土質(zhì)學(xué)與土力學(xué)第七章土的抗剪強(qiáng)度.ppt

第七章,土的抗剪強(qiáng)度,土工結(jié)構(gòu)物或地基,土,滲透問題 變形問題 強(qiáng)度問題,滲透特性 變形特性 強(qiáng)度特性,7.1 概述 7.2 土的抗剪強(qiáng)度理論 7.3 土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn) 7.4 三軸壓縮試驗(yàn)中的孔隙壓力系數(shù) 7.5 飽和粘性土的土的抗剪強(qiáng)度 7.6 應(yīng)力路徑與破壞主應(yīng)力線簡介,7 土的抗剪強(qiáng)度,7 土的抗剪強(qiáng)度,本章需要重點(diǎn)掌握內(nèi)容： 1）掌握庫侖公式、莫爾庫侖強(qiáng)度理論； 2）掌握土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的測定方法； 3）掌握不同固結(jié)和排水條件下土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的意義及其應(yīng)用； 本章需要了解內(nèi)容： 1）孔隙壓力系數(shù)A和B 2）應(yīng)力路徑概念 3）抗剪強(qiáng)度的影響因素。 4）能利用抗剪強(qiáng)度的基本理論和試驗(yàn)方法解決實(shí)際工程土中的強(qiáng)度和穩(wěn)定問題。,一、土的強(qiáng)度特點(diǎn) 二、工程中土體的破壞類型,7 土的抗剪強(qiáng)度,7.1 土的抗剪強(qiáng)度概述,一、土的強(qiáng)度特點(diǎn)： 碎散性：強(qiáng)度不是顆粒礦物本身的強(qiáng)度，而是顆粒間相互作用主要是抗剪強(qiáng)度與剪切破壞，顆粒間粘聚力與摩擦力； 2. 三相體系：三相承受與傳遞荷載有效應(yīng)力原理； 3. 自然變異性：土的強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)性與復(fù)雜性。,7.1 土的抗剪強(qiáng)度概述,大阪的港口碼頭擋土墻由于液化前傾,二、工程中土體的破壞類型,1. 擋土結(jié)構(gòu)物的破壞,7.1 土的抗剪強(qiáng)度概述,1. 擋土結(jié)構(gòu)物的破壞,二、工程中土體的破壞類型,廣州京光廣場基坑塌方,使基坑旁辦公室、民工宿舍和倉庫倒塌，死3人，傷17人。,7.1 土的抗剪強(qiáng)度概述,擋土墻,滑裂面,基坑支護(hù),1. 擋土結(jié)構(gòu)物的破壞,二、工程中土體的破壞類型,7.1 土的抗剪強(qiáng)度概述,平移滑動(dòng),2. 各種類型的滑坡,崩塌,旋轉(zhuǎn)滑動(dòng),流滑,二、工程中土體的破壞類型,7.1 土的抗剪強(qiáng)度概述,1994年4月30日 崩塌體積400萬方 10萬方進(jìn)入烏江 死4人，傷5人，失蹤12人 擊沉拖輪、駁輪各一艘，漁船2只 1994年7月2-3日降雨引起再次滑坡 崩塌體巨大石塊滾入江內(nèi)，無法通航 滑坡體崩入烏江近百萬方；江水位差數(shù)米。,烏江武隆縣興順鄉(xiāng)雞冠嶺山體崩塌,2. 各種類型的滑坡,二、工程中土體的破壞類型,龍觀嘴,黃崖溝,烏江,2000年西藏易貢巨型滑坡,2. 各種類型的滑坡,二、工程中土體的破壞類型,高程（m）,滑距（m）,5530,2200,4000,扎 木 弄 溝,滑坡堆積體,0,8000,4000,2000,6000,立面示意圖,坡高 3330 m 堆積體寬 約2500m 總方量 約3億方,2. 各種類型的滑坡,二、工程中土體的破壞類型,2000年西藏易貢巨型滑坡,易貢滑坡堰塞湖,滑 坡 堆 積 區(qū),扎 木 弄 溝,2264m,2210m,2165m,2340m,平面示意圖,5520m,滑坡堆積體,2. 各種類型的滑坡,二、工程中土體的破壞類型,2000年西藏易貢巨型滑坡,天然壩 壩高290 m 滑坡堰塞湖 庫容15億方,湖水每天上漲約50cm?,2. 各種類型的滑坡,二、工程中土體的破壞類型,2000年西藏易貢巨型滑坡,邊坡,2. 各種類型的滑坡,二、工程中土體的破壞類型,粘土地基上的某谷倉地基破壞,3. 地基的破壞,二、工程中土體的破壞類型,日本新瀉1964年地震引起大面積液化,3. 地基的破壞,二、工程中土體的破壞類型,地基,3. 地基的破壞,二、工程中土體的破壞類型,土壓力 邊坡穩(wěn)定 地基承載力,擋土結(jié)構(gòu)物破壞 各種類型的滑坡 地基的破壞,二、工程中土體的破壞類型,1. 庫侖公式 2. 應(yīng)力狀態(tài)與摩爾圓 3. 極限平衡應(yīng)力狀態(tài) 4. 摩爾-庫侖強(qiáng)度理論 5. 破壞判斷方法 6. 滑裂面的位置,7.2 土的抗剪強(qiáng)度理論,c 粘聚力 內(nèi)摩擦角,f ： 土的抗剪強(qiáng)度 tg： 摩擦強(qiáng)度-正比于壓力 c： 粘聚強(qiáng)度-與所受壓力無關(guān),固定滑裂面,一般應(yīng)力狀態(tài)如何？判斷是否破壞？,借助于莫爾圓,庫侖公式及抗剪強(qiáng)度指標(biāo) （總應(yīng)力法與有效應(yīng)力法）,三維應(yīng)力狀態(tài),二. 應(yīng)力莫爾圓,二維應(yīng)力狀態(tài),莫爾圓應(yīng)力分析符號規(guī)定,材料力學(xué),+,-,+,-,土力學(xué),正應(yīng)力,剪應(yīng)力,拉為正 壓為負(fù),順時(shí)針為正 逆時(shí)針為負(fù),壓為正 拉為負(fù),逆時(shí)針為正 順時(shí)針為負(fù),二. 應(yīng)力莫爾圓,O,1,3,二. 應(yīng)力莫爾圓,大主應(yīng)力：,小主應(yīng)力:,圓心：,半徑：,z按順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn),x按順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn),莫爾圓：代表一個(gè)土單元的應(yīng)力狀態(tài)；圓周上一點(diǎn)代表一個(gè)面上的兩個(gè)應(yīng)力與,三. 極限平衡應(yīng)力狀態(tài),極限平衡應(yīng)力狀態(tài)： 有一對面上的應(yīng)力狀態(tài)達(dá)到 = f 土的強(qiáng)度包線： 所有達(dá)到極限平衡狀態(tài)的莫爾園的公切線。,f,三. 極限平衡應(yīng)力狀態(tài),f,強(qiáng)度包線以內(nèi)：任何一個(gè)面上的一對應(yīng)力與 都沒有達(dá)到破壞包線，不破壞； 與破壞包線相切：有一個(gè)面上的應(yīng)力達(dá)到破壞； 與破壞包線相交：有一些平面上的應(yīng)力超過強(qiáng)度；不可能發(fā)生。,四. 莫爾庫侖強(qiáng)度理論,1.土單元的某一個(gè)平面上的抗剪強(qiáng)度f是該面上作用的法向應(yīng)力的單值函數(shù), f =f() （莫爾：1900年） 2.在一定的應(yīng)力范圍內(nèi)，可以用線性函數(shù)近似f = c +tg 3.某土單元的任一個(gè)平面上 = f ，該單元就達(dá)到了極限平衡應(yīng)力狀態(tài),四. 莫爾庫侖強(qiáng)度理論,莫爾-庫侖強(qiáng)度理論表達(dá)式極限平衡條件,1f,3,四. 莫爾庫侖強(qiáng)度理論,莫爾-庫侖強(qiáng)度理論表達(dá)式極限平衡條件,根據(jù)應(yīng)力狀態(tài)計(jì)算出大小主應(yīng)力1、3,判斷破壞可能性,由3計(jì)算1f 比較1與1f,11f 破壞狀態(tài),五. 破壞判斷方法,判別對象：土體微小單元（一點(diǎn)）,3= 常數(shù)：,根據(jù)應(yīng)力狀態(tài)計(jì)算出大小主應(yīng)力1、3,判斷破壞可能性,由1計(jì)算3f 比較3與3f,33f 彈性平衡狀態(tài) 3=3f 極限平衡狀態(tài) 33f 破壞狀態(tài),五. 破壞判斷方法,判別對象：土體微小單元（一點(diǎn)）,1= 常數(shù)：,根據(jù)應(yīng)力狀態(tài)計(jì)算出大小主應(yīng)力1、3,判斷破壞可能性,由1、3計(jì)算與比較, 安全狀態(tài) = 極限平衡狀態(tài) 不可能狀態(tài),O,c,五. 破壞判斷方法,判別對象：土體微小單元（一點(diǎn)）,(1 + 3)/2 = 常數(shù)：圓心保持不變,O,c,1f,3,2,2,六. 滑裂面的位置,與大主應(yīng)力面夾角： =45 + /2,一、室內(nèi)試驗(yàn) 二、野外試驗(yàn),7.3 土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn),直剪試驗(yàn)、三軸試驗(yàn)等 制樣（重塑土）或現(xiàn)場取樣 缺點(diǎn)：擾動(dòng) 優(yōu)點(diǎn)：應(yīng)力條件清楚，易重復(fù),十字板扭剪試驗(yàn)、旁壓試驗(yàn)等 原位試驗(yàn) 缺點(diǎn)：應(yīng)力條件不易掌握 優(yōu)點(diǎn)：原狀土的原位強(qiáng)度,一、直接剪切試驗(yàn)（直剪試驗(yàn)） 庫侖（1776） 試驗(yàn)原理,施加 （=P/A），S 量測 （=T/A）, = 100KPa,S,A,7.3 土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn),直剪試驗(yàn) 庫侖（1776） 試驗(yàn)原理 試驗(yàn)結(jié)果, = 100KPa,S, = 200KPa, = 300KPa,7.3 土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn),c 粘聚力 內(nèi)摩擦角,直剪試驗(yàn) 庫侖（1776） 試驗(yàn)原理 試驗(yàn)結(jié)果,庫侖公式：,f ： 土的抗剪強(qiáng)度 tg： 摩擦強(qiáng)度-正比于壓力 c： 粘聚強(qiáng)度-與所受壓力無關(guān),滑動(dòng)摩擦,1. 摩擦強(qiáng)度 tg,（1）滑動(dòng)摩擦,（2）咬合摩擦引起的剪脹,滑動(dòng)摩擦,咬合摩擦引起的剪脹,1. 摩擦強(qiáng)度 tg,（3）顆粒的破碎與重排列,滑動(dòng)摩擦,顆粒破碎與重排列,1. 摩擦強(qiáng)度 tg,咬合摩擦引起的剪脹,密度（e, 粒徑級配（Cu, Cc） 顆粒的礦物成分 對于：砂土粘性土； 高嶺石伊里石蒙脫石 粒徑的形狀（顆粒的棱角與長寬比） 在其他條件相同時(shí)： 對于砂土，顆粒的棱角提高了內(nèi)摩擦角 對于碎石土，顆粒的棱角可能降低其內(nèi)摩擦角,影響土的摩擦強(qiáng)度的主要因素：,1. 摩擦強(qiáng)度 tg,粘聚強(qiáng)度機(jī)理 靜電引力（庫侖力） 范德華力 顆粒間膠結(jié) 假粘聚力（毛細(xì)力等）,粘聚強(qiáng)度影響因素 地質(zhì)歷史 粘土顆粒礦物成分 密度 離子價(jià)與離子濃度,2. 凝聚強(qiáng)度,通過控制剪切速率來近似模擬排水條件,1. （固結(jié)）慢剪： 施加正應(yīng)力-充分固結(jié) 慢慢施加剪應(yīng)力-小于 0.02mm/分，以保證無超靜孔壓 2. 固結(jié)快剪 施加正應(yīng)力-充分固結(jié) 在3-5分鐘內(nèi)剪切破壞 3. 快剪 施加正應(yīng)力后立即剪切， 3-5分鐘內(nèi)剪切破壞,一. 直剪試驗(yàn),O,n,K0n,一. 直剪試驗(yàn),設(shè)備簡單，操作方便 結(jié)果便于整理 測試時(shí)間短,優(yōu)點(diǎn),試樣應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜 應(yīng)變不均勻 不能控制排水條件 剪切面固定,缺點(diǎn),一. 直剪試驗(yàn),類似試驗(yàn)： 環(huán)剪試驗(yàn) 單剪試驗(yàn),壓力室,壓力水,排水管,閥門,軸向加壓桿,有機(jī)玻璃罩,橡皮膜,透水石,頂帽,二. 三軸壓縮（剪切）試驗(yàn),1.試樣應(yīng)力特點(diǎn)與試驗(yàn)方法 2.強(qiáng)度包線 3.試驗(yàn)類型 4.優(yōu)缺點(diǎn),二. 三軸壓縮試驗(yàn),方法： 首先試樣施加靜水壓力室壓（圍壓） 1=2=3 ； 然后通過活塞桿施加的是應(yīng)力差 1= 1-3 。,1.試樣應(yīng)力特點(diǎn)與試驗(yàn)方法：,特點(diǎn)： 試樣是軸對稱應(yīng)力狀態(tài)。垂直應(yīng)力z一般是大主應(yīng)力；徑向與切向應(yīng)力總是相等r=，亦即1=z；2=3=r,強(qiáng)度包線,(1-)f,c,(1-)f,1,1- 3,1 =15%,分別作圍壓為100 kPa 、200 kPa 、300 kPa的三軸試驗(yàn)，得到破壞時(shí)相應(yīng)的（1-)f,繪制三個(gè)破壞狀態(tài)的應(yīng)力摩爾圓，畫出它們的公切線強(qiáng)度包線，得到強(qiáng)度指標(biāo) c 與 ,二. 三軸壓縮試驗(yàn),2.強(qiáng)度包線,固結(jié)排水試驗(yàn)（CD試驗(yàn)） 1 打開排水閥門，施加圍壓后充分固結(jié)，超靜孔隙水壓力完全消散； 2 打開排水閥門，慢慢施加軸向應(yīng)力差以便充分排水，避免產(chǎn)生超靜孔壓,固結(jié)不排水試驗(yàn)（CU試驗(yàn)） 1 打開排水閥門，施加圍壓后充分固結(jié)，超靜孔隙水壓力完全消散； 2 關(guān)閉排水閥門，很快剪切破壞，在施加軸向應(yīng)力差過程中不排水,不固結(jié)不排水試驗(yàn)（UU試驗(yàn)） 1 關(guān)閉排水閥門，圍壓下不固結(jié)； 2 關(guān)閉排水閥門，很快剪切破壞，在施加軸向應(yīng)力差過程中不排水,cd 、d,ccu 、cu,cu 、u,3.試驗(yàn)類型,二. 三軸壓縮試驗(yàn),固結(jié)排水試驗(yàn)（CD試驗(yàn)） Consolidated Drained Triaxial test (CD) 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)： cd d （c ）,試驗(yàn)類型匯總,固結(jié)不排水試驗(yàn)（CU試驗(yàn)） Consolidated Undrained Triaxial test (CU) 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)：ccu cu,不固結(jié)不排水試驗(yàn)（UU試驗(yàn)） Unconsolidated Undrained Triaxial test (UU) 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)： cu u （ cuu uu ）,二. 三軸壓縮試驗(yàn),優(yōu)點(diǎn)： 1 應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力路徑明確； 2 排水條件清楚，可控制； 3 破壞面不是人為固定的； 4 試驗(yàn)單元體試驗(yàn),缺點(diǎn)： 設(shè)備相對復(fù)雜，現(xiàn)場無法試驗(yàn),說明： 30 即為無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),4.優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn),二. 三軸壓縮試驗(yàn),無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)如同三軸壓縮試驗(yàn)中3 =0時(shí)的特殊情況。試驗(yàn)時(shí)，將圓柱形試樣置于無側(cè)限壓縮儀中，對試樣不加周圍壓力，僅對它施加垂直軸向壓力1（見右圖），剪切破壞時(shí)試樣所承受的軸向壓力稱為無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。無粘性土在無側(cè)限條件下試樣難以成型，故該試驗(yàn)主要用于粘性土，尤其適用于飽和軟粘土。,三.無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),對于飽和軟粘土，在不固結(jié)不排水條件下進(jìn)行剪切試驗(yàn)，可認(rèn)為=0，其抗剪強(qiáng)度包線與軸平行。因而，由無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)所得的極限應(yīng)力圓的水平切線即為飽和軟粘土的不排水抗剪強(qiáng)度包線（水平線）。 由圖可知，其不排水抗剪強(qiáng)度cu為： cu=qu/2,真三軸儀 空心圓柱扭剪儀,其它室內(nèi)試驗(yàn),四.十字板剪切試驗(yàn),一般適用于測定軟粘土的不排水強(qiáng)度指標(biāo)；,鉆孔到指定的土層，插入十字形的探頭；,通過施加的扭矩計(jì)算土的抗剪強(qiáng)度,7.3 土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn),時(shí)：,四、十字板剪切試驗(yàn),?,幾種簡單的情形：,飽和土中孔隙水壓力和有效應(yīng)力的計(jì)算附加應(yīng)力情況,外荷載,附加應(yīng)力z,土骨架：有效應(yīng)力,(2) 軸對稱三維應(yīng)力狀態(tài),(1) 側(cè)限應(yīng)力狀態(tài),孔隙水：孔隙水壓力,超靜孔隙水壓力,7.4 三軸壓縮試驗(yàn)中的孔隙壓力系數(shù),側(cè)限應(yīng)力狀態(tài)及一維滲流固結(jié),附加應(yīng)力作用情況,實(shí)踐背景：大面積均布荷載,p0,不透水巖層,飽和壓縮層,z=p0,p0,側(cè)限應(yīng)力狀態(tài),側(cè)限應(yīng)力狀態(tài)及一維滲流固結(jié),附加應(yīng)力作用情況,物理模型：,鋼筒側(cè)限條件 彈簧土骨架 水體孔隙水 帶孔活塞排水頂面 活塞小孔滲透性大小,初始狀態(tài),邊界條件,滲透固結(jié)過程,p0,一般方程,側(cè)限應(yīng)力狀態(tài)及一維滲流固結(jié),附加應(yīng)力作用情況,p,p,附加應(yīng)力:z=p 超靜孔壓: u = z=p 有效應(yīng)力:z=0,滲透固結(jié)過程,附加應(yīng)力:z=p 超靜孔壓: u 0,附加應(yīng)力:z=p 超靜孔壓: u =0 有效應(yīng)力:z=p,孔壓系數(shù)：,不排水條件下相當(dāng)于t=0時(shí)刻:,附加應(yīng)力作用情況,側(cè)限應(yīng)力狀態(tài)及一維滲流固結(jié),滲透固結(jié)過程,u,隨時(shí)間在變化,產(chǎn)生超靜孔隙水壓力,附加應(yīng)力作用情況,軸對稱三維應(yīng)力狀態(tài),不固結(jié)不排水試驗(yàn),從某一初始狀態(tài)，閥門關(guān)閉，連接孔壓傳感器，施加圍壓不固結(jié)，量測超靜孔隙水壓力 uB 施加1 -時(shí)，閥門關(guān)閉，可連接孔壓傳感器，量測剪切過程中產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力 uA,一、孔壓系數(shù)A和B,軸對稱三維應(yīng)力狀態(tài),=,+,等向壓縮應(yīng)力狀態(tài),偏差應(yīng)力狀態(tài),封閉土樣,1. 等向壓縮應(yīng)力狀態(tài),孔隙流體產(chǎn)生了超靜孔隙水壓力uB,土骨架的有效附加應(yīng)力,孔隙流體的體積變化,孔隙流體的體積壓縮系數(shù)為Cv ，單位孔隙壓力作用引起的體應(yīng)變,土骨架的體積變化,設(shè)土骨架的體積壓縮系數(shù)為Cs,體積V,土骨架的體變等于孔隙流體的體變V1=V2,孔壓系數(shù)B,線彈性體,飽和土： 干 土： 非飽和土：,B是一個(gè)反映土飽和程度的指標(biāo),孔隙流體的體積壓縮系數(shù)為Cv ，單位孔隙壓力作用引起的體應(yīng)變,設(shè)土骨架的體積壓縮系數(shù)為Cs,孔壓系數(shù)B,1. 等向壓縮應(yīng)力狀態(tài),孔隙流體產(chǎn)生了超靜孔隙水壓力uA,有效附加應(yīng)力,孔隙流體的體積變化,土骨架的體積變化,土骨架的體變等于孔隙流體的體變V1=V2,孔壓系數(shù)A,2. 偏差應(yīng)力狀態(tài),體積V,假定為線彈性體,軸向,側(cè)向,總應(yīng)力增量,應(yīng)變增量,0,孔壓系數(shù)A,對飽和土:,剪切作用引起的孔壓響應(yīng),對于線彈性體:,A=1/3,A不是常數(shù)，隨加載過程而變化,A1/3,A1/3,剪脹：,剪縮：,2. 偏差應(yīng)力狀態(tài),A 是一個(gè)反映土剪脹性強(qiáng)弱的指標(biāo)，其大小與土性有關(guān),問題: 能否對孔壓系數(shù) A 作進(jìn)一步的解釋？,問題: 能否對孔壓系數(shù) A 作進(jìn)一步的解釋？,回答：,偏差應(yīng)力狀態(tài),等向壓縮應(yīng)力狀態(tài),純剪應(yīng)力狀態(tài),純剪應(yīng)力狀態(tài),軸對稱三維應(yīng)力狀態(tài),等向壓縮應(yīng)力狀態(tài),偏差應(yīng)力狀態(tài),強(qiáng)度指標(biāo)：,峰值強(qiáng)度指標(biāo) 與 殘余強(qiáng)度指標(biāo),7.5 飽和粘性土的抗剪強(qiáng)度,粘聚力 c 內(nèi)摩擦角 ,工程應(yīng)用,三種分類方法,總應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo) 與 有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo),直剪強(qiáng)度指標(biāo) 與 三軸試驗(yàn)強(qiáng)度指標(biāo),目的,分析方法,試驗(yàn)方法,應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài),一. 總應(yīng)力指標(biāo)與有效應(yīng)力指標(biāo),兩種強(qiáng)度指標(biāo)的比較 有效應(yīng)力、總應(yīng)力強(qiáng)度包線與破壞主應(yīng)力線,5.4 土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo),7.5 飽和粘性土的抗剪強(qiáng)度,1. 兩種強(qiáng)度指標(biāo)的比較,一. 總應(yīng)力指標(biāo)與有效應(yīng)力指標(biāo),土的抗剪強(qiáng)度的 有效應(yīng)力指標(biāo)c, , = c + tg = -u,符合土的破壞機(jī)理，但有時(shí)孔隙水壓力u無法確定,土的抗剪強(qiáng)度的 總應(yīng)力指標(biāo)c, , = c + tg,便于應(yīng)用,但u不能產(chǎn)生抗剪強(qiáng)度，不符合強(qiáng)度機(jī)理，應(yīng)用時(shí)要符合工程條件,強(qiáng)度指標(biāo),抗剪強(qiáng)度,簡單評價(jià),1,(),p(p),q,u,Kf,Kf,f,f,u,u,松砂及正常固結(jié)粘土(CU),一. 總應(yīng)力指標(biāo)與有效應(yīng)力指標(biāo),2. 強(qiáng)度包線與破壞主應(yīng)力線,思考題1：實(shí)際破裂面的方向？ 思考題2：如果破壞時(shí)孔隙水壓力u(負(fù)孔壓)，有效應(yīng)力摩爾圓在總應(yīng)力摩爾圓哪邊？,(),c,c,f,f,超固結(jié)粘土的總應(yīng)力與有效應(yīng)力強(qiáng)度包線(CU),u(-),一. 總應(yīng)力指標(biāo)與有效應(yīng)力指標(biāo),2.強(qiáng)度包線與破壞主應(yīng)力線,u(+),總應(yīng)力,有效應(yīng)力,二. 三軸試驗(yàn)強(qiáng)度指標(biāo),剪切前固結(jié)條件,剪切中排水條件,固結(jié) Consolidated,排水 Drained,1.固結(jié)排水試驗(yàn) （CD）,2.固結(jié)不排水試驗(yàn) （CU）,固結(jié) Consolidated,不排水 Undrained,不固結(jié) Unconsolidated,不排水 Undrained,三種試驗(yàn),3.不固結(jié)不排水試驗(yàn) （UU）,5.4 土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo),7.5 飽和粘性土的抗剪強(qiáng)度,1.固結(jié)排水試驗(yàn),強(qiáng)度指標(biāo)：cd，d (1) 試驗(yàn)條件 (2) 松砂與正常固結(jié)粘土試驗(yàn)曲線與強(qiáng)度包線 (3) 密砂與超固結(jié)粘土試驗(yàn)曲線與強(qiáng)度包線 (4) 超固結(jié)粘土+正常固結(jié)粘土的強(qiáng)度包線,二.三軸試驗(yàn)強(qiáng)度指標(biāo),(1)試驗(yàn)條件,壓力室,壓力水,排水管,閥門,軸向加壓桿,有機(jī)玻璃罩,橡皮膜,透水石,頂帽,1.固結(jié)排水試驗(yàn),二.三軸試驗(yàn)強(qiáng)度指標(biāo),施加圍壓充分固結(jié) 施加(1 -)時(shí)，排水閥門始終打開，速度慢足以使孔壓消散 始終u=0，=-u=,1= 1,d=,=,f= f,(1)試驗(yàn)條件,1.固結(jié)排水試驗(yàn),二.三軸試驗(yàn)強(qiáng)度指標(biāo),總應(yīng)力指標(biāo)與有效應(yīng)力指標(biāo)一致:,cd = c,破壞面位置：,v,軸向應(yīng)力漸進(jìn)增加，體應(yīng)變是體縮，最終二者均趨于穩(wěn)定,(2) 松砂與正常固結(jié)粘土試驗(yàn)曲線與強(qiáng)度包線,=,f=f,思考題：正常固結(jié)粘土包線為什么過原點(diǎn)？,1.固結(jié)排水試驗(yàn),二.三軸試驗(yàn)強(qiáng)度指標(biāo),實(shí)驗(yàn)室的正常固結(jié)粘土： 有效固結(jié)壓力c 等于先期固結(jié)壓力pc。,地基中的正常固結(jié)粘土： z cz pc 取回室內(nèi), 如 c z，不再是正常固結(jié)土。,f,“正常固結(jié)粘土”,(2) 松砂與正常固結(jié)粘土試驗(yàn)曲線與強(qiáng)度包線,1.固結(jié)排水試驗(yàn),二.三軸試驗(yàn)強(qiáng)度指標(biāo),抗剪強(qiáng)度指標(biāo)有時(shí)失去其物理意義，而變成計(jì)算參數(shù)的含義,z,固結(jié)壓力為0的正常固結(jié)粘土: 當(dāng)正常固結(jié)粘土試樣的固結(jié)壓力為0時(shí)，亦即其歷史上的最大固結(jié)壓力是0 處于泥漿狀態(tài)，抗剪強(qiáng)度為0。,c=0是否意味著正常固結(jié)粘土無粘聚力? 粘聚力隨增加而增加,v,v表示體縮 v0表示體脹(剪脹),應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系軟化，體應(yīng)變剪脹,峰值強(qiáng)度,殘余強(qiáng)度,(3)密砂與超固結(jié)粘土試驗(yàn)曲線與強(qiáng)度包線,峰值強(qiáng)度,殘余強(qiáng)度,f,密砂強(qiáng)度包線,密砂應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線,1.固結(jié)排水試驗(yàn),二.三軸試驗(yàn)強(qiáng)度指標(biāo),v表示體縮 v0表示體脹(剪脹),超固結(jié)粘土強(qiáng)度包線,超固結(jié)粘土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線,(3)密砂與超固結(jié)土試驗(yàn)曲線與強(qiáng)度包線,1.固結(jié)排水試驗(yàn),二.三軸試驗(yàn)強(qiáng)度指標(biāo),應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系軟化，體應(yīng)變剪脹,c0,e,pc,強(qiáng)度包線,f,pc,土的壓縮曲線,(4)超固結(jié)粘土+正常固結(jié)粘土強(qiáng)度包線, pc ，正常固結(jié)粘土； pc ，超固結(jié)粘土,1.固結(jié)排水試驗(yàn),二.三軸試驗(yàn)強(qiáng)度指標(biāo),固結(jié)排水試驗(yàn)小結(jié),松砂與正常固結(jié)粘土試驗(yàn)曲線與強(qiáng)度包線： 應(yīng)變硬化與體積收縮，cd = 0； 密砂試驗(yàn)曲線與強(qiáng)度包線： 應(yīng)變軟化與剪脹性，cd = 0； 超固結(jié)粘土試驗(yàn)曲線與強(qiáng)度包線： 應(yīng)變軟化與剪脹性，cd與d; 超固結(jié)粘土+正常固結(jié)粘土的強(qiáng)度包線: 折線 c0 的直線近似,1.固結(jié)排水試驗(yàn),二.三軸試驗(yàn)強(qiáng)度指標(biāo),教材199頁圖7-20,剪切前固結(jié)條件,剪切中排水條件,固結(jié) Consolidated,排水 Drained,1.固結(jié)排水試驗(yàn) （CD）,2.固結(jié)不排水試驗(yàn) （CU）,固結(jié) Consolidated,不排水 Undrained,不固結(jié) Unconsolidated,不排水 Undrained,三種試驗(yàn),3.不固結(jié)不排水試驗(yàn) （UU）,二.三軸試驗(yàn)強(qiáng)度指標(biāo),5.4 土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo),7.5 飽和粘性土的抗剪強(qiáng)度,2.固結(jié)不排水試驗(yàn),二.三軸試驗(yàn)強(qiáng)度指標(biāo),強(qiáng)度指標(biāo)：ccu ，cu；c， (1) 試驗(yàn)條件 (2) 正常固結(jié)粘土固結(jié)不排水試驗(yàn)曲線與強(qiáng)度包線 (3) 超固結(jié)粘土固結(jié)不排水試驗(yàn)曲線與強(qiáng)度包線 (4) 固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)確定的強(qiáng)度指標(biāo),(1)試驗(yàn)條件 施加圍壓充分固結(jié) 施加(1 -)時(shí)，閥門關(guān)閉，可連接孔壓傳感器，量測剪切過程中產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力 u u0，=-u,量測孔隙水壓力,2.固結(jié)不排水試驗(yàn),二.三軸試驗(yàn)強(qiáng)度指標(biāo),2.固結(jié)不排水試驗(yàn),二.三軸試驗(yàn)強(qiáng)度指標(biāo),剪切過程中的超靜孔隙水壓力u 對于飽和土試樣：孔壓系數(shù)B=1.0 u=BA ( = A ( 對于剪切過程中無體積變化： A=1/3 剪切過程中發(fā)生剪縮： A1/3 剪切過程中發(fā)生剪脹： A1/3 (甚至可能A0，u 0 ）,u,軸向應(yīng)力和孔壓漸進(jìn)增加并趨于穩(wěn)定， 孔壓 u 0,(2) 正常固結(jié)粘土固結(jié)不排水試驗(yàn)曲線與強(qiáng)度包線,f,f,cu,2.固結(jié)不排水試驗(yàn),二.三軸試驗(yàn)強(qiáng)度指標(biāo),u,應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系軟化，孔壓可能小于0 與超固結(jié)度有關(guān),f,(3) 超固結(jié)粘土固結(jié)不排水試驗(yàn)曲線與強(qiáng)度包線,f,cu,u0,u0,2.固結(jié)不排水試驗(yàn),二.三軸試驗(yàn)強(qiáng)度指標(biāo),(4) 固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)確定的強(qiáng)度指標(biāo),2.固結(jié)不排水試驗(yàn),二.三軸試驗(yàn)強(qiáng)度指標(biāo),應(yīng)力變量,試驗(yàn)量測, u,計(jì)算,= u =,確定的強(qiáng)度指標(biāo),ccu cu,c ,固結(jié)不排水試驗(yàn)小結(jié),剪切過程中的超靜孔隙水壓力u 正常固結(jié)粘土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線: 硬化 正常固結(jié)粘土的有效應(yīng)力與總應(yīng)力的強(qiáng)度包線: cu 超固結(jié)粘土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線: 軟化 超固結(jié)粘土的固結(jié)不排水強(qiáng)度指標(biāo): c ccu, cu 固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)確定的強(qiáng)度指標(biāo): ccu, cu; c, ,2.固結(jié)不排水試驗(yàn),二.三軸試驗(yàn)強(qiáng)度指標(biāo),教材198頁圖7-17、7-18,剪切前固結(jié)條件,剪切中排水條件,固結(jié) Consolidated,排水 Drained,1.固結(jié)排水試驗(yàn) （CD）,2.固結(jié)不排水試驗(yàn) （CU）,固結(jié) Consolidated,不排水 Undrained,不固結(jié) Unconsolidated,不排水 Undrained,三種試驗(yàn),3.不固結(jié)不排水試驗(yàn) （UU）,二.三軸試驗(yàn)強(qiáng)度指標(biāo),3.不固結(jié)不排水試驗(yàn),二.三軸試驗(yàn)強(qiáng)度指標(biāo),強(qiáng)度指標(biāo)：cuu (cu)，uu (u) (1) 試驗(yàn)條件 (2) 粘土的孔隙比有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度唯一性關(guān)系 (3) 飽和試樣的不排水強(qiáng)度指標(biāo)cu (4) 不排水試驗(yàn)與固結(jié)不排水試驗(yàn) (5) 無側(cè)限壓縮試驗(yàn)：3 = 0的不排水試驗(yàn) (6) 不飽和試樣的不排水強(qiáng)度,(1)試驗(yàn)條件 從某一初始狀態(tài)開始，關(guān)閉閥門施加圍壓，產(chǎn)生孔隙水壓力 u1=B 施加（1 -）時(shí)，閥門關(guān)閉，可連接孔壓傳感器，量測剪切過程中產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力u2 = BA (),3.不固結(jié)不排水試驗(yàn),二.三軸試驗(yàn)強(qiáng)度指標(biāo),量測孔隙水壓力,3.不固結(jié)不排水試驗(yàn),二.三軸試驗(yàn)強(qiáng)度指標(biāo),(2)粘土的孔隙比有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度唯一性關(guān)系,強(qiáng)度的影響因素:,土的組成,土的狀態(tài),土的結(jié)構(gòu),應(yīng)力狀態(tài),ef pf - qf 唯一性關(guān)系,ef f - f 唯一性關(guān)系, (p), (q),Kf線,f線,唯一的ef,應(yīng)力歷史,同一種正常 固結(jié)粘土,土的狀態(tài) (,e),應(yīng)力狀態(tài),應(yīng)力歷史相同時(shí) 也滿足唯一性關(guān)系,研究表明,超固結(jié)粘土:,u =0 , cu, 并且有效應(yīng)力摩爾圓是唯一的,思考題：可否由不排水試驗(yàn)確定有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)？,(3)飽和試樣的不排水強(qiáng)度指標(biāo),cu,u = B + A () B=1,3.不固結(jié)不排水試驗(yàn),二.三軸試驗(yàn)強(qiáng)度指標(biāo),cu, pc1,cu1,pc2,cu2,pc3,cu3,(4)不排水試驗(yàn)與固結(jié)不排水試驗(yàn),3.不固結(jié)不排水試驗(yàn),二.三軸試驗(yàn)強(qiáng)度指標(biāo),正常固結(jié)粘土層,固結(jié)不排水試驗(yàn)強(qiáng)度包線上的每一點(diǎn)對應(yīng)于一個(gè)具有相同先期固結(jié)壓力的不排水強(qiáng)度指標(biāo),cu = qu/2,cu,qu = ,(5)無側(cè)限壓縮試驗(yàn)：3 =0的不排水試驗(yàn),3.不固結(jié)不排水試驗(yàn),二.三軸試驗(yàn)強(qiáng)度指標(biāo),(6)不飽和試樣的不排水強(qiáng)度,不飽和區(qū),飽和區(qū),3.不固結(jié)不排水試驗(yàn),二.三軸試驗(yàn)強(qiáng)度指標(biāo),不固結(jié)不排水試驗(yàn)小結(jié),3.不固結(jié)不排水試驗(yàn),二.三軸試驗(yàn)強(qiáng)度指標(biāo),飽和試樣的不排水強(qiáng)度指標(biāo): u =0 , cu 飽和試樣的固結(jié)不排水試驗(yàn)與不排水強(qiáng)度指標(biāo): 有關(guān)聯(lián) 無側(cè)限壓縮試驗(yàn)： 3=0, 是一種特殊的不排水試驗(yàn) 不飽和試樣的不排水強(qiáng)度指標(biāo): 隨3增加而增加并趨于穩(wěn)定,教材197頁圖7-15,三. 直剪試驗(yàn)強(qiáng)度指標(biāo),1. 慢剪 施加正應(yīng)力-充分固結(jié) 慢慢施加剪應(yīng)力-小于0.02mm/分，以保證無超靜孔壓 2. 固結(jié)快剪 施加正應(yīng)力-充分固結(jié) 在3-5分鐘內(nèi)剪切破壞 3. 快剪 施加正應(yīng)力后 立即剪切3-5分鐘內(nèi)剪切破壞,強(qiáng)度指標(biāo),對于砂土，三種試驗(yàn)結(jié)果都接近于c 對于粘性土， 慢剪(Slowly: s) ：csc s; 由于摩擦和中主應(yīng)力使其強(qiáng)度指標(biāo)稍大 0.9csc, 0.9s 固結(jié)快剪（Consolidated Quickly : cq） ccqccu cqcu 快剪 (Quickly: q) : 對于 k10-7 cm/s 粘土 cqcu qu,三. 直剪試驗(yàn)強(qiáng)度指標(biāo),四. 土的強(qiáng)度指標(biāo)的工程應(yīng)用,有效應(yīng)力指標(biāo)還是總應(yīng)力指標(biāo)？ 三軸試驗(yàn)指標(biāo)還是直剪試驗(yàn)指標(biāo)？ 峰值強(qiáng)度指標(biāo)還是殘余強(qiáng)度指標(biāo)？,5.4 土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo),7.5 飽和粘性土的抗剪強(qiáng)度,四. 土的強(qiáng)度指標(biāo)的工程應(yīng)用,有效應(yīng)力指標(biāo)與總應(yīng)力指標(biāo) 凡是可以確定（測量、計(jì)算）孔隙水壓力u的情況，都應(yīng)當(dāng)使用有效應(yīng)力指標(biāo)c，,四. 土的強(qiáng)度指標(biāo)的工程應(yīng)用,三軸試驗(yàn)指標(biāo)與直剪試驗(yàn)指標(biāo) 砂土： c, 三軸排水試驗(yàn)指標(biāo)與直剪試驗(yàn)指標(biāo) （直剪試驗(yàn)得到的指標(biāo)偏大） 粘土： 有效應(yīng)力指標(biāo)：固結(jié)排水、固結(jié)不排水 總應(yīng)力指標(biāo)：三軸固結(jié)不排水、不排水; 直剪固結(jié)快剪、快剪,四. 土的強(qiáng)度指標(biāo)的工程應(yīng)用,峰值強(qiáng)度指標(biāo)與殘余強(qiáng)度指標(biāo) 峰值強(qiáng)度 一般問題 殘余強(qiáng)度 古舊滑坡 斷層夾泥 大變形問題,粘土地基上分層慢速施工的填方,穩(wěn)定滲流期的土壩,天然粘土坡或在粘土中的開挖,固結(jié)排水強(qiáng)度指標(biāo)的應(yīng)用實(shí)例 ccd cd,幾種固結(jié)不排水強(qiáng)度指標(biāo)的應(yīng)用實(shí)例 ccu cu,在1層土固結(jié)后，施工2層,庫水位從1驟降到2,在天然土坡上快速填方,幾種不排水強(qiáng)度指標(biāo) cu 在工程中的應(yīng)用,軟土地基上快速施工的填方,土壩快速施工，心墻未固結(jié),粘土地基上快速施工的建筑物,例題：正常固結(jié)飽和粘土試樣，在三軸壓力室內(nèi)保持300KPa周壓條件下做排水剪切試驗(yàn)，測得 cd=0,d=30，問： （1）排水剪剪切破壞面的正應(yīng)力、剪應(yīng)力及方位。 （2）保持300KPa周壓條件下進(jìn)行固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)，破壞時(shí)的軸向壓力差1-3=300KPa ，求固結(jié)不排水剪總應(yīng)力與有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)；剪切破壞時(shí)試樣中的孔壓及相應(yīng)的孔壓系數(shù)；剪切破壞面的正應(yīng)力、剪應(yīng)力及方位。 （3）若先在200KPa周壓條件下使試樣固結(jié)，然后也施加周壓300KPa進(jìn)行不排水剪切試驗(yàn)，求抗剪強(qiáng)度指標(biāo)及剪切破壞面的正應(yīng)力、剪應(yīng)力及方位。 （4）試比較排水剪、固結(jié)不排水剪、不排水剪的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)及剪切破壞面。,解：1）排水剪試驗(yàn)的抗剪強(qiáng)度曲線所表示的是有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)及應(yīng)力狀態(tài)。,剪切破壞面的應(yīng)力與方位是：,2）正常固結(jié)飽和粘土的固結(jié)不排水剪抗剪強(qiáng)度包線筆通過坐標(biāo)原點(diǎn)，破壞應(yīng)力圓與其相切，由圖可得：,試樣剪切破壞時(shí)的有效應(yīng)力狀態(tài)為：,因試樣為完全飽和狀態(tài)，孔壓系數(shù)為：,固結(jié)不排水剪總應(yīng)力抗剪強(qiáng)度包線與總應(yīng)力破壞圓相切點(diǎn)所表示的是假想的剪切破壞面，該面與大主應(yīng)力面的夾角與應(yīng)力為：,固結(jié)不排水剪的真實(shí)剪切破壞面是有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度包線與有效應(yīng)力破壞圓相切點(diǎn)所表示的剪切面，該面與大主應(yīng)力面的夾角與應(yīng)力為：,3）不排水剪的剪切強(qiáng)度與試樣初始的固結(jié)程度有關(guān)。由排水剪強(qiáng)度曲線與固結(jié)壓力的剪切破壞應(yīng)力圓相切可得：,當(dāng)周壓增至300kpa，進(jìn)行不排水剪試驗(yàn)，其有效應(yīng)力圓不變，將其平移u可得總應(yīng)力圓，即：,4)在同樣周壓下，三種固結(jié)條件的剪切強(qiáng)度為： 排水剪 d=30 cd=0 固結(jié)不排水剪 cu=19.5 ccu=0 不排水剪 u=0 cu=200kpa 土樣剪切破壞面的方位是唯一的，為有效應(yīng)力破壞面與大主應(yīng)力面間的夾角。,7.6 應(yīng)力路徑與破壞主應(yīng)力線,一、應(yīng)力路徑及表示法 二、強(qiáng)度包線與破壞主應(yīng)力線 三、總應(yīng)力路徑與有效應(yīng)力路徑,土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系特性 彈塑性 需要記錄加載歷史 應(yīng)力路徑概念 應(yīng)力狀態(tài)：土體中一點(diǎn)（微小單元）上作用的應(yīng)力的大小與方向 土體中一點(diǎn)應(yīng)