1、第6章 土的抗剪强度,6.1 概 述,土力学的基本理论之一 土体稳定问题分析的基础 土是由于受剪而产生破坏 土的强度问题实质上就是土的抗剪强度问题,工程问题：,土工构筑物的稳定性（如土坝、边坡等） 土压力问题 地基的承载力问题,6.2 土的强度理论与破坏,6.2.1 土的屈服与破坏,屈服：土的内部结构发生弱化，并产生塑性变形。,破坏：土中某点由外力所产生的剪应力达到土的抗剪强度，土沿着剪应力作用方向产生相对滑动,破坏的几个定义：,（1）最大偏应力:偏应力达到最大值。,（2）最大主应力比:主应力比13达到最大值。,（3）极限应变:应变值达到极限应变值。,（4）临界状态:由Roscoe提出，临界状
2、态土力学。,（5）残余状态,6.2.2 土的破坏总则,最大正（拉）应力理论（第一强度理论）； 最大正（拉）应变理论（第二强度理论）； 最大剪应力理论（第三强度理论） 最大变形能理论（第四强度理论）。,四大古典强度理论:,“土体发生破坏时应力状态组合的数学表达式”。,6.2.3 摩尔-库仑准则,B点：临界破坏状态A点：不会发生剪切破坏C点：发生破坏,土体破坏时，破裂面上法向应力与抗剪切强度之间满足：f=f(),库仑定律：抗剪强度包线假定为线性关系。,法国军事工程师 在摩擦、电磁方面奠基性的贡献 1773年发表土压力方面论文，成为经典理论。,库仑 （C. A. Coulomb） (1736-180
3、6),库仑定律：,根据砂土试验结果得到 f= tan,对于粘性土，可给出更为普遍的表达式： f= c+ tan,有效应力表达式： f=c+tan= c+(u)tan,6.2.4 土中一点的极限平衡条件,极限平衡状态：土中任意一点在某一平面上的剪应力达到土的抗剪强度。,土中任意一点的应力状态可表示为,将抗剪强度包线与摩尔应力圆汇于同一图,有三种情况：,讨论极限平衡状态下大、小主应力关系：,经过三角变换可得：,同时,由2f=90+，得破裂面与大主应力作用面夹角：,破坏面不是发生在剪应力最大的面上。,例6-1和例6-2 地基中某点的大主应力1=580kPa，小主应力3=190kPa。土的内摩擦角=2
4、2，粘聚力c=20kPa。 （1）绘摩尔应力圆； （2）求最大剪应力及作用方向； （3）与小主应力作用面成=85斜面上的正应力和剪应力； （4）判断该点是否破坏； （5）破坏面与大主应力的夹角。,解 （1）摩尔应力圆如图：,（3）,假定小主应力3=190kPa,（3）判断该点是否破坏？,（5）破坏面与大主应力的夹角为,也可先假定1，计算破坏时3f，结果一样。,（5,（5,6.3 土的抗剪强度的测定方法,室内试验和现场试验的优缺点？,（1）直接剪切试验 （2）三轴压缩试验 （3）无侧限抗压强度试验 （4）十字板剪切试验,6.3.1 直接剪切试验,测定土的抗剪强度最简单的方法,试验仪器：直剪仪,试
5、验方式：应变控制式；应力控制式,全景,剪切盒：,土样,试验步骤： （1）对试样施加某一法向应力 （2）再施加水平剪切应力，将下盒推动； （3）测定剪切位移和剪切应力 （4）绘制曲线,试验步骤：,（5）进行不同下多个土样的试验 （6）确定破坏剪应力f ，绘制f曲线。,破坏剪应力f的确定：,（1）峰值时的剪应力作为破坏剪应力f如较为坚实的粘土及密砂 （2）无峰值出现时，取=2mm时的剪应力作为f如软粘土和松砂,三种试验方法：,？,优点：简单、快捷 缺点：见下面分析。,（1）快剪：强度指标用cq、q表示。 q-quick,（2）固结快剪：强度指标用ccq、cq表示。c-consolidation,（
6、3）慢剪：强度指标用cs、s表示。s-slow,直剪试验的缺点： （1）剪切面限定在上下盒之间，不是沿土样最薄弱面 （2）剪切面上剪应力分布不均匀 （3）上下盒之间的缝隙中易嵌入砂粒，使试验结果偏大,直剪试验的缺点：,（4）剪切过程中，土样剪切面逐渐缩小,（5）不能严格控制排水条件，不能量测孔隙水压力,剪切后,剪切后的面积,6.3.2 三轴剪切试验,组成情况：主机：压力室、轴压系统稳压调压系统：压力泵量测系统：排水管、体变管,三轴压缩试验：较为完善方法 试验仪器：三轴压缩仪,全景,压力室简图,试样,橡皮膜,试样是轴对称应力状态。垂垂直应力1 是大主应力；水平向应力相等2 =3 试样首先施加静水
7、压力（围压） 1=2=3 。然后通过活塞杆施加应力差1-3 。,应力状态分析：,应力施加演示:,土试 样,2=,1施加围压,2施加轴向偏差应力,试验步骤： （1）将土样切成圆柱体套在橡胶膜内，放在压力室中 （2）施加周围压力3 （3）施加竖向压力，使试件受剪破坏 （4）破坏时大主应力为1，小主应力为3,(5) 进行不同围压三轴试验,绘制破坏状态的应力摩尔圆,三轴试验的排水条件：,固结排水试验（CD）： 打开排水阀门，施加围压充分固结，超静孔隙水压力完全消散； 阀门打开，慢慢施加轴向应力差以避免产生超静孔压 固结不排水试验（CU）： 打开排水阀门，施加围压充分固结，超静孔隙水压力完全消散； 关闭
8、阀门，很快剪切破坏 不固结不排水试验（UU）： 关闭阀门，施加围压 关闭阀门，很快剪切破坏,筏门,记号：,固结排水试验（CD）：Consolidated Drained Triaxial test (CD)cd d （c ） 固结不排水试验（CU）： Consolidated Undrained Triaxial test (CU)ccu cu 不固结不排水试验（UU）：(Unconsolidated ) Undrained Triaxial test (UU)cuu uu （ cu u ）,三轴试验的优点：能够控制排水条件可以量测土样中孔隙水压力的变化三轴试验中试件的应力状态比较明确剪切破坏
9、时的破裂面在试件的最弱处 缺点：设备相对复杂，现场无法试验,三轴试验比较可靠，是土工试验不可缺少的仪器设备,6.3.3 无侧限抗压强度试验,三轴压缩试验的特殊情况（3=0），又称单轴试验。,试验仪器：无侧限压力仪,也可用三轴仪。,无侧限抗压强度：破坏时的轴向压力（qu）,对于饱和粘性土：,不固结不排水条件下，可认为u=0，此时cu=qu/2。,6.3.4 十字板剪切试验,常用的原位测试方法 无需钻孔取得原状土样，而使土少受扰动 排水条件、受力状态与实际条件接近 特别适用于难于取样和高灵敏度的饱和软粘土,十字板剪切示意图 十字板,v,h,H,D,过程演示：,抗剪强度确定：,圆柱体侧面上的抗扭力矩
10、：,圆柱体上、下表面上的抗扭力矩：,示 意 图,宽度dr,最大扭矩与抗扭力矩相等：,故,6.4 应力路径,应力的变化过程不同，土的性质不同 应力路径即应力点的移动轨迹 应力变化过程可用若干个应力圆表示,正常固结粘土固结不排水试验：,u,6.6 土的应力应变关系特征,轴向应变是渐进的，体应变是体缩,密砂与超固结粘土,v,+,v 表示体缩v0表示剪胀,轴向应变是软化的，体应变是剪胀,砂土与正常固结粘土的排水试验强度包线,0,粘聚力c,什么是理想正常固结粘土？,假定为泥膏状的重塑土 固结压力为0时,强度为0,0,e,0,可见：,强度包线过原点！,不固结不排水强度指标,是唯一的！,6.7 饱和粘性土的
11、抗剪强度,固结不排水强度指标,cu,ccu,由第4章式（4-65）可知,破坏时的孔隙水压力系数为,对于饱和土体，B=1；剪切过程中 故,固结排水剪强度指标,相应的强度指标为cd、d整个试验过程中孔压为0，故c=cd、=d 。,抗剪强度指标比较,正常固结土，dcuu，而u =0；cdccucu 较小时，强度包线平缓，处于超固结状态,1. 三轴试验指标与直剪试验指标,根据实际工程问题确定 重大工程要求三轴试验指标,抗剪强度指标的选择,2. 峰值强度指标还是残余强度指标,一般问题峰值强度 古旧滑坡：残余强度,3.有效应力指标还是总应力指标,无超静孔压时，用有效应力指标 可确定超静孔压时，用有效应力指
12、标,4. 应根据实际排水条件确定（见教材218页）,下面给出几个典型实例：,1 固结排水强度指标,粘土地基上分层慢速施工的填方,稳定渗流期的土坝,2 固结不排水强度指标,在1层土固结后，施工2层,库水位从1骤降到2,在天然土坡上快速填方,3 不排水强度指标,软土地基上快速施工的填方,土坝快速施工，心墙未固结,粘土地基上快速施工的建筑物,例6-3 饱和无粘性土试样进行三轴固结排水剪切试验，测得总应力抗剪强度指标为cd=0，d=28.5。如果对同一种试样进行三轴固结不排水剪试验，施加周围压力3=200kPa，试样破坏时的轴向偏应力为(13)f=160kPa。 计算：（1）固结不排水抗剪强度指标cu（2）破坏时的孔隙水压力uf以及孔隙水压力系数Af。,解 1f=200+160=360kPa，3f=200kPa，ccu=0,由极限平衡条件：,得 cu =16.5,此外，d=28. 5,由有效应力表示的极限平衡条件：,联立上述两个式子可得：1f=247.6kPa，3f=87.6kPa。,破坏时的孔隙水压力uf1f 1f =360-247.6=112.4kPa,破坏时的孔隙压力系数为：,作业：,61 62 63 65 66 67,
