第6章土的抗剪強(qiáng)度

1、第6章 土的抗剪強(qiáng)度土的抗剪強(qiáng)度理論、試驗(yàn)方法土的抗剪強(qiáng)度理論、試驗(yàn)方法 土的極限平衡條件土的極限平衡條件 粘性土、無粘性土的粘性土、無粘性土的t tf 特點(diǎn)特點(diǎn)6.1 6.1 概概 述述 土的抗剪強(qiáng)度t tf （Shear strength）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。 土體沿著某一方向發(fā)生一部分相對(duì)于另土體沿著某一方向發(fā)生一部分相對(duì)于另一部分的移動(dòng)，即發(fā)生剪切破壞。一部分的移動(dòng)，即發(fā)生剪切破壞。 若繼續(xù)增加荷載，土中最終形成連續(xù)滑若繼續(xù)增加荷載，土中最終形成連續(xù)滑動(dòng)面，導(dǎo)致土體失穩(wěn)。動(dòng)面，導(dǎo)致土體失穩(wěn)。 (a) 土體滑坡(b) 擋土墻傾覆(c) 地基失穩(wěn)6.2

2、6.2 土的抗剪強(qiáng)度理論土的抗剪強(qiáng)度理論1 庫(kù)侖庫(kù)侖( Coulomb)抗剪強(qiáng)度公式抗剪強(qiáng)度公式 ftant t （1 1） 砂土砂土（2 2）粘性土）粘性土ftanct t c、 稱為土的（抗剪）強(qiáng)度指標(biāo)。稱為土的（抗剪）強(qiáng)度指標(biāo)。 c內(nèi)聚力，內(nèi)聚力，kPa 內(nèi)摩擦角，度內(nèi)摩擦角，度 破壞面上的正應(yīng)力，破壞面上的正應(yīng)力，kPa（3 3）f 的特點(diǎn)的特點(diǎn)ftanctt非定值非定值內(nèi)聚力內(nèi)聚力 c ： 電分子吸引力電分子吸引力 膠體物質(zhì)膠結(jié)力膠體物質(zhì)膠結(jié)力內(nèi)摩擦力內(nèi)摩擦力tan 內(nèi)摩擦系數(shù)內(nèi)摩擦系數(shù)=tan無粘性土無粘性土c = 0土粒的大小、形狀、粗糙度土粒的大小、形狀、粗糙度土粒的礦物成分土

3、粒的礦物成分土的密實(shí)度土的密實(shí)度含水量含水量w結(jié)構(gòu)擾動(dòng)情況結(jié)構(gòu)擾動(dòng)情況 應(yīng)力歷史應(yīng)力歷史（4 4） 影響影響f 的因素的因素（5 5）f 的有效應(yīng)力表示法的有效應(yīng)力表示法f tanct t c有效內(nèi)聚力有效內(nèi)聚力有效內(nèi)摩擦角有效內(nèi)摩擦角破壞面上的有效正應(yīng)力破壞面上的有效正應(yīng)力2 莫爾莫爾-庫(kù)侖庫(kù)侖(Mohr-Coulomb)強(qiáng)度理論強(qiáng)度理論 與極限平衡條件與極限平衡條件 土的強(qiáng)度特指抗剪強(qiáng)度土的強(qiáng)度特指抗剪強(qiáng)度土體的破壞為剪切破壞土體的破壞為剪切破壞關(guān)于土體強(qiáng)度破壞的條件有多種：關(guān)于土體強(qiáng)度破壞的條件有多種： 莫爾莫爾-庫(kù)侖庫(kù)侖（Mohr-Coulomb）條件條件 廣義米賽斯（廣義米賽斯（Mi

4、ses）條件）條件 廣義屈瑞斯卡（廣義屈瑞斯卡（Tresca）條件）條件 廣義雙剪應(yīng)力條件廣義雙剪應(yīng)力條件莫爾莫爾(Mohr)提出材料產(chǎn)提出材料產(chǎn)生剪切破壞時(shí)，破壞面生剪切破壞時(shí)，破壞面上的剪應(yīng)力上的剪應(yīng)力f是該面上法是該面上法向應(yīng)力向應(yīng)力的函數(shù)，即的函數(shù)，即 f( )ftt 該函數(shù)表示的曲線稱為莫爾包線。該函數(shù)表示的曲線稱為莫爾包線。 由庫(kù)侖公式表示莫爾包線的土體抗剪強(qiáng)度由庫(kù)侖公式表示莫爾包線的土體抗剪強(qiáng)度理論稱為莫爾理論稱為莫爾-庫(kù)侖強(qiáng)度理論。庫(kù)侖強(qiáng)度理論。 cf=c+tanf=f()o 剪切強(qiáng)度條件剪切強(qiáng)度條件 當(dāng)土中某點(diǎn)在沿某方向的平面上的當(dāng)土中某點(diǎn)在沿某方向的平面上的剪應(yīng)力剪應(yīng)力達(dá)到

5、達(dá)到抗剪強(qiáng)度抗剪強(qiáng)度，則該點(diǎn)達(dá)到極限平衡狀態(tài)，即，則該點(diǎn)達(dá)到極限平衡狀態(tài)，即該點(diǎn)在沿該方向的平面上發(fā)生剪切破壞。該點(diǎn)在沿該方向的平面上發(fā)生剪切破壞。 若采用若采用Mohr-Coulomb強(qiáng)度理論表示，則強(qiáng)度理論表示，則稱為稱為Mohr-Coulomb強(qiáng)度條件強(qiáng)度條件。土中任意點(diǎn)土中任意點(diǎn)M處的應(yīng)力處的應(yīng)力（基于（基于平面問題）平面問題）00 xyFF 3d sin0s 1cosdsindd cos0sss t t cosdst t sinds 圓的解析方程圓的解析方程-MohrMohr圓圓M0132O1，圓心)0 ,2(3110231r半徑土中一點(diǎn)的某一平面上應(yīng)力為：土中一點(diǎn)的某一平面上應(yīng)力為

6、：1313cos222 13sin22 t t 222131322 t t 極限平衡條件：極限平衡條件：ft tt t 直線相切圓與fMohrt極限平衡狀態(tài)極限平衡狀態(tài)圓圓-t tt tf，不會(huì)發(fā)生剪切破壞；，不會(huì)發(fā)生剪切破壞；圓圓-t t= =t tf，剪應(yīng)力處于極限平衡狀態(tài)；，剪應(yīng)力處于極限平衡狀態(tài)；圓圓-t tt tf，已剪切破壞。，已剪切破壞。213tan (45)2 tan(45)22c 231tan (45)2 tan(45)22c 13132sinot2c c 破壞角破壞角 ff290 f452 f 為破壞面與為破壞面與 1作用面的夾角作用面的夾角 破壞面上破壞面上t t t t

7、 max， 而是而是t t = t t f例例已知：地基某點(diǎn)已知：地基某點(diǎn)1=450kPa，3=126kPa， 試驗(yàn)測(cè)得試驗(yàn)測(cè)得c=45kPa，=30 問：（問：（1）該點(diǎn)是否發(fā)生剪切破壞？）該點(diǎn)是否發(fā)生剪切破壞？ （2）若）若3不變，不變，1為多大時(shí)該點(diǎn)破壞？為多大時(shí)該點(diǎn)破壞？23tan (45/2)2tan(45/2)c 答答（1）該點(diǎn)沒有破壞）該點(diǎn)沒有破壞 （2）若）若3不變，不變，1=533.9kPa時(shí)該點(diǎn)才破壞時(shí)該點(diǎn)才破壞23030126tan452 45tan 4522 1533.9(kPa) 解解6.3 6.3 土的抗剪強(qiáng)度測(cè)定方法土的抗剪強(qiáng)度測(cè)定方法室內(nèi)室內(nèi)室外室外直直接接剪剪

8、切切三三軸軸剪剪切切無無側(cè)側(cè)限限抗抗壓壓十十字字板板剪剪切切大大型型直直剪剪1輪軸；輪軸； 2底座；底座； 3透水石；透水石； 6上盒；上盒； 7土樣土樣9鋼環(huán)；鋼環(huán)； 10下盒；下盒；5傳壓活塞；傳壓活塞；4、8百分表百分表1 1 直接剪切試驗(yàn)直接剪切試驗(yàn)(1) 儀器設(shè)備儀器設(shè)備應(yīng)變控制式直剪儀應(yīng)變控制式直剪儀(2) 試驗(yàn)原理試驗(yàn)原理FA maxfVAt tt t 剪切破壞面上：剪切破壞面上：(3) 試驗(yàn)方法試驗(yàn)方法 根據(jù)施加豎向應(yīng)力所產(chǎn)生的根據(jù)施加豎向應(yīng)力所產(chǎn)生的固結(jié)效應(yīng)固結(jié)效應(yīng)、試驗(yàn)、試驗(yàn)土樣的排水性能與施加水平推力速度的土樣的排水性能與施加水平推力速度的相對(duì)關(guān)系相對(duì)關(guān)系，直接剪切試驗(yàn)可

9、分為：直接剪切試驗(yàn)可分為： 試樣剪切破壞前后的試樣剪切破壞前后的含水量不變含水量不變?？辜魪?qiáng)度指?？辜魪?qiáng)度指標(biāo)為標(biāo)為cuu、 uu。 A. 快剪快剪當(dāng)施加的豎向應(yīng)力不產(chǎn)生固結(jié)效應(yīng)時(shí)，當(dāng)施加的豎向應(yīng)力不產(chǎn)生固結(jié)效應(yīng)時(shí)，快速施加水平推力，使其試樣在剪切過程中來不快速施加水平推力，使其試樣在剪切過程中來不及產(chǎn)生排水效應(yīng)。及產(chǎn)生排水效應(yīng)。 試樣剪切破壞后試樣剪切破壞后含水量減小含水量減小?？辜魪?qiáng)度指標(biāo)為?？辜魪?qiáng)度指標(biāo)為ccu、 cu。 B. 固結(jié)快剪固結(jié)快剪施加的豎向應(yīng)力，使得試樣達(dá)到施加的豎向應(yīng)力，使得試樣達(dá)到相應(yīng)的固結(jié)效應(yīng)時(shí)，快速施加水平推力，使其試相應(yīng)的固結(jié)效應(yīng)時(shí)，快速施加水平推力，使其試樣在剪

10、切過程中來不及產(chǎn)生排水效應(yīng)。樣在剪切過程中來不及產(chǎn)生排水效應(yīng)。 試樣剪切破壞后試樣剪切破壞后含水量減小含水量減小。抗剪強(qiáng)度指標(biāo)為。抗剪強(qiáng)度指標(biāo)為cd、 d。 C. 慢剪慢剪施加的豎向應(yīng)力，使得試樣達(dá)到相應(yīng)施加的豎向應(yīng)力，使得試樣達(dá)到相應(yīng)的固結(jié)效應(yīng)時(shí)，緩慢施加水平推力，使其試樣在的固結(jié)效應(yīng)時(shí)，緩慢施加水平推力，使其試樣在剪切過程中產(chǎn)生充分的排水效應(yīng)。剪切過程中產(chǎn)生充分的排水效應(yīng)。 限定破壞面限定破壞面 平均平均=Vmax/A 假定假定A不變不變 不能測(cè)量不能測(cè)量 u(4 4) 局限性局限性(1) 儀器設(shè)備儀器設(shè)備三軸剪切儀三軸剪切儀2 2 三軸剪切試驗(yàn)三軸剪切試驗(yàn)施加圍壓施加圍壓 3，傳力桿豎壓

11、，傳力桿豎壓 3331313333(2) 試驗(yàn)試驗(yàn)原理原理4 組以上（組以上（ 1， 3） 固結(jié)排水剪（慢剪）固結(jié)排水剪（慢剪） 固結(jié)不排水剪（固結(jié)快剪）固結(jié)不排水剪（固結(jié)快剪） 不固結(jié)不排水剪（快剪）不固結(jié)不排水剪（快剪）（3） 試驗(yàn)方法試驗(yàn)方法（4） 特點(diǎn)特點(diǎn)能控制和測(cè)定能控制和測(cè)定 u沿最薄弱面剪壞沿最薄弱面剪壞假三軸假三軸軸對(duì)稱軸對(duì)稱3 3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn) （1） 儀器設(shè)備儀器設(shè)備無側(cè)限抗壓試驗(yàn)儀無側(cè)限抗壓試驗(yàn)儀（2 2） 試驗(yàn)原理及條件試驗(yàn)原理及條件 ufu2qct t 飽和粘性土，不排水剪時(shí)：飽和粘性土，不排水剪時(shí)： u = 0 cu 、 u土的不排水抗剪強(qiáng)度

12、指標(biāo)土的不排水抗剪強(qiáng)度指標(biāo) 4 4 十字板剪切試驗(yàn)十字板剪切試驗(yàn) (1) 儀器設(shè)備儀器設(shè)備f26(3)MDDHt t (2) 試驗(yàn)原理試驗(yàn)原理取：?。篺vfH=f 則：則：2fVfH2243DDDMDH t tt t 不排水剪，不排水剪，f qu /2原位試驗(yàn)，保持初始應(yīng)力狀態(tài)原位試驗(yàn)，保持初始應(yīng)力狀態(tài)簡(jiǎn)單方便簡(jiǎn)單方便（3 3） 特點(diǎn)特點(diǎn)6.4 6.4 飽和粘性土的抗剪強(qiáng)度飽和粘性土的抗剪強(qiáng)度1 1 不固結(jié)不排水抗剪強(qiáng)度（不固結(jié)不排水抗剪強(qiáng)度（UU）u0 u131()2c（1）總應(yīng)力表示法）總應(yīng)力表示法抗剪強(qiáng)度包線為水平線抗剪強(qiáng)度包線為水平線u11u333131有效應(yīng)力有效應(yīng)力 軸向：軸向：

13、徑向：徑向：有效應(yīng)力圓與總應(yīng)力有效應(yīng)力圓與總應(yīng)力圓大小相等（左移圓大小相等（左移 u）按總應(yīng)力法和有效應(yīng)按總應(yīng)力法和有效應(yīng)力法表示的力法表示的t tf 無異無異試驗(yàn)測(cè)得孔隙水壓力（軸向和徑向）：試驗(yàn)測(cè)得孔隙水壓力（軸向和徑向）：u（2 2）有效應(yīng)力法）有效應(yīng)力法初始?jí)嚎s曲線初始?jí)嚎s曲線abc卸荷曲線卸荷曲線cef再壓縮曲線再壓縮曲線fgc正常固結(jié)強(qiáng)度包線正常固結(jié)強(qiáng)度包線abc超固結(jié)強(qiáng)度包線超固結(jié)強(qiáng)度包線fgc2. 固結(jié)不排水剪（固結(jié)不排水剪（CU）a1-3正常固結(jié)超固結(jié)au-u超固結(jié)正常固結(jié) 受應(yīng)力歷史影響，正受應(yīng)力歷史影響，正常固結(jié)土的應(yīng)力應(yīng)變曲線常固結(jié)土的應(yīng)力應(yīng)變曲線為為拋物線拋物線，而超

14、固結(jié)土呈，而超固結(jié)土呈現(xiàn)現(xiàn)峰值曲線峰值曲線。 就孔隙水壓力而言，就孔隙水壓力而言，正常固結(jié)土條件時(shí)正常固結(jié)土條件時(shí)始終始終為正值為正值，而超固結(jié)土在，而超固結(jié)土在呈現(xiàn)正孔隙水壓力峰值呈現(xiàn)正孔隙水壓力峰值后逐漸轉(zhuǎn)換為后逐漸轉(zhuǎn)換為負(fù)值（吸負(fù)值（吸力）力）。應(yīng)變硬化，發(fā)生剪縮應(yīng)變硬化，發(fā)生剪縮應(yīng)變軟化，發(fā)生剪應(yīng)變軟化，發(fā)生剪脹脹（1）3 pc 時(shí)時(shí)正常固結(jié)土正常固結(jié)土f 直線過原點(diǎn)直線過原點(diǎn) 0cuu有效應(yīng)力圓總應(yīng)力圓cu cu1025用總應(yīng)力法表示抗剪用總應(yīng)力法表示抗剪強(qiáng)度偏于安全強(qiáng)度偏于安全（2）3 pc 時(shí)時(shí)超固結(jié)土超固結(jié)土總應(yīng)力法總應(yīng)力法f 為不過原點(diǎn)的折線為不過原點(diǎn)的折線 abc近似地：近

15、似地： adabc（ ab、bc平均斜率）平均斜率）fcucutanct t 有效應(yīng)力法有效應(yīng)力法ab段段:膨脹趨勢(shì)，負(fù)孔隙水壓力膨脹趨勢(shì)，負(fù)孔隙水壓力uu11ccucuucu總應(yīng)力圓 有效應(yīng)力圓有效應(yīng)力圓在總應(yīng)力圓有效應(yīng)力圓在總應(yīng)力圓右右邊邊u11有效應(yīng)力圓在總應(yīng)力圓有效應(yīng)力圓在總應(yīng)力圓左左邊邊bc段：段：孔隙水壓力孔隙水壓力 uu = 0， = ，有效應(yīng)力圓即總應(yīng)力圓有效應(yīng)力圓即總應(yīng)力圓3. 固結(jié)排水剪固結(jié)排水剪 （CD）（1）正常固結(jié)土）正常固結(jié)土f 直線過原點(diǎn)直線過原點(diǎn)（2）超固結(jié)土）超固結(jié)土f 直線不過原點(diǎn)直線不過原點(diǎn)以正常固結(jié)土為例（總應(yīng)力表示法）以正常固結(jié)土為例（總應(yīng)力表示法）4

16、. 三種排水試驗(yàn)條件下的三種排水試驗(yàn)條件下的 f 比較比較5 5 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的選擇抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的選擇 (1) 選取合適的試驗(yàn)方法選取合適的試驗(yàn)方法 地基為薄粘土層，施工速度慢地基為薄粘土層，施工速度慢慢剪慢剪工期長(zhǎng)，完工后一次性加載較大工期長(zhǎng)，完工后一次性加載較大固結(jié)快剪固結(jié)快剪地基為厚粘性土，施工速度快地基為厚粘性土，施工速度快快剪快剪三軸剪切試驗(yàn)三軸剪切試驗(yàn)有效應(yīng)力分析法有效應(yīng)力分析法直接剪切試驗(yàn)直接剪切試驗(yàn)總應(yīng)力分析法總應(yīng)力分析法 (2) 選取合適的表示方法選取合適的表示方法 6.5 6.5 無粘性土的抗剪強(qiáng)度無粘性土的抗剪強(qiáng)度1 1 測(cè)定方法測(cè)定方法 = 三軸剪切試驗(yàn)、自然休止角測(cè)定法三軸剪切試驗(yàn)、自然休止角測(cè)定法c 0中砂、粗砂、礫砂：中砂、粗砂、礫砂： =3240粉砂、細(xì)砂：粉砂、細(xì)砂： =2836 2 2 無粘性土的剪切特性無粘性土的剪切特性砂土受剪時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變-體變峰值應(yīng)變軟化 應(yīng)變硬化 剪脹 剪縮 VVe0ecrVV- 砂土剪切體積砂土剪切體積變化比變化比 V/V=0時(shí)的時(shí)的初始孔隙比稱為初始孔隙比稱為臨臨界孔隙比界孔隙比ecr。ecr與與圍壓圍壓 3有關(guān)，有關(guān)， 3越越大，大， ecr越小。越