第五章土的抗剪强度2015.10

1、第五章：第五章： 土的抗剪强度土的抗剪强度 本章提要本章提要 学习难点学习难点 土是如何破坏的？土是如何破坏的？ 如何衡量土的强度？如何衡量土的强度？ 如何测定土的强度？如何测定土的强度？ 如何应用土的强度指标？如何应用土的强度指标？ 土的抗剪强度理论及本质土的抗剪强度理论及本质 土的抗剪强度指标及测试方法土的抗剪强度指标及测试方法 土的抗剪强度指标的种类及选取土的抗剪强度指标的种类及选取5.1 5.1 概述概述5.2 5.2 土的抗剪强度理论土的抗剪强度理论 5.3 5.3 土的抗剪强度的测定试验土的抗剪强度的测定试验5.4 5.4 三轴压缩试验中的孔隙应力系数三轴压缩试验中的孔隙应力系数5

2、.5 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5.6 5.6 土的抗剪强度指标土的抗剪强度指标F 土体强度及其特点土体强度及其特点F 工程中土的强度问题工程中土的强度问题 土的抗剪强度土的抗剪强度 土的强度的特点土的强度的特点 各种类型的滑坡各种类型的滑坡(sliding) 挡土和支护结构的破坏挡土和支护结构的破坏 地基的破坏地基的破坏 砂土的液化砂土的液化(liquefaction)5.1 5.1 概概 述述土的强度及其特点土的强度及其特点NTtgNtgTNtgT，则若00n 天然状态下的砂天然状态下的砂沿坡方向的平衡：沿坡方向的平衡：F此时，此时， 为为天然休止角，天然

3、休止角，也是最松状态下的砂内也是最松状态下的砂内摩擦角摩擦角 砂堆砂堆 TWN土的强度及其特点土的强度及其特点静止砂丘静止砂丘 移动砂丘移动砂丘3035 n 天然状态下的沙丘天然状态下的沙丘F固定沙丘背风坡角度接近天然休止角，一般固定沙丘背风坡角度接近天然休止角，一般为为 =30 -35 ，大于矿物滑动摩擦角，大于矿物滑动摩擦角颗粒间存在一定的咬合作用颗粒间存在一定的咬合作用各种类型的滑坡各种类型的滑坡崩塌崩塌平移滑动平移滑动旋转滑动旋转滑动流滑流滑滑裂面滑裂面锚固破坏锚固破坏整体滑动整体滑动底部破坏底部破坏土体下沉土体下沉墙体折断墙体折断挡土支护结构的破坏挡土支护结构的破坏地基的破坏地基的破

4、坏地基地基P滑裂面滑裂面砂土的液化砂土的液化(liquefaction)(liquefaction)日本新泻日本新泻1964年地震引起大面积液化年地震引起大面积液化F 土压力土压力F 边坡稳定性边坡稳定性F 地基承载力地基承载力F 振动液化特性振动液化特性n 挡土结构物破坏挡土结构物破坏n 各种类型的滑坡各种类型的滑坡n 地基的破坏地基的破坏n 砂土的液化砂土的液化核心问题核心问题:土体的强度理论土体的强度理论5.2 土的抗剪强度理论土的抗剪强度理论F直剪试验与库仑公式直剪试验与库仑公式F土的抗剪强度机理土的抗剪强度机理F 莫尔莫尔-库仑强度理论库仑强度理论法国军事工程师，在摩法国军事工程师，

5、在摩擦、电磁方面做出了奠擦、电磁方面做出了奠基性的贡献。基性的贡献。17731773年发年发表了关于土压力方面论表了关于土压力方面论文，成为土压力的经典文，成为土压力的经典理论理论库仑（C. A. Coulomb）(1736-1806)直剪试验与库伦公式直剪试验与库伦公式直直 剪剪 试试 验验PT土样土样下盒下盒上盒上盒S面积面积An 直剪试验直剪试验 法向应力法向应力 ：AP 剪应力剪应力 ：AT 剪切变形剪切变形S1 S23 直剪仪：应力式直剪仪：应力式 应变式应变式直剪试验的强度包线直剪试验的强度包线 S123 Ocn 库仑公式库仑公式：（：（17761776） f1 f2 f3 f ：

6、 土的抗剪强度土的抗剪强度 tg ： 摩擦强度摩擦强度-正比于压力正比于压力 ： 土的内摩擦角土的内摩擦角 c： 粘聚强度粘聚强度-与所受压力无关与所受压力无关 tgcf土的抗剪强度指标土的抗剪强度指标Fc和和 是决定土的抗剪强度的两个指标，称是决定土的抗剪强度的两个指标，称为抗剪强度指标为抗剪强度指标当当 采用总应力时，称为采用总应力时，称为总应力抗剪强度指标总应力抗剪强度指标当当 采用有效应力时，称为采用有效应力时，称为有效应力抗剪强度指标有效应力抗剪强度指标对无粘性土通常认为，粘聚力对无粘性土通常认为，粘聚力C=0n 库仑公式库仑公式: : tgcf摩摩 擦擦 强强 度度n 摩擦强度：摩

7、擦强度：决定于剪切面上的正应力决定于剪切面上的正应力和土的内摩擦角和土的内摩擦角 由颗粒之间发生滑动时颗粒接触由颗粒之间发生滑动时颗粒接触面粗糙不平所引起，与颗粒的形面粗糙不平所引起，与颗粒的形状，矿物组成，级配等因素有关状，矿物组成，级配等因素有关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 滑动摩擦滑动摩擦 咬合摩擦咬合摩擦 包括如下两个包括如下两个组成部分组成部分 ： 滑动摩擦滑动摩擦n 摩擦强度：摩擦强度：决定于剪切面上的正应力决定于剪切面上的正应力和土的内摩擦角和土的内摩擦角 滑动摩擦滑动摩

8、擦 咬合摩擦咬合摩擦 包括如下两个包括如下两个组成部分组成部分 ：是指相邻颗粒对于相对移动的约束作用是指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，跨越相邻颗粒必须抬起，跨越相邻颗粒B，或在尖角处，或在尖角处被剪断（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 咬合摩擦咬合摩擦CABCAB剪切面剪切面摩摩 擦擦 强强 度度摩摩 擦擦 强强 度度F密度密度F粒径级配粒径级配F颗粒的矿物成分颗粒的矿物成分F粒径的形状粒径的形状F粘土颗粒表面的吸附水膜粘土颗粒表面的吸附水膜n

9、 影响土的摩擦强度的主要因素影响土的摩擦强度的主要因素: :凝凝 聚聚 强强 度度n 细粒土：细粒土：粘聚力粘聚力c取决于土粒间的各种物理化学作用力取决于土粒间的各种物理化学作用力F作用机理：库伦力（静电力）、范德华力、作用机理：库伦力（静电力）、范德华力、 胶结作用力和毛细力等胶结作用力和毛细力等F影响因素：地质历史、粘土颗粒矿物成分、影响因素：地质历史、粘土颗粒矿物成分、 密度与离子浓度密度与离子浓度n 粗粒土：粗粒土：一般认为是无粘性土，不具有粘聚强度：一般认为是无粘性土，不具有粘聚强度：F 当粒间有胶结物质存在时可具有一定的粘聚强度当粒间有胶结物质存在时可具有一定的粘聚强度F 非饱和砂

10、土，粒间受毛细压力，具有假粘聚力非饱和砂土，粒间受毛细压力，具有假粘聚力F 应力状态与莫尔圆应力状态与莫尔圆F 极限平衡应力状态极限平衡应力状态F 莫尔莫尔- -库仑强度理论库仑强度理论F 破坏判断方法破坏判断方法F 滑裂面的位置滑裂面的位置莫尔莫尔- -库仑强度理论库仑强度理论应力状态应力状态 y yz xy zx x z zzyzxyzyyxxzxyxij zzxxzxij三维应力状态三维应力状态二维应力状态二维应力状态 zx z xz x莫尔圆应力分析符号规定莫尔圆应力分析符号规定z x xz zx n 材料力学材料力学+-正应力正应力剪应力剪应力拉为正拉为正压为负压为负顺时针为正顺时针

11、为正逆时针为负逆时针为负z x xz zx +-n 土力学土力学压为正压为正拉为负拉为负逆时针为正逆时针为正顺时针为负顺时针为负应力莫尔圆应力莫尔圆3由材料力学知，由材料力学知，231223131313122sin22cos222 113132O极限平衡应力状态极限平衡应力状态F极限平衡应力状态：当极限平衡应力状态：当一面上的应力状态达到一面上的应力状态达到 = fF土的强度包线：所有达到极限平衡状态的莫尔圆的公切线土的强度包线：所有达到极限平衡状态的莫尔圆的公切线 tgcf切点切点= =破坏面破坏面应力莫尔圆与强度包线应力莫尔圆与强度包线 f 强度包线以下：强度包线以下：任何一个面任何一个面

12、上的一对应力上的一对应力 与与 都没有达都没有达到破坏包线，不破坏到破坏包线，不破坏 与破坏包线相切：与破坏包线相切：有一个面有一个面上的应力达到破坏上的应力达到破坏 与破坏包线相交：与破坏包线相交：有一些平有一些平面上的应力超过强度面上的应力超过强度 不可能发生不可能发生1.1. 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 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=f(=f( ) ) （莫尔：（莫尔：19001900年）年）2.2. 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 f=c+=c+

13、 tgtg 3.3. 某土单元的任一个平面上某土单元的任一个平面上 = = f 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莫尔莫尔库仑强度理论库仑强度理论 O c f=c+ tg 1 3莫尔莫尔- -库仑强度理论的破坏准则库仑强度理论的破坏准则 ctgc22)(ctgc2)(sin31313131)245(tgc2)245(tg213 )245(tgc2)245(tg231 2ctgc31 231 n 土的极限平衡条件：土的极限平衡条件：处于极限平衡状态时，处于极限平衡状态时， 1和和 3之间应满足的关系之间应满足的关系)245(tg213 )245(tg231 无粘

14、性土无粘性土土单元是否破坏的判别土单元是否破坏的判别n根据极限平衡条件可以用来判别一点土体是否根据极限平衡条件可以用来判别一点土体是否已发生剪切破坏已发生剪切破坏F 计算主应力计算主应力 1, 3：F 确定土单元体的应力状态（确定土单元体的应力状态（ x， z， xz）2xz2zxzx3, 14)2(2 F判别是否剪判别是否剪切破坏：切破坏： 由由 3 1f，比较，比较 1和和 1f 由由 1 3f，比较，比较 3和和 3f 由由 1 , 3 m，比较，比较 和和 m c f=c+ tg O土单元是否破坏的判别土单元是否破坏的判别)245(tgc2)245(tg23f1 F 1= 1f 极限平

15、衡状态极限平衡状态 （破坏）（破坏）F 1 1f 不可能状态不可能状态 （破坏）（破坏） 1f 3n 方法一：方法一： 由由 3 1f，比较，比较 1和和 1f O c f=c+ tg 土单元是否破坏的判别土单元是否破坏的判别n 方法二：方法二： 由由 1 3f，比较，比较 3和和 3fF 3= 3f 极限平衡状态极限平衡状态 （破坏）（破坏）F 3 3f 安全状态安全状态F 3 3f 不可能状态不可能状态 （破坏）（破坏） 1 3f)245(tgc2)245(tg21f3 O f=c+ tg O c 土单元是否破坏的判别土单元是否破坏的判别n 方法三：方法三： 由由 1 , 3 m，比较，比

16、较 和和 mF m 不可能状态不可能状态 （破坏）（破坏） ctgc2sin3131mF处于极限平衡状态处于极限平衡状态所需的内摩擦角所需的内摩擦角剪切破坏面的位置剪切破坏面的位置 3 1f2 2 =90 + =45 + /2 O 1f 3245/F可见土体破坏的剪切破可见土体破坏的剪切破坏不在坏不在45最大剪应力面最大剪应力面上，为什么？上，为什么？n 与大主应力面夹角与大主应力面夹角:2 小小 结结F直剪试验与库仑公式直剪试验与库仑公式F土的抗剪强度机理土的抗剪强度机理F 莫尔莫尔-库仑强度理论库仑强度理论直剪试验直剪试验库仑公式库仑公式土的抗剪强度指标土的抗剪强度指标c和和 应力状态与莫

17、尔圆应力状态与莫尔圆极限平衡应力状态极限平衡应力状态莫尔莫尔- -库仑强度理论库仑强度理论土体破坏判断方法土体破坏判断方法滑裂面的位置滑裂面的位置摩擦强度：滑动、咬合摩擦摩擦强度：滑动、咬合摩擦凝聚强度凝聚强度n 室内试验：室内试验：直剪试验直剪试验三轴试验等三轴试验等n 野外试验：野外试验：十字板扭剪试验十字板扭剪试验旁压试验等旁压试验等F重塑土制样或现场取样重塑土制样或现场取样F缺点：扰动缺点：扰动F优点：应力和边界条件优点：应力和边界条件 清楚，易重复清楚，易重复F缺点：应力和边界条缺点：应力和边界条 件不易掌握件不易掌握F优点：原状土的原位优点：原状土的原位 强度强度5.3 5.3 土

18、的抗剪强度的测定试验土的抗剪强度的测定试验直直 剪剪 试试 验验PT土样土样下盒下盒上盒上盒S面积面积A Oc 1 S23 f1 f2 f3直剪仪直剪仪(direct shear test apparatus)直剪试验的类型直剪试验的类型(1) (1) 固结慢剪固结慢剪 施加正应力施加正应力- -充分固结充分固结 剪切速率很慢，剪切速率很慢，0.02mm/0.02mm/分，分， 以保证无超静孔压以保证无超静孔压(2) (2) 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(3) (3) 快剪快剪 施加正应力后立即剪切施加正应力后立即剪

19、切 3-53-5分钟内剪切破坏分钟内剪切破坏通过控制通过控制剪切速率剪切速率近似模拟近似模拟排水条件排水条件直剪试验的优缺点直剪试验的优缺点C 设备和操作简单设备和操作简单D人为固定剪切面人为固定剪切面D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D剪切面积逐渐减小剪切面积逐渐减小D排水条件不明确排水条件不明确PT土样土样TP试样内的试样内的变形分布变形分布直剪试验中的应力状态直剪试验中的应力状态PPT z=P/A x=k0 z xz=0剪切前剪切前剪切破坏时剪切破坏时 xz z=P/A x O z=P/Ak0 z剪切前剪切前剪切剪切破坏

20、时破坏时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三轴试验三轴试验F试样应力特点试样应力特点与试验方法与试验方法F强度包线强度包线F试验类型试验类型F优缺点优缺点应力特点与试验方法应力特点与试验方法n 方法：方法：固结：试样施加固结压力固结：试样施加固结压力 c c 排排水固结至稳定水固结至稳定施加围压：试样继续施加围压力施加围压：试样继续施加围压力至至 3 3 剪切：施加应力差剪切：施加应力差q=q= 1 1- - 3 3 n 应力特点：应力特点：试样是轴对称应力状态试样是轴对称应力状态垂直应力垂直应力 z z一般是大主应力一

21、般是大主应力 1 1侧向应力总是相等侧向应力总是相等 x x= = y y，且，且为中、小主应力为中、小主应力 2 2= = 3 3试样试样水压水压力力 c轴向力轴向力Fy3x3z3q应力特点与试验方法应力特点与试验方法类型类型施加施加 3 3施加施加 1 1- - 3 3量测量测固结固结排水排水固结固结排水排水体变体变固结固结不排水不排水固结固结不排水不排水孔隙水孔隙水压力压力不固结不固结不排水不排水不固结不固结不排水不排水孔隙水孔隙水压力压力常用试验类型常用试验类型 1- 3 1( 1- 3)f( 1- 3)f破坏偏差应力取值方法破坏偏差应力取值方法松砂或正常固结土松砂或正常固结土密砂或超

22、固结粘土密砂或超固结粘土F应变软化型曲线，取曲线应变软化型曲线，取曲线的最大偏差应力值作为的最大偏差应力值作为( 1- 3)fF应变硬化型曲线，取规定应变硬化型曲线，取规定的轴向应变值（通常的轴向应变值（通常15%）所相应的偏差应力作为所相应的偏差应力作为( 1- 3)f15% 1- 3 1 3=100kPa 3=300kPa 3=500kPa三轴试验确定土的强度包线三轴试验确定土的强度包线 O 3 1f强度包线强度包线c F由不同围压由不同围压 的三轴试验，得到破坏时相应的（的三轴试验，得到破坏时相应的（ 1 1- - ) )f fF分别绘制破坏状态的应力摩尔圆，其公切线即为强度包分别绘制破

23、坏状态的应力摩尔圆，其公切线即为强度包线，可得强度指标线，可得强度指标c c与与 15%( 1- 3)fF固结排水试验（固结排水试验（CDCD试验）试验）Consolidated Drained Triaxial test (CD)总应力抗剪强度指标：总应力抗剪强度指标： c cd d d d （c c ）试验类型与强度指标试验类型与强度指标F固结不排水试验（固结不排水试验（CUCU试验）试验）Consolidated Undrained Triaxial test (CU)总应力抗总应力抗剪强度指标：剪强度指标：c ccu cu cucuF不固结不排水试验（不固结不排水试验（UUUU试验）试

24、验）Unconsolidated Undrained Triaxial test (UU)总应力抗总应力抗剪强度指标：剪强度指标： c cu u u u （ c cuu uu uu uu ）常规三轴试验优缺点常规三轴试验优缺点C单元体试验，试样内应力和应变相对均匀单元体试验，试样内应力和应变相对均匀C应力状态和应力路径明确应力状态和应力路径明确C排水条件清楚，可控制排水条件清楚，可控制C破坏面不是人为固定的破坏面不是人为固定的D设备操作复杂设备操作复杂D现场无法试验现场无法试验D常规三轴试验不能反映常规三轴试验不能反映 2的影响的影响说明：说明： 3 30 0 即为无侧限抗压强度试验即为无侧限

25、抗压强度试验无侧限抗压强度试验无侧限抗压强度试验 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。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。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，以土能承受的最大轴向压力称为无侧限抗压强度，以qu表示表示极限应力圆

26、不排水强度不排水强度无侧限抗压强度实验只能得到一个莫尔圆，而根据饱和粘土的不固结不排水剪实验无侧限抗压强度实验只能得到一个莫尔圆，而根据饱和粘土的不固结不排水剪实验结果得知，饱和粘土的不固结不排水抗剪强度包线是水平线，即结果得知，饱和粘土的不固结不排水抗剪强度包线是水平线，即0u饱和粘土不排水强度：饱和粘土不排水强度：十字板剪切试验十字板剪切试验F一般适用于测定软粘土的一般适用于测定软粘土的不排水强度指标不排水强度指标F钻孔到指定的土层，插入钻孔到指定的土层，插入十字形的探头十字形的探头F通过施加的扭矩计算土的通过施加的扭矩计算土的抗剪强度抗剪强度MM2 fv fhM1DH HMf2f321m

27、ax2HD6DMMM fh32/D0fh16Drdrr22M fv22DDHM 假定土体为各向同性，假定土体为各向同性， fh= fv= f：)H3D(2DM2maxf 十字板剪切试验十字板剪切试验u0=0ccu133u231 35.4 5.4 三轴压缩试验中的孔隙应力系数三轴压缩试验中的孔隙应力系数21uuuuuuu0uc+ 3c+ 1孔隙应力系数孔隙应力系数B B 定义：当试样在定义：当试样在不排水条件下不排水条件下受到受到各向相等压力各向相等压力增量增量时，产生的孔隙应力增量与压力增量之比定时，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义为孔隙应力系数31uB B B反映土体在各

28、向相等压力作用下，孔隙应力变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化情况的指标，也是反映土体饱和程度的指标孔压系数孔压系数B B主要与土的饱和度有关：主要与土的饱和度有关：B=1B=1 饱和土，不排水条件下，周围压力增量完全由饱和土，不排水条件下，周围压力增量完全由孔隙水承担；孔隙水承担；B=0B=0 土完全干燥，周围压力增量完全由土骨架承担；土完全干燥，周围压力增量完全由土骨架承担；0B10B1 非饱和土，饱和度越大，非饱和土，饱和度越大，B B越接近于越接近于1 1。孔隙应力系数孔隙应力系数A A 定义：当试样在轴向应力增量定义：当试样在轴向应力增

29、量q,q,即即 作用时，产生的孔隙水应力为为作用时，产生的孔隙水应力为为u u2 2, ,我们定义我们定义另一孔压系数另一孔压系数A A为为 A A是偏应力条件下的孔隙应力系数是偏应力条件下的孔隙应力系数 A A主要反应土的剪胀（缩）性主要反应土的剪胀（缩）性: : 弹性情况下：弹性情况下：A=1/3A=1/3 密砂和坚硬粘性土：密砂和坚硬粘性土：A1/3A1/3A1/3孔隙水压力计算公式孔隙水压力计算公式：孔隙水压力系数A和B是通过轴对称应力状态的试验确定，是应力水平的函数，不是常数。对于饱和土对于饱和土不固结不排水试验不固结不排水试验：固结不排水试验固结不排水试验：固结排水试验固结排水试验

30、：B=1n 库仑公式库仑公式: f=c+ tg c和和 称为土的抗剪强度指标称为土的抗剪强度指标5.5 5.5 土的剪切性状和土的剪切性状和 抗剪强度指标抗剪强度指标抗剪强度指标的类型抗剪强度指标的类型F总应力强度与有效总应力强度与有效应力强度指标应力强度指标F直剪强度与三轴试直剪强度与三轴试验指标验指标F峰值强度与残余强峰值强度与残余强度指标度指标n 三种强度指标：三种强度指标：根据应力分根据应力分析方法分析方法分根据试验方根据试验方法分法分根据应力变根据应力变形特性分形特性分总应力指标与有效应力指标总应力指标与有效应力指标u抗剪强度的有效应力指抗剪强度的有效应力指标标c ， u c + t

31、g = -u符合土的破坏的机理，符合土的破坏的机理，但有时孔隙水压力但有时孔隙水压力u无法确定无法确定u抗剪强度的总应力指抗剪强度的总应力指标标c， u c+ tg u是一种是一种“全额生产率全额生产率”的概念，因的概念，因u不能产生不能产生抗剪强度，不符合强抗剪强度，不符合强度机理。在无法确定度机理。在无法确定u时便于应用，但要符时便于应用，但要符合工程条件合工程条件砂性土的剪切性状砂性土的剪切性状 砂土的抗剪强度受密度、颗粒形状、表面粗糙度和级配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，影响抗剪强度的主要因素的影响。对于一般砂土来讲，影响抗剪强度的主要因素是

32、其初始孔隙比（或初始干密度）。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比干燥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时小砂土的应力轴向应变体变砂土的应力轴向应变体变 松砂受剪时，颗粒滚落到松砂受剪时，颗粒滚落到平衡位置，排列更紧密些，平衡位置，排列更紧密些，所以体积缩小，把这种因所以体积缩小，把这种因剪切而体积缩小的现象称剪切而体积缩小的现象称为剪缩性为剪缩性松 砂 紧砂受剪时，颗粒必须升紧砂受剪时，颗粒必须升高以离开它们原来的位置高以离开它们原来的位置而彼此才能滑过，从而导而彼此才能滑过

33、，从而导致体积膨胀，把这种因剪致体积膨胀，把这种因剪切而体积膨胀的现象称为切而体积膨胀的现象称为剪胀性。剪胀性。紧 砂 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，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 砂土在低周围压力下由于砂土在低周围压力下由于初始孔隙比的不同，剪破初始孔隙比的不同，剪破时的体积可能小于初始体时的体积可能小于初始体积，也可能大于初始体积，积，也可能大于初始体积，则可以想象，砂土在某一则可以想象，砂土在某一初始孔隙比下受剪，它剪初始孔隙比下受剪，它剪破时的体积将等于其

34、初始破时的体积将等于其初始体积，这一初始孔隙比称体积，这一初始孔隙比称为临界孔隙比。为临界孔隙比。 砂土的临界孔隙比将随周围压力的增加而减小 饱和砂土在低周围压力下受剪时，如果不允许它的体积发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，产生紧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。围压力减小，以保持

35、体积不变。砂土的残余强度砂土的残余强度砂土的液化砂土的液化液化：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，不能在短时间排砂土液化：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象。的孔隙水压力，从而导致土体的抗剪能力完全丧失的现象。饱和松砂的振动液化饱和松砂的振动液化n 液化现象液化现象时间时间 T T孔压孔压u uF饱和松砂在振动情况饱和松砂在振动情况下孔压急剧升高下孔压急剧升高F在瞬间砂土

36、呈液态在瞬间砂土呈液态振动台振动台松砂松砂饱和松砂的振动液化饱和松砂的振动液化n 液化机理液化机理（1 1）初始处于疏松状态）初始处于疏松状态（3 3）振后处于密实状态）振后处于密实状态（2 2）振动过程中处于悬浮状态）振动过程中处于悬浮状态 - - 孔压升高（液化）孔压升高（液化）振前松砂振前松砂的结构的结构振中颗粒悬浮，振中颗粒悬浮，有效应力为零有效应力为零振后砂土振后砂土变密实变密实饱和松砂的振动液化饱和松砂的振动液化n 液化机理液化机理排出的剩排出的剩余孔隙水余孔隙水松砂层松砂层地下水位地下水位地震荷载地震荷载建筑物建筑物喷喷 砂砂地面下沉地面下沉喷砂喷砂遗井遗井排出的剩排出的剩余孔隙

37、水余孔隙水地震前地震前 液化时液化时 液化后液化后n 建筑物地基的液化建筑物地基的液化n 液化定义液化定义F在饱和砂土中，由于振动引起颗粒的在饱和砂土中，由于振动引起颗粒的悬浮，超静孔隙水压力急剧升高，直悬浮，超静孔隙水压力急剧升高，直到其孔隙水压力等于总应力时，有效到其孔隙水压力等于总应力时，有效应力为零，砂土的强度丧失，砂土呈应力为零，砂土的强度丧失，砂土呈液体流动状态，称为液化现象液体流动状态，称为液化现象F饱和度饱和度F组成组成F状态状态F结构结构F其他其他砂土液化的影响因素砂土液化的影响因素 粉细砂：粉细砂： d50 =0.07mm- 1.0mm 砾类土：砾类土： 粒径大于粒径大于5

38、mm60% 粉土：粉土： Ip=（3-10）Il=0.75-1.0 排水条件排水条件 应力状态及历史应力状态及历史 地震特性地震特性.相对密度相对密度Dr0， cuc , cu 与超固结度有关与超固结度有关O = 13 23n 超固结粘土试验曲线与强度包线cu f fccuu1fu2fu1fu2f f fc 固结不排水试验小结F 剪切过程中的超静孔压：剪切过程中的超静孔压： u = A ( )F 试验确定的强度指标：试验确定的强度指标： cu，ccu 和和 ，c F 正常固结粘土：正常固结粘土： cu c 0 不固结不排水试验n强度指标：强度指标：cuu(cu), uu( u) F试验条件试验

39、条件F饱和试样的不排水强度指标饱和试样的不排水强度指标cuF不排水试验与固结不排水试验不排水试验与固结不排水试验F无侧限压缩试验：无侧限压缩试验： 3=0的不排水试验的不排水试验F不饱和试样的不排水强度不饱和试样的不排水强度不固结不排水试验F排水阀门关闭，排水阀门关闭，施加围压施加围压 ，产生孔隙水压力，产生孔隙水压力 u1=B F施加施加( ( 1 1 - - ) )时，时，排水阀门关闭，排水阀门关闭，量测剪切过程中产量测剪切过程中产生的超静孔隙水压力生的超静孔隙水压力 u2 = BA ( )n 试验条件n 饱和试样的不排饱和试样的不排水强度指标水强度指标c cu u不固结不排水试验O =

40、13 u=0 fcu 23 fc 试验过程中不排水，试样密度不变，不论周围压力试验过程中不排水，试样密度不变，不论周围压力 3多大，抗剪强度和破坏时的有效应力状态相同多大，抗剪强度和破坏时的有效应力状态相同 总应力抗剪强度包线水平总应力抗剪强度包线水平 u=0， cu=( 1- 3)f/2 破坏时不同破坏时不同 3试验的有效应力莫尔圆相同试验的有效应力莫尔圆相同u1fu2f有效应力有效应力莫尔圆莫尔圆总应力总应力莫尔圆莫尔圆思考题思考题1 1： u u=0=0是否意味着土体不具有摩擦强度？是否意味着土体不具有摩擦强度？思考题思考题2 2：可否由：可否由UUUU试验确定有效应力强度指标？试验确定

41、有效应力强度指标？O = 13 u=0 fcu 23 fc 有效应力有效应力莫尔圆莫尔圆总应力总应力莫尔圆莫尔圆不固结不排水试验n 无侧限压缩试验不固结不排水试验O = u=0 fcu 3=0qu= F 3 3= =0 0的不排水试验的不排水试验F f f=c=cu u =q=qu u/2/2F由于土样扰动等的由于土样扰动等的影响，一般稍低于影响，一般稍低于原位不排水强度原位不排水强度不排水强度不排水强度Cu的大小，取决于土样所受先期固结压的大小，取决于土样所受先期固结压力（或试样密度）。力（或试样密度）。先期固结压力越高，土样的密度越大，不排水强度也先期固结压力越高，土样的密度越大，不排水强

42、度也越大越大试验类型试验类型试验方法试验方法强度指标强度指标慢剪慢剪Slow Shear 施加正应力施加正应力-充分固结充分固结 慢剪，保证无超静孔压慢剪，保证无超静孔压 cs， s固结快剪固结快剪Consolidated Quick Shear 施加正应力施加正应力-充分固结充分固结 快剪，在快剪，在3-5分钟内剪切坏分钟内剪切坏ccq， cq快剪快剪Quick Shear 施加正应力后不固结，施加正应力后不固结， 立即快剪，立即快剪，3-5分钟内剪坏分钟内剪坏cq， q直剪试验类型和强度指标直剪试验类型和强度指标n 排水条件不明确，但可以模拟实际工程问题排水条件不明确，但可以模拟实际工程问题直剪试验强度指标直剪试验强度指标F 对于砂土，三种试验结果都接近于对于砂土，三种试验结果都接近于c F 对于粘性土，对于粘性土，慢剪：慢剪：cs c ， s ， 一般强度指标稍大，常乘系数一般强度指标稍大，常乘系数0.9固结快剪：固结快剪：ccq ccu cqcu 快剪：快剪： 对于对于 k10-7cm/s的粘土的粘土 cq cu qu