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1、5、土的抗剪强度,5.1 土的抗剪强度与极限平衡原理 5.2 土的剪切试验方法 5.3 不同排水条件时的剪切试验成果 5.4 地基破坏型式和地基承载力,土的抗剪强度：土体抵抗剪切破坏的极限能力,工程实例地基承载力问题,工程实例地基承载力问题,1911年动工 1913年完工 谷仓自重20000吨 1913年10月17日发现1小时内竖向沉降达30.5厘米，结构物向西倾斜，并在24小时内倾倒，谷仓西端下沉7.32米，东端上抬1.52米。 原因：地基承载力不够，超载引发强度破坏而产生滑动。,加拿大特朗斯康谷仓,工程实例地基承载力问题,工程实例地基承载力问题,近代世界上最严重的建筑物破坏之一 1940年
2、水泥仓库装载水泥，使粘性土超载，引起地基土剪切破坏而滑动。 倾斜45度，地基土被挤出达5.18米，23米外的办公楼也发生倾斜。,美国纽约某水泥仓库,5.1 土的抗剪强度与极限平衡原理,5.1.1 库仑定律,1776年，库仑根据砂土剪切试验得出,f = tan,砂土,后来，根据粘性土剪切试验得出,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,库伦公式,抗剪强度指标,c:土的粘聚力 :土的内摩擦角,(无粘性土：c=0),土的抗剪强度一般可分为两部分：一部分与颗粒间的法向应力有关，通常呈正比例关系，其本质是摩擦力；另一部分是与法向应力无关的土粒之间的粘结力，
3、通常称为粘聚力。,影响因素 土的抗剪强度,内在因素,外在因素：试验时的排水条件等因素,颗粒间的有效法向应力,土的孔隙比,表达方法 土的抗剪强度,总应力法：总应力强度指标,有效应力法：有效应力强度指标,莫尔包线表示材料在不同应力作用下达到极限状态时，滑动面上法向应力与剪应力f 的关系。,莫尔包线,f =c+ tan,5.1.2 莫尔-库伦强度理论,土体内一点处不同方位的截面上应力的集合（剪应力 和法向应力）,斜面上的应力,5.1.3 土中一点的应力状态,A(, ),土中某点的应力状态可用莫尔应力圆描述,莫尔圆可以表示土体中一点的应力状态，莫尔圆圆周上各点的坐标就表示该点在相应平面上的正应力和剪应
4、力。,应力圆与强度线相离：,强度线,应力圆与强度线相切：,应力圆与强度线相割：,极限应力圆,f,弹性平衡状态,=f,极限平衡状态,f,破坏状态,5.1.4 土的极限平衡条件,莫尔库仑破坏准则,c,A,cctg,1/2(1 +3 ),无粘性土：c=0,粘性土：,A,B,D,O,f 极限平衡条件 莫尔库仑破坏准则,极限应力圆 破坏应力圆,剪切破坏面,粘性土的极限平衡条件,1= 3tg2(45+/2)2ctg (45+/2) 3= 1tg2(45/2)2ctg (45/2),无粘性土的极限平衡条件,1= 3tg2(45+/2) 3= 1tg2(45/2),土体处于极限平衡状态时，破坏面与大主应力作用
5、面的夹角为 f,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 / 2的夹角。因此，土的剪切破坏并不是由最大剪应力max所控制。,的方法 测定土抗剪强度,直接剪切试验,三轴压缩试验,无侧限抗压强度试验,现场十字板剪切仪,5.2 土的剪切试验方法,试验仪器：直剪仪（应变控制式，应力控制式）,5.2.1 直接剪切试验,应变控制式直剪仪的试验原理： 对同一种土至少取4个平行试样，分别在不同垂直压力下剪切破坏，将试验结果绘制抗剪强度f与相应垂直压力的关系图。,剪切容器与应力环,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,在法向应力作用下，剪应力与
6、剪切位移关系曲线。,快剪 固结快剪 慢剪,在直剪试验过程中，根据加荷速率的快慢可将试验 划分为:,直剪试验优缺点,优点：仪器构造简单，试样的制备和安装方便，易于操作。 缺点： 剪切破坏面固定，且不一定是土样的最薄弱面。 不能严格控制排水条件，不能量测土样的孔隙水压力。 剪切过程中试样剪切面积逐渐减小，剪切面上的剪应力分布不均匀。,一、抗剪强度包线,分别在不同的周围压力3作用下进行剪切，得 到34 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。,c,5.2.2 三轴压缩试验,二、三轴剪切试验,试验仪器： 应变控制式三轴仪：压力室，加压系统，量测系 统组成 (常用） 应力控制式三
7、轴仪,试验步骤:,2.施加周围压力,3.施加竖向压力,1.装样,三轴压缩仪,应变控制式三轴仪： 压力室 加压系统 量测系统,轴向加荷系统,加压和量测系统,三轴试验优缺点,优点： 能控制排水条件，量测孔隙水压力。 试样的应力分布比较均匀，剪切破坏面为最薄弱面。 缺点： 试验仪器复杂，操作技术要求高，试样制备较复杂。 试验在2=3的轴对称条件下进行，与土体实际受力情况可能不符。,5.3 不同排水条件时的剪切试验成果,5.3.1 总应力强度指标与有效应力强度指标,c 、 为土的有效粘聚力和有效内摩擦角，即土的有效应力强度指标,c 、 为土的总应力强度指标,有效应力原理：土的抗剪强度并不是由剪切面上的
8、法向总应力决定，而是取决于剪切面上的法向有效应力。,三轴压缩试验按剪切前的固结程度和剪切时的排水条件，可以分为三种试验方法： 1.不固结不排水试验 (UU试验) 2.固结不排水试验 (CU试验) 3.固结排水试验 (CD试验),5.3.2 不同排水条件时的剪切试验方法及成果,1.不固结不排水剪（UU）,三轴试验：施加周围压力3、轴向压力直至剪破的整个过程都关闭排水阀门，不允许试样排水固结。,直剪试验：通过试验加荷的快慢来实现是否排水。使试样在35min内剪破，称之为快剪。,有效应力圆,总应力圆,u=0,cu,uA,饱和粘性土在三组3下的不排水剪试验得到A、B、C三个不同3作用下破坏时的总应力圆
9、，但只能得到一个有效应力圆。,试验表明：虽然三个试样的周围压力3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。,2. 固结不排水剪（CU）,三轴试验：施加周围压力3时打开排水阀门，试样完全排水固结，孔隙水压力完全消散。然后关闭排水阀门，再施加轴向压力增量，使试样在不排水条件下剪切破坏。,直剪试验：剪切前试样在垂直荷载下充分固结，剪切时速率较快，使土样在剪切过程中不排水，这种剪切方法为称固结快剪。,将总应力圆在水平轴上左移uf得到相应的有效应力圆，按有效应力圆强度包线可确定c 、 ,ccu,c ,饱和粘性土在三组3下进行固结不排水剪试验得到A、B、C三个不同3
10、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ccu、 cu,3. 固结排水剪（CD）,三轴试验：试样在围压3作用下排水固结，再缓慢施加轴向压力增量，直至剪破，整个试验过程中打开排水阀门，始终保持试样的孔隙水压力为零。,直剪试验：试样在垂直压力下固结稳定，再以缓慢的速率施加水平剪力，直至剪破，整个试验过程中尽量使土样排水，试验方法称为慢剪。,在整个排水剪试验过程中，uf 0，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，强度指标为cd、d。,cd,总结:,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。,有效应
11、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。,3=0,5.3.3 无侧限抗压强度试验,无侧限压缩仪,0,cu,无侧限抗压强度试验,qu,无侧限抗压强度试验所得的极限应力圆的水平切线就是破坏包线,5.4 地基破坏型式和地基承载力,整体剪切破坏 局部剪切破坏 冲剪破坏,5.4.1 地基破坏型式,1.整体剪切破坏,整体剪切破坏型式的 压力沉降关系曲线,p,s,0,线性变形阶段,弹塑性变形阶段,塑性破坏阶段,整体剪切破坏,2.局部剪切破坏,s,p,局部剪切破坏型式的 压力沉降关系曲线,0,压力和沉降关系曲线从一开始就呈现非线性关系,局部剪切破坏,3.冲剪破坏,p,s,冲剪破坏型式的 压力沉降关系曲线,0,无明显的转折现象,地基剪切破坏的型式，主要与土的压缩性质有关。,地基承载力 临塑荷载pcr 地基极限承载力pu 地基容许承载力pa,5.4.2 地基承载力,p,s,0,a,b,pu,pcr,整体剪切破坏型式的 压力沉降关系曲线,
