察后，初步确定此地段原是旧河槽，底层土壤渗水液化造成塌陷石太高速寿阳段塌陷现场严重,2006年03月30日星期四 央视《焦点访谈》,石太高速寿阳段塌陷现场严重,石太高速公路寿阳段塌陷现场（3月28日摄）2006年03月30日星期四 央视《焦点访谈》,石太高速寿阳段塌陷现场严重,石太高速公路寿阳段塌陷现场 （3月28日摄）3月28日，公路勘察人员在查看石太高速公路寿阳段塌陷后的裂缝2006年03月30日星期四 央视《焦点访谈》,2000年西藏易贡巨型滑坡,第二节 土的抗剪强度,一、抗剪强度,（一）、库仑定律（剪切定律）,测定方法：,直接剪切试验（直剪试验）,应力控制式,直剪仪,应变控制式（常用）,测定仪器：,,直剪仪工作原理示意,1773年，库仑根据砂土剪切试验得出,,f = tan,砂土,,f =c+ tan,粘土,c,库仑定律：在法向压力 变化范围不大的范围内，抗剪强度τf与法向压力σ之间的关系，可近似的用一条直线代替。

c:土的粘聚力 :土的内摩擦角,根据粘性土剪切试验得出,,,,:为土的内摩擦力,,,,,,,,摩尔包线,f =c+ tan,·,·,·,·,,,,,,,·,,,库伦公式,（二）、抗剪强度的构成因素,来源于土的内摩擦力,颗粒之间表面摩擦力； 颗粒之间的相互嵌入和互锁作用产生的咬合力粘性土抗剪强度构成,主要来源于黏聚力其次内摩擦力,内摩擦力,,,,无粘性土抗剪强度：,度影响因素 土的抗剪强,,①土颗粒的矿物成分、形状、粒径及表面粗糙程度,（三）、抗剪强度的影响因素,②原始密度,③天然含水量,④土的结构扰动情况,⑤有效应力大小,⑦应力历史,⑥试验条件,二、摩尔—库仑强度理论,材料的剪切破坏主要是由于土中某一截面上的剪应力达到极限值所致，但材料达到破坏时的抗剪强度也与该截面上的正应力有关最大剪应力理论,,土体的稳定状态,当土中某点的剪应力小于土的抗剪强度时，土体不会发生剪切破坏极限平衡状态,当土中剪应力等于土的抗剪强度时，土体式处于极限平衡,,,基本概念,破坏状态,当土中剪应力大于土的抗剪强度时理论上属于破坏状态（实际上这种应力状态根本不存在）,,,（一）、土中一点的应力状态,◇最大主应力与最小主应力假定土体是均匀的、连续的，一无限长条形荷载作用于半无限体的表面上，研究水平地面下任一深度z处M点的应力状态。

由M点取一微元体dxdydz，并使微元体的上、下面平行于地面因微元体很小，可忽略微元体本身的质量现分析此微元体的受力情况，将微元体放大因为土体并无外荷作用，只有土的自重作用，故在微元体各个面上没有剪应变，也就没有剪应力，凡是没有剪应力的面称为主应面作用在主应面上的力称为主应力，因此前图中的σ1为最大主应力，σ3为最小主应力土中某点应力状态是个复杂的三向受力状态，为简化计算只考虑最大和最小主应力要计算土中任意点任意截面上的正应力和剪应力可以通过数解法和图解法求得A(, ),土中某点的应力状态可用摩尔应力圆描述,摩尔圆可以表示土体中一点的应力状态，摩尔圆圆周上各点的坐标就表示该点在相应平面上的正应力和剪应力斜面上的应力,,竖直法向等于0: 水平法向等于0：,根据平衡条件,所有的力在,列出两个平衡方程：,,⑴应力圆与强度线相离（圆1）：,,,,,,强度线,,⑵应力圆与强度线相切（圆2）：,,⑶应力圆与强度线相割（圆3）：,,极限应力圆,τ<τf,弹性平衡状态,τ=τf,极限平衡状态,τ>τf,破坏状态,（一）、土的极限平衡条件,,,,A,1 2 3,f =c+ tan,摩尔－库仑破坏准则,莫尔应力圆与库仑强度线相切的应力状态作为土的破坏准则 (目前判别土体所处状态的最常用准则),摩尔－库仑破坏准则,,c,,,A,cctg,1/2(1 +3 ),无粘性土：c=0,,,,粘性土：,,o,o′,B,C,,,,土体处于极限平衡状态时，破坏面与大主应力作用面的夹角为,说明：剪破面并不产生于最大剪应力面，而与最大剪应力面成 / 2的夹角。

因此，土的剪切破坏并不是由最大剪应力τmax所控制内外角之间的关系：,,c,,,A,cctg,1/2(1 +3 ),,o,o′,B,C,,,结论:,（4）已知大小主应力中任何一个，即可求得另 一个；或在已知抗剪指标与大小主应力的情况下，判断土体的平衡状态；,（1）土的强度破坏原因：由于土中某点剪切面上的剪应力达到和超过了土的抗剪 强度所致3）强度包线：当土体处于极限状态时，土中该点的 极限应力圆与抗剪强度线相切，一 组极限应力圆的公切线内摩擦角：强度包线与纵坐标的截距为土的黏聚力，与横坐标夹角为土的内摩擦角2）土中某点达到剪切破坏状态的应力条件：必须是法向应力和剪应力的某种组合符合库仑定律的破坏准则（大主应力作用面成某一夹角 的平面上第三节 抗剪强度的测定方法,室内试验：应力状态被改变，取土过程受到干扰 原位测试：精度不高,,直接剪切试验,,三轴压缩试验,,无侧限抗压强度试验,,十字板剪切实验,,测定土的抗剪强度的最简单方法是直接剪切试验这种试验使用的仪器称为直接剪切仪(简称直剪仪)，仪器的主要部件见下图1.试验装置 应变控制式与应力控制式两种，前者以等应变速率使试样产生剪切位移直至剪破，后者是分级施加水平剪应力并测定相应的剪切位移。

目前我国使用较多的是应变控制式直剪仪应变控制式直剪仪,二、直接剪切试验,,直剪仪(图2),通过控制剪切速率来近似模拟排水条件,为了考虑固结程度和排水条件对抗剪强度的影响 根据加荷速率的快慢将直剪试验划分为 快剪、固结快剪和慢剪三种试验类型 1.快剪Q(施加正应力后立即剪切3～5分钟内剪坏)适用于渗透系数小于10-6cm/s的细粒土，以cq，fq表示 2.固结快剪R（施加正应力-充分固结在3-5分钟内剪切破坏)也适用于渗透系数小于10-6cm/s的细粒土，以ccq，fcq表示 3.慢剪S(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)以cs，fs表示上述三种方法的试验结果如图所示从图中可以看出，cq ＞ ccq ＞ cs ，而 fq ＜ fcq ＜ fs ·,f,,设备简单，操作方便结果便于整理测试时间短,优点,,试样应力状态复杂应变不均匀不能控制排水条件剪切面固定,缺点,直接剪切验：,（一）、抗剪强度包线,分别在不同的周围压力3作用下进行剪切，得 到3～4 个不同的破坏应力圆，绘出各应力圆的公切 线即为土的抗剪强度包线c,三、三轴接剪切试验,（二）、三轴剪切试验,试验仪器：应变控制式三轴仪：应力控制式三轴仪,,受压室,周围压力控制系统,轴向加压系统,孔隙水压力系统,试样体积变化量测系统,,,,试验步骤:,,2.施加周围压力,3.施加竖向压力,1.装样,三轴压缩试验三轴是指一个竖向和两个侧向而言，由于压力室和试样均为圆柱形，因此，两个侧向(或称周围)的应力相等并为小主应力s3，而竖向(或轴向)的应力为大主应力s1。

在增加s1时保持s3不变，这样条件下的试验称为常规三轴压缩试验三轴压缩仪,,,,主机,量测系统,稳压调压系统,应用范围 ⑴重大工程与科学研究； ⑵一级建筑物试验仪器和试验方法三轴压缩试验直接量测的是试样在不同恒定周围压力下的抗压强度，然 后利用莫尔－库仑准则间接推求土的抗剪强度三轴压缩仪（又称三轴剪切仪）,,应变控制式三轴仪： 压力室 加压系统 量测系统,轴向加压系统,三轴压缩试样,方法： 首先试样施加静水压力—室压（围压） 1=2=3 ； 然后通过活塞杆施加的是应力差 Δ1= 1-3 1）试样应力特点与试验方法：,特点： 试样是轴向对称应力状态垂直应力z一般是最大主应力；径向与切向应力总是相等r=x，亦即1=z；2=3=r,固结排水试验（CD试验） 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） 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 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） 1 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,cd 、d,ccu 、cu,cu 、u,（2）试验类型,（3）三轴试验结果,,三轴试验结果—抗剪强度包线,,,,,c,分别在不同的周围压力3作用下进行剪切，得到3～4 个不同的破坏应力圆，绘出各应力圆的公切线即为土的抗剪强度包线,,,,有效应力圆,总应力圆,u=0,cu,uA,饱和粘性土在三组3下的不排水剪试验得到A、B、C三个不同3作用下破坏时的总应力圆,试验表明：三个试样的周围压力3不同，但破坏时的主应力差相等，三个极限应力圆的直径相等，因而强度包线是一条水平线,三个试样只能得到一个有效应力圆,（1）不固结不排水剪（UU）,不同试验方法的剪切试验结果,（1）不固结不排水剪的剪切试验结果,,虚线应力圆：将总应力圆在水平轴上左移uf得到相应的有效应力圆，按有效应力圆强度包线可确定c 、 ,,,,,,ccu,c ,实线应力圆：饱和粘性土在三组3下进行固结不排水剪试验得到A、B、C三个不同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水剪总应力强度指标ccu、 cu,（2）固结不排水剪（CU）,（2）固结不排水剪的剪切试验结果,,在整个排水剪试验过程中， uf ＝0，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。

强度指标为cd、d,,,,,cd,总结:,对于同一种土，在不同的排水条件下进行试验，总应力强度指标完全不同,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一的对应关系,。