土力学-第五章

1、 本章提要本章提要 学习难点学习难点第五章：第五章： 土的抗剪强度土的抗剪强度 土是如何破坏的？土是如何破坏的？ 如何衡量土的强度？如何衡量土的强度？ 如何测定土的强度？如何测定土的强度？ 如何应用土的强度指标？如何应用土的强度指标？ 土的抗剪强度理论及本质土的抗剪强度理论及本质 土的抗剪强度指标及测试方法土的抗剪强度指标及测试方法 土的抗剪强度指标的种类及选取土的抗剪强度指标的种类及选取5.1 5.1 概述概述5.2 5.2 土体破坏与土的强度理论（土体破坏与土的强度理论（重点重点）5.3 5.3 土的抗剪强度的测定试验（土的抗剪强度的测定试验（重点重点）5.4 5.4 应力路径与破坏主应力

2、线（介绍）应力路径与破坏主应力线（介绍） 5.5 5.5 土的抗剪强度指标（介绍）土的抗剪强度指标（介绍） 第五章：第五章： 土的抗剪强度土的抗剪强度仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水5.1 5.1 概述概述 - - 土体强度及其特点土体强度及其特点概概 述述F 土体强度及其特点土体强度及其特点F 工程中土的强度问题工程中土的强度问题 土的抗剪强度土的抗剪强度 土的强度的特点土的强度的特点 各种类型的滑坡各种类型的滑坡(sliding) 挡土和支护结构的破坏挡土和支护结构的破坏 地基的破坏地基的破坏仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水土的强度及其特点土的强度及其特点NTtgNtgT n 天然状态

3、下的砂天然状态下的砂沿坡方向的平衡：沿坡方向的平衡：F 天然休止角天然休止角，也是最，也是最松状态下的砂内摩擦角松状态下的砂内摩擦角 砂堆砂堆 TWN5.1 5.1 概述概述 - - 土体强度及其特点土体强度及其特点仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水土的强度及其特点土的强度及其特点静止砂丘静止砂丘 移动砂丘移动砂丘3035 n 天然状态下的沙丘天然状态下的沙丘F固定沙丘背风坡角度接近天然休止角，一般为固定沙丘背风坡角度接近天然休止角，一般为 =30 -35 ，大于矿物滑动摩擦角大于矿物滑动摩擦角颗粒间存在一定的咬合作用颗粒间存在一定的咬合作用5.1 5.1 概述概述 - - 土体强度及其特点土

4、体强度及其特点仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水土体强度的特点土体强度的特点F碎散性：碎散性：强度不是颗粒矿物本身的强度，强度不是颗粒矿物本身的强度，而是颗粒间相互作用而是颗粒间相互作用 - 主要是抗剪强度与主要是抗剪强度与剪切破坏，颗粒间粘聚力与摩擦力剪切破坏，颗粒间粘聚力与摩擦力F三相体系：三相体系：三相承受与传递荷载三相承受与传递荷载 - 有效应有效应力原理力原理 F自然变异性：自然变异性：土的强度的结构性与复杂性土的强度的结构性与复杂性5.1 5.1 概述概述 - - 土体强度及其特点土体强度及其特点仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水各种类型的滑坡各种类型的滑坡崩塌崩塌平移滑动平移滑动

5、旋转滑动旋转滑动流滑流滑滑裂面滑裂面5.1 5.1 概述概述 - - 土体强度及其特点土体强度及其特点仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水锚固破坏锚固破坏整体滑动整体滑动底部破坏底部破坏土体下沉土体下沉墙体折断墙体折断挡土支护结构的破坏挡土支护结构的破坏5.1 5.1 概述概述 - - 土体强度及其特点土体强度及其特点仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水广州京光广场基坑塌方使基坑旁办公室、民工宿舍使基坑旁办公室、民工宿舍和仓库倒塌，死和仓库倒塌，死3人，伤人，伤17人人5.1 5.1 概述概述 - - 土体强度及其特点土体强度及其特点仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水地基的破坏地基的破坏地基地基P

6、滑裂面滑裂面5.1 5.1 概述概述 - - 土体强度及其特点土体强度及其特点仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水F 土压力土压力F 边坡稳定性边坡稳定性F 地基承载力地基承载力F 振动液化特性振动液化特性n 挡土结构物破坏挡土结构物破坏n 各种类型的滑坡各种类型的滑坡n 地基的破坏地基的破坏n 砂土的液化砂土的液化核心问题核心问题:土体的强度理论土体的强度理论5.1 5.1 概述概述 - - 土体强度及其特点土体强度及其特点5.1 5.1 概述概述 5.2 5.2 土的抗剪强度理论（重点）土的抗剪强度理论（重点）5.3 5.3 土的抗剪强度的测定试验（重点）土的抗剪强度的测定试验（重点）5.4

7、 5.4 应力路径与破坏主应力线（介绍）应力路径与破坏主应力线（介绍）5.5 5.5 土的抗剪强度指标（介绍）土的抗剪强度指标（介绍）第五章：第五章： 土的抗剪强度土的抗剪强度5.2 5.2 土的抗剪强度理论土的抗剪强度理论仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水土的抗剪强度理论土的抗剪强度理论F直剪试验与库仑公式直剪试验与库仑公式F土的抗剪强度机理土的抗剪强度机理F 莫尔莫尔-库仑强度理论库仑强度理论5.2 5.2 土的抗剪强度理论土的抗剪强度理论仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水法国军事工程师，在摩法国军事工程师，在摩擦、电磁方面做出了奠擦、电磁方面做出了奠基性的贡献。基性的贡献。1773177

8、3年发年发表了关于土压力方面论表了关于土压力方面论文，成为土压力的经典文，成为土压力的经典理论理论库仑（C. A. Coulomb）(1736-1806)5.2 5.2 土的抗剪强度理论土的抗剪强度理论 直剪试验与库伦公式直剪试验与库伦公式仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 1773年发表有关材料强度的论文，所提出的计算物体上年发表有关材料强度的论文，所提出的计算物体上应力和应变分布情况的方法沿用到现在，是结构工程的理论应力和应变分布情况的方法沿用到现在，是结构工程的理论基础；基础； 1777年开始研究静电和磁力问题；年开始研究静电和磁力问题； 1779年对摩擦力进行分析，提出有关润滑剂的科学

9、理论，年对摩擦力进行分析，提出有关润滑剂的科学理论，于于1881年发现了摩擦力与压力的关系，表述出摩擦定律、滚年发现了摩擦力与压力的关系，表述出摩擦定律、滚动定律和滑动定律。设计出水下作业法，类似现代的沉箱；动定律和滑动定律。设计出水下作业法，类似现代的沉箱； 17851789年，用扭秤测量静电力和磁力，导出著名的年，用扭秤测量静电力和磁力，导出著名的库仑定律。库仑定律使电磁学的研究从定性进入定量阶段，库仑定律。库仑定律使电磁学的研究从定性进入定量阶段，是电磁学史上一块重要的里程碑。是电磁学史上一块重要的里程碑。 5.2 5.2 土的抗剪强度理论土的抗剪强度理论 直剪试验与库伦公式直剪试验与库

10、伦公式仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水直直 剪剪 试试 验验PT土样土样下盒下盒上盒上盒S面积面积An 直剪试验直剪试验 法向应力法向应力 ：AP 剪应力剪应力 ：AT 剪切变形剪切变形S1 S235.2 5.2 土的抗剪强度理论土的抗剪强度理论 直剪试验与库伦公式直剪试验与库伦公式仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水直剪试验的强度包线直剪试验的强度包线 S123 Ocn 库仑公式库仑公式：（：（17761776） f1 f2 f3 f ： 土的抗剪强度土的抗剪强度 tg ： 摩擦强度摩擦强度-正比于压力正比于压力 ： 土的内摩擦角土的内摩擦角 c： 粘聚强度粘聚强度-与所受压力无关与所受压力

11、无关 tgcf5.2 5.2 土的抗剪强度理论土的抗剪强度理论 直剪试验与库伦公式直剪试验与库伦公式仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水土的抗剪强度指标土的抗剪强度指标Fc和和 是决定土的抗剪强度的两个指标，称是决定土的抗剪强度的两个指标，称为抗剪强度指标为抗剪强度指标当当 采用总应力时，称为采用总应力时，称为总应力抗剪强度指标总应力抗剪强度指标当当 采用有效应力时，称为采用有效应力时，称为有效应力抗剪强度指标有效应力抗剪强度指标对无粘性土通常认为，粘聚力对无粘性土通常认为，粘聚力C=0n 库仑公式库仑公式: : tgcf5.2 5.2 土的抗剪强度理论土的抗剪强度理论 直剪试验与库伦公式直剪试

12、验与库伦公式仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水摩摩 擦擦 强强 度度n 摩擦强度：摩擦强度：决定于剪切面上的正应力决定于剪切面上的正应力和土的内摩擦角和土的内摩擦角 由颗粒之间发生滑动时颗粒接触由颗粒之间发生滑动时颗粒接触面粗糙不平所引起，与颗粒的形面粗糙不平所引起，与颗粒的形状，矿物组成，级配等因素有关状，矿物组成，级配等因素有关0.02 0.06 0.2 0.6 230 20 颗粒直径颗粒直径 (mm)滑动摩擦角滑动摩擦角 u粗粉粗粉 细砂细砂 中砂中砂 粗砂粗砂 滑动摩擦滑动摩擦 咬合摩擦咬合摩擦 包括如下两个包括如下两个组成部分组成部分 ： 滑动摩擦滑动摩擦5.2 5.2 土的抗剪强度

13、理论土的抗剪强度理论 土的抗剪强度机理土的抗剪强度机理仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水n 摩擦强度：摩擦强度：决定于剪切面上的正应力决定于剪切面上的正应力和土的内摩擦角和土的内摩擦角 滑动摩擦滑动摩擦 咬合摩擦咬合摩擦 包括如下两个包括如下两个组成部分组成部分 ：是指相邻颗粒对于相对移动的约束作用是指相邻颗粒对于相对移动的约束作用当发生剪切破坏时，相互咬合着的颗粒当发生剪切破坏时，相互咬合着的颗粒A必须抬起，跨越相邻颗粒必须抬起，跨越相邻颗粒B，或在尖角处，或在尖角处被剪断（被剪断（C），才能移动），才能移动 土体中的颗粒重新排列，也会消耗能量土体中的颗粒重新排列，也会消耗能量 咬合摩擦咬合

14、摩擦CABCAB剪切面剪切面5.2 5.2 土的抗剪强度理论土的抗剪强度理论 土的抗剪强度机理土的抗剪强度机理摩摩 擦擦 强强 度度仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水摩摩 擦擦 强强 度度F密度密度F粒径级配粒径级配F颗粒的矿物成分颗粒的矿物成分F粒径的形状粒径的形状F粘土颗粒表面的吸附水膜粘土颗粒表面的吸附水膜n 影响土的摩擦强度的主要因素影响土的摩擦强度的主要因素: :5.2 5.2 土的抗剪强度理论土的抗剪强度理论 土的抗剪强度机理土的抗剪强度机理仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水凝凝 聚聚 强强 度度n 细粒土：细粒土：粘聚力粘聚力c取决于土粒间的各种物理化学作用力取决于土粒间的各种物

15、理化学作用力F作用机理：库伦力（静电力）、范德华力、作用机理：库伦力（静电力）、范德华力、 胶结作用力和毛细力等胶结作用力和毛细力等F影响因素：地质历史、粘土颗粒矿物成分、影响因素：地质历史、粘土颗粒矿物成分、 密度与离子浓度密度与离子浓度n 粗粒土：粗粒土：一般认为是无粘性土，不具有粘聚强度：一般认为是无粘性土，不具有粘聚强度：F 当粗间有胶结物质存在时可具有一定的粘聚强度当粗间有胶结物质存在时可具有一定的粘聚强度F 非饱和砂土，粒间受毛细压力，具有假粘聚力非饱和砂土，粒间受毛细压力，具有假粘聚力5.2 5.2 土的抗剪强度理论土的抗剪强度理论 土的抗剪强度机理土的抗剪强度机理仁者乐山仁者乐

16、山 智者乐水智者乐水F 应力状态与莫尔圆应力状态与莫尔圆F 极限平衡应力状态极限平衡应力状态F 莫尔莫尔- -库仑强度理论库仑强度理论F 破坏判断方法破坏判断方法F 滑裂面的位置滑裂面的位置莫尔莫尔- -库仑强度理论库仑强度理论5.2 5.2 土的抗剪强度理论土的抗剪强度理论 莫尔莫尔- -库仑强度理论库仑强度理论仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水应力状态应力状态 y yz xy zx x z zzyzxyzyyxxzxyxij zzxxzxij三维应力状态三维应力状态二维应力状态二维应力状态 zx z xz x5.2 5.2 土的抗剪强度理论土的抗剪强度理论 莫尔莫尔- -库仑强度理论库仑强

17、度理论仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水莫尔圆应力分析符号规定莫尔圆应力分析符号规定z x xz zx n 材料力学材料力学+-正应力正应力剪应力剪应力拉为正拉为正压为负压为负顺时针为正顺时针为正逆时针为负逆时针为负z x xz zx +-n 土力学土力学压为正压为正拉为负拉为负逆时针为正逆时针为正顺时针为负顺时针为负5.2 5.2 土的抗剪强度理论土的抗剪强度理论 莫尔莫尔- -库仑强度理论库仑强度理论仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水应力莫尔圆应力莫尔圆 O2 1 3 1 3 ( , )莫尔圆：单元的应力状态莫尔圆：单元的应力状态圆上点：一个面上的圆上点：一个面上的 与与 莫尔圆转角莫尔圆

18、转角2 ：作用面转角：作用面转角 5.2 5.2 土的抗剪强度理论土的抗剪强度理论 莫尔莫尔- -库仑强度理论库仑强度理论 2cos)(21)(2131312sin)(2131仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水极限平衡应力状态极限平衡应力状态5.2 5.2 土的抗剪强度理论土的抗剪强度理论 莫尔莫尔- -库仑强度理论库仑强度理论F极限平衡应力状态：当极限平衡应力状态：当一面上的应力状态达到一面上的应力状态达到 = fF土的强度包线：所有达到极限平衡状态的莫尔圆的公切线土的强度包线：所有达到极限平衡状态的莫尔圆的公切线 tgcf切点切点= =破坏面破坏面仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水应力莫尔

19、圆与强度包线应力莫尔圆与强度包线 f 强度包线以下：强度包线以下：任何一个面任何一个面上的一对应力上的一对应力 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：有一个面有一个面上的应力达到破坏上的应力达到破坏 与破坏包线相交：与破坏包线相交：有一些平有一些平面上的应力超过强度面上的应力超过强度5.2 5.2 土的抗剪强度理论土的抗剪强度理论 莫尔莫尔- -库仑强度理论库仑强度理论 不可能发生不可能发生仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水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是该面是该面上作用的法向应力上作用的法向

20、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+ tgtg 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，该单元就达到了极限平衡应力状态到了极限平衡应力状态莫尔莫尔库仑强度理论库仑强度理论5.2 5.2 土的抗剪强度理论土的抗剪强度理论 莫尔莫尔- -库仑强度理论库仑强度理论仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 O c f=c+ tg 1 3莫尔莫尔-库仑强度理论的破坏准则库仑强度理论的破坏准则 c

21、tgc22)(ctgc2)(sin31313131)245(tgc2)245(tg213 )245(tgc2)245(tg231 2ctgc31 231 n 土的极限平衡条件：土的极限平衡条件：处于极限平衡状态时，处于极限平衡状态时， 1和和 3之间应满足的关系之间应满足的关系)245(tg213 )245(tg231 无粘性土无粘性土5.2 5.2 土的抗剪强度理论土的抗剪强度理论 莫尔莫尔- -库仑强度理论库仑强度理论仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水土单元是否破坏的判别土单元是否破坏的判别n根据极限平衡条件可以用来判别一点土体是否根据极限平衡条件可以用来判别一点土体是否已发生剪切破坏已发

22、生剪切破坏F 计算主应力计算主应力 1, 3：F 确定土单元体的应力状态（确定土单元体的应力状态（ x， z， xz）2xz2zxzx3, 14)2(2 F判别是否剪判别是否剪切破坏：切破坏： 由由 3 1f，比较，比较 1和和 1f 由由 1 3f，比较，比较 3和和 3f 由由 1 , 3 m，比较，比较 和和 m5.2 5.2 土的抗剪强度理论土的抗剪强度理论 莫尔莫尔- -库仑强度理论库仑强度理论仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 c f=c+ tg O土单元是否破坏的判别土单元是否破坏的判别)245(tgc2)245(tg23f1 F 1= 1f 极限平衡状态极限平衡状态 （破坏）（

23、破坏）F 1 1f 不可能状态不可能状态 （破坏）（破坏） 1f 3n 方法一：方法一： 由由 3 1f，比较，比较 1和和 1f5.2 5.2 土的抗剪强度理论土的抗剪强度理论 莫尔莫尔- -库仑强度理论库仑强度理论仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 O c f=c+ tg 土单元是否破坏的判别土单元是否破坏的判别n 方法二：方法二： 由由 1 3f，比较，比较 3和和 3fF 3= 3f 极限平衡状态极限平衡状态 （破坏）（破坏）F 3 3f 安全状态安全状态F 3 3f 不可能状态不可能状态 （破坏）（破坏） 1 3f)245(tgc2)245(tg21f3 5.2 5.2 土的抗剪强度

24、理论土的抗剪强度理论 莫尔莫尔- -库仑强度理论库仑强度理论仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 O f=c+ tg O c 土单元是否破坏的判别土单元是否破坏的判别n 方法三：方法三： 由由 1 , 3 m，比较，比较 和和 mF m 不可能状态不可能状态 （破坏）（破坏） ctgc2sin3131mF处于极限平衡状态处于极限平衡状态所需的内摩擦角所需的内摩擦角5.2 5.2 土的抗剪强度理论土的抗剪强度理论 莫尔莫尔- -库仑强度理论库仑强度理论仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水剪切破坏面的位置剪切破坏面的位置 3 1f2 2 =90 + =45 + /2 O 1f 345/ 2F可见土体破

25、坏的剪切破坏不可见土体破坏的剪切破坏不在在45最大剪应力面上，最大剪应力面上，n 与大主应力面夹角与大主应力面夹角:2 5.2 5.2 土的抗剪强度理论土的抗剪强度理论 莫尔莫尔- -库仑强度理论库仑强度理论仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水小小 结结F直剪试验与库仑公式直剪试验与库仑公式F土的抗剪强度机理土的抗剪强度机理F 莫尔莫尔-库仑强度理论库仑强度理论直剪试验直剪试验库仑公式库仑公式土的抗剪强度指标土的抗剪强度指标c和和 应力状态与莫尔圆应力状态与莫尔圆极限平衡应力状态极限平衡应力状态莫尔莫尔- -库仑强度理论库仑强度理论土体破坏判断方法土体破坏判断方法滑裂面的位置滑裂面的位置摩擦强度

26、：滑动、咬合摩擦摩擦强度：滑动、咬合摩擦凝聚强度凝聚强度5.2 5.2 土的抗剪强度理论土的抗剪强度理论 莫尔莫尔- -库仑强度理论库仑强度理论5.1 5.1 概述概述 5.2 5.2 土的抗剪强度理论土的抗剪强度理论 5.3 5.3 土的抗剪强度的测定试验土的抗剪强度的测定试验5.4 5.4 应力路径与破坏主应力线（介绍）应力路径与破坏主应力线（介绍）5.5 5.5 土的抗剪强度指标（介绍）土的抗剪强度指标（介绍）第五章：第五章： 土的抗剪强度土的抗剪强度5.3 5.3 土的抗剪强度的测定试验土的抗剪强度的测定试验仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水n 室内试验：室内试验：直剪试验直剪试验三轴

27、试验等三轴试验等n 野外试验：野外试验：十字板扭剪试验十字板扭剪试验旁压试验等旁压试验等抗剪强度测定试验抗剪强度测定试验F重塑土制样或现场取样重塑土制样或现场取样F缺点：扰动缺点：扰动F优点：应力和边界条件优点：应力和边界条件 清楚，易重复清楚，易重复F缺点：应力和边界条缺点：应力和边界条 件不易掌握件不易掌握F优点：原状土的原位优点：原状土的原位 强度强度5.3 5.3 土的抗剪强度的测定试验土的抗剪强度的测定试验仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水直直 剪剪 试试 验验PT土样土样下盒下盒上盒上盒S面积面积A Oc 1 S23 f1 f2 f3直剪仪直剪仪(direct shear test

28、 apparatus)5.3 5.3 土的抗剪强度的测定试验土的抗剪强度的测定试验 直剪试验直剪试验仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水直剪试验的类型直剪试验的类型(1) (1) 固结慢剪固结慢剪 施加正应力施加正应力- -充分固结充分固结 剪切速率很慢，剪切速率很慢，0.02mm/ , c a)用最小二乘法确定用最小二乘法确定a 和和 然后计算强度指标然后计算强度指标c和和 确定强度指标确定强度指标: :强度包线与破坏主应力线强度包线与破坏主应力线5.4 5.4 应力路径与破坏主应力线应力路径与破坏主应力线仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水pO q总应力与有效应力状态总应力与有效应力状态有效应

29、力原理：有效应力原理： + u 或或 - u孔隙水压力：孔隙水压力： u=Bu=B3 3+AB(+AB(1 1- -3 3) ) P109 自学自学upu)(21)uu-(21)(21p313131 q)(21)uu-(21)(21q313131 1 331u有效有效应力应力总应力总应力uu5.4 5.4 应力路径与破坏主应力线应力路径与破坏主应力线A：偏应力增量下的孔压系数：偏应力增量下的孔压系数（饱和土，弹性土骨架下（饱和土，弹性土骨架下 A=1/3） P108 自学自学B：各向均等围压增量下的孔压系数（饱和土：各向均等围压增量下的孔压系数（饱和土 B=1）仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐

30、水pOqKf线线三轴试验的总应力路径三轴试验的总应力路径n 固结过程：固结过程： p 0 p0 = 3n 剪切过程：剪切过程： 3 3=0 =0 1 1 0 013113121)(21q21)(21p AB剪切剪切1pq p0= 3固结固结115.4 5.4 应力路径与破坏主应力线应力路径与破坏主应力线仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水pp Oq q 饱和土固结不排水试验饱和土固结不排水试验uuf三轴试验的有效应力路径三轴试验的有效应力路径n 固结过程：固结过程： p 0 p0 = 3n 剪切过程：剪切过程： 3 3=0 =0 1 1 0 u 0 u 0 总应力总应力upp qq )-A(u3

31、1 K f线线当当A是常数时，有效应力路径为直线，是常数时，有效应力路径为直线，一般情况下一般情况下A不为常数，有效应力路径为曲线不为常数，有效应力路径为曲线有效有效应力应力Kf线线p0= 35.4 5.4 应力路径与破坏主应力线应力路径与破坏主应力线饱和土固结排水试验：饱和土固结排水试验：总应力路径和有效应力路径重合 总应力破坏主应力线和有效应力破坏主应力线重合仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水F 应力路径应力路径F p-q平面上的应力路径与莫尔圆平面上的应力路径与莫尔圆 F 强度包线与破坏主应力线强度包线与破坏主应力线sin = tg ；a = c cos F 总应力路径与有效应力路径总应

32、力路径与有效应力路径 有效应力原理有效应力原理 孔隙水压力系数孔隙水压力系数 总应力状态与有效应力状态总应力状态与有效应力状态 三轴试验的总应力路径与有效应力路径三轴试验的总应力路径与有效应力路径小小 结结5.4 5.4 应力路径与破坏主应力线应力路径与破坏主应力线5.1 5.1 概述概述 5.2 5.2 土的抗剪强度理论土的抗剪强度理论 5.3 5.3 土的抗剪强度的测定试验土的抗剪强度的测定试验 5.4 5.4 应力路径与破坏主应力线应力路径与破坏主应力线 5.5 5.5 土的抗剪强度指标土的抗剪强度指标第五章：第五章： 土的抗剪强度土的抗剪强度5.5 5.5 土的抗剪强度指标土的抗剪强度

33、指标仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水F强度指标的类型强度指标的类型F总应力指标与有效应力指标总应力指标与有效应力指标F三轴试验强度指标三轴试验强度指标F直剪试验强度指标直剪试验强度指标F土的强度指标的工程应用土的强度指标的工程应用土的抗剪强度指标土的抗剪强度指标n 库仑公式库仑公式: f=c+ tg c和和 称为土的抗剪强度指标称为土的抗剪强度指标5.5 5.5 土的抗剪强度指标土的抗剪强度指标仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水抗剪强度指标的类型抗剪强度指标的类型F峰值强度与残余强峰值强度与残余强度指标度指标F总应力强度与有效总应力强度与有效应力强度指标应力强度指标F直剪强度与三轴试直剪强度

34、与三轴试验指标验指标n 三种强度指标：三种强度指标：根据应力变形根据应力变形特性划分特性划分根据应力分析根据应力分析方法划分方法划分根据试验方法根据试验方法划分划分5.5 5.5 土的抗剪强度指标土的抗剪强度指标 指标类型指标类型仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水n 峰值强度峰值强度 残余强度指标残余强度指标直剪和三轴试验中应变软化时直剪和三轴试验中应变软化时: : f f 峰值强度指标峰值强度指标 r r 残余强度指标残余强度指标F大变形完全破坏了土的结大变形完全破坏了土的结构强度和咬合作用，残余构强度和咬合作用，残余强度破坏包线强度破坏包线通过原点通过原点，其内摩擦角其内摩擦角 r只决定于

35、土只决定于土的矿物成分，与其所受的的矿物成分，与其所受的应力历史等因素无关应力历史等因素无关 q= () f rqfqr5.5 5.5 土的抗剪强度指标土的抗剪强度指标 指标类型指标类型仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水总应力指标与有效应力指标总应力指标与有效应力指标u抗剪强度的有效应力指标抗剪强度的有效应力指标c ， u c + tg = -u符合土的破坏的机理，符合土的破坏的机理，但有时孔隙水压力但有时孔隙水压力u无法确定无法确定u抗剪强度的总应力指标抗剪强度的总应力指标c， u c+ tg u是一种是一种“全额生产率全额生产率”的的概念，因概念，因u不能产生抗剪不能产生抗剪强度，不符合强

36、度机理。强度，不符合强度机理。在无法确定在无法确定u时便于应用，时便于应用，但要符合工程条件但要符合工程条件5.5 5.5 土的抗剪强度指标土的抗剪强度指标 指标类型指标类型仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水抗剪强度抗剪强度 u抗剪强度的总应力指标抗剪强度的总应力指标c tg 我叫我叫 u，充数而已！充数而已！F在难以确定孔隙水在难以确定孔隙水压力的情况下使用压力的情况下使用F注意正确使用的方注意正确使用的方法：确定法：确定c c， 的的试验中，应能大致试验中，应能大致模拟工程现场孔隙模拟工程现场孔隙水压力的特性水压力的特性5.5 5.5 土的抗剪强度指标土的抗剪强度指标 指标类型指标类型仁者

37、乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水正常固结土的有效和总应力指标正常固结土的有效和总应力指标F思考题思考题1：实际破裂面的方向？实际破裂面的方向？F思考题思考题2：如果破坏时孔隙水压力如果破坏时孔隙水压力u(负孔压负孔压)，有效应力莫尔圆，有效应力莫尔圆在总应力莫尔圆哪边？在总应力莫尔圆哪边？还还是是？是是245245 O 11uf有效应有效应力力 fpp Oq q p0= 3总应力总应力Kf线线uf有效应有效应力力K f线线 总应力总应力 f 5.5 5.5 土的抗剪强度指标土的抗剪强度指标 指标类型指标类型仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水常规三轴压缩试验常规三轴压缩试验( (介绍介绍) ) 类

38、型类型施加施加 3 3施加施加 1 1- - 3 3量测量测强度指标强度指标固结排水固结排水CD固结固结排水排水体变体变cd, d=(c , )固结不排水固结不排水CU固结固结不排水不排水孔隙水压力孔隙水压力ccu, cuc cu不固结不排水不固结不排水UU不固结不固结不排水不排水孔隙水压力孔隙水压力Cu u=0n 试验类型与强度指标试验类型与强度指标5.5 5.5 土的抗剪强度指标土的抗剪强度指标 三轴试验指标三轴试验指标P110 表表5.1仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水固结排水试验固结排水试验n 试验条件试验条件F施加围压施加围压 充分固结充分固结F施加施加( ( 1 1 - - )

39、)时，时，排水排水阀门始终打开，剪切阀门始终打开，剪切速度慢足以使试样内速度慢足以使试样内的孔压消散的孔压消散F始终始终u=0u=0，= = -u=-u= , ,总应力指标即为有效总应力指标即为有效应力指标应力指标试样试样围压围压力力 3阀门阀门始终打开始终打开阀门阀门马达马达横梁横梁量力环量力环百分表百分表量水管量水管5.5 5.5 土的抗剪强度指标土的抗剪强度指标 三轴试验指标三轴试验指标仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水固结排水试验固结排水试验 v 轴向应力渐进增加轴向应力渐进增加 体应变是体缩体应变是体缩 最终二者均趋于稳定最终二者均趋于稳定 强度包线过原点强度包线过原点cd=0n 松

40、砂与正常固结粘土试验曲线与强度包线松砂与正常固结粘土试验曲线与强度包线O = 13 d= f= f 23 33 13 23 335.5 5.5 土的抗剪强度指标土的抗剪强度指标 三轴试验指标三轴试验指标仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水固结排水试验固结排水试验 v应力应变关系软化，体应变后段发生剪胀应力应变关系软化，体应变后段发生剪胀峰值强度包线峰值强度包线，密砂过原点，超固结粘土不过原点密砂过原点，超固结粘土不过原点残余强度包线两者均过原点残余强度包线两者均过原点O = 13峰值强度峰值强度 f f= f f 23 33 13 33 23 d= cd=c n 密砂与超固结粘土试验曲线与强度包

41、线密砂与超固结粘土试验曲线与强度包线残余强度残余强度 r r= r r5.5 5.5 土的抗剪强度指标土的抗剪强度指标 三轴试验指标三轴试验指标仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水固结排水试验固结排水试验n 天然土的强度包线天然土的强度包线 先期固结压力先期固结压力 p p pF p p时时正常固结正常固结粘粘土土；p p时超固结粘土时超固结粘土 p压缩曲线压缩曲线ep初始初始加载加载卸载卸载再加载再加载强度包线强度包线 正常正常固结固结超固结超固结近似近似 f f5.5 5.5 土的抗剪强度指标土的抗剪强度指标 三轴试验指标三轴试验指标仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水F松砂与松砂与正常固结粘

42、土正常固结粘土试试验曲线与强度包线验曲线与强度包线F密砂的试验曲线与强度密砂的试验曲线与强度包线包线F超固结粘土试验曲线与超固结粘土试验曲线与强度包线强度包线F天然粘土：超固结天然粘土：超固结+ +正正常固结粘土的强度包线常固结粘土的强度包线固结排水试验小结固结排水试验小结应变硬化与体积收缩，应变硬化与体积收缩，c cd d=0=0应变软化与剪胀性，应变软化与剪胀性，c cd d=0=0应变软化与剪胀性，应变软化与剪胀性，c cd d与与 d d折线折线 c0c0的直线的直线近似近似5.5 5.5 土的抗剪强度指标土的抗剪强度指标 三轴试验指标三轴试验指标仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水固结

43、不排水试验固结不排水试验n强度指标：强度指标：c ccu cu , , cu cu c c , , F试验条件试验条件F正常固结粘土试验曲线与强度包线正常固结粘土试验曲线与强度包线F超固结粘土试验曲线与强度包线超固结粘土试验曲线与强度包线F固结不排水试验确定的的强度参数固结不排水试验确定的的强度参数F粘性土的孔隙比粘性土的孔隙比 有效应力有效应力 抗剪强度唯抗剪强度唯一性关系一性关系5.5 5.5 土的抗剪强度指标土的抗剪强度指标 三轴试验指标三轴试验指标仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水试样试样围压围压力力 3阀门阀门阀门阀门马达马达横梁横梁量力环量力环百分表百分表量水管量水管孔压孔压量测量

44、测固结不排水试验固结不排水试验F施加围压施加围压 充分固结充分固结F施加施加( ( 1 1 - - ) )时，时，排排水阀门关闭，水阀门关闭，量测剪量测剪切过程中产生的超静切过程中产生的超静孔隙水压力孔隙水压力u uF一般一般u u 0 0，= = -u=-u=, ,总应力指标同有效应总应力指标同有效应力指标不同力指标不同n 试验条件试验条件5.5 5.5 土的抗剪强度指标土的抗剪强度指标 三轴试验指标三轴试验指标仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水F 对于饱和土试样：孔压系数对于饱和土试样：孔压系数B=1.0 u=A( n 剪切过程中的超静孔隙水压力剪切过程中的超静孔隙水压力 u固结不排水试验

45、固结不排水试验无剪缩（弹性体）：无剪缩（弹性体）：A=1/3剪缩：剪缩： A1/3剪胀：剪胀： A1/3 (甚至可能甚至可能A0，u 0， cuc , cu 与超固结度有关与超固结度有关O = 13 23n 超固结粘土试验曲线与强度包线超固结粘土试验曲线与强度包线cu f fccuu1fu2fu1fu2f f fc 5.5 5.5 土的抗剪强度指标土的抗剪强度指标 三轴试验指标三轴试验指标仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水固结不排水试验小结固结不排水试验小结F 剪切过程中的超静孔压：剪切过程中的超静孔压： u = A ( )F 试验确定的强度指标：试验确定的强度指标： cu，ccu 和和 ，c

46、 F 正常固结粘土：正常固结粘土： cu ；ccuc =0F 超固结粘土：超固结粘土： cu c 0 5.5 5.5 土的抗剪强度指标土的抗剪强度指标 三轴试验指标三轴试验指标仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水不固结不排水试验不固结不排水试验n强度指标：强度指标：cuu(cu), uu( u) F试验条件试验条件F饱和试样的不排水强度指标饱和试样的不排水强度指标cuF不排水试验与固结不排水试验不排水试验与固结不排水试验F无侧限压缩试验：无侧限压缩试验： 3=0的不排水试验的不排水试验5.5 5.5 土的抗剪强度指标土的抗剪强度指标 三轴试验指标三轴试验指标仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水试样

47、试样围压围压力力 3阀门阀门阀门阀门马达马达横梁横梁量力环量力环百分表百分表量水管量水管孔压孔压量测量测不固结不排水试验不固结不排水试验F排水阀门关闭，排水阀门关闭，施加施加围压围压 ，产生孔隙水，产生孔隙水压力压力 u1=B F施加施加( ( 1 1 - - ) )时，时，排排水阀门关闭，水阀门关闭，量测剪量测剪切过程中产生的超静切过程中产生的超静孔隙水压力孔隙水压力 u2 = BA ( )n 试验条件试验条件5.5 5.5 土的抗剪强度指标土的抗剪强度指标 三轴试验指标三轴试验指标仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水粘性土有效应力粘性土有效应力 密度密度 抗剪强度间的抗剪强度间的唯一性关系（

48、唯一性关系（自学自学）P114P114n Henkel(1960)等学者证实，对饱和正常固结粘土，等学者证实，对饱和正常固结粘土，在有效应力在有效应力 密度密度 抗剪强度间存在唯一性关系：抗剪强度间存在唯一性关系：存在单一的有效应力强度包线存在单一的有效应力强度包线破坏时含水量（孔隙比）和强破坏时含水量（孔隙比）和强度间存在唯一性关系度间存在唯一性关系土体有效应力和含水量（孔隙土体有效应力和含水量（孔隙比）间存在唯一性关系比）间存在唯一性关系和试验的类型和试验的类型及应力路径等及应力路径等无关无关n 对具有相同的前期固结压力的超固结土也有相似的规律对具有相同的前期固结压力的超固结土也有相似的规

49、律5.5 5.5 土的抗剪强度指标土的抗剪强度指标 三轴试验指标三轴试验指标仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水n 饱和试样的不排饱和试样的不排水强度指标水强度指标c cu u不固结不排水试验不固结不排水试验O = 13 u=0 fcu 23 fc B=1 u1 = u2 = A ( )试验过程中不排水，试样密度不变，不论周围压力试验过程中不排水，试样密度不变，不论周围压力 3多大，抗剪强度和破坏时的有效应力状态相同多大，抗剪强度和破坏时的有效应力状态相同 总应力抗剪强度包线水平总应力抗剪强度包线水平 u=0， cu=( 1- 3)f/2 破坏时不同破坏时不同 3试验的有效应力莫尔圆相同试验的有

50、效应力莫尔圆相同u1fu2f有效应力有效应力莫尔圆莫尔圆总应力总应力莫尔圆莫尔圆5.5 5.5 土的抗剪强度指标土的抗剪强度指标 三轴试验指标三轴试验指标“密度密度-有效应力有效应力-抗剪强度抗剪强度”唯唯性关系性关系仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水O = cu f正常固结粘土层正常固结粘土层 p1先期固先期固结压力结压力 p2 p3cu1cu2cu3 p1 p2 p3n 不排水试验与固结不排水试验不排水试验与固结不排水试验不固结不排水试验不固结不排水试验固结不排水试验强度包线上的每一点对应于一固结不排水试验强度包线上的每一点对应于一个具有相同先期固结压力的不排水强度指标个具有相同先期固结压

51、力的不排水强度指标5.5 5.5 土的抗剪强度指标土的抗剪强度指标 三轴试验指标三轴试验指标仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水n 无侧限压缩试验无侧限压缩试验不固结不排水试验不固结不排水试验O = u=0 fcu 3=0qu= F 3 3= =0 0的不排水试验的不排水试验F f f=c=cu u =q=qu u/2/2F由于土样扰动等的由于土样扰动等的影响，一般稍低于影响，一般稍低于原位不排水强度原位不排水强度5.5 5.5 土的抗剪强度指标土的抗剪强度指标 三轴试验指标三轴试验指标仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水F饱和试样的不排水强度指标饱和试样的不排水强度指标: : u u =0 ,=

52、0 ,c cu uF饱和饱和CUCU与与UUUU强度指标强度指标: : 有关联有关联F无侧限压缩试验：无侧限压缩试验： 3 3=0, =0, 是特殊的是特殊的UUUU试验试验不固结不排水试验小结不固结不排水试验小结5.5 5.5 土的抗剪强度指标土的抗剪强度指标 三轴试验指标三轴试验指标仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水试验类型试验类型试验方法试验方法强度指标强度指标慢剪慢剪Slow Shear 施加正应力施加正应力-充分固结充分固结 慢剪，保证无超静孔压慢剪，保证无超静孔压 cs， s固结快剪固结快剪Consolidated Quick Shear 施加正应力施加正应力-充分固结充分固结 快

53、剪，在快剪，在3-5分钟内剪切坏分钟内剪切坏ccq， cq快剪快剪Quick Shear 施加正应力后不固结，施加正应力后不固结， 立即快剪，立即快剪，3-5分钟内剪坏分钟内剪坏cq， q直剪试验类型和强度指标直剪试验类型和强度指标5.5 5.5 土的抗剪强度指标土的抗剪强度指标 直剪试验强度指标直剪试验强度指标仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水n 排水条件不明确，但可以模拟实际工程问题排水条件不明确，但可以模拟实际工程问题直剪试验强度指标直剪试验强度指标F 对于砂土，三种试验结果都接近于对于砂土，三种试验结果都接近于c F 对于粘性土，对于粘性土，慢剪：慢剪：cs c ， s ， 一般强度指

54、标稍大，常乘系数一般强度指标稍大，常乘系数0.9固结快剪：固结快剪：ccq ccu cqcu 快剪：快剪： 对于对于 k10-7cm/s的粘土的粘土 cq cu qu5.5 5.5 土的抗剪强度指标土的抗剪强度指标 直剪试验强度指标直剪试验强度指标仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水土的强度指标的工程应用土的强度指标的工程应用F 有效应力指标还是总应力指标？有效应力指标还是总应力指标？F 三轴试验指标还是直剪试验指标？三轴试验指标还是直剪试验指标？F 峰值强度指标还是残余强度指标？峰值强度指标还是残余强度指标？5.5 5.5 土的抗剪强度指标土的抗剪强度指标 工程应用工程应用仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水土的强度指标的工程应用土的强度指标的工程应用n 有效应力指标与总应力指标有效应力指标与总应力指标F凡是可以确定（测量、计算）孔隙水压力凡是可以确定（测量、计算）孔隙水压力u u的情况，都应当使用有效应力指标的情况，都应当使用有效应力指标c c ， F采用总应力指标时，应根据现场土体可能采用总应力指标时，应根据现场土体可能的固结排水情况，选用不同的总应力强度的固结排水情况，选用不同