土力学基础土的强度.ppt
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第第3章章土的强度土的强度第3章土的强度3.1概述3.2土的抗剪强度的机理3.3土的强度与土的物理性质3.4影响土的强度外部因素3.5土的排水与不排水强度3.6土的强度理论3.7粘性土的抗拉强度3.1概述3.1.13.1.1研究历史研究历史3.1.23.1.2土的强度的特点土的强度的特点3.1.33.1.3土的屈服、强度和土体破坏土的屈服、强度和土体破坏3.1.43.1.4测定土强度的试验方法测定土强度的试验方法3.1.1研究历史4.4.广义密塞斯(广义密塞斯(MisesMises)和广义屈雷斯卡)和广义屈雷斯卡(TrescaTresca)5.5.现代的强度理论:
破坏是应力应变关系的最后现代的强度理论:
破坏是应力应变关系的最后状态:
包括在本构关系模型之内状态:
包括在本构关系模型之内6.6.与时间有关、拉伸、断裂及孔隙水压力:
水力与时间有关、拉伸、断裂及孔隙水压力:
水力劈裂劈裂1.17761.1776年,库仑(年,库仑(CoulombCoulomb)公式:
公式:
2.19002.1900年,莫尔年,莫尔(MohrMohr):
):
3.3.土的抗剪强度土的抗剪强度ff是作用在其破坏面是作用在其破坏面上的正应力上的正应力nn的单值函数的单值函数3.1.2土的强度的特点1.1.土是碎散颗粒的集合,颗粒之间的相互联系是一般相土是碎散颗粒的集合,颗粒之间的相互联系是一般相对薄弱的。
所以土的强度主要是由颗粒间的相互作用对薄弱的。
所以土的强度主要是由颗粒间的相互作用力决定,而力决定,而不是由不是由不是由不是由颗粒矿物的强度本身决定的颗粒矿物的强度本身决定的颗粒矿物的强度本身决定的颗粒矿物的强度本身决定的。
2.2.土的破坏主要是土的破坏主要是剪切破坏剪切破坏剪切破坏剪切破坏,其强度主要表现为抗剪,其强度主要表现为抗剪(摩擦)强度。
(摩擦)强度。
3.3.粘聚力:
粘聚力:
颗粒间的连接粘聚力。
颗粒间的连接粘聚力。
4.4.三相组成,固体颗粒之间的液体、气体及液、固、气三相组成,固体颗粒之间的液体、气体及液、固、气间的界面对于土的强度有很大影响:
间的界面对于土的强度有很大影响:
孔隙水压力、吸孔隙水压力、吸力(毛细力)。
力(毛细力)。
5.5.地地质质历历史史造造成成土土强强度度强强烈烈的的多多变变性性、结结构构性性和和各各向向异异性。
性。
6.6.土土强强度度的的这这些些特特点点体体现现在在它它受受内内部部和和外外部部、微微观观和和宏宏观众多因素的影响,成为一个观众多因素的影响,成为一个十分复杂的课题。
十分复杂的课题。
1.1.屈服与强度:
屈服与强度:
刚塑性弹完全塑性应变软化断裂弹塑性图图31土的几种本构关系模型2.2.土的强度和土体破坏土的强度和土体破坏1)1)土达到屈服不一定达到破坏土达到屈服不一定达到破坏2)2)在土体中,局部土达到强度,不一定引起土体在土体中,局部土达到强度,不一定引起土体的破坏的破坏3)3)渐进破坏与崩塌、断裂渐进破坏与崩塌、断裂塑性区部分土体达到强度(屈服),地基并不一定破坏。
图32土中的塑性区厚壁筒内压破坏(内压为面力pip0)弹完全塑性模型计算的应力路径弹塑性模型计算的应力路径内壁点a与外壁点b必须同时达到强度线,试样才会破坏-部分土体达到强度(屈服),并不一定整体破坏。
图图33厚壁筒内压扩张的受力与应力路径随着内筒的压力增加分布pv图图34应变软化与厚壁筒的渐进破坏土的应变软化压力与内筒的体变压力与内筒的体变3.1.4测定土强度的试验方法1.土破坏土破坏(强度)的判断强度)的判断2.2.室内试验与现场测试室内试验与现场测试3.3.直剪试验与三轴试验直剪试验与三轴试验4.4.复杂应力路径试验:
平面应变、真三轴、空心复杂应力路径试验:
平面应变、真三轴、空心扭剪扭剪5.5.超静孔压与吸力的影响:
排水与不排水,非饱超静孔压与吸力的影响:
排水与不排水,非饱和土三轴试验和土三轴试验1.1.土破坏的判断土破坏的判断11)破坏是应力体变过程的最后阶段,这时微小)破坏是应力体变过程的最后阶段,这时微小的应力增量将会引起很大的,或者不可控制的的应力增量将会引起很大的,或者不可控制的应变增量;应变增量;22)土的破坏主要是剪切破坏;)土的破坏主要是剪切破坏;33)有时用应力比和应力差判断破坏是不一致的。
)有时用应力比和应力差判断破坏是不一致的。
13峰值强度残余强度图图35土的几种破坏形式定义断裂断裂一定应变值一定应变值破坏是应力体变过程的最后阶段,破坏是应力体变过程的最后阶段,这时微小的应力增量将会引起很大的,这时微小的应力增量将会引起很大的,或者不可控制的应变增量。
或者不可控制的应变增量。
B:
最大应力比(/)maxA:
最大应力差()max不同的强度确定方法p,pq总应力路径与有效应力路径图图36松砂固结不排水试验(CU)q应力应变曲线应力应变曲线AABBBBAA3.2土的抗剪强度的机理摩擦强度摩擦强度tgtg与粘聚(力)强度与粘聚(力)强度cc一一般般不不可可能能将将二二者者截截然然分分开开。
其其表表现现形形式式与与实实际际机理往往不一致,例如:
机理往往不一致,例如:
砂石土的咬合与毛细吸力表现为(假)粘聚力砂石土的咬合与毛细吸力表现为(假)粘聚力正常固结粘土强度包线过原点正常固结粘土强度包线过原点(假)摩擦力(假)摩擦力饱和粘土饱和粘土uu=0=0,ccuu:
实际存在摩擦力:
实际存在摩擦力3.2土的抗剪强度的机理3.2.1摩擦强度11.固体颗粒间的滑动摩擦固体颗粒间的滑动摩擦22.咬合摩擦咬合摩擦3.2.2粘聚力11.静电引力静电引力22.电磁引力电磁引力33.颗粒间的胶结颗粒间的胶结44.颗粒间接触点的化合价键颗粒间接触点的化合价键55.表观的(假)粘聚力表观的(假)粘聚力3.2.1摩擦强度11.固体颗粒间的滑动摩擦固体颗粒间的滑动摩擦1)1)固体表面的固体表面的“纯纯纯纯”滑动摩擦滑动摩擦2)2)其中其中NN为正压力,为正压力,3)3)TT为剪切力,为剪切力,4)4)为摩擦系数,为摩擦系数,5)5)为滑动摩擦角。
为滑动摩擦角。
可见摩擦力可见摩擦力TT正比于正压力正比于正压力NN;两物体间摩擦阻力;两物体间摩擦阻力与物体尺寸无关。
与物体尺寸无关。
NT图图37滑动摩擦n即使是极光滑的表面:
起伏在10nm100nm之间(纳米,10-9m),不平处的坡度为120175n对于看似光滑的石英矿物表面其凹凸不平可达到500nmn一些松散矿物颗粒表面不平度可超过这个尺度10倍以上n存在不规则表面的咬合和“自锁”作用光滑表面的真实的固体表面图图38固体接触表面的微观情形y:
材料的屈服应力m:
抗剪强度摩擦系数由于接触实际面积很小,局部压力很大,会使材料达到屈服;由于距离是单分子的尺度,形成吸附引力;可能使局部矿物产生重结晶。
图图39表面接触面与接触面积NNTTAAcc不平表面吸附膜的影响不平表面吸附膜的影响吸附膜的c要比m小得多。
所以清洁与否十分重要图图310不平表面吸附膜的影响不平表面吸附膜的影响粗糙清洁n没有化学清洁的表面由于吸附膜的润滑作用,抛光表面摩擦角很小n粗糙表面受清洁与否影响较小n在饱和情况下,由于水对吸附膜的破坏,其滑动摩擦角有所提高n对于片状矿物颗粒的土,水也可起润滑作用及使矿物软化干燥,不清洁水中,不清洁0.41.0非常清洁一般清洁不同情况下石英表面的滑动摩擦系数。
图图311不同情况下石英表面的滑动摩擦系数一般状态下石英砂:
0.5,26常见矿物的滑动摩擦角图图311常见矿物的滑动摩擦角3.2.1摩擦强度22.咬合摩擦咬合摩擦1)1)颗粒间的咬合:
颗粒间的咬合:
2)2)微观结果:
颗粒的提升、错动、转动、拔出、断微观结果:
颗粒的提升、错动、转动、拔出、断裂、接触点的破损裂、接触点的破损3)3)宏观结果:
剪胀、破碎、定向和重排列宏观结果:
剪胀、破碎、定向和重排列提高抗提高抗剪强度剪强度图图313颗粒间的咬合摩擦咬合摩擦剪胀a.无剪胀时:
外力作功
(1)b.有剪胀:
外力作功增加
(2)假设(v1:
D1:
有剪胀有剪胀D=1:
D=1:
无剪胀无剪胀
(2)(3)(4)如相等:
(5)强度增加!
1单纯滑动摩擦2滑动剪胀(缩)3滑动剪胀颗粒破碎及重排列3图图315土的强度及其影响因素1)1)剪胀提高了抗剪强度;剪缩(负剪胀)减少了抗剪强度;剪胀提高了抗剪强度;剪缩(负剪胀)减少了抗剪强度;2)2)颗粒的破碎与重定向排列需要额外作功,也增加了土的颗粒的破碎与重定向排列需要额外作功,也增加了土的抗剪强度。
但由于颗粒破碎与重排列减少了土产生剪胀抗剪强度。
但由于颗粒破碎与重排列减少了土产生剪胀的可能性,甚至会发生剪缩;的可能性,甚至会发生剪缩;3)3)在高围压下,颗粒破碎量大,很难发生剪胀;在高围压下,颗粒破碎量大,很难发生剪胀;4)4)颗粒的重排列往往会破坏土的原有结构,造成剪胀量减颗粒的重排列往往会破坏土的原有结构,造成剪胀量减少。
少。
从这个角度来看,颗粒的破碎和重排列减少了土的剪胀,从这个角度来看,颗粒的破碎和重排列减少了土的剪胀,与不发生颗粒的破碎和重排列相比,实际上减少了土的摩与不发生颗粒的破碎和重排列相比,实际上减少了土的摩擦强度。
擦强度。
几点结论22.范得华力范得华力.VanderWaalsforcesVanderWaalsforces它是分子层次间的引力。
物质的极化分子与它是分子层次间的引力。
物质的极化分子与相邻的另一个极化分子间通过相反的偶极吸相邻的另一个极化分子间通过相反的偶极吸引;极化分子与非极化分子接近时,也可能引;极化分子与非极化分子接近时,也可能诱发后者。
诱发后者。
只有很小的颗粒只有很小的颗粒(1m伊里土蒙特土粗粒土:
含云母、泥岩等,摩擦角明显变小矿物本身滑动摩擦角小;颗粒易于破碎图图317常见矿物的滑动摩擦角(11)颗粒尺寸的大小的影响颗粒尺寸的大小的影响一方面,大尺寸颗粒具有较强的咬合,可一方面,大尺寸颗粒具有较强的咬合,可能增加土的剪胀,从而提高强度;能增加土的剪胀,从而提高强度;另一方面,大尺寸颗粒在单位体积中颗粒另一方面,大尺寸颗粒在单位体积中颗粒间接触点少,接触点上应力加大,颗粒更容易间接触点少,接触点上应力加大,颗粒更容易破碎,从而减少剪胀,降低了土的强度。
破碎,从而减少剪胀,降低了土的强度。
22.粗粒土颗粒的几何性质粗粒土颗粒的几何性质大小、棱角、针片状大小、棱角、针片状对于砂土,如果均匀的细砂与粗砂具有相同的对于砂土,如果均匀的细砂与粗砂具有相同的孔隙比孔隙比ee,二者的内摩擦角,二者的内摩擦角基本相同。
但由于基本相同。
但由于细砂的细砂的eeminmin要大,所以这时细砂的相对密度要大,所以这时细砂的相对密度DDrr要高。
要高。
如果相对密度如果相对密度DDrr相同,则粗砂的内摩擦角相同,则粗砂的内摩擦角大。
大。
在其他条件相同时,颗粒表面糙度增加将会增加砂在其他条件相同时,颗粒表面糙度增加将会增加砂土的内摩擦角。
土的内摩擦角。
粗粒土的针、片状形状及棱角的影响较复杂:
粗粒土的针、片状形状及棱角的影响较复杂:
(aa)加强了颗粒间的咬合作用:
)加强了颗粒间的咬合作用:
。
(bb)针片状颗粒更易于折断,棱角易于折损)针片状颗粒更易于折断,棱角易于折损:
。
(22)表面糙度、)表面糙度、针、片状形状及棱角颗粒针、片状形状及棱角颗粒棱角与针片状颗粒棱角与针片状颗粒在同样较低围压下在同样较低围压下(11)砂土由于单位体积接触点多,颗粒破碎一般)砂土由于单位体积接触点多,颗粒破碎一般不严重,其棱角使抗剪强度增加;不严重,其棱角使抗剪强度增加;(22)碎石土由于单位体积内接触点少,它们其强)碎石土由于单位体积内接触点少,它们其强度提高不明显,甚至减小。
度提高不明显,甚至减小。
33.土的级配土的级配密度增加密度增加剪胀性增强剪胀性增强触点增加与接触应力减小触点增加与接触应力减小有利于强度提高有利于强度提高44.土的
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