土的抗剪强度极限分析及试验方法课件

1、土的抗剪强度极土的抗剪强度极限分析及试验方限分析及试验方法法 4.1概 述 土的破坏主要是由于剪切土的破坏主要是由于剪切引起的，剪切破坏是土体引起的，剪切破坏是土体破坏的重要特点破坏的重要特点 工程实践中与土的抗剪强工程实践中与土的抗剪强度有关的工程主要有以下度有关的工程主要有以下3类类 （1）土质土坝的稳定）土质土坝的稳定 （2）土压力）土压力 （3）地基的承载力问题）地基的承载力问题工程实例土坡稳定 This photo shows a failure of a tailings dam retaining gypsum tailings in Florida. It can be see

2、n that the wet gypsum tailings flowed like a viscous liquid when the dam failed. 工程实例土坡稳定 This tailings dam in South Africa retained tailings from a platinum mine. Note the very flat slope formed by the tailings as they came to rest, indicating their very low shear strength. 工程实例土坡稳定 The slide exten

3、ded for about 1100 feet along the embankment. At the north end, near the inlet-outlet structure visible in this photo, the scarp at the top of the slide was about 30 feet high. At the bottom of the slope the toe of the slide moved horizontally about 30 feet out into the reservoir. 工程实例土坡稳定 The slide

4、 in the upstream shell is shown here with the reservoir emptied. The paved road surface identifies the former crest of the dam. 工程实例土坡稳定工程实例土坡稳定工程实例地基承载力问题工程实例地基承载力问题工程实例地基承载力问题加拿大特朗斯康谷仓：1911年动工1913年完工谷仓自重20000吨1913年10月17日发现1小时内竖向沉降达30.5厘米，结构物向西倾斜，并在24小时内倾倒，谷仓西端下沉7.32米，东端上抬1.52米产生原因：地基承载力不够，超载引发强度破坏

5、而产生滑动。工程实例地基承载力问题美国纽约某水泥仓库：是近代世界上最严重的建筑物破坏之一位于纽约汉森河旁1940年水泥仓库装载水泥，使粘性土超载，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。工程实例地基承载力问题4.2 土的抗剪强度的基本理论土的抗剪强度的基本理论 强度的概念与莫尔库仑理论强度的概念与莫尔库仑理论 库仑的抗剪强度定律将土的抗剪强度表示库仑的抗剪强度定律将土的抗剪强度表示为剪切面上法向应力的函数，即为剪切面上法向应力的函数，即f=c+ tg ， 式中，式中，c，分别为土的粘聚力分别为土的粘聚力和内摩擦角，亦称为土的强度指标。和内摩擦

6、角，亦称为土的强度指标。 砂土的抗剪强度表达式为砂土的抗剪强度表达式为f= tg ，粘，粘性土的抗剪强度表达式为性土的抗剪强度表达式为f=c+ tg ， 前者是后者的特殊形式，即前者是粘聚力前者是后者的特殊形式，即前者是粘聚力c=0的后者形式。的后者形式。强度的概念与莫尔库仑理论固体间的摩擦力直接取决于接触面上的法向力和接触材料的摩擦角强度的概念与莫尔库仑理论材料力学理论强度的概念与莫尔库仑理论强度的概念与莫尔库仑理论（13）/2ooo（13）/2强度的概念与莫尔库仑理论tgf强度的概念与莫尔库仑理论tg cf土的极限平衡条件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

7、剪切破坏面土的极限平衡条件土的极限平衡条件土的极限平衡条件土的极限平衡条件 土体中剪破面并不发生在最大剪应力的作土体中剪破面并不发生在最大剪应力的作用面用面= 45上，而是发生在与最大主应力上，而是发生在与最大主应力平面成平面成= 45+ /2夹角的斜面上。夹角的斜面上。 P124 例例4-1已知有关参数已知有关参数11、33 、c、, 判断土样的状态判断土样的状态例题例题2 已知某地基土的已知某地基土的c=20kPa，=20，若地基中某，若地基中某 点的大主应力为点的大主应力为300kPa，当小主应力为何值时，该土，当小主应力为何值时，该土处于极限平衡状态处于极限平衡状态?并说明其剪裂的位置

8、。并说明其剪裂的位置。 解：已知最大主应力解：已知最大主应力 1=300kPa，将有关数据代，将有关数据代 入公式，得最小主应力的计算值：入公式，得最小主应力的计算值：4.3 抗剪强度试验方法抗剪强度试验方法 测定土抗剪强度指标的试验称为剪切试验 按照常用的试验仪器将剪切试验分为 直接剪切试验 三轴压缩试验 无侧向抗压强度试验 十字板剪切试验直接剪切试验直接剪切试验直接剪切试验直接剪切试验直接剪切试验直接剪切试验直接剪切试验直接剪切试验直接剪切试验 在直剪试验过程中，不能量测孔隙水应力，也不能控制排水，所以只能以总应力法来表示土的抗剪强度。但是为了考虑固结程度和排水条件对抗剪强度的影响，根据加

9、荷速率的快慢可将试验划分为快剪、固结快剪、固结快剪、慢剪快剪、慢剪三种试验类型。 快剪(P125释义) 固结快剪 慢剪直接剪切试验直接剪切试验 直剪试验的缺点 剪切破坏面固定为上下盒之间的水平面 试验中试验的排水程度靠试验速度的快慢控制 由于上下土盒的错动，剪切过程中试样的有效面积减小，使试样中的应力分布不均匀，主应力方向发生变化，当剪切变形较大时这一缺陷表现更为突出三轴压缩试验 三轴压缩试验直接量测的是试样在不同恒定周围压力下的抗压强度，然后利用莫尔库仑破坏理论间接推求土的抗剪强度。三轴压缩试验三轴压缩试验三轴压缩试验三轴压缩试验图中图中:A为紧砂，为紧砂，B为松砂为松砂三轴压缩试验 三轴试

10、验根据试样的固结和排水条件不同，可分为不固结不排水剪（UU）、固结不排水剪（CU）、固结排水剪（CD）。分别对应于直剪试验的快剪、固结快剪、和慢剪试验。三轴压缩试验 剪破有效应力剪破有效应力 有效应力圆与总应力圆大小相同，只是当剪破时的有效应力圆与总应力圆大小相同，只是当剪破时的孔隙水应力为正值时，有效应力圆在总应力圆的左边；孔隙水应力为正值时，有效应力圆在总应力圆的左边；而当剪破时的孔隙水应力为负值时，有效应力圆在总应而当剪破时的孔隙水应力为负值时，有效应力圆在总应力圆的右边。力圆的右边。三种试验结果的对比4.4土的抗剪强度指标与主要影响因土的抗剪强度指标与主要影响因素素 1、土的抗剪强度指

11、标、土的抗剪强度指标c、 2、影响土的抗剪强度的因素、影响土的抗剪强度的因素(P129) 土粒的矿物成分、形状、颗粒大小与颗粒级配土粒的矿物成分、形状、颗粒大小与颗粒级配 土的密度土的密度 含水量含水量 土体结构的扰动情况土体结构的扰动情况 孔隙水压力的影响孔隙水压力的影响 4.5土的天然强度及强度增长规律土的天然强度及强度增长规律 4.5.1 土的天然强度 测定土的天然强度的几种方法 (1)三轴不固结不排水剪切(UU)试验 (2)无侧限抗压强度试验 (3)直接剪切试验 (4)十字版剪切试验三轴不固结不排水剪切(UU)试验 测定土的天然强度 f= (11+3)/23)/2 无侧限抗压强度试验

12、三轴压缩试验当周围压力为零时即为无侧限试验条件，此时只有轴向压力，所以也称单轴压缩试验。 由于试样的侧向力为零，在轴向受压时，其侧向变形不受限制，故又称无侧限压缩试验。 由于试样是在轴向压缩的条件下破坏的，因此把这种情况下土能承受的最大轴向压力称为无侧限抗压强度，以qu表示无侧限抗压强度试验无侧限抗压强度试验极限应力圆不排水强度直接剪切试验 土的天然强度土的天然强度 f=cq+ tg q原位十字板剪切试验 原位十字板剪切试验是一种利用十字板剪切仪在现场测定土的抗剪强度的方法。这种方法适用于在现场测定饱和粘性土的原位不排水强度，特别适用于均匀的饱和软粘土。原位十字板剪切试验原位十字板剪切试验软土

13、在荷载下的强度增长规律 软土在外荷载作用下，若总应力不变和地基有排软土在外荷载作用下，若总应力不变和地基有排水固结条件，则正常固结土在自重应力作用下已水固结条件，则正常固结土在自重应力作用下已固结，在附加应力作用下抗剪强度增加到固结，在附加应力作用下抗剪强度增加到ft= f0+ f 提高地基强度的措施的原则提高地基强度的措施的原则:使应力路径处于抗剪使应力路径处于抗剪强度线以下强度线以下 提高地基强度的措施提高地基强度的措施:油罐充水对软土地基进行预油罐充水对软土地基进行预压压(P134) 工程中常用排水固结法工程中常用排水固结法 排水固结法排水固结法 排水固结法是在建筑物建造前，对天然地排水

14、固结法是在建筑物建造前，对天然地基或已设置竖向排水体的地基加载预压，使基或已设置竖向排水体的地基加载预压，使土体固结沉降基本结束或完成大部分，从而土体固结沉降基本结束或完成大部分，从而提高地基土强度的一种地基加固方法。提高地基土强度的一种地基加固方法。 加载方法加载方法 主要包括：主要包括：直接堆载法、真空预压法、降低地下水直接堆载法、真空预压法、降低地下水法以及电渗法法以及电渗法真空预压法真空预压法 在粘土层上铺设砂垫层，然后用不透气薄膜密封砂在粘土层上铺设砂垫层，然后用不透气薄膜密封砂垫层，用真空泵对砂垫层和砂井抽气，使土体和砂垫层垫层，用真空泵对砂垫层和砂井抽气，使土体和砂垫层以及砂井之

15、间形成压力差，发生渗流，使土中孔隙水压以及砂井之间形成压力差，发生渗流，使土中孔隙水压力不断降低，有效应力不断增强，促使土体固结沉降。力不断降低，有效应力不断增强，促使土体固结沉降。降低地下水位法降低地下水位法电渗法电渗法 在土中插入金属电极并通以直流电，由于电场作用，在土中插入金属电极并通以直流电，由于电场作用，土中水从阳极流向阴极。如将阴极积聚的水排走，土体土中水从阳极流向阴极。如将阴极积聚的水排走，土体中孔隙水就会减少，有效应力增大导致沉降固结。中孔隙水就会减少，有效应力增大导致沉降固结。排水系统的作用排水系统的作用 改变地基的排水边界条件，缩短排水距离改变地基的排水边界条件，缩短排水距

16、离和增加孔隙水排出的途径；和增加孔隙水排出的途径；加压系统的作用加压系统的作用 起固结作用，使地基土的固结压力增加而起固结作用，使地基土的固结压力增加而产生固结；产生固结；排水系统和加压系统是联合使用的。排水系统和加压系统是联合使用的。适用范围：饱和软粘土地基，应用于路堤、仓适用范围：饱和软粘土地基，应用于路堤、仓库。罐体、飞机跑道等库。罐体、飞机跑道等 排水固结的原理排水固结的原理 1.固结机理固结机理 饱和软粘土地基在荷饱和软粘土地基在荷载作用下，孔隙中的水被载作用下，孔隙中的水被慢慢排出，孔隙体积慢慢慢慢排出，孔隙体积慢慢减小，地基发生固结变形，减小，地基发生固结变形，同时，随着超静水压

17、力逐同时，随着超静水压力逐渐消散，有效应力逐渐提渐消散，有效应力逐渐提高，地基土的强度逐渐增高，地基土的强度逐渐增长。长。abc为压缩曲线、为压缩曲线、cef为为卸荷曲线、卸荷曲线、fgc为再压为再压缩曲线缩曲线固结理论公式固结理论公式 固结时间与排水距离的平方成正比，缩短排水距固结时间与排水距离的平方成正比，缩短排水距离可大大缩短固结时间。离可大大缩短固结时间。 在地基中设置砂垫层及砂井等的目的就是为了增在地基中设置砂垫层及砂井等的目的就是为了增加排水途径，缩短排水距离，从而加快软弱土层的排加排水途径，缩短排水距离，从而加快软弱土层的排水固结。水固结。vvCHTt2 排水固结法设计计算排水固

18、结法设计计算一、设计前应取得的资料一、设计前应取得的资料 进行岩土工程勘察，查明场地的工程地质和水进行岩土工程勘察，查明场地的工程地质和水文地质条件；文地质条件； 室内土工试验，确定土的固结系数、孔隙比和室内土工试验，确定土的固结系数、孔隙比和固结压力关系、三轴试验强度等；固结压力关系、三轴试验强度等； 进行原位十字板剪切试验，确定各土层十字板进行原位十字板剪切试验，确定各土层十字板抗剪强度。抗剪强度。二、加载预压法设计二、加载预压法设计 其设计内容包括：其设计内容包括：选择竖向排水体，确定其尺寸、选择竖向排水体，确定其尺寸、间距、排列方式和深度；间距、排列方式和深度； 确定预压荷载的大小、范

19、围、速率和预压时间；确定预压荷载的大小、范围、速率和预压时间； 计算地基的固结度、强度增长；计算地基的固结度、强度增长； 进行稳定性和变形计算。进行稳定性和变形计算。 预压荷载的施工预压荷载的施工 可分三类：可分三类：利用建筑物自重加压；利用建筑物自重加压；施施加外部荷载（堆载预压法）；加外部荷载（堆载预压法）；减小地基土的减小地基土的孔隙水（真空预压法）孔隙水（真空预压法）(一一)利用建筑物的自重利用建筑物的自重 在未经预压的天然软土地基上直接建造建在未经预压的天然软土地基上直接建造建筑物。如：路堤、土坝、贮矿场、油罐、水池筑物。如：路堤、土坝、贮矿场、油罐、水池等。等。(二二)堆载预压堆载

20、预压2.施工要点和施工控制施工要点和施工控制1.施工工艺施工工艺(三三)真空预真空预 压施工压施工1.施工工艺施工工艺2.施工设备施工设备 包括：真空泵和一套膜内、外管路包括：真空泵和一套膜内、外管路真空泵真空泵3.密封系统密封系统 由密封膜、密封沟和辅助密封措施组成。由密封膜、密封沟和辅助密封措施组成。 密封膜：一般铺密封膜：一般铺3层。层。 密封要求：一是膜与软土的接触有足够的长度，密封要求：一是膜与软土的接触有足够的长度，以保证有足够长的渗透途径；二是膜周边密封处应以保证有足够长的渗透途径；二是膜周边密封处应有一定的压力，保证膜与软土接触紧密。有一定的压力，保证膜与软土接触紧密。 密封方

21、式主要有：挖沟折膜法和平铺膜法。密封方式主要有：挖沟折膜法和平铺膜法。4.施工要点施工要点 施工观测及质量检验施工观测及质量检验一、地基土的物理力学性能指标检验一、地基土的物理力学性能指标检验二、孔隙水压力观测二、孔隙水压力观测1.观测仪器观测仪器 双管式孔隙压力计和钢弦式孔隙压力计。双管式孔隙压力计和钢弦式孔隙压力计。2.观测点的布置观测点的布置 一般布置在场地中央，堆载坡顶及堆载坡角的不一般布置在场地中央，堆载坡顶及堆载坡角的不同深度处。同深度处。3.资料应用资料应用 计算固结度；计算固结度；用用u/p值控制加荷速率；值控制加荷速率；用用u-p曲线控制加荷速率曲线控制加荷速率观测项目：孔隙

22、水压力，沉降，边桩位移，真空度等观测项目：孔隙水压力，沉降，边桩位移，真空度等 施工观测及质量检验施工观测及质量检验三、沉降观测三、沉降观测1.观测点的布置：观测点的布置： 沿场地对称轴线、场地中心、坡顶、坡脚和场外沿场地对称轴线、场地中心、坡顶、坡脚和场外10m范围范围2.资料应用资料应用 推算最终变形量；推算最终变形量；求任意时间固结度；求任意时间固结度；控制加荷速率。控制加荷速率。四、边桩位移观测四、边桩位移观测4.6 土的强度特性土的强度特性 砂土的抗剪强度受密度、颗粒形状、表面粗糙度砂土的抗剪强度受密度、颗粒形状、表面粗糙度和级配的影响。对于一般砂土来讲，影响抗剪强和级配的影响。对于

23、一般砂土来讲，影响抗剪强度的主要因素是其初始孔隙比（或初始干密度）度的主要因素是其初始孔隙比（或初始干密度） 初始孔隙比越小，抗剪强度越高初始孔隙比越小，抗剪强度越高 同一种砂土在相同的孔隙比下饱和时的内摩擦角同一种砂土在相同的孔隙比下饱和时的内摩擦角比干燥时小比干燥时小砂性土的剪切性状砂性土的剪切性状砂土的应力轴向应变体变 松砂受剪时，颗粒松砂受剪时，颗粒滚落到平衡位置，滚落到平衡位置，排列更紧密些，所排列更紧密些，所以体积缩小，把这以体积缩小，把这种因剪切而体积缩种因剪切而体积缩小的现象称为小的现象称为剪缩剪缩性性松 砂砂土的应力轴向应变体变 紧砂受剪时，颗粒紧砂受剪时，颗粒必须升高以离开

24、它必须升高以离开它们原来的位置而彼们原来的位置而彼此才能滑过，从而此才能滑过，从而导致体积膨胀，把导致体积膨胀，把这种因剪切而体积这种因剪切而体积膨胀的现象称为膨胀的现象称为剪剪胀胀性。性。紧 砂砂土的应力轴向应变体变砂土的应力轴向应变体变 随着轴向应变的增随着轴向应变的增加，松砂的强度逐渐增加，松砂的强度逐渐增加，曲线应变硬化。加，曲线应变硬化。体积逐渐减小体积逐渐减小紧砂的强度达到一定值紧砂的强度达到一定值后，随着轴向应变的继后，随着轴向应变的继续增加，强度反而减小，续增加，强度反而减小，最后呈应变软化型最后呈应变软化型 体积开始时稍有体积开始时稍有减小，继而增加，超减小，继而增加，超过它

25、的初始体积过它的初始体积砂土的应力轴向应变体变 砂土在低周围压力下砂土在低周围压力下由于初始孔隙比的不由于初始孔隙比的不同，剪破时的体积可同，剪破时的体积可能小于初始体积，也能小于初始体积，也可能大于初始体积，可能大于初始体积，则可以想象，砂土在则可以想象，砂土在某一初始孔隙比下受某一初始孔隙比下受剪，它剪破时的体积剪，它剪破时的体积将等于其初始体积，将等于其初始体积，这一初始孔隙比称为这一初始孔隙比称为临界孔隙比临界孔隙比。 砂土的临界孔砂土的临界孔隙比将随周围压力隙比将随周围压力的增加而减小的增加而减小砂土的应力轴向应变体变 饱和砂土在低周围压力下受剪时，如果不允许它的体积发生变化，则 紧

26、砂为抵抗剪胀的趋势，将通过调整土体内部应力，产生负孔隙水压力，使周围压力增加，以保持体积不变 松砂为抵抗体积缩小的趋势，将产生正孔隙水压力，是周围压力减小，以保持体积不变。砂土的残余强度砂土的液化 液化：任何物质转化为液体的行为或过程液化：任何物质转化为液体的行为或过程 砂土液化：砂土在突发的动荷载作用下，砂土液化：砂土在突发的动荷载作用下，不能在短时间排水固结，为抵抗剪力引起不能在短时间排水固结，为抵抗剪力引起的体积缩小的趋势，将产生很大的孔隙水的体积缩小的趋势，将产生很大的孔隙水压力，从而导致土体的抗剪能力完全丧失压力，从而导致土体的抗剪能力完全丧失的现象。的现象。地震引起的砂土液化 饱和

27、的粉、细砂在动荷载作用下易发生砂土液化，使地基饱和的粉、细砂在动荷载作用下易发生砂土液化，使地基失去承载力。失去承载力。 下图所示为下图所示为 1964 年年 6 月月 16 日日 日本新瀉发生日本新瀉发生 7.5 级级地震后，因地基土发生液化所造成的破坏，注意到虽然因地震后，因地基土发生液化所造成的破坏，注意到虽然因地基破坏而使得建筑物严重倾斜甚至倒下，但结构本身并地基破坏而使得建筑物严重倾斜甚至倒下，但结构本身并未破坏。未破坏。粘性土的剪切性状 重塑土:某些在含水率不变的条件下使其原有结构受彻底扰动的粘土 饱和粘性土试样的抗剪强度除受固结程度和排水条件影响外，在一定程度上还受它的应力历史的

28、影响粘土的残余强度粘土的残余强度 粘土的残余强度与它的应力历史无关 在大剪位移下超固结粘土的强度降低幅度比正常固结粘土的大 残余强度线为通过坐标原点的直线 粘土的结构性与灵敏度 粘土的强度随着其结构的改变而发生变化的特性称为土的结构性 某些在含水率不变的条件下使其原有结构受彻底扰动粘土，称为重塑土 灵敏度:原状试样的无侧限抗压强度与相同含水率下重塑试样的无侧限抗压强度之比 在含水率不变的条件下粘土因重塑而软化（强度降低），软化后又随静置时间的延长而硬化（强度增长）的这种性质称为粘土的触变性。粘土的蠕变 粘土的蠕变:在恒定剪应力作用下应变随时间而增长的现象。粘土的蠕变 只有当主应力差较大时，才能导致粘土的蠕变破只有当主应力差较大时，才能导致粘土的蠕变破坏。坏。 粘土的蠕变破坏过程的四个阶段粘土的蠕变破坏过程的四个阶段(P140) (1)弹性应变阶段：图中弹性应变阶段：图中OA段段 (2)初始蠕变阶段：图中初始蠕变阶段：图中AB段段 (3)稳定蠕变阶段：图中稳定蠕变阶段：图中BC段段 (4)加速蠕