土力學(xué)土的抗剪強(qiáng)度

土力學(xué)土的抗剪強(qiáng)度第1頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六土的抗剪強(qiáng)度：土體抵抗剪切破壞的極限能力

第2頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六工程實(shí)例－地基承載力問題第3頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六工程實(shí)例－地基承載力問題1911年動(dòng)工1913年完工谷倉自重20000噸1913年10月17日發(fā)現(xiàn)1小時(shí)內(nèi)豎向沉降達(dá)30.5厘米，結(jié)構(gòu)物向西傾斜，并在24小時(shí)內(nèi)傾倒，谷倉西端下沉7.32米，東端上抬1.52米。原因：地基承載力不夠，超載引發(fā)強(qiáng)度破壞而產(chǎn)生滑動(dòng)。加拿大特朗斯康谷倉第4頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六工程實(shí)例－地基承載力問題第5頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六工程實(shí)例－地基承載力問題近代世界上最嚴(yán)重的建筑物破壞之一1940年水泥倉庫裝載水泥，使粘性土超載，引起地基土剪切破壞而滑動(dòng)。傾斜45度，地基土被擠出達(dá)5.18米，23米外的辦公樓也發(fā)生傾斜。美國紐約某水泥倉庫第6頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六5.1

土的抗剪強(qiáng)度與極限平衡原理5.1.1

庫侖定律1776年，庫侖根據(jù)砂土剪切試驗(yàn)得出f=tan砂土后來，根據(jù)粘性土剪切試驗(yàn)得出f=c+tan粘土c庫侖定律：土的抗剪強(qiáng)度是剪切面上的法向總應(yīng)力

的線性函數(shù)

ff第7頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六庫倫公式抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c:土的粘聚力:土的內(nèi)摩擦角(無粘性土：c=0)第8頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六

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)，通常呈正比例關(guān)系，其本質(zhì)是摩擦力；另一部分是與法向應(yīng)力無關(guān)的土粒之間的粘結(jié)力，通常稱為粘聚力。第9頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六影響因素土的抗剪強(qiáng)度內(nèi)在因素外在因素：試驗(yàn)時(shí)的排水條件等因素顆粒間的有效法向應(yīng)力土的孔隙比第10頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六表達(dá)方法土的抗剪強(qiáng)度總應(yīng)力法：總應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)有效應(yīng)力法：有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)第11頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六

莫爾包線表示材料在不同應(yīng)力作用下達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)，滑動(dòng)面上法向應(yīng)力與剪應(yīng)力f的關(guān)系。莫爾包線f=c+tan5.1.2莫爾-庫倫強(qiáng)度理論第12頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六土體內(nèi)一點(diǎn)處不同方位的截面上應(yīng)力的集合（剪應(yīng)力和法向應(yīng)力）

331131斜面上的應(yīng)力5.1.3土中一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)第13頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六O131/2(1+3)2A(,)土中某點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)可用莫爾應(yīng)力圓描述

31莫爾圓可以表示土體中一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)，莫爾圓圓周上各點(diǎn)的坐標(biāo)就表示該點(diǎn)在相應(yīng)平面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力。第14頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六應(yīng)力圓與強(qiáng)度線相離：

強(qiáng)度線應(yīng)力圓與強(qiáng)度線相切：應(yīng)力圓與強(qiáng)度線相割：極限應(yīng)力圓τ<τf

彈性平衡狀態(tài)

τ=τf

極限平衡狀態(tài)

τ>τf

破壞狀態(tài)

5.1.4土的極限平衡條件第15頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六莫爾－庫侖破壞準(zhǔn)則31c

f2

fAcctg1/2(1+3)無粘性土：c=0粘性土：第16頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六ABDOτστ＝τf極限平衡條件莫爾－庫侖破壞準(zhǔn)則極限應(yīng)力圓破壞應(yīng)力圓剪切破壞面第17頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六粘性土的極限平衡條件σ1=σ3tg2(45+φ/2)＋2ctg(45+φ/2)σ3=σ1tg2(45－φ/2)－2ctg(45－φ/2)第18頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六無粘性土的極限平衡條件σ1=σ3tg2(45+φ/2)σ3=σ1tg2(45－φ/2)第19頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六

土體處于極限平衡狀態(tài)時(shí)，破壞面與大主應(yīng)力作用面的夾角為

f＝

f2

f31cAcctg1/2(1+3)說明：剪破面并不產(chǎn)生于最大剪應(yīng)力面，而與最大剪應(yīng)力面成/2的夾角。因此，土的剪切破壞并不是由最大剪應(yīng)力τmax所控制。

max第20頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六的方法測定土抗剪強(qiáng)度直接剪切試驗(yàn)三軸壓縮試驗(yàn)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)現(xiàn)場十字板剪切儀5.2

土的剪切試驗(yàn)方法第21頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六試驗(yàn)儀器：直剪儀（應(yīng)變控制式，應(yīng)力控制式）5.2.1直接剪切試驗(yàn)第22頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六應(yīng)變控制式直剪儀的試驗(yàn)原理：

對同一種土至少取4個(gè)平行試樣，分別在不同垂直壓力下剪切破壞，將試驗(yàn)結(jié)果繪制抗剪強(qiáng)度f與相應(yīng)垂直壓力的關(guān)系圖。第23頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六第24頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六剪切容器與應(yīng)力環(huán)第25頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六第26頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六第27頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六在不同的垂直壓力下進(jìn)行剪切試驗(yàn)，得相應(yīng)的抗剪強(qiáng)度τf，繪制τf-

曲線，得該土的抗剪強(qiáng)度包線第28頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六在法向應(yīng)力作用下，剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線。4mm

a

b

剪切位移△l(0.01mm)

剪應(yīng)力（kPa)

1

2

第29頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六快剪固結(jié)快剪慢剪在直剪試驗(yàn)過程中，根據(jù)加荷速率的快慢可將試驗(yàn)劃分為:第30頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六直剪試驗(yàn)優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：儀器構(gòu)造簡單，試樣的制備和安裝方便，易于操作。缺點(diǎn)：①剪切破壞面固定，且不一定是土樣的最薄弱面。②不能嚴(yán)格控制排水條件，不能量測土樣的孔隙水壓力。③剪切過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。第31頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六一、抗剪強(qiáng)度包線

分別在不同的周圍壓力3作用下進(jìn)行剪切，得到3～4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。

抗剪強(qiáng)度包線

c5.2.2三軸壓縮試驗(yàn)第32頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六二、三軸剪切試驗(yàn)試驗(yàn)儀器：應(yīng)變控制式三軸儀：壓力室，加壓系統(tǒng)，量測系統(tǒng)組成(常用）應(yīng)力控制式三軸儀第33頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六試驗(yàn)步驟:

3

3

3

3

3

3△△2.施加周圍壓力3.施加豎向壓力1.裝樣第34頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六三軸壓縮儀第35頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六應(yīng)變控制式三軸儀：壓力室加壓系統(tǒng)量測系統(tǒng)軸向加荷系統(tǒng)第36頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六加壓和量測系統(tǒng)第37頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六三軸試驗(yàn)優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：

①能控制排水條件，量測孔隙水壓力。②試樣的應(yīng)力分布比較均勻，剪切破壞面為最薄弱面。

缺點(diǎn)：

①試驗(yàn)儀器復(fù)雜，操作技術(shù)要求高，試樣制備較復(fù)雜。②試驗(yàn)在2=3的軸對稱條件下進(jìn)行，與土體實(shí)際受力情況可能不符。

第38頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六5.3

不同排水條件時(shí)的剪切試驗(yàn)成果5.3.1

總應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)與有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)c、

為土的有效粘聚力和有效內(nèi)摩擦角，即土的有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)c、

為土的總應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)有效應(yīng)力原理：土的抗剪強(qiáng)度并不是由剪切面上的法向總應(yīng)力決定，而是取決于剪切面上的法向有效應(yīng)力。

第39頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六三軸壓縮試驗(yàn)按剪切前的固結(jié)程度和剪切時(shí)的排水條件，可以分為三種試驗(yàn)方法：

1.不固結(jié)不排水試驗(yàn)(UU試驗(yàn))

2.固結(jié)不排水試驗(yàn)(CU試驗(yàn))

3.固結(jié)排水試驗(yàn)(CD試驗(yàn))5.3.2不同排水條件時(shí)的剪切試驗(yàn)方法及成果第40頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六1.不固結(jié)不排水剪（UU）

三軸試驗(yàn)：施加周圍壓力3、軸向壓力△直至剪破的整個(gè)過程都關(guān)閉排水閥門，不允許試樣排水固結(jié)。

3

3

3

3

3

3△△直剪試驗(yàn)：通過試驗(yàn)加荷的快慢來實(shí)現(xiàn)是否排水。使試樣在3～5min內(nèi)剪破，稱之為快剪。關(guān)閉排水閥第41頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六

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(yàn)得到A、B、C三個(gè)不同3作用下破壞時(shí)的總應(yīng)力圓，但只能得到一個(gè)有效應(yīng)力圓。試驗(yàn)表明：雖然三個(gè)試樣的周圍壓力3不同，但破壞時(shí)的主應(yīng)力差相等，三個(gè)極限應(yīng)力圓的直徑相等，因而強(qiáng)度包線是一條水平線。第42頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六2.固結(jié)不排水剪（CU）

三軸試驗(yàn)：施加周圍壓力3時(shí)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△，使試樣在不排水條件下剪切破壞。

3

3

3

3

3

3△△直剪試驗(yàn)：剪切前試樣在垂直荷載下充分固結(jié)，剪切時(shí)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。打開排水閥關(guān)閉排水閥第43頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六

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(qiáng)度包線可確定c、

ccuc

cu飽和粘性土在三組3下進(jìn)行固結(jié)不排水剪試驗(yàn)得到A、B、C三個(gè)不同3作用下破壞時(shí)的總應(yīng)力圓，由總應(yīng)力圓強(qiáng)度包線確定固結(jié)不排水剪總應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)ccu、

cuABC第44頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六3.固結(jié)排水剪（CD）

三軸試驗(yàn)：試樣在圍壓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(gè)試驗(yàn)過程中打開排水閥門，始終保持試樣的孔隙水壓力為零。

3

3

3

3

3

3△△直剪試驗(yàn)：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(gè)試驗(yàn)過程中盡量使土樣排水，試驗(yàn)方法稱為慢剪。打開排水閥第45頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六在整個(gè)排水剪試驗(yàn)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(qiáng)度線即是有效應(yīng)力強(qiáng)度線，強(qiáng)度指標(biāo)為cd、d。cdd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(jìn)行試驗(yàn)，總應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)完全不同。有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)不隨試驗(yàn)方法的改變而不同，抗剪強(qiáng)度與有效應(yīng)力有唯一的對應(yīng)關(guān)系。第46頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六ququ加壓框架量表量力環(huán)升降螺桿無側(cè)限壓縮儀3=0試樣5.3.3無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)第47頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六無側(cè)限壓縮儀第48頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六0cu無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)qu無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)所得的極限應(yīng)力圓的水平切線就是破壞包線第49頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六5.4

地基破壞型式和地基承載力整體剪切