清华大学胡黎明土力学-土抗剪强度

1、土力学（土力学（1）n绪绪 论论n第一章第一章 土的物理性质与工程分类土的物理性质与工程分类n第二章第二章 土的渗透性和渗透破坏土的渗透性和渗透破坏n第三章第三章 土中应力计算土中应力计算n第四章第四章 土的变形特性土的变形特性n第五章第五章 土的强度土的强度第五章第五章土的抗剪强度土的抗剪强度第一讲第一讲(3)第五章 土的抗剪强度绪绪 论论土的三大工程问题土的三大工程问题土的渗流问题土的渗流问题土的变形问题土的变形问题土的强度问题土的强度问题土的屈服与破坏土的屈服与破坏土的本构关系简化模型土的本构关系简化模型土的强度理论工程应用土的强度理论工程应用挡土结构物上的土压力；边坡稳定性挡土结构物上

2、的土压力；边坡稳定性地基承载力及地基稳定性地基承载力及地基稳定性31y)(311刚塑性模型刚塑性模型理想弹塑性模型理想弹塑性模型（ 土力学土力学(2)部分）部分）地基基础极限状态设计分为下列两类地基基础极限状态设计分为下列两类正常使用极限状态正常使用极限状态耐久性达到某项限值耐久性达到某项限值地基达到建筑物正常使用规定的变形值地基达到建筑物正常使用规定的变形值承载力极限状态承载力极限状态地基达到最大承载能力地基达到最大承载能力, ,整体失稳整体失稳地基发生不适于继续承载的变形地基发生不适于继续承载的变形第五章第五章 土的抗剪强度土的抗剪强度Chapter 5 Shear Strength of

3、 Soil核心内容核心内容1. 1.土是如何破坏的？土是如何破坏的？2.2.土的强度多大？土的强度多大？3.3.如何测定土的强度？如何测定土的强度？4.4.土的强度指标如何应用？土的强度指标如何应用？第五章 土的抗剪强度第五章 土的抗剪强度5.1 土体破坏与强度理论土体破坏与强度理论5.2 土的抗剪强度的测定试验土的抗剪强度的测定试验5.3 应力路径与破坏主应力线应力路径与破坏主应力线5.4 土的抗剪强度指标土的抗剪强度指标5.5 土的动强度与砂土的振动液化土的动强度与砂土的振动液化第五章 土的抗剪强度5.1.1 土的抗剪强度土的抗剪强度5.1.2 莫尔库伦破坏理论莫尔库伦破坏理论5.1.3

4、土的抗剪强度机理土的抗剪强度机理5.1 土体破坏与强度理论第五章 土的抗剪强度5.1.1 土的抗剪强度土的工程材料特点土的工程材料特点( (复习复习) )土的强度特点土的强度特点土体的破坏形式土体的破坏形式5.1 5.1 土体破坏与强度理论土体破坏与强度理论第五章 土的抗剪强度1. 1. 土的工程材料特点土的工程材料特点碎散性碎散性强度不是颗粒本身的强度，而是颗粒间相互强度不是颗粒本身的强度，而是颗粒间相互作用；作用；多相性多相性三相承受与传递荷载有效应力原理；三相承受与传递荷载有效应力原理；天然性天然性土的结构性与强度的复杂性。土的结构性与强度的复杂性。5.1 5.1 土体破坏与强度理论土体

5、破坏与强度理论第五章 土的抗剪强度土的工程材料特点决定了土的工程材料特点决定了土体的强度为土体的强度为抗剪强度抗剪强度n土体剪切破坏内因：土体剪切破坏内因：碎散性碎散性土颗粒本身强度大于颗粒间的联结强度（粘结和土颗粒本身强度大于颗粒间的联结强度（粘结和咬和），因此，土受力容易沿着颗粒接触处相互咬和），因此，土受力容易沿着颗粒接触处相互错动。错动。n土的抗剪强度土的抗剪强度是土体抵抗剪切破坏的是土体抵抗剪切破坏的极限能力极限能力，数值上等于破，数值上等于破坏时剪切面上的剪应力。坏时剪切面上的剪应力。 2. 2. 土体的强度特点土体的强度特点5.1 5.1 土体破坏与强度理论土体破坏与强度理论第五

6、章 土的抗剪强度3. 3. 土体的破坏形式土体的破坏形式试验研究和工程实例表明：试验研究和工程实例表明：土体的破坏形式为剪切破坏土体的破坏形式为剪切破坏工程实际中土体的破坏实例工程实际中土体的破坏实例n土坡稳定问题土坡稳定问题n挡土墙后土体破坏挡土墙后土体破坏n地基破坏地基破坏5.1 5.1 土体破坏与强度理论土体破坏与强度理论第五章 土的抗剪强度5.1.1 5.1.1 土的抗剪强度土的抗剪强度5.1 5.1 土体破坏与强度理论土体破坏与强度理论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五章

7、 土的抗剪强度5.1.1 土的抗剪强度土的抗剪强度5.1.2 莫尔库伦破坏理论莫尔库伦破坏理论一一. . 直剪试验与库伦公式直剪试验与库伦公式二二. . 应力状态与莫尔圆应力状态与莫尔圆三三. . 莫尔莫尔- -库伦破坏准则库伦破坏准则5.1.3 土的抗剪强度机理土的抗剪强度机理5.1 土体破坏与强度理论第五章 土的抗剪强度5.1.2 5.1.2 莫尔库伦破坏理论莫尔库伦破坏理论一一. . 直剪试验与库伦公式直剪试验与库伦公式 直剪试验直剪试验 库伦公式库伦公式 莫尔库伦强度理论莫尔库伦强度理论二二. . 应力状态与莫尔圆应力状态与莫尔圆三三. . 莫尔莫尔- -库伦破坏准则库伦破坏准则5.1

8、 5.1 土体破坏与强度理论土体破坏与强度理论第五章 土的抗剪强度一一. . 直剪试验与库伦公式直剪试验与库伦公式直剪试验直剪试验试验仪器：直剪仪试验仪器：直剪仪土样土样N透水石透水石透水石透水石上盒上盒T顶帽顶帽下盒下盒剪切面剪切面直剪仪直剪仪5.1 5.1 土体破坏与强度理论土体破坏与强度理论第五章 土的抗剪强度一一. . 直剪试验与库伦公式直剪试验与库伦公式直剪试验直剪试验试验仪器：直剪仪试验仪器：直剪仪直剪仪直剪仪5.1 5.1 土体破坏与强度理论土体破坏与强度理论第五章 土的抗剪强度PT土样土样下盒下盒上盒上盒 面积面积A 法向应力法向应力 ：AP 剪应力剪应力 ：AT 剪切变形剪切

9、变形 一一. 直剪试验与库伦公式直剪试验与库伦公式直剪试验直剪试验5.1 5.1 土体破坏与强度理论土体破坏与强度理论第五章 土的抗剪强度一一. . 直剪试验与库伦公式直剪试验与库伦公式l直剪试验直剪试验试验的位移试验的位移-剪应力曲线剪应力曲线强度包线强度包线不同正应力下的直剪试验不同正应力下的直剪试验 f 1 2 3 1 2 3 5.1 5.1 土体破坏与强度理论土体破坏与强度理论PT土样土样下盒下盒上盒上盒 面积面积Atgcf第五章 土的抗剪强度一一. . 直剪试验与库伦公式直剪试验与库伦公式l库伦公式库伦公式无粘性土无粘性土 粘性土粘性土土的抗剪强度土的抗剪强度摩擦强度正比于正应力摩擦

10、强度正比于正应力粘聚强度与所受压力无关粘聚强度与所受压力无关 无粘性土无粘性土 一般一般c=0 cftgtgcfc抗剪强度指标抗剪强度指标5.1 5.1 土体破坏与强度理论土体破坏与强度理论ftg f 1 2 3 tgcf第五章 土的抗剪强度一一. . 直剪试验与库伦公式直剪试验与库伦公式l莫尔莫尔库伦强度理论库伦强度理论莫尔莫尔(1900)提出剪切破坏理论提出剪切破坏理论材料的破坏是剪切破坏材料的破坏是剪切破坏破裂面上破裂面上 f = f( )：莫尔破坏包线莫尔破坏包线极限平衡状态极限平衡状态5.1 5.1 土体破坏与强度理论土体破坏与强度理论 f = f( )第五章 土的抗剪强度一一. .

11、 直剪试验与库伦公式直剪试验与库伦公式l莫尔莫尔库伦强度理论库伦强度理论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是该面是该面上作用的法向应力上作用的法向应力 的单值函数的单值函数, f = f( )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 = c + tg 某土单元的任一个平面上某土单元的任一个平面上 = f ，该单元就，该单元就达到了极限平衡应力状态达到了极限平衡应力状态5.1 5.1 土体破坏与强度理论土体破坏与强度理论如何定量描述莫尔库伦强度理论？如何定量描述莫尔库伦强度理论？莫莫尔尔圆圆如何确定土单元如何确定土单元任一平面

12、的应力状态任一平面的应力状态？第五章 土的抗剪强度5.1.2 5.1.2 莫尔库伦破坏理论莫尔库伦破坏理论一一. . 直剪试验与库伦公式直剪试验与库伦公式二二. . 应力状态与莫尔圆应力状态与莫尔圆( (复习复习) )一点应力状态一点应力状态莫尔圆应力符号规定莫尔圆应力符号规定应力状态与莫尔圆应力状态与莫尔圆三三. . 莫尔莫尔- -库伦破坏准则库伦破坏准则5.1 5.1 土体破坏与强度理论土体破坏与强度理论第五章 土的抗剪强度1. 1. 一点应力状态一点应力状态x z y xy yz zx yzxox y xy yz zx xz zy yx z ij = =地基：地基：半无限空间半无限空间5

13、.1 5.1 土体破坏与强度理论土体破坏与强度理论第五章 土的抗剪强度1. 1. 一点应力状态一点应力状态条形基础作用条形基础作用 半无限空间自重应力状态半无限空间自重应力状态 z zx x xz z xzxo 5.1 5.1 土体破坏与强度理论土体破坏与强度理论一点的应力状态可以用莫尔圆表示一点的应力状态可以用莫尔圆表示第五章 土的抗剪强度2. 2. 莫尔圆应力符号的规定莫尔圆应力符号的规定平面问题平面问题土力学中以压应力为主，规定压应力为正。土力学中以压应力为主，规定压应力为正。正应力：正应力：压为正压为正剪应力：剪应力：外法线逆时针旋转为正外法线逆时针旋转为正- xz xz+ zx zx

14、+ x x z z+zxox zxxzz 5.1 5.1 土体破坏与强度理论土体破坏与强度理论第五章 土的抗剪强度 1. 圆心坐标圆心坐标2. 半径半径 3. 大小主应力大小主应力4. 主应力方向主应力方向 Z面顺时针转面顺时针转 3. 3. 应力状态与莫尔圆应力状态与莫尔圆平面问题平面问题 3 z+ zx+ x- xz+ ROAzx2/ )( OA22)2(zxxzr zx z xz xrR13zxox zxxzz r5.1 5.1 土体破坏与强度理论土体破坏与强度理论第五章 土的抗剪强度5.1.2 莫尔库伦破坏理论一一. . 直剪试验与库伦公式直剪试验与库伦公式二二. . 应力状态与莫尔圆

15、应力状态与莫尔圆三三. . 莫尔莫尔- -库伦破坏准则库伦破坏准则l土的极限平衡应力状态土的极限平衡应力状态l土单元体破坏与否的判断土单元体破坏与否的判断l滑裂面的位置滑裂面的位置5.1 5.1 土体破坏与强度理论土体破坏与强度理论采用主应力与强度参数采用主应力与强度参数的数学关系式定量描述的数学关系式定量描述莫尔库伦强度理论莫尔库伦强度理论( , ) 3 OA f=c+tg 1 2 3 c如何判断一定应力状态下如何判断一定应力状态下土体是否破坏？土体是否破坏？第五章 土的抗剪强度三三. . 莫尔库伦破坏准则莫尔库伦破坏准则土的极限平衡应力状态土的极限平衡应力状态l无粘性土的极限平衡应力状态无

16、粘性土的极限平衡应力状态l粘性土的极限平衡应力状态粘性土的极限平衡应力状态l土的极限平衡条件土的极限平衡条件土单元体破坏与否的判断土单元体破坏与否的判断滑裂面的位置滑裂面的位置5.1 5.1 土体破坏与强度理论土体破坏与强度理论第五章 土的抗剪强度1. 1. 土的极限平衡应力状态土的极限平衡应力状态 O123圆圆1：相离任何一个面上：相离任何一个面上的一对应力的一对应力 与与 都没有达都没有达到破坏包线，安全到破坏包线，安全圆圆2：相切有一个面上的：相切有一个面上的应力达到破坏，土体发生应力达到破坏，土体发生破坏，极限平衡应力状态破坏，极限平衡应力状态圆圆3：相交不可能发生：相交不可能发生 f

17、抗剪强度包线与莫尔圆的相对位置抗剪强度包线与莫尔圆的相对位置5.1 5.1 土体破坏与强度理论土体破坏与强度理论极限平衡应力状态如何表示？极限平衡应力状态如何表示？第五章 土的抗剪强度 1. 1. 土的极限平衡应力状态土的极限平衡应力状态无粘性土的极限平衡应力状态无粘性土的极限平衡应力状态抗剪强度抗剪强度极限平衡条件极限平衡条件 Otgf313131312)(2)(sinOAAB13sin1sin131sin1sin1)2/45(213tgf)2/45(231tgfAfB5.1 5.1 土体破坏与强度理论土体破坏与强度理论第五章 土的抗剪强度 1. 1. 土的极限平衡应力状态土的极限平衡应力状

18、态粘性土的极限平衡应力状态粘性土的极限平衡应力状态抗剪强度抗剪强度极限平衡条件极限平衡条件 OtgcfABOctgcctgcAOAB22)(2)(sin31313131)2/45(2)2/45(sin1cos2sin1sin12113tgctgcf)2/45(2)2/45(sin1cos2sin1sin12331tgctgcfc5.1 5.1 土体破坏与强度理论土体破坏与强度理论第五章 土的抗剪强度1. 1. 土的极限平衡应力状态土的极限平衡应力状态n这些公式说明土体达到极限平衡状态时，抗剪强这些公式说明土体达到极限平衡状态时，抗剪强度指标与土单元体主应力之间应满足的关系。度指标与土单元体主应

19、力之间应满足的关系。n可以用来作为判别一点土体是否破坏的破坏准则。可以用来作为判别一点土体是否破坏的破坏准则。（根据土单元体的应力状态）（根据土单元体的应力状态）)2/45(2)2/45(213tgctgf)2/45(2)2/45(231tgctgf土的极限平衡条件土的极限平衡条件5.1 5.1 土体破坏与强度理论土体破坏与强度理论第五章 土的抗剪强度三三. . 莫尔库伦破坏准则莫尔库伦破坏准则土的极限平衡应力状态土的极限平衡应力状态 无粘性土的极限平衡应力状态无粘性土的极限平衡应力状态 粘性土的极限平衡应力状态粘性土的极限平衡应力状态 土的极限平衡条件土的极限平衡条件土单元体破坏与否的判断土

20、单元体破坏与否的判断滑裂面的位置滑裂面的位置5.1 5.1 土体破坏与强度理论土体破坏与强度理论第五章 土的抗剪强度2. 2. 土单元体破坏与否的判断土单元体破坏与否的判断已知已知 、 1；c、 ，判断土单元体破坏与否，判断土单元体破坏与否n根据根据 ，求解，求解 1f，与，与 1比较比较n根据根据 1，求解，求解 3f，与，与 3比较比较n根据根据 1、 ，求解，求解 m，与，与 比较比较5.1 5.1 土体破坏与强度理论土体破坏与强度理论第五章 土的抗剪强度2. 2. 土单元体破坏与否的判断土单元体破坏与否的判断n根据根据 ，求解，求解 1f1f 1 1f 不可能存在状态不可能存在状态)2

21、/45(2)2/45(231tgctgf f OO5.1 5.1 土体破坏与强度理论土体破坏与强度理论第五章 土的抗剪强度2. 2. 土单元体破坏与否的判断土单元体破坏与否的判断n根据根据 1，求解，求解 3f 3 3f 安全状态安全状态 3= 3f 极限平衡状态极限平衡状态 3 3f 不可能存在状态不可能存在状态)2/45(2)2/45(213tgctgf f OO5.1 5.1 土体破坏与强度理论土体破坏与强度理论第五章 土的抗剪强度2. 2. 土单元体破坏与否的判断土单元体破坏与否的判断n根据根据 1、 ，求解，求解 m，与，与 比较比较 m 不可能存在状态不可能存在状态 OO5.1 5

22、.1 土体破坏与强度理论土体破坏与强度理论13m13sin2c ctg 第五章 土的抗剪强度 33. 3. 滑裂面的位置滑裂面的位置与大主应力面夹角与大主应力面夹角2/45 OAB B O 从土体破裂面的位置可以看出，土体破坏是剪切破从土体破裂面的位置可以看出，土体破坏是剪切破坏，但破坏面不在坏，但破坏面不在45最大剪应力面上，为什么？最大剪应力面上，为什么？5.1 5.1 土体破坏与强度理论土体破坏与强度理论第五章 土的抗剪强度5.1.1 土的抗剪强度土的抗剪强度5.1.2 莫尔库伦破坏理论莫尔库伦破坏理论一一. . 直剪试验与库伦公式直剪试验与库伦公式二二. . 应力状态与莫尔圆应力状态与

23、莫尔圆三三. . 莫尔莫尔- -库伦破坏准则库伦破坏准则5.1.3 土的抗剪强度机理土的抗剪强度机理5.1 土体破坏与强度理论第五章 土的抗剪强度5.1.3 5.1.3 土的抗剪土的抗剪强度机理强度机理摩擦强度摩擦强度滑动摩擦：滑动摩擦：颗粒之间滑动时产生的颗粒之间滑动时产生的咬合摩擦：咬合摩擦：颗粒之间脱离咬合状态而移动所产生的颗粒之间脱离咬合状态而移动所产生的粘聚强度粘聚强度原始粘聚力原始粘聚力固化粘聚力固化粘聚力 5.1 5.1 土体破坏与强度理论土体破坏与强度理论tgcf第五章 土的抗剪强度石英砂的滑动摩擦角石英砂的滑动摩擦角5.1.3 5.1.3 土的抗剪土的抗剪强度机理强度机理由于

24、颗粒接触面粗由于颗粒接触面粗糙不平所引起，与糙不平所引起，与颗粒的形状、矿物颗粒的形状、矿物组成、级配等因素组成、级配等因素有关。有关。 NTT= N5.1 5.1 土体破坏与强度理论土体破坏与强度理论1 1 摩擦强度：摩擦强度：滑动摩擦滑动摩擦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 粗砂粗砂第五章 土的抗剪强度5.1 5.1 土体破坏与强度理论土体破坏与强度理论5.1.3 5.1.3 土的土的强度机理强度机理1 1 摩擦强度：摩擦强度：咬合摩擦咬合摩擦CABCAB剪切面剪切面 相邻颗粒对于相对移动的约束

25、作用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，必须抬起，跨越相邻颗粒跨越相邻颗粒B，或在尖角处被剪断，或在尖角处被剪断(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 第五章 土的抗剪强度5.1.3 5.1.3 土的土的强度机理强度机理颗粒的破碎与重排列颗粒的破碎与重排列TTNT5.1 5.1 土体破坏与强度理论土体破坏与强度理论1 1 摩擦强度：摩擦强度：咬合摩擦咬合摩擦咬合作用咬合作用土愈密，磨圆度愈小，咬合土愈密，磨圆度愈小，咬合作用愈强，则内摩擦角愈大作用愈强，则内摩擦

26、角愈大 第五章 土的抗剪强度咬合作用土的剪胀、剪缩咬合作用土的剪胀、剪缩1. 立方体排列立方体排列 e=0.912. 四边形三角形排列四边形三角形排列 e=0.653. 四边形楔形排列四边形楔形排列 e=0.434. 金字塔形排列金字塔形排列e=0.345. 四面体排列四面体排列 e=0.345.1 5.1 土体破坏与强度理论土体破坏与强度理论5.1.3 5.1.3 土的土的强度机理强度机理1 1 摩擦强度：摩擦强度：咬合摩擦咬合摩擦圆球状土颗粒的排列圆球状土颗粒的排列与土的剪胀、剪缩与土的剪胀、剪缩第五章 土的抗剪强度n机理：机理：滑动摩擦；咬合摩擦滑动摩擦；咬合摩擦n影响土的摩擦强度的主要

27、因素影响土的摩擦强度的主要因素密度（密度（e, e, 粒径级配（粒径级配（D D5050, C, Cu u, C, Cc c）矿物成分矿物成分对于对于 ：砂土：砂土 粘性土；高岭石粘性土；高岭石 伊利石伊利石 蒙特石蒙特石颗粒形状（颗粒的棱角与长宽比）颗粒形状（颗粒的棱角与长宽比）在其他条件相同时：在其他条件相同时：对于砂土，颗粒的棱角提高了内摩擦角对于砂土，颗粒的棱角提高了内摩擦角 对于碎石土，颗粒的棱角可能降低其内摩擦角对于碎石土，颗粒的棱角可能降低其内摩擦角 5.1 5.1 土体破坏与强度理论土体破坏与强度理论5.1.3 5.1.3 土的土的强度机理强度机理1 1 摩擦强度摩擦强度第五章

28、 土的抗剪强度5.1.3 5.1.3 土的土的强度机理强度机理由物理、化学机理引起的颗粒间的联结作用由物理、化学机理引起的颗粒间的联结作用原始粘聚力：原始粘聚力：静电引力；分子力静电引力；分子力与塑性指数、密度孔隙比、含水量有关与塑性指数、密度孔隙比、含水量有关 固化粘聚力：固化粘聚力：颗粒间胶结颗粒间胶结 与离子价高浓度、土的结构、沉积时间有关与离子价高浓度、土的结构、沉积时间有关 假粘聚力假粘聚力 ：毛细力、冻结力毛细力、冻结力. .会消失，机理比较复杂会消失，机理比较复杂5.1 5.1 土体破坏与强度理论土体破坏与强度理论2 2 粘聚强度粘聚强度（粘性土）（粘性土）第五章 土的抗剪强度影

29、响土的粘聚强度的主要因素影响土的粘聚强度的主要因素地质历史地质历史粘土颗粒矿物成分粘土颗粒矿物成分密度密度结构结构离子价与离子浓度离子价与离子浓度5.1 5.1 土体破坏与强度理论土体破坏与强度理论5.1.3 5.1.3 土的土的强度机理强度机理2 2 粘聚强度粘聚强度第五章 土的抗剪强度正应力：正应力：土所受外力，也即土的应力状态土所受外力，也即土的应力状态土本身的性质：土本身的性质：不同土组成、结构不同土组成、结构相同土状态：密度、含水量（粘性土）相同土状态：密度、含水量（粘性土）5.1 5.1 土体破坏与强度理论土体破坏与强度理论5.1.3 5.1.3 土的土的强度机理强度机理影响土的抗

30、剪强度的因素影响土的抗剪强度的因素小结小结tgcf第五章 土的抗剪强度5.1 土体破坏与强度理论土体破坏与强度理论小结小结土的抗剪强度土的抗剪强度土的强度是抗剪强度土的强度是抗剪强度莫尔莫尔- -库伦强度理论（三条内容）库伦强度理论（三条内容）直剪试验与库伦公式直剪试验与库伦公式应力状态与莫尔圆应力状态与莫尔圆莫尔莫尔- -库伦破坏准则库伦破坏准则土的极限平衡应力状态土的极限平衡应力状态土破坏与否的判断土破坏与否的判断滑裂面的位置滑裂面的位置土的抗剪强度机理土的抗剪强度机理摩擦强度与粘聚强度摩擦强度与粘聚强度tgcf)2/45(2)2/45(213tgctgf2/455.1 5.1 土体破坏与

31、强度理论土体破坏与强度理论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是该面是该面上作用的法向应力上作用的法向应力 的单值函数的单值函数, f = f( )2. 在一定的应力范围内，可以用线性函数近在一定的应力范围内，可以用线性函数近似似 f = c + tg 3. 某土单元的任一个平面上某土单元的任一个平面上 = 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 OA作业作业:习题习题 5-1，5-3，5-5第五章 土的抗剪强度土的应力状态可以根据力学分析计算得到，我们土的应力状态可以根据力学分析计算得到，我们在第三章做过介绍；在第三章做过介绍；我

32、们如果知道了土的抗剪强度指标我们如果知道了土的抗剪强度指标c、 和应力状和应力状态，我们可以根据土的极限平衡条件判断土体是态，我们可以根据土的极限平衡条件判断土体是否已经达到破坏；否已经达到破坏；如果要分析解决工程实际中的土强度问题，我们如果要分析解决工程实际中的土强度问题，我们需要知道土的抗剪强度指标。那么土的抗剪强度需要知道土的抗剪强度指标。那么土的抗剪强度是如何测定的呢？是如何测定的呢？ 第五章 土的抗剪强度土的应力状态可以根据力学分析计算得到，我们土的应力状态可以根据力学分析计算得到，我们在第三章做过介绍；在第三章做过介绍；我们如果知道了土的抗剪强度指标我们如果知道了土的抗剪强度指标c

33、、 和应力状和应力状态，我们可以根据土的极限平衡条件判断土体是态，我们可以根据土的极限平衡条件判断土体是否接近或达到破坏；否接近或达到破坏；如果要分析解决工程实际中的土强度问题，我们如果要分析解决工程实际中的土强度问题，我们需要知道土的抗剪强度指标。那么土的抗剪强度需要知道土的抗剪强度指标。那么土的抗剪强度是如何测定的呢？是如何测定的呢？ 第五章 土的抗剪强度第五章 土的抗剪强度5.1 土体破坏与强度理论土体破坏与强度理论5.2 土的抗剪强度的测定试验土的抗剪强度的测定试验5.3 应力路径与破坏主应力线应力路径与破坏主应力线5.4 土的抗剪强度指标土的抗剪强度指标5.5 土的动强度与砂土的振动

34、液化土的动强度与砂土的振动液化第五章 土的抗剪强度5.2.1 室内试验室内试验直剪试验（直剪试验（Direct Shear Test, DS）三轴剪切试验（三轴剪切试验（Triaxial Test）无侧限抗压试验（无侧限抗压试验（Unconfined Test）其它类型室内试验其它类型室内试验5.2.2 现场试验现场试验十字板扭剪试验（十字板扭剪试验（Vane Shear Test）其它现场试验其它现场试验5.2.3 土在排水和不排水条件下的剪切性状土在排水和不排水条件下的剪切性状5.2 5.2 土的抗剪强度的测定试验土的抗剪强度的测定试验5.2 5.2 土的抗剪强度的测定试土的抗剪强度的测定

35、试验验第五章 土的抗剪强度一、直剪试验一、直剪试验1. 仪器介绍、试验方法和成果整理仪器介绍、试验方法和成果整理直剪盒、加载与量测系统直剪盒、加载与量测系统试验成果试验成果强度包线强度包线2. 试验类型试验类型慢剪慢剪 (Slow Shear)固结快剪固结快剪 (Consolidated Slow Shear)快剪快剪 (Quick Shear)3. 评价评价5.2 5.2 土的抗剪强度的测定试土的抗剪强度的测定试验验第五章 土的抗剪强度5.2 5.2 土的抗剪强度的测定试土的抗剪强度的测定试验验第五章 土的抗剪强度直剪仪直剪仪5.2 5.2 土的抗剪强度的测定试土的抗剪强度的测定试验验第五章

36、 土的抗剪强度一、直剪试验一、直剪试验 不同正应力下的不同正应力下的关系曲线关系曲线 H 1 2 3+峰值强度峰值强度残余强度残余强度 H 1 2 3松砂与正常固结土试验结果松砂与正常固结土试验结果密砂与超固结土试验结果密砂与超固结土试验结果5.2 5.2 土的抗剪强度的测定试土的抗剪强度的测定试验验典型试验曲线典型试验曲线第五章 土的抗剪强度一、直剪试验一、直剪试验 - - 强度包线强度包线 1 2 3 r p f 1 2 3松砂与正常固结土强度包线松砂与正常固结土强度包线密砂与超固结土强度包线密砂与超固结土强度包线 pc密密砂砂超固结超固结土土5.2 5.2 土的抗剪强度的测定试土的抗剪强

37、度的测定试验验直剪试验抗剪强度包线直剪试验抗剪强度包线第五章 土的抗剪强度一、直剪试验一、直剪试验n试验类型试验类型固结慢剪固结慢剪(慢剪慢剪)施加正应力施加正应力- -充分固结充分固结慢慢施加剪应力慢慢施加剪应力- -小于小于0.02mm/0.02mm/分，以保证无超静孔压分，以保证无超静孔压固结快剪固结快剪 施加正应力施加正应力- -充分固结充分固结在在3-53-5分钟内剪切破坏分钟内剪切破坏 (0.8mm/(0.8mm/分分) )快剪快剪施加正应力后施加正应力后立即剪切立即剪切3-53-5分钟内剪切破坏分钟内剪切破坏(0.8mm/(0.8mm/分分) )土样土样NT直剪试验直剪试验5.2

38、 5.2 土的抗剪强度的测定试土的抗剪强度的测定试验验通过控制剪切速率近似模拟排水条件通过控制剪切速率近似模拟排水条件第五章 土的抗剪强度PPT剪切破坏时剪切破坏时 xz z=P/A x直剪试验过程直剪试验过程一、直剪试验一、直剪试验5.2 5.2 土的抗剪强度的测定试土的抗剪强度的测定试验验 n=P/A t=K0 n tn=0剪切前剪切前 n=P/A t=? tn= f剪切破坏时剪切破坏时第五章 土的抗剪强度 nK0 n直剪试样的应力状态直剪试样的应力状态及其变化及其变化 初始应力状态初始应力状态 破坏时的应力状态破坏时的应力状态 f直剪仪中试样的应力与应变直剪仪中试样的应力与应变 n f

39、n f应力状态复杂应力状态复杂应变不均匀应变不均匀5.2 5.2 土的抗剪强度的测定试土的抗剪强度的测定试验验第五章 土的抗剪强度一、直剪试验一、直剪试验优点优点设备和操作简单设备和操作简单缺点缺点人为固定剪切面人为固定剪切面剪切面应力状态复杂剪切面应力状态复杂 应力、应变不均匀；应力、应变不均匀； 主应力方向旋转；主应力方向旋转；剪切面积逐渐减小剪切面积逐渐减小排水条件不明确排水条件不明确评评 价价5.2 5.2 土的抗剪强度的测定试土的抗剪强度的测定试验验第五章 土的抗剪强度二、三轴剪切试验二、三轴剪切试验( (复习复习) )1. 仪器和试验方法仪器和试验方法2. 试验类型试验类型固结排水

40、固结排水 (CD)固结不排水固结不排水 (CU)不固结不排水不固结不排水(UU)3. 评价评价5.2 5.2 土的抗剪强度的测定试土的抗剪强度的测定试验验教学试验教学试验第五章 土的抗剪强度二、三轴剪切试验二、三轴剪切试验仪器与试验方法仪器与试验方法n三轴仪三轴仪压力室压力室 加压系统加压系统围压围压轴压轴压孔压量测系统孔压量测系统或排水系统或排水系统5.2 5.2 土的抗剪强度的测定试土的抗剪强度的测定试验验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测第五章 土的抗剪强度二、三轴剪切试验二、三轴剪切试验仪器与试验方法仪器与试验方

41、法试样试样压力室压力室压力压力水水排水管排水管阀门阀门轴向加压杆轴向加压杆有机玻璃罩有机玻璃罩橡皮膜橡皮膜透水石透水石顶帽顶帽( 1- )三轴压缩试验三轴压缩试验 常规试验围压不变常规试验围压不变 试验方法试验方法制样制样施加周围压力施加周围压力施加竖向附加应力施加竖向附加应力直至试样破坏直至试样破坏5.2 5.2 土的抗剪强度的测定试土的抗剪强度的测定试验验第五章 土的抗剪强度 v 1 25.2 5.2 土的抗剪强度的测定试土的抗剪强度的测定试验验典型三轴排水试验曲线典型三轴排水试验曲线二、三轴剪切试验二、三轴剪切试验密砂或超固结土密砂或超固结土松砂或正常固结土松砂或正常固结土 1- 3第五

42、章 土的抗剪强度二、三轴剪切试验二、三轴剪切试验仪器与试验方法仪器与试验方法土试样土试样 三轴试样的应力状态三轴试样的应力状态三轴压缩试验三轴压缩试验n试样是轴对称应力状态试样是轴对称应力状态竖向应力竖向应力 z是大主应力是大主应力 1 ；径向与切向应力总是相等，径向与切向应力总是相等， r = ，亦即亦即 2 = 35.2 5.2 土的抗剪强度的测定试土的抗剪强度的测定试验验第五章 土的抗剪强度二、三轴剪切试验二、三轴剪切试验仪器与试验方法仪器与试验方法n三轴试验剪切过程中的莫尔圆变化三轴试验剪切过程中的莫尔圆变化n量测系统可以量测孔压变化或体积变化量测系统可以量测孔压变化或体积变化( 1-

43、 )f 3 f5.2 5.2 土的抗剪强度的测定试土的抗剪强度的测定试验验第五章 土的抗剪强度 1- 3 115%( 1- 3)f( 1- 3)f松砂或松砂或正常固结土正常固结土密砂或密砂或超固结土超固结土F取曲线的最大偏差应力值作取曲线的最大偏差应力值作为为( 1- 3)f (有峰值情况有峰值情况)F取规定的轴向应变值（通常取规定的轴向应变值（通常15%）所对应的偏差应力作）所对应的偏差应力作为为( 1- 3)fF以最大有效主应力比以最大有效主应力比 (1/3)max处的偏差应力值作处的偏差应力值作为为( 1- 3)f (砂土不排水试验砂土不排水试验)二、三轴剪切试验二、三轴剪切试验仪器与试

44、验方法仪器与试验方法n破坏偏差应力取值方法破坏偏差应力取值方法第五章 土的抗剪强度n三轴试验确定土的强度包线三轴试验确定土的强度包线分别作围压分别作围压 100kPa、200kPa、300kPa的三轴试验，的三轴试验，得到破坏时的得到破坏时的( 1- )f绘制三个破坏状态的应力莫尔圆绘制三个破坏状态的应力莫尔圆画出它们的公切线画出它们的公切线强度包线，得到强度指标强度包线，得到强度指标c c与与 c ( 1- )f 二、三轴剪切试验二、三轴剪切试验仪器与试验方法仪器与试验方法5.2 5.2 土的抗剪强度的测定试土的抗剪强度的测定试验验如何绘制强度包线？如何绘制强度包线？ 1- 3 115% 3

45、=100kPa 3=200kPa 3=300kPa( 1- 3)f第五章 土的抗剪强度二、三轴剪切试验二、三轴剪切试验1. 仪器和试验方法仪器和试验方法2. 试验类型试验类型固结排水固结排水(CD)固结不排水固结不排水(CU)不固结不排水不固结不排水(UU) 3. 评价评价5.2 5.2 土的抗剪强度的测定试土的抗剪强度的测定试验验第五章 土的抗剪强度n排水与固结条件排水与固结条件仪器特点：试样内有管道与外测水管或仪器特点：试样内有管道与外测水管或孔压量测装置连接，可以通过阀门开关孔压量测装置连接，可以通过阀门开关控制固结与排水条件。控制固结与排水条件。 固结固结 (Consolidated)

46、 不固结不固结 (Unconsolidated) 排水排水 (Drained) 不排水不排水 (Undrained)二、三轴剪切试验二、三轴剪切试验试验类型试验类型5.2 5.2 土的抗剪强度的测定试土的抗剪强度的测定试验验第五章 土的抗剪强度二、三轴剪切试验二、三轴剪切试验试验类型试验类型三轴压缩试验：固结条件三轴压缩试验：固结条件固结固结(Consolidated)施加等向应力围压后，将通向试样的阀门打开，与外界施加等向应力围压后，将通向试样的阀门打开，与外界大气压相通，使超静孔压消散，如果体积压缩，则排水。大气压相通，使超静孔压消散，如果体积压缩，则排水。不固结不固结(Unconsoli

47、dated)施加围压时，关闭阀门，不允许试样内水排出，产生超静施加围压时，关闭阀门，不允许试样内水排出，产生超静孔压孔压31Bu5.2 5.2 土的抗剪强度的测定试土的抗剪强度的测定试验验第五章 土的抗剪强度二、三轴剪切试验二、三轴剪切试验试验类型试验类型三轴压缩试验：排水条件三轴压缩试验：排水条件排水排水(Drained)施加轴向偏应力，试样剪切过程中，打开排水阀门让试样施加轴向偏应力，试样剪切过程中，打开排水阀门让试样水充分进出，试验体积可压缩或剪胀，不产生超静孔压水充分进出，试验体积可压缩或剪胀，不产生超静孔压不排水不排水(Undrained)施加轴向偏应力，试样剪切过程中，不打开排水阀

48、门，水施加轴向偏应力，试样剪切过程中，不打开排水阀门，水分不允许进出，饱和试样体积不变，产生超静孔压分不允许进出，饱和试样体积不变，产生超静孔压)(312BAu5.2 5.2 土的抗剪强度的测定试土的抗剪强度的测定试验验第五章 土的抗剪强度二、三轴剪切试验二、三轴剪切试验试验类型试验类型三轴压缩试验：试验类型三轴压缩试验：试验类型固结排水固结排水 Consolidated Drained Triaxial Test (CD) 固结不排水固结不排水 Consolidated Undrained Triaxial Test (CU) 不固结不排水不固结不排水 (Unconsolidated) Un

49、drained Triaxial Test (UU)5.2 5.2 土的抗剪强度的测定试土的抗剪强度的测定试验验第五章 土的抗剪强度二、三轴剪切试验二、三轴剪切试验试验类型试验类型试验类型试验类型固结排水固结排水 (CD)施加围压施加围压 充分固结，超静孔隙水压力完全消散；充分固结，超静孔隙水压力完全消散；阀门打开，慢慢施加轴向应力差阀门打开，慢慢施加轴向应力差 以避免产生超静孔压以避免产生超静孔压固结不排水固结不排水 (CU)施加围压施加围压 充分固结，超静孔隙水压力完全消散；充分固结，超静孔隙水压力完全消散；关闭阀门，很快剪切破坏关闭阀门，很快剪切破坏不固结不排水不固结不排水 (UU)关闭

50、阀门，关闭阀门，施加围压施加围压 3 3关闭阀门，很快剪切破坏关闭阀门，很快剪切破坏5.2 5.2 土的抗剪强度的测定试土的抗剪强度的测定试验验第五章 土的抗剪强度二、三轴剪切试验二、三轴剪切试验试验类型试验类型n评价评价优点：优点：应力状态和应力路径明确；应力状态和应力路径明确；应力应变分布相对均匀；应力应变分布相对均匀； 排水条件清楚，可控制；排水条件清楚，可控制； 破坏面不是人为固定的；破坏面不是人为固定的； 可进行不同应力路径试验。可进行不同应力路径试验。缺点：缺点：设备操作复杂设备操作复杂现场无法试验现场无法试验常规三轴试验不能反映常规三轴试验不能反映 2的影响的影响5.2 5.2

51、土的抗剪强度的测定试土的抗剪强度的测定试验验第五章 土的抗剪强度三、三、无侧限抗压试验无侧限抗压试验1.试验仪器试验仪器2.试验方法试验方法试验时将试样放在无侧限压缩仪中，试验时将试样放在无侧限压缩仪中，在保持侧向应力为在保持侧向应力为0的情况下很快施加的情况下很快施加竖直压力直至破坏竖直压力直至破坏(5-15分钟分钟) 3.评价评价只能得到一个破坏应力圆只能得到一个破坏应力圆适于测饱和粘性土的原状不排水强度适于测饱和粘性土的原状不排水强度可用来测土的灵敏度可用来测土的灵敏度相当于相当于 3 30 0的不固结的不固结不排水三轴剪切试验不排水三轴剪切试验 5.2 5.2 土的抗剪强度的测定试土的

52、抗剪强度的测定试验验第五章 土的抗剪强度四、其它室内试验四、其它室内试验环剪仪环剪仪：剪切面积不变，应力应变分布均匀剪切面积不变，应力应变分布均匀单剪仪单剪仪：非人为固定破坏面非人为固定破坏面真三轴仪真三轴仪：研究中主应力对强度的影响研究中主应力对强度的影响空心扭剪仪空心扭剪仪：主应力方向旋转主应力方向旋转平面应变仪平面应变仪：平面应变试验平面应变试验5.2 5.2 土的抗剪强度的测定试土的抗剪强度的测定试验验第五章 土的抗剪强度n环剪仪环剪仪(Ring Shear Apparatus) 剪切面积不变，剪切面积不变，应力应变分布均匀应力应变分布均匀n单剪仪单剪仪(Simple Shear Ap

53、paratus)非人为固定破坏面非人为固定破坏面土样土样土样土样土样土样土样土样土样土样土样土样土样土样土样土样土样土样土样土样环剪仪环剪仪单剪仪单剪仪对直剪仪的改进对直剪仪的改进土样土样四、其它室内试验四、其它室内试验5.2 5.2 土的抗剪强度的测定试土的抗剪强度的测定试验验第五章 土的抗剪强度n单剪仪单剪仪(Simple Shear Apparatus)非人为固定破坏面非人为固定破坏面对直剪仪的改进对直剪仪的改进四、其它室内试验四、其它室内试验5.2 5.2 土的抗剪强度的测定试土的抗剪强度的测定试验验第五章 土的抗剪强度n真三轴仪真三轴仪研究中主应力对强度的影响研究中主应力对强度的影响

54、压力室内加一对压力板压力室内加一对压力板 （1）刚性侧压力板）刚性侧压力板（2）半刚性侧压力板）半刚性侧压力板-Lade-Duncan真三轴仪真三轴仪对三轴仪的改进对三轴仪的改进反映中主应力反映中主应力 2的影响的影响四、其它室内试验四、其它室内试验5.2 5.2 土的抗剪强度的测定试土的抗剪强度的测定试验验第五章 土的抗剪强度n真三轴仪真三轴仪研究中主应力对强度研究中主应力对强度的影响的影响（3）盒式真三轴仪盒式真三轴仪剑桥真三轴仪剑桥真三轴仪四、其它室内试验四、其它室内试验5.2 5.2 土的抗剪强度的测定试土的抗剪强度的测定试验验第五章 土的抗剪强度n空心扭剪仪空心扭剪仪主应力方向旋转主

55、应力方向旋转轴向压力轴向压力内室水压力内室水压力外室水压力外室水压力扭矩扭矩5.2 5.2 土的抗剪强度的测定试土的抗剪强度的测定试验验四、其它室内试验四、其它室内试验第五章 土的抗剪强度室内试验的评价室内试验的评价试样试样：制样（重塑土）或现场取样制样（重塑土）或现场取样缺点缺点：扰动扰动优点优点：应力条件清楚，可以重复试验应力条件清楚，可以重复试验5.2 5.2 土的抗剪强度的测定试土的抗剪强度的测定试验验第五章 土的抗剪强度5.2.1 室内试验室内试验直剪试验（直剪试验（Direct Shear Test, DS）三轴剪切试验（三轴剪切试验（Triaxial Test）无侧限抗压试验（无

56、侧限抗压试验（Unconfined Test）其它类型室内试验其它类型室内试验5.2.2 现场试验现场试验十字板扭剪试验（十字板扭剪试验（Vane Shear Test）其它现场试验其它现场试验l5.2.3 土在排水和不排水条件下的剪切性状土在排水和不排水条件下的剪切性状5.2 5.2 土的抗剪强度的测定试验土的抗剪强度的测定试验第五章 土的抗剪强度一、一、十字板扭剪试验十字板扭剪试验试验方法：试验方法： 钻孔到指定的土层，钻孔到指定的土层，插入十字形的探头；插入十字形的探头； 通过施加的扭矩计算土通过施加的扭矩计算土的抗剪强度。的抗剪强度。一般适用于测定软粘土的一般适用于测定软粘土的原位不排

57、水强度指标原位不排水强度指标5.2 5.2 土的抗剪强度的测定试土的抗剪强度的测定试验验第五章 土的抗剪强度一、一、十字板扭剪试验十字板扭剪试验计算方法：Mmax= M1+M2= v DH D/2 + 2 0D/2 h2 r dr r= D2H v /2 + D3 h /6对于各向同性土层假设假设 v = h = f Mmax= D2 f (H+D/3)/2M2M1 v hHD5.2 5.2 土的抗剪强度的测定试土的抗剪强度的测定试验验第五章 土的抗剪强度一、一、十字板扭剪试验十字板扭剪试验1. 实际实际 h v 由于作用在水平面和由于作用在水平面和竖直面的正应力不同竖直面的正应力不同vhhv

58、HD如何分别得到如何分别得到 h 和和 v？适用于软粘土，得到的是不排水强度适用于软粘土，得到的是不排水强度 Mmax= D2H v /2+ D3 h /65.2 5.2 土的抗剪强度的测定试土的抗剪强度的测定试验验2. 不同时达到峰值强度不同时达到峰值强度 结果分析：结果分析：第五章 土的抗剪强度二、二、其它现场试验其它现场试验n旁压仪试验旁压仪试验n大型现场直剪仪大型现场直剪仪n触探设备触探设备n螺旋板压力仪试验螺旋板压力仪试验n钻孔剪切仪试验钻孔剪切仪试验半经验公式确定强度指标半经验公式确定强度指标5.2 5.2 土的抗剪强度的测定试土的抗剪强度的测定试验验第五章 土的抗剪强度n旁压仪试

59、验旁压仪试验将囊状探头放入钻孔（预将囊状探头放入钻孔（预钻式）；或者自己钻入钻式）；或者自己钻入（自钻式）地基；（自钻式）地基；通过探头的体积变化通过探头的体积变化水压力关系确定地基土的水压力关系确定地基土的模量和强度。模量和强度。5.2 5.2 土的抗剪强度的测定试土的抗剪强度的测定试验验二、二、其它现场试验其它现场试验第五章 土的抗剪强度n螺旋板压力仪螺旋板压力仪现场试验现场试验用于除大颗粒土用于除大颗粒土以外的一般土层以外的一般土层二、二、其它现场试验其它现场试验5.2 5.2 土的抗剪强度的测定试土的抗剪强度的测定试验验第五章 土的抗剪强度n钻孔剪切仪试验钻孔剪切仪试验将齿状探头放入钻

60、将齿状探头放入钻孔，通过液压张开，孔，通过液压张开，压紧井壁，上拉或压紧井壁，上拉或下压。下压。用于除大颗粒土以用于除大颗粒土以外的一般土层外的一般土层二、二、其它现场试验其它现场试验5.2 5.2 土的抗剪强度的测定试土的抗剪强度的测定试验验第五章 土的抗剪强度二、二、其它现场试验其它现场试验5.2 5.2 土的抗剪强度的测定试土的抗剪强度的测定试验验第五章 土的抗剪强度现场试验评价现场试验评价缺点缺点应力条件不易掌握应力条件不易掌握设备复杂、庞大设备复杂、庞大优点优点反映现场原状土的原位强度反映现场原状土的原位强度5.2 5.2 土的抗剪强度的测定试土的抗剪强度的测定试验验第五章 土的抗剪