1、土 的 抗 剪 强 度,土力学与基础工程,第五章,本章作业,P123124：5-1、5-2、5-3 、5-4,交作业时间：第 周星期四,第五章 土的抗剪强度,二、土的抗剪强度理论,三、抗剪强度指标的测定,四、孔隙压力系数与应力路径,一、抗剪强度研究的工程意义,与土的抗剪强度有关的工程类型,边坡的稳定,地基的承载力,挡土墙土压力,5.1 抗剪强度研究的工程意义,2000年西藏易贡巨型滑坡,湖水每天上涨50cm ?,天然坝坝高290 m 滑坡堰塞湖库容15亿方,边坡稳定,滑裂面,因地基土剪切破坏而倒塌。倾斜45度，地基土被挤出达5.18米，,美国纽约 某水泥仓库,近代世界上最严重的建筑物破坏之一,
2、粘土地基上的某谷仓地基破坏,地基,地基承载力,广州京光广场基坑塌方,大阪的港口码头挡土墙由于液化前倾,挡土墙,滑裂面,基坑支护,挡土墙土压力,土粒间联结强度小松散性,外荷载作用,土粒受力发生相对移动,土体失稳,剪切破坏,滑裂面,土体剪切破坏,土体内某一曲面,外力在该面上产生剪应力,将土体一分为二,两部分间的摩檫力,土粒间的各种联结力,抗剪力,土的抗剪强度：土抵抗剪切破坏的极限能力。其数值等于剪切破坏时滑动面上的剪应力。,滑裂面,抗剪力相应于剪应力的增加而逐渐发挥。,抗剪力完全发挥时,土就处于极限状态。,5.2 土的抗剪强度理论,1773年法国工程师库伦（Coulomb）研究了砂土的抗剪强度：,
3、一、 库伦强度定律,实验结果(i、fi),采用上述实验方法研究粘性土的抗剪强度,由库伦定律关系式可知：在一般应力水平下，土的抗剪强度与法向应力之间近似为直线关系。,土的抗剪强度一般可分为两部分：,一部分与颗粒间的法向应力有关，通常呈正比例关系，其本质是摩阻力；,另一部分是与法向应力无关的土粒之间的联结力，通常称为粘聚力。,摩阻力包括：,颗粒表面间的滑动摩阻力,发生滑动时由颗粒接触面粗糙不平所引起。,咬合摩阻力,是相邻颗粒对于相对移动的约束作用。,当发生剪切时，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。,土中颗粒重新排列，也会消耗能量。,剪切面,粘聚力包括：,
4、电分子引力作用,毛细作用,化合物胶结作用,c土的粘聚力，kPa。,土的内摩檫角，（）。,土的抗剪强度指标。 反映土抗剪强度大小。,二、 摩尔库伦强度理论,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）,在一定的应力范围内，可用线性函数近似：,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。,1. 土中某点的应力状态平面课题,zx,z,xz,x,2. 单元体稳定性分析,根据静力平衡,ds,根据库伦定律，可得斜截面上的抗剪强度f,比较斜截面上的抗剪强度f与剪应力大小,可知单元体能否沿斜截面剪切破坏。,单元体斜截面数量无限
5、；,单元体稳定必须满足：,所有斜截面：,前面方法无法实现。,摩尔应力圆方程,应力圆半径 r1(13 ) /2,应力圆圆心 0、 (1+3 ) /2,3. 摩尔库伦强度准则,1,3,(1 +3 ) /2,A(、),单元体所有斜截面上的应力状态（、）均可用应力圆圆周上某点的坐标表示。,抗剪强度线,极限应力圆,f,应力圆与强度线相离：,f,弹性平衡状态,应力圆与强度线相切：,=f,极限平衡状态,应力圆与强度线相割：,f,破坏状态,应力圆与强度线的相对位置反映单元体的稳定性,4. 极限平衡条件,c,A,cctg,(1 +3 ) /2,该式表明，单元体在小主应力3作用下，处于极限平衡时的大主应力必须为1
6、f；,c ,c ,该式表明，单元体在大主应力1作用下，处于极限平衡时的小主应力必须为3f；,根据极限平衡条件判别单元体的稳定性,计算主应力1、3：,确定单元体的应力状态（x、z、xz）,判别方法：,由3 1f，比较1和1f 由1 3f，比较3和3f 由1 , 3 m，比较和 m,方法一： 由3 1f，比较1和1f,O,1= 1f 极限平衡,1 1f 安全,11f 已经破坏,方法二： 由1 3f，比较3和3f,3=3f 极限平衡,33f 安全,33f 已经破坏,方法三： 由1 、3 m，比较和m,处于极限平衡状态时所需的内摩擦角, m= 极限平衡, m 安全, m 已经破坏,5. 破坏面位置,剪
7、破面并不在最大剪应力面，而与最大剪应力面成/2夹角。因此，土的剪切破坏并不是由最大剪应力max所控制。,5.3 强度指标的测定,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,室内试验,现场试验,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，绘制抗剪强度f与相应垂直压力的关系曲线。,一、直接剪切试验,基本原理,试验仪器,试样形状,h=2cm A=30cm2,试验方法,试样沿给定面剪切,试验记录，试样产生某一剪切位移时施加的水平推力（剪应力）。,抗剪强度f 的确定,4mm,f,f,（、f ）,4组,应力位移曲线,c、 值的确定,试验类型,控制剪切速率近似模拟排水条
8、件,快剪,施加正应力后立即剪切,固结快剪,施加正应力-充分固结,固结慢剪,以保证无超静孔压,3-5分钟内剪切破坏,在3-5分钟内剪切破坏,施加正应力-充分固结,剪切速率0.02mm/分,设备和操作简单 人为固定剪切面 剪切面应力状态复杂 应力、应变不均匀 主应力方向旋转 剪切面积逐渐减小 排水条件不明确,直剪试验的优缺点,二、三轴压缩试验,对同一种土至少取3个平行试样，分别在不同周围压力3下剪切破坏，绘制各应力圆的公切线，即为土的抗剪强度曲线。,基本原理,试验仪器,轴向加荷系统,轴向加荷系统,加压和量测系统,试样形状,高度/直径=22.5,压力室的组成,试验方法,先施加静水压力围压 1=2=3
9、 ；,再施加应力差1= 1-3 。,1=3+1,+1,+1,破坏主应力差的确定,(1-3)f,(1-3)f,松砂,密砂,15%,测得三个试样破坏时的主应力：,1i、3i,试验记录，试样产生某一轴向应变时施加的应力差。,c、 值的确定,强度包线,(1-)f,c,(1-)f,试验类型,三轴压缩试验按剪切前的固结程度和剪切时的排水条件，可分为三种：,不固结不排水试验（UU试验）,关闭排水阀门，围压下不固结；,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。,固结不排水试验（CU试验）,打开排水阀门，施加围压后充分固结，超静孔隙水压力完全消散；,关闭排水阀门，很快剪切破坏，在施加轴向应力差过
10、程中不排水。,固结排水试验（CD试验）,打开排水阀门，施加围压后充分固结，超静孔隙水压力完全消散；,打开排水阀门，慢慢施加轴向应力差以便充分排水，避免产生超静孔隙水压力。,试验方法与现场条件 的对应关系,粘土地基上的分层慢速填方,在1层固结后 快速施工2层,软土地基上的快速填方,固结排水试验,固结不排水试验,不固结不排水试验,三轴试验的优缺点,优点： 1 应力状态和应力路径明确； 2 排水条件清楚，可控制； 3 破坏面不是人为固定的。,缺点： 设备相对复杂，现场难以试验。,三、无侧限抗压强度试验,无侧限抗压强度试验实际上是周围压力30的三轴压缩试验。,3=0,无侧限抗压强度试验只能测得一组破坏
11、主应力。,极限应力圆的水平切线就是破坏包线,四、十字板剪切试验,原位十字板剪切试验是一种利用十字板剪切仪在现场测定土的抗剪强度的方法。,适用于测定饱和粘性土的原位不排水强度，特别适用于均匀的饱和软粘土。,钻孔到指定的土层，插入十字形的探头。,通过施加的扭矩计算土的抗剪强度。,时：,5.4 孔隙压力系数与应力路径,一、孔隙压力系数,研究目的：计算应力作用下的孔隙水压力，以便计算有效应力。,单元土中孔隙压力发展过如下：,+,+,=,孔隙压力系数B,当试样在不排水条件下受到各向等压增量时，产生的孔隙应力增量与压力增量之比定义为孔隙压力系数B：,B反映土体在各向等压作用下，孔隙应力变化情况，也是反映土
12、体饱和程度的指标,饱和土：B=1,非饱和土：0B1,干土：B=0,孔隙压力系数A,当试样在轴向应力作用下，产生的孔隙应力增量与轴向应力增量之比定义为孔隙压力系数Af：,二、应力路径,应力状态：土体中一点（微小单元）作用的应力的大小与方向。,应力路径：土体中一点应力状态连续变化，在应力空间（平面）中的轨迹。,应力状态可用莫尔圆表示,应力状态也可用莫尔圆上的点，如（p,q）来表示,圆心坐标： 0、 (),半径：r = (),顶点坐标：(p、q),其中，p=(),q=(),应力状态的表示,方法一：用一系列的莫尔圆表示,1 ,方法二：用莫尔圆的顶点坐标的变化线表示,应力路径的表示,破坏点位于破坏主应力线上,破坏时的莫尔圆与强度包线相切,保持为常数,总应力路径和有效应力路径,有效应力原理,抗剪强度随固结而增长的过程,采用有效应力强度,采用加载固结加载固结,三、总应力强度与有效应力强度指标：,c土的粘聚力，kPa。,土的内摩檫角，（）。,土的总应力强度指标。,c土的有效粘聚力，kPa。,土的有效内摩檫角，（）。,土的有效应力强度指标。,(),c,c,f,f,总应力与有效应力强度指标的确定,u(-),u(+),总应力,有效应力,本章小结,
