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1、5.1 土的抗剪强度和破坏理论 5.2 土的抗剪强度试验 5.3 饱和黏性土的剪切试验方法 第五章 土的抗剪强度 库仑 （C.A.Coulomb） (1736-1806) 法国军事工程师，在 摩擦、电磁方面做出 了奠基性的贡献。 1773年发表了关于土 压力方面论文，成为 土压力的经典理论 概述 土的抗剪强度：土体抵抗剪切破坏的极限能力 粘土地基上的某谷仓地基破坏 1. 地基的破坏 日本新泻1964年地震引起大面积液化 地基的破坏 大阪的港口码头档土墙由于液化前倾 2. 挡土结构物的破坏 广州京光广场基坑塌方 使基坑旁办公室、民工宿舍和仓库倒塌，死3人，伤17人。 挡土墙 滑裂面 基坑支护 挡
2、土结构物破坏 平移滑动 3. 各种类型的滑坡 崩塌 旋转滑动流滑 1994年4月30日 崩塌体积400万方 10万方进入乌江 死4人，伤5人，失踪12人 击沉拖轮、驳轮各一艘，渔 船2只 1994年7月2-3日降雨引起再 次滑坡 崩塌体巨大石块滚入江内， 无法通航 滑坡体崩入乌江近百万方； 江水位差数米。 乌江武隆县兴顺乡鸡冠岭山体崩塌 龙观嘴 黄崖沟 乌江 2000年西藏易贡巨型滑坡 高程（m） 滑距（m） 5530 2200 4000 扎 木 弄 沟 滑坡堆积体 08000 400020006000 2000年西藏易贡巨型滑坡立面示意图 坡高 3330m 堆积体宽 约2500m 总方量 约
3、3亿方 易贡滑坡堰塞湖 滑 坡 堆 积 区 扎 木 弄 沟 2264m 2210m 2165m2340m 2000年西藏易贡巨型滑坡平面示意图 5520m 滑坡堆积体 天然坝 坝高290 m 滑坡堰塞湖 库容15亿方 2000年西藏易贡巨型滑坡 边坡 滑裂面 p 地基承载力 p 土压力 p 边坡稳定 p 地基的破坏 p 挡土结构物破坏 p 各种类型的滑坡 核心 综上所述 5.1土的抗剪强度理论和破坏理论 5.1.1土的应力-应变关系特征 5.1.3土的极限平衡条件 5.1.4例题分析 5.1.2土的破坏理论 5.1.1 土的应力-应变关系特征 0 f e 0 ek 膨胀 0 压缩 0 应力应变
4、曲线体变应变曲线 曲线e曲线 密砂 松砂 1776年，库仑根据砂土剪切试验 f =tan 砂土 后来，根据粘性土剪切试验 f =c+ tan 粘土 c 库仑定律：土的抗剪强度 是剪切面上的法向总应力 的线性函数 c:土的粘聚力 :土的内摩擦角 f f 库仑定律 5.1.2 土的破坏理论 土体抗剪强度组成摩擦强度 NT= N T 1.滑动摩擦 2.咬合摩擦引起的剪胀 3.颗粒的破碎与重排列 N T 滑动摩擦 颗粒破碎与重排列 咬合摩擦引起的剪胀 影响土的摩擦强度的主要因素 密度（e, 粒径级配（Cu, Cc） 颗粒的矿物成分 对于：砂土粘性土； 高岭石伊里石蒙特石 粒径的形状（颗粒的棱角与长宽比
5、） 在其他条件相同时： 对于砂土，颗粒的棱角提高了内摩擦角 对于碎石土，颗粒的棱角可能降低其内摩擦角 n静电引力（库仑力） n范德华力 n颗粒间胶结 n假粘聚力（毛细力等） n地质历史 n粘土颗粒矿物成分 n密度 n离子价与离子浓度 粘聚强度影响粘聚强度主要因素 - - - - + 根据太沙基的有效应力概念，土体内的切应力仅能由土的骨 架承担，因此土的抗剪强度应表示为剪切破坏面上法向有效 应力的函数 C:土的粘聚力 :土的内摩擦角 库仑公式的修改 33 1 1 3 1 dl dlcos dlsin 楔体静 力平衡 5.1.3 土的极限平衡条件 1.地基中一点A任意斜面上的应力与主应力的关系 3
6、 1 dl dlcos dlsin 斜面上的应力 莫尔应力圆方程 O13 1/2(1 +3 ) 2 A(, ) 圆心坐标1/2(1 +3 )，0 应力圆半径 r1/2(13 ) 土中某点的应 力状态可用莫 尔应力圆描述 极限应 力圆 莫尔应力圆与库仑强度线相切的应力状态作为土的破坏准则(目前判 别土体所处状态的最常用准则) 莫尔库仑破坏准则 强度线 应力圆与强度线相离： 应力圆与强度线相切： 应力圆与强度线相割： 弹性平衡状态 极限平衡状态 破坏状态 31 f 2 f A 1/2(1 +3 ) 2.无粘性土的极限平衡条件 破坏面与大主应力作用面的夹角 31 c f 2 f A cctg1/2(
7、1 +3 ) 3.粘性土的极限平衡条件 土体破坏的剪切 破坏面不在45最大 剪应力面上，为什么 ？ n 根据极限平衡条件可以用来判别一点土体是否已发 生剪切破坏 确定土单元体的应力状态（x ，z ，xz） 计算主应力1，3 ： 判断是否剪切破坏： 由 ，比较 和 由 ，比较 和 方法一：由 ，比较 和 c 极限平衡状态 安全状态 不可能状态 方法二：由 ，比较 和 c 极限平衡状态 安全状态 不可能状态 【解答】已知1=420kPa，3=180kPa，c=18kPa， =20o 1.计算法 计算结果表明：1f小于该单元土体实际大主应力1，实际应力圆半径大 于极限应力圆半径，所以，该单元土体处于
8、剪破状态 【例】地基中某一单元土体上的大主应力为420kPa，小主应力为180kPa 。通过试验测得土的抗剪强度指标c=18kPa， =20o。试问该单元土体 处于何种状态？是否会沿剪应力最大的面发生剪破？ 5.1.4 例题分析 计算结果表明： 3f大于该单元土体实际小主应力 3，实际应力圆半径 大于极限应力圆半径 ，所以，该单元土体处于剪破状态 最大剪应力 该面上抗剪强度 由于f max，所以，不会沿该面发生剪破 剪应力面上最大正应力 2.图解法 最大剪应力与主应力作用面成45o 最大剪应力面上的法向应力 库仑定律 最大剪应力面上f max ，所以，不会沿该面发生破坏 c 1 实际应力圆 m
9、ax 5.2 土的抗剪强度试验 5.2.1三轴压缩试验 5.2.2直接剪切试验 5.2.3无侧限抗压强度试验 5.2.4十字板剪切试验 5.2.1三轴压缩试验 主要试验步骤 3 3 3 3 3 3 1.装样 2.施加周围压力 3.施加轴向压力 应变控制式三轴仪：压力室， 加压系统，量测系统组成 试样 压力室 压力水 排水管 阀门 轴向加压杆 有机玻璃罩 橡皮膜 透水石 顶帽 中压台式 三轴仪 应变控制式三轴仪： 压力室，量测系统 v固结排水试验（CD试验） 1 打开排水阀门，施加围压后充分固结，孔隙水压力完全消散； 2 打开排水阀门，慢慢施加轴向应力差以便充分排水，避免产 生孔压 v不固结不排
10、水试验（UU试验） 1 关闭排水阀门，围压下不固结； 2 关闭排水阀门，很快剪切破坏，在施加轴向应力差过程中不 排水 v固结不排水试验（CU试验） 1 打开排水阀门，施加围压后充分固结，孔隙水压力完全消散； 2 关闭排水阀门，很快剪切破坏，在施加轴向应力差过程中不 排水 cd 、d ccu 、cu cu 、u 试验类型 固结排水试验（CD试验） Consolidated Drained Triaxial test (CD) 抗剪强度指标： cd d 固结不排水试验（CU试验） Consolidated Undrained Triaxial test (CU) 抗剪强度指标：ccu cu 不固结
11、不排水试验（UU试验） Unconsolidated Undrained Triaxial test (UU) 抗剪强度指标： cu u 抗剪强度指标的选择 黏土地基上快速 施工的建筑物 土坝快速施工，心墙未固结软土地基上的快速填方 不固结不排水试验 （cu u） 在1层固结后，施工2层 ，施工速度较快 水位骤降 在天然土坡 上快速填方 固结不排水试验（ccu cu） 黏土地基上的分层 慢速填方 稳定渗流期的土坝 黏土地基上慢速 施工的建筑物 固结排水试验（cd d） 分别在不同的周围压力3作用下进行剪切，得到3-4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 抗剪强度包线
12、 强度包线 (1-)f c (1-)f 1 1- 3 1 =15% 试验优缺点 v优点： 1 应力状态和应力路径明确； 2 排水条件清楚，可控制； 3 破坏面不是人为固定的； 4 试验单元体试验 v缺点： 设备相对复杂，现场无法试验 * 说明： 30 即为无侧限抗压强度试验 * 试验仪器：直剪仪（应力控制式，应变控制式） 5.2.2 直接剪切试验 通过控制剪切速率 来近似模拟排水条 件 1.固结慢剪： 施加正应力-充分固结 慢慢施加剪应力-小于0.02mm/ 分， 以保证无孔隙水压力 2.固结快剪 施加正应力-充分固结 在3-5分钟内剪切破坏 3.快剪 施加正应力后 立即剪切3-5分钟内剪切破
13、坏 P S T A 试验类型 二速等应变直剪仪 试验原理 剪前施加在试样顶面上的竖向压力 为剪破面上的法向应力，剪应力 由剪切力除以试样面积 在法向应力作用下，剪应力与剪切位移关系曲线，根据 曲线得到该作用下土的抗剪强度 L 4mm 0 fp f 在不同的垂直压力下进行剪切试验，得相应的抗剪强度f， 绘制f - 曲线，得该土的抗剪强度包线 试验结果 =100KPa L =200KPa =300KPa f O c P3P2P1 S3 S2 S1 直剪试验优缺点 优点 l 试样应力状态复杂 l 应变不均匀 l 不能控制排水条件 l 剪切面固定 缺点 l 设备简单，操作方便 l 结果便于整理 l 测
14、试时间短 qu qu 加压 框架 量表 量力环 升降 螺杆 无侧限压缩仪 试 样 5.2.3 无侧限抗压强度试验 试验仪器：应变控制式无侧限压缩仪 无侧限 压缩仪 无侧限抗压强度试 验是三轴剪切试验 的特例，对试样不 施加周围压力，即 3=0，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qu，称 为无侧限抗压强度 根据试验结果只能作出一个极限应力圆（3=0，1=qu）。因 此对一般粘性土，无法作出强度包线 说明：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 似于一水平线，即u=0，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 qu cu u=0 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 试验结果 反映土的结构 受挠动对强度 的影响程度 根据灵敏度将饱和粘性土分类： 低灵敏度土 1c， cu 沙土的振动液化 作业 二向应力状态分析二向应力状态分析解析法解析法图解法图解法
