《土力學》第7章 土的抗剪強度

概述土的抗剪強度理論土的抗剪強度指標測定土的強度特性第7章土的抗剪強度

Ch.7ShearStrengthofSoil主要內容設計技術條件：地基變形條件地基強度條件7.1概述土的抗剪強度：土體抵抗剪切破壞的極限能力

1940年在軟粘土地基上的某水泥倉的傾覆地基p滑裂面

地基的破壞公路工程發(fā)生路基土剪切破壞浙江蕭甬鐵路發(fā)生地基土體剪切破壞

路堤的破壞龍觀嘴黃崖溝烏江2000年西藏易貢巨型滑坡2.各種類型的滑坡易貢滑坡堰塞湖滑坡堆積區(qū)扎木弄溝2264m2210m2165m2340m平面示意圖5520m滑坡堆積體2.各種類型的滑坡2000年西藏易貢巨型滑坡邊坡滑裂面各種類型的滑坡大阪的港口碼頭擋土墻由于液化前傾

擋土結構物的破壞

擋土結構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擋土結構物的破壞土的破壞主要是由于剪切所引起的，剪切破壞是土體破壞的重要特點。土體強度表現(xiàn)為：一部分土體相對與另一部分土體的滑動，滑動面上剪應力超過了極限抵抗能力－抗剪強度；土的抗剪強度是指土體抵抗外荷載所產生的剪應力的極限能力。TNGf在外荷載的作用下，土體中任一截面將同時產生法向應力和剪應力，其中法向應力作用將使土體發(fā)生壓密，而剪應力作用可使土體發(fā)生剪切變形。7.2.1庫侖公式及抗剪強度指標

庫侖(Coulomb)于1776年對砂土進行了這樣的剪切試驗……7.2土的抗剪強度理論PT土樣下盒上盒S面積A庫侖根據(jù)砂土剪切試驗，提出砂土抗剪強度的表達式：

f=tan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力

的線性函數(shù)

c:土的粘聚力

:土的內摩擦角

f

f抗剪強度指標庫侖定律與固體間的摩擦力土體抗剪強度影響因素摩擦力的兩個來源

1.滑動摩擦：剪切面土粒間表面的粗糙所產生的摩擦

2.咬合摩擦：土粒間互相嵌入所產生的咬合力粘聚力：由土粒之間的膠結作用和電分子引力等因素形成抗剪強度影響因素摩擦力：剪切面上的法向總應力、土的初始密度、土粒級配、土粒形狀以及表面粗糙程度粘聚力：土中礦物成分、粘粒含量、含水量以及土的結構

—土的有效內摩擦角(度）用有效應力表示的庫侖公式粘性土

—土的有效內聚力（kPa)砂土

—剪切滑動面上的法向有效應力（kPa)

—土的抗剪強度(kPa)說明：總應力法與有效應力法二者的計算結果稍有不同，總應力法方便適用，而若能準確地求出有效應力，理論上更合理。τ>τf

破壞

ττ<τf

穩(wěn)定τ=τf

極限平衡狀態(tài)στφστφc1、土中任意一點的應力狀態(tài)Mzmn7.2.2摩爾-庫倫強度理論——極限平衡條件莫爾應力圓

圓心半徑摩爾應力圓半徑：圓心：摩爾圓上的點A坐標A摩爾圓上各點的坐標表示了該點在相應面上的正應力和剪應力應力圓A與強度線相離：

強度線應力圓B與強度線相切：應力圓C與強度線相割：極限應力圓τ<τf

彈性平衡（不破壞）

τ=τf

極限平衡狀態(tài)

τ>τf

破壞（不存在）

2.摩爾庫倫強度條件——極限平衡條件ABC

f=tan+c土的極限平衡條件A土體處于極限平衡狀態(tài)時的應力與強度之間的關系。極限平衡狀態(tài)AcDR由三角形ARDAcDR化簡得極限平衡條件土的極限平衡條件AD無粘性土c=0粘性土

土的極限平衡條件

f=tan+cc

2α

剪破面與大主應力面的夾角

3

3

1

1α破裂面與大主應力作用面夾角為αf:45°+ψ/2，與小主應力作用面夾角為:45-ψ/2.

土的剪切破壞并不是由最大剪應力τmax所控制.注意

O

c

1f

32

3

1f45°＋

/2破裂面2滑裂面的位置與大主應力面夾角：α=45+

/23.極限平衡條件的應用土的極限平衡條件常用來評判土中某點的平衡狀態(tài)，具體方法是：Ⅰσ1<σ1f

或σ3>σ3f，

彈性平衡狀態(tài)，安全狀態(tài)Ⅱσ1=σ1f

或σ3=σ3f

，極限平衡狀態(tài)，臨界狀態(tài)Ⅲσ1>σ1f

或σ3<σ3f，塑性破壞狀態(tài)，剪破狀態(tài)方法一*方法二已知主應力σ1、σ3，土的內摩擦角，可在同一個

~

坐標系上畫出抗剪強度包線及莫爾應力圓。

Ⅰ相離，穩(wěn)定平衡狀態(tài)，安全狀態(tài)Ⅱ相切，極限平衡狀態(tài)，臨界狀態(tài)Ⅲ相交，塑性破壞狀態(tài)，剪破狀態(tài)莫爾圓與抗剪強度之間的關系τ＝τf

方法三

已知主應力σ1、σ3，土的內摩擦角，可推求出土體處于極限平衡狀態(tài)時薄弱面上的正應力

、剪應力

,以及抗剪強度

f

。(1)

<f，彈性平衡狀態(tài)，安全狀態(tài)(2)

=f

，極限平衡狀態(tài)，臨界狀態(tài)(3)

>f

，塑性破壞狀態(tài)，剪破狀態(tài)§7.3土的抗剪指標的測定抗剪強度指標

總應力指標：c，

有效應力指標：c′，

′一、

測定土抗剪強度試驗分類室內試驗現(xiàn)場原位測試大型直接剪切試驗十字板剪切試驗無側限抗壓強度試驗三軸壓縮試驗直接剪切試驗快剪(Q)固結快剪(CQ)慢剪(S)不固結不排水剪(UU)固結不排水剪(CU)固結排水剪(CD)抗剪強度指標的測定方法室內試驗野外試驗

(現(xiàn)場試驗)直剪試驗、三軸試驗、無側限抗壓強度試驗制樣（重塑土）或現(xiàn)場取樣缺點：擾動優(yōu)點：應力條件清楚，易重復十字板剪切試驗、旁壓試驗等原位試驗缺點：應力條件不易掌握優(yōu)點：原狀土的原位強度7.3.1直接剪切試驗PSTA直接剪切試驗1、試驗裝置剪切容器與應力環(huán)剪前施加在試樣頂面上的豎向壓力為剪破面上的法向應力，剪應力由剪切力除以試樣面積在法向應力

作用下，剪應力與剪切位移關系曲線，根據(jù)曲線得到該

作用下，土的抗剪強度4mm

a

b

剪切位移△l(0.01mm)

剪應力

（kPa)

1

2

2.剪切試驗方法及成果PSTAPSTAσ

=100KPa

fδσ

=200KPaσ

=300KPa

fOc

試驗成果圖

—土的內摩擦角(度）關系圖0100200300400砂土粘性土c粘性土C

—土的內聚力（kPa)砂土強度線強度線3.確定抗剪強度指標通過控制剪切速率來近似模擬排水條件（1）快剪（Q）施加正應力后立即剪切3-5分鐘內剪切破壞（2）慢剪（S）：施加正應力-充分固結慢慢施加剪應力-小于0.02mm/分，以保證無超靜孔壓（2）固結快剪（CQ）施加正應力-充分固結在3-5分鐘內剪切破壞4.試驗類型

設備簡單，操作方便結果便于整理測試時間短優(yōu)點5.直接剪切試驗優(yōu)缺點

①剪切面限定在上下盒之間的平面，而不是沿土樣最薄弱面剪切破壞；②剪切面上剪應力分布不均勻，土樣剪切破壞時先從邊緣開始，在邊緣發(fā)生應力集中現(xiàn)象；③在剪切過程中，土樣剪切面逐漸縮小，而在計算抗剪強度時卻是按土樣的原截面積計算；④試驗時不能嚴格控制排水條件，不能量測孔隙水壓力、在進行不排水剪切時，試件仍有可能排水，特別對于飽和粘粘性土。由于土的抗剪強度受排水條件的影響顯著，故試驗結果不夠理想。但由于它具有的優(yōu)點，故仍為一般工程廣泛采用。缺點壓力室加壓系統(tǒng)（軸向加荷、施加圍壓）量測系統(tǒng)（應力應變、孔隙水壓力）

7.3.2三軸壓縮試驗1.試驗裝置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應變控制式三軸儀量測系統(tǒng)壓力室加壓系統(tǒng)數(shù)據(jù)自動采集三軸壓縮試驗系統(tǒng)2.試驗方法與步驟:2).施加周圍壓力3).施加豎向壓力1).裝樣

3

3

3

3

3

3△△三軸剪切試驗1.繪制破壞時的摩爾應力圓破壞面2、繪制抗剪強度包線（做三個以上試驗）抗剪強度包線求抗剪強度指標

3.試驗成果將總應力圓在水平軸上左移uf得到相應的有效應力圓,按有效應力圓強度包線可確定c

、

ccuc

cuABC

有效應力抗剪強度指標根據(jù)試驗過程中的排水條件，三軸壓縮試驗可分為三種類型：

(1)不固結不排水試驗（UU-test,unconsolidation

undrainedtest）抗剪強度指標：cu

u（cuu

uu

）(2)固結不排水試驗（CU-test,consolidationundrainedtest）抗剪強度指標：ccu

cu(3)固結排水試驗（CD-test,consolidationdrainedtest）抗剪強度指標：cd

d

（c

）4.試驗類型不固結不排水試驗(UU試驗)試驗條件施加圍壓

，排水閥門始終不打開施加(1-

)時，排水閥門始終不打開

=-u試樣圍壓

力3閥門始終不打開閥門橫梁量力環(huán)百分表量水管固結不排水試驗(CU試驗)試驗條件施加圍壓

充分固結，排水閥門打開施加(1-

)時，排水閥門始終不打開

=-u試樣圍壓

力3閥門？打開閥門橫梁量力環(huán)百分表量水管固結排水試驗(CD試驗)試驗條件施加圍壓

充分固結施加(1-

)時，排水閥門始終打開，剪切速度慢足以使試樣內的孔壓消散始終u=0，=-u=,總應力指標即為有效應力指標試樣圍壓

力3閥門始終打開閥門橫梁量力環(huán)百分表量水管優(yōu)點：1應力狀態(tài)明確；2排水條件清楚，可控制，可測u；3破壞面不是人為固定的；4結果較可靠。缺點：設備構造及操作相對復雜，現(xiàn)場無法試驗說明：

3＝0即為無側限抗壓強度試驗5.優(yōu)點和缺點常規(guī)三軸試驗：試樣的中主應力

2

＝

3

，而實際上土體的受力狀態(tài)未必都屬于這類軸對稱情況；真三軸試驗：試樣可在不同的三個主應力(

1

≠

2

≠

3

)作用下進行試驗。7.3.3無側限抗壓強度試驗(unconfinedcompressionstrengthtest)

無側限抗壓強度試驗如同三軸壓縮試驗中σ3=0時的特殊情況。剪切破壞時試樣所承受的軸向壓力稱為無側限抗壓強度qu。無粘性土在無側限條件下試樣難以成型．主要用于粘性土，尤其適用于飽和軟土。ququ加壓框架量表量力環(huán)升降螺桿無側限壓縮儀

3=0試樣無側限抗壓強度試驗無側限壓縮儀0cuqu對于飽和粘性土，根據(jù)在三軸不固結不排水實驗的結果，其破壞包線近于一條水平線，即所以飽和粘土極限應力圓的水平切線就是破壞包線。只能作出一個應力圓，對一般粘性土就很難作出破壞包線。原狀土無側限抗壓強度擾動土無側限抗壓強度還可測定飽和粘土靈敏度表征土的結構性強弱的指標

土的靈敏度愈高，其結構性愈強，受擾動后土的強度降低就愈多。7.3.4十字板剪切試驗(VaneShearTest)M1HDM2

適用于現(xiàn)場測定飽和粘性土的不排水強度，尤其適用于均勻的飽和軟粘土柱體上下平面的抗剪強度產生的抗扭力矩柱體側面剪應力產生的抗扭力矩抗剪強度指標：粘聚力c

內摩擦角強度指標的分類：按照分析方法，可分為總應力強度指標與有效應力強度指標；按照試驗方法，可分為直剪強度指標與三軸試驗強度指標；按照應力應變狀態(tài)，可分為峰值強度指標與殘余強度指標。7.8土的強度指標的選用土的強度指標的工程應用有效應力指標還是總應力指標？三軸試驗指標還是直剪試驗指標？峰值強度指標還是殘余強度指標？土的抗剪強度指標–工程應用土的強度指標的工程應用

有效應力指標與總應力指標？凡是可以確定（測量、計算）孔隙水壓力u的情況，都應當使用有效應力指標c，采用總應力指標時，應根據(jù)現(xiàn)場土體可能的固結排水情況，選用不同的總應力強度指標土的抗剪強度指標–工程應用

三軸試驗指標與直剪試驗指標？應優(yōu)先采用三軸試驗指標應按照不同土類和不同的固結排水條件，合理選用直剪試驗指標砂土：c,三軸CD試驗與慢剪試驗（慢剪偏大）粘土：有效應力指標：三軸CD或CU試驗總應力指標：三軸CU、UU試驗

或直剪cq、q試驗