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1、5 土的抗剪强度,土木建筑学院,土的抗剪强度指土体抵抗剪切破坏的极限能力，是土的主要力学性质之一。土体的破坏通常是剪切破坏。 建筑物地基在外荷载作用下将产生剪应力和剪切变形。土具有抵抗剪应力的潜在能力剪阻力。,5.1 土的抗剪强度概述,剪阻力随着剪应力的增加而逐渐发挥，剪阻力被完全发挥时，土就处于剪切破坏的极限状态，此时剪应力也就到达极限，这个极限值就是土的抗剪强度。,土体抗剪强度不足造成的楼房倒塌。,土体抗剪强度不足造成的山体滑坡。,5.2 土的抗剪强度理论,5.2.1 库伦公式及抗剪强度指标 1773年CA库伦(Comlomb)根据砂土的试验，将土的抗剪强度表达为滑动面上法向总应力的函数，
2、即,粘性土: f = c tan,砂土: f = tan,无粘性土的抗剪强度与剪切面上的法向应力成正比，其本质是由于土粒之间的滑动摩擦以及凹凸面间的镶嵌作用所产生的摩阻力，其大小决定于土粒表面的粗糙度、密实度、土颗粒的大小以及颗粒级配等因素。 粘性土的抗剪强度由两部分组成，一部分是摩擦力(与法向应力成正比)，另部分是土粒之间的粘结力，它是由于粘性土颗粒之间的胶结作用和静电引力效应等因素引起的。,大量试验表明，土的抗剪强度不仅与土的性质有关，还与试验时的排水条件、剪切速率、应力状态和应力历史等许多因素有关。其中最重要的是试验时的排水条件根据K太沙基(Terzaghi)的有效应力概念，土体内的剪应
3、力仅能由土的骨架承担，由此，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库仑公式应修改为：,f =tan f = c tan ,5.2.2 莫尔库伦强度理论及极限平衡条件,土体中任意点的应力,莫尔库伦破坏准则 土的极限平衡条件,当土体中任意一点在某一平面上的剪应力达到土的抗剪强度时，就发生剪切破坏。即土体处于极限平衡状态，根据莫尔库伦理论和莫尔应力圆可得到土体中一点的剪切破坏条件，即土的极限平衡条件。 极限平衡状态时，大、小主应力之间的关系，称为莫尔库伦破坏准则。 将抗剪强度包线与莫尔应力圆画在同一张坐标图上。它们之间的关系有以下三种情况。,稳定状态 极限平衡状态 不可能状态,抗剪强度,
4、剪应力,莫尔圆与抗剪强度之间的关系,最大剪应力处不发生破坏？,土的极限平衡条件推导,破裂面、破裂角,破裂面在土体中取一单元微体。mn为破裂面，它与大主应力的作用面成f角。,破裂角 说明破坏面与最大主应力 1的作用面的夹角为（450 /2)。如前所述，土的抗剪强度f 实际上取决于有效应力，所以， 取有效摩擦角时才代表实际的破裂角。,5.3 抗剪强度指标的测定方法,土的抗剪强度是土的一个重要力学性能指标在计算承载力、评价地基的稳定性以及计算挡土墙的土压力时，都要用到土的抗剪强度指标，因此，正确地测定土的抗剪强度在工程上具有重要意义。 抗剪强度的试验方法:直接剪切试验三轴压缩试验 实验室无侧限抗压试
5、验十字板剪切试验大型直接剪切试验,现场原位测试,抗剪强度指标的测定方法,抗剪强度的影响因素:1.土的种类；2.土的密度、含水量；3.初始应力状态、应力历史；4.试验中的排水条件等。 抗剪强度指标: 总应力指标： c，有效应力指标 ： c，,在剪切试验中试样内的有效应力(或孔隙水应力)将随剪切前试样的固结程度和剪切中的排水条件而异。因此，同一种土如用不同的方法进行试验，求出的总应力强度指标是不同的，即便剪破面上的法向总应力相同，也未必就有相同的强度。当采用有效应力表示试验结果时，不同试验方法引起的强度差异是通过项来反映，而有效应力强度指标基本不变。,5.3.1 直接剪切试验,直接剪切试验 直接剪
6、切仪分为应变控制式和应力控制式两种，前者是等速推动试样产生位移测定相应的剪应力，后者则是对试件分级施加水平剪应力测定相应的位移，目前我国普遍采用的是应变控制式直剪仪。,对同一种土至少取4个重度和含水量相同的试样，分别在不同垂直压力下剪切破坏，一般可取垂直压力为100、200、300、400 kPa，将试验结果绘制抗剪强度f 和垂直压力 之间关系曲线。 一般取峰值作为该级压力下的抗剪强度f 。必要时可取终值（残余强度）作为抗剪强度。,直接剪切试验方法：,为了近似模拟土体在现场受剪的排水条件，直接 剪切试验可分为快剪、固结快剪和慢剪：快剪试验在试样施加垂直压力 后立即快速施加水平剪应力使试样剪切破
7、坏。 固结快剪在试样施加垂直压力 后，允许试样充分排水，待固结完成后，再快速施加水平剪应力使试样剪切破坏。 慢剪试验在试样施加垂直压力 后，允许试样充分排水，待固结完成后，以缓慢的速率施加水平剪应力使试样剪切破坏。,直接剪切试验优缺点,直接剪切仪具有构造简单，操作方使等优点，但它存在若干缺点，主要有： 剪切面限定在上下盒之间的平面，而不是沿土样最薄弱的面剪切破坏； 剪切面上剪应力分布不均匀，土样剪切破坏时先从边缘开始，在边缘发生应力集中现象； 在剪切过程中， 土样剪切面逐渐缩小，而在计算抗剪强度时却是按土样的原截面积计算； 试验时不能严格控制排水条件，不能量测孔隙水压力、在进行不排水剪切时，试
8、件仍有可能排水，特别对于饱和粘性土。,三轴压缩试验,三轴压缩试验也称三轴剪切试验，是测定土抗剪强度的一 种较为完善的方法。三轴压缩仪由压力室、轴向加荷系统、施加围压系统、孔隙水压力量测系统等组成。,三轴压缩试验,常规试验方法的主要步骤如下：1.将土样切成圆柱体套在橡胶膜内、放在密封的压力室中然后向压力室内压入水，使试样各向受到围压3 ，并使液压在整个试验过程中保持不变，这时试样内各向的 三个主应力都相等、因此不发生剪应力。 2.然通过传力杆对试样施加竖向压力，这样，竖向主应力就大于水平向主应力水平向主应力保持不变。而竖向主应力逐渐增大，试件终于至剪切破坏。,三轴压缩试验,三轴压缩试验方法,三轴
9、压缩试验按剪切前的固结程度和剪切时的排水条件，分为以下三种试验方法； (1) 不固结不排水试验(UU Test)：试样在施加周围压力和随后施加竖向压力直至剪切破坏的整个过程中都不允许排水，试验自始至终关闭排水阀门。(2) 固结不排水试验(CU Test)：试样在施加周围压力3 后打并排水阀门，允许排水固结，稳定后关闭排水阀门，再施加竖向压力、使试样在不排水的条件下剪切破坏。 (3) 固结排水试验(CD Test)：试样在施加周围压力3时允许排水固结，待固结稳定后，再在排水条件下施加竖向压力至试样剪切破坏。,三轴压缩试验优缺点,三轴压缩仪的突出优点:能较为严格地控制排水条件，量测试件中孔隙水压力
10、的变化。此外，试件中的应力状态也比较明确，破裂面是在最弱处，而不象直接剪切仪那样限定在上下盒之间。一般说来，三轴压缩试验的结果比较可靠。三轴压缩试验的缺点:是试样的中主应力2 3 。而实际上土体的受力状态未必都属于这类轴对称情况。真三轴仪中的试样可在不同的三个主应力(1 2 3 )作用下进行试验。,5.3.3 无侧限抗压强度试验,无侧限抗压强度试验与三轴仪中进行3 0的不排水剪切试验一样，试验时，将圆柱形试样放在无侧限抗压试验仪中，在不加任何侧向压力的情况下施加垂直压力，直到使试件剪切破坏为止，剪切破坏时试样所能承受的最大轴向压力qu称为无侧限抗压强度。,无侧限抗压强度试验,根据试验结果，只能
11、作一个极限应力圆 (1 qu、 3 0)，因此对于一般粘性土就难以作出破坏包线。而对于饱和粘性土，根据在三轴不固结不排水试验的结果，其破坏包线近于一条水平线，即u0。这样，如仅为了测定饱和粘性土的不排水抗剪强度就可以以利用构造比较简中的无侧限抗压试验仪代替三轴仪。此时，取u 0则由无侧阻抗比强度试验所得的极限应力圆的水平线就是破坏包线，得：,灵敏度 ：原状土与重塑土无侧限抗 压强度的比值。,5.3.3 十字板剪切试验,十字板剪切试验室内的抗剪强度测试要求取得原状土样。但由于试样在采取、运送、保存和制备等方面不可避免地受到扰动，含水量也很难保持、特别是对于高灵敏度的软粘土，室内试验结果的精度就受
12、到影响。,5.4 饱和粘性土的抗剪强度,不固结不排水试验是在施加周围压力和轴向压力直至剪切破坏的整个试验过程中都不允许排水，如果有一组饱和粘性土试件，首先在某一围压下固结至稳定试件中的初始孔隙水压力为零，然后分别在不排水条件下施加围压和轴向压力至剪切破坏,一般只用于测定饱和土的不排水强度,一、不固结不排水抗剪强度,不排水条件下，试样在试验过程中含水量不变，体积不变。改变围压增量只能引起孔隙水压力的变化，并不会改变试样中的有效应力，各试样在剪切前的有效应力相等，因此抗剪强度不变。,不固结不排水试验的“不固结”是在三轴压力室压力下不再固结而保持试样原来的有效应力不变，如果饱和粘性土从未固结过，将是
13、一种泥浆状土，抗剪强度也必然等于零。从天然土层中取出的试样，相当于在某一压力下已经固结，具有一定的天然强度。不排水抗剪强度取决于天然土层有效固结压力。,土 的 应 力 历 史 前期固结应力pc：土在历史上曾受到过的最大有效应力 超固结比OCR ： 前期固结应力与现有有效应力之比,即OCR pc/p1正常固结土： OCR=1 超固结土： OCR1,OCR愈大，土受到的超固结作用愈强，在其他条件相同的情况下，其压缩性愈低。欠固结土： OCR pc，属于正常固结试样；如果3 pc，则属于超固结试样。试验结果证明，这两种不同固结状态的试样，其抗剪强度性状是不同的。,正常固结饱和粘性土固结不排水试验结果
14、,有效应力圆与总应力圆直径相等、仅位置不同。两者之间的距离为uf，因为正常固结试样在剪切破坏时产生正的孔隙水压力，故有效应力圆在总应力圆的左方。总应力破坏包线和有效应力破坏包线都通原点，说明未受任何固结压力的土(如泥浆状土)不具有抗剪强度。 总应力破坏包线的倾角以cu表示，一般在1020之间，有效应力破坏包线的倾角称为有效内摩擦角，比 cu大一倍左右。,超固结土的固结不排水试验结果,超固结土的固结不排水总应力破坏包线是一条平缓的曲线，可 近似用直线ab代替，与正常固结破坏包线bc相交。bc的延长线仍通过原点，实用上将abc折线取为一条直线。 固结不排水剪的总应力强度包线可表达为： f = cc
15、u tan cu 固结不排水剪的有效应力强度包线可表达为：f = ctan 由于超固结土在剪切破坏时，产生负孔隙水压力，有效应力圆在总应力圆的右方，正常固结试祥产生正的孔隙水压力，故有效应力圆在总应力圆的左方。 通常 c cu 。,三、固结排水抗剪强度,固结排水试验在整个试验过程中，孔隙水压力始终为零，总应力最后全部转化为有效应力，所以总应力圆就是有效应力圆总应力破坏包线就是有效应力破坏包线。 固结排水剪的强度包线可表达为： f = cd tan d 试验证明， cd 、 d与固结不排水试验得到的c、接近，由于固结排水试验所需的时间太长故实用上用c、代替cd 、 d ，但是两者的试验条件是有差别的，固结不排水试验在剪切过程中试样的体积保持不变，而固结排水试验在剪切过程中试样的体积一般发生变化， cd 、 d 略大于c 、。,
