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1、第六章 土的抗剪强度,第一节 概述 第二节 摩尔库仑强度理论 第三节 土中一点的极限平衡条件 第四节 土的剪切试验 第五节 土的应力路径 第六节 无粘性土的剪切特性 第七节 粘性土的剪切特性 第八节 土的抗剪强度指标的选用,第一节 概述土体剪切破坏工程实例地基承载力问题,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1911年动工 1913年完工,1994年4月30日 崩塌体积400万方，10万方进入乌江 死4
2、人，伤5人，失踪12人；击沉多艘船只 1994年7月2-3日降雨引起再次滑坡 滑坡体崩入乌江近百万方；江水位差数米，无法通航。,乌江武隆鸡冠岭 山体崩塌,第一节 概述,各种类型的滑坡,第一节 概述,第二节 莫尔-库仑强度理论,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,一 土的抗剪强度定律,库仑公式,抗剪强度指标,c:土的粘聚力 :土的内摩擦角,(无粘性土：c=0),上式称为库仑定律，它表明土的抗剪强度与正应力之间呈线性关系。实践证明，在一般应力范围内，采用库仑
3、定律确定土的抗剪强度指标能够满足工程要求，但在高压力作用下，该曲线逐渐向下弯曲，此时就不宜直接采用简单的直线关系。,第二节 莫尔库仑强度理论,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。,摩尔包线,f =c+ tan,二 莫尔-库仑强度理论,第二节 莫尔库仑强度理论,第二节 莫尔库仑强度理论,用有效应力表示的莫尔圆与库伦公式的关系如图所示推出，单元体的破坏条件为即莫尔库伦理论,1 一点的应力状态 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,第三节 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
4、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力。,第三节 土中一点的应力状态,莫尔库仑破坏准则,c,A,cctg,1/2(1 +3 ),无粘性土：c=0,粘性土：,第三节 土中一点的应力状态,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,第三节 土中一点的应力状态,粘性土的极限平衡条件,1= 3tg2(45+/2)2ctg (45+/2)3= 1tg2(45/2)2ctg (45/2),1= 3tg2(45+/2) 3= 1tg2(45/2),无粘性土的极限平衡条件,第三节 土中一点的应力状态,讨论：土体处
5、于极限平衡状态时，破坏面与大主应力作用面的夹角为 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。,第三节 土中一点的应力状态,室内试验： 直剪试验 三轴试验等野外试验： 十字板扭剪试验 旁压试验等,重塑土制样或现场取样 缺点：扰动 优点：应力和边界条件 清楚，易重复,缺点：应力和边界条 件不易掌握 优点：原状土的原位 强度,第四节 土的剪切试验,一 直 剪 试 验,P,T,土样,下盒,上盒,S,面积A,1,S,2,3,f1,f2,f3,直剪仪 (direct shear test apparatus),第四节 土的剪
6、切试验,第四节 土的剪切试验,直剪仪,直剪试验的类型,(1) 固结慢剪施加正应力-充分固结剪切速率很慢，0.02mm/分，以保证无超静孔压 (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分钟内剪切破坏,通过控制剪切速率近似模拟排水条件,第四节 土的剪切试验,直剪试验的优缺点,设备和操作简单 人为固定剪切面 剪切面应力状态复杂应力、应变不均匀主应力方向旋转 剪切面积逐渐减小 排水条件不明确,第四节 土的剪切试验,1、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,
7、二 三轴压缩试验,第四节 土的剪切试验,2、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） 应力控制式三轴仪,试验步骤:,2.施加周围压力,3.施加竖向压力,1.装样,第四节 土的剪切试验,三轴压缩仪示意图,第四节 土的剪切试验,三轴压缩仪,第四节 土的剪切试验,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,第四节 土的剪切试验,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
8、符。,第四节 土的剪切试验,三 不同排水条件时的剪切试验成果,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法向总应力决定，而是取决于剪切面上的法向有效应力。,第四节 土的剪切试验,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),2 不同排水条件时的剪切试验方法及成果,第四节 土的剪切试验,（1）.不固结不排水剪（UU）,三轴试验：施加周围压力
9、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。,第四节 土的剪切试验,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，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。,第四节 土的剪切试验,（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
10、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。,第四节 土的剪切试验,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,第四节 土的剪切试验,（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
11、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。,第四节 土的剪切试验,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。,第四节 土的剪切试验,3=0,三 无侧限抗压强度试验,第四节 土的剪切试验,0,cu,无侧限抗压强度试验,qu,无侧限抗压强度试验所得
12、的极限应力圆的水平切线就是破坏包线,第四节 土的剪切试验,一般适用于测定软粘土的不排水强度指标 钻孔到指定的土层，插入十字形的探头 通过施加的扭矩计算土的抗剪强度,四 十字板剪切试验,第四节 土的剪切试验,假定土体为各向同性，fh=fv=f：,第四节 土的剪切试验,应力状态：土体中一点（微小单元）上作用的应力的大小与方向 应力路径：土体中一点应力状态连续变化，在应力空间（平面）中的轨迹,第五节 土的应力路径,应力状态可用莫尔圆表示,圆心坐标： R= ()半径：r = ()顶点坐标：(p,q)其中，p=()q=(),应力状态也可用莫尔圆上的点，如（p,q）来表示,(p,q),第五节 土的应力路径
13、,应力路径及破坏主应力线,方法一：用一系列的莫尔圆表示,破坏时的莫尔圆与强度包线相切 不直观，易混乱,方法二：用p-q图上莫尔圆的顶点坐标的变化线表示,破坏点位于破坏主应力线上 方法直观，使用方便,第五节 土的应力路径,三轴试验的总应力路径,固结过程： p 0 p0 = 3,剪切过程： 3=0 1 0,A,B,第五节 土的应力路径,三轴试验的有效应力路径,固结过程： p 0 p0 = 3,剪切过程： 3=0 1 0 u 0,当A是常数时，有效应力路径为直线， 一般情况下A不为常数，有效应力路径为曲线,第五节 土的应力路径,第六节 无粘性土的剪切特性,无粘性土无粘聚力，其抗剪强度取决于剪切面上的
14、摩擦性质，故无粘性土又称粒状土。粒状土的密实程度及颗粒间的相对移动是影响无粘性土性质的决定因素。一 无粘性土的摩擦强度摩擦物理过程分为两部分：颗粒间的滑动而产生的滑动摩擦；是颗粒间脱离咬合作用而产生的咬合摩擦。,研究表明：就一种砂而言，无论是紧砂还是松砂，颗粒的滑动摩擦角差异不大，两者在强度上的差异主要是由颗粒的排列定向作用与剪胀效应所致。 二、土颗粒组成对内摩擦角的影响土颗粒的组成主要指颗粒形状、级配及矿物 成份等。级配良好的土，由于具有较好的接触以及咬合，较级配均匀的土咬合作用强，接触压力小而不易破碎，故内摩擦角较大。尖角的砂较圆角的砂其咬合作用强，内摩擦角也较大。,第六节 无粘性土的剪切
15、特性,三 土的空隙比及剪胀性,松砂受剪，一般不出现峰值强度，其体积先是急剧减少，然后略有回胀；紧砂受剪时，先是颗粒彼此贴紧，体积略有收缩，然后由于咬合摩擦造成颗粒跨越发生相对位移，体积迅速增大，与此对应，应力应变曲线开始很陡，达峰值时，由于试样颗粒间咬合作用削弱，强度亦有所降低。,砂土在固结排水试验中的应力应变与体变曲线,第六节 无粘性土的剪切特性,四 无粘性土的内摩擦角,内摩擦角可分为峰值内摩擦角（按峰值强度确定）和剩余内摩擦角（按峰值后最终强度确定）,砂土的摩擦角,第六节 无粘性土的剪切特性,第七节 粘性土的剪切特性,粘性土又称为凝聚性土。粘性土的强度由于其微观结构极为复杂、颗粒较为细小、矿物成份复杂、结构多变以及水和胶结物质的存在，表现出的性质极为复杂。 一、粘性土强度机理的研究兰姆（Lambe, T. W） 从内力和微观结构出发粘聚力粘性土的抗剪强度 剪胀摩擦,
