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1、第五章第五章 土的抗剪强度土的抗剪强度一、概述土的抗剪强度：土的抗剪强度：是指土体对于外荷载所产生的剪应力的极是指土体对于外荷载所产生的剪应力的极 限抵抗能力。限抵抗能力。土体强度破坏的机理：土体强度破坏的机理： 在外荷载引起的剪应力或剪应变超在外荷载引起的剪应力或剪应变超过土体的抗剪强度，导致土体沿着剪应过土体的抗剪强度，导致土体沿着剪应力作用方向产生相对滑动力作用方向产生相对滑动剪切破坏。剪切破坏。边坡边坡滑裂面滑裂面工程背景p挡土墙挡土墙滑裂面滑裂面地基地基p滑裂面滑裂面工程中土的破坏形式主要表现为滑动破坏面工程中土的破坏形式主要表现为滑动破坏面剪切破坏剪切破坏二、土的抗剪强度与极限平衡
2、条件v1. 库仑定律库仑定律抗剪强度指标：抗剪强度指标： c:土的粘聚力土的粘聚力 :土的内摩擦角土的内摩擦角NT= Ntanu uT总应力法：总应力法：抗剪强度的两种表达方法抗剪强度的两种表达方法: 抗抗剪剪强强度度的的第第二二种种表表达达式式 式中式中 c 、 分别为分别为有效粘聚力有效粘聚力和和有效内摩擦角有效内摩擦角，统，统称为有效应力抗剪强度指标称为有效应力抗剪强度指标.有效应力法：有效应力法：法向应力采用总应力法向应力采用总应力 表示的抗剪强度表示的抗剪强度.当法向应力采用有效应力当法向应力采用有效应力 表示时，则称为抗表示时，则称为抗剪强度的。剪强度的。三、三、 土的剪切试验方法
3、土的剪切试验方法 v1. 直接剪切试验直接剪切试验试验仪器：试验仪器：直剪仪（应力控制式，应变控制式）直剪仪（应力控制式，应变控制式）PT上盒上盒下盒下盒透水石透水石土样土样TP试样内的试样内的变形分布变形分布剪切前施加在试样顶面上的竖向剪切前施加在试样顶面上的竖向压力为剪破面上的法向应力压力为剪破面上的法向应力 ，剪应力为剪切力剪应力为剪切力T除以试样面积除以试样面积A在法向应力在法向应力 作用下，剪应力与剪切位移关系曲线，作用下，剪应力与剪切位移关系曲线，根据曲线得到该根据曲线得到该 作用下作用下，土的抗剪强度土的抗剪强度6mm a b 剪切位移剪切位移l (0.01mm) 剪应力剪应力
4、（kPa) 1 2 直直剪剪试试验验原原理理直剪试验直剪试验原理原理 直剪试验方法分类直剪试验方法分类通过控制剪切速率来近似模拟排水条件通过控制剪切速率来近似模拟排水条件1. 快剪快剪施加正应力后施加正应力后立即剪切立即剪切3-5分钟内剪切破坏分钟内剪切破坏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3-5分钟内剪切破坏分钟内剪切破坏3. 固结慢剪固结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/分，分，以保证无超静孔压以保证无超静孔压cq 、 q ccq 、 cq cs 、 s 2. 三轴压缩试验三轴压缩试验v仪器设备：压力
5、室，加压系统，量测系统等组成。仪器设备：压力室，加压系统，量测系统等组成。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 3 3 3 3 3 3 1.施加周围压力施加周围压力2.施加竖向压力施加竖向压力试验加载的基本步骤试验加载的基本步骤:三轴试验的强度包线三轴试验的强度包线v分别作围压分别作围压 为为100 kPa 、200 kPa，得到破坏时相应的（得到破坏时相应的（ 1- )fv绘制两个破坏状态的应力摩尔圆，绘制两个破坏状态的应力摩尔圆，画出它们的公切线，即强度包线画出它们的公切线，即强度包线 1 1- 3 1
6、 =15%强度包线强度包线( 1- )fc ( 1- )f 100 kPa 200 kPa 三三轴轴试试验验方方法法三轴试验方法三轴试验方法v固结排水试验（CD试验）1 打开排水阀门，打开排水阀门，施加围压施加围压 后充分固结，超静孔隙水压力完全消散；后充分固结，超静孔隙水压力完全消散；2 打打开开排排水水阀阀门门，慢慢慢慢施施加加轴轴向向应应力力差差 以以便便充充分分排排水水，避避免免产产生生超超静孔压静孔压v固结不排水试验（CU试验）1 打开排水阀门，打开排水阀门，施加围压施加围压 后充分固结，超静孔隙水压力完全消散；后充分固结，超静孔隙水压力完全消散；2 关闭排水阀门，很快剪切破坏，在施
7、加轴向应力差关闭排水阀门，很快剪切破坏，在施加轴向应力差 过程中不排水过程中不排水v不固结不排水试验（UU试验）1 关闭排水阀门，关闭排水阀门，围压围压 下不固结；下不固结；2 关闭排水阀门，很快剪切破坏，在施加轴向应力差关闭排水阀门，很快剪切破坏，在施加轴向应力差 过程中不排水过程中不排水cd 、 d ccu 、 cu cu 、 u 有效应力圆有效应力圆总应力圆总应力圆 u=0BCcu uAA 3A 1A饱和粘性土饱和粘性土在三组在三组 3下的不排水剪试验得到下的不排水剪试验得到A、B、C三个三个不同不同 3作用下破坏时的总应力圆作用下破坏时的总应力圆试验表明：试验表明：三个试样的周围压力三
8、个试样的周围压力 3不同，但破坏时的主应力差相不同，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三个试样只能得到三个试样只能得到一个有效应力圆一个有效应力圆 （1）不固结不排水剪（）不固结不排水剪（UU）v不同试验方法的剪切试验结果不同试验方法的剪切试验结果 （1）不不固固结结不不排排水水剪剪的的剪剪切切试试验验结结果果将总应力圆在水平轴上左移将总应力圆在水平轴上左移uf得到相应的有效应力得到相应的有效应力圆，按有效应力圆强度包线可确定圆，按有效应力圆强度包线可确定c 、 ccuc cu 饱和粘性土饱和粘性土在
9、三组在三组 3下进行固结不排水剪试验得到下进行固结不排水剪试验得到A、B、C三个不同三个不同 3作用下破坏时的总应力圆，由总应力圆强度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包线确定固结不排水剪总应力强度指标ccu、 cuABC（2）固结不排水剪（）固结不排水剪（CU） （2）固固结结不不排排水水剪剪的的剪剪切切试试验验结结果果实验室的实验室的UU试验：试验：在有效固结压力在有效固结压力 c c 条件下的条件下的CU强度值。强度值。地基中的正常固结粘土：地基中的正常固结粘土： z z 取回室内取回室内, , 如如 c c z z，不再是正常固结土。不再是正常固结
10、土。 f“正常固结粘土正常固结粘土”UUUU与与CUCU强度指标的相关性强度指标的相关性抗剪强度指标有时失去其物理意义，而变成计算参数的含义 z z固结压力为固结压力为0 0的正常固结粘土（如的正常固结粘土（如地表土地表土）: :亦即其历史上的最大固结压力是亦即其历史上的最大固结压力是0 0，则室内，则室内UUUU试验的试验的抗剪强度为抗剪强度为0 0，即处于泥浆状态。，即处于泥浆状态。c=0c=0是否意味着正常固结粘土无粘聚力是否意味着正常固结粘土无粘聚力? ?粘聚力随粘聚力随 c c增加而增加增加而增加 cu p1cu1p2cu2p3cu3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
11、固结不排水试验强度包线( (破坏主应力线破坏主应力线) )上的每一点对应于一个具有相同先期固上的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，数值上等于结压力的不排水强度指标，数值上等于相应莫尔圆的半径相应莫尔圆的半径 cu在整个排水剪试验过程中，在整个排水剪试验过程中， uf 0，总应力全部转化为有，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。强度指标为是有效应力强度线。强度指标为cd、 d cd d（3）固结排水剪（）固结排水剪（CD） （3）固固结结排排水水剪剪的的剪剪切切试试验验结结果果
12、四、工程中抗剪强度指标选用四、工程中抗剪强度指标选用 名称名称指标指标地基稳定性地基稳定性坝体稳定性坝体稳定性不排水剪不排水剪(快剪快剪)cu、 ucq、 q软土地基上软土地基上快速施工快速施工土坝快速施工，土坝快速施工，心墙未固结心墙未固结固结不排水剪固结不排水剪(固结快剪固结快剪)ccu、 cuccq、 cq固结完成后固结完成后受突然荷载受突然荷载水位骤降水位骤降固结排水剪固结排水剪(慢剪慢剪)cd、 dcs、 s地基透水性强地基透水性强施工较慢施工较慢稳定渗流期稳定渗流期或正常运行期或正常运行期 不固结不排水剪（快剪）不固结不排水剪（快剪） cu、 u（cq、 q）粘土地基上快速粘土地基
13、上快速施工建筑物施工建筑物软土地基上快速填方软土地基上快速填方土坝快速施工，心墙未固结土坝快速施工，心墙未固结 固结不排水剪（固结快剪）固结不排水剪（固结快剪） ccu、 cu（ccq、 cq）水位骤降水位骤降在在1层固结后，施工层固结后，施工2层层12粘土地基预压固结后，粘土地基预压固结后，快速施工建筑物快速施工建筑物 固结排水剪（慢剪）固结排水剪（慢剪） ccd、 cd（cs、 s）粘土地基上慢速粘土地基上慢速施工建筑物施工建筑物粘土地基上分层慢粘土地基上分层慢速填方速填方稳定渗流期的土坝稳定渗流期的土坝pq O f 线Kf线以固结排水三轴试验为例以固结排水三轴试验为例五、强度包线与破坏主
14、应力线五、强度包线与破坏主应力线强度包线强度包线 f ：在在 坐标系中坐标系中所有破坏状态莫尔圆的公切线所有破坏状态莫尔圆的公切线破坏主应力线破坏主应力线 Kf在在p q 坐标系中所有处于极限平衡应力状态对应点的集合坐标系中所有处于极限平衡应力状态对应点的集合Opq O c a f线Kf线OARpq O c a f线Kf线OAR 1 ( ) p(p)quKfKf f fuu总应力强度破坏线与有效应力强度破坏线总应力强度破坏线与有效应力强度破坏线以正常固结土（或松砂）以正常固结土（或松砂）CU试验为例试验为例五、有效固结应力法五、有效固结应力法有效应力法局限性有效应力法局限性 n (有效法向应力
15、有效法向应力) 原位应力j两种试验得到相同的两种试验得到相同的K f线线K f线上，线上，p f qf ef间存间存在唯一性关系在唯一性关系 A点：点： ef=ef和试验的类型及应力路径和试验的类型及应力路径等无关等无关ef p f - qf 唯一性关系唯一性关系 粘土的粘土的p f qf ef唯一性关系唯一性关系p OqK f线线固结排水试验固结排水试验固结不排水试验固结不排水试验ef=efAe0=efpc总应力法（总应力法（固结不排水强度为例固结不排水强度为例）p(p )Oqcu f 3 = 3 1有效固结应力法有效固结应力法p(p)Oqcu f 3 = 3c 1cp(p)Oqcu f 3 = 3c 1cqpCBKfKf A六六 软粘土在荷载作用下的强度增长软粘土在荷载作用下的强度增长饱和软粘土地基在外荷载作用下，随着孔隙水压力的消散以及土层的固结，土的抗剪强度也将会随之增长。 CU应力路径3(1 -3)/2 f11K利用有效应力强度指标估算利用有效应力强度指标估算 利用固结不排水剪总应力强度指标估算利用固结不排水剪总应力强度指标估算 p(p)Oqcu f 3 = 3 1c破坏面方向破坏面方向 1有效固结应力法有效固结应力法Oqcu f 3 = 3 1c破坏面方向破坏面方向
