1、1,第七章,土的抗剪强度,2,本章特点,正常固结粘性土的强度 不固结不排水剪的应力应变关系及强度 强度指标的运用,主要难点,学习要点,第7章 土的抗剪强度,有较严格的理论体系 各种关系较复杂 前面各章知识的综合运用,理清关系 砂性土与粘性土强度的区别与联系 试验条件与实际工程情况的对应关系,3,7.1 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 饱和粘性土的抗剪强度 7.6 应力路径在强度问题中的应用 7.7 无粘性土的抗剪强度,第七章 土的抗剪强度,4,土工结构物或地基,土,渗透问题 变形问题 强度问题,渗透特性 变形特性 强度特性
2、,7.1 概述,5,1. 碎散性：强度不是颗粒矿物本身的强度，而是颗粒间相互作用主要是抗剪强度（剪切破坏），颗粒间粘聚力与摩擦力；2. 三相体系：三相承受与传递荷载有效应力原理；3. 自然变异性：土的强度的结构性与复杂性。,土的强度特点,7.1 概述,6,大阪的港口码头挡土墙由于液化前倾,工程中土体的破坏类型,1. 挡土结构物的破坏,7.1 概述,7,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。,7.1 概述,工程中土体的破坏类型,1. 挡土结构物的破坏,8,挡土墙,滑裂面,基坑支护,7.1 概述,工程中土体的破坏类型,1. 挡土结构物的破坏,9,平移滑动,2.
3、 各种类型的滑坡,崩塌,旋转滑动,流滑,工程中土体的破坏类型,7.1 概述,10,1994年4月30日 崩塌体积400万方 10万方进入乌江 死4人，伤5人，失踪12人 击沉拖轮、驳轮各一艘，渔船2只 1994年7月2-3日降雨引起再次滑坡 崩塌体巨大石块滚入江内，无法通航 滑坡体崩入乌江近百万方；江水位差数米。,乌江鸡冠岭山体崩塌,2. 各种类型的滑坡,工程中土体的破坏类型,7.1 概述,11,龙观嘴,黄崖沟,乌江,2000年西藏易贡巨型滑坡,2. 各种类型的滑坡,工程中土体的破坏类型,7.1 概述,12,立面示意图,2000年西藏易贡巨型滑坡,2. 各种类型的滑坡,工程中土体的破坏类型,7
4、.1 概述,13,平面示意图,2000年西藏易贡巨型滑坡,2. 各种类型的滑坡,工程中土体的破坏类型,7.1 概述,14,天然坝坝高290 m 滑坡堰塞湖库容15亿方,湖水每天上涨50cm ?,2000年西藏易贡巨型滑坡,2. 各种类型的滑坡,工程中土体的破坏类型,7.1 概述,15,边坡,滑裂面,2. 各种类型的滑坡,工程中土体的破坏类型,7.1 概述,16,粘土地基上的某谷仓地基破坏,3. 地基的破坏,工程中土体的破坏类型,7.1 概述,17,日本新泻1964年地震引起大面积液化,工程中土体的破坏类型,7.1 概述,3. 地基的破坏,18,地基,工程中土体的破坏类型,7.1 概述,3. 地
5、基的破坏,19,土压力 边坡稳定 地基承载力,挡土结构物破坏 各种类型的滑坡 地基的破坏,工程中土体的破坏类型,7.1 概述,土的抗剪强度：土体抵抗剪应力的极限值；土体抵抗剪切破坏的受剪能力。,20,7.1 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 饱和粘性土的抗剪强度 7.6 应力路径在强度问题中的应用 7.7 无粘性土的抗剪强度,第七章 土的抗剪强度,21,7.2 土的抗剪强度理论,7.2.1 库仑公式及抗剪强度指标,c/c： cohesion总/有效应力粘聚力 / ：angle of internal friction总/有效
6、应力内摩擦角,库仑公式,Shear strength indexes 总/有效应力抗剪强度指标,22,（1）滑动摩擦,由颗粒之间发生滑动时颗粒接触面粗糙不平所引起，与颗粒大小，矿物组成等因素有关,摩擦强度 tg,7.2 土的抗剪强度理论,7.2.1 库仑公式及抗剪强度指标,23,摩擦强度 tg,（2）咬合摩擦,剪切面,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,7.2 土的抗剪强度理论,7.2.1 库仑公式及抗剪强度指标,24,密度（e, 粒径级配（Cu, Cc） 颗粒的
7、矿物成分对于：砂土粘性土；高岭石伊里石蒙脱石 粒径的形状（颗粒的棱角与长宽比）在其他条件相同时：一般，对于粗粒土，颗粒的棱角提高了内摩擦角,影响土的摩擦强度的主要因素：,摩擦强度 tg,7.2 土的抗剪强度理论,7.2.1 库仑公式及抗剪强度指标,25,粘聚强度机理 静电引力（库仑力） 范德华力 颗粒间胶结 假粘聚力（毛细力等）,粘聚强度影响因素 地质历史 粘土颗粒矿物成分 密度 离子价与离子浓度,粘聚强度 c,7.2 土的抗剪强度理论,7.2.1 库仑公式及抗剪强度指标,26,破坏面确定,一般应力状态如何判断是否破坏？,借助于莫尔圆,库仑公式,7.2 土的抗剪强度理论,7.2.2 摩尔-库仑
8、强度理论及极限平衡条件,27,三维应力状态,二维应力状态,7.2 土的抗剪强度理论,7.2.2 摩尔-库仑强度理论及极限平衡条件,28,莫尔圆应力分析符号规定,材料力学,土力学,正应力,剪应力,拉为正 压为负,顺时针为正 逆时针为负,压为正 拉为负,逆时针为正 顺时针为负,7.2 土的抗剪强度理论,7.2.2 摩尔-库仑强度理论及极限平衡条件,29,z,+zx,-xz,x,2,1,3,大主应力：,小主应力:,圆心：,半径：,z按顺时针方向旋转,x按顺时针方向旋转,莫 尔 圆：代表一个土单元的应力状态； 圆上一点：代表一个面上的两个应力与,7.2 土的抗剪强度理论,7.2.2 摩尔-库仑强度理论
9、及极限平衡条件,30,强度包线以内：任何一个面上的一对应力与 都没有达到破坏包线，不破坏；,7.2 土的抗剪强度理论,7.2.2 摩尔-库仑强度理论及极限平衡条件,与破坏包线相切：该面上的应力达到破坏状态；,与破坏包线相交：有一些平面上的应力超过强度；不可能发生。,31,极限平衡应力状态：有一对面上的应力状态达到 = f 土的强度包线：所有达到极限平衡状态的莫尔园的公切线。,f,7.2 土的抗剪强度理论,7.2.2 摩尔-库仑强度理论及极限平衡条件,32,（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，可以用
10、线性函数近似：f = c +tg（3）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,7.2 土的抗剪强度理论,7.2.2 摩尔-库仑强度理论及极限平衡条件,33,莫尔-库仑强度理论表达式极限平衡条件,1,3,7.2 土的抗剪强度理论,7.2.2 摩尔-库仑强度理论及极限平衡条件,34,莫尔-库仑强度理论表达式极限平衡条件,7.2 土的抗剪强度理论,7.2.2 摩尔-库仑强度理论及极限平衡条件,35,根据应力状态计算出大小主应力1、3,判断破坏可能性,由3计算1f 比较1与1f,11f 不可能状态,破坏判断方法,判别对象：土体微小单元（一点）,3= 常数：,
11、7.2 土的抗剪强度理论,7.2.2 摩尔-库仑强度理论及极限平衡条件,36,根据应力状态计算出大小主应力1、3,判断破坏可能性,由1计算3f 比较3与3f,33f 安全状态 3=3f 极限平衡状态 33f 不可能状态,1= 常数：,破坏判断方法,7.2 土的抗剪强度理论,7.2.2 摩尔-库仑强度理论及极限平衡条件,37,根据应力状态计算出大小主应力1、3,判断破坏可能性,由1、3计算与比较, 不可能状态,(1 + 3)/2 = 常数：圆心保持不变,也可比较圆的直径,破坏判断方法,7.2 土的抗剪强度理论,7.2.2 摩尔-库仑强度理论及极限平衡条件,38,2,2,滑裂面的位置,与大主应力面
12、夹角： =45 + /2,破坏面为什么不在最大剪应力作用面上？,破坏判断方法,7.2 土的抗剪强度理论,7.2.2 摩尔-库仑强度理论及极限平衡条件,39,7.1 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 饱和粘性土的抗剪强度 7.6 应力路径在强度问题中的应用 7.7 无粘性土的抗剪强度,第七章 土的抗剪强度,40,室内试验野外试验,三轴试验、直剪试验等制样（重塑土）或现场取样缺点：扰动优点：应力条件清楚，易重复,十字板扭剪试验、旁压试验等原位试验缺点：应力条件不易掌握优点：原状土的原位强度,7.3 土的抗剪强度试验,41,7.3
13、 土的抗剪强度试验,7.3.1 直接剪切试验,42,通过控制剪切速率来近似模拟排水条件,(1) 固结慢剪施加正应力-充分固结慢慢施加剪应力-小于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,7.3 土的抗剪强度试验,7.3.1 直接剪切试验,43,n,K0n,7.3 土的抗剪强度试验,7.3.1 直接剪切试验,44,设备简单，操作方便结果便于整理测试时间短,优点,试样应力状态复杂应变不均匀不易控制排水条件剪切面固定,缺点,类似试验： 环剪试验 单剪试验,7.3 土的抗剪强度试验,7.3.1
14、直接剪切试验,45,7.3 土的抗剪强度试验,7.3.2 三轴压缩试验,46,方法： 首先试样施加静水压力室压（围压） 1=2=3 ； 然后通过活塞杆施加的是应力差 1= 1-3 。,特点： 试样是轴对称应力状态。垂直应力z一般是大主应力；径向与切向应力总是相等r=，亦即1=z；2=3=r,7.3 土的抗剪强度试验,7.3.2 三轴压缩试验,47,强度包线,(1-)f,c,(1-)f,1 =15%,分别作围压为100 kPa 、200 kPa 、300 kPa的三轴试验，得到破坏时相应的（1-)f,绘制三个破坏状态的应力莫尔圆，画出它们的公切线强度包线，得到强度指标 c 与 ,强度包线,7.3
15、 土的抗剪强度试验,7.3.2 三轴压缩试验,48,固结排水试验（CD试验） 1 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； 2 打开排水阀门，慢慢施加轴向应力差以便充分排水，避免产生超静孔压,固结不排水试验（CU试验） 1 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； 2 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,不固结不排水试验（UU试验） 1 关闭排水阀门，围压下不固结； 2 关闭排水阀门，很快剪切破坏，在施加轴向应力差过程中不排水,cd 、d,ccu 、cu,cu 、u,试验类型,7.3 土的抗剪强度试验,7.3.2 三轴压缩试验,49,优
16、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,说明： 30 即为无侧限抗压强度试验,真三轴仪 空心圆柱扭剪仪,7.3 土的抗剪强度试验,7.3.2 三轴压缩试验,50,7.3 土的抗剪强度试验,7.3.3 无侧限抗压强度试验,cu = qu/2,cu,qu = ,3 =0的不排水试验,51,一般适用于测定软粘土的不排水强度指标；,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,7.3 土的抗剪强度试验,7.3.4 十字板剪切试验,52,时：,7.3 土的抗剪强度试验,7.3.4 十字板剪切试验
17、,53,7.1 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 饱和粘性土的抗剪强度 7.6 应力路径在强度问题中的应用 7.7 无粘性土的抗剪强度,第七章 土的抗剪强度,54,u =0 , cu =（ 1 - 3）/2 有效应力莫尔圆是唯一的,思考题：可否由不排水试验确定有效应力强度指标？,=？,cu,Cu依赖于 初始状态,7.5 饱和粘性土的抗剪强度,7.5.1 不排水抗剪强度,55,cu, p1,cu1,p2,cu2,p3,cu3,正常固结粘土层,7.5 饱和粘性土的抗剪强度,7.5.1 不排水抗剪强度,56,7.5 饱和粘性土的抗
18、剪强度,7.5.1 不排水抗剪强度,1、不排水不固结是指在三轴压缩试验中的不固结，而保持土样原有的有效应力不变 2、如果饱和粘性土从未固结过，将是一种泥浆状，抗剪强度为0 3、天然土层中取出的试样，拥有其前期固结压力，即在该压力下已固结，具有相应的强度。天然土层的前期固结压力随土层深度变化，所以其不排水强度cu随深度变化 4、匀质的正常固结黏土的不排水强度随前期固结压力线性增大 5、饱和超固结黏土的不固结不排水强度包线也是水平的,57,u,/ ,f,f,cu,7.5 饱和粘性土的抗剪强度,7.5.2 固结不排水抗剪强度,uf,uf.0,应力应变关系硬化，体应变剪缩,饱和正常固结粘性土试验曲线与
19、强度包线,58,u,应力应变关系软化，孔压可能小于0 与超固结度有关,f,f,cu,u0,u0,7.5 饱和粘性土的抗剪强度,7.5.2 固结不排水抗剪强度,饱和超固结粘性土试验曲线与强度包线,59,= ,f,d,7.5 饱和粘性土的抗剪强度,7.5.3 排水抗剪强度, ,f,cd,d,超固结,正常固结,60,总应力指标与有效应力指标一致:,破坏面位置：,7.5 饱和粘性土的抗剪强度,7.5.3 排水抗剪强度,7.5 饱和粘性土的抗剪强度,7.5.3 排水抗剪强度,抗剪强度与有效应力有唯一关系图7-21,7.5 饱和粘性土的抗剪强度,7.5.4 抗剪强度指标的选择, cu 、cu：长期稳定分析
20、； u 、u ：饱和软粘土的短期稳定分析；表7-2,63,试验条件与现场条件 的对应关系,固结排水试验,固结不排水试验,不固结不排水试验,7.5 饱和粘性土的抗剪强度,7.5.4 抗剪强度指标的选择,64,1. 两种强度指标的比较,有效应力指标c, , = c + tg = -u,符合土的破坏机理，但有时孔隙水压力u无法确定,总应力指标c, , = c + tg,便于应用，但u不能产生抗剪强度，不符合强度机理，应用时要符合工程条件,强度指标,抗剪强度,简单评价,7.5 饱和粘性土的抗剪强度,7.5.4 抗剪强度指标的选择,65,1,(),f,f,u,u,正常固结粘土： CU试验,2. 强度包线
21、与破坏主应力线,思考题1：实际破裂面的方向？ 思考题2：如果破坏时孔隙水压力u(负孔压)，有效应力莫尔圆在总应力莫尔圆哪边？,7.5 饱和粘性土的抗剪强度,7.5.4 抗剪强度指标的选择,66,实验室的正常固结粘土： 有效固结压力c 等于先期固结压力p。,地基中的正常固结粘土： z s p 取回室内, 如 c z，不再是正常固结土。,f,“正常固结粘土”,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,固结压力为0的正常固结粘土: 当正常固结粘土试样的固结压力为0时，亦即其历史上的最大固结压力是0 处于泥浆状态，抗剪强度为0。,c=0是否意味着正常固结粘土无粘聚力? 粘聚力随增加而增
22、加,7.5 饱和粘性土的抗剪强度,7.5.4 抗剪强度指标的选择,67,固结不排水三轴试验确定的强度指标,应力变量,试验量测, u,计算,= u =,确定的强度指标,ccu cu,c ,7.5 饱和粘性土的抗剪强度,7.5.4 抗剪强度指标的选择,68,直剪试验强度指标,对于砂土，三种试验结果都接近于c 对于粘性土，慢剪(Slowly: s) ：csc s; 由于摩擦和中主应力使其强度指标稍大0.9csc, 0.9s固结快剪（Consolidated Quickly : cq） ccqccu cqcu快剪 (Quickly: q) : 对于 k10-7 cm/s 粘土 cqcu qu,7.5
23、饱和粘性土的抗剪强度,7.5.4 抗剪强度指标的选择,69,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u的情况，都应当使用有效应力指标c，,7.5 饱和粘性土的抗剪强度,7.5.4 抗剪强度指标的选择,70,7.5 饱和粘性土的抗剪强度,7.5.4 抗剪强度指标的选择,71,不固结不排水剪（快剪） cu、u（cq、q）,粘土地基上快速施工的建筑物,7.5 饱和粘性土的抗剪强度,7.5.4 抗剪强度指标的选择,72,固结不排水剪（固结快剪） ccu、cu（ccq、cq）,在天然土坡上快速填方,7.5 饱和粘性土的抗剪强度,7.5.4 抗剪强度指标的选择,73,固结排水剪（慢剪
24、） ccd、cd（cs、s）,粘土地基上慢速施工的建筑物,7.5 饱和粘性土的抗剪强度,7.5.4 抗剪强度指标的选择,74,7.1 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 饱和粘性土的抗剪强度 7.6 应力路径在强度问题中的应用 7.7 无粘性土的抗剪强度,第七章 土的抗剪强度,75,7.6 无粘性土的抗剪强度,u,V/V,e,ecr,1、无黏性土的抗剪强度决定于有效法向应力和内摩擦角。 2、密砂的内摩擦角与初始孔隙比、土粒表面粗糙程度、颗粒级配等有关。 3、松砂的内摩擦角约等于干砂的天然休止角。,76,液化现象,饱和松砂在振动
25、情况下孔压急剧升高 在瞬间砂土呈液态,77,（1）初始处于疏松状态,（3）振后处于密实状态,（2）振动过程中处于悬浮状态- 孔压升高（液化）,液化定义：在饱和砂土中，由于振动引起颗粒的悬浮，超静孔隙水压力急剧升高，直到其孔隙水压力等于总应力时，有效应力为零，砂土的强度丧失，砂土呈液体流动状态，称为液化现象。,78,振前松砂的结构,振中颗粒悬浮， 有效应力为零,振后砂土 变密实,79,作业：7-1到7-6中选择4题 7-8、7-9、7-11、7-13,81,82,日本阪神地震引起的路面塌陷,83,由于液化引起的河道破坏日本神户,84,阪神地震中新干线的倾覆,85,地基液化引起的储油罐倾斜日本神户,86,日本阪神地震引起的地面下沉房屋脱离地面,87,桩基础（房屋基础露出地面）,88,桥台基础（地震液化后突出地面）,
