土力学第6章-土的抗剪强度

1、 概 述o土的破坏主要是由于剪切引起的，剪切破坏是土体破坏的重要特点。o工程实践中与土的抗剪强度有关的工程主要有以下3类： （1）路堤的稳定 （2）土压力 （3）地基的承载力问题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0 由物体滑动概念出发，应力偏角 小于剪切面上的摩擦角 ，物体就不会滑动tanWT 0tanW强度的概念与莫尔库仑理论材料力学理论材料力学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

2、破坏准则极限应力圆破坏应力圆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确定强度指标的试验o测定土抗剪强度指标的试验称为剪切试验o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o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，根据加荷速率的快慢可将之间试验划分为o快剪o固结快剪o慢剪直接剪切试验直接剪切试验o直剪试验的缺点：直剪试验

3、的缺点：o剪切破坏面固定为上下盒之间的水平面o试验中试验的排水程度靠试验速度的快慢控制o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o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三轴压缩试验o三轴试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o剪破有效应力 有效应力圆与

4、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；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。无侧限抗压强度试验o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。o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。o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原位十字板剪切试验o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

5、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三轴压缩试验中的孔隙应力系数uc+ 3c+ 1三轴压缩试验中的孔隙应力系数u0=0ccu133u201 321uuu孔隙应力系数Bo定义：当试样在不排水条件下受到各向相等压力增量时，产生的孔隙应力增量与压力增量之比定义为孔隙应力系数31uBoB反映土体在各向相等压力作用下，孔隙应力变化情况的指标，也是反映土体饱和程度的指标孔隙应力系数BoB=1 饱和土的不固结不排水试验试验中，试样在周围压力增量下将不发生竖向和侧向变形，这时的周围压力增量完全由孔隙水承担oB=0 土完全干燥，周围压力增量完全由土骨架承担o0B

6、1 非饱和土，孔隙中流体的压缩性与土骨架的压缩性为一个量级，饱和度越大，B越接近于1孔隙应力系数Ao定义：当试样在不排水条件下轴向应力增量q作用时，产生的孔隙水应力为u2,我们定义另一孔压系数A为对于饱和土:)(312AuA的大小取决于土的压缩性和膨胀性，对于灵敏度很高的黏土A值可大于1，而对于严重的超固结土，A值可以为负值。孔隙应力将B代入得：孔隙应力不固结不排水试验：固结不排水试验：固结排水试验：B=1对于饱和土:例把半干硬黏土样放在单轴压力仪中进行试验，当垂直压力1=100 kPa 时，土样被剪破，如把同一土样置入三轴仪中，先在压力室中加水压3=150 kPa，再加垂直压力，直到1=40

7、0 kPa，土样才破坏。试求： 土样的和c值； 土样破裂面与垂线的夹角； 在三轴仪中剪破时破裂面上的法向应力和剪应力。 【解】 根据在单轴仪和三轴仪中土样破坏时的应力状态， 可以在应力坐标上绘制两个极限应力圆O和O，如图 所示。其共同切线为强度线，由该图可求算： O圆的半径50O b kPa，O圆的半径400 1501252O a kPa。 因O O e ，故 1255075sin0.333150 12550225O eO O 所以 19.47 由于1(90)54.742OdO, 由O Od中可解出： 5035.36tan1.414O Oc kPa 土样破裂面与垂线的夹角19.46454535

8、.2722。 由极限应力圆O看出，剪裂面上的法向应力Oa为f，剪应力aa为f，由于O aa，从O aa可导出f和f为 400 150400 150sin275 125 0.333233.322fOa kPa 400 150cos125 0.943117.92faa kPa 三轴试验中土的剪切性状o前面介绍了测定土抗剪强度的试验仪器及其试验的一般原理和方法，并讨论了土的抗剪强度的一般规律。但对土在剪切试验中某些性状，影响土抗剪强度的某些因素，如密度、应力历史等都未涉及到。本节将就土在剪切试验中表现出的抗剪强度特性进行进一步的讨论。砂性土的剪切性状o砂土的抗剪强度受密度、颗粒形状、表面粗糙度和级配

9、的影响。对于一般砂土来讲，影响抗剪强度的主要因素是其初始孔隙比（或初始干密度）；o初始孔隙比越小，抗剪强度越高；o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。砂性土的剪切性状砂土的应力轴向应变体变o松砂受剪时，颗粒滚落到平衡位置，排列更紧密些，所以体积缩小，把这种因剪切而体积缩小的现象称为剪缩性。松 砂砂土的应力轴向应变体变o紧砂受剪时，颗粒必须升高以离开它们原来的位置而彼此才能滑过，从而导致体积膨胀，把这种因剪切而体积膨胀的现象称为剪胀性。紧 砂砂土的应力轴向应变体变 随着轴向应变的增加，松砂的强度逐渐增加，曲线应变硬化。体积逐渐减小紧砂的强度达到一定值后，随着轴向应变的继续增加，

10、强度反而减小，最后呈应变软化型 体积开始时稍有减小，继而增加，超过它的初始体积砂土的应力轴向应变体变o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 紧砂为抵抗剪胀的趋势，将通过调整土体内部应力，紧砂产生负孔隙水压紧砂产生负孔隙水压力力，使周围压力增加，以保持体积不变o松砂为抵抗体积缩小的趋势，松砂将产生正孔隙水压力松砂将产生正孔隙水压力，使周围压力减小，以保持体积不变。砂土的残余强度砂土的液化o液化：任何物质转化为液体的行为或过程o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的现

11、象。饱和粘性土的剪切性状o固结不排水试验，固结排水试验采用饱和重塑土；不固结不排水试验，超固结土采用原状试样。o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影响。正常固结土UU试验正常固结土CU试验cu正常固结土CD试验d三种试验结果的对比超固结粘土UU试验o超固结饱和粘土的试验方法与正常固结土的情况完全相同。它们的试验结果主要不同点在于：对试验施加的周围压力即初始有效固结应力小于原位应力，体现试验剪前为超固结状态。o超固结饱和粘土在受剪过程中表现出类似紧砂的特征，即开始稍有剪缩，接着体积膨胀。因而便在试样内部先出现正的孔隙水应力，继而减小。超固结粘土UU试验超固结粘土CU试验ccuccu超固结粘土CD试验cdcd三种试验结果的强度包线cud正常固结土cudcccud超固结土抗剪强度指标的选择 根据工程问题的性质，决定采用总应力或有效应力强度指标。 一般认为由三轴固结不排水试验确定的有效应力强度参数c和 宜用于分析地基的长期稳定性；而对于饱和软黏土的短期稳定问题，宜采用不固结不排水试验的强度指标（cu)