土的抗剪强度与地基承载力

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,4,土的抗剪强度与地基承载力,4.1,土的抗剪强度与极限平衡理论,4.2,土的剪切试验,4.3,土的剪切特性,4.4,按塑性区发展范围确定地基承载力,4.5,按极限荷载确定地基承载力,土的抗剪强度,土体抵抗剪切破坏的极限能力，其数值等于剪切破坏时滑动面上的剪应力。地基承载力、挡土墙土压力、边坡稳定都与土抗剪强度有直接关系。,地基,外荷载,剪应力,剪切变形,剪阻力被完全发挥,剪切破坏,土体抗剪强度影响因素,摩擦力,1.滑动摩擦：,剪切面土粒间表面的粗糙所产生的摩擦,2.咬合摩擦：,土粒间互相嵌入所产生的咬合力,粘聚力：由土粒之间的胶结作用和电分子引力等因素形成,抗剪强度影响因素,摩擦力：,剪切面上的法向总应力、土的初始密度、土粒级配、土粒形状以及表面粗糙程度,粘聚力：,土中矿物成分、粘粒含量、含水量以及土的结构,4,土的抗剪强度,c,粘聚力,内摩擦角,f,：,土的抗剪强度,tg,：,摩擦强度-正比于压力,c,：,粘聚强度-与所受压力无关，对于无粘性土,c=0,：,土的内摩擦角,库仑定律,砂土：,粘性土：,c,:,土的粘聚力,:,土的内摩擦角,库伦定律用有效应力改写为,（1）在一定的应力范围内，可以用线性函数近似,f,=,c,+,tg,，能够满足工程精度的要求,（2）,土的抗剪强度指标,c,的测定，随试验方法和土样排水条件的不同有较大的差异,c,无粘性土,粘性土,抗剪强度曲线,3,3,1,1,3,1,dlcos,dlsin,土中一点的应力状态,对于某一平面问题，如下图为某一土单元体，假设最大主应力为,1,和最小主应力,3,的大小和方向都已知，则与最大主应力面成,角的任一平面上的法向应力,和剪应力,可由力的平衡条件求的,3,1,l,ab,l,ac,cos,l,bc,sin,斜面上的应力,莫尔应力圆方程,O,1,3,1/2(,1,+,3,),2,A(,),圆心坐标,1/2(,1,+,3,),，,0,应力圆半径,r,1/2(,1,3,),土中某点的,应力状态,可用莫尔应力圆描述,4,土的抗剪强度,c,b,a,不同状态时的摩尔圆,f,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,。,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：,有一个面上的应力达到破坏；,4,.1.4.,极限平衡应力状态,莫尔库仑破坏准则,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,),强度线,4,土的抗剪强度,莫尔库仑破坏准则,3,1,c,f,2,f,A,cctg,1/2(,1,+,3,),无粘性土：,c=0,4,土的抗剪强度,1,1f,破坏状态,O,c,1,f,3,1,1,一 破坏判断方法,3,=常数：,判别对象：土体微小单元（一点）,根据应力状态计算出大小主应力,1,、,3,，由,3,计算,1f,，,比较,1,与,1f,3,3f,弹性平衡状态,3,=,3f,极限平衡状态,3,3f,破坏状态,O,c,1,3,f,3,3,1,=常数：,根据应力状态计算出大小主应力,1,、,3,，由,1,计算,3f,，,比较,3,与,3f,不可能,状态,O,c,(,1,+,3,)/2,=常数：圆心保持不变,根据应力状态计算出大小主应力,1,3,，由,1,、,3,计算,，,与,比较,3,1,f,45,/2,O,c,1,f,3,2,2,二,.,滑裂面的位置,与大主应力面夹角：,=45+,/2,图中虚线所指,位置为滑裂面,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,f,2,f,3,1,c,A,cctg,1/2(,1,+,3,),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，可知，土的剪切破坏并不是由最大剪应力,max,所控制,max,4,土的抗剪强度,（,1,）该点是否剪坏？,（,2,）,解,:(1),175+85=260kPa,175-85=90kPa,剪坏面与最大主应力作用平面的夹角是,=60,安全,（,2,）,175+96.05=271.05kPa,175-96.05=78.95kPa,不安全,【例】,地基中某一单元土体上的大主应力为430,kPa，,小主应力为200,kPa。,通过试验测得土的抗剪强度指标,c,=15 kPa，,=20,o,。,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】,已知,1,=430,kPa，,3,=200kPa，,c,=15kPa，,=20,o,1.计算法,计算结果表明：,1,f,大于该单元土体实际大主应力,1,，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,计算结果表明：,3,f,小于该单元土体实际小主应力,3,，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,2,在剪切面上,库仑定律,由于,f,，,所以，该单元土体处于弹性平衡状态,2.图解法,c,1,1f,3,f,实际应力圆,极限应力圆,最大剪应力与主应力作用面成45,o,最大剪应力面上的法向应力,库仑定律,最大剪应力面上,f,，,所以，不会沿剪应力最大的面发生破坏,max,一、室内试验,二、野外试验,4.2,土的剪切试验,直剪试验、三轴试验等,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,原位试验,缺点：应力条件不易掌握,优点：原状土的原位强度,抗剪强度曲线,一 直接剪切试验,土的剪切试验方法,一、直接剪切试验,用,直接剪切仪,（简称直剪仪）来测定土的抗剪强度的试验称为直接剪切试验。,直接剪切试验是测定预定剪破面上抗剪强度的最简便和最常用的方法。直剪仪分应变控制式和应力控制式两种，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。,通过控制剪切速率来近似模拟排水条件,3.快剪,施加正应力后立即剪切3-5分钟内剪切破坏,1.慢剪：竖向应力施加后，允许试样排水固结。待固结完成后，施加水平剪应力，剪切速率放慢，使试样在剪切过程中有充分的时间产生体积变形和排水。,2.固结快剪,施加正应力-充分固结在3-5分钟内剪切破坏,抗剪强度指标的选用,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，以获得合适的抗剪强度指标,试验方法,适用条件,不排水剪或快剪,地基土的透水性和排水条件不良，建筑物施工速度较快,排水剪或慢剪,地基土的透水性好，排水条件较佳，建筑物加荷速率较慢,固结不排水剪或固结快剪,建筑物竣工以后较久，荷载又突然增大，或地基条件等介于上述两种情况之间,设备简单，操作方便,结果便于整理,测试时间短,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,优点,缺点,试样,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,顶帽,4.2.2.,三轴试验,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,3,，而竖向（或轴向）,的应力为大主应力,1,。,在增加,1,时保持,3,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,主要由压力室、加压系统和量测系统三大部分组成。,应变控制式三轴仪：压力室，加压系统，量测系统组成,应力控制式三轴仪,试验步骤:,1.装样,2.施加周围压力,3.施加竖向压力,3,3,3,3,3,3,三轴剪切试验,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,1,=,1,-,3,。,（1）试样应力特点与试验方法：,特点：,试样是轴对称应力状态。垂直应力,z,一般是大主应力；径向与切向应力总是相等,r,=,，,亦即,1,=,z,；,2,=,3,=,r,强度包线,(,1,-,),f,c,(,1,-,),f,1,1,-,3,1,=15%,分别作围压,为100,kPa,、200,kPa,、300,kPa,的三轴试验，得到破坏时相应的（,1,-,),f,绘制三个破坏状态的应力摩尔圆，画出它们的公切线强度包线，得到强度指标,c,与,（2）强度包线,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,c,d、,d,c,cu、,cu,c,u、,u,（3）试验类型,优点：,1,应力状态和应力路径明确；,2,排水条件清楚，可控制；,3,破坏面不是人为固定的；,4,试验单元体试验,缺点：,设备相对复杂，现场无法试验,说明：,3,0 即为,无侧限抗压强度试验,（4）优点和缺点,4.2.3,野外试验,十字板剪切试验,原位十字板剪切试验,十字板剪切试验是一种利用十字板剪切仪在现场测定土的抗剪强度的方法。这种试验方法适合于在现场测定饱和粘性土的原位不排水强度，特别适用于均匀的饱和粘性土。,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；,通过施加的扭矩计算土的抗剪强度,时,M,1,H,D,M,2,无侧限抗压强度试验,三、无侧限抗压强度试验,三轴压缩试验中当周围压力,3,0时即为无侧限试验条件，这时只有,q=1。,所以，也可称为单轴压缩试验。由于试样的侧向压力为零，在侧向受压时，其侧向变形不受限制，故又称为无侧限压缩试验。同时，又由于试样是在轴向压缩的条件下破坏的，因此，把这种情况下土所能承受的最大轴向压力称为无侧限抗压强度以,qu,表示。试验时仍用圆柱状试样，可在专门的无侧限仪上进行，也可在三轴仪上进行。,无侧限抗压强度试验,第五章 土的抗剪强度,在施加轴向压力的过程中，相应地量测试样的轴向压缩变形，并绘制轴向压力,q,与轴向应变,的关系曲线。当轴向压力与轴向应变的关系曲线出现明显的峰值时，则以峰值处的最大轴向压力作为土的无侧限抗压强度,q,u,；,当轴向压力与轴向应变的关系曲线不出现峰值时，则取轴向应变,20,处的轴向压力作为土的无侧限抗压强度,q,u,。,求得土的无侧限抗压强度,q,u,后，即可绘出极限应力圆,。,强度指标,：,4.3,土的剪切特性,粘聚力,c,内摩擦角,强度指标的分类：,按照分析方法，可分为总应力强度指标与有效应力强度指标；,按照试验方法，可分为直剪强度指标与三轴试验强度指标；,按照应力应变状态，可分为峰值强度指标与残余强度指标。,一.总应力指标与有效应力指标,二.三轴试验强度指标,三.土的强度指标的工程应用,本节主要内容：,一、总应力指标与有效应力指标,1.,两种强度指标的比较,2.,有效应力、总应力强度包线,1.两种强度指标的比较,土的抗剪强度的,有效应力指标,c,=,c+tg,=-u,符合土的破坏机理，但有时孔隙水压力,u,无法确定,土的抗剪强度的,总应力指标,c,=,c+tg,便于应用,但,u,不能产生抗剪强度，不符合强度机理,强度指标,抗剪强度,简单评价,二、饱和粘性土的抗剪强度,1、不固结不排水抗剪强度,2、固结不排水抗剪强度,3、固结排水抗剪强度,凡是可以确定（测量、计算）孔隙水压力,u,的情况，都应当使用有效应力指标,c，,有效应力指标与总应力指标,三、土的强度指标的工程应用,砂土：,c,三轴排水试验指标与直剪试验指标,（直剪试验得到的指标偏大）,粘土：,有效应力指标：固结排水、固结不排水,总应力指标：三轴固结不排水、不排水;,直剪固结快剪、快剪,三轴