第五章土的抗剪强度.ppt

第五章第五章 土的抗剪强度土的抗剪强度(shear strength) § 5.1 概述概述土的抗剪强度：土的抗剪强度：是指土体对于外荷载所产生的剪应力的极限抵抗能力是指土体对于外荷载所产生的剪应力的极限抵抗能力 变形破坏变形破坏 沉降、位移、不均匀沉降等超过规定限值沉降、位移、不均匀沉降等超过规定限值(已学已学) 地基破坏地基破坏 强度破坏强度破坏 地基整体或局部滑移、隆起，地基整体或局部滑移、隆起， 土工构筑物失稳、土工构筑物失稳、 滑坡滑坡土体强度破坏的机理：土体强度破坏的机理： 在外荷载作用下，土体中将产生剪应力和剪切变形，当在外荷载作用下，土体中将产生剪应力和剪切变形，当土中某点由外力所产生的剪应力达到土的抗剪强度时，土就土中某点由外力所产生的剪应力达到土的抗剪强度时，土就沿着剪应力作用方向产生相对滑动，该点便发生沿着剪应力作用方向产生相对滑动，该点便发生剪切破坏剪切破坏土体的强度土体的强度破坏破坏主要是破坏破坏主要是剪切破坏剪切破坏，土体的强度问题实质是，土体的强度问题实质是土的抗剪强度土的抗剪强度问题，问题，土的抗剪强度问题见于：土的抗剪强度问题见于： （（1）地基承载力与地基稳定性）地基承载力与地基稳定性（（2）土坡稳定性）土坡稳定性（（3）支挡结构的土压力）支挡结构的土压力(a)土体滑坡 (b) 挡土墙 (c)地基失稳（（1）地基承载力与地基稳定性）地基承载力与地基稳定性 基础下的地基土体产生整体滑动或因局部剪切破坏而导致过大的地基础下的地基土体产生整体滑动或因局部剪切破坏而导致过大的地基变形基变形 甚至倾覆。

甚至倾覆（（2）土坡稳定性）土坡稳定性 土坝、路堤等填方边坡以及天然土坡等，在超载、渗流乃至暴雨作用下土坝、路堤等填方边坡以及天然土坡等，在超载、渗流乃至暴雨作用下引起土体强度破坏后将产生整体失稳边坡滑坡等事故引起土体强度破坏后将产生整体失稳边坡滑坡等事故（（3）支挡结构的土压力）支挡结构的土压力 挡土墙、基坑等工程中，墙后土体强度破坏将造成过大的侧向土压力，挡土墙、基坑等工程中，墙后土体强度破坏将造成过大的侧向土压力，导致墙体滑动、倾覆或支护结构破坏事故导致墙体滑动、倾覆或支护结构破坏事故 土的强度一般以土的强度一般以应力的函数形式应力的函数形式来表达，由于函数形式不同，从来表达，由于函数形式不同，从而形成了不同的强度理论目前比较简单而又比较符合实际的是而形成了不同的强度理论目前比较简单而又比较符合实际的是摩摩尔尔—库伦强度理论库伦强度理论 § 5.2 摩尔摩尔—库仑强度理论库仑强度理论(Mohr-Coulomb strength theory)一、库仑定律一、库仑定律(Coulomb Law)库仑定律：库仑定律：在一般应力水平下，在一般应力水平下，土的抗剪强度与滑动面上的法向土的抗剪强度与滑动面上的法向应力应力 之间呈直线关系之间呈直线关系。

 f =  tan  砂土砂土    f f =c+  tan  粘土粘土c    f17761776年，库仑根据年，库仑根据砂土砂土剪切试验剪切试验 后来，根据后来，根据粘性土粘性土剪切试验剪切试验 c: :土的粘聚力土的粘聚力  : :土的内摩擦角土的内摩擦角抗剪强度指标：抗剪强度指标：常数参数常数参数C和和 ，取，取决于土的性质，与决于土的性质，与土中应力状态无关土中应力状态无关 （（1）如果设剪切面上的剪应力为）如果设剪切面上的剪应力为τ，那么，那么τ不可能超过不可能超过τ f，只能有，只能有τ  τ f ，为什，为什么？么？ （（2）土的抗剪强度是否为定值？）土的抗剪强度是否为定值？（（3）抗剪强度的来源？）抗剪强度的来源？ 无粘性土无粘性土：内摩擦力、咬合力：内摩擦力、咬合力 粘性土粘性土：内摩擦力、粘聚力：内摩擦力、粘聚力讨论讨论抗剪强度影响因素：抗剪强度影响因素： 摩擦力摩擦力：：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表面粗糙程度 粘聚力粘聚力：：土中矿物成分、粘粒含量、含水量以及土的结构土中矿物成分、粘粒含量、含水量以及土的结构二、土中一点应力极限平衡二、土中一点应力极限平衡(limit equilibrium) 3 3 1 1       3 1  dldl·cos  dl·sin  静力平衡静力平衡v土体内一点处土体内一点处不同方位不同方位的截面上应力的集合（剪应力的截面上应力的集合（剪应力  和法和法向应力向应力 ））      3 1  dldlcos  dlsin  斜面上的应力斜面上的应力莫尔应力圆方程莫尔应力圆方程    O 1 3 ( 1 + 3 /2)  2  A( ,  )圆心坐标圆心坐标 [(1 +3 ) /2，，0]应力圆半径应力圆半径 r＝＝(1－3 ) /2土中某点的土中某点的应力应力状态状态可用可用莫尔应莫尔应力圆力圆描述描述 莫尔应力圆三、土的极限平衡条件三、土的极限平衡条件 应力圆应力圆与强度线与强度线相切相切：：应力圆应力圆与强度线与强度线相割相割：：   强度线强度线极限极限应力圆应力圆ττ<ττf 弹性平衡状态弹性平衡状态 ττ=ττf 极限平衡状态极限平衡状态 ττ>ττf 破坏状态破坏状态 应力圆应力圆与强度线与强度线相离相离：： 3 1c     f2  fA     c.cot  ( 1 + 3 )/2无粘性土：无粘性土：c=0莫尔－库仑破坏准则莫尔－库仑破坏准则说明说明：：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的夹角，可知，土的剪切破坏并不是由最大剪应力τmax所控制。

所控制   f2  f 3 1c   A     cctg  1/2( 1 + 3 ) max v土体处于极限平衡状态时，土体处于极限平衡状态时，破坏面破坏面与与大主应力作用面大主应力作用面的夹角为的夹角为  f 破坏面§ 5.3 抗剪强度抗剪强度(shear strength)试验试验室内测定抗剪室内测定抗剪强度指标常用方法强度指标常用方法直接剪切试验直接剪切试验单轴压力试验单轴压力试验三轴压力试验三轴压力试验一、直接剪切试验一、直接剪切试验(direct shear test)1. 试验仪器试验仪器：： 直剪仪、两个重叠在一起的剪切盒、透水石、钢压板、量力环、加压砝码直剪仪、两个重叠在一起的剪切盒、透水石、钢压板、量力环、加压砝码 2.直剪试验直剪试验原理原理剪切前施加在试样顶面上的竖向压力为剪破剪切前施加在试样顶面上的竖向压力为剪破面上的法向应力面上的法向应力 ，，剪应力为剪切力剪应力为剪切力T除以试样面积除以试样面积A 在法向应力在法向应力 作用下，剪应力与剪切位移关系曲线，根据曲线得作用下，剪应力与剪切位移关系曲线，根据曲线得到该到该 作用下作用下，，土的抗剪强度。

土的抗剪强度2mm2mm a a b b 剪切位移剪切位移△△l (0.01mm)(0.01mm) 剪应力剪应力 （（kPakPa) ) 1 1 2 2 v 在不同的垂直压力在不同的垂直压力 下进行剪切试验，得相应的抗剪强度下进行剪切试验，得相应的抗剪强度τf，绘制，绘制τf -  曲线，得该土的抗剪强度包线曲线，得该土的抗剪强度包线优点优点：： 仪器简单，操作方便；能用于土样的大剪切应变；如果把剪切盒尺存仪器简单，操作方便；能用于土样的大剪切应变；如果把剪切盒尺存放大，就可用于大土样放大，就可用于大土样缺点缺点：：（（1）剪切面上的应力非常复杂，并非想象的那样均匀；）剪切面上的应力非常复杂，并非想象的那样均匀；（（2）剪切过程中，剪切面不断减小，与假定的定值不符；）剪切过程中，剪切面不断减小，与假定的定值不符；（（3）不能控制孔隙水压力不能控制孔隙水压力3. 直剪试验优缺点直剪试验优缺点二、单轴压力试验二、单轴压力试验qu qu 单轴压力试验单轴压力试验又称为又称为无侧限抗压强度试验，无侧限抗压强度试验，是三轴剪切试验的特例，是三轴剪切试验的特例，对试样不施加周围压力，即对试样不施加周围压力，即 2= 3=0，只施加轴向压力直至发生破坏，，只施加轴向压力直至发生破坏，试样在无侧限压力条件下，剪切破坏时试样承受的最大轴向压力试样在无侧限压力条件下，剪切破坏时试样承受的最大轴向压力qu，称，称为为无侧限抗压强度。

无侧限抗压强度 加压加压框架框架量表量表量力环量力环升降升降螺杆螺杆无侧限压缩仪无侧限压缩仪试试样样 根据试验结果只能作出一个极限应力圆（根据试验结果只能作出一个极限应力圆（  2=  3 3=0=0，， 1 1= =qu）因此对一般粘性土，无法作出强度包线因此对一般粘性土，无法作出强度包线     说明说明：：对于饱和软粘土，根据三轴不排对于饱和软粘土，根据三轴不排水剪试验成果，其强度包线近似于一水水剪试验成果，其强度包线近似于一水平线，即平线，即 u u=0=0，因此无侧限抗压强度试，因此无侧限抗压强度试验适用于测定饱和软粘土的不排水强度验适用于测定饱和软粘土的不排水强度qucu u=0 注注：：对于干硬粘性土，可测得试样破坏对于干硬粘性土，可测得试样破坏时破裂面与垂直线的夹角时破裂面与垂直线的夹角a，由，由a=45°-φ/2，求得，求得φ，即可作出强度包线即可作出强度包线 无侧限抗压强度试验仪器构造简单，操作方便，可代替三轴无侧限抗压强度试验仪器构造简单，操作方便，可代替三轴试验测定饱和软粘土的不排水强度不能用于非饱和的粘性土和试验测定饱和软粘土的不排水强度。

不能用于非饱和的粘性土和难于制备土样的砂土难于制备土样的砂土三、三轴压缩试验三、三轴压缩试验1、仪器简介、仪器简介三轴剪切仪（也称三轴压缩仪），核心部分为三轴压力室，还配备有：三轴剪切仪（也称三轴压缩仪），核心部分为三轴压力室，还配备有：（（1）轴压系统，对试样施加轴向压力；）轴压系统，对试样施加轴向压力；（（2）侧压系统，施加围压；）侧压系统，施加围压；（（3）孔隙水压力测读系统孔隙水压力测读系统  3   3   3   3   3   3 △△  △△  （（2 2））. .施加周围压力施加周围压力（（3 3））. .施加竖向压力施加竖向压力（（1 1））. .装样装样应力状态应力状态2. 试验基本步骤试验基本步骤应力控制式应力控制式应变控制式应变控制式（（1）三轴不固结不排水试验（）三轴不固结不排水试验（UU试验）试验） 试样在试样在施加周围压力施加周围压力和随后和随后施加偏应力施加偏应力直至剪坏的整个试验过程中都直至剪坏的整个试验过程中都不不允许排水允许排水，即从开始加压直至试样剪坏，土中的含水量始终保持不变，孔隙，即从开始加压直至试样剪坏，土中的含水量始终保持不变，孔隙水压力也不会消散。

水压力也不会消散 试验指标：试验指标：cu、、3. 三轴试验方法三轴试验方法（（2）三轴固结不排水试验（）三轴固结不排水试验（CU试验）试验） 试样在试样在施加周围压力排水固结后施加周围压力排水固结后和随后和随后施加偏应力施加偏应力直至剪坏的整个试验直至剪坏的整个试验过程中过程中不允许排水不允许排水 试验指标：试验指标：ccu、、（（3）三轴固结排水试验（）三轴固结排水试验（CD试验）试验） 试样在试样在施加周围压力施加周围压力和随后和随后施加偏应力施加偏应力直至剪坏的整个试验过程中均直至剪坏的整个试验过程中均允允许排水许排水 试验指标：试验指标：cd、、4. 三轴试验结果三轴试验结果—抗剪强度包线抗剪强度包线抗剪强度包线抗剪强度包线    c  v分别在不同的周围压力分别在不同的周围压力 3作用下进行剪切，得到作用下进行剪切，得到3 3～～4 4 个不同的破个不同的破坏应力圆，绘出各应力圆的公切线即为土的抗剪强度包线坏应力圆，绘出各应力圆的公切线即为土的抗剪强度包线 有效应力圆有效应力圆总应力圆总应力圆 u u=0=0B C cu    uAA   3A  1A饱和粘性土饱和粘性土在三组在三组 3 3下的不排水剪试验得到下的不排水剪试验得到A、、B、、C三个不同三个不同 3 3作用下作用下破坏时的总应力圆破坏时的总应力圆 试验表明试验表明：：三个试样的周围压力三个试样的周围压力 3 3不同，但破坏时的主应力差相等，不同，但破坏时的主应力差相等，三个极限应力圆的直径相等，因而强度包线是一条水平线三个极限应力圆的直径相等，因而强度包线是一条水平线 三个试样只能得到三个试样只能得到一个有效应力圆一个有效应力圆 （（1）不固结不排水剪（）不固结不排水剪（UU））5. 不同试验方法的剪切试验结果不同试验方法的剪切试验结果 （（1））不不固固结结不不排排水水剪剪的的剪剪切切试试验验结结果果将总应力圆在水平轴上左移将总应力圆在水平轴上左移u uf f得到相应的有效应力圆，按有效应力圆得到相应的有效应力圆，按有效应力圆强度包线可确定强度包线可确定c  、、    饱和粘性土饱和粘性土在三组在三组 3 3下进行固结不排水剪试验得到下进行固结不排水剪试验得到A、、B、、C三个不同三个不同 3 3作用下破坏时的总应力圆，由总应力圆强度包线确定固结不排水剪作用下破坏时的总应力圆，由总应力圆强度包线确定固结不排水剪总应力强度指标总应力强度指标ccu、、  cu    ccuc    cucu    ABC（（2）固结不排水剪（）固结不排水剪（CU）） 在整个排水剪试验过程中，在整个排水剪试验过程中， uf ＝＝0 0，总应力全部转化为有效应力，所，总应力全部转化为有效应力，所以总应力圆即是有效应力圆，总应力强度线即是有效应力强度线。

强以总应力圆即是有效应力圆，总应力强度线即是有效应力强度线强度指标为度指标为cd、、 d d    cd d d 总结总结: : 1.1.对于同一种土，在不同的排水条件下进行试验，总应力强度指标完对于同一种土，在不同的排水条件下进行试验，总应力强度指标完全不同全不同 2.2.有效应力强度指标不随试验方法的改变而不同，抗剪强度与有效应有效应力强度指标不随试验方法的改变而不同，抗剪强度与有效应力有唯一的对应关系力有唯一的对应关系（（3）固结排水剪（）固结排水剪（CD）） （（3））固固结结排排水水剪剪的的剪剪切切试试验验结结果果v优点优点：： v① ① 试验中能严格控制试样排水条件，量测孔隙水压力，了解土中有试验中能严格控制试样排水条件，量测孔隙水压力，了解土中有效应力变化情况效应力变化情况 v② ② 试样中的应力分布比较均匀试样中的应力分布比较均匀 v缺点缺点：： v① ① 试验仪器复杂，操作技术要求高，试样制备较复杂试验仪器复杂，操作技术要求高，试样制备较复杂v② ② 试验在试验在 2 2= = 3 3的轴对称条件下进行，与土体实际受力情况可能不符的轴对称条件下进行，与土体实际受力情况可能不符 6. 三轴试验优缺点三轴试验优缺点。