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1、第七章 土的抗剪强度7.1 概述7.2 土的抗剪强度理论7.3 土的抗剪强度试验 7.4 三轴压缩试验中的孔隙压力系数7.5 饱和黏性土的抗剪强度7.6 应力路径在强度问题中的应用7.7 无黏性土的抗剪强度 7.1 概述1、土的抗剪强度：土体抵抗剪应力的极限值，或土体抵抗剪切破坏的受剪能力。2、工程中的剪切破坏3、剪切试验仁者乐山 智者乐水各种类型的滑坡崩塌平移滑动旋转滑动流滑滑裂面仁者乐山 智者乐水u1994年4月30日u崩塌体积400万方，10万方进入乌江u死4人，伤5人，失踪12人；击沉多艘船只u1994年7月2-3日降雨引起再次滑坡u滑坡体崩入乌江近百万方；江水位差数米，无法通航。乌江
2、武隆鸡冠岭山体崩塌仁者乐山 智者乐水滑坡堰塞湖易贡湖湖水每天上涨50cm！天然坝 坝高290 m滑坡堰塞湖 库容15亿方2000年西藏易贡巨型滑坡仁者乐山 智者乐水锚固破坏整体滑动底部破坏土体下沉墙体折断挡土支护结构的破坏仁者乐山 智者乐水广州京光广场基坑塌方使基坑旁办公室、民工宿舍和仓库倒塌，死3人，伤17人仁者乐山 智者乐水大阪的港口码头挡土墙由于液化前倾仁者乐山 智者乐水地基的破坏地基P滑裂面仁者乐山 智者乐水某谷仓地基的破坏仁者乐山 智者乐水砂土的液化(liquefaction)日本新泻1964年地震引起大面积液化仁者乐山 智者乐水F 土压力F 边坡稳定性F 地基承载力F 振动液化特性
3、n 挡土结构物破坏n 各种类型的滑坡n 地基的破坏n 砂土的液化核心问题:土体的强度理论7.2 土的抗剪强度理论一、库伦公式及抗剪强度指标二、莫尔库伦强度理论及极限平衡条件仁者乐山 智者乐水法国军事工程师，在摩擦、电磁方面做出了奠基性的贡献。1773年发表了关于土压力方面论文，成为土压力的经典理论库仑（C. A. Coulomb）(1736-1806)5.2 土的抗剪强度理论 直剪试验与库伦公式仁者乐山 智者乐水直 剪 试 验PT土样下盒上盒S面积An 直剪试验 法向应力： 剪应力： 剪切变形S1S23仁者乐山 智者乐水直剪试验的强度包线S123Ocn 库仑公式：（1776）f1f2f3 f
4、： 土的抗剪强度tg： 摩擦强度-正比于压力 ： 土的内摩擦角 c： 粘聚强度-与所受压力无关5.2 土的抗剪强度理论 直剪试验与库伦公式仁者乐山 智者乐水土的抗剪强度指标Fc和是决定土的抗剪强度的两个指标，称为抗剪强度指标当采用总应力时，称为总应力抗剪强度指标当采用有效应力时，称为有效应力抗剪强度指标对无粘性土通常认为，粘聚力C=0n 库仑公式:5.2 土的抗剪强度理论 直剪试验与库伦公式仁者乐山 智者乐水摩 擦 强 度n 摩擦强度：决定于剪切面上的正应力和土的内摩擦角由颗粒之间发生滑动时颗粒接触面粗糙不平所引起，与颗粒的形状，矿物组成，级配等因素有关0.02 0.06 0.2 0.6 23
5、020颗粒直径 (mm)滑动摩擦角 u粗粉 细砂 中砂 粗砂 滑动摩擦 咬合摩擦 包括如下两个组成部分 ： 滑动摩擦5.2 土的抗剪强度理论 土的抗剪强度机理仁者乐山 智者乐水n 摩擦强度：决定于剪切面上的正应力和土的内摩擦角 滑动摩擦 咬合摩擦 包括如下两个组成部分 ：是指相邻颗粒对于相对移动的约束作用当发生剪切破坏时，相互咬合着的颗粒A必须抬起，跨越相邻颗粒B，或在尖角处被剪断（C），才能移动 土体中的颗粒重新排列，也会消耗能量 咬合摩擦CABCAB剪切面5.2 土的抗剪强度理论 土的抗剪强度机理摩 擦 强 度仁者乐山 智者乐水摩 擦 强 度F密度F粒径级配F颗粒的矿物成分F粒径的形状F粘
6、土颗粒表面的吸附水膜n 影响土的摩擦强度的主要因素:5.2 土的抗剪强度理论 土的抗剪强度机理仁者乐山 智者乐水凝 聚 强 度n 细粒土：粘聚力c取决于土粒间的各种物理化学作用力F作用机理：库伦力（静电力）、范德华力、 胶结作用力和毛细力等F影响因素：地质历史、粘土颗粒矿物成分、 密度与离子浓度n 粗粒土：一般认为是无粘性土，不具有粘聚强度：F 当粗间有胶结物质存在时可具有一定的粘聚强度F 非饱和砂土，粒间受毛细压力，具有假粘聚力5.2 土的抗剪强度理论 土的抗剪强度机理二、莫尔库伦强度理论及极限平衡条件1910年莫尔(Mohr)提出材料的破坏是剪切破坏，当任一平面上的剪应力等于材料的抗剪强度
7、时该点就发生破坏，并提出在破坏面上的剪应力f 是该面上法向应力 的函数，即f f ()莫尔包线(或称为抗剪强度包线)：这个函数在f 坐标中的一条曲线仁者乐山 智者乐水应力莫尔圆O213rp大主应力：小主应力:圆心：半径：zxzxzx1(z,zx)(x,xz)莫尔圆：单元的应力状态圆上点：一个面上的与莫尔圆转角2：作用面转角5.2 土的抗剪强度理论 莫尔-库仑强度理论莫尔库仑强度理论：由库伦公式表示莫尔包线的强度理论。仁者乐山 智者乐水莫尔圆应力分析符号规定n 材料力学+-正应力剪应力拉为正压为负顺时针为正逆时针为负+-n 土力学压为正拉为负逆时针为正顺时针为负5.2 土的抗剪强度理论 莫尔-库
8、仑强度理论仁者乐山 智者乐水极限平衡应力状态5.2 土的抗剪强度理论 莫尔-库仑强度理论F极限平衡应力状态：当一面上的应力状态达到=fF土的强度包线：所有达到极限平衡状态的莫尔圆的公切线切点=破坏面仁者乐山 智者乐水应力莫尔圆与强度包线f 强度包线以下：任何一个面上的一对应力与都没有达到破坏包线，不破坏 与破坏包线相切：有一个面上的应力达到破坏 与破坏包线相交：有一些平面上的应力超过强度5.2 土的抗剪强度理论 莫尔-库仑强度理论 不可能发生仁者乐山 智者乐水1. 土单元的某一个平面上的抗剪强度f是该面上作用的法向应力的单值函数, f=f() （莫尔：1900年）2. 在一定的应力范围内，可以
9、用线性函数近似f=c+tg3. 某土单元的任一个平面上=f ，该单元就达到了极限平衡应力状态莫尔库仑强度理论5.2 土的抗剪强度理论 莫尔-库仑强度理论仁者乐山 智者乐水Ocf=c+tg13莫尔-库仑强度理论的破坏准则n 土的极限平衡条件：处于极限平衡状态时， 1和3之间应满足的关系无粘性土5.2 土的抗剪强度理论 莫尔-库仑强度理论仁者乐山 智者乐水土单元是否破坏的判别n根据极限平衡条件可以用来判别一点土体是否已发生剪切破坏F 计算主应力1, 3：F 确定土单元体的应力状态（x，z，xz）F判别是否剪切破坏： 由3 1f，比较1和1f 由1 3f，比较3和3f 由1 , 3 m，比较和m5.
10、2 土的抗剪强度理论 莫尔-库仑强度理论仁者乐山 智者乐水cf=c+tgO土单元是否破坏的判别F1= 1f 极限平衡状态 （破坏）F11f 不可能状态 （破坏）1f3n 方法一： 由3 1f，比较1和1f5.2 土的抗剪强度理论 莫尔-库仑强度理论仁者乐山 智者乐水Ocf=c+tg土单元是否破坏的判别n 方法二： 由1 3f，比较3和3fF3= 3f 极限平衡状态 （破坏）F3 3f 安全状态F33f 不可能状态 （破坏）13f5.2 土的抗剪强度理论 莫尔-库仑强度理论仁者乐山 智者乐水Of=c+tgOc土单元是否破坏的判别n 方法三： 由1 , 3 m，比较和mFm 不可能状态 （破坏）F
11、处于极限平衡状态所需的内摩擦角5.2 土的抗剪强度理论 莫尔-库仑强度理论仁者乐山 智者乐水剪切破坏面的位置31f22=90+=45+/2O1f3F可见土体破坏的剪切破坏不在45最大剪应力面上，为什么？n 与大主应力面夹角:25.2 土的抗剪强度理论 莫尔-库仑强度理论仁者乐山 智者乐水小 结F直剪试验与库仑公式F土的抗剪强度机理F 莫尔-库仑强度理论直剪试验库仑公式土的抗剪强度指标c和应力状态与莫尔圆极限平衡应力状态莫尔-库仑强度理论土体破坏判断方法滑裂面的位置摩擦强度：滑动、咬合摩擦凝聚强度5.2 土的抗剪强度理论 莫尔-库仑强度理论莫尔圆与抗剪强度之间的关系f 7.3 土的抗剪强度试验一
12、、直接剪切试验二、三轴压缩试验三、无侧限抗压强度试验四、十字板剪切试验仁者乐山 智者乐水n 室内试验：直剪试验三轴试验等n 野外试验：十字板扭剪试验旁压试验等抗剪强度测定试验F重塑土制样或现场取样F缺点：扰动F优点：应力和边界条件 清楚，易重复F缺点：应力和边界条 件不易掌握F优点：原状土的原位 强度5.3 土的抗剪强度的测定试验仁者乐山 智者乐水直 剪 试 验PT土样下盒上盒S面积AOc1S23f1f2f3直剪仪(direct shear test apparatus)5.3 土的抗剪强度的测定试验 直剪试验仁者乐山 智者乐水直剪试验的类型(1) 固结慢剪 施加正应力-充分固结 剪切速率很慢
13、，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5.3 土的抗剪强度的测定试验 直剪试验仁者乐山 智者乐水直剪试验的优缺点C 设备和操作简单D人为固定剪切面D剪切面应力状态复杂 应力、应变不均匀 主应力方向旋转D剪切面积逐渐减小D排水条件不明确PT土样TP试样内的变形分布5.3 土的抗剪强度的测定试验 直剪试验仁者乐山 智者乐水直剪试验中的应力状态PPTz=P/Ax=k0zxz=0剪切前剪切破坏时xzz=P/AxOz=P/Ak0z剪切前剪切破坏时5.3 土
14、的抗剪强度的测定试验 直剪试验仁者乐山 智者乐水3.6 常规三轴压缩试验n Casagrande 1930年首先使用n 试样采用圆柱形土样，用橡皮膜包裹，放在密封压力室的压力水中，施加轴向力，应力状态明确；变形量测简单n 可控制排水条件；可完整的描述试样受力、变形和破坏的全过程；可进行不同应力路径的试验F三轴：同“单轴”对应，表明土样在三个方向受力F常规：同“真”对应，表明土样在两个方向受到相同压力（室压力）的作用，并非真正的三轴应力常规三轴压缩试验仁者乐山 智者乐水3.6 常规三轴压缩试验F 主机系统F 稳压调压系统F 量测系统 常规三轴压缩试验仪压力室压力室底座主机马达主机框架离合器n 组
15、成：仁者乐山 智者乐水3.6 常规三轴压缩试验F 主机系统F 稳压调压系统F 量测系统 常规三轴压缩试验仪n 组成：压力泵或高压氮气瓶调压阀压力表仁者乐山 智者乐水3.6 常规三轴压缩试验3.6 常规三轴压缩试验F 主机系统F 稳压调压系统F 量测系统 常规三轴压缩试验仪n 组成：孔压传感器体变管轴向位移量测轴向力量测仁者乐山 智者乐水3.6 常规三轴压缩试验常规三轴压缩试验仪 试样水稳压调压系统排水管或孔压量测阀门轴向活塞有机玻璃罩橡皮膜透水石顶帽n 压力室及试样阀门马达横梁量力环百分表仁者乐山 智者乐水3.6 常规三轴压缩试验常规三轴压缩试验 n 通常试验分为两个阶段：F 施加周围压力3：
16、过程中，允许试样排水称为固结；不允许试样排水称为不固结ccccF施加轴向力，进行剪切：cccc过程中，允许试样排水称为排水；不允许试样排水称为不排水仁者乐山 智者乐水应力特点与试验方法n 方法：固结：试样施加围压力1=2=3 剪切：施加应力差1=1-3 n 应力特点：试样是轴对称应力状态垂直应力z一般是大主应力1侧向应力总是相等x=y，且为中、小主应力2=3试样水压力c轴向力F5.3 土的抗剪强度的测定试验 三轴试验仁者乐山 智者乐水3.6 常规三轴压缩试验常规三轴压缩试验 F 不固结不排水试验UU unconsolidated-undrained testF 固结不排水试验CU consolidated-undrained testF 固结排水试验CD consolidated-drained testn 常规三轴压缩试验 conventional triaxial compression test仁者乐山 智者乐水3.6 常规三轴压缩试验固结排水试验n 试验过程：试样围压力3阀门阀门马达横梁量力环百分表量水管施加围压，排水阀门始终打开，充分排水施加(1 -)进行剪切时，排水阀门始终
