第6章土的抗剪強度

1、第6章 土的抗剪強度土的抗剪強度理論、試驗方法土的抗剪強度理論、試驗方法 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 特點特點6.1 6.1 概概 述述 土的抗剪強度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)生一部分相對于另土體沿著某一方向發(fā)生一部分相對于另一部分的移動，即發(fā)生剪切破壞。一部分的移動，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)滑動面，導致土體失穩(wěn)。動面，導致土體失穩(wěn)。 (a) 土體滑坡(b) 擋土墻傾覆(c) 地基失穩(wěn)6.2

2、6.2 土的抗剪強度理論土的抗剪強度理論1 庫侖庫侖( Coulomb)抗剪強度公式抗剪強度公式 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）強度指標。稱為土的（抗剪）強度指標。 c內(nèi)聚力，內(nèi)聚力，kPa 內(nèi)摩擦角，度內(nèi)摩擦角，度 破壞面上的正應力，破壞面上的正應力，kPa（3 3）f 的特點的特點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度土的密實度含水量含水量w結(jié)構(gòu)擾動情況結(jié)構(gòu)擾動情況 應力歷史應力歷史（4 4） 影響影響f 的因素的因素（5 5）f 的有效應力表示法的有效應力表示法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力破壞面上的有效正應力2 莫爾莫爾-庫侖庫侖(Mohr-Coulomb)強度理論強度理論 與極限平衡條件與極限平衡條件 土的強度特指抗剪強度土的強度特指抗剪強度土體的破壞為剪切破壞土體的破壞為剪切破壞關于土體強度破壞的條件有多種：關于土體強度破壞的條件有多種： 莫爾莫爾-庫侖庫侖（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 廣義雙剪應力條件廣義雙剪應力條件莫爾莫爾(Mohr)提出材料產(chǎn)提出材料產(chǎn)生剪切破壞時，破壞面生剪切破壞時，破壞面上的剪應力上的剪應力f是該面上法是該面上法向應力向應力的函數(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。 由庫侖公式表示莫爾包線的土體抗剪強度由庫侖公式表示莫爾包線的土體抗剪強度理論稱為莫爾理論稱為莫爾-庫侖強度理論。庫侖強度理論。 cf=c+tanf=f()o 剪切強度條件剪切強度條件 當土中某點在沿某方向的平面上的當土中某點在沿某方向的平面上的剪應力剪應力達到

5、達到抗剪強度抗剪強度，則該點達到極限平衡狀態(tài)，即，則該點達到極限平衡狀態(tài)，即該點在沿該方向的平面上發(fā)生剪切破壞。該點在沿該方向的平面上發(fā)生剪切破壞。 若采用若采用Mohr-Coulomb強度理論表示，則強度理論表示，則稱為稱為Mohr-Coulomb強度條件強度條件。土中任意點土中任意點M處的應力處的應力（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半徑土中一點的某一平面上應力為：土中一點的某一平面上應力為

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，不會發(fā)生剪切破壞；，不會發(fā)生剪切破壞；圓圓-t t= =t tf，剪應力處于極限平衡狀態(tài)；，剪應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：地基某點已知：地基某點1=450kPa，3=126kPa， 試驗測得試驗測得c=45kPa，=30 問：（問：（1）該點是否發(fā)生剪切破壞？）該點是否發(fā)生剪切破壞？ （2）若）若3不變，不變，1為多大時該點破壞？為多大時該點破壞？23tan (45/2)2tan(45/2)c 答答（1）該點沒有破壞）該點沒有破壞 （2）若）若3不變，不變，1=533.9kPa時該點才破壞時該點才破壞23030126tan452 45tan 4522 1533.9(kPa) 解解6.3 6.3 土的抗剪強度測定方法土的抗剪強度測定方法室內(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 直接剪切試驗直接剪切試驗(1) 儀器設備儀器設備應變控制式直剪儀應變控制式直剪儀(2) 試驗原理試驗原理FA maxfVAt tt t 剪切破壞面上：剪切破壞面上：(3) 試驗方法試驗方法 根據(jù)施加豎向應力所產(chǎn)生的根據(jù)施加豎向應力所產(chǎn)生的固結(jié)效應固結(jié)效應、試驗、試驗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關系相對關系，直接剪切試驗可

9、分為：直接剪切試驗可分為： 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?？辜魪姸戎浮？辜魪姸戎笜藶闃藶閏uu、 uu。 A. 快剪快剪當施加的豎向應力不產(chǎn)生固結(jié)效應時，當施加的豎向應力不產(chǎn)生固結(jié)效應時，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。及產(chǎn)生排水效應。 試樣剪切破壞后試樣剪切破壞后含水量減小含水量減小?？辜魪姸戎笜藶椤？辜魪姸戎笜藶閏cu、 cu。 B. 固結(jié)快剪固結(jié)快剪施加的豎向應力，使得試樣達到施加的豎向應力，使得試樣達到相應的固結(jié)效應時，快速施加水平推力，使其試相應的固結(jié)效應時，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。樣在剪切過程中來不及產(chǎn)生排水效應。 試樣剪切破壞后試樣剪切破壞后含水量減小含水量減小?？辜魪姸戎笜藶??？辜魪姸戎笜藶閏d、 d。 C. 慢剪慢剪施加的豎向應力，使得試樣達到相應施加的豎向應力，使得試樣達到相應的固結(jié)效應時，緩慢施加水平推力，使其試樣在的固結(jié)效應時，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。剪切過程中產(chǎn)生充分的排水效應。 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 不能測量不能測量 u(4 4) 局限性局限性(1) 儀器設備儀器設備三軸剪切儀三軸剪切儀2 2 三軸剪切試驗三軸剪切試驗施加圍壓施加圍壓 3，傳力桿豎壓

11、，傳力桿豎壓 3331313333(2) 試驗試驗原理原理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） 試驗方法試驗方法（4） 特點特點能控制和測定能控制和測定 u沿最薄弱面剪壞沿最薄弱面剪壞假三軸假三軸軸對稱軸對稱3 3 無側(cè)限抗壓強度試驗無側(cè)限抗壓強度試驗 （1） 儀器設備儀器設備無側(cè)限抗壓試驗儀無側(cè)限抗壓試驗儀（2 2） 試驗原理及條件試驗原理及條件 ufu2qct t 飽和粘性土，不排水剪時：飽和粘性土，不排水剪時： u = 0 cu 、 u土的不排水抗剪強度

12、指標土的不排水抗剪強度指標 4 4 十字板剪切試驗十字板剪切試驗 (1) 儀器設備儀器設備f26(3)MDDHt t (2) 試驗原理試驗原理取：?。篺vfH=f 則：則：2fVfH2243DDDMDH t tt t 不排水剪，不排水剪，f qu /2原位試驗，保持初始應力狀態(tài)原位試驗，保持初始應力狀態(tài)簡單方便簡單方便（3 3） 特點特點6.4 6.4 飽和粘性土的抗剪強度飽和粘性土的抗剪強度1 1 不固結(jié)不排水抗剪強度（不固結(jié)不排水抗剪強度（UU）u0 u131()2c（1）總應力表示法）總應力表示法抗剪強度包線為水平線抗剪強度包線為水平線u11u333131有效應力有效應力 軸向：軸向：

13、徑向：徑向：有效應力圓與總應力有效應力圓與總應力圓大小相等（左移圓大小相等（左移 u）按總應力法和有效應按總應力法和有效應力法表示的力法表示的t tf 無異無異試驗測得孔隙水壓力（軸向和徑向）：試驗測得孔隙水壓力（軸向和徑向）：u（2 2）有效應力法）有效應力法初始壓縮曲線初始壓縮曲線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)強度包線正常固結(jié)強度包線abc超固結(jié)強度包線超固結(jié)強度包線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) 受應力歷史影響，正受應力歷史影響，正常固結(jié)土的應力應變曲線常固結(jié)土的應力應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)土條件時正常固結(jié)土條件時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)換為負值（吸負值（吸力）力）。應變硬化，發(fā)生剪縮應變硬化，發(fā)生剪縮應變軟化，發(fā)生剪應變軟化，發(fā)生剪脹脹（1）3 pc 時時正常固結(jié)土正常固結(jié)土f 直線過原點直線過原點 0cuu有效應力圓總應力圓cu cu1025用總應力法表示抗剪用總應力法表示抗剪強度偏于安全強度偏于安全（2）3 pc 時時超固結(jié)土超固結(jié)土總應力法總應力法f 為不過原點的折線為不過原點的折線 abc近似地：近

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

16、. 三種排水試驗條件下的三種排水試驗條件下的 f 比較比較5 5 抗剪強度指標的選擇抗剪強度指標的選擇 (1) 選取合適的試驗方法選取合適的試驗方法 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，完工后一次性加載較大工期長，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三軸剪切試驗有效應力分析法有效應力分析法直接剪切試驗直接剪切試驗總應力分析法總應力分析法 (2) 選取合適的表示方法選取合適的表示方法 6.5 6.5 無粘性土的抗剪強度無粘性土的抗剪強度1 1 測定方法測定方法 = 三軸剪切試驗、自然休止角測定法三軸剪切試驗、自然休止角測定法c 0中砂、粗砂、礫砂：中砂、粗砂、礫砂： =3240粉砂、細砂：粉砂、細砂： =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的應力-應變-體變峰值應變軟化 應變硬化 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時的時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，有關， 3越越大，大， ecr越小。越