第四章 土的抗剪强度

1、Company LOGO 土的抗剪强度及地基承载力 第四章第四章 本章重点：本章重点：土的极限平衡条件土的极限平衡条件 抗剪强度的直剪试验和三轴压缩试验；地基计算方法抗剪强度的直剪试验和三轴压缩试验；地基计算方法 Hohai UniversityHohai University 土工结构物或地基 土 渗透问题渗透问题 变形问题变形问题 强度问题强度问题 渗透特性渗透特性 变形特性变形特性 强度特性强度特性 第四章第四章土的抗剪强度与地基承载力土的抗剪强度与地基承载力 4.1 4.1 概述概述 Hohai UniversityHohai University 第四章第四章土的抗剪强度与地基承载力

2、土的抗剪强度与地基承载力 4.1 4.1 概述概述 一、土的抗剪强度一、土的抗剪强度 土是一种材料，土的抗剪强度是指土体对于外荷载所产生的剪应力的极限土是一种材料，土的抗剪强度是指土体对于外荷载所产生的剪应力的极限 抵抗能力。如果土体内某一部分的剪应力达到抗剪强度，该部分就出现剪切抵抗能力。如果土体内某一部分的剪应力达到抗剪强度，该部分就出现剪切 破坏，随着荷载增加，剪切破坏范围逐渐扩大，危及工程安全。破坏，随着荷载增加，剪切破坏范围逐渐扩大，危及工程安全。 在外荷载作用下，土体中任一截面将同时产生法向应力和剪应力，其中在外荷载作用下，土体中任一截面将同时产生法向应力和剪应力，其中 法向应力作

3、用将使土体发生压密，而剪应力作用可使土体发生剪切变形。法向应力作用将使土体发生压密，而剪应力作用可使土体发生剪切变形。 当土中一点某截面上由外力所产生的剪应力达到土的抗剪强度时，它将当土中一点某截面上由外力所产生的剪应力达到土的抗剪强度时，它将 沿着剪应力作用方向产生相对滑动沿着剪应力作用方向产生相对滑动, ,该点便发生剪切破坏。该点便发生剪切破坏。 剪切破坏是土体破坏的重要特点剪切破坏是土体破坏的重要特点 Hohai UniversityHohai University 一、地基的破坏一、地基的破坏 第四章第四章土的抗剪强度与地基承载力土的抗剪强度与地基承载力 4.1 4.1 概述概述 粘土

4、地基上的某谷仓地基破坏粘土地基上的某谷仓地基破坏 Hohai UniversityHohai University 二、挡土结构物的破坏二、挡土结构物的破坏 第四章第四章土的抗剪强度与地基承载力土的抗剪强度与地基承载力 4.1 4.1 概述概述 大阪的港口码头档土墙由于液化前倾大阪的港口码头档土墙由于液化前倾 Hohai UniversityHohai University 广州京光广场基坑塌方广州京光广场基坑塌方 使基坑旁办公室、民使基坑旁办公室、民 工宿舍和仓库倒塌，工宿舍和仓库倒塌， 死死3 3人，伤人，伤1717人。人。 第四章第四章土的抗剪强度与地基承载力土的抗剪强度与地基承载力 4

5、.1 4.1 概述概述 二、挡土结构物的破坏二、挡土结构物的破坏 Hohai UniversityHohai University 平移滑动平移滑动 崩塌崩塌 旋转滑动旋转滑动流滑流滑 第四章第四章土的抗剪强度与地基承载力土的抗剪强度与地基承载力 4.1 4.1 概述概述 三、各种类型的滑坡三、各种类型的滑坡 Hohai UniversityHohai University v 19941994年年4 4月月3030日日 v 崩塌体积崩塌体积400400万方万方 v 1010万方进入乌江万方进入乌江 v 死死4 4人，伤人，伤5 5人，失踪人，失踪1212人人 v 击沉拖轮、驳轮各一艘，击沉拖

6、轮、驳轮各一艘， 渔船渔船2 2只只 v 19941994年年7 7月月2-32-3日降雨引起日降雨引起 再次滑坡再次滑坡 v 崩塌体巨大石块滚入江内，崩塌体巨大石块滚入江内， 无法通航无法通航 v 滑坡体崩入乌江近百万方；滑坡体崩入乌江近百万方； 江水位差数米。江水位差数米。 乌江武隆县兴顺乡乌江武隆县兴顺乡 鸡冠岭山体崩塌鸡冠岭山体崩塌 第四章第四章土的抗剪强度与地基承载力土的抗剪强度与地基承载力 4.1 4.1 概述概述 Hohai UniversityHohai University 第四章第四章土的抗剪强度与地基承载力土的抗剪强度与地基承载力 4.1 4.1 概述概述 二、与土的抗剪

7、强度有关的工程问题二、与土的抗剪强度有关的工程问题 （1）土作为建筑物地基的承载力问题；）土作为建筑物地基的承载力问题； （2）土对工程建筑物的侧向压力问题；）土对工程建筑物的侧向压力问题； （3）土质边坡（如土坝、路基及基坑等）及天然土坡的稳定性问题。）土质边坡（如土坝、路基及基坑等）及天然土坡的稳定性问题。 Hohai UniversityHohai University p 土压力土压力 p 边坡稳定边坡稳定 p 地基承载力地基承载力 p 挡土结构物破坏挡土结构物破坏 p 各种类型的滑坡各种类型的滑坡 p 地基的破坏地基的破坏 核心核心 第四章第四章土的抗剪强度与地基承载力土的抗剪强度与

8、地基承载力 4.1 4.1 概述概述 Hohai UniversityHohai University z x y xy yz zx z x zx 三维应力状态三维应力状态 xz 二维应力状态二维应力状态 第四章第四章土的抗剪强度与地基承载力土的抗剪强度与地基承载力 p土体微小单元体的应力状态土体微小单元体的应力状态 p土体任一平面的应力状态土体任一平面的应力状态 4.2 4.2 土的极限平衡条件土的极限平衡条件 p土的极限平衡条件是指土体处于极限平衡状态时土的应力土的极限平衡条件是指土体处于极限平衡状态时土的应力 状态和土的抗剪强度指标之间的关系式状态和土的抗剪强度指标之间的关系式 Hoha

9、i UniversityHohai University 最小主应力最小主应力 第四章第四章土的抗剪强度与地基承载力土的抗剪强度与地基承载力 4.2 4.2 土的极限平衡条件土的极限平衡条件 一、土体中任一点的应力状态一、土体中任一点的应力状态 最大主应力最大主应力 z 1 z 32 通过土体内某一微小单元体的任一平面上，一般都作用着法通过土体内某一微小单元体的任一平面上，一般都作用着法 向应力（正应力）和切向应力（剪应力）两个分量。土体内部的向应力（正应力）和切向应力（剪应力）两个分量。土体内部的 滑动可沿任何一个面发生，只要该面上的剪应力达到其抗剪强度。滑动可沿任何一个面发生，只要该面上的

10、剪应力达到其抗剪强度。 主应力面主应力面 如果某一平面上只有法向应力，如果某一平面上只有法向应力， 没有切向应力，则该面为主应力面。没有切向应力，则该面为主应力面。 主应力面上的法向应力为主应力主应力面上的法向应力为主应力 Hohai UniversityHohai University 第四章第四章土的抗剪强度与地基承载力土的抗剪强度与地基承载力 2cos 22 3131 2sin 2 31 土中任一斜面上的应力状态可表示为: 4.2 4.2 土的极限平衡条件土的极限平衡条件 Hohai UniversityHohai University 第四章第四章土的抗剪强度与地基承载力土的抗剪强度与

11、地基承载力 2 312 2 31 22 注意符号：画莫尔圆时，法向应力以压为正，拉为负；剪应力以逆时注意符号：画莫尔圆时，法向应力以压为正，拉为负；剪应力以逆时 针方向为正，顺时针方向为负（正应力与剪应力互为螺旋法则）针方向为正，顺时针方向为负（正应力与剪应力互为螺旋法则） O z + zx - xz x 2 1 3 r R 莫尔应力圆：代表一个土单元的应力状态；莫尔应力圆：代表一个土单元的应力状态； 圆周上一点代表一个面上的两个应力圆周上一点代表一个面上的两个应力 与与 圆心：圆心： 半径：半径： 0 , 2 31 2 31 r 1 4.2 4.2 土的极限平衡条件土的极限平衡条件 Hoha

12、i UniversityHohai University （1 1）土单元的某一个平面上的抗剪强度）土单元的某一个平面上的抗剪强度 f f是该面上作用是该面上作用 的法向应力的法向应力 的单值函数的单值函数, , f f =f( =f( ) ) （莫尔：（莫尔：19001900 年）年） （2 2）在一定的应力范围内，可以用线性函数近似）在一定的应力范围内，可以用线性函数近似 f f = = c c + + tantan （3 3）某土单元的任一个平面上）某土单元的任一个平面上 = = f f ，该单元就达到，该单元就达到 了极限平衡应力状态了极限平衡应力状态 第四章第四章土的抗剪强度与地基承

13、载力土的抗剪强度与地基承载力 把莫尔应力圆与库伦抗剪强度线相切时的应力状态，把莫尔应力圆与库伦抗剪强度线相切时的应力状态， 即即 = = f f 时的极限平衡状态作为土的破坏准则时的极限平衡状态作为土的破坏准则 莫尔莫尔- -库仑强度理论表达式极限平衡条件库仑强度理论表达式极限平衡条件 4.2 4.2 土的极限平衡条件土的极限平衡条件 二、莫尔二、莫尔库仑强度理论库仑强度理论 Hohai UniversityHohai University 第四章第四章土的抗剪强度与地基承载力土的抗剪强度与地基承载力 极限平衡状态： 土中任意一点在某一平面上的剪应力达到土的抗剪强度。 土中任意一点的应力状态可

14、表示为: 2cos 22 3131 2sin 2 31 三、土的极限平衡条件三、土的极限平衡条件 4.2 4.2 土的极限平衡条件土的极限平衡条件 Hohai UniversityHohai University 莫尔应力圆圆周上的任意点，都代表着单元土体中相应面上莫尔应力圆圆周上的任意点，都代表着单元土体中相应面上 的应力状态，因此把莫尔应力圆与库伦抗剪强度定律结合起来的应力状态，因此把莫尔应力圆与库伦抗剪强度定律结合起来 以判定土所处的状态。以判定土所处的状态。 第四章第四章土的抗剪强度与地基承载力土的抗剪强度与地基承载力 强度包线以内：强度包线以内：下任何一个面下任何一个面 上的一对应力

15、上的一对应力 与与 都没有达都没有达 到破坏包线，不破坏；到破坏包线，不破坏； 与破坏包线相切：与破坏包线相切：有一个面上有一个面上 的应力达到破坏；的应力达到破坏； 与破坏包线相交与破坏包线相交：有一些平面有一些平面 上的应力超过强度；不可能发上的应力超过强度；不可能发 生。生。 f C B A 4.2 4.2 土的极限平衡条件土的极限平衡条件 Hohai UniversityHohai University 莫尔莫尔- -库仑强度理论表达式极限平衡条件库仑强度理论表达式极限平衡条件 1f 3f O c 第四章第四章土的抗剪强度与地基承载力土的抗剪强度与地基承载力 o1 tgc f 破坏应力

16、圆破坏应力圆 ctgc 2 31ff o1 2 31ff cot2cot2 2/ sin 31 31 31 31 cc ff ff ff ff 根据图中的几何关系根据图中的几何关系 角标角标f f表示土已处表示土已处 于剪切破坏状态于剪切破坏状态 D 2 ff 4.2 4.2 土的极限平衡条件土的极限平衡条件 Hohai UniversityHohai University 第四章第四章土的抗剪强度与地基承载力土的抗剪强度与地基承载力 经过三角公式变换，将上式改写为：经过三角公式变换，将上式改写为： 2 45tan2 2 45tan2 13 c ff 2 45tan2 2 45tan 2 31

17、 c ff 土的极限土的极限 平衡状态平衡状态 破坏角：剪破面与大主应力面的夹角破坏角：剪破面与大主应力面的夹角 3f 1f 45/2 破裂面破裂面 同时同时, ,由由2 2f=90=90 + + ，得破裂面与大主应力作用面夹角：，得破裂面与大主应力作用面夹角： 2 45 f 4.2 4.2 土的极限平衡条件土的极限平衡条件 Hohai UniversityHohai University 根据应力状态计算出根据应力状态计算出 大小主应力大小主应力1、3 2 2 1,3 4 22 xzxz xz 判断破坏可能性判断破坏可能性 由由3计算计算1f 比较比较1与与1f 1 1f 破坏状态破坏状态

18、破坏判断方法破坏判断方法 判别对象：土体微小单元（一点）判别对象：土体微小单元（一点） 1 1、 3 3= = 常数常数 第四章第四章土的抗剪强度与地基承载力土的抗剪强度与地基承载力 极限平衡条件的应用极限平衡条件的应用 判别土体单元判别土体单元 所处的状态所处的状态 三轴试验确定三轴试验确定 土的强度指标土的强度指标 及及 2 45tan2 2 45tan 2 31 c ff 4.2 4.2 土的极限平衡条件土的极限平衡条件 Hohai UniversityHohai University 根据应力状态计算出根据应力状态计算出 大小主应力大小主应力1、3 2 2 1,3 4 22 xzxz

19、xz 判断破坏可能性判断破坏可能性 由由1计算计算3f 比较比较1与与3f 破坏判断方法破坏判断方法 判别对象：土体微小单元（一点）判别对象：土体微小单元（一点）2 2、 1 1= = 常数常数 第四章第四章土的抗剪强度与地基承载力土的抗剪强度与地基承载力 3 3f 弹性平衡状态弹性平衡状态 3= =3f 极限平衡状态极限平衡状态 3 安全安全状态状态 = = 极限平衡状态极限平衡状态 365.7 kPa，所以该点已经破坏。，所以该点已经破坏。 4.2 4.2 土的极限平衡条件土的极限平衡条件 Hohai UniversityHohai University 例题4-1 设砂基中某点的大主应力

20、为设砂基中某点的大主应力为450kPa，小主应力为，小主应力为120kPa，由试验得，由试验得 砂土的内摩擦角为砂土的内摩擦角为 =28 ，粘聚力，粘聚力c=10 kPa，问该点处于什么状态？，问该点处于什么状态？ 第四章第四章土的抗剪强度与地基承载力土的抗剪强度与地基承载力 ) 2 45tan(2) 2 45(tan2 13 c kPa45.150 ) 2 28 45tan(102) 2 28 45(tan450 2 解法解法2 已知：已知： 假设极限平衡状态时土体的最大主应力假设极限平衡状态时土体的最大主应力为为450kPa ，按照下式可以求出极限平，按照下式可以求出极限平 衡状态时土体的

21、最小主应力。衡状态时土体的最小主应力。 1=450kPa ，3=120 kPa，=28，c=10 kPa.。 实际地基中某点的小主应力实际地基中某点的小主应力 3=120kPa 150.45 kPa ，所以该点已经破坏。，所以该点已经破坏。 4.2 4.2 土的极限平衡条件土的极限平衡条件 Hohai UniversityHohai University 例题4-1 设砂基中某点的大主应力为设砂基中某点的大主应力为450kPa，小主应力为，小主应力为120kPa，由试验得，由试验得 砂土的内摩擦角为砂土的内摩擦角为 =28 ，粘聚力，粘聚力c=10 kPa，问该点处于什么状态？，问该点处于什么

22、状态？ 第四章第四章土的抗剪强度与地基承载力土的抗剪强度与地基承载力 解法解法3 已知：已知： 1=450kPa ，3=120 kPa，=28，c=10 kPa.。 即土体中某点处于极限平衡状态时抗剪强度包线的倾角即土体中某点处于极限平衡状态时抗剪强度包线的倾角 =32.9 ，现在土体的，现在土体的 =28 32.9 ，说明抗剪强度包线与摩尔应力圆相割，所以该点已经破坏了。，说明抗剪强度包线与摩尔应力圆相割，所以该点已经破坏了。 54. 0 28cot102120450 120450 cot2 sin 31 31 c 9 .3254.0arcsin 4.2 4.2 土的极限平衡条件土的极限平衡

23、条件 Hohai UniversityHohai University 一、室内试验一、室内试验 二、野外试验二、野外试验 直剪试验、三轴试验等直剪试验、三轴试验等 制样（重塑土）或现场取样制样（重塑土）或现场取样 缺点：扰动缺点：扰动 优点：应力条件清楚，易重复优点：应力条件清楚，易重复 十字板扭剪试验、旁压试验等十字板扭剪试验、旁压试验等 原位试验原位试验 缺点：应力条件不易掌握缺点：应力条件不易掌握 优点：原状土的原位强度优点：原状土的原位强度 4.3 4.3 抗剪强度指标的确定抗剪强度指标的确定 第四章第四章土的抗剪强度与地基承载力土的抗剪强度与地基承载力 Hohai Universi

24、tyHohai University 1 1、直接剪切试验、直接剪切试验 用直剪仪（用直剪仪（应变控制式应变控制式和应力控制式）来测定土的抗剪强度的试验称和应力控制式）来测定土的抗剪强度的试验称 为直接剪切试验。它是测定预定剪破面上抗剪强度的最简便和最常用为直接剪切试验。它是测定预定剪破面上抗剪强度的最简便和最常用 的方法。的方法。 第四章第四章土的抗剪强度与地基承载力土的抗剪强度与地基承载力 4.3 4.3 抗剪强度指标的确定抗剪强度指标的确定 Hohai UniversityHohai University 全景 第四章第四章土的抗剪强度与地基承载力土的抗剪强度与地基承载力 4.3 4.3

25、 抗剪强度指标的确定抗剪强度指标的确定 Hohai UniversityHohai University 上盒 下盒 土样 剪切面 T T N 顶帽 透水石 剪切盒：剪切盒： 第四章第四章土的抗剪强度与地基承载力土的抗剪强度与地基承载力 4.3 4.3 抗剪强度指标的确定抗剪强度指标的确定 Hohai UniversityHohai University 试验步骤： （1）对试样施加某一法向应力 （2）再施加水平剪切应力，将下盒推动； （3）测定剪切位移和剪切应力 （4）绘制曲线 第四章第四章土的抗剪强度与地基承载力土的抗剪强度与地基承载力 （5）进行不同下多个土样的试验 （6）确定破坏剪应力

26、f ，绘制f曲线。 破坏剪应力f的确定： （1）峰值时的剪应力作为破坏剪应力f 如较为坚实的粘土及密砂如较为坚实的粘土及密砂 （2）无峰值出现时，取=4mm时的剪应力作为f 如软粘土和松砂如软粘土和松砂 4.3 4.3 抗剪强度指标的确定抗剪强度指标的确定 Hohai UniversityHohai University 第四章第四章土的抗剪强度与地基承载力土的抗剪强度与地基承载力 以曲线的剪应力峰值作为该级法向压力下的土抗剪强度。如果不出现以曲线的剪应力峰值作为该级法向压力下的土抗剪强度。如果不出现 峰值，则取规定剪位移（峰值，则取规定剪位移（4mm）所对应的剪应力作为它的抗剪强度。）所对应

27、的剪应力作为它的抗剪强度。 剪应力与剪切位移关系曲线抗剪强度线 4.3 4.3 抗剪强度指标的确定抗剪强度指标的确定 Hohai UniversityHohai University （2 2）固结快剪（适用于渗透系数小于）固结快剪（适用于渗透系数小于10 cm/s10 cm/s的细粒土）的细粒土） 施加正应力后，每小时测度垂直垂直变形一次，直至固结变形稳定施加正应力后，每小时测度垂直垂直变形一次，直至固结变形稳定 （每小时不大于（每小时不大于0.005mm0.005mm），然后同快剪试验过程。），然后同快剪试验过程。该指标介于有效应力该指标介于有效应力 与总应力之间。与总应力之间。 （1 1

28、）快剪（适用于渗透系数小于）快剪（适用于渗透系数小于10 cm/s10 cm/s的细粒土）的细粒土）总应力强度指标总应力强度指标 施加正应力后以施加正应力后以0.8mm/min0.8mm/min的速度立即剪切，的速度立即剪切，3-53-5分钟内剪破。每产生分钟内剪破。每产生 剪切位移剪切位移0.2-0.4mm0.2-0.4mm，记测力计读数一次，直至测力计读数出现峰值，或，记测力计读数一次，直至测力计读数出现峰值，或 继续剪切至剪切位移为继续剪切至剪切位移为4mm4mm时停机，记录破坏值。若无峰值，剪切至剪切时停机，记录破坏值。若无峰值，剪切至剪切 位移为位移为6mm6mm时时停机停机. .

29、通过控制剪切速率来近似模拟排水条件通过控制剪切速率来近似模拟排水条件 -6-6 （3 3）固结慢剪（有固结，且排水）固结慢剪（有固结，且排水） 有效应力强度指标有效应力强度指标 施加正应力后，待充分固结，再慢慢施加剪应力施加正应力后，待充分固结，再慢慢施加剪应力- -小于小于0.02mm/0.02mm/分，分， 以保证无超静孔压以保证无超静孔压 -6-6 第四章第四章土的抗剪强度与地基承载力土的抗剪强度与地基承载力 4.3 4.3 抗剪强度指标的确定抗剪强度指标的确定 Hohai UniversityHohai University 直剪试验的缺点直剪试验的缺点 l 试样应力状态复杂试样应力状

30、态复杂 l 应变不均匀应变不均匀 l 不能控制排水条件不能控制排水条件 l 剪切面固定剪切面固定 缺点缺点 第四章第四章土的抗剪强度与地基承载力土的抗剪强度与地基承载力 优点优点 l 设备简单，操作方便设备简单，操作方便 l 结果便于整理结果便于整理 l 测试时间短测试时间短 4.3 4.3 抗剪强度指标的确定抗剪强度指标的确定 Hohai UniversityHohai University 组成情况： 主机：压力室、轴压系统 稳压调压系统：压力泵 量测系统：排水管、体变管 三轴压缩试验：较为完善方法 试验仪器：三轴压缩仪 2 2、三轴压缩试验、三轴压缩试验 第四章第四章土的抗剪强度与地基承

31、载力土的抗剪强度与地基承载力 是直接量测试样在不同恒定周围压力下 的抗压强度，然后利用莫尔-库伦破坏理 论间接推求土的抗剪强度。 4.3 4.3 抗剪强度指标的确定抗剪强度指标的确定 Hohai UniversityHohai University 全景 第四章第四章土的抗剪强度与地基承载力土的抗剪强度与地基承载力 4.3 4.3 抗剪强度指标的确定抗剪强度指标的确定 Hohai UniversityHohai University 下面重点介绍压力室 第四章第四章土的抗剪强度与地基承载力土的抗剪强度与地基承载力 4.3 4.3 抗剪强度指标的确定抗剪强度指标的确定 Hohai Univers

32、ityHohai University 试样试样 压力室压力室 接空压机接空压机 排水阀排水阀 接孔隙应力接孔隙应力 测量系统测量系统 轴向加压杆轴向加压杆 有机玻璃筒有机玻璃筒 橡皮膜橡皮膜 透水石透水石 试验帽试验帽 底座底座 第四章第四章土的抗剪强度与地基承载力土的抗剪强度与地基承载力 压力室简图压力室简图 4.3 4.3 抗剪强度指标的确定抗剪强度指标的确定 Hohai UniversityHohai University 方法：方法： 首先对试样施加静水压力首先对试样施加静水压力室压（围室压（围 压）压） 3 3，使试验固结稳定。，使试验固结稳定。 然后在保持然后在保持 3 3 不变

33、情况下增加不变情况下增加 1 1 即通过活塞杆施加的应力差为即通过活塞杆施加的应力差为 1 1= = 1 1- - 3 3 。 破坏时大主应力为破坏时大主应力为 1 1，小主应力为，小主应力为 3 3 （1 1）试样应力特点与试验方法：）试样应力特点与试验方法： 特点：特点： 试样是轴对称应力状态。垂直应力试样是轴对称应力状态。垂直应力 z z 一般是大主应力一般是大主应力 1 1= = z z ；径向应力为；径向应力为 小主应力小主应力 3 3 1 3 3 3 3 1 第四章第四章土的抗剪强度与地基承载力土的抗剪强度与地基承载力 4.3 4.3 抗剪强度指标的确定抗剪强度指标的确定 Hoha

34、i UniversityHohai University 第四章第四章土的抗剪强度与地基承载力土的抗剪强度与地基承载力 1）将土样切成圆柱体套在橡胶膜内，放在 压力室中 2）施加周围压力3 3）施加竖向压力，使试件受剪破坏 4）破坏时大主应力为1，小主应力为3 5) 进行不同围压三轴试验,绘制破坏状态的 应力摩尔圆 6) 画出公切线强度包线，得到强度指标 c与 （2 2）具体试验步骤：）具体试验步骤： 4.3 4.3 抗剪强度指标的确定抗剪强度指标的确定 Hohai UniversityHohai University 强度包线强度包线 ( 1- )f c ( 1- )f 1 1- 3 1 =

35、15% v分别作围压分别作围压 为为100 100 kPakPa 、200 200 kPakPa 、 300 300 kPakPa的三轴试验，得到破坏时相的三轴试验，得到破坏时相 应的（应的（ 1 1- - ) )f f v绘制三个破坏状态的应力摩尔圆，绘制三个破坏状态的应力摩尔圆， 画出它们的公切线画出它们的公切线强度包线，强度包线， 得到强度指标得到强度指标 c c 与与 （3 3）强度包线）强度包线 v对应于破坏时的轴向应力增量量测试对应于破坏时的轴向应力增量量测试 样的轴向变形量，并计算轴向应变样的轴向变形量，并计算轴向应变 （轴向变形量与试样高度之比）（轴向变形量与试样高度之比） v

36、根据所绘制的轴向应力与应变关系曲线，根据所绘制的轴向应力与应变关系曲线， A A曲线峰值即为欲求的破坏轴向应力增曲线峰值即为欲求的破坏轴向应力增 量，该值也正是破坏应力圆的直径。当量，该值也正是破坏应力圆的直径。当 没有峰值时，按应变值没有峰值时，按应变值15%15%所对应的主所对应的主 应力差作为极限应力圆的直径。见曲线应力差作为极限应力圆的直径。见曲线 B B。 A B 第四章第四章土的抗剪强度与地基承载力土的抗剪强度与地基承载力 4.3 4.3 抗剪强度指标的确定抗剪强度指标的确定 Hohai UniversityHohai University v固结排水试验（CDCD试验） 1 打开

37、排水阀门，打开排水阀门，施加围压施加围压 后充分固结，超静孔隙水压力完全消散；后充分固结，超静孔隙水压力完全消散； 2 打开排水阀门，慢慢施加轴向应力差打开排水阀门，慢慢施加轴向应力差 以便充分排水，避免产生以便充分排水，避免产生 超静孔压超静孔压 v固结不排水试验（CUCU试验） 1 打开排水阀门，打开排水阀门，施加围压施加围压 后充分固结，超静孔隙水压力完全消散；后充分固结，超静孔隙水压力完全消散； 2 关闭排水阀门，很快剪切破坏，在施加轴向应力差关闭排水阀门，很快剪切破坏，在施加轴向应力差 过程中不排水过程中不排水 v不固结不排水试验（UUUU试验） 1 关闭排水阀门，关闭排水阀门，围压

38、围压 下不固结；下不固结； 2 关闭排水阀门，很快剪切破坏，在施加轴向应力差关闭排水阀门，很快剪切破坏，在施加轴向应力差 过程中不排水过程中不排水 （4 4）试验类型）试验类型三轴试验的排水条件三轴试验的排水条件 cd 、 、 d ccu 、 、 cu cu 、 、 u 第四章第四章土的抗剪强度与地基承载力土的抗剪强度与地基承载力 4.3 4.3 抗剪强度指标的确定抗剪强度指标的确定 Hohai UniversityHohai University 记号：记号： v固结排水试验（CD）： Consolidated Drained Triaxial test (CD) cd d （c ） v固结

39、不排水试验（CU）： Consolidated Undrained Triaxial test (CU) ccu cu v不固结不排水试验（UU）： (Unconsolidated ) Undrained Triaxial test (UU) cuu uu （ cu u ） 第四章第四章土的抗剪强度与地基承载力土的抗剪强度与地基承载力 4.3 4.3 抗剪强度指标的确定抗剪强度指标的确定 Hohai UniversityHohai University v优点：优点： 1 应力状态和应力路径明确；应力状态和应力路径明确； 2 排水条件清楚，可控制；排水条件清楚，可控制； 3剪切破坏时的破裂面在

40、试件的最弱处；剪切破坏时的破裂面在试件的最弱处； 4可以量测土样中孔隙水压力的变化可以量测土样中孔隙水压力的变化 v缺点：缺点： 设备相对复杂，现场无法试验设备相对复杂，现场无法试验 说明：说明： 3 30 0 即为无侧限抗压强度试验即为无侧限抗压强度试验 （5 5）优点和缺点：）优点和缺点： 第四章第四章土的抗剪强度与地基承载力土的抗剪强度与地基承载力 三轴试验比较可靠，是土工试验不可缺少的仪器设备三轴试验比较可靠，是土工试验不可缺少的仪器设备 4.3 4.3 抗剪强度指标的确定抗剪强度指标的确定 Hohai UniversityHohai University v无侧限抗压强度试验优点无侧

41、限抗压强度试验优点 是简单、易操作是简单、易操作 v缺点是试样中的应力分布缺点是试样中的应力分布 不均匀（这个问题在三轴不均匀（这个问题在三轴 试验中也同样存在），这试验中也同样存在），这 是因为试样中间部分不受是因为试样中间部分不受 任何压力作用，试样在轴任何压力作用，试样在轴 向压力下接近破坏时常被向压力下接近破坏时常被 压成鼓形，从而导致应力压成鼓形，从而导致应力 分布不均匀。分布不均匀。 3 3、无侧限抗压强度试验、无侧限抗压强度试验 第四章第四章土的抗剪强度与地基承载力土的抗剪强度与地基承载力 是三轴压缩试验的特殊情况（3=0），又称单轴试验。 4.3 4.3 抗剪强度指标的确定抗剪

42、强度指标的确定 Hohai UniversityHohai University 3 3、无侧限抗压强度试验、无侧限抗压强度试验 第四章第四章土的抗剪强度与地基承载力土的抗剪强度与地基承载力 是三轴压缩试验的特殊情况（3=0），又称单轴试验。 4.3 4.3 抗剪强度指标的确定抗剪强度指标的确定 Hohai UniversityHohai University 无侧限抗压强度无侧限抗压强度：破坏时的轴向压力（qu） 2tan(45/2) u qc 2 13 tan (45)2 tan(45) 22 c 第四章第四章土的抗剪强度与地基承载力土的抗剪强度与地基承载力 4.3 4.3 抗剪强度指标的

43、确定抗剪强度指标的确定 Hohai UniversityHohai University cu qu 对于饱和粘性土： 2 u fu q c故 不固结不排水条件下，可认为u=0，此时2/ uuf qc 第四章第四章土的抗剪强度与地基承载力土的抗剪强度与地基承载力 4.3 4.3 抗剪强度指标的确定抗剪强度指标的确定 Hohai UniversityHohai University v一般适用于测定软粘土的不一般适用于测定软粘土的不 排水强度指标；排水强度指标； v钻孔到指定的土层，插入十钻孔到指定的土层，插入十 字形的探头；字形的探头； v通过施加的扭矩计算土的抗通过施加的扭矩计算土的抗 剪强

44、度剪强度 4 4、十字板剪切试验、十字板剪切试验 钻杆钻杆 加扭力矩加扭力矩 地面地面 板头板头 第四章第四章土的抗剪强度与地基承载力土的抗剪强度与地基承载力 4.3 4.3 抗剪强度指标的确定抗剪强度指标的确定 Hohai UniversityHohai University fvfh 时 ff HDD MMM 26 23 21max ) 3 ( 2 2 max H DD M f fh D fh D rrrM 6 d22 3 2/ 0 1 fv D DHM 2 2 M1 H H D M2 vMmax：施加于十字板剪切：施加于十字板剪切 仪上的最大扭力矩；仪上的最大扭力矩； vM1：圆柱顶、底

45、面抗剪力：圆柱顶、底面抗剪力 对轴心的抵抗力矩对轴心的抵抗力矩 vM2：圆柱侧面抗剪力对轴：圆柱侧面抗剪力对轴 心的抵抗力矩心的抵抗力矩 由于饱和粘土在不固结不排水由于饱和粘土在不固结不排水 剪中剪中u=0,故故 f=cu 第四章第四章土的抗剪强度与地基承载力土的抗剪强度与地基承载力 4.3 4.3 抗剪强度指标的确定抗剪强度指标的确定 Hohai UniversityHohai University 第四章第四章土的抗剪强度与地基承载力土的抗剪强度与地基承载力 4.4 4.4 影响抗剪强度指标的因素影响抗剪强度指标的因素 一、抗剪强度的来源一、抗剪强度的来源 无粘性土：滑动摩擦和咬合摩擦无粘

46、性土：滑动摩擦和咬合摩擦 粘性土：内摩擦力；粘聚力；范德华力；库仑粘性土：内摩擦力；粘聚力；范德华力；库仑 力及土中天然胶结物质力及土中天然胶结物质 Hohai UniversityHohai University 第五章第五章土的抗剪强度与地基承载力土的抗剪强度与地基承载力 砂土的抗剪强度主要受其密度、颗粒形状、表面粗糙度和级配等因素的影砂土的抗剪强度主要受其密度、颗粒形状、表面粗糙度和级配等因素的影 响。对于一定的砂土来说，影响其抗剪强度的主要因素是其初始孔隙比（或初响。对于一定的砂土来说，影响其抗剪强度的主要因素是其初始孔隙比（或初 始干密度）始干密度） 1 1、砂性土的剪切特性砂性土的

47、剪切特性 同一种砂土在相同初始孔隙比下，饱水时比干燥时的内摩擦角小同一种砂土在相同初始孔隙比下，饱水时比干燥时的内摩擦角小2 2度左度左 右。说明砂土浸水后强度降低。这是因为强度主要受摩擦影响。右。说明砂土浸水后强度降低。这是因为强度主要受摩擦影响。 由于砂土的透水性强，大多数情况下受剪过程相当于固结排水剪情由于砂土的透水性强，大多数情况下受剪过程相当于固结排水剪情 况，其强度包线是通过原点坐标的直线，可表达为：况，其强度包线是通过原点坐标的直线，可表达为： df tg 式中式中 固结排水剪得到的内摩擦角。固结排水剪得到的内摩擦角。 d 砂土的内摩擦角砂土的内摩擦角 4.4 4.4 影响抗剪强

48、度指标的因素影响抗剪强度指标的因素 Hohai UniversityHohai University 第五章第五章土的抗剪强度与地基承载力土的抗剪强度与地基承载力 注意：注意：砂土的剪缩和剪胀只在低围压下发生，高周围压力下不论砂土的松紧砂土的剪缩和剪胀只在低围压下发生，高周围压力下不论砂土的松紧 如何，受剪时都将产生剪缩，不会发生剪胀。如何，受剪时都将产生剪缩，不会发生剪胀。 砂土的初始孔隙比不同，在受剪过程中将显示非常不同的性状。砂土的初始孔隙比不同，在受剪过程中将显示非常不同的性状。 砂土的应力砂土的应力- -轴向应变轴向应变- -体变的关系体变的关系 松砂：剪缩性松砂：剪缩性 紧砂：剪胀

49、性紧砂：剪胀性 4.4 4.4 影响抗剪强度指标的因素影响抗剪强度指标的因素 Hohai UniversityHohai University 第五章第五章土的抗剪强度与地基承载力土的抗剪强度与地基承载力 左图为不同初始孔隙比的同一种砂左图为不同初始孔隙比的同一种砂 土，在相同围压下受剪时的应力土，在相同围压下受剪时的应力- -应应 变关系及体积变化情况。变关系及体积变化情况。 砂土的应力砂土的应力- -轴向应变轴向应变- -体变的关系体变的关系 砂土受剪时的应力砂土受剪时的应力- -应变应变- -体变关系曲线体变关系曲线 应变软化型应变软化型 应变硬化型应变硬化型 紧砂的应力紧砂的应力- -

50、应变曲线呈应变软化应变曲线呈应变软化 型，随着应变增加，紧砂的应力达到型，随着应变增加，紧砂的应力达到 峰值后逐渐降低，体积变化是先略有峰值后逐渐降低，体积变化是先略有 减少，然后增加。减少，然后增加。 松砂的应力随应变增加而增加，应松砂的应力随应变增加而增加，应 力力- -应变曲线呈应变硬化型，剪切过程应变曲线呈应变硬化型，剪切过程 中体积逐渐减小中体积逐渐减小 4.4 4.4 影响抗剪强度指标的因素影响抗剪强度指标的因素 Hohai UniversityHohai University 第五章第五章土的抗剪强度与地基承载力土的抗剪强度与地基承载力 砂土的应力砂土的应力- -轴向应变轴向应变

51、- -体变的关系体变的关系 临界孔隙比临界孔隙比 低围压下砂土会发生剪胀（体低围压下砂土会发生剪胀（体 积增加），也会发生剪缩（体积积增加），也会发生剪缩（体积 减小），这取决于砂土的初始孔减小），这取决于砂土的初始孔 隙比。于是会存在这样的初始孔隙比。于是会存在这样的初始孔 隙比，使砂土在低围压下既不发隙比，使砂土在低围压下既不发 生剪缩，也不发生剪胀，即剪切生剪缩，也不发生剪胀，即剪切 破坏时砂土体积不发生变化，就破坏时砂土体积不发生变化，就 等于初始体积。这样的初始孔隙等于初始体积。这样的初始孔隙 比称为临界孔隙比。砂土的临比称为临界孔隙比。砂土的临 孔隙比将随周围压力的增加而减孔隙比将

52、随周围压力的增加而减 小。小。 4.4 4.4 影响抗剪强度指标的因素影响抗剪强度指标的因素 Hohai UniversityHohai University 第五章第五章土的抗剪强度与地基承载力土的抗剪强度与地基承载力 左图显示：同一种砂土，在相同的左图显示：同一种砂土，在相同的 周围压力作用下，由于其初始孔隙比周围压力作用下，由于其初始孔隙比 初始孔隙比不同，在受剪过程中将出初始孔隙比不同，在受剪过程中将出 现不同的应力现不同的应力- -应变特征。应变特征。 砂土的残余强度砂土的残余强度 砂土的剪应力砂土的剪应力- -应变关系曲线应变关系曲线 松砂的应力松砂的应力- -应变曲线没有一个明应

53、变曲线没有一个明 显的峰值，剪应力随剪应变增加而增显的峰值，剪应力随剪应变增加而增 大，最后趋于某一恒定值；大，最后趋于某一恒定值； 紧砂的应力紧砂的应力- -应变曲线有一个明显的应变曲线有一个明显的 峰值，过此峰值后，剪应力随剪应变增峰值，过此峰值后，剪应力随剪应变增 加而小，最后趋于和松砂相同的恒定加而小，最后趋于和松砂相同的恒定 值值残余强度残余强度，以，以 表示；表示； r 砂土的液化砂土的液化 饱和松砂受动荷载作用时，如果孔隙水来不及排出，孔饱和松砂受动荷载作用时，如果孔隙水来不及排出，孔 隙水压力不断增加到接近松砂的上覆压力时，依据有效应隙水压力不断增加到接近松砂的上覆压力时，依据

54、有效应 力原理，这时砂土中有效应力会降低到零，于是砂土会象力原理，这时砂土中有效应力会降低到零，于是砂土会象 流体那样完全失去抗剪强度，这种现象叫作砂土液化流体那样完全失去抗剪强度，这种现象叫作砂土液化 4.4 4.4 影响抗剪强度指标的因素影响抗剪强度指标的因素 Hohai UniversityHohai University 第五章第五章土的抗剪强度与地基承载力土的抗剪强度与地基承载力 粘性土的抗剪强度远比砂土复杂。影响粘性土抗剪强度的因素粘性土的抗剪强度远比砂土复杂。影响粘性土抗剪强度的因素： 2 2、粘、粘性土的剪切特性性土的剪切特性 既与土的颗粒组成、结构、初始应力、排水条件、加荷速

55、率、应力路径等既与土的颗粒组成、结构、初始应力、排水条件、加荷速率、应力路径等 有关，也与试验过程中的取样、加荷方法、试验类型、试验仪器、试验数据整有关，也与试验过程中的取样、加荷方法、试验类型、试验仪器、试验数据整 理等有关。下面结合前面的三轴压缩试验，对饱和粘性土的抗剪强度进行分别理等有关。下面结合前面的三轴压缩试验，对饱和粘性土的抗剪强度进行分别 介绍。介绍。注意：粘性土的强度研究，大多采用充分扰动和拌合的重塑土注意：粘性土的强度研究，大多采用充分扰动和拌合的重塑土 正常固结土正常固结土 超固结土超固结土 不固结不排水强度（UU） 固结排水强度(CD) 固结不排水强度(CU) 饱和粘性土

56、饱和粘性土 4.4 4.4 影响抗剪强度指标的因素影响抗剪强度指标的因素 Hohai UniversityHohai University 第五章第五章土的抗剪强度与地基承载力土的抗剪强度与地基承载力 正常固结土正常固结土 += 2 31ff uf c 0 3 u 3 33 c q c 31 31 q 1 3 u uu 0 1 u c c 0 0 u 不固结不排水强度（不固结不排水强度（UU） 总应力强度包线总应力强度包线 3 试验过程试验过程 4.4 4.4 影响抗剪强度指标的因素影响抗剪强度指标的因素 Hohai UniversityHohai University 第五章第五章土的抗剪强

57、度与地基承载力土的抗剪强度与地基承载力 正常固结土正常固结土 += 3 0 3 u 3 33 c q c 31 31 q 1 uu 0 1 u c c 0 0 u 固结不排水强度（固结不排水强度（CU） cuf tan 试验过程试验过程 tan f 4.4 4.4 影响抗剪强度指标的因素影响抗剪强度指标的因素 Hohai UniversityHohai University 第五章第五章土的抗剪强度与地基承载力土的抗剪强度与地基承载力 正常固结土正常固结土 += 3 0 3 u 3 33 c q c 31 31 q 0u 0 1 u c c 0 0 u 固结排水强度（固结排水强度（CD） 试验

58、过程试验过程 df tan 由于试验过程中的孔隙由于试验过程中的孔隙 水压力始终为水压力始终为0，有效应，有效应 力就是总应力，因此该试力就是总应力，因此该试 验中的有效应力强度指标验中的有效应力强度指标 即为总应力指标。即为总应力指标。 4.4 4.4 影响抗剪强度指标的因素影响抗剪强度指标的因素 Hohai UniversityHohai University 第五章第五章土的抗剪强度与地基承载力土的抗剪强度与地基承载力 结果汇总结果汇总 正常固结土正常固结土 由图可见，对于同一种由图可见，对于同一种 正常固结的饱和粘土，当正常固结的饱和粘土，当 采用三种不同的试验方法采用三种不同的试验方

59、法 来测定其抗剪强度时，其来测定其抗剪强度时，其 强度包线是不同的，强度包线是不同的， 4.4 4.4 影响抗剪强度指标的因素影响抗剪强度指标的因素 Hohai UniversityHohai University 第五章第五章土的抗剪强度与地基承载力土的抗剪强度与地基承载力 超固结土超固结土固结不排水强度（固结不排水强度（CU） cucuf ctan tan c f 4.4 4.4 影响抗剪强度指标的因素影响抗剪强度指标的因素 Hohai UniversityHohai University 第五章第五章土的抗剪强度与地基承载力土的抗剪强度与地基承载力 固结排水强度固结排水强度 （CD） 超

60、固结土超固结土 4.4 4.4 影响抗剪强度指标的因素影响抗剪强度指标的因素 Hohai UniversityHohai University 第五章第五章土的抗剪强度与地基承载力土的抗剪强度与地基承载力 汇总汇总 超固结土超固结土 4.4 4.4 影响抗剪强度指标的因素影响抗剪强度指标的因素 Hohai UniversityHohai University 第五章第五章土的抗剪强度与地基承载力土的抗剪强度与地基承载力 粘土的残余强度粘土的残余强度 超固结粘土在剪切试验中有与紧砂相似的应力超固结粘土在剪切试验中有与紧砂相似的应力- -应变特征，当强度随着剪应变特征，当强度随着剪 位移达到峰值后