地基基础第四土的抗剪强度(73P)

1、第四章第四章、土的抗剪强度土的抗剪强度e4.1 4.1 土的抗剪强度与极限平衡原理土的抗剪强度与极限平衡原理e4.2 4.2 土的剪切试验方法土的剪切试验方法 e4.3 4.3 不同排水条件时的剪切试验成果不同排水条件时的剪切试验成果e4.4 4.4 地基破坏型式和地基承载力地基破坏型式和地基承载力e4.5 4.5 工程地质勘察工程地质勘察土的抗剪强度：土的抗剪强度：土体抵抗剪切破坏的极限能力土体抵抗剪切破坏的极限能力 实例地基承载力问题实例地基承载力问题实例地基承载力问题实例地基承载力问题加拿大特朗斯康大谷仓工程实例地基承载力问题近代世界上最严重的建筑物破坏之一1940年水泥仓库装载水泥，使

2、粘性土超载，引起地基土剪切破坏而滑动。倾斜45度，地基土被挤出达5.18米，23米外的办公楼也发生倾斜。美国纽约某水泥仓库4.1 土的抗剪强度与极限平衡原理土的抗剪强度与极限平衡原理4.1.1 库仑定律库仑定律17761776年，库仑根据年，库仑根据砂土砂土剪切试验得出剪切试验得出 f = tan 砂土砂土后来，根据后来，根据粘性土粘性土剪切试验剪切试验得出得出 f =c+ tan 粘土粘土c 库仑定律：库仑定律：土的抗剪强土的抗剪强度是剪切面上的法向总应度是剪切面上的法向总应力力 的线性函数的线性函数 tanfcftan f f库伦公式库伦公式 tgcf cf 抗剪强度指标抗剪强度指标c:

3、:土的粘聚力土的粘聚力 : :土的内摩擦角土的内摩擦角( (无粘性土：无粘性土：c=0) 土的抗剪强度一般可分为两部分：一部土的抗剪强度一般可分为两部分：一部分与颗粒间的法向应力有关，通常呈正比例分与颗粒间的法向应力有关，通常呈正比例关系，其本质是关系，其本质是摩擦力摩擦力；另一部分是与法向；另一部分是与法向应力无关的土粒之间的粘结力，通常称为应力无关的土粒之间的粘结力，通常称为粘粘聚力聚力。影响因素影响因素土的抗剪强度土的抗剪强度内在因素内在因素外在因素：外在因素：试验时的排水条件等因素试验时的排水条件等因素颗粒间的有效法向应力颗粒间的有效法向应力土的孔隙比土的孔隙比表达方法表达方法土的抗剪

4、强度土的抗剪强度总应力法：总应力法：总应力强度指标总应力强度指标有效应力法：有效应力法：有效应力强度指标有效应力强度指标uu cf 莫尔包线表示材料在不同应力作用下达莫尔包线表示材料在不同应力作用下达到到极限状态极限状态时，滑动面上法向应力时，滑动面上法向应力 与剪应与剪应力力 f 的关系。的关系。莫尔包线莫尔包线 f =c+ tan 4.1.2 莫尔莫尔- -库伦强度理论库伦强度理论土体内一点处土体内一点处不同方位不同方位的截面上应力的集合的截面上应力的集合（剪应力（剪应力 和法向应力和法向应力 ） 3 3 1 1 3 1 斜面上的应力斜面上的应力2cos212131312sin21314.

5、1.3 土中一点的应力状态土中一点的应力状态 o 1 31/2( 1 + 3 ) 2 a( , )土中某点的土中某点的应应力状态力状态可用莫可用莫尔应力圆描述尔应力圆描述 3 1 莫尔圆可以表示土体中一点的应力状态，莫尔圆可以表示土体中一点的应力状态，莫尔圆圆周上各点的坐标就表示该点在相莫尔圆圆周上各点的坐标就表示该点在相应平面上的应平面上的正应力正应力和和剪应力剪应力。应力圆应力圆与强度线与强度线相离：相离： 强度线强度线应力圆应力圆与强度线与强度线相切：相切：应力圆应力圆与强度线与强度线相割：相割：极限应极限应力圆力圆f 破坏状态破坏状态 4.1.4 土的极限平衡条件土的极限平衡条件莫尔库

6、仑破坏准则莫尔库仑破坏准则 3 1c f2 fa cctg 1/2( 1 + 3 )313121cot21sinc245tan2245tan231ooc245tan2245tan213ooc无粘性土：无粘性土：c=0245tan231o245tan213o粘性土：粘性土：tg cfabdof极限平衡条件莫尔库仑破坏准则极限应力圆破坏应力圆剪切破坏面粘性土的极限平衡条件1= 3tg2(45+/2)2ctg (45+/2)3= 1tg2(45/2)2ctg (45/2)无粘性土的极限平衡条件1 1= = 3 3tgtg2 2(45+/2)(45+/2)3 3= = 1 1tgtg2 2(45(45

7、/2)/2) )245( 土体处于极限平衡状态时，破坏面与大主应力作土体处于极限平衡状态时，破坏面与大主应力作用面的夹角为用面的夹角为 f f2 f 3 1c a cctg 1/2( 1 + 3 )2459021f45max说明：说明：剪破面并不产生于最大剪应力面，而与最大剪破面并不产生于最大剪应力面，而与最大剪应力面成剪应力面成 / 2的夹角。因此，土的剪切破坏并不是的夹角。因此，土的剪切破坏并不是由最大剪应力由最大剪应力max所控制。所控制。 max的方法的方法测定土抗剪强度测定土抗剪强度直接剪切试验直接剪切试验三轴压缩试验三轴压缩试验无侧限抗压强度试验无侧限抗压强度试验现场十字板剪切仪现

8、场十字板剪切仪4.2 土的剪切试验方法土的剪切试验方法试验仪器：试验仪器：直剪仪（直剪仪（应变控制式应变控制式，应力控制式），应力控制式）4.2.1 直接剪切试验直接剪切试验应变控制式直剪仪的试验原理：应变控制式直剪仪的试验原理： 对同一种土至少取对同一种土至少取4个平行试样，分别个平行试样，分别在不同垂直压力在不同垂直压力 下剪切破坏，将试验结果下剪切破坏，将试验结果绘制抗剪强度绘制抗剪强度 f与相应垂直压力与相应垂直压力 的关系图。的关系图。剪切容器与应力环 在不同的垂直压力在不同的垂直压力 下进行剪切试验，得相应的抗剪下进行剪切试验，得相应的抗剪强度强度f，绘制绘制f - 曲线，得该土的

9、抗剪强度包线曲线，得该土的抗剪强度包线apatf在法向应力在法向应力 作用下，剪应力与剪切位移关系曲线。作用下，剪应力与剪切位移关系曲线。4 4mmmm a a b b 剪切位移剪切位移l (0.01mm)(0.01mm) 剪应力剪应力 （kpakpa) ) 1 1 2 2 快剪快剪固结快剪固结快剪慢剪慢剪在直剪试验过程中，根据加荷速率的快慢可将试验 划分为:直剪试验优缺点直剪试验优缺点n优点：优点：仪器构造简单，试样的制备和安装方便，仪器构造简单，试样的制备和安装方便，易于操作。易于操作。 n缺点：缺点： 剪切破坏面固定，且不一定是土样的最薄弱面。剪切破坏面固定，且不一定是土样的最薄弱面。

10、不能严格控制排水条件，不能量测土样的孔隙水不能严格控制排水条件，不能量测土样的孔隙水压力。压力。 剪切过程中试样剪切面积逐渐减小，剪切面上的剪切过程中试样剪切面积逐渐减小，剪切面上的剪应力分布不均匀。剪应力分布不均匀。一、抗剪强度包线一、抗剪强度包线 分别在不同的周围压力分别在不同的周围压力 3作用下进行剪切，得作用下进行剪切，得到到3 34 4 个不同的破坏应力圆，绘出各应力圆的公切个不同的破坏应力圆，绘出各应力圆的公切线即为土的抗剪强度包线。线即为土的抗剪强度包线。 抗剪强度包线抗剪强度包线 c 4.2.2 三轴压缩试验三轴压缩试验二、三轴剪切试验二、三轴剪切试验n试验仪器：试验仪器： 应

11、变控制式应变控制式三轴仪：三轴仪：压力室压力室，加压系统加压系统，量测系量测系 统统组成组成 ( (常用常用） 应力控制式三轴仪应力控制式三轴仪n试验步骤试验步骤: : 3 3 3 3 3 3 2.2.施加周围压力施加周围压力3.3.施加竖向压力施加竖向压力1.1.装样装样三轴压缩仪三轴压缩仪应变控制式三轴仪：应变控制式三轴仪：n压力室压力室n加压系统加压系统n量测系统量测系统轴向加荷系统加压和量测系统三轴试验优缺点三轴试验优缺点 优点：优点： 能控制排水条件，量测孔隙水压力。能控制排水条件，量测孔隙水压力。试样的应力分布比较均匀，试样的应力分布比较均匀，剪切破坏面为最薄弱面。剪切破坏面为最薄

12、弱面。 缺点：缺点： 试验仪器复杂，操作技术要求高，试样制备较复杂。试验仪器复杂，操作技术要求高，试样制备较复杂。 试验在试验在 2 2= = 3 3的轴对称条件下进行，与土体实际受力情的轴对称条件下进行，与土体实际受力情况可能不符。况可能不符。 4.3 4.3 不同排水条件时的剪切试验成果不同排水条件时的剪切试验成果4.3.1 总应力强度指标与有效应力强度指标总应力强度指标与有效应力强度指标cftancucftantanc 、 为土的有效为土的有效粘聚力和有效内摩粘聚力和有效内摩擦角，即土的有效擦角，即土的有效应力强度指标应力强度指标 c 、 为土的总应为土的总应力强度指标力强度指标 有效应

13、力原理：有效应力原理：土的抗剪强度并不是由剪切面上的法向总土的抗剪强度并不是由剪切面上的法向总应力决定，而是取决于剪切面上的应力决定，而是取决于剪切面上的法向有效应力。法向有效应力。 三轴压缩试验三轴压缩试验按剪切前的按剪切前的固结程度固结程度和和剪切时的剪切时的排水条件排水条件，可以分为三种试验方法：，可以分为三种试验方法： 1.不固结不排水试验不固结不排水试验 (uuuu试验试验) 2.固结不排水试验固结不排水试验 (cucu试验试验) 3.固结排水试验固结排水试验 (cdcd试验试验)4.3.24.3.2 不同排水条件时的剪切试验方法及成果不同排水条件时的剪切试验方法及成果1.1.不固结

14、不排水剪（不固结不排水剪（uuuu） n三轴试验：三轴试验：施加周围压力施加周围压力 3、轴向压力、轴向压力 直至剪直至剪破的整个过程都关闭排水破的整个过程都关闭排水阀门，不允许试样排水固阀门，不允许试样排水固结。结。 3 3 3 3 3 3 n直剪试验：直剪试验：通过试验加荷通过试验加荷的快慢来实现是否排水。的快慢来实现是否排水。使试样在使试样在3 35 5minmin内剪破，内剪破，称之为快剪。称之为快剪。关闭排关闭排水阀水阀 3 3 3 3 3 3 有效应力圆有效应力圆总应力圆总应力圆 u u=0=0bccu uaa 3a 1a饱和粘性土在三组饱和粘性土在三组 3 3下的不排水剪下的不排

15、水剪试验得到试验得到a、b、c三个不同三个不同 3 3作用作用下破坏时的总应力圆，但只能得到下破坏时的总应力圆，但只能得到一个有效应力圆一个有效应力圆。试验表明：试验表明：虽然三个试样的周围压力虽然三个试样的周围压力 3 3不同，但破坏不同，但破坏时的主应力差相等，三个极限应力圆的直径相等，因时的主应力差相等，三个极限应力圆的直径相等，因而强度包线是一条水平线。而强度包线是一条水平线。2. 2. 固结不排水剪（固结不排水剪（cucu） n三轴试验：三轴试验：施加周围压力施加周围压力 3 3时打开排水阀门，试样完全时打开排水阀门，试样完全排水固结，孔隙水压力完全排水固结，孔隙水压力完全消散。然后

16、关闭排水阀门，消散。然后关闭排水阀门，再施加轴向压力增量再施加轴向压力增量 ，使，使试样在不排水条件下剪切破试样在不排水条件下剪切破坏。坏。 3 3 3 3 3 3 n直剪试验：直剪试验：剪切前试样在垂剪切前试样在垂直荷载下充分固结，剪切时直荷载下充分固结，剪切时速率较快，使土样在剪切过速率较快，使土样在剪切过程中不排水，这种剪切方法程中不排水，这种剪切方法为称固结快剪。为称固结快剪。打开打开排排水阀水阀关闭关闭排排水阀水阀 3 3 3 3 3 3 将总应力圆在水平轴上左移将总应力圆在水平轴上左移u uf f得到相应的有效应力得到相应的有效应力圆，按有效应力圆强度包线可确定圆，按有效应力圆强度

17、包线可确定c 、 ccuc cucu 饱和粘性土在三组饱和粘性土在三组 3 3下进行固结不排水剪下进行固结不排水剪试验得到试验得到a、b、c三个不同三个不同 3 3作用下破坏作用下破坏时的总应力圆，由总应力圆强度包线确定时的总应力圆，由总应力圆强度包线确定固结不排水剪总应力强度指标固结不排水剪总应力强度指标ccu、 cuabc3. 3. 固结排水剪（固结排水剪（cdcd） n三轴试验：三轴试验：试样在围压试样在围压 3 3作用下排水固结，再缓慢作用下排水固结，再缓慢施加轴向压力增量施加轴向压力增量 ，直，直至剪破，整个试验过程中至剪破，整个试验过程中打开排水阀门，始终保持打开排水阀门，始终保持

18、试样的孔隙水压力为零。试样的孔隙水压力为零。 3 3 3 3 3 3 n直剪试验：直剪试验：试样在垂直压力试样在垂直压力下固结稳定，再以缓慢的速下固结稳定，再以缓慢的速率施加水平剪力，直至剪破，率施加水平剪力，直至剪破，整个试验过程中尽量使土样整个试验过程中尽量使土样排水，试验方法称为慢剪。排水，试验方法称为慢剪。打开打开排排水阀水阀在整个排水剪试验过程中，在整个排水剪试验过程中，uf 0 0，总应力全部转化为总应力全部转化为有效应力，所以总应力圆即是有效应力圆，总应力强有效应力，所以总应力圆即是有效应力圆，总应力强度线即是有效应力强度线，强度指标为度线即是有效应力强度线，强度指标为cd、 d

19、 d。 cd d d总结总结: : 3 3 3 3 3 3 对于同一种土，在不同的排水条件下进行试验，总应力对于同一种土，在不同的排水条件下进行试验，总应力强度指标完全不同。强度指标完全不同。有效应力强度指标不随试验方法的改变而不同，抗剪强有效应力强度指标不随试验方法的改变而不同，抗剪强度与有效应力有唯一的对应关系。度与有效应力有唯一的对应关系。ququ加压加压框架框架量表量表量力环量力环升降升降螺杆螺杆无侧限压缩仪无侧限压缩仪 3=0试试样样4.3.3 无侧限抗压强度试验无侧限抗压强度试验无侧限无侧限压缩仪压缩仪 0cu0 u 无侧限抗压强度试验无侧限抗压强度试验qu无侧限抗压强度试验所得的

20、极限无侧限抗压强度试验所得的极限应力圆的应力圆的水平切线水平切线就是破坏包线就是破坏包线2uufqc 5.4 地基破坏型式和地基承载力地基破坏型式和地基承载力整体剪切破坏整体剪切破坏局部剪切破坏局部剪切破坏冲剪破坏冲剪破坏5.4.1 地基破坏型式地基破坏型式 1.整体剪切破坏整体剪切破坏 整体剪切破坏型式的整体剪切破坏型式的压力压力沉降关系曲线沉降关系曲线ps0线性变形阶段线性变形阶段弹塑性变形阶段弹塑性变形阶段塑性破坏阶段塑性破坏阶段整体剪切破坏整体剪切破坏 2.局部剪切破坏局部剪切破坏 sp局部剪切破坏型式的局部剪切破坏型式的压力压力沉降关系曲线沉降关系曲线0压力和沉降关系曲线从一压力和沉降关系曲线从一开始就呈现开始就呈现非线性关系非线性关系局部剪切破坏局部剪切破坏 3.冲剪破坏冲剪破坏ps冲剪破坏型式的冲剪破坏型式的压力压力沉降关系曲线沉降关系曲线0无明显的转折现象无明显的转折现象 地基剪切破坏的型式，主要与地基剪切破坏的型式，主要与土的压缩土的压缩性质有关性质有关。坚硬坚硬或或密实密实的土的土松软松软土土整体剪切破坏整体剪切破坏局部剪切破坏局部剪切破坏冲剪破坏冲剪破坏地基承载力地基承载力临塑荷载临塑荷载pcr地基极限承载力地基极限承载力pu地基容许承载力地基容许承载力pa4.4.2 地基承载力地基承载力ps0abpupcr整体剪