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1、第五章第五章土的抗剪强度土的抗剪强度教材教材 p137-p161p137-p1615.1 5.1 土的极限平衡条件土的极限平衡条件5.2 5.2 抗剪强度测定试验抗剪强度测定试验5.3 5.3 抗剪强度指标抗剪强度指标 5 5 土的抗剪强土的抗剪强度度一、土的强度特点：一、土的强度特点：1.1.碎散性：碎散性：强度不是颗粒矿物本身的强度，而是颗粒间相强度不是颗粒矿物本身的强度，而是颗粒间相互作用互作用颗粒间粘聚力与摩擦力颗粒间粘聚力与摩擦力；2. 2. 三相体系：三相体系：三相承受与传递荷载三相承受与传递荷载有效应力有效应力原理；原理；3. 3. 自然变异性：自然变异性：土的强度的结构性与复杂
2、性。土的强度的结构性与复杂性。 5 5 土的抗剪强土的抗剪强度度5.1 5.1 土的极限平衡条件土的极限平衡条件“地震液化地震液化”现象现象2011年福岛第一核电站地面因地震产生的裂痕年福岛第一核电站地面因地震产生的裂痕 5 5 土的抗剪强土的抗剪强度度二、工程中土体的破坏类型二、工程中土体的破坏类型5.1 5.1 土的极限平衡条件土的极限平衡条件 5 5 土的抗剪强土的抗剪强度度二、工程中土体的破坏类型二、工程中土体的破坏类型5.1 5.1 土的极限平衡条件土的极限平衡条件山体滑坡山体滑坡20082008年年 唐家山堰塞湖唐家山堰塞湖地震撼山移河，唐家山的地震撼山移河，唐家山的半个山头自成悬
3、湖大坝。半个山头自成悬湖大坝。 5 5 土的抗剪强土的抗剪强度度二、工程中土体的破坏类型二、工程中土体的破坏类型基坑塌方基坑塌方2009年年 青海省西宁市佳豪广青海省西宁市佳豪广场4号楼号楼5.1 5.1 土的极限平衡条件土的极限平衡条件基坑坍塌基坑坍塌 夺命夺命8 8条条挡土土墙滑裂面滑裂面基坑支基坑支护1. 1. 挡土结构物的破坏挡土结构物的破坏 5 5 土的抗剪强土的抗剪强度度二、工程中土体的破坏类型二、工程中土体的破坏类型5.1 5.1 土体破坏与土的强度理论土体破坏与土的强度理论边坡边坡滑裂面滑裂面 5 5 土的抗剪强土的抗剪强度度二、工程中土体的破坏类型二、工程中土体的破坏类型5.
4、1 5.1 土的极限平衡条件土的极限平衡条件地基地基p滑裂面滑裂面3. 3. 地基的破坏地基的破坏 5 5 土的抗剪强土的抗剪强度度二、工程中土体的破坏类型二、工程中土体的破坏类型5.1 5.1 土的极限平衡条件土的极限平衡条件p土压力土压力p边坡稳定边坡稳定p地基承载力地基承载力p挡土结构物破坏挡土结构物破坏p各种类型的滑坡各种类型的滑坡p地基的破坏地基的破坏核心核心 5 5 土的抗剪强土的抗剪强度度二、工程中土体的破坏类型二、工程中土体的破坏类型5.1 5.1 土的极限平衡条件土的极限平衡条件三、土的强度的机理三、土的强度的机理 5 5 土的抗剪强土的抗剪强度度5.1 5.1 土的极限平衡
5、条件土的极限平衡条件p直剪试验直剪试验n库仑（库仑（17761776） n试验原理试验原理施加施加 （=P/A），），S量测量测 （=T/A）上盒上盒下盒下盒PST = 100KPa SAp直剪试验直剪试验n库仑（库仑（17761776）n试验原理试验原理n试验结果试验结果 = 100KPa S = 200KPa = 300KPa三、土的强度的机理三、土的强度的机理 5 5 土的抗剪强土的抗剪强度度5.1 5.1 土的极限平衡条件土的极限平衡条件PSTA Oc c c 粘聚力粘聚力 内摩擦角内摩擦角 = 100KPa S = 200KPa = 300KPap直剪试验直剪试验n库仑（库仑（177
6、61776）n试验原理试验原理n试验结果试验结果 三、土的强度的机理三、土的强度的机理 5 5 土的抗剪强土的抗剪强度度5.1 5.1 土的极限平衡条件土的极限平衡条件库仑公式：库仑公式： f ： 土的抗剪强度土的抗剪强度 tg ： 摩擦强度摩擦强度-正比于压力正比于压力 c： 粘聚强度粘聚强度-与所受压力无关与所受压力无关NT= NT滑动摩擦滑动摩擦 三、土的强度的机理三、土的强度的机理 5 5 土的抗剪强土的抗剪强度度5.1 5.1 土的极限平衡条件土的极限平衡条件1. 1. 摩擦强度摩擦强度 tgtg （1 1）滑动摩擦）滑动摩擦（2 2）咬合摩擦引起的剪胀咬合摩擦引起的剪胀滑动摩擦滑动
7、摩擦 咬合摩擦引起的剪胀咬合摩擦引起的剪胀三、土的强度的机理三、土的强度的机理 5 5 土的抗剪强土的抗剪强度度5.1 5.1 土的极限平衡条件土的极限平衡条件1. 1. 摩擦强度摩擦强度 tgtg （3）颗粒的破碎与重排列）颗粒的破碎与重排列滑动摩擦 NT颗粒破碎与重排列颗粒破碎与重排列三、土的强度的机理三、土的强度的机理 5 5 土的抗剪强土的抗剪强度度5.1 5.1 土的极限平衡条件土的极限平衡条件1. 1. 摩擦强度摩擦强度 tgtg 咬合摩擦引起的剪胀咬合摩擦引起的剪胀密度（密度（e, 粒径级配（粒径级配（Cu, Cc）颗粒的矿物成分颗粒的矿物成分 对于对于 ：砂土：砂土粘性土；粘性
8、土； 高岭石高岭石伊里石伊里石蒙特石蒙特石粒径的形状（颗粒的棱角与长宽比）粒径的形状（颗粒的棱角与长宽比） 在其他条件相同时：在其他条件相同时： 对于砂土，颗粒的棱角提高了内摩擦角对于砂土，颗粒的棱角提高了内摩擦角 对于碎石土，颗粒的棱角可能降低其内摩擦角对于碎石土，颗粒的棱角可能降低其内摩擦角 影响土的摩擦强度的主要因素：影响土的摩擦强度的主要因素：三、土的强度的机理三、土的强度的机理 5 5 土的抗剪强土的抗剪强度度5.1 5.1 土的极限平衡条件土的极限平衡条件1. 1. 摩擦强度摩擦强度 tgtg p粘聚强度机理n静电引力（库仑力）静电引力（库仑力）n范德华力范德华力n颗粒间胶结颗粒间
9、胶结n假粘聚力（毛细力等）假粘聚力（毛细力等）p粘聚强度影响因素n地质历史地质历史n粘土颗粒矿物成分粘土颗粒矿物成分n密度密度n离子价与离子浓度离子价与离子浓度-+三、土的强度的机理三、土的强度的机理 5 5 土的抗剪强土的抗剪强度度5.1 5.1 土的极限平衡条件土的极限平衡条件2. 2. 凝聚强度凝聚强度PSTAc c 粘聚力粘聚力 内摩擦角内摩擦角 f ： 土的抗剪强度土的抗剪强度 tg ： 摩擦强度摩擦强度-正比于压力正比于压力 c： 粘聚强度粘聚强度-与所受压力无关与所受压力无关 5 5 土的抗剪强土的抗剪强度度5.1 5.1 土的极限平衡条件土的极限平衡条件四、摩尔四、摩尔- -库
10、仑强度理论库仑强度理论固定滑裂面固定滑裂面一般应力状态如何判断是否破坏？一般应力状态如何判断是否破坏？ 借助于莫尔圆借助于莫尔圆1. 1. 库仑公式库仑公式 O z+ zx- xz x2 1 3rR+- 1 5 5 土的抗剪强土的抗剪强度度5.1 5.1 土的极限平衡条件土的极限平衡条件四、摩尔四、摩尔- -库仑强度理论库仑强度理论2. 2. 应力莫尔圆应力莫尔圆大主应力：大主应力：小主应力小主应力: :圆心：圆心：半径：半径：z z按顺时针方向旋转按顺时针方向旋转x x按顺时针方向旋转按顺时针方向旋转莫尔圆：代表一个土单元的应力状态；圆莫尔圆：代表一个土单元的应力状态；圆周上一点代表一个面上
11、的两个应力周上一点代表一个面上的两个应力 与与 3. 3. 极限平衡应力状态极限平衡应力状态 5 5 土的抗剪强土的抗剪强度度5.1 5.1 土的极限平衡条件土的极限平衡条件四、摩尔四、摩尔- -库仑强度理论库仑强度理论极限平衡应力状态：极限平衡应力状态： 有一对面上的应力状态达到有一对面上的应力状态达到 = = f f土的强度包线：土的强度包线： 所有达到极限平衡状态的所有达到极限平衡状态的莫尔圆的公切线莫尔圆的公切线 f3. 3. 极限平衡应力状态极限平衡应力状态 5 5 土的抗剪强土的抗剪强度度5.1 5.1 土的极限平衡条件土的极限平衡条件四、摩尔四、摩尔- -库仑强度理论库仑强度理论
12、 f强度包线以内：强度包线以内：任何一个面上任何一个面上的一对应力的一对应力 与与 都没有达到破都没有达到破坏包线，不破坏；坏包线，不破坏；与破坏包线相切：与破坏包线相切：有一个面上有一个面上的应力达到破坏；的应力达到破坏；与破坏包线相交：与破坏包线相交：有一些平面有一些平面上的应力超过强度；不可能发上的应力超过强度；不可能发生。生。4. 4. 莫尔莫尔库仑强度理论库仑强度理论（1 1）土单元的某一个平面上的抗剪强度）土单元的某一个平面上的抗剪强度 f f是该面上作用的法向应是该面上作用的法向应力力 的单值函数的单值函数, , f f =f( =f( ) ) （莫尔：（莫尔：19001900年
13、）年）（2 2）在一定的应力范围内，可以用线性函数近似）在一定的应力范围内，可以用线性函数近似 f f = = c c + + tgtg （3 3）某土单元的任一个平面上）某土单元的任一个平面上 = = f f ，该单元就达到了极限平，该单元就达到了极限平衡应力状态衡应力状态 5 5 土的抗剪强土的抗剪强度度5.1 5.1 土的极限平衡条件土的极限平衡条件四、摩尔四、摩尔- -库仑强度理论库仑强度理论4. 4. 莫尔莫尔库仑强度理论库仑强度理论 5 5 土的抗剪强土的抗剪强度度5.1 5.1 土的极限平衡条件土的极限平衡条件四、摩尔四、摩尔- -库仑强度理论库仑强度理论莫尔莫尔- -库仑强度理
14、论表达式极限平衡条件库仑强度理论表达式极限平衡条件 1f 3 O c4. 4. 莫尔莫尔库仑强度理论库仑强度理论 5 5 土的抗剪强土的抗剪强度度5.1 5.1 土的极限平衡条件土的极限平衡条件四、摩尔四、摩尔- -库仑强度理论库仑强度理论莫尔莫尔- -库仑强度理论表达式极限平衡条件库仑强度理论表达式极限平衡条件 1f 3 O c根据应力状态计算出根据应力状态计算出大小主应力大小主应力1、3判断破坏可能性判断破坏可能性由由3计算计算1f比较比较1与与1f1 1f 破坏状态破坏状态 O c 1f 3 1 15. 5. 破坏判断方法破坏判断方法 5 5 土的抗剪强土的抗剪强度度5.1 5.1 土的
15、极限平衡条件土的极限平衡条件四、摩尔四、摩尔- -库仑强度理论库仑强度理论判别对象：土体微小单元（一点）判别对象：土体微小单元（一点） 3 3= = 常数：常数：根据应力状态计算出根据应力状态计算出大小主应力大小主应力1、3判断破坏可能性判断破坏可能性由由1计算计算3f比较比较3与与3f3 3f 弹性平衡状性平衡状态3= =3f 极限平衡状态极限平衡状态3 1/3A1/3剪切过程中发生剪胀：剪切过程中发生剪胀： A1/3 (A1/3 (甚至可能甚至可能A0A0，u 0 u 0(2) (2) 正常固结粘土固结不排水试验曲线与强度包线正常固结粘土固结不排水试验曲线与强度包线 f f cu2.2.固
16、结不排水试验固结不排水试验 5 5 土的抗剪强土的抗剪强度度二二. .三轴试验强度指标三轴试验强度指标5.3 抗剪强度指标抗剪强度指标 u应力应变关系软化，孔压可能小于应力应变关系软化，孔压可能小于0与超固结度有关与超固结度有关 f(3) (3) 超固结粘土固结不排水试验曲线与强度包线超固结粘土固结不排水试验曲线与强度包线 f cuu02.2.固结不排水试验固结不排水试验 5 5 土的抗剪强土的抗剪强度度二二. .三轴试验强度指标三轴试验强度指标5.3 抗剪强度指标抗剪强度指标(4) (4) 固结不排水三轴试验确定的强度指标固结不排水三轴试验确定的强度指标2.2.固结不排水试验固结不排水试验
17、5 5 土的抗剪强土的抗剪强度度二二. .三轴试验强度指标三轴试验强度指标应力变量应力变量试验量测试验量测 u u计算计算 = = u u = = 确定的强度指标确定的强度指标c ccucu cucuc c 5.3 抗剪强度指标抗剪强度指标固结不排水试验小结固结不排水试验小结剪切过程中的超静孔隙水压力剪切过程中的超静孔隙水压力 u u正常固结粘土的应力应变关系曲线正常固结粘土的应力应变关系曲线: : 硬化硬化正常固结粘土的有效应力与总应力的强度包线正常固结粘土的有效应力与总应力的强度包线: : cucu 超固结粘土的应力应变关系曲线超固结粘土的应力应变关系曲线: : 软化软化超固结粘土的固结不
18、排水强度指标超固结粘土的固结不排水强度指标: : c c c ccucu, , cucu固结不排水三轴试验确定的强度指标固结不排水三轴试验确定的强度指标: : c ccucu, , cucu; c; c , , 2.2.固结不排水试验固结不排水试验 5 5 土的抗剪强土的抗剪强度度二二. .三轴试验强度指标三轴试验强度指标5.3 抗剪强度指标抗剪强度指标剪切前固结条件剪切前固结条件剪切中排水条件剪切中排水条件固结固结ConsolidatedConsolidated排水排水DrainedDrained1.1.固结排水试验固结排水试验 （CDCD）2.2.固结不排水试验固结不排水试验（CUCU）固
19、结固结ConsolidatedConsolidated不排水不排水UndrainedUndrained不固结不固结UnconsolidatedUnconsolidated不排水不排水UndrainedUndrained三种试验三种试验3.3.不固结不排水试验不固结不排水试验（UUUU） 5 5 土的抗剪强土的抗剪强度度二二. .三轴试验强度指标三轴试验强度指标5.3 抗剪强度指标抗剪强度指标3.3.不固结不排水试验不固结不排水试验 5 5 土的抗剪强土的抗剪强度度二二. .三轴试验强度指标三轴试验强度指标强度指标：强度指标：c cuuuu (c (cu u) )， uuuu ( ( u u)
20、) (1) (1) 试验条件试验条件(2) (2) 粘土的孔隙比有效应力抗剪强度唯一性关系粘土的孔隙比有效应力抗剪强度唯一性关系(3) (3) 饱和试样的不排水强度指标饱和试样的不排水强度指标c cu u(4) (4) 不排水试验与固结不排水试验不排水试验与固结不排水试验(5) (5) 无侧限压缩试验：无侧限压缩试验： 3 3 = 0= 0的不排水试验的不排水试验(6) (6) 不饱和试样的不排水强度不饱和试样的不排水强度5.3 抗剪强度指标抗剪强度指标(1)(1)试验条件试验条件从某一初始状态开始，关闭阀门从某一初始状态开始，关闭阀门施加围压施加围压 ，产生孔隙水压力，产生孔隙水压力 u u
21、1 1=B=B 施加（施加（ 1 1 - - ）时，阀门关闭，可连接孔）时，阀门关闭，可连接孔压传感器，量测剪切过程中产生的超静孔压传感器，量测剪切过程中产生的超静孔隙水压力隙水压力 u u2 2 = BA = BA ( ( ) )3.3.不固结不排水试验不固结不排水试验 5 5 土的抗剪强土的抗剪强度度二二. .三轴试验强度指标三轴试验强度指标试试样样压力室压力室压力水压力水排水管排水管阀门阀门轴向加压杆轴向加压杆有机玻璃罩有机玻璃罩橡皮膜橡皮膜透水石透水石顶帽顶帽量测孔隙水压力量测孔隙水压力5.3 抗剪强度指标抗剪强度指标3.3.不固结不排水试验不固结不排水试验 5 5 土的抗剪强土的抗剪
22、强度度二二. .三轴试验强度指标三轴试验强度指标(2)(2)粘土的孔隙比有效应力抗剪强度唯一性关系粘土的孔隙比有效应力抗剪强度唯一性关系强度的影响因素强度的影响因素: :土的组成土的组成土的状态土的状态土的结构土的结构应力状态应力状态e ef f p p f f - q - qf f 唯一性关系唯一性关系e ef f f f - - f f 唯一性关系唯一性关系 (p) (q)Kf线线 f 线线 唯一的唯一的e ef f应力历史应力历史同一种正常同一种正常固结粘土固结粘土土的状态土的状态( (,e),e)应力状态应力状态应力历史相同时应力历史相同时也满足唯一性关系也满足唯一性关系研究表明研究表
23、明超固结粘土超固结粘土: :5.3 抗剪强度指标抗剪强度指标 u =0 , cu, 并且有效应力摩尔圆是唯一的并且有效应力摩尔圆是唯一的思考题：可否由不排水试验确定有效应力强度指标？(3)(3)饱和试样的不排水强度指标饱和试样的不排水强度指标 cu u = B + A ( )B=13.3.不固结不排水试验不固结不排水试验 5 5 土的抗剪强土的抗剪强度度二二. .三轴试验强度指标三轴试验强度指标5.3 抗剪强度指标抗剪强度指标 cu p1cu1p2cu2p3cu3(4)(4)不排水试验与固结不排水试验不排水试验与固结不排水试验3.3.不固结不排水试验不固结不排水试验 5 5 土的抗剪强土的抗剪
24、强度度二二. .三轴试验强度指标三轴试验强度指标正常固结粘土层正常固结粘土层固结不排水试验强度包线上的固结不排水试验强度包线上的每一点对应于一个具有相同先每一点对应于一个具有相同先期固结压力的不排水强度指标期固结压力的不排水强度指标5.3 抗剪强度指标抗剪强度指标cu = qu/2cuqu = (5)(5)无侧限压缩试验：无侧限压缩试验： 3 3 =0=0的不排水试验的不排水试验3.3.不固结不排水试验不固结不排水试验 5 5 土的抗剪强土的抗剪强度度二二. .三轴试验强度指标三轴试验强度指标5.3 抗剪强度指标抗剪强度指标(6)(6)不饱和试样的不排水强度不饱和试样的不排水强度不饱和区不饱和
25、区饱和区饱和区 3.3.不固结不排水试验不固结不排水试验 5 5 土的抗剪强土的抗剪强度度二二. .三轴试验强度指标三轴试验强度指标5.3 抗剪强度指标抗剪强度指标不固结不排水试验小结不固结不排水试验小结3.3.不固结不排水试验不固结不排水试验 5 5 土的抗剪强土的抗剪强度度二二. .三轴试验强度指标三轴试验强度指标饱和试样的不排水强度指标饱和试样的不排水强度指标: : u u =0 , =0 , c cu u饱和试样的固结不排水试验与不排水强度指标饱和试样的固结不排水试验与不排水强度指标: : 有关联有关联无侧限压缩试验：无侧限压缩试验： 3 3=0, =0, 是一种特殊的不排水试验是一种
26、特殊的不排水试验不饱和试样的不排水强度指标不饱和试样的不排水强度指标: : 随随 3 3增加而增加并趋于稳定增加而增加并趋于稳定5.3 抗剪强度指标抗剪强度指标 5 5 土的抗剪强土的抗剪强度度三三. . 直剪试验强度指标直剪试验强度指标1. 1. 慢剪慢剪施加正应力施加正应力- -充分固结充分固结慢慢施加剪应力慢慢施加剪应力- -小于小于0.02mm/0.02mm/分，以保证无超静孔压分，以保证无超静孔压2. 2. 固结快剪固结快剪施加正应力施加正应力- -充分固结充分固结在在3-53-5分钟内剪切破坏分钟内剪切破坏3. 3. 快剪快剪施加正应力后施加正应力后立即剪切立即剪切3-53-5分钟
27、内剪切破坏分钟内剪切破坏5.3 抗剪强度指标抗剪强度指标强度指标强度指标l 对于砂土，三种试验结果都接近于对于砂土，三种试验结果都接近于c c l 对于粘性土，对于粘性土，慢剪慢剪(Slowly: s) (Slowly: s) ：c cs s c c s s; ; 由于摩擦和中主应力使其强度指标稍大由于摩擦和中主应力使其强度指标稍大 0.9c0.9cs s c c , 0.9, 0.9 s s固结快剪（固结快剪（Consolidated Quickly : cqConsolidated Quickly : cq） c ccqcq c ccucu cqcqcucu 快剪快剪 (Quickly:
28、q) : (Quickly: q) : 对于对于 k10k10-7-7 cm/s cm/s 粘土粘土 c cq q c cu u q qu u 5 5 土的抗剪强土的抗剪强度度三三. . 直剪试验强度指标直剪试验强度指标5.3 抗剪强度指标抗剪强度指标 一一. . 总应力指标与有效应力指标总应力指标与有效应力指标 二二. . 三轴试验强度指标三轴试验强度指标 三三. . 直剪试验强度指标直剪试验强度指标 四四. . 土的强度指标的工程应用土的强度指标的工程应用 5 5 土的抗剪强土的抗剪强度度5.3 抗剪强度指标抗剪强度指标 四四. . 土的强度指标的工程应用土的强度指标的工程应用 5 5 土
29、的抗剪强土的抗剪强度度有效应力指标与总应力指标有效应力指标与总应力指标凡是可以确定（测量、计算）孔隙水压力凡是可以确定（测量、计算）孔隙水压力u u的情的情况，都应当使用有效应力指标况，都应当使用有效应力指标c c ， 5.3 抗剪强度指标抗剪强度指标四四. . 土的强度指标的工程应用土的强度指标的工程应用 5 5 土的抗剪强土的抗剪强度度三轴试验指标与直剪试验指标三轴试验指标与直剪试验指标砂土砂土： c c , , 三轴排水试验指标与直剪试验指标三轴排水试验指标与直剪试验指标 （直剪试验得到的指标偏大）（直剪试验得到的指标偏大）粘土粘土： 有效应力指标：固结排水、固结不排水有效应力指标：固结排水、固结不排水 总应力指标：三轴固结不排水、不排水总应力指标：三轴固结不排水、不排水; ; 直剪固结快剪、快剪直剪固结快剪、快剪5.3 抗剪强度指标抗剪强度指标
