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1、5 土的抗剪强度主讲人：陈林靖 福州大学土木工程学院 岩土工程研究所学 习 要 点v 土的抗剪强度是土的重要力学性质之一，也是土力学的基本问题之一，它是土的工程性质中最主要的组成部分，与工程建筑物的稳定和正常使用关系极为密切，其指标被工程设计直接采用，是地基设计及改良不可缺少的资科。知 识 点v 土的抗剪强度、库仑公式、摩尔库仑强度理论、直剪仪、三轴仪测定抗剪强度指标、土在剪切中的性状和各类抗剪强度指标。 重 点 与 难 点v重 点：土的极限平衡条件、抗剪强度指标的确定方法； v难 点：抗剪强度指标的确定方法。 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。变形破坏 沉降、位
2、移、不均匀沉降等超过规定限值(已学)强度破坏 地基整体或局部滑移、隆起，土工构筑物失稳、 滑坡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，该点便发生剪切破坏。地基破坏5.1 土的抗剪强度理论5.1 土的抗剪强度理论土的抗剪强度：土体抵抗剪切破坏的极限能力。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故。山体滑坡边坡滑裂面f = tan 砂土后来，根据粘性土剪切试验f =c+ tan 粘土 cff库仑定律：在一般应力水平下 ，
3、土的抗剪强度与滑动面上的 法向应力之间呈直线关系抗剪强度指标：c:土的粘聚力:土的内摩擦角库仑根据砂土剪切试验5.1.1 库仑公式v有效应力强度指标f = tan f =c+ tan 粘土 cC:土的有效粘聚力:土的有效内摩擦角f砂土f土的抗剪强度随着它的固结压密 而不断增长。土体抗剪强度来源与影响因素摩擦力来源：滑动摩擦-剪切面土粒间表面的粗糙所产生的摩擦 咬合摩擦-土粒间互相嵌入所产生的咬合力 粘聚力来源：由土粒之间的胶结作用和电分子引力等因素形成 抗剪强度影响因素：摩擦力：剪切面上的法向总应力、土的初始密度、 土粒级配、土粒形状以及表面粗糙程度粘聚力：土中矿物成分、粘粒含量、含水量以及土
4、 的结构NT= NT1、土中一点的应力状态331131dldlcosdlsin楔体静 力平衡5.1.2 莫尔库仑强度理论31dldlcosdlsin求解斜面上的应力：莫尔应力圆方程O13(1 +3 ) /22A(, )圆心坐标(1 +3 ) /2，0应力圆半径r (13 ) /2土中某点的应 力状态可用莫 尔应力圆描述 2、土的极限平衡条件应力圆与强度线相离： 抗剪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 破坏状态 1增大或3减小3、莫尔库仑破坏准则v 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,是目前判别土体所处状态 的最常用准则。 强度线 土体处于极限平衡状态
5、时，破坏面与大主应力作用 面的夹角为 f f2 f31cAcctg1/2(1 +3 )说明：剪破面并不产生于最大剪应力面，而与大主应力作用面的夹角为f，可知，土的剪切破坏并不是由最大剪应力max所控制。 max莫尔库仑破坏准则31c f2 fAc.cot(1+3 )/2无粘性土：c=01f3Oc根据应应力状态计态计 算出大小 主应应力1、3判断破坏可能性由3计计算1f 比较较1与1f11f 破坏状态Oc1f3113= 常数：破坏判断方法判别对象：土体微小单元（一点）根据应应力状态计态计 算出大 小主应应力1、3判断破坏可能性由1计计算3f 比较较3与3f33f 弹性平衡状态3=3f 极限平衡状
6、态3 安全状态 = 极限平衡状态 4反映土的结构 受挠动对强度 的影响程度 v适用于现场测定饱和粘性土的不排水强度，尤其适用于均匀的饱和软粘土四、十字板剪切试验柱体上下平面的 抗剪强度产生的 抗扭力矩柱体侧面剪应力 产生的抗扭力矩5.4 土的抗剪强度指标一、总应力强度指标与有效应力强度指标库仑定律 说明：施加于试样上的垂直法向应力为总应力，c、为总应力意义上的土的粘聚力和内摩擦角，称之为总应力强度指标。一、总应力强度指标与有效应力强度指标根据有效应力原理：土的抗剪强度并不是由剪切面上的法向总应力决定，而是取决于剪切面上的 法向有效应力。土体在承受相同的总应力情况下，可以处于不同的有效应力状态下
7、，因此土体的强度也不同。三轴剪力仪 3 3 3 3 3 3u测量施加 3测量u控制排水施加 3施加 3三轴剪力仪1、 固结不排水剪（CU）施加周围压力3 打开排水阀门，试样完全排水固结，孔隙水压力完全消散 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。 3 3 3 3 3 3关闭排 水阀二、不同排水条件时的剪切试验方法及成果表达 3 3 3 3 3 3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 、 。 ccuc cu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
8、总应力强度指标ccu、 cu。ABC2、不固结不排水剪（UU） 施加周围压力3 施加轴向压力直至剪破，整个过程都关闭排水阀门，不允许试样排水固结。 3 3 3 3 3 3关闭排 水阀二、不同排水条件时的剪切试验方法及成果表达 3 3 3 3 3 3 有效应力圆总应力圆 u=0BCcuuAA 3A 1A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。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,三个试样只能得到一个有效应力圆。3、固结排水剪（CD） 试样在周围压力3 打开排水阀门作用下排水固
9、 结 打开排水阀门 缓慢施加轴向压力增量直 至剪破 整个试验过程中，始终保持 试样的孔隙水压力为0 3 3 3 3 3 3打开排 水阀二、不同排水条件时的剪切试验方法及成果表达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。cdd 3 3 3 3 3 3v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。二、不同排水条件时的剪切试验方法及成果表达三、例题分析【例】 对某种饱和粘性土做固结不排水试验，
10、 三个试样破坏时的大、小主应力和孔隙水压力 列于表中，试用作图法确定土的强度指标ccu、 cu和c 、 。周围压力3/ kPa1/ kPauf / kPa60 100 150143 220 31323 40 67【解答】 按比例绘出三个总应力极限应力圆，如图所示，再绘出总应 力强度包线。 按由1=1- uf，3=3- uf ，将总应力圆在水平轴上左移相应的uf即得3个有效应力极限莫尔圆，如图中虚线圆，再绘 出有效应力强度包线 c ccu根据强度包线得到： ccu= 10 kPa c u=18o c= 6 kPa =27ocu(kPa)100(kPa)10 0300200400四、粘性土残余强度
11、指标应变软化（硬粘土）应变硬化（软粘土）残余强度公式：土体受剪切后强度降低的原因： 土体结构破坏，粘聚力丧失 矿物晶体定向排列 土体残余强度的应用：边坡的破坏各处不均匀，有些地方已经破坏，应采用残余强度指标计算。五、无粘性土剪切的特性v剪胀v紧密砂土e较小剪切过程中体积增大e增大v剪缩v松散砂土e较大剪切过程中体积减小e减小v同种无粘性土持续剪切最终趋于同一孔隙比临界孔隙比ecrv应变硬 化v应变软 化v剪胀v剪 缩最终趋于同一孔隙比临界孔隙比ecr剪切过程中的各项指标变化v 松散砂土的剪缩效应，导致其在地震中很可能会液化：v 砂土颗粒相互靠近，并对孔隙水进行挤压导致孔隙水产生较大孔隙水压力，致使砂土颗粒间的有效应力为0。六、抗剪强度指标的选用试验方法适用条件固结不排水 剪 (CU)建筑物竣工以后较久，荷载又突然增大， 或地基条件等介于上述两种情况之间不固结不排 水剪(UU)地基土的透水性和排水条件不良，建筑物 施工速度较快固结排水慢 剪(CD)地基土的透水性好，排水条件较佳，建筑 物加荷速率较慢
