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1、1,基础与主线,预备,具体 应用,第一章 土的组成 第二章 土的物理性质和工程分类,第三章 土的渗透性及渗流,第四章 土中应力,第五、六章 土的压缩性和地基变形,第七章 土的抗剪强度,渗透特性 变形特性 强度特性,第八章 土压力,第九章 地基承载力,第十章 土坡和地基稳定性,2,土 的 抗 剪 强 度,3,本章特点,有较严格的理论体系 各种关系较复杂 前面各章知识的综合运用 理清应力、应变、体变、孔压、强度间的关系 砂性土与粘性土强度的区别与联系 试验条件与实际工程情况的对应关系 正常固结粘性土的强度 不固结不排水剪的应力应变关系及强度 强度指标的运用,主要难点,学习要点,4,7.1 土体破坏
2、与强度理论 7.2 土的抗剪强度试验 7.3 三轴压缩试验中的孔隙水压力系数 7.4 抗剪强度指标 7.5 应力路径与破坏主应力线,5,7.1 土体破坏与强度理论,一、土的强度特点 二、工程中土体的破坏类型 三、土的强度机理 四、莫尔-库仑强度理论,7,美国某桥头挡土墙破坏（2003年9月10日）,二、工程中土体的破坏类型,1. 挡土结构物的破坏,7.1 土体破坏与强度理论,8,挡土墙,滑裂面,基坑支护,二、工程中土体的破坏类型,1. 挡土结构物的破坏,7.1 土体破坏与强度理论,9,边坡,滑裂面,二、工程中土体的破坏类型,2. 各种类型的滑坡,7.1 土体破坏与强度理论,10,粘土地基上的某
3、谷仓地基破坏,3. 地基的破坏,二、工程中土体的破坏类型,7.1 土体破坏与强度理论,11,地基,二、工程中土体的破坏类型,3. 地基的破坏,7.1 土体破坏与强度理论,12,土压力 边坡稳定 地基承载力,挡土结构物破坏 各种类型的滑坡 地基的破坏,核心 强度理论,二、工程中土体的破坏类型,7.1 土体破坏与强度理论,13,7.1 土体破坏与强度理论,一、土的强度特点 二、工程中土体的破坏类型 三、土的强度机理 四、莫尔-库仑强度理论,7.1 土体破坏与强度理论,14,三、土的强度机理,施加 （=P/A） 施加 S 量测 （=T/A）,上盒,下盒,P,A,1、直剪试验（库仑 1776）,试验方
4、法, = 100KPa, = 200KPa, = 300KPa,7.1 土体破坏与强度理论,15,c： 粘聚力 ：内摩擦角,三、土的强度机理,库仑公式,f ： 土的抗剪强度 tan： 摩擦强度与正应力成正比 c： 粘聚强度,1. 直剪试验,试验结果,抗剪强度指标,7.1 土体破坏与强度理论,16,三、土的强度机理,（1）滑动摩擦,由颗粒之间发生滑动时颗粒接触面粗糙不平所引起，与颗粒大小、矿物组成等因素有关,7.1 土体破坏与强度理论,2. 摩擦强度 tan,17,（2）咬合摩擦,三、土的强度机理,2. 摩擦强度 tan,剪切面,是指相邻颗粒对于相对移动的约束作用 当发生剪切破坏时，相互咬合着的
5、颗粒A必须抬起，跨越相邻颗粒B，或在尖角处被剪断（C），才能移动 土体中的颗粒重新排列，也会消耗能量,7.1 土体破坏与强度理论,18,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 颗粒的形状（颗粒的棱角与长宽比） 在其它条件相同时： 一般，对于粗粒土，颗粒的棱角提高了内摩擦角,影响土的摩擦强度的主要因素：,三、土的强度机理,2. 摩擦强度 tan,7.1 土体破坏与强度理论,19,粘聚强度机理 静电引力（库仑力） 范德华力 颗粒间胶结 假粘聚力（毛细力等）,粘聚强度影响因素 地质历史 粘土颗粒矿物成分 密度 离子价与离子浓度,三、土的强度机理,
6、3、粘聚强度,7.1 土体破坏与强度理论,20,7.1 土体破坏与强度理论,一、土的强度特点 二、工程中土体的破坏类型 三、土的强度机理 四、莫尔-库仑强度理论,21,四、莫尔-库仑强度理论,1. 应力状态与莫尔圆 2. 极限平衡应力状态 3. 莫尔-库仑强度理论 4. 破坏判断方法 5. 滑裂面的位置,7.1 土体破坏与强度理论,22,四、莫尔-库仑强度理论,固定滑裂面,一般应力状态，如何判断是否破坏？,借助于莫尔圆,库仑公式,7.1 土体破坏与强度理论,23,z,+zx,-xz,x,2,1,3,四、莫尔-库仑强度理论,大主应力：,小主应力:,圆心：,半径：,z按顺时针方向旋转,x按顺时针方
7、向旋转,莫 尔 圆：代表一个单元的应力状态； 圆上一点：代表一个面上的两个应力与,1. 应力状态与莫尔圆,7.1 土体破坏与强度理论,24,f,直剪试验： 破坏时的莫尔圆与库仑抗剪强度线的关系如何？为什么？,(c、 )三轴 (c、 )直剪 巧合吗？,与的组合满足库仑公式才破坏,四、莫尔-库仑强度理论,1. 应力状态与莫尔圆,三轴试验结果,7.1 土体破坏与强度理论,25,2. 极限平衡应力状态,四、莫尔-库仑强度理论,极限平衡应力状态： 有剪切面上的应力状态达到 = f 土的强度包线： 所有达到极限平衡状态的莫尔圆的公切线。,f,7.1 土体破坏与强度理论,26,四、莫尔-库仑强度理论,强度包
8、线以内：任何一个面上的一对应力与 都没有达到破坏包线，不破坏； 与破坏包线相切：该面上的应力达到破坏状态； 与破坏包线相交：有一些平面上的应力超过强度；不可能发生。,2. 极限平衡应力状态,7.1 土体破坏与强度理论,27,（1）土单元的某一个平面上的抗剪强度f是该面上作用的法向应力的单值函数, f =f() （莫尔：1900年） （2）在一定的应力范围内，可以用线性函数近似：f = c +tan （3）某土单元的任一个平面上 = f ，该单元就达到了极限平衡应力状态,四、莫尔-库仑强度理论,3. 莫尔库仑强度理论,7.1 土体破坏与强度理论,28,四、莫尔-库仑强度理论,莫尔-库仑强度理论表
9、达式极限平衡条件,1,3,3. 莫尔库仑强度理论,7.1 土体破坏与强度理论,29,四、莫尔-库仑强度理论,莫尔-库仑强度理论表达式极限平衡条件,3. 莫尔库仑强度理论,7.1 土体破坏与强度理论,30,根据应力状态计算出大小主应力1、3,判断破坏可能性,由3计算1f 比较1与1f,11f 不可能状态,4. 破坏判断方法,四、莫尔-库仑强度理论,判别对象：土体微小单元（一点） 已知条件：一般应力状态、抗剪强度指标,3= 常数：,7.1 土体破坏与强度理论,31,根据应力状态计算出大小主应力1、3,判断破坏可能性,由1计算3f 比较3与3f,33f 安全状态 3=3f 极限平衡状态 33f 不可
10、能状态,四、莫尔-库仑强度理论,1= 常数：,4. 破坏判断方法,7.1 土体破坏与强度理论,32,根据应力状态计算出大小主应力1、3,判断破坏可能性,由1、3计算与比较, 不可能状态,四、莫尔-库仑强度理论,(1 + 3)/2 = 常数：圆心保持不变,4. 破坏判断方法,也可比较圆的直径,7.1 土体破坏与强度理论,33,2,2,5. 滑裂面的位置,与大主应力面夹角： =45 + /2,四、莫尔-库仑强度理论,破坏面为什么不在最大剪应力作用面上？,7.1 土体破坏与强度理论,34,7.1 土体破坏与强度理论 7.2 土的抗剪强度试验 7.3 三轴压缩试验中的孔隙水压力系数 7.4 抗剪强度指
11、标 7.5 应力路径与破坏主应力线,35,室内试验 野外试验,7.2 土的抗剪强度试验,三轴试验、直剪试验等 制样（重塑土）或现场取样 缺点：扰动 优点：应力条件清楚，易重复,十字板扭剪试验、旁压试验等 原位试验 缺点：应力条件不易掌握 优点：原状土的原位强度,7.2 土的抗剪强度试验,36,主机系统 稳压调压系统 量测系统,1、常规三轴试验仪,孔压传感器,体变管,轴向位移量测,轴向力量测,压力泵,调压阀,压力表,压力室,压力室底座,主机马达,主机框架,离合器,Casagrande 1930年首先使用，可控制排水条件；可完整地描述试样受力、变形和破坏的过程；可进行不同应力路径的试验；应力状态明
12、确；变形量测简单,一、常规三轴试验,7.2 土的抗剪强度试验,37,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,测定： 轴向应变 轴向应力 体积应变或孔压,横梁,量力环,百分表,量测体变或孔压,试验方法,一、常规三轴试验,1、常规三轴试验仪,7.2 土的抗剪强度试验,38,量测体变或孔压,一、常规三轴试验,1、常规三轴试验仪,7.2 土的抗剪强度试验,39,施加围压，排水阀门打开，试样充分固结 施加(1-)时，排水阀门始终打开，加载速度慢足以使孔压消散,测定： 轴向应变 轴向应力 体积应变,量测体变,2、固结排水试验,多用于砂性土,一般先测定孔压系数B,一、常规
13、三轴试验,7.2 土的抗剪强度试验,40,v,应力应变关系松砂及正常固结粘土,与围压有关 非线性 剪胀性,围压 小 中 大,一、常规三轴试验,2、固结排水试验,7.2 土的抗剪强度试验,41,应力应变关系密砂及超固结粘土,与围压有关 非线性 剪胀性,围压 小 中 大,一、常规三轴试验,2、固结排水试验,7.2 土的抗剪强度试验,42,施加围压试样充分固结 施加(1 -)时，阀门关闭，可连接孔压传感器，量测剪切过程中产生的超静孔隙水压力 u,量测孔隙水压力,测定： 轴向应变 轴向应力 孔隙水压力,3、固结不排水试验,适用于各种土,可用于测定孔压系数A,一般先测定孔压系数B,一、常规三轴试验,7.
14、2 土的抗剪强度试验,43,应力应变关系松砂及正常固结粘土,u,围压 小 中 大,一、常规三轴试验,3、固结不排水试验,7.2 土的抗剪强度试验,44,应力应变关系密砂及超固结粘土,围压 小 中 大,一、常规三轴试验,3、固结不排水试验,7.2 土的抗剪强度试验,45,初始有效应力状态=0开始 施加围压阀门关闭试样不固结，量测超静孔隙水压力 施加(1 -)时，阀门关闭，可连接孔压传感器，量测剪切过程中产生的超静孔隙水压力 u,量测孔隙水压力,测定： 轴向应变 轴向应力 孔隙水压力,4、不固结不排水试验,适用于各种土 多用于粘性土,一、常规三轴试验,7.2 土的抗剪强度试验,46,强度包线,(1
15、-)f,c,(1-)f,1 =15%,分别作一系列围压（如100 kPa 、200 kPa 、300 kPa）的三轴试验，得到破坏时相应的（1-)f,绘制各围压下破坏状态的应力莫尔圆，画出它们的公切线强度包线，得到强度指标 c 与 ,强度包线,7.2 土的抗剪强度试验,一、常规三轴试验,47,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，超静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，避免产生超静孔压,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，超静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
16、排水,不固结不排水试验（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,cd 、d,ccu 、cu,cu 、u,试验类型,7.2 土的抗剪强度试验,一、常规三轴试验,48,试验条件与现场条件 的对应关系 （以验算软粘土地基稳定性为例）,固结排水试验,固结不排水试验,不固结不排水试验,7.2 土的抗剪强度试验,一、常规三轴试验,49,30 即为无侧限抗压强度试验,类似试验： 真三轴试验 空心圆柱扭剪试验,7.2 土的抗剪强度试验,一、常规三轴试验,50,二、 直剪试验,问题： 如何反映现场排水条件？,1、试验条件,7.2 土的抗剪强度试验,51,通过控制剪切速率来近似模拟排水条件,二、直剪试验,(1) 固结慢剪 施加正应力
