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1、2009.09,第六章 土的抗剪强度,本章提要与学习目标 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。,2009.09,重点掌握库仑定律、土的极限平衡条件、用直接剪切仪和三轴剪切仪测定抗剪强度指标的方法及三轴试验成果的整理、解决实际工程中遇到的强度稳定性问题。,2009.09,第一节 概述,实际工程当中，土体的破坏通常都是剪切破坏；研究土的强度特性，就是研究土的抗剪强度特性。 （a)土坡稳定性 (b)挡土墙地基稳定性 (c)建筑物地基失稳,2
2、009.09,实例1,香港残积土体滑坡 1972年56月大暴雨，6月雨量竟高达1658.6mm，引起山坡残积土软化而滑动。7月8日7点钟，大滑坡发生，冲毁一幢高层建筑-宝城大厦。该大厦居住银行界人士，死亡120人。因大楼之间间距太小，在宝城大厦倒塌时，砸坏邻近一幢大厦的一角。引起西方震惊，对岩土工程倍加重视。,2009.09,实例2,1963年10月9日晚10时，当意大利瓦依昂水库管理人员及水库周围的村民开始就寝时，人类历史上一场罕见的水库灾难降临在这些无辜人的身上。晚10时29分，近3亿方的岩体从库区左岸托克山的一侧滑进了瓦依昂水库，它冲向右岸，并填满了整个水库，产生的245m高的涌浪翻过2
3、76m高的双曲拱坝，并冲向下游，席卷了下游五个村镇，使2600人丧生，造成了数亿美元的经济损失。,2009.09,1.土的抗剪强度：是指土体抵抗剪切破坏的极限能力，其数值等于剪切破坏时滑动面受的剪应力。 2.剪切面（剪切带）：土体剪切破坏是沿某一面发生与剪切方向一致的相对位移，这个面通常称为剪切面。 3.其物理意义：可以认为是由颗粒间的内摩阻力以及由胶结物和束缚水膜的分子引力所造成的粘聚力所组成。,2009.09,4.决定土的抗剪强度因素很多，主要为：土体本身的性质，土的组成、状态和结构；而这些性质又与它形成环境和应力历史等因素有关；此外，还决定于它当前所受的应力状态。 5.土的抗剪强度主要依
4、靠室内经验和原位测试确定 。,2009.09,第二节 土的抗剪强度理论和极限平衡条件,一、库仑定律（剪切定律） 1773年法国学者库仑(C.A. Coulomb)提出在法向应力变化范围不大时，抗剪强度与法向应力的关系近似为一条直线，这就是抗剪强度的库仑定律。 无粘性土： 粘性土：,2009.09,将库仑定律表示在 坐标系中为两条直线,2009.09,库仑定律说明： （1）土的抗剪强度由土的内摩擦力tg和内聚力c两部分组成。 （2）内摩擦力与剪切面上的法向应力成正比，其比值为土的内摩擦系数tg 。 （3）表征抗剪强度指标：土的内摩擦角和内聚力c。,2009.09,二、总应力法和有效应力法 总应力
5、法是用剪切面上的总应力来表示土的抗剪强度，即： 有效应力法是用剪切面上的有效应力来表示土的抗剪强度，即：,2009.09,饱和土的抗剪强度与土受剪前在法向应力作用下的固结度有关。而土只有在有效应力作用下才能固结。有效应力逐渐增加的过程，就是土的抗剪强度逐渐增加的过程。,2009.09,总应力法与有效应力法的优缺点： 1总应力法：优点：操作简单，运用方便。（一般用直剪仪测定） 缺点：不能反映地基土在实际固结情况下的抗剪强度。 2有效应力法：优点：理论上比较严格，能较好的反映抗剪强度的实质，能检验土体 处于不同固结情况下的稳定性。 缺点：孔隙水压力的正确测定比较困难。,2009.09,抗剪强度机理
6、（强度来源）,粘性土的抗剪强度由内摩擦力和粘聚力两个部分组成。 内摩擦力，一般认为包含这样两个部分：一是剪切面上颗粒与颗粒粗糙面产生的滑动摩擦阻力；二是来自于颗粒之间嵌入或联锁作用产生的咬合摩擦阻力。滑动摩擦阻力的大小与作用于粒间的有效法向应力成正比，滑动摩擦角的大小与颗粒的矿物成分有关；咬合摩擦阻力的大小与粒间有效法向应力有密切的关系，当土体发生剪切时，相互咬合的颗粒要发生相对移动，必须首先向上抬起，才能跨越相邻颗粒而移动，土粒之间的有效法向应力越大，土粒要上移就越困难，因而，土的抗剪强度随剪切面上有效法向应力的增加而增加。,2009.09,粘聚力，一般认为由三部分构成：,(1)原始粘聚力，
7、这是由于土粒间水膜与相邻土粒之间的分子引力所形成的，当土的天然状态被破坏时，原始粘聚力的一部分将丧失，但当土的密度恢复到初始状态时，原始粘聚力随之恢复； (2)固化粘聚力，是由于土中化合物的胶结作用而形成的，天然结构被破坏时，这部分粘聚力将丧失，而且在短时期内不能恢复； (3)毛细粘聚力，是由于，毛细作用形成的，对洁净的干砂，粘聚力C=0，但是由于砂土中夹有粘土颗粒或砂土处于潮湿状态，因而有时也会有很小的粘聚力。,2009.09,三、莫尔库仑破坏标准,(一) 莫尔库仑破坏理论：以库仑公式 作为抗剪强度公式。根据剪应力是否达到抗剪强度作为剪切破坏标准的理论就称为莫尔库仑破坏理论。 (二) 莫尔库
8、仑破坏准则（标准）：研究莫尔库仑破坏理论如何直接用主应力表示，这就是莫尔库仑破坏准则，也称土的极限平衡条件。,2009.09,土体内一点处任意方向截面上应力的集合（剪应力 和法向应力）,斜面上的应力,土中任一点的应力状态,2009.09,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力。,2009.09,2、土体极限平衡条件,如果土体的抗剪强度曲线和土中某点的应力圆已知，可根据两者在同一坐标图上的关系，确定该点所处的应力状态图6-6，以判断土体是否达到破坏。,2009.09,应力圆与强度线相离：,
9、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,2009.09,极限平衡条件,在极限平衡状态下主应力之间的关系，叫做极限平衡条件,c,A,O,O,2009.09,莫尔库仑破坏准则,c,A,cctg,1/2(1 +3 ),无粘性土：c=0,粘性土：,2009.09,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,2009.09,粘性土的极限平衡条件,1= 3tg2(45+/2)2ctg (45+/2) 3= 1tg2(45/2)2ctg (45/2),2009.09,无粘性土的极限平衡条件
10、,1= 3tg2(45+/2) 3= 1tg2(45/2),2009.09,土体处于极限平衡状态时，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。,2009.09,利用土中应力圆和极限平衡的条件进行以下土体破坏判断：,2009.09,相关考题,（1）单元土体中破坏面上剪应力等于土的抗剪强度时，该面一般为具有最大剪应力的那个面（ x ） （1）无粘性土的抗剪强度来源于 ，粘性土的抗剪强度来源于 和 。 （1）粘性土的极限平衡条件是 。 （2）土体剪切破坏面与小主应力面的夹角是 。,200
11、9.09,相关考题,（7）土的强度通常是指土的 强度。 （8）一种粘性土含水量越大，其内摩擦角越 。,2009.09,抗剪强度曲线与摩尔应力圆在A点相切，表明A点所代表的平面的剪应力 等于（达到） 土的抗剪强度f，即该点处于 极限平衡状态 状态。,2009.09,相关考题,（1）试述影响土的抗剪强度的主要因素？ （6）土颗粒粗细与土内摩擦角什么关系？ （7）简述土的密度和含水量对土的内摩擦角与内聚力的影响。 （8）土的孔隙水压力对土的抗剪强度有何影响？,2009.09,（9）简述极限平衡状态的概念，并说明什么是土的极限平衡条件？ （10）简述摩尔-库仑强度理论的要点。 （12）土体发生剪切破坏
12、的面是否是剪应力最大的平面？一般情况下剪切破坏面与大主应力面成什么角度？,2009.09,第三节 测定土抗剪强度指标的试验,测 定 土 抗 剪 强 度 试 验 分 类,按试验仪器分,按控制方法分,三轴剪切试验,应变控制式,应力控制式,直接剪切试验,2009.09,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,2009.09,试验仪器：直剪仪（应变控制式，应力控制式）,一、 直接剪切试验,2009.09,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。,2009.
13、09,2009.09,剪切容器与应力环,2009.09,2009.09,2009.09,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,2009.09,在法向应力作用下，剪应力与剪切位移关系曲线。,2009.09,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:,2009.09,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。,2009.09
14、,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。,二、 三轴压缩试验,c,2009.09,二、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） 应力控制式三轴仪,2009.09,试验步骤:,2.施加周围压力,3.施加竖向压力,1.装样,2009.09,三轴压缩仪,2009.09,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,2009.09,加压和量测系统,2009.09,三轴剪力仪,2009.09,三轴试验优缺点,优点： 能控制排水条件，量测孔隙水压力。
15、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。,2009.09,2009.09,三、剪切试验中土的性状 补充,l 1粘性土的剪切性状与特征 粘性土的抗剪强度除受固结程度、排水条件影响外，还受应力历史的影响。 （1）不同剪切试验中粘性土的特征 不固结不排水剪(unconsolidated-undrained shear test) 对饱和粘性土进行不固结不排水剪试验，可得到图5-2的结果，从图中可见，虽然三个试样的不等，但破坏时的主应力差，即图中莫尔圆的直径相等，故破坏包线是一条水平线,2009.09,2）固结不排水剪(consolidated-undrained shear test),正常固结和超固结试样对土的固结不排水强度有很大影响 正常固结饱和粘性土的试验结果见图 超固结土的固结不排水剪试验结果,2009.09,超固结土的固结不排水剪试验,当试验固结压力小于Pc时，为曲线，但可近似用直线ab代替；当试验固结压力大于Pc时是直线，说明试验进入正常固结状态。bc线的延长线也通过坐标原点。 对于超固结土，特别是高度超固结土，由于剪切时产生负的孔隙水压力
