第五章土强度

1、5、土的抗剪强度土的抗剪强度E5.1 5.1 库伦定律及摩尔库伦定律及摩尔- -库伦强度理论库伦强度理论E5.2 5.2 土的剪切试验方法土的剪切试验方法 5.1概述 变形破坏变形破坏 沉降、位移、不均匀沉降等超过规定限值沉降、位移、不均匀沉降等超过规定限值(已学已学) 地基破坏地基破坏 强度破坏强度破坏 地基整体或局部滑移、隆起，地基整体或局部滑移、隆起， 土工构筑物失稳、土工构筑物失稳、 滑坡滑坡土体强度破坏的机理：土体强度破坏的机理： 在外荷载作用下，土体中将产生剪应力和剪切变形，在外荷载作用下，土体中将产生剪应力和剪切变形，当土中某点由外力所产生的剪应力达到土的抗剪强度时，当土中某点由

2、外力所产生的剪应力达到土的抗剪强度时，土就沿着剪应力作用方向产生相对滑动，该点便发生土就沿着剪应力作用方向产生相对滑动，该点便发生剪切剪切破坏。破坏。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 1. 建筑物地基承载力问题建筑物地基承载力问题 基础下的地基土体产生整体滑动或因局部剪切破坏而导致过大的地基变基础下的地基土体产生整体滑动或因局部剪切破坏而导致过大的地基变形形 甚至倾覆。甚至倾覆。 建筑物地基承载力问题(图4)2. 构筑物环境的安全性问题即土压力问题构筑物环境的安全性问题即土压力问题 挡土墙、基坑等工程中，墙后土体强度破坏将造成过大的侧向土压力，挡

3、土墙、基坑等工程中，墙后土体强度破坏将造成过大的侧向土压力，导致墙体滑动、倾覆或支护结构破坏事故导致墙体滑动、倾覆或支护结构破坏事故 。 3.土土工工构构筑筑物物的的稳稳定定性性问问题题3. 土工构筑物的稳定性问题土工构筑物的稳定性问题 土坝、路堤等填方边坡以及天然土坡等，在超载、渗流乃至暴雨作土坝、路堤等填方边坡以及天然土坡等，在超载、渗流乃至暴雨作用下引起土体强度破坏后将产生整体失稳边坡滑坡等事故。用下引起土体强度破坏后将产生整体失稳边坡滑坡等事故。5.1.1 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，

4、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 fPTA土样库伦公式库伦公式 tgcf cf 抗剪强度指标抗剪强度指标c: :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

5、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。表达方法表达方法土的抗剪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uu5.1.2 莫尔莫尔- -库伦强度理论库伦强度理论 当土体中某点任意平面上的剪应力等于土的抗当土体中某点任意平面上的剪应力等于土的抗剪强度时，该点处于临界破坏状态，这种状态称为剪强度时，该点处于临界破坏状态，这种状态称为“极限平衡状态极限平衡状态”。表征该状态下各种应力之间的。表征该状态下各种应力之间的关系称为关系称为“极限平衡条件极限平衡条件”=f 极限平衡状态极限

6、平衡状态如何判断土中某点是否破坏，有二种方法：如何判断土中某点是否破坏，有二种方法：应力圆与强度线应力圆与强度线相离：相离： 强度线强度线应力圆与强度线应力圆与强度线相切：相切：应力圆与强度线应力圆与强度线相割：相割：极限应极限应力圆力圆f 破坏状态破坏状态 1、通过绘图判断土体某点是否破坏、通过绘图判断土体某点是否破坏2 2、通过极限平衡条件（莫尔库仑破坏准、通过极限平衡条件（莫尔库仑破坏准 则）判断则）判断 3 1c f2 fA cctg 1/2( 1 + 3 )313121cot21sinc土体某点是否破坏土体某点是否破坏1f= 3tg2(45+/2)2ctg (45+/2)3f= 1t

7、g2(45/2)2ctg (45/2)土体处于极限平衡状态所能承土体处于极限平衡状态所能承受最大或最小主应力：受最大或最小主应力：由由3计算计算1f比较比较1与与1f1 1f 破坏状态破坏状态213452tg 4522ftgc213452tg 4522ftgc假设已知某点的大小主应假设已知某点的大小主应力力1、3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1f1 1f 破坏状态破坏状态 O c 1f 3 1 1 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）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

8、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场十字板剪切仪5.2 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）5.2.1 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

9、验，得相应的抗剪强度强度f，绘制绘制f - 曲线，得该土的抗剪强度包线曲线，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 （kPa)kPa) 1 1 2 2 v快剪快剪v固结快剪固结快剪v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

10、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。 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 5.2.2 三轴压缩试验三轴压缩

11、试验 3 3 3 33131二、三轴剪切试验二、三轴剪切试验n试验仪器：试验仪器： 应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: :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v三轴压缩试验按排水条件的不同，可分为不固结不排水剪(UU剪)、固结不排水剪(CU剪)和固结排水剪(CD剪)三种试验方法。工程应用时，

12、当地基土的透水性和排水条件不良而施工速度较快时，可选用UU剪切试验指标；当地基土的透水性和排水条件较好而施工速度较慢时，可选用CD剪切试验指标；当建筑物停工或竣工较久后又突然加层，可选用CU剪切试验指标。 三轴试验根据排水条件不同可分为三种试验方法三轴试验根据排水条件不同可分为三种试验方法及每种试验方法所得指标的适用性：及每种试验方法所得指标的适用性：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。 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