第四章土的抗剪强度与地基承载力课件.ppt
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- 第四 强度 地基承载力 课件
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1、2023-2-41第四章第四章 土的抗剪强度土的抗剪强度 与地基承载力与地基承载力2023-2-42v土的强度,通常指土的抗剪强度,而不是土的抗压强度或抗拉强度。2023-2-43工程中的强度问题概述土的抗剪强度:土体抵抗剪切应力的极限值,或土的抗剪切破坏的受剪能力。2023-2-44v地基承载力与地基稳定性v土坡稳定性 天然土坡、人工土坡v挡土墙及地下结构上的土压力4.1.2 土的强度的应用N小压密或塑性变形区很小地基稳定N大塑性变形区变大连成一片整体滑动2023-2-454.2 土的极限平衡条件v土的抗剪强度是指剪切破坏v极限平衡条件:当土体的剪应力等于土的抗剪强度f时的临界状态。v土的极
2、限平衡条件:指土体处于极限平衡状态时土的应力状态和土的抗剪强度指标之间的关系。1 13 3,c c2023-2-46土中一点的应力状态v土体内一点处不同方位的截面上应力的集合(剪应力 和法向应力)3 3 1 1 3 1 dsdscos dssin 静力平衡条件静力平衡条件0cossinsin3dsdsds0sincoscos1dsdsds2cos212131312sin2131联立求解联立求解2023-2-47莫尔应力圆方程莫尔应力圆方程23122312121圆心坐标圆心坐标1/2(1+3),0应力圆半径应力圆半径r1/2(13)O 1 31/2(1+3)2 A(,)土中某点的土中某点的应应力
3、状态力状态可用莫可用莫尔应力圆描述尔应力圆描述 2023-2-48莫尔-库化破坏理论1771773 3年,库仑根据年,库仑根据砂土砂土剪切试验剪切试验 f=tan 砂土砂土后来,根据后来,根据粘性土粘性土剪切试验剪切试验 f=c+tan 粘土粘土c 库仑定律:库仑定律:土的抗剪强度土的抗剪强度是剪切面上的法向总应力是剪切面上的法向总应力 的线性函数的线性函数 tanfcftanf:抗剪强度,抗剪强度,kPa:总应力,总应力,kPac:土的粘聚力土的粘聚力,kPakPa:土的内摩擦角土的内摩擦角,度度 f f抗抗剪剪强强度度指指标标2023-2-49莫尔(莫尔(1910)提出材料的破坏是剪切破坏
4、,并)提出材料的破坏是剪切破坏,并提出在破坏面上的剪应力,是该面上法向应力的提出在破坏面上的剪应力,是该面上法向应力的函数。即函数。即)(ff f=c+tan c f)(ff这是一条曲线,称为莫这是一条曲线,称为莫尔包络线,简称莫尔包线尔包络线,简称莫尔包线(破坏包线、抗剪强度包(破坏包线、抗剪强度包线)。线)。理论和实践证明,理论和实践证明,土的莫尔包线通常可土的莫尔包线通常可用直线代替,该直线用直线代替,该直线方程就是库伦公式表方程就是库伦公式表达的方程。达的方程。莫尔莫尔库伦强度理论:由库伦公式表示库伦强度理论:由库伦公式表示莫尔包线的强度理论。莫尔包线的强度理论。2023-2-4107
5、.2 土的抗剪强度理论7.2.2 莫尔库伦强度理论及极限平衡条件土的极限平衡条件应力圆与强度线相离:强度线强度线应力圆应力圆与强度线与强度线相切:相切:应力圆应力圆与强度线与强度线相割:相割:极限应极限应力圆力圆f 破坏状态破坏状态 2023-2-411莫尔库伦强度理论及极限平衡条件 3 3 1 1 3 1c f2 fA cctg 1/2(1+3)313121cot21sinc245tan2245tan231ooc245tan2245tan213ooc无粘性土:无粘性土:c=0245tan231o245tan213o粉土和粘性土:粉土和粘性土:说明:说明:破坏面与破坏面与1 1作用面的夹角作用
6、面的夹角(45(45+/2),/2),与与3 3夹角夹角(45(45-/2)/2)。2023-2-412v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 f f2 f 3 1c A cctg 1/2(1+3)2459021f45max说明:说明:剪破面并不产生于最大剪应力面,而与剪破面并不产生于最大剪应力面,而与最大剪应力面成最大剪应力面成 /2的夹角,可知,土的剪切的夹角,可知,土的剪切破坏并不是由最大剪应力破坏并不是由最大剪应力max所控制所控制 max2023-2-413【例】地基中某一单元土体上的大主应力为430kPa,小主应力为200kPa。通过试验测得土的抗剪强度指标c=1
7、5 kPa,=20o。试问该单元土体处于何种状态?单元土体最大剪应力出现在哪个面上,是否会沿剪应力最大的面发生剪破?【解答】解答】已知已知 1=430=430kPakPa,3=200kPa=200kPa,c=15kPa=15kPa,=20=20o o 1.1.计算法计算法kPacoof8.450245tan2245tan231计算结果表明:计算结果表明:1f大于该单元土体实际大主应力大于该单元土体实际大主应力 1,实际,实际应力圆半径小于极限应力圆半径,所以,该单元土体处于应力圆半径小于极限应力圆半径,所以,该单元土体处于弹性平衡状态弹性平衡状态 2023-2-4147.2 土的抗剪强度理论k
8、Pacoof8.189245tan2245tan213计算结果表明:计算结果表明:3f小于该单元土体实际小主应小于该单元土体实际小主应力力 3,实际应力圆半径小于极限应力圆半径,实际应力圆半径小于极限应力圆半径,所以,该单元土体处于弹性平衡状态所以,该单元土体处于弹性平衡状态 在剪切面上在剪切面上 552459021fkPaf7.2752cos21213131kPaf1.1082sin2131库仑定律库仑定律 kPacf3.115tan 由于由于f ,所以,该单元土体处于弹性平衡状态所以,该单元土体处于弹性平衡状态 2023-2-4157.2 土的抗剪强度理论2.2.图解法图解法 c 1 1f
9、 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 okPa11590sin2131max最大剪应力面上的法向应力最大剪应力面上的法向应力kPa31590cos21213131库仑定律库仑定律 kPacf7.129tan最大剪应力面上最大剪应力面上f ,所以,不所以,不会沿剪应力最大的面发生会沿剪应力最大的面发生破坏破坏 max2023-2-4164.3 土的抗剪强度试验7.3.1 直接剪切试验试验仪器:试验仪器:直剪仪(应力控制式,应变控制式)直剪仪(应力控制式,应变控制式)2023-2-4172023-2-418剪切试验剪切试验剪前
10、施加在试样顶面上的竖向压力为剪破面上剪前施加在试样顶面上的竖向压力为剪破面上的法向应力的法向应力,剪应力由剪切力除以试样面积剪应力由剪切力除以试样面积在法向应力在法向应力 作用下,作用下,剪应力与剪切位移关系剪应力与剪切位移关系曲线,根据曲线得到该曲线,根据曲线得到该 作用下作用下,土的抗剪强土的抗剪强度度4mm4mm a a b b 剪切位移剪切位移(0.01mm)(0.01mm)剪应力剪应力(kPakPa)1 1 2 2 2023-2-419v在不同的垂直压力(一般取100、200、300、400)下进行剪切试验,得相应的抗剪强度f,绘制f-曲线,得该土的抗剪强度包线。v对于无粘性土,直线
11、通过原点。2023-2-420v快剪试验:是在试样施加竖向压力后,立即快速(0.02mm/min)施加水平剪应力使试样剪切。v固结快剪试验:是允许试样在竖向压力下排水,待固结稳定后,再快速施加水平剪应力使试样剪切破坏。v慢剪试验:是允许试样在竖向压力下排水,待固结稳定后,则以缓慢的速率施加水平剪应力使试样剪切。2023-2-421v优点:仪器构造简单,试样的制备和安装方便,易于操作 v缺点:土样在试验中不能严格控制排水条件,无法量测孔隙水压力,无法计算有效应力。试验剪切面固定在剪切盒的上、下盒之间,该处不一定正好是土样的薄弱面。试样中应力状态复杂,有应力集中情况,但仍按均布计算。试样发生剪切后
12、,土样在上、下盒之间错位,实际剪切面面积逐渐减小,但仍按初始土样面积计算。2023-2-422三轴压缩试验v应变控制式三轴仪:压力室,轴向加荷系统,施加围压系统,量测系统组成n试验步骤试验步骤:3 3 3 3 3 3 2.2.施加周围压力施加周围压力3.3.施加竖向压力施加竖向压力1.1.装样装样2023-2-4232023-2-424v分别在不同的周围压力3作用下进行剪切,得到34 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 抗剪强度包线抗剪强度包线 c 2023-2-425v优点:试验中能严格控制试样排水条件,量测孔隙水压力,了解土中有效应力变化情况试样中的应力分布比较均
13、匀 v缺点:试验仪器复杂,操作技术要求高,试样制备较复杂 试验在2=3的轴对称条件下进行,与土体实际受力情况可能不符 2023-2-4264.3.3 无侧限抗压强度试验ququ加压加压框架框架量表量表量力环量力环升降升降螺杆螺杆无侧限压缩仪无侧限压缩仪无侧限抗压强度试验是三轴剪切试验的特例,对试样不施加周围压力,即无侧限抗压强度试验是三轴剪切试验的特例,对试样不施加周围压力,即 3=0,只施加轴向压力直至发生破坏,试样在无侧限压力条件下,剪切破坏时,只施加轴向压力直至发生破坏,试样在无侧限压力条件下,剪切破坏时试样承受的最大轴向压力试样承受的最大轴向压力qu,称为称为无侧限抗压强度无侧限抗压强
14、度 试试样样2023-2-427无侧限抗压强度试验根据试验结果只能作出一个极限应力圆(根据试验结果只能作出一个极限应力圆(3 3=0=0,1 1=qu)。)。因此因此对一般粘性土,无法作出强度包线对一般粘性土,无法作出强度包线 说明:说明:对于饱和软粘土,根据三轴不排对于饱和软粘土,根据三轴不排水剪试验成果,其强度包线近似于一水水剪试验成果,其强度包线近似于一水平线,即平线,即 u u=0=0,因此无侧限抗压强度试因此无侧限抗压强度试验适用于测定饱和软粘土的不排水强度验适用于测定饱和软粘土的不排水强度qucu u=02uufqc 无侧限抗压强度试验仪器构造简单,操作方便,可代替三轴试验测无侧限
15、抗压强度试验仪器构造简单,操作方便,可代替三轴试验测定饱和软粘土的不排水强度定饱和软粘土的不排水强度 缺点:缺点:试样的中段部位完全不受约束,当试样接近破坏时,往往被压成试样的中段部位完全不受约束,当试样接近破坏时,往往被压成鼓形,这时试样中的应力不是均匀的。鼓形,这时试样中的应力不是均匀的。2023-2-4287.3 土的抗剪强度试验7.3.4 十字板剪切试验适用于现场测定饱和粘性土的不排水强度,尤其适用于均匀的饱和软粘土HVDDDDHM34222322DHDMf剪切破坏时剪切破坏时的扭力矩的扭力矩剪切破坏时剪切破坏时圆柱体侧面圆柱体侧面抗剪强度抗剪强度剪切破坏时剪切破坏时圆柱体上下圆柱体上
16、下面抗剪强度面抗剪强度在实际土层中,在实际土层中,V V,H H是不同的,对于是不同的,对于正常固结饱和软粘土,正常固结饱和软粘土,H H/V V1.5-1.5-2.02.0;对于稍超固结的饱和软粘土为;对于稍超固结的饱和软粘土为1.11.1。常规试验中仍假设常规试验中仍假设H H=V V=f f2023-2-429十字板剪切试验土的抗剪强度土的抗剪强度随深度的变化随深度的变化右图正常固结饱和软粘土用十字板测右图正常固结饱和软粘土用十字板测定的结果,在硬壳层以下的软土层中定的结果,在硬壳层以下的软土层中抗剪强度随深度基本上成直线变化,抗剪强度随深度基本上成直线变化,可用下式表示:可用下式表示:
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