土力学课件第五章--土的抗剪强度.pptx
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1、岩土工程研究所岩土工程研究所第五章第五章 土的抗剪强度土的抗剪强度5-1 5-1 概述概述在外荷载的作用下,土体中任一截面将同时产生法向应力和剪应力,其中法向应力作用将使土体发生压密,而剪应力作用可使土体发生剪切变形。当土中一点某一截面上由外力所产生的剪应力达到土的抗剪强度时,它将沿着剪应力作用方向产生相对滑动,该点便发生剪切破坏。土的破坏主要是由于剪切所引起的,剪切破坏是土体破坏的重要特点。岩土工程研究所岩土工程研究所第五章第五章 土的抗剪强度土的抗剪强度5-2 5-2 强度概念与莫尔强度概念与莫尔库仑理论库仑理论一、固体间的摩擦力一、固体间的摩擦力固体间的摩擦力直接取决于接触面上的法向力和
2、接触材料的摩擦角。固体间的摩擦力直接取决于接触面上的法向力和接触材料的摩擦角。岩土工程研究所岩土工程研究所第五章第五章 土的抗剪强度土的抗剪强度5-2 5-2 强度概念与莫尔强度概念与莫尔库仑理论库仑理论一、固体间的摩擦力一、固体间的摩擦力合力倾角合力倾角afafaf,摩擦力全部动用,滑动产生;摩擦力全部动用,滑动产生;滑动准则滑动准则是水平推力等于竖向反力所能提供的摩擦力。即是水平推力等于竖向反力所能提供的摩擦力。即合力的倾角等于外摩擦角。合力的倾角等于外摩擦角。岩土工程研究所岩土工程研究所第五章第五章 土的抗剪强度土的抗剪强度二、莫尔应力圆二、莫尔应力圆土体内部的滑动可沿任何一个面发生土体
3、内部的滑动可沿任何一个面发生,只要该面上的剪应力达到其抗剪,只要该面上的剪应力达到其抗剪强度。强度。岩土工程研究所岩土工程研究所第五章第五章 土的抗剪强度土的抗剪强度二、莫尔应力圆二、莫尔应力圆研究土体内任一微小单元体的应力状态。研究土体内任一微小单元体的应力状态。1 1、主应力与主应力面、主应力与主应力面2 2、主应力相互正交、主应力相互正交3 3、任意一面上:正应力和剪应力、任意一面上:正应力和剪应力一点应力状态的表示方法:?一点应力状态的表示方法:?岩土工程研究所岩土工程研究所第五章第五章 土的抗剪强度土的抗剪强度二、莫尔应力圆二、莫尔应力圆在在坐标平面内,土单元体的应力状态的轨迹是一个
4、圆,圆心落在坐标平面内,土单元体的应力状态的轨迹是一个圆,圆心落在轴上,与轴上,与坐标原点的距离为坐标原点的距离为(11+22)/2,)/2,半径为半径为(11-22)/2,)/2,该圆就称为莫尔应力圆。该圆就称为莫尔应力圆。与大主应力与大主应力11面面 成成角的面上的正应力角的面上的正应力和剪应力和剪应力tt。岩土工程研究所岩土工程研究所第五章第五章 土的抗剪强度土的抗剪强度二、莫尔应力圆二、莫尔应力圆可以证明:可以证明:DD点对应的正应力和剪应力刚好等于点对应的正应力和剪应力刚好等于 面上等于面上等于正应力和剪应力。正应力和剪应力。莫尔应力圆圆周上的任意点,都代表着单元土体中相应面上的应力
5、状莫尔应力圆圆周上的任意点,都代表着单元土体中相应面上的应力状态态岩土工程研究所岩土工程研究所第五章第五章 土的抗剪强度土的抗剪强度三、莫尔三、莫尔库仑破坏准则库仑破坏准则(一)土的抗剪强度规律(一)土的抗剪强度规律库仑抗剪强度(总应力)表达式库仑抗剪强度(总应力)表达式:对于砂土对于砂土 ff=tg=tg 对于粘性土对于粘性土 ff=c+tg=c+tgcc、为土体总应力强度指标;为土体总应力强度指标;库仑抗剪强度(有效应力)表达式库仑抗剪强度(有效应力)表达式:对于砂土对于砂土 ff=tgtg 对于粘性土对于粘性土 ff=c=c+tgtgcc 、为土体有效应力强度指标;为土体有效应力强度指标
6、;对粘性土,抗剪强度由凝聚分量对粘性土,抗剪强度由凝聚分量和摩擦分量两部分组成和摩擦分量两部分组成一般土作为摩擦类材料:一般土作为摩擦类材料:f f 破坏破坏岩土工程研究所岩土工程研究所第五章第五章 土的抗剪强度土的抗剪强度(二)土的极限平衡条件(二)土的极限平衡条件=ff 时的极限平衡状态作为土的破坏准则:土体中某点任意面时的极限平衡状态作为土的破坏准则:土体中某点任意面上剪应力满足该式,该点破坏。上剪应力满足该式,该点破坏。可以把莫尔应力圆与库仑抗剪强度定律互相结合起来。可以把莫尔应力圆与库仑抗剪强度定律互相结合起来。通过两者之间的对照来对土所处的状态进行判别。把莫尔应力通过两者之间的对照
7、来对土所处的状态进行判别。把莫尔应力圆与库仑抗剪强度线相切时的应力状态,破坏状态圆与库仑抗剪强度线相切时的应力状态,破坏状态称为莫尔称为莫尔库仑破坏准则,它是目前判别土体库仑破坏准则,它是目前判别土体(土体单元土体单元)所处状态的最所处状态的最常用或最基本的准则。常用或最基本的准则。岩土工程研究所岩土工程研究所第五章第五章 土的抗剪强度土的抗剪强度二、莫尔应力圆二、莫尔应力圆可以证明:可以证明:DD点对应的正应力和剪应力刚好等于点对应的正应力和剪应力刚好等于 面上等于面上等于正应力和剪应力。正应力和剪应力。莫尔应力圆圆周上的任意点,都代表着单元土体中相应面上的应力状莫尔应力圆圆周上的任意点,都
8、代表着单元土体中相应面上的应力状态态岩土工程研究所岩土工程研究所第五章第五章 土的抗剪强度土的抗剪强度(二)土的极限平衡条件(二)土的极限平衡条件根据这一准则,根据这一准则,当土处于极限平衡状态即应理解为破坏状态当土处于极限平衡状态即应理解为破坏状态,此时的,此时的莫尔应力圆即称为莫尔应力圆即称为极限应力圆或破坏应力圆极限应力圆或破坏应力圆,相应的一对平面即称为,相应的一对平面即称为剪切破坏面(简称剪破面)。剪切破坏面(简称剪破面)。岩土工程研究所岩土工程研究所第五章第五章 土的抗剪强度土的抗剪强度下面将根据莫尔库仑破坏准则来研究某一下面将根据莫尔库仑破坏准则来研究某一土体单元土体单元处于极限
9、平衡状处于极限平衡状态时的应力条件及其大、小主应力之间的关系,该关系称为土的极限态时的应力条件及其大、小主应力之间的关系,该关系称为土的极限平衡条件。平衡条件。根据莫尔库仑破坏准则,当单元土体达到极限平衡状态时,莫尔应根据莫尔库仑破坏准则,当单元土体达到极限平衡状态时,莫尔应力圆恰好与库仑抗剪强度线相切。力圆恰好与库仑抗剪强度线相切。岩土工程研究所岩土工程研究所第五章第五章 土的抗剪强度土的抗剪强度根据图中的几何关系并经过三角公式的变换,可得根据图中的几何关系并经过三角公式的变换,可得上式即为土的极限平衡条件。当土的强度指标上式即为土的极限平衡条件。当土的强度指标c c,为已知,若土中某点的大
10、小为已知,若土中某点的大小主应力主应力 11和和 33满足上列关系式时,则该土体正好处于极限平衡或破坏状态。满足上列关系式时,则该土体正好处于极限平衡或破坏状态。上式也可适用于有效应力,相应上式也可适用于有效应力,相应c c,应该用应该用cc,。岩土工程研究所岩土工程研究所第五章第五章 土的抗剪强度土的抗剪强度上式也可适用于有效应力,相应上式也可适用于有效应力,相应cc,应该用应该用cc,。岩土工程研究所岩土工程研究所第五章第五章 土的抗剪强度土的抗剪强度从图中还可以看出,按照莫尔库仑破坏准则,当土处于极限平衡从图中还可以看出,按照莫尔库仑破坏准则,当土处于极限平衡状态时,其极限应力圆与抗剪强
11、度线相切与状态时,其极限应力圆与抗剪强度线相切与DD点,这说明此时土体点,这说明此时土体中已出现了一对剪破面。中已出现了一对剪破面。剪破面与大主应力面的夹角剪破面与大主应力面的夹角 ff 称为破坏角,从图中的几何关系可得称为破坏角,从图中的几何关系可得到理论剪破角为:到理论剪破角为:ff=45+/2=45+/2 注意:给定大主应力时,小主应力越小,越接近破坏;注意:给定大主应力时,小主应力越小,越接近破坏;给定小主应力时,大主应力越大,越接近破坏;给定小主应力时,大主应力越大,越接近破坏;岩土工程研究所岩土工程研究所第五章第五章 土的抗剪强度土的抗剪强度【例题【例题5 52 2】已知某土体单元
12、的大主应力】已知某土体单元的大主应力 11480kPa480kPa,小主应力小主应力 33210kPa210kPa。通过试验测得土的抗剪强度指标通过试验测得土的抗剪强度指标c c=20kPa20kPa,1818,问该单元土体处于什么状态?问该单元土体处于什么状态?【解】已知【解】已知 11480kPa480kPa,33210kPa 210kPa,c c=20kPa20kPa,1818(1 1)直接用)直接用 与与 ff的关系来判别的关系来判别岩土工程研究所岩土工程研究所第五章第五章 土的抗剪强度土的抗剪强度由式(由式(5522)和()和(5533)分别求出剪破面上的法向应力)分别求出剪破面上的
13、法向应力和剪应力和剪应力为为由式(由式(5566)求相应面上的抗剪强度)求相应面上的抗剪强度ff为为由于由于 ff,说明该单元体早已破坏。说明该单元体早已破坏。岩土工程研究所岩土工程研究所第五章第五章 土的抗剪强度土的抗剪强度(22)利用公式()利用公式(5588)或式()或式(5599)的极限平衡条件来判别)的极限平衡条件来判别由式(由式(5588)设达到极限平衡条件所需要的小主应力值为)设达到极限平衡条件所需要的小主应力值为3f3f,此时把实际存在的大主应力此时把实际存在的大主应力3 3=480kPa480kPa及强度指标及强度指标cc,代入公式代入公式(5588)中,则得)中,则得岩土工
14、程研究所岩土工程研究所第五章第五章 土的抗剪强度土的抗剪强度也可由式(也可由式(5 59 9)计算达到极限平衡条件时所需要得大主应)计算达到极限平衡条件时所需要得大主应力值为力值为1f1f,此时把实际存在的大主应力此时把实际存在的大主应力3 3=480kPa480kPa及强度指标及强度指标cc,代入公式(代入公式(5 58 8)中,则得)中,则得由计算结果表明,由计算结果表明,333f3f,1 1 1f 1f ,所以该单元土体早已所以该单元土体早已破坏。破坏。岩土工程研究所岩土工程研究所第五章第五章 土的抗剪强度土的抗剪强度5-3 5-3 确定强度指标的试验确定强度指标的试验测定土抗剪强度指标
15、的试验称为剪切试验;剪切试验可以在试验室内进行,也可在现场原位条件下进行。按常用的试验仪器可将剪切试验分为直接剪切试验、三轴压缩试验、无侧限抗压强度试验和十字板剪切试验四种。岩土工程研究所岩土工程研究所第五章第五章 土的抗剪强度土的抗剪强度5-3 5-3 确定强度指标的试验确定强度指标的试验一、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
16、。岩土工程研究所岩土工程研究所第五章第五章 土的抗剪强度土的抗剪强度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。慢将直剪试验划分为快剪、固结快剪和慢剪三种试验类型。(一)快剪(一)快剪(QQ)土工试验方法标准规定抗剪试验适用于土工试验方法标准规定抗剪试验适用于渗透系数小于渗透系数小于101066cm/scm/s的细粒土的细粒土,试验时在试样上施加垂直压力后,拔去固定销钉,立即以,试验时在试样上施加垂直压力后,拔去固定销钉,立即以岩土工程研究所岩土工程研究所第五章第五章
17、 土的抗剪强度土的抗剪强度0.80.8mm/minmm/min的剪切速度进行剪切,使试样在的剪切速度进行剪切,使试样在33minmin5min5min内剪破。内剪破。试样每产生剪切位移试样每产生剪切位移0.20.2mmmm0.4mm0.4mm测记测力计和位移读数,直测记测力计和位移读数,直至测力计读数出现峰值,或继续剪切至剪切位移为至测力计读数出现峰值,或继续剪切至剪切位移为44mmmm时停机,时停机,记下破坏值;当剪切过程中测力计读数无峰值时,应剪切至剪切记下破坏值;当剪切过程中测力计读数无峰值时,应剪切至剪切位移为位移为66mmmm时停机,该试验所得的强度称为快剪强度,相应的指时停机,该试
18、验所得的强度称为快剪强度,相应的指标称为标称为快剪强度指标,以快剪强度指标,以ccQQ,QQ表示表示。(二)固结快剪(二)固结快剪(RR)固结快剪试验固结快剪试验也适用于渗透系数小于也适用于渗透系数小于101066cm/scm/s的细粒土的细粒土。试验。试验时对试样施加垂直压力后,每小时测读垂直变形一次,直至变形时对试样施加垂直压力后,每小时测读垂直变形一次,直至变形稳定。变形稳定标准为变形量每小时不大于稳定。变形稳定标准为变形量每小时不大于0.0050.005mmmm,在拔去固在拔去固定销,剪切过程同快剪试验。所得强度称为定销,剪切过程同快剪试验。所得强度称为固结快剪强度固结快剪强度,相应,
19、相应指指岩土工程研究所岩土工程研究所第五章第五章 土的抗剪强度土的抗剪强度标称为标称为固结快剪强度指标,以固结快剪强度指标,以c cRR,RR表示表示。(三)慢剪(三)慢剪(S S)慢剪试验是对试样施加垂直压力后,待固结稳定后,再拔去固定慢剪试验是对试样施加垂直压力后,待固结稳定后,再拔去固定销,以小于销,以小于0.020.02mm/minmm/min的剪切速度使试样在充分排水的条件下进的剪切速度使试样在充分排水的条件下进行剪切,这样得到的强度称为慢剪强度,其相应的指标称为行剪切,这样得到的强度称为慢剪强度,其相应的指标称为慢剪慢剪强度指标,以强度指标,以c cSS,SS表示表示。上述三种方法
20、的试验结果如图上述三种方法的试验结果如图5 51010所示。所示。从图中可以看出,从图中可以看出,ccQ Q ccR R ccS S,而而 Q Q R R SS。岩土工程研究所岩土工程研究所第五章第五章 土的抗剪强度土的抗剪强度直剪试验的设备简单,试样的制备和安装方便,且操作容易掌握,直剪试验的设备简单,试样的制备和安装方便,且操作容易掌握,至今仍为工程单位广泛采用。至今仍为工程单位广泛采用。缺点:缺点:(11)剪破面固定;)剪破面固定;(22)排水条件不易控制;)排水条件不易控制;(33)应力分布不均;)应力分布不均;岩土工程研究所岩土工程研究所第五章第五章 土的抗剪强度土的抗剪强度二、三轴
21、压缩试验二、三轴压缩试验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抗压强度度,然后利用莫尔库仑准则,然后利用莫尔库仑准则间接推求土的抗剪强度间接推求土的抗剪强度。岩土工程研究所岩土工程研究所第五章第五章 土的抗剪强度土的抗剪强度二、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。岩土工程研究所岩土工程研究
22、所第五章第五章 土的抗剪强度土的抗剪强度三轴试验根据试样的固结和排水条件不同,可分为不固结不排水三轴试验根据试样的固结和排水条件不同,可分为不固结不排水剪(剪(UUUU)、)、固结不排水剪(固结不排水剪(CU)CU)和固结排水剪(和固结排水剪(CD)CD)三种方法。三种方法。分别对应于直剪试验的快剪、固结快剪和慢剪试验。分别对应于直剪试验的快剪、固结快剪和慢剪试验。不固结或固结是对周围压力增量而言的不固结或固结是对周围压力增量而言的不排水或排水是对附加轴向压力而言的。不排水或排水是对附加轴向压力而言的。岩土工程研究所岩土工程研究所第五章第五章 土的抗剪强度土的抗剪强度在进行不同方法的三轴试验时
23、,都要先使试样在周围压力在进行不同方法的三轴试验时,都要先使试样在周围压力cc下固下固结稳定,若进行不固结不排水剪试验,则在不排水条件下施加周结稳定,若进行不固结不排水剪试验,则在不排水条件下施加周围压力增量围压力增量33,然后在不允许有水进出的条件下,逐渐施加附然后在不允许有水进出的条件下,逐渐施加附加轴向压力加轴向压力qq,直至试样剪破。因此,试验中径向应力直至试样剪破。因此,试验中径向应力33等于等于(cc+33 ),轴向应力),轴向应力11等于等于(33+q+q )。若进行固结不排水剪)。若进行固结不排水剪试验,要允许试样在周围压力增量试验,要允许试样在周围压力增量33下排水,待固结稳
24、定后,下排水,待固结稳定后,再在不允许有水进出的条件下,逐渐施加附加轴向压力再在不允许有水进出的条件下,逐渐施加附加轴向压力qq,直至直至试样剪破。固结排水剪试验同样在周围压力增量试样剪破。固结排水剪试验同样在周围压力增量33下排水,待下排水,待固结稳定后,在允许有水进出的条件下以极慢的速率对试样逐渐固结稳定后,在允许有水进出的条件下以极慢的速率对试样逐渐施加附加轴向压力施加附加轴向压力qq,直至试样剪破。可以看出,这里所说的不直至试样剪破。可以看出,这里所说的不固结或固结是对周围压力增量而言的,不排水或排水是对附加轴固结或固结是对周围压力增量而言的,不排水或排水是对附加轴向压力而言的。向压力
25、而言的。岩土工程研究所岩土工程研究所第五章第五章 土的抗剪强度土的抗剪强度三轴试验步骤:三轴试验步骤:岩土工程研究所岩土工程研究所第五章第五章 土的抗剪强度土的抗剪强度三轴试验步骤:三轴试验步骤:岩土工程研究所岩土工程研究所第五章第五章 土的抗剪强度土的抗剪强度三、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三轴压缩试验中当周围压力 33 0 0时即为无侧限时即为无侧限试验条件,这时只有试验条件,这时只有q=q=11。所以,也可称为单轴所以,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
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