第五章土強(qiáng)度

1、5、土的抗剪強(qiáng)度土的抗剪強(qiáng)度E5.1 5.1 庫(kù)倫定律及摩爾庫(kù)倫定律及摩爾- -庫(kù)倫強(qiáng)度理論庫(kù)倫強(qiáng)度理論E5.2 5.2 土的剪切試驗(yàn)方法土的剪切試驗(yàn)方法 5.1概述 變形破壞變形破壞 沉降、位移、不均勻沉降等超過(guò)規(guī)定限值沉降、位移、不均勻沉降等超過(guò)規(guī)定限值(已學(xué)已學(xué)) 地基破壞地基破壞 強(qiáng)度破壞強(qiáng)度破壞 地基整體或局部滑移、隆起，地基整體或局部滑移、隆起， 土工構(gòu)筑物失穩(wěn)、土工構(gòu)筑物失穩(wěn)、 滑坡滑坡土體強(qiáng)度破壞的機(jī)理：土體強(qiáng)度破壞的機(jī)理： 在外荷載作用下，土體中將產(chǎn)生剪應(yīng)力和剪切變形，在外荷載作用下，土體中將產(chǎn)生剪應(yīng)力和剪切變形，當(dāng)土中某點(diǎn)由外力所產(chǎn)生的剪應(yīng)力達(dá)到土的抗剪強(qiáng)度時(shí)，當(dāng)土中某點(diǎn)由

2、外力所產(chǎn)生的剪應(yīng)力達(dá)到土的抗剪強(qiáng)度時(shí)，土就沿著剪應(yīng)力作用方向產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，該點(diǎn)便發(fā)生土就沿著剪應(yīng)力作用方向產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，該點(diǎn)便發(fā)生剪切剪切破壞。破壞。土的抗剪強(qiáng)度：土的抗剪強(qiáng)度：土體抵抗剪切破壞的極限能力土體抵抗剪切破壞的極限能力 1. 建筑物地基承載力問(wèn)題建筑物地基承載力問(wèn)題 基礎(chǔ)下的地基土體產(chǎn)生整體滑動(dòng)或因局部剪切破壞而導(dǎo)致過(guò)大的地基變基礎(chǔ)下的地基土體產(chǎn)生整體滑動(dòng)或因局部剪切破壞而導(dǎo)致過(guò)大的地基變形形 甚至傾覆。甚至傾覆。 建筑物地基承載力問(wèn)題(圖4)2. 構(gòu)筑物環(huán)境的安全性問(wèn)題即土壓力問(wèn)題構(gòu)筑物環(huán)境的安全性問(wèn)題即土壓力問(wèn)題 擋土墻、基坑等工程中，墻后土體強(qiáng)度破壞將造成過(guò)大的側(cè)向土壓力，擋

3、土墻、基坑等工程中，墻后土體強(qiáng)度破壞將造成過(guò)大的側(cè)向土壓力，導(dǎo)致墻體滑動(dòng)、傾覆或支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞事故導(dǎo)致墻體滑動(dòng)、傾覆或支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞事故 。 3.土土工工構(gòu)構(gòu)筑筑物物的的穩(wěn)穩(wěn)定定性性問(wèn)問(wèn)題題3. 土工構(gòu)筑物的穩(wěn)定性問(wèn)題土工構(gòu)筑物的穩(wěn)定性問(wèn)題 土壩、路堤等填方邊坡以及天然土坡等，在超載、滲流乃至暴雨作土壩、路堤等填方邊坡以及天然土坡等，在超載、滲流乃至暴雨作用下引起土體強(qiáng)度破壞后將產(chǎn)生整體失穩(wěn)邊坡滑坡等事故。用下引起土體強(qiáng)度破壞后將產(chǎn)生整體失穩(wěn)邊坡滑坡等事故。5.1.1 庫(kù)侖定律庫(kù)侖定律17761776年，庫(kù)侖根據(jù)年，庫(kù)侖根據(jù)砂土砂土剪切試驗(yàn)得出剪切試驗(yàn)得出 f = tan 砂土砂土后來(lái)，根據(jù)后來(lái)，

4、根據(jù)粘性土粘性土剪切試驗(yàn)剪切試驗(yàn)得出得出 f =c+ tan 粘土粘土c 庫(kù)侖定律：庫(kù)侖定律：土的抗剪強(qiáng)土的抗剪強(qiáng)度是剪切面上的法向總應(yīng)度是剪切面上的法向總應(yīng)力力 的線性函數(shù)的線性函數(shù) tanfcftan f fPTA土樣庫(kù)倫公式庫(kù)倫公式 tgcf cf 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c: :土的粘聚力土的粘聚力 : :土的內(nèi)摩擦角土的內(nèi)摩擦角( (無(wú)粘性土：無(wú)粘性土：c=0) 土的抗剪強(qiáng)度一般可分為兩部分：一部土的抗剪強(qiáng)度一般可分為兩部分：一部分與顆粒間的法向應(yīng)力有關(guān)，通常呈正比例分與顆粒間的法向應(yīng)力有關(guān)，通常呈正比例關(guān)系，其本質(zhì)是關(guān)系，其本質(zhì)是摩擦力摩擦力；另一部分是與法向；另一部分是與法向應(yīng)力

5、無(wú)關(guān)的土粒之間的粘結(jié)力，通常稱為應(yīng)力無(wú)關(guān)的土粒之間的粘結(jié)力，通常稱為粘粘聚力聚力。表達(dá)方法表達(dá)方法土的抗剪強(qiáng)度土的抗剪強(qiáng)度總應(yīng)力法：總應(yīng)力法：總應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)總應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)有效應(yīng)力法：有效應(yīng)力法：有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)uu5.1.2 莫爾莫爾- -庫(kù)倫強(qiáng)度理論庫(kù)倫強(qiáng)度理論 當(dāng)土體中某點(diǎn)任意平面上的剪應(yīng)力等于土的抗當(dāng)土體中某點(diǎn)任意平面上的剪應(yīng)力等于土的抗剪強(qiáng)度時(shí)，該點(diǎn)處于臨界破壞狀態(tài)，這種狀態(tài)稱為剪強(qiáng)度時(shí)，該點(diǎn)處于臨界破壞狀態(tài)，這種狀態(tài)稱為“極限平衡狀態(tài)極限平衡狀態(tài)”。表征該狀態(tài)下各種應(yīng)力之間的。表征該狀態(tài)下各種應(yīng)力之間的關(guān)系稱為關(guān)系稱為“極限平衡條件極限平衡條件”=f 極限平衡狀態(tài)極限

6、平衡狀態(tài)如何判斷土中某點(diǎn)是否破壞，有二種方法：如何判斷土中某點(diǎn)是否破壞，有二種方法：應(yīng)力圓與強(qiáng)度線應(yīng)力圓與強(qiáng)度線相離：相離： 強(qiáng)度線強(qiáng)度線應(yīng)力圓與強(qiáng)度線應(yīng)力圓與強(qiáng)度線相切：相切：應(yīng)力圓與強(qiáng)度線應(yīng)力圓與強(qiáng)度線相割：相割：極限應(yīng)極限應(yīng)力圓力圓f 破壞狀態(tài)破壞狀態(tài) 1、通過(guò)繪圖判斷土體某點(diǎn)是否破壞、通過(guò)繪圖判斷土體某點(diǎn)是否破壞2 2、通過(guò)極限平衡條件（莫爾庫(kù)侖破壞準(zhǔn)、通過(guò)極限平衡條件（莫爾庫(kù)侖破壞準(zhǔn) 則）判斷則）判斷 3 1c f2 fA cctg 1/2( 1 + 3 )313121cot21sinc土體某點(diǎn)是否破壞土體某點(diǎn)是否破壞1f= 3tg2(45+/2)2ctg (45+/2)3f= 1t

7、g2(45/2)2ctg (45/2)土體處于極限平衡狀態(tài)所能承土體處于極限平衡狀態(tài)所能承受最大或最小主應(yīng)力：受最大或最小主應(yīng)力：由由3計(jì)算計(jì)算1f比較比較1與與1f1 1f 破壞狀態(tài)破壞狀態(tài)213452tg 4522ftgc213452tg 4522ftgc假設(shè)已知某點(diǎn)的大小主應(yīng)假設(shè)已知某點(diǎn)的大小主應(yīng)力力1、3判斷破壞可能性判斷破壞可能性由由3計(jì)算計(jì)算1f比較比較1與與1f1 1f 破壞狀態(tài)破壞狀態(tài) O c 1f 3 1 1 破壞判斷方法破壞判斷方法判別對(duì)象：土體微小單元（一點(diǎn)）判別對(duì)象：土體微小單元（一點(diǎn)）的方法的方法測(cè)定土抗剪強(qiáng)度測(cè)定土抗剪強(qiáng)度直接剪切試驗(yàn)直接剪切試驗(yàn)三軸壓縮試驗(yàn)三軸壓縮

8、試驗(yàn)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)十字板剪切儀現(xiàn)場(chǎng)十字板剪切儀5.2 土的剪切試驗(yàn)方法土的剪切試驗(yàn)方法試驗(yàn)儀器：試驗(yàn)儀器：直剪儀（直剪儀（應(yīng)變控制式應(yīng)變控制式，應(yīng)力控制式），應(yīng)力控制式）5.2.1 直接剪切試驗(yàn)直接剪切試驗(yàn)應(yīng)變控制式直剪儀的試驗(yàn)原理：應(yīng)變控制式直剪儀的試驗(yàn)原理： 對(duì)同一種土至少取對(duì)同一種土至少取4個(gè)平行試樣，分別個(gè)平行試樣，分別在不同垂直壓力在不同垂直壓力 下剪切破壞，將試驗(yàn)結(jié)果下剪切破壞，將試驗(yàn)結(jié)果繪制抗剪強(qiáng)度繪制抗剪強(qiáng)度 f與相應(yīng)垂直壓力與相應(yīng)垂直壓力 的關(guān)系圖。的關(guān)系圖。剪切容器與應(yīng)力環(huán) 在不同的垂直壓力在不同的垂直壓力 下進(jìn)行剪切試驗(yàn)，得相應(yīng)的抗剪下進(jìn)行剪切試

9、驗(yàn)，得相應(yīng)的抗剪強(qiáng)度強(qiáng)度f(wàn)，繪制繪制f - 曲線，得該土的抗剪強(qiáng)度包線曲線，得該土的抗剪強(qiáng)度包線APATf在法向應(yīng)力在法向應(yīng)力 作用下，剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線。作用下，剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線。4 4mmmm a a b b 剪切位移剪切位移l (0.01mm)(0.01mm) 剪應(yīng)力剪應(yīng)力 （kPa)kPa) 1 1 2 2 v快剪快剪v固結(jié)快剪固結(jié)快剪v慢剪慢剪在直剪試驗(yàn)過(guò)程中，根據(jù)加荷速率的快慢可將試驗(yàn) 劃分為:直剪試驗(yàn)優(yōu)缺點(diǎn)直剪試驗(yàn)優(yōu)缺點(diǎn)n優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：儀器構(gòu)造簡(jiǎn)單，試樣的制備和安裝方便，儀器構(gòu)造簡(jiǎn)單，試樣的制備和安裝方便，易于操作。易于操作。 n缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 剪切破壞面固定，且不一定

10、是土樣的最薄弱面。剪切破壞面固定，且不一定是土樣的最薄弱面。 不能嚴(yán)格控制排水條件，不能量測(cè)土樣的孔隙水不能嚴(yán)格控制排水條件，不能量測(cè)土樣的孔隙水壓力。壓力。 剪切過(guò)程中試樣剪切面積逐漸減小，剪切面上的剪切過(guò)程中試樣剪切面積逐漸減小，剪切面上的剪應(yīng)力分布不均勻。剪應(yīng)力分布不均勻。一、抗剪強(qiáng)度包線一、抗剪強(qiáng)度包線 分別在不同的周圍壓力分別在不同的周圍壓力 3作用下進(jìn)行剪切，得作用下進(jìn)行剪切，得到到3 34 4 個(gè)不同的破壞應(yīng)力圓，繪出各應(yīng)力圓的公切個(gè)不同的破壞應(yīng)力圓，繪出各應(yīng)力圓的公切線即為土的抗剪強(qiáng)度包線。線即為土的抗剪強(qiáng)度包線。 抗剪強(qiáng)度包線抗剪強(qiáng)度包線 c 5.2.2 三軸壓縮試驗(yàn)三軸壓縮

11、試驗(yàn) 3 3 3 33131二、三軸剪切試驗(yàn)二、三軸剪切試驗(yàn)n試驗(yàn)儀器：試驗(yàn)儀器： 應(yīng)變控制式應(yīng)變控制式三軸儀：三軸儀：壓力室壓力室，加壓系統(tǒng)加壓系統(tǒng)，量測(cè)系量測(cè)系 統(tǒng)統(tǒng)組成組成 ( (常用常用） 應(yīng)力控制式三軸儀應(yīng)力控制式三軸儀n試驗(yàn)步驟試驗(yàn)步驟: :2.2.施加周圍壓力施加周圍壓力3.3.施加豎向壓力施加豎向壓力1.1.裝樣裝樣三軸壓縮儀三軸壓縮儀應(yīng)變控制式三軸儀：應(yīng)變控制式三軸儀：n壓力室壓力室n加壓系統(tǒng)加壓系統(tǒng)n量測(cè)系統(tǒng)量測(cè)系統(tǒng)軸向加荷系統(tǒng)加壓和量測(cè)系統(tǒng)v三軸壓縮試驗(yàn)按排水條件的不同，可分為不固結(jié)不排水剪(UU剪)、固結(jié)不排水剪(CU剪)和固結(jié)排水剪(CD剪)三種試驗(yàn)方法。工程應(yīng)用時(shí)，

12、當(dāng)?shù)鼗恋耐杆院团潘畻l件不良而施工速度較快時(shí)，可選用UU剪切試驗(yàn)指標(biāo)；當(dāng)?shù)鼗恋耐杆院团潘畻l件較好而施工速度較慢時(shí)，可選用CD剪切試驗(yàn)指標(biāo)；當(dāng)建筑物停工或竣工較久后又突然加層，可選用CU剪切試驗(yàn)指標(biāo)。 三軸試驗(yàn)根據(jù)排水條件不同可分為三種試驗(yàn)方法三軸試驗(yàn)根據(jù)排水條件不同可分為三種試驗(yàn)方法及每種試驗(yàn)方法所得指標(biāo)的適用性：及每種試驗(yàn)方法所得指標(biāo)的適用性：三軸試驗(yàn)優(yōu)缺點(diǎn)三軸試驗(yàn)優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 能控制排水條件，量測(cè)孔隙水壓力。能控制排水條件，量測(cè)孔隙水壓力。試樣的應(yīng)力分布比較均勻，試樣的應(yīng)力分布比較均勻，剪切破壞面為最薄弱面。剪切破壞面為最薄弱面。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 試驗(yàn)儀器復(fù)雜，操作技術(shù)要求高，試樣制備較復(fù)雜。試驗(yàn)儀器復(fù)雜，操作技術(shù)要求高，試樣制備較復(fù)雜。 試驗(yàn)在試驗(yàn)在 2 2= = 3 3的軸對(duì)稱條件下進(jìn)行，與土體實(shí)際受力情的軸對(duì)稱條件下進(jìn)行，與土體實(shí)際受力情況可能不符。況可能不符。 ququ加壓加壓框架框架量表量表量力環(huán)量力環(huán)升降升降螺桿螺桿無(wú)側(cè)限壓縮儀