第6章土的抗剪强度

1、第6章 土的抗剪强度土的抗剪强度理论、试验方法土的抗剪强度理论、试验方法 土的极限平衡条件土的极限平衡条件 粘性土、无粘性土的粘性土、无粘性土的t tf 特点特点6.1 6.1 概概 述述 土的抗剪强度t tf （Shear strength）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。 土体沿着某一方向发生一部分相对于另土体沿着某一方向发生一部分相对于另一部分的移动，即发生剪切破坏。一部分的移动，即发生剪切破坏。 若继续增加荷载，土中最终形成连续滑若继续增加荷载，土中最终形成连续滑动面，导致土体失稳。动面，导致土体失稳。 (a) 土体滑坡(b) 挡土墙倾覆(c) 地基失稳6.2

2、6.2 土的抗剪强度理论土的抗剪强度理论1 库仑库仑( Coulomb)抗剪强度公式抗剪强度公式 ftant t （1 1） 砂土砂土（2 2）粘性土）粘性土ftanct t c、 称为土的（抗剪）强度指标。称为土的（抗剪）强度指标。 c内聚力，内聚力，kPa 内摩擦角，度内摩擦角，度 破坏面上的正应力，破坏面上的正应力，kPa（3 3）f 的特点的特点ftanctt非定值非定值内聚力内聚力 c ： 电分子吸引力电分子吸引力 胶体物质胶结力胶体物质胶结力内摩擦力内摩擦力tan 内摩擦系数内摩擦系数=tan无粘性土无粘性土c = 0土粒的大小、形状、粗糙度土粒的大小、形状、粗糙度土粒的矿物成分土

3、粒的矿物成分土的密实度土的密实度含水量含水量w结构扰动情况结构扰动情况 应力历史应力历史（4 4） 影响影响f 的因素的因素（5 5）f 的有效应力表示法的有效应力表示法f tanct t c有效内聚力有效内聚力有效内摩擦角有效内摩擦角破坏面上的有效正应力破坏面上的有效正应力2 莫尔莫尔-库仑库仑(Mohr-Coulomb)强度理论强度理论 与极限平衡条件与极限平衡条件 土的强度特指抗剪强度土的强度特指抗剪强度土体的破坏为剪切破坏土体的破坏为剪切破坏关于土体强度破坏的条件有多种：关于土体强度破坏的条件有多种： 莫尔莫尔-库仑库仑（Mohr-Coulomb）条件条件 广义米赛斯（广义米赛斯（Mi

4、ses）条件）条件 广义屈瑞斯卡（广义屈瑞斯卡（Tresca）条件）条件 广义双剪应力条件广义双剪应力条件莫尔莫尔(Mohr)提出材料产提出材料产生剪切破坏时，破坏面生剪切破坏时，破坏面上的剪应力上的剪应力f是该面上法是该面上法向应力向应力的函数，即的函数，即 f( )ftt 该函数表示的曲线称为莫尔包线。该函数表示的曲线称为莫尔包线。 由库仑公式表示莫尔包线的土体抗剪强度由库仑公式表示莫尔包线的土体抗剪强度理论称为莫尔理论称为莫尔-库仑强度理论。库仑强度理论。 cf=c+tanf=f()o 剪切强度条件剪切强度条件 当土中某点在沿某方向的平面上的当土中某点在沿某方向的平面上的剪应力剪应力达到

5、达到抗剪强度抗剪强度，则该点达到极限平衡状态，即，则该点达到极限平衡状态，即该点在沿该方向的平面上发生剪切破坏。该点在沿该方向的平面上发生剪切破坏。 若采用若采用Mohr-Coulomb强度理论表示，则强度理论表示，则称为称为Mohr-Coulomb强度条件强度条件。土中任意点土中任意点M处的应力处的应力（基于（基于平面问题）平面问题）00 xyFF 3d sin0s 1cosdsindd cos0sss t t cosdst t sinds 圆的解析方程圆的解析方程-MohrMohr圆圆M0132O1，圆心)0 ,2(3110231r半径土中一点的某一平面上应力为：土中一点的某一平面上应力为

6、：1313cos222 13sin22 t t 222131322 t t 极限平衡条件：极限平衡条件：ft tt t 直线相切圆与fMohrt极限平衡状态极限平衡状态圆圆-t tt tf，不会发生剪切破坏；，不会发生剪切破坏；圆圆-t t= =t tf，剪应力处于极限平衡状态；，剪应力处于极限平衡状态；圆圆-t tt tf，已剪切破坏。，已剪切破坏。213tan (45)2 tan(45)22c 231tan (45)2 tan(45)22c 13132sinot2c c 破坏角破坏角 ff290 f452 f 为破坏面与为破坏面与 1作用面的夹角作用面的夹角 破坏面上破坏面上t t t t

7、 max， 而是而是t t = t t f例例已知：地基某点已知：地基某点1=450kPa，3=126kPa， 试验测得试验测得c=45kPa，=30 问：（问：（1）该点是否发生剪切破坏？）该点是否发生剪切破坏？ （2）若）若3不变，不变，1为多大时该点破坏？为多大时该点破坏？23tan (45/2)2tan(45/2)c 答答（1）该点没有破坏）该点没有破坏 （2）若）若3不变，不变，1=533.9kPa时该点才破坏时该点才破坏23030126tan452 45tan 4522 1533.9(kPa) 解解6.3 6.3 土的抗剪强度测定方法土的抗剪强度测定方法室内室内室外室外直直接接剪剪

8、切切三三轴轴剪剪切切无无侧侧限限抗抗压压十十字字板板剪剪切切大大型型直直剪剪1轮轴；轮轴； 2底座；底座； 3透水石；透水石； 6上盒；上盒； 7土样土样9钢环；钢环； 10下盒；下盒；5传压活塞；传压活塞；4、8百分表百分表1 1 直接剪切试验直接剪切试验(1) 仪器设备仪器设备应变控制式直剪仪应变控制式直剪仪(2) 试验原理试验原理FA maxfVAt tt t 剪切破坏面上：剪切破坏面上：(3) 试验方法试验方法 根据施加竖向应力所产生的根据施加竖向应力所产生的固结效应固结效应、试验、试验土样的排水性能与施加水平推力速度的土样的排水性能与施加水平推力速度的相对关系相对关系，直接剪切试验可

9、分为：直接剪切试验可分为： 试样剪切破坏前后的试样剪切破坏前后的含水量不变含水量不变。抗剪强度指。抗剪强度指标为标为cuu、 uu。 A. 快剪快剪当施加的竖向应力不产生固结效应时，当施加的竖向应力不产生固结效应时，快速施加水平推力，使其试样在剪切过程中来不快速施加水平推力，使其试样在剪切过程中来不及产生排水效应。及产生排水效应。 试样剪切破坏后试样剪切破坏后含水量减小含水量减小。抗剪强度指标为。抗剪强度指标为ccu、 cu。 B. 固结快剪固结快剪施加的竖向应力，使得试样达到施加的竖向应力，使得试样达到相应的固结效应时，快速施加水平推力，使其试相应的固结效应时，快速施加水平推力，使其试样在剪

10、切过程中来不及产生排水效应。样在剪切过程中来不及产生排水效应。 试样剪切破坏后试样剪切破坏后含水量减小含水量减小。抗剪强度指标为。抗剪强度指标为cd、 d。 C. 慢剪慢剪施加的竖向应力，使得试样达到相应施加的竖向应力，使得试样达到相应的固结效应时，缓慢施加水平推力，使其试样在的固结效应时，缓慢施加水平推力，使其试样在剪切过程中产生充分的排水效应。剪切过程中产生充分的排水效应。 限定破坏面限定破坏面 平均平均=Vmax/A 假定假定A不变不变 不能测量不能测量 u(4 4) 局限性局限性(1) 仪器设备仪器设备三轴剪切仪三轴剪切仪2 2 三轴剪切试验三轴剪切试验施加围压施加围压 3，传力杆竖压

11、，传力杆竖压 3331313333(2) 试验试验原理原理4 组以上（组以上（ 1， 3） 固结排水剪（慢剪）固结排水剪（慢剪） 固结不排水剪（固结快剪）固结不排水剪（固结快剪） 不固结不排水剪（快剪）不固结不排水剪（快剪）（3） 试验方法试验方法（4） 特点特点能控制和测定能控制和测定 u沿最薄弱面剪坏沿最薄弱面剪坏假三轴假三轴轴对称轴对称3 3 无侧限抗压强度试验无侧限抗压强度试验 （1） 仪器设备仪器设备无侧限抗压试验仪无侧限抗压试验仪（2 2） 试验原理及条件试验原理及条件 ufu2qct t 饱和粘性土，不排水剪时：饱和粘性土，不排水剪时： u = 0 cu 、 u土的不排水抗剪强度

12、指标土的不排水抗剪强度指标 4 4 十字板剪切试验十字板剪切试验 (1) 仪器设备仪器设备f26(3)MDDHt t (2) 试验原理试验原理取：取：fvfH=f 则：则：2fVfH2243DDDMDH t tt t 不排水剪，不排水剪，f qu /2原位试验，保持初始应力状态原位试验，保持初始应力状态简单方便简单方便（3 3） 特点特点6.4 6.4 饱和粘性土的抗剪强度饱和粘性土的抗剪强度1 1 不固结不排水抗剪强度（不固结不排水抗剪强度（UU）u0 u131()2c（1）总应力表示法）总应力表示法抗剪强度包线为水平线抗剪强度包线为水平线u11u333131有效应力有效应力 轴向：轴向：

13、径向：径向：有效应力圆与总应力有效应力圆与总应力圆大小相等（左移圆大小相等（左移 u）按总应力法和有效应按总应力法和有效应力法表示的力法表示的t tf 无异无异试验测得孔隙水压力（轴向和径向）：试验测得孔隙水压力（轴向和径向）：u（2 2）有效应力法）有效应力法初始压缩曲线初始压缩曲线abc卸荷曲线卸荷曲线cef再压缩曲线再压缩曲线fgc正常固结强度包线正常固结强度包线abc超固结强度包线超固结强度包线fgc2. 固结不排水剪（固结不排水剪（CU）a1-3正常固结超固结au-u超固结正常固结 受应力历史影响，正受应力历史影响，正常固结土的应力应变曲线常固结土的应力应变曲线为为抛物线抛物线，而超

14、固结土呈，而超固结土呈现现峰值曲线峰值曲线。 就孔隙水压力而言，就孔隙水压力而言，正常固结土条件时正常固结土条件时始终始终为正值为正值，而超固结土在，而超固结土在呈现正孔隙水压力峰值呈现正孔隙水压力峰值后逐渐转换为后逐渐转换为负值（吸负值（吸力）力）。应变硬化，发生剪缩应变硬化，发生剪缩应变软化，发生剪应变软化，发生剪胀胀（1）3 pc 时时正常固结土正常固结土f 直线过原点直线过原点 0cuu有效应力圆总应力圆cu cu1025用总应力法表示抗剪用总应力法表示抗剪强度偏于安全强度偏于安全（2）3 pc 时时超固结土超固结土总应力法总应力法f 为不过原点的折线为不过原点的折线 abc近似地：近

15、似地： adabc（ ab、bc平均斜率）平均斜率）fcucutanct t 有效应力法有效应力法ab段段:膨胀趋势，负孔隙水压力膨胀趋势，负孔隙水压力uu11ccucuucu总应力圆 有效应力圆有效应力圆在总应力圆有效应力圆在总应力圆右右边边u11有效应力圆在总应力圆有效应力圆在总应力圆左左边边bc段：段：孔隙水压力孔隙水压力 uu = 0， = ，有效应力圆即总应力圆有效应力圆即总应力圆3. 固结排水剪固结排水剪 （CD）（1）正常固结土）正常固结土f 直线过原点直线过原点（2）超固结土）超固结土f 直线不过原点直线不过原点以正常固结土为例（总应力表示法）以正常固结土为例（总应力表示法）4

16、. 三种排水试验条件下的三种排水试验条件下的 f 比较比较5 5 抗剪强度指标的选择抗剪强度指标的选择 (1) 选取合适的试验方法选取合适的试验方法 地基为薄粘土层，施工速度慢地基为薄粘土层，施工速度慢慢剪慢剪工期长，完工后一次性加载较大工期长，完工后一次性加载较大固结快剪固结快剪地基为厚粘性土，施工速度快地基为厚粘性土，施工速度快快剪快剪三轴剪切试验三轴剪切试验有效应力分析法有效应力分析法直接剪切试验直接剪切试验总应力分析法总应力分析法 (2) 选取合适的表示方法选取合适的表示方法 6.5 6.5 无粘性土的抗剪强度无粘性土的抗剪强度1 1 测定方法测定方法 = 三轴剪切试验、自然休止角测定法三轴剪切试验、自然休止角测定法c 0中砂、粗砂、砾砂：中砂、粗砂、砾砂： =3240粉砂、细砂：粉砂、细砂： =2836 2 2 无粘性土的剪切特性无粘性土的剪切特性砂土受剪时的应力-应变-体变峰值应变软化 应变硬化 剪胀 剪缩 VVe0ecrVV- 砂土剪切体积砂土剪切体积变化比变化比 V/V=0时的时的初始孔隙比称为初始孔隙比称为临临界孔隙比界孔隙比ecr。ecr与与围压围压 3有关，有关， 3越越大，大， ecr越小。越