土力學(xué)6.土的抗剪強度

第六章

土的抗剪強度§6.1概述§6.2土的抗剪強度與極限平衡條件§6.3土的剪切試驗§6.4不同排水條件下抗剪強度指標(biāo)及測定方法土力學(xué)退出§6.1概述土的抗剪強度：土體抵抗剪切破壞的極限能力粘土地基上的某谷倉地基破壞1.地基的破壞工程中土體的破壞類型日本新瀉1964年地震引起大面積液化地基p滑裂面大阪的港口碼頭檔土墻由于液化前傾2.擋土結(jié)構(gòu)物的破壞廣州京光廣場基坑塌方使基坑旁辦公室、民工宿舍和倉庫倒塌，死3人，傷17人。擋土墻滑裂面基坑支護平移滑動3.各種類型的滑坡崩塌旋轉(zhuǎn)滑動流滑1994年4月30日崩塌體積400萬方10萬方進入烏江死4人，傷5人，失蹤12人擊沉拖輪、駁輪各一艘，漁船2只1994年7月2-3日降雨引起再次滑坡崩塌體巨大石塊滾入江內(nèi)，無法通航滑坡體崩入烏江近百萬方；江水位差數(shù)米。烏江武隆縣興順鄉(xiāng)雞冠嶺山體崩塌龍觀嘴黃崖溝烏江2000年西藏易貢巨型滑坡高程（m）滑距（m）553022004000扎木弄溝滑坡堆積體080004000200060002000年西藏易貢巨型滑坡立面示意圖坡高3330m堆積體寬約2500m總方量約3億方易貢滑坡堰塞湖滑坡堆積區(qū)扎木弄溝2264m2210m2165m2340m2000年西藏易貢巨型滑坡平面示意圖5520m滑坡堆積體天然壩

壩高290m滑坡堰塞湖

庫容15億方湖水每天上漲50cm?2000年西藏易貢巨型滑坡邊坡滑裂面地基承載力土壓力邊坡穩(wěn)定地基的破壞擋土結(jié)構(gòu)物破壞各種類型的滑坡核心強度理論綜上所述§6.2土的抗剪強度理論和極限平衡條件6.2.1土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系特征6.2.3土的極限平衡條件6.2.4例題分析6.2.2土的破壞理論下一節(jié)退出返回6.2.1土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系特征0fe0ek①②①②①②①②膨脹0壓縮0應(yīng)力－應(yīng)變曲線體變－應(yīng)變曲線－曲線e－曲線①—密砂②—松砂1776年，庫侖根據(jù)砂土剪切試驗τf=σtan砂土后來，根據(jù)粘性土剪切試驗f=c+tan

粘土c庫侖定律：土的抗剪強度是剪切面上的法向總應(yīng)力的線性函數(shù)

c:土的粘聚力:土的內(nèi)摩擦角ff庫侖定律6.2.2土的破壞理論土體抗剪強度組成摩擦強度NT=NT1.滑動摩擦2.咬合摩擦引起的剪脹3.顆粒的破碎與重排列NT滑動摩擦顆粒破碎與重排列咬合摩擦引起的剪脹影響土的摩擦強度的主要因素密度（e,粒徑級配（Cu,Cc）顆粒的礦物成分對于：砂土>粘性土；高嶺石>伊里石>蒙特石粒徑的形狀（顆粒的棱角與長寬比）在其他條件相同時：對于砂土，顆粒的棱角提高了內(nèi)摩擦角對于碎石土，顆粒的棱角可能降低其內(nèi)摩擦角靜電引力（庫侖力）范德華力顆粒間膠結(jié)假粘聚力（毛細(xì)力等）地質(zhì)歷史粘土顆粒礦物成分密度離子價與離子濃度粘聚強度影響粘聚強度主要因素----+根據(jù)太沙基的有效應(yīng)力概念，土體內(nèi)的切應(yīng)力僅能由土的骨架承擔(dān)，因此土的抗剪強度應(yīng)表示為剪切破壞面上法向有效應(yīng)力的函數(shù)C’:土的粘聚力’:土的內(nèi)摩擦角庫侖公式的修改331131dldlcosdlsin楔體靜力平衡6.2.3土的極限平衡條件1.地基中一點A任意斜面上的應(yīng)力與主應(yīng)力的關(guān)系31dldlcosdlsin斜面上的應(yīng)力莫爾應(yīng)力圓方程O131/2(1+3)2A(,)圓心坐標(biāo)[1/2(1+3)，0]應(yīng)力圓半徑r＝1/2(1－3

)土中某點的應(yīng)力狀態(tài)可用莫爾應(yīng)力圓描述

應(yīng)力圓與強度線相切：應(yīng)力圓與強度線相割：

強度線極限應(yīng)力圓<

f

彈性平衡狀態(tài)

=

f

極限平衡狀態(tài)

>

f

破壞狀態(tài)

應(yīng)力圓與強度線相離：莫爾應(yīng)力圓與庫侖強度線相切的應(yīng)力狀態(tài)作為土的破壞準(zhǔn)則(目前判別土體所處狀態(tài)的最常用準(zhǔn)則)莫爾－庫侖破壞準(zhǔn)則31

f2

fA1/2(1

+3)2.無粘性土的極限平衡條件破壞面與大主應(yīng)力作用面的夾角公式推導(dǎo)自己下去看書185頁31c

f2

fAcctg1/2(1+3)3.粘性土的極限平衡條件公式推導(dǎo)自己下去看書186頁？破壞面與大主應(yīng)力夾角f與最大剪應(yīng)力面重合嗎？【解答】已知1=420kPa，3=180kPa，c=18kPa，

=20o

1.計算法計算結(jié)果表明：1f小于該單元土體實際大主應(yīng)力1，實際應(yīng)力圓半徑大于極限應(yīng)力圓半徑，所以，該單元土體處于剪破狀態(tài)

【例】地基中某一單元土體上的大主應(yīng)力為420kPa，小主應(yīng)力為180kPa。通過試驗測得土的抗剪強度指標(biāo)c=18kPa，

=20o。試問①該單元土體處于何種狀態(tài)？②是否會沿剪應(yīng)力最大的面發(fā)生剪破？6.2.4例題分析計算結(jié)果表明：

3f大于該單元土體實際小主應(yīng)力

3，實際應(yīng)力圓半徑大于極限應(yīng)力圓半徑，所以，該單元土體處于剪破狀態(tài)

最大剪應(yīng)力

該面上抗剪強度

由于τf>τmax，所以，不會沿該面發(fā)生剪破剪應(yīng)力面上最大正應(yīng)力

2.圖解法最大剪應(yīng)力與主應(yīng)力作用面成45o最大剪應(yīng)力面上的法向應(yīng)力庫侖定律

最大剪應(yīng)力面上τf>τmax

，所以，不會沿該面發(fā)生破壞

c1實際應(yīng)力圓τmax§6.3土的剪切試驗6.3.1三軸剪切試驗6.3.2直接剪切試驗6.3.3無側(cè)限抗壓強度試驗6.3.4十字板剪切試驗上一節(jié)下一節(jié)退出返回6.3.1三軸剪切試驗主要試驗步驟

3

3

3

3

3

3△△1.裝樣2.施加周圍壓力3.施加軸向壓力應(yīng)變控制式三軸儀：壓力室，加壓系統(tǒng)，量測系統(tǒng)組成

試樣壓力室壓力水排水管閥門軸向加壓桿有機玻璃罩橡皮膜透水石頂帽中壓臺式三軸儀應(yīng)變控制式三軸儀：壓力室，量測系統(tǒng)固結(jié)排水試驗（CD試驗）1打開排水閥門，施加圍壓后充分固結(jié)，孔隙水壓力完全消散；2打開排水閥門，慢慢施加軸向應(yīng)力差以便充分排水，避免產(chǎn)生孔壓不固結(jié)不排水試驗（UU試驗）1關(guān)閉排水閥門，圍壓下不固結(jié)；2關(guān)閉排水閥門，很快剪切破壞，在施加軸向應(yīng)力差過程中不排水固結(jié)不排水試驗（CU試驗）1打開排水閥門，施加圍壓后充分固結(jié)，孔隙水壓力完全消散；2關(guān)閉排水閥門，很快剪切破壞，在施加軸向應(yīng)力差過程中不排水cd、d

ccu、cu

cu、u

試驗類型分別在不同的周圍壓力3作用下進行剪切，得到3-4個不同的破壞應(yīng)力圓，繪出各應(yīng)力圓的公切線即為土的抗剪強度包線抗剪強度包線強度包線(1-)fc

(1-)f11-31

=15%試驗優(yōu)缺點優(yōu)點：1應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力路徑明確；2排水條件清楚，可控制；3破壞面不是人為固定的；4試驗單元體試驗缺點：設(shè)備相對復(fù)雜，現(xiàn)場無法試驗試驗儀器：直剪儀（應(yīng)力控制式，應(yīng)變控制式）6.3.2直接剪切試驗通過控制剪切速率來近似模擬排水條件1.固結(jié)慢剪：施加正應(yīng)力-充分固結(jié)慢慢施加剪應(yīng)力-小于0.02mm/分，以保證無孔隙水壓力2.固結(jié)快剪施加正應(yīng)力-充分固結(jié)在3-5分鐘內(nèi)剪切破壞3.快剪施加正應(yīng)力后立即剪切3-5分鐘內(nèi)剪切破壞PSTA試驗類型二速等應(yīng)變直剪儀試驗原理剪前施加在試樣頂面上的豎向壓力為剪破面上的法向應(yīng)力，剪應(yīng)力由剪切力除以試樣面積在法向應(yīng)力作用下，剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線，根據(jù)曲線得到該作用下土的抗剪強度△L4mm0fpf在不同的垂直壓力下進行剪切試驗，得相應(yīng)的抗剪強度τf，繪制τf-

曲線，得該土的抗剪強度包線試驗結(jié)果

=100KPa△L

=200KPa=300KPafOcP3P2P1S3S2S1直剪試驗優(yōu)缺點優(yōu)點試樣應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜應(yīng)變不均勻不能控制排水條件剪切面固定缺點設(shè)備簡單，操作方便結(jié)果便于整理測試時間短ququ無側(cè)限抗壓強度試驗是三軸剪切試驗的特例，對試樣不施加周圍壓力，即3=0，只施加軸向壓力直至發(fā)生破壞，試樣在無側(cè)限壓力條件下，剪切破壞時試樣承受的最大軸向壓力qu，稱為無側(cè)限抗壓強度

加壓框架量表量力環(huán)升降螺桿無側(cè)限壓縮儀試樣6.3.3無側(cè)限抗壓強度試驗試驗儀器：應(yīng)變控制式無側(cè)限壓縮儀無側(cè)限壓縮儀根據(jù)試驗結(jié)果只能作出一個極限應(yīng)力圓（3=0，1=qu）。因此對一般粘性土，無法作出強度包線說明：對于飽和軟粘土，根據(jù)三軸不排水剪試驗成果，其強度包線近似于一水平線，即u=0，因此無側(cè)限抗壓強度試驗適用于測定飽和軟粘土的不排水強度qucuu=0無側(cè)限抗壓強度試驗儀器構(gòu)造簡單，操作方便，可代替三軸試驗測定飽和軟粘土的不排水強度

試驗結(jié)果反映土的結(jié)構(gòu)受撓動對強度的影響程度

根據(jù)靈敏度將飽和粘性土分類：低靈敏度土

1<St≤2中靈敏度土

2<St≤4高靈敏度土

St>4靈敏度粘性土的原狀土無側(cè)限抗壓強度與原土結(jié)構(gòu)完全破壞的重塑土的無側(cè)限抗壓強度的比值6.3.4十字板剪切試驗一般適用于測定軟粘土的不排水強度指標(biāo)；鉆孔到指定的土層，插入十字形的探頭；通過施加的扭矩計算土的抗剪強度試驗設(shè)備時：M1HDM2柱體上下平面的抗剪強度產(chǎn)生的抗扭力矩柱體側(cè)面剪應(yīng)力產(chǎn)生的抗扭力矩試驗結(jié)果§6.4不同排水條件下抗剪強度指標(biāo)及測定方法6.4.1土在排水和不排水條件下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系與體積變化6.4.2土在不固結(jié)、不排水條件下的抗剪強度及其指標(biāo)測定6.4.3土在固結(jié)、不排水條件下的抗剪強度及其指標(biāo)測定6.4.4土在固結(jié)、排水條件下的抗剪強度及其指標(biāo)測定上一節(jié)下一節(jié)退出返回6.4.5抗剪強度指標(biāo)的選擇6.4.6密度對抗剪強度的影響6.4.1土在排水和不排水條件下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系與體積變化①②膨脹01壓縮e01ek①②10①②排水條件下CB0A1AB0過剩uC1AB0eCOOO不排水條件下①—密實砂或超固結(jié)土②—松砂或正常固結(jié)土1.不固結(jié)不排水剪（UU）

3

3

3

3

3

3△△直剪試驗：通過試驗加荷的快慢來實現(xiàn)是否排水。使試樣在3-5min之內(nèi)剪破，稱之為快剪關(guān)閉排水閥6.4.2土在不固結(jié)、不排水條件下的抗剪強度及其指標(biāo)測定1.快剪

三軸試驗：施加周圍壓力3、產(chǎn)生孔壓u3，施加軸向壓力△直至剪破，產(chǎn)生u1，整個過程都關(guān)閉排水閥門，不允許試樣排水固結(jié)，uf＝u3＋u1

3

3

3

3

3

3△△有效應(yīng)力圓總應(yīng)力圓u=0BCcuuAA

3A

1A飽和粘性土在三組3下的不排水剪試驗得到A、B、C三個不同3作用下破壞時的總應(yīng)力圓試驗表明：雖然三個試樣的周圍壓力3不同，但破壞時的主應(yīng)力差相等，三個極限應(yīng)力圓的直徑相等，因而強度包線是一條水平線三個試樣只能得到一個有效應(yīng)力圓

u=B[+A()]B=1？不固結(jié)不排水剪能得到有效抗剪強度指標(biāo)嗎？2.固結(jié)不排水剪（CU）

3

3

3

3

3

3△△打開排水閥關(guān)閉排水閥三軸試驗：施加周圍壓力3時打開排水閥門，試樣完全排水固結(jié)，孔隙水壓力完全消散。然后關(guān)閉排水閥門，再施加軸向壓力增量△，產(chǎn)生u1，使試樣在不排水條件下剪切破壞，uf＝

u1直剪試驗：剪切前試樣在垂直荷載下充分固結(jié)，剪切時速率較快，使土樣在剪切過程中不排水，這種剪切方法為稱固結(jié)快剪2.固結(jié)快剪

6.4.3土在固結(jié)、不排水條件下的抗剪強度及其指標(biāo)測定

3

3

3

3

3

3△△將總應(yīng)力圓在水平軸上左移uf得到相應(yīng)的有效應(yīng)力圓，按有效應(yīng)力圓強度包線可確定c、

ccuc

cu正常固結(jié)土在三組3下進行固結(jié)不排水剪試驗得到A、B、C三個不同3作用下破壞時的總應(yīng)力圓，由總應(yīng)力圓強度包線確定固結(jié)不排水剪總應(yīng)力強度指標(biāo)ccu、

cuABC？超固結(jié)土的有效應(yīng)力圓分別在總應(yīng)力圓的哪邊？3.固結(jié)排水剪（CD）

3

3

3

3

3

3△△打開排水閥三軸試驗：試樣在周圍壓力3作用下排水固結(jié)，再緩慢施加軸向壓力增量△，直至剪破，整個試驗過程中打開排水閥門，始終保持試樣的孔隙水壓力為零uf＝0直剪試驗：試樣在垂直壓力下固結(jié)穩(wěn)定，再以緩慢的速率施加水平剪力，直至剪破，整個試驗過程中盡量使土樣排水，試驗方法稱為慢剪3.慢剪

6.4.4土在固結(jié)、排水條件下的抗剪強度及其指標(biāo)測定在整個排水剪試驗過程中，

uf

＝0，總應(yīng)力全部轉(zhuǎn)化為有效應(yīng)力，所以總應(yīng)力圓即是有效應(yīng)力圓，總應(yīng)力強度線即是有效應(yīng)力強度線。強度指標(biāo)為cd、dcdd總結(jié):

3

3

3

3

3＋△

3＋△對于同一種土，在不同的排水條件下進行試驗，總應(yīng)力強度指標(biāo)完全不同有效應(yīng)力強度指標(biāo)不隨試驗方法的改變而不同，抗剪強度與有效應(yīng)力有唯一的對應(yīng)關(guān)系【例】對某種飽和粘性土做固結(jié)不排水試驗，三個試樣破壞時的大、小主應(yīng)力和孔隙水壓力列于表中，試用作圖法確定土的強度指標(biāo)ccu、

cu和c、

周圍壓力3/kPa1/kPauf/kPa60143231002204015031367例題分析【解答】按比例繪出三個總應(yīng)力極限應(yīng)力圓，如圖所示，再繪出總應(yīng)力強度包線

按由1′=1-uf，3′=3-uf，將總應(yīng)力圓在水平軸上左移相應(yīng)的uf即得3個有效應(yīng)力極限莫爾圓，如圖中虛線圓，再繪出有效應(yīng)力強度包線

c

ccu根據(jù)強度包線得到：ccu=10kPa，

cu=18o

c=6kPa，、=27ocu(kPa)100(kPa)1003002004001.有效應(yīng)力指標(biāo)與總應(yīng)力指標(biāo)凡是可以確定（測量、計算）孔