chapter6土力学北京交通大学教学课件2

时间反复无常，鼓着翅膀飞逝chapter6土力学北京交通大学土力学北京交通大学第第6 6章章 土的抗剪强度土的抗剪强度破坏的几个定义：破坏的几个定义：（1）最大偏应力:偏应力达到最大值。（2）最大主应力比:主应力比13达到最大值。（3）极限应变:应变值达到极限应变值。（4）临界状态:由Roscoe提出，临界状态土力学。（5）残余状态6.2.2 土的破坏总则土的破坏总则最大正（拉）应力理论（第一强度理论）；最大正（拉）应力理论（第一强度理论）；最大正（拉）应变理论（第二强度理论）；最大正（拉）应变理论（第二强度理论）；最大剪应力理论（第三强度理论）最大剪应力理论（第三强度理论）最大变形能理论（第四强度理论）。最大变形能理论（第四强度理论）。四大古典强度理论:“土体发生破坏时应力状态组合的数学表达式”。6.2.3 摩尔摩尔-库仑准则库仑准则 B点：临界破坏状态 A点：不会发生剪切破坏 C点：发生破坏土体破坏时，破裂面上法向应力与抗剪切强度之间满足：f=f()库仑定律：抗剪强度包线假定为线性关系。法国军事工程师在摩擦、电磁方面奠基性的贡献1773年发表土压力方面论文，成为经典理论。库仑（C.A.Coulomb）(1736-1806)库仑定律：库仑定律：根据砂土试验结果得到f=tan 对于粘性土，可给出更为普遍的表达式：f=c+tan 有效应力表达式：f=c+tan=c+(u)tan 6.2.4 土中一点的极限平衡条件土中一点的极限平衡条件极限平衡状态：土中任意一点在某一平面上的剪应力达到土的抗剪强度。土中任意一点的应力状态可表示为5/4/2024将抗剪强度包线与摩尔应力圆汇于同一图,有三种情况：v(I)f(在破坏线以下)安全临界状态(极限平衡)v(II)f(在破坏线上)塑性破坏v(III)f(在破坏线以下)讨论极限平衡状态下大、小主应力关系：讨论极限平衡状态下大、小主应力关系：经过三角变换可得：同时,由2f=90+，得破裂面与大主应力作用面夹角：破坏面不是发生破坏面不是发生在剪应力最大的在剪应力最大的面上。面上。5/4/2024例6-1和例6-2 地基中某点的大主应力1=580kPa，小主应力3=190kPa。土的内摩擦角=22，粘聚力c=20kPa。（1）绘摩尔应力圆；（2）求最大剪应力及作用方向；（3）与小主应力作用面成=85斜面上的正应力和剪应力；（4）判断该点是否破坏；（5）破坏面与大主应力的夹角。5/4/2024解（1）摩尔应力圆如图：与大主应力作用面的夹角为：90/2=455/4/2024（3）与小主应力作用面夹角成85与大主应力夹角90-855/4/2024假定小主应力3=190kPa假定极限平衡状态（相切）（3）判断该点是否破坏？5/4/2024（5 5）破坏面与大主应力的夹角为）破坏面与大主应力的夹角为 也可先假定也可先假定 1 1，计算破坏时，计算破坏时 3f3f，结果一样。，结果一样。（5 5（5 55/4/20246.3 土的抗剪强度的测定方法室内试验和现场试验的优缺点？室内试验和现场试验的优缺点？（1）直接剪切试验（2）三轴压缩试验（3）无侧限抗压强度试验（4）十字板剪切试验6.3.1 直接剪切试验直接剪切试验 测定土的抗剪强度最简单的方法测定土的抗剪强度最简单的方法试验仪器：直剪仪试验方式：应变控制式；应力控制式 全景剪切盒：上盒下盒 土样剪切面TTN顶帽透水石试验步骤：（1）对试样施加某一法向应力（2）再施加水平剪切应力，将下盒推动；（3）测定剪切位移和剪切应力（4）绘制曲线试验步骤：（5）进行不同下多个土样的试验（6）确定破坏剪应力f，绘制f曲线。破坏剪应力f的确定：（1）峰值时的剪应力作为破坏剪应力f 如较为坚实的粘土及密砂如较为坚实的粘土及密砂（2）无峰值出现时，取=2mm时的剪应力作为f 如软粘土和松砂如软粘土和松砂三种试验方法：三种试验方法：？优点：简单、快捷缺点：见下面分析。（1）快剪：强度指标用cq、q表示。q-quick（2）固结快剪：强度指标用ccq、cq表示。c-consolidation（3）慢剪：强度指标用cs、s表示。s-slow直剪试验的缺点：（1）剪切面限定在上下盒之间，不是沿土样最薄弱面（2）剪切面上剪应力分布不均匀（3）上下盒之间的缝隙中易嵌入砂粒，使试验结果偏大直剪试验的缺点：（4）剪切过程中，土样剪切面逐渐缩小（5）不能严格控制排水条件，不能量测孔隙水压力剪切后剪切后的面积剪切后的面积6.3.2 三轴剪切试验三轴剪切试验组成情况：主机：压力室、轴压系统 稳压调压系统：压力泵 量测系统：排水管、体变管 三轴压缩试验：较为完善方法试验仪器：三轴压缩仪全景下面重点介绍压力室压力室简图试试样样压力室压力水排水管阀门轴向加压杆有机玻璃罩橡皮膜透水石试样是轴对称应力状态。垂试样是轴对称应力状态。垂垂直应力垂直应力 1 是大主应力；是大主应力；水平向应力相等水平向应力相等 2=3试样首先施加静水压力（围试样首先施加静水压力（围压）压）1=2=3。然后通过活塞杆施加应力然后通过活塞杆施加应力差差 1-3。应力状态分析：应力状态分析：应力施加演示:土试样2=1施加围压2施加轴向偏差应力试验步骤：试验步骤：（1）将土样切成圆柱体套在橡胶膜内，放在压力室中（2）施加周围压力3（3）施加竖向压力，使试件受剪破坏（4）破坏时大主应力为1，小主应力为3(5)进行不同围压三轴试验,绘制破坏状态的应力摩尔圆c (6)画出公切线强度包线，得到强度指标 c与 三轴试验的排水条件：v固结排水试验固结排水试验（CDCD）：）：打开排水阀门，施加围压充分固结，超静孔隙水压力完全消散；阀门打开，慢慢施加轴向应力差以避免产生超静孔压v固结不排水试验（固结不排水试验（CUCU）：打开排水阀门，施加围压充分固结，超静孔隙水压力完全消散；关闭阀门，很快剪切破坏v不固结不排水试验不固结不排水试验（UUUU）：）：关闭阀门，施加围压关闭阀门，很快剪切破坏筏门记号：记号：固结排水试验（CD）：Consolidated Drained Triaxial test(CD)cd d （c ）固结不排水试验（CU）：Consolidated Undrained Triaxial test(CU)ccu cu 不固结不排水试验（UU）：(Unconsolidated)Undrained Triaxial test(UU)cuu uu （cu u）三轴试验的优点：q 能够控制排水条件q 可以量测土样中孔隙水压力的变化q 三轴试验中试件的应力状态比较明确q 剪切破坏时的破裂面在试件的最弱处缺点：q 设备相对复杂，现场无法试验三轴试验比较可靠，是土工试验不可缺少的仪器设备三轴试验比较可靠，是土工试验不可缺少的仪器设备6.3.3 无侧限抗压强度试验无侧限抗压强度试验三轴压缩试验的特殊情况（3=0），又称单轴试验。试验仪器：无侧限压力仪 也可用三轴仪。无侧限抗压强度无侧限抗压强度：破坏时的轴向压力（qu）cuqu对于饱和粘性土：不固结不排水条件下，可认为u=0，此时cu=qu/2。6.3.4 十字板剪切试验十字板剪切试验常用的原位测试方法无需钻孔取得原状土样，而使土少受扰动排水条件、受力状态与实际条件接近特别适用于难于取样和高灵敏度的饱和软粘土十字板剪切示意图 十字板M2M1vhHD过程演示：抗剪强度确定：抗剪强度确定：圆柱体侧面上的抗扭力矩：圆柱体上、下表面上的抗扭力矩：示意图宽度drrD/2最大扭矩与抗扭力矩相等：故6.4 应力路径应力路径应力的变化过程不同，土的性质不同应力路径即应力点的移动轨迹应力变化过程可用若干个应力圆表示正常固结粘土固结不排水试验：u 6.6 土的应力应变关系特征土的应力应变关系特征轴向应变是渐进的，体应变是体缩密砂与超固结粘土v+v 表示体缩v0表示剪胀轴向应变是软化的，体应变是剪胀峰值强度残余强度砂土与正常固结粘土的排水试验强度包线 d 0粘聚力c什么是理想正常固结粘土？假定为泥膏状的重塑土固结压力为0时,强度为00e0；f。可见：可见：强度包线过原点！强度包线过原点！不固结不排水强度指标cu绘有效应力摩尔圆绘有效应力摩尔圆u0u0是唯一的！是唯一的！6.7 饱和粘性土的抗剪强度饱和粘性土的抗剪强度 固结不排水强度指标cuccu由第4章式（4-65）可知破坏时的孔隙水压力系数为 对于饱和土体，B=1；剪切过程中 故 固结排水剪强度指标 相应的强度指标为cd、d 整个试验过程中孔压为0，故c=cd、=d。抗剪强度指标比较 正常固结土，dcuu，而u=0；cdccucu 较小时，强度包线平缓，处于超固结状态 1.三轴试验指标与直剪试验指标根据实际工程问题确定重大工程要求三轴试验指标 抗剪强度指标的选择2.峰值强度指标还是残余强度指标一般问题峰值强度古旧滑坡：残余强度3.有效应力指标还是总应力指标无超静孔压时，用有效应力指标可确定超静孔压时，用有效应力指标4.应根据实际排水条件确定（见教材218页）下面给出几个典型实例：1 固结排水强度指标粘土地基上分层慢速施工的填方稳定渗流期的土坝2 固结不排水强度指标在1层土固结后，施工2层库水位从1骤降到2在天然土坡上快速填方3 不排水强度指标软土地基上快速施工的填方土坝快速施工，心墙未固结粘土地基上快速施工的建筑物 例6-3 饱和无粘性土试样进行三轴固结排水剪切试验，测得总应力抗剪强度指标为cd=0，d=28.5。如果对同一种试样进行三轴固结不排水剪试验，施加周围压力3=200kPa，试样破坏时的轴向偏应力为(13)f=160kPa。计算：（1）固结不排水抗剪强度指标cu （2）破坏时的孔隙水压力uf以及孔隙水压力系数Af。解 1f=200+160=360kPa，3f=200kPa，ccu=0由极限平衡条件：得 cu=16.5 此外，d=28.5由有效应力表示的极限平衡条件：联立上述两个式子可得：1f=247.6kPa，3f=87.6kPa。破坏时的孔隙水压力 uf1f 1f=360-247.6=112.4kPa破坏时的孔隙压力系数为：作业：作业：616263656667谢谢46、我们若已接受最坏的，就再没有什么损失。卡耐基47、书到用时方恨少、事非经过不知难。陆游48、书籍把我们引入最美好的社会，使我们认识各个时代的伟大智者。史美尔斯49、熟读唐诗三百首，不会作诗也会吟。孙洙50、谁和我一样用功，谁就会和我一样成功。莫扎特