抗剪強(qiáng)度計(jì)算.ppt

2011年春季4月份語音答疑 張松 一切為了學(xué)生 為了一切學(xué)生 為了學(xué)生一切 土的抗剪強(qiáng)度計(jì)算 一 土體破壞與土的強(qiáng)度理論二 土的抗剪強(qiáng)度的測(cè)定試驗(yàn)三 土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo) 答疑提要 本章提要學(xué)習(xí)難點(diǎn) 第五章 土的抗剪強(qiáng)度 土是如何破壞的 如何衡量土的強(qiáng)度 如何測(cè)定土的強(qiáng)度 如何應(yīng)用土的強(qiáng)度指標(biāo) 土的抗剪強(qiáng)度理論及本質(zhì)土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)及測(cè)試方法土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的種類及選取 5土的抗剪強(qiáng)度 一 土體破壞與強(qiáng)度理論 5土的抗剪強(qiáng)度 1 土的強(qiáng)度特點(diǎn)2 土的強(qiáng)度機(jī)理3 莫爾 庫侖強(qiáng)度理論 土的強(qiáng)度及其特點(diǎn) 天然狀態(tài)下的砂 沿坡方向的平衡 天然休止角 也是最松狀態(tài)下的砂內(nèi)摩擦角 5 1概述 土體強(qiáng)度及其特點(diǎn) 土的強(qiáng)度及其特點(diǎn) 天然狀態(tài)下的沙丘 固定沙丘背風(fēng)坡角度接近天然休止角 一般為 30 35 大于礦物滑動(dòng)摩擦角 顆粒間存在一定的咬合作用 5 1概述 土體強(qiáng)度及其特點(diǎn) 土體強(qiáng)度的特點(diǎn) 碎散性 對(duì)于散粒體強(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三相體系 三相承受與傳遞荷載 有效應(yīng)力原理 5 1概述 土體強(qiáng)度及其特點(diǎn) 直剪試驗(yàn) 直剪試驗(yàn) 法向應(yīng)力 剪應(yīng)力 剪切變形S 5 2土的抗剪強(qiáng)度理論 直剪試驗(yàn)與庫倫公式 直剪試驗(yàn)的強(qiáng)度包線 庫侖公式 1776 f 土的抗剪強(qiáng)度 tg 摩擦強(qiáng)度 正比于壓力 土的內(nèi)摩擦角c 粘聚強(qiáng)度 與所受壓力無關(guān) 5 2土的抗剪強(qiáng)度理論 直剪試驗(yàn)與庫倫公式 試驗(yàn)結(jié)果 土的強(qiáng)度機(jī)理 土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo) c和 是決定土的抗剪強(qiáng)度的兩個(gè)指標(biāo) 稱為抗剪強(qiáng)度指標(biāo) 當(dāng) 采用總應(yīng)力時(shí) 稱為總應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)當(dāng) 采用有效應(yīng)力時(shí) 稱為有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo) 對(duì)無粘性土通常認(rèn)為 粘聚力C 0 庫侖公式 5 2土的抗剪強(qiáng)度理論 直剪試驗(yàn)與庫倫公式 土的強(qiáng)度機(jī)理 土的強(qiáng)度機(jī)理 5土的抗剪強(qiáng)度 1 滑動(dòng)摩擦 5土的抗剪強(qiáng)度 2 摩擦強(qiáng)度 tan 由顆粒之間發(fā)生滑動(dòng)時(shí)顆粒接觸面粗糙不平所引起 與顆粒大小 礦物組成等因素有關(guān) 5 1土體破壞與強(qiáng)度理論 2 咬合摩擦 三 土的強(qiáng)度機(jī)理 5土的抗剪強(qiáng)度 5土的抗剪強(qiáng)度 2 摩擦強(qiáng)度 tan 剪切面 是指相鄰顆粒對(duì)于相對(duì)移動(dòng)的約束作用當(dāng)發(fā)生剪切破壞時(shí) 相互咬合著的顆粒A必須抬起 跨越相鄰顆粒B 或在尖角處被剪斷 C 才能移動(dòng)土體中的顆粒重新排列 也會(huì)消耗能量 5 1土體破壞與強(qiáng)度理論 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 三 土的強(qiáng)度機(jī)理 5土的抗剪強(qiáng)度 3 粘聚強(qiáng)度 5土的抗剪強(qiáng)度 5 1土體破壞與強(qiáng)度理論 細(xì)粒土 粘聚力c取決于土粒間的各種物理化學(xué)作用力 粗粒土 一般認(rèn)為是無粘性土 不具有粘聚強(qiáng)度 當(dāng)粗間有膠結(jié)物質(zhì)存在時(shí)可具有一定的粘聚強(qiáng)度非飽和砂土 粒間受毛細(xì)壓力 具有假粘聚力 應(yīng)力狀態(tài)與莫爾圓極限平衡應(yīng)力狀態(tài)莫爾 庫侖強(qiáng)度理論破壞判斷方法滑裂面的位置 莫爾 庫侖強(qiáng)度理論 5 1土的抗剪強(qiáng)度理論 莫爾 庫侖強(qiáng)度理論 5土的抗剪強(qiáng)度 四 莫爾 庫侖強(qiáng)度理論 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 5土的抗剪強(qiáng)度 5 1土體破壞與強(qiáng)度理論 三 土中一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài) 土體內(nèi)一點(diǎn)處不同方位的截面上應(yīng)力的集合 剪應(yīng)力 和法向應(yīng)力 楔體靜力平衡 斜面上的應(yīng)力 莫爾應(yīng)力圓方程 A 圓心坐標(biāo) 1 2 1 3 0 應(yīng)力圓半徑r 1 2 1 3 土中某點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)可用莫爾應(yīng)力圓描述 極限平衡應(yīng)力狀態(tài) 5 2土的抗剪強(qiáng)度理論 莫爾 庫侖強(qiáng)度理論 極限平衡應(yīng)力狀態(tài) 當(dāng)一面上的應(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)的莫爾圓的公切線 切點(diǎn) 破壞面 應(yīng)力莫爾圓與強(qiáng)度包線 強(qiáng)度包線以下 任何一個(gè)面上的一對(duì)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 5 2土的抗剪強(qiáng)度理論 莫爾 庫侖強(qiáng)度理論 不可能發(fā)生 莫爾 庫侖強(qiáng)度理論的破壞準(zhǔn)則 土的極限平衡條件 處于極限平衡狀態(tài)時(shí) 1和 3之間應(yīng)滿足的關(guān)系 無粘性土 5 2土的抗剪強(qiáng)度理論 莫爾 庫侖強(qiáng)度理論 土單元是否破壞的判別 根據(jù)極限平衡條件可以用來判別一點(diǎn)土體是否已發(fā)生剪切破壞 計(jì)算主應(yīng)力 1 3 確定土單元體的應(yīng)力狀態(tài) x z xz 判別是否剪切破壞 由 3 1f 比較 1和 1f由 1 3f 比較 3和 3f由 1 3 m 比較 和 m 5 2土的抗剪強(qiáng)度理論 莫爾 庫侖強(qiáng)度理論 土單元是否破壞的判別 1 1f極限平衡狀態(tài) 破壞 1 1f不可能狀態(tài) 破壞 方法一 由 3 1f 比較 1和 1f 5 2土的抗剪強(qiáng)度理論 莫爾 庫侖強(qiáng)度理論 土單元是否破壞的判別 方法二 由 1 3f 比較 3和 3f 3 3f極限平衡狀態(tài) 破壞 3 3f安全狀態(tài) 3 3f不可能狀態(tài) 破壞 5 2土的抗剪強(qiáng)度理論 莫爾 庫侖強(qiáng)度理論 土單元是否破壞的判別 方法三 由 1 3 m 比較 和 m m 不可能狀態(tài) 破壞 處于極限平衡狀態(tài)所需的內(nèi)摩擦角 5 2土的抗剪強(qiáng)度理論 莫爾 庫侖強(qiáng)度理論 2 2 5 滑裂面的位置 與大主應(yīng)力面夾角 45 2 5土的抗剪強(qiáng)度 四 莫爾 庫侖強(qiáng)度理論 5土的抗剪強(qiáng)度 5 1土體破壞與強(qiáng)度理論 破壞面為什么不在最大剪應(yīng)力作用面上 五 例題分析 例 地基中某一單元土體上的大主應(yīng)力為430kPa 小主應(yīng)力為200kPa 通過試驗(yàn)測(cè)得土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c 15kPa 20o 試問 該單元土體處于何種狀態(tài) 單元土體最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在哪個(gè)面上 是否會(huì)沿剪應(yīng)力最大的面發(fā)生剪破 解答 已知 1 430kPa 3 200kPa c 15kPa 20o 法一 計(jì)算結(jié)果表明 1f大于該單元土體實(shí)際大主應(yīng)力 1 實(shí)際應(yīng)力圓半徑小于極限應(yīng)力圓半徑 所以 該單元土體處于彈性平衡狀態(tài) 計(jì)算結(jié)果表明 3f小于該單元土體實(shí)際小主應(yīng)力 3 實(shí)際應(yīng)力圓半徑小于極限應(yīng)力圓半徑 所以 該單元土體處于彈性平衡狀態(tài) 假定極限平衡時(shí)在剪切面上 庫侖定律 由于 f 所以 該單元土體處于彈性平衡狀態(tài) 法二 法三 法四 c 最大剪應(yīng)力與主應(yīng)力作用面成45o 最大剪應(yīng)力面上的法向應(yīng)力 庫侖定律 最大剪應(yīng)力面上 f 所以 不會(huì)沿剪應(yīng)力最大的面發(fā)生破壞 max 比較最大剪應(yīng)力作用面上的 與 f 法五 比較應(yīng)力圓極限平衡抗剪強(qiáng)度線與已知強(qiáng)度線摩擦角 所以 f 應(yīng)力圓未與強(qiáng)度線相交切 土體未破壞 土的抗剪強(qiáng)度理論 土的抗剪強(qiáng)度的測(cè)定試驗(yàn)土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo) 第五章 土的抗剪強(qiáng)度 室內(nèi)試驗(yàn) 直剪試驗(yàn)三軸試驗(yàn)等野外試驗(yàn) 十字板扭剪試驗(yàn)旁壓試驗(yàn)等 抗剪強(qiáng)度測(cè)定試驗(yàn) 重塑土制樣或現(xiàn)場(chǎng)取樣缺點(diǎn) 擾動(dòng)優(yōu)點(diǎn) 應(yīng)力和邊界條件清楚 易重復(fù) 缺點(diǎn) 應(yīng)力和邊界條件不易掌握優(yōu)點(diǎn) 原狀土的原位強(qiáng)度 5 3土的抗剪強(qiáng)度的測(cè)定試驗(yàn) 一 直接剪切試驗(yàn) 試驗(yàn)儀器 直剪儀 應(yīng)力控制式 應(yīng)變控制式 直剪試驗(yàn) P T 土樣 下盒 上盒 S 面積A 1 S 2 3 f1 f2 f3 直剪儀 directsheartestapparatus 5 3土的抗剪強(qiáng)度的測(cè)定試驗(yàn) 直剪試驗(yàn) 直剪試驗(yàn)的類型 1 固結(jié)慢剪施加正應(yīng)力 充分固結(jié)剪切速率很慢 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 通過控制剪切速率近似模擬排水條件 5 3土的抗剪強(qiáng)度的測(cè)定試驗(yàn) 直剪試驗(yàn) 直剪試驗(yàn)優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn) 儀器構(gòu)造簡(jiǎn)單 試樣的制備和安裝方便 易于操作缺點(diǎn) 剪切破壞面固定為上下盒之間的水平面不符合實(shí)際情況 不一定是土樣的最薄弱面 試驗(yàn)中不能嚴(yán)格控制排水條件 對(duì)透水性強(qiáng)的土尤為突出 不能量測(cè)土樣的孔隙水壓力 上下盒的錯(cuò)動(dòng) 剪切過程中試樣剪切面積逐漸減小 剪切面上的剪應(yīng)力分布不均勻 三軸試驗(yàn) 試樣應(yīng)力特點(diǎn)與試驗(yàn)方法強(qiáng)度包線試驗(yàn)類型優(yōu)缺點(diǎn) 5 3土的抗剪強(qiáng)度的測(cè)定試驗(yàn) 三軸試驗(yàn) 5 2抗剪強(qiáng)度測(cè)定試驗(yàn) 5土的抗剪強(qiáng)度 方法 首先試樣施加靜水壓力 室壓 圍壓 1 2 3 const 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(duì)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 const 5土的抗剪強(qiáng)度 一 三軸試驗(yàn) 強(qiáng)度包線 1 f c 1 f 1 15 分別作一系列圍壓 如100kPa 200kPa 300kPa 的三軸試驗(yàn) 得到破壞時(shí)相應(yīng)的 1 f 繪制各圍壓下破壞狀態(tài)的應(yīng)力莫爾圓 畫出它們的公切線 強(qiáng)度包線 得到強(qiáng)度指標(biāo)c與 5 2抗剪強(qiáng)度測(cè)定試驗(yàn) 5土的抗剪強(qiáng)度 2 強(qiáng)度包線 5土的抗剪強(qiáng)度 一 三軸試驗(yàn) 密砂 松砂 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 5 2抗剪強(qiáng)度測(cè)定試驗(yàn) 5土的抗剪強(qiáng)度 5土的抗剪強(qiáng)度 一 三軸試驗(yàn) 試驗(yàn)條件與現(xiàn)場(chǎng)條件的對(duì)應(yīng)關(guān)系 以驗(yàn)算軟粘土地基穩(wěn)定性為例 5 2抗剪強(qiáng)度測(cè)定試驗(yàn) 5土的抗剪強(qiáng)度 5土的抗剪強(qiáng)度 一 三軸試驗(yàn) 固結(jié)排水試驗(yàn) 固結(jié)不排水試驗(yàn) 不固結(jié)不排水試驗(yàn) 土的抗剪強(qiáng)度理論 土的抗剪強(qiáng)度的測(cè)定試驗(yàn) 土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo) 第五章 土的抗剪強(qiáng)度 強(qiáng)度指標(biāo) 峰值強(qiáng)度指標(biāo)與殘余強(qiáng)度指標(biāo) 5土的抗剪強(qiáng)度 抗剪強(qiáng)度指標(biāo) 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) 三軸試驗(yàn)強(qiáng)度指標(biāo)與直剪試驗(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) 1 兩種強(qiáng)度指標(biāo)的比較 5土的抗剪強(qiáng)度 有效應(yīng)力指標(biāo)c c tan u 符合土的破壞機(jī)理 但有時(shí)孔隙水壓力u無法確定 總應(yīng)力指標(biāo)c c tan 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(jiǎn)單評(píng)價(jià) 一 總應(yīng)力指標(biāo)與有效應(yīng)力指標(biāo) 5 4抗剪強(qiáng)度指標(biāo) 正常固結(jié)土的有效和總應(yīng)力指標(biāo) 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)力莫爾圓在總應(yīng)力莫爾圓哪邊 5 5土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo) 指標(biāo)類型 峰值強(qiáng)度 殘余強(qiáng)度指標(biāo) 直剪和三軸試驗(yàn)中應(yīng)變軟化時(shí) f峰值強(qiáng)度指標(biāo) r殘余強(qiáng)度指標(biāo) 大變形完全破壞了土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和咬合作用 殘余強(qiáng)度破壞包線通過原點(diǎn) 其內(nèi)摩擦角 r只決定于土的礦物成分 與其所受的應(yīng)力歷史等因素?zé)o關(guān) 5 5土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo) 指標(biāo)類型 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 5土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo) 工程應(yīng)用 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(cè)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 采用總應(yīng)力指標(biāo)時(shí) 應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)土體可能的固結(jié)排水情況 選用不同的總應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo) 5 5土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo) 工程應(yīng)用 三軸試驗(yàn)指標(biāo)與直剪試驗(yàn)指標(biāo)應(yīng)優(yōu)先采用三軸試驗(yàn)指標(biāo)應(yīng)按照不同土類和不同的固結(jié)排水條件 合理選用直剪試驗(yàn)指標(biāo)砂土 c 三軸CD試驗(yàn)與直剪試驗(yàn) 直剪偏大 粘土 有效應(yīng)力指標(biāo) 三軸CD或CU試驗(yàn)總應(yīng)力指標(biāo) 三軸CU UU試驗(yàn)或直剪cq q試驗(yàn) 土的強(qiáng)度指標(biāo)的工程應(yīng)用 5 5土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo) 工程應(yīng)用 峰值強(qiáng)度指標(biāo)與殘余強(qiáng)度指標(biāo) 土的強(qiáng)度指標(biāo)的工程應(yīng)用 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 5 5土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo) 工程應(yīng)用 不固結(jié)不排水剪 快剪 cu u cq q 粘土地基上快速施工建筑物 四 土的強(qiáng)度指標(biāo)的工程應(yīng)用 5土的抗剪強(qiáng)度 5土的抗剪強(qiáng)度 5 4抗剪強(qiáng)度指標(biāo) 固結(jié)不排水剪 固結(jié)快剪 ccu cu ccq cq 四 土的強(qiáng)度指標(biāo)的工程應(yīng)用 5土的抗剪強(qiáng)度 5土的抗剪強(qiáng)度 5 4抗剪強(qiáng)度指標(biāo) 粘土地基預(yù)壓固結(jié)后 快速施工建筑物 固結(jié)排水剪 慢剪 ccd cd cs s 粘土地基上慢速施工建