土力学与基础工程5土的抗剪强度课件

给土的抗剪强度下定义：土体抵抗剪切破坏的极限能力

给土的抗剪强度下定义：土体抵抗剪切破坏的极限能力15.1

土的抗剪强度与极限平衡原理5.1.1

库仑定律f=c+tan粘土c库仑定律：土的抗剪强度是剪切面上的法向总应力

的线性函数

ff=tan砂土f5.1土的抗剪强度与极限平衡原理5.1.1库仑定律f2库伦公式两大抗剪强度指标c:土的粘聚力:土的内摩擦角注：对于无粘性土而言c=0)库伦公式两大抗剪强度指标c:土的粘聚力注：对于无粘性土而言c3土的抗剪强度一般可分为两部分：第一部分与颗粒间的法向应力有关，通常呈正比例关系，其本质是摩擦力；另一部分是与法向应力无关的土粒之间的粘结力，通常称为粘聚力。土的抗剪强度一般可分为两部分：4影响因素土的抗剪强度内在因素外在因素：试验时的排水条件等因素颗粒间的有效法向应力土的孔隙比影响因素内在因素外在因素：试验时的排水条件等因素颗粒间的有效5表达方法土的抗剪强度总应力法：总应力强度指标有效应力法：有效应力强度指标表达方法总应力法：总应力强度指标有效应力法：有效应力强度指标6

莫尔包线表示材料在不同应力作用下达到极限状态时，滑动面上法向应力与剪应力f的关系。莫尔包线f=c+tan5.1.2莫尔-库伦强度理论莫尔包线表示材料在不同应力作用下达到极限状态时，滑动7土体内一点处不同方位的截面上应力的集合（剪应力和法向应力）

331131斜面上的应力5.1.3土中一点的应力状态土体内一点处不同方位的截面上应力的集合（剪应力3318O131/2(1+3)2A(,)31莫尔圆可以表示土体中任何一点的应力状态，莫尔圆圆周上各点的坐标就表示该点在相应平面上的正应力和剪应力。O131/2(1+3)2A(,)9当应力圆与强度线相离时：

强度包线当应力圆与强度线相切时：当应力圆与强度线相割时：极限应力摩尔圆τ<τf

（处于弹性平衡状态）

τ=τf

（处于极限平衡状态）

τ>τf

（处于破坏状态）

5.1.4土的极限平衡条件当应力圆与强度线相离时：强度包线当应力圆与强度线相切10莫尔－库仑破坏的准则：31c

f2

fAcctg1/2(1+3)无粘性土：c=0粘性土：莫尔－库仑破坏的准则：31cf2fAcct11ABDOτστ＝τf极限平衡条件莫尔－库仑破坏准则极限应力圆破坏应力圆剪切破坏面ABDOτστ＝τf极限应力圆剪切破坏面12粘性土的极限平衡条件：σ1=σ3tg2(45+φ/2)＋2ctg(45+φ/2)σ3=σ1tg2(45－φ/2)－2ctg(45－φ/2)无粘性土的极限平衡条件：σ1=σ3tg2(45+φ/2)σ3=σ1tg2(45－φ/2)粘性土的极限平衡条件：无粘性土的极限平衡条件：σ1=σ3t13

土体处于极限平衡状态时，破坏面与大主应力作用面的夹角为

f＝

f2

f31cAcctg1/2(1+3)max土体处于极限平衡状态时，破坏面与大主应力作用面的夹角为f14的方法测定土抗剪强度直接剪切试验三轴压缩试验无侧限抗压强度试验现场十字板剪切仪5.2

土的剪切试验方法的方法直接剪切试验三轴压缩试验无侧限抗压强度试验现场十字板剪15试验仪器：直剪仪（应变控制式，应力控制式）5.2.1直接剪切试验试验仪器：直剪仪（应变控制式，应力控制式）5.2.1直接16应变控制式直剪仪的试验原理：

对同一种土至少取4个平行试样，分别在不同垂直压力下剪切破坏，将试验结果绘制抗剪强度f与相应垂直压力的关系图。应变控制式直剪仪的试验原理：17剪切容器与应力环剪切容器与应力环18土力学与基础工程5土的抗剪强度课件19土力学与基础工程5土的抗剪强度课件20在不同的垂直压力下进行剪切试验，得相应的抗剪强度τf，绘制τf-

曲线，得该土的抗剪强度包线在不同的垂直压力下进行剪切试验，得相应的抗剪强度τ21在法向应力作用下，剪应力与剪切位移关系曲线。4mm

a

b

剪切位移△l(0.01mm)

剪应力（kPa)

1

2

在法向应力作用下，剪应力与剪切位移关系曲线。4mmab22快剪固结快剪慢剪根据加荷速率的快慢分类：根据加荷速率23直剪试验优缺点：优点：仪器构造简单，试样的制备和安装方便，易于操作。缺点：①剪切破坏面固定，且不一定是土样的最薄弱面。②不能严格控制排水条件，不能量测土样的孔隙水压力。③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。直剪试验优缺点：优点：24一、抗剪强度包线

分别在不同的周围压力3作用下进行剪切，得到3～4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。

抗剪强度包线

c5.2.2三轴压缩试验一、抗剪强度包线分别在不同的周围压力3作用下进行剪25二、三轴剪切试验试验仪器组成：

应变控制式三轴仪：压力室，加压系统，量测系统组成应力控制式三轴仪二、三轴剪切试验试验仪器组成：26试验步骤:

3

3

3

3

3

3△△第二步：施加周围压力第三步：施加竖向压力第一步：装土样试验步骤:333333△△第二步27三轴压缩仪三轴压缩仪28轴向加荷系统轴向加荷系统29加压和量测系统加压和量测系统30三轴试验优缺点：

优点：①能控制排水条件，量测孔隙水压力。②试样的应力分布比较均匀，剪切破坏面为最薄弱面。

缺点：①试验仪器复杂，操作技术要求高，试样制备较复杂。②试验在2=3的轴对称条件下进行，与土体实际受力情况可能不符。

三轴试验优缺点：优点：315.3

不同排水条件时的剪切试验5.3.1

总应力强度指标与有效应力强度指标c、

为土的有效粘聚力和有效内摩擦角，即土的有效应力强度指标c、

为土的总应力强度指标有效应力原理：土的抗剪强度并不是由剪切面上的法向总应力决定，而是取决于剪切面上的法向有效应力。

5.3不同排水条件时的剪切试验5.3.1总应力强度指标与32

三轴压缩试验可以分为三种试验方法：

1.不固结不排水试验(UU试验)

2.固结不排水试验(CU试验)

3.固结排水试验(CD试验)5.3.2不同排水条件时的剪切试验方法三轴压缩试验可以分为三种试验方法：5.3.2331.不固结不排水剪（UU）

三轴试验：施加周围压力3、轴向压力△直至剪破的整个过程都关闭排水阀门，不允许试样排水固结。

3

3

3

3

3

3△△直剪试验：通过试验加荷的快慢来实现是否排水。使试样在3～5min内剪破，称之为快剪。关闭排水阀1.不固结不排水剪（UU）三轴试验：施加周围压力3、轴向34

3

3

3

3

3

3△△有效应力圆总应力圆u=0BCcuA

3A

1A饱和粘性土在三组3下的不排水剪试验得到A、B、C三个不同3作用下破坏时的总应力圆，但只能得到一个有效应力圆。为什么强度包线是一条水平线333333△△有效应力圆总应力352.固结不排水剪（CU）

三轴试验：施加周围压力3时打开排水阀门，试样完全排水固结，孔隙水压力完全消散。然后关闭排水阀门，再施加轴向压力增量△，使试样在不排水条件下剪切破坏。

3

3

3

3

3

3△△直剪试验：剪切前试样在垂直荷载下充分固结，剪切时速率较快，使土样在剪切过程中不排水，这种剪切方法为称固结快剪。关闭排水阀2.固结不排水剪（CU）三轴试验：施加周围压力3时打开36

3

3

3

3

3

3△△将总应力圆在水平轴上左移uf得到相应的有效应力圆，按有效应力圆强度包线可确定c、

ccuc

cu饱和粘性土在三组3下进行固结不排水剪试验得到A、B、C三个不同3作用下破坏时的总应力圆，由总应力圆强度包线确定固结不排水剪总应力强度指标ccu、

cuABC333333△△将总应力圆在水平373.固结排水剪（CD）

三轴试验：试样在围压3作用下排水固结，再缓慢施加轴向压力增量△，直至剪破，整个试验过程中打开排水阀门，始终保持试样的孔隙水压力为零。

3

3

3

3

3

3△△直剪试验：试样在垂直压力下固结稳定，再以缓慢的速率施加水平剪力，直至剪破，整个试验过程中尽量使土样排水，试验方法称为慢剪。打开排水阀3.固结排水剪（CD）三轴试验：试样在围压3作用下排水38在整个排水剪试验过程中，uf

＝0，总应力全部转化为有效应力，所以总应力圆即是有效应力圆，总应力强度线即是有效应力强度线，强度指标为cd、d。cdd总结:

3

3

3

3

3＋△

3＋△对于同一种土，在不同的排水条件下进行试验，总应力强度指标完全不同。有效应力强度指标不随试验方法的改变而不同，抗剪强度与有效应力有唯一的对应关系。在整个排水剪试验过程中，uf＝0，总应力全部转化为有效应力39ququ加压框架量表量力环升降螺杆无侧限压缩仪3=0试样5.3.3无侧限抗压强度试验ququ加压框架量表量力环升降螺杆无侧限压缩仪3=0试样540无侧限压缩仪无410cu无侧限抗压强度试验qu无侧限抗压强度试验所得的极限应力圆的水平切线就是破坏包线0cu无侧限抗压强度试验qu无侧限抗压强度试验所得的极限应力42加压框架量表量力环升降螺杆无侧限压缩仪试样无侧限抗压强度试验加压框架量表量力环升降螺杆无侧限压缩仪试样无侧限抗压强度试验43无侧限压缩仪无440cu无侧限抗压强度试验qu无侧限抗压强度试验所得的极限应力圆的水平切线就是破坏包线0cu无侧限抗压强度试验qu无侧限抗压强度试验所得的极限应力45

十字板剪切试验可在现场钻孔内进行。试验时，先将十字板插到要进行试验的深度，再在十字板剪切仪上端的加力架上以一定的转速对其施加扭力矩，使板内的土体与其周围土体产生相对扭剪，直至剪破，测出其相应的最大扭力矩。然后，根据力矩的平衡条件，推算出圆柱形剪破面上土的抗剪强度。十字板剪切试验简介十字板剪切试验可在现场钻孔内进行。46谢谢！47谢谢！474848给土的抗剪强度下定义：土体抵抗剪切破坏的极限能力

给土的抗剪强度下定义：土体抵抗剪切破坏的极限能力495.1

土的抗剪强度与极限平衡原理5.1.1

库仑定律f=c+tan粘土c库仑定律：土的抗剪强度是剪切面上的法向总应力

的线性函数

ff=tan砂土f5.1土的抗剪强度与极限平衡原理5.1.1库仑定律f50库伦公式两大抗剪强度指标c:土的粘聚力:土的内摩擦角注：对于无粘性土而言c=0)库伦公式两大抗剪强度指标c:土的粘聚力注：对于无粘性土而言c51土的抗剪强度一般可分为两部分：第一部分与颗粒间的法向应力有关，通常呈正比例关系，其本质是摩擦力；另一部分是与法向应力无关的土粒之间的粘结力，通常称为粘聚力。土的抗剪强度一般可分为两部分：52影响因素土的抗剪强度内在因素外在因素：试验时的排水条件等因素颗粒间的有效法向应力土的孔隙比影响因素内在因素外在因素：试验时的排水条件等因素颗粒间的有效53表达方法土的抗剪强度总应力法：总应力强度指标有效应力法：有效应力强度指标表达方法总应力法：总应力强度指标有效应力法：有效应力强度指标54

莫尔包线表示材料在不同应力作用下达到极限状态时，滑动面上法向应力与剪应力f的关系。莫尔包线f=c+tan5.1.2莫尔-库伦强度理论莫尔包线表示材料在不同应力作用下达到极限状态时，滑动55土体内一点处不同方位的截面上应力的集合（剪应力和法向应力）

331131斜面上的应力5.1.3土中一点的应力状态土体内一点处不同方位的截面上应力的集合（剪应力33156O131/2(1+3)2A(,)31莫尔圆可以表示土体中任何一点的应力状态，莫尔圆圆周上各点的坐标就表示该点在相应平面上的正应力和剪应力。O131/2(1+3)2A(,)57当应力圆与强度线相离时：

强度包线当应力圆与强度线相切时：当应力圆与强度线相割时：极限应力摩尔圆τ<τf

（处于弹性平衡状态）

τ=τf

（处于极限平衡状态）

τ>τf

（处于破坏状态）

5.1.4土的极限平衡条件当应力圆与强度线相离时：强度包线当应力圆与强度线相切58莫尔－库仑破坏的准则：31c

f2

fAcctg1/2(1+3)无粘性土：c=0粘性土：莫尔－库仑破坏的准则：31cf2fAcct59ABDOτστ＝τf极限平衡条件莫尔－库仑破坏准则极限应力圆破坏应力圆剪切破坏面ABDOτστ＝τf极限应力圆剪切破坏面60粘性土的极限平衡条件：σ1=σ3tg2(45+φ/2)＋2ctg(45+φ/2)σ3=σ1tg2(45－φ/2)－2ctg(45－φ/2)无粘性土的极限平衡条件：σ1=σ3tg2(45+φ/2)σ3=σ1tg2(45－φ/2)粘性土的极限平衡条件：无粘性土的极限平衡条件：σ1=σ3t61

土体处于极限平衡状态时，破坏面与大主应力作用面的夹角为

f＝

f2

f31cAcctg1/2(1+3)max土体处于极限平衡状态时，破坏面与大主应力作用面的夹角为f62的方法测定土抗剪强度直接剪切试验三轴压缩试验无侧限抗压强度试验现场十字板剪切仪5.2

土的剪切试验方法的方法直接剪切试验三轴压缩试验无侧限抗压强度试验现场十字板剪63试验仪器：直剪仪（应变控制式，应力控制式）5.2.1直接剪切试验试验仪器：直剪仪（应变控制式，应力控制式）5.2.1直接64应变控制式直剪仪的试验原理：

对同一种土至少取4个平行试样，分别在不同垂直压力下剪切破坏，将试验结果绘制抗剪强度f与相应垂直压力的关系图。应变控制式直剪仪的试验原理：65剪切容器与应力环剪切容器与应力环66土力学与基础工程5土的抗剪强度课件67土力学与基础工程5土的抗剪强度课件68在不同的垂直压力下进行剪切试验，得相应的抗剪强度τf，绘制τf-

曲线，得该土的抗剪强度包线在不同的垂直压力下进行剪切试验，得相应的抗剪强度τ69在法向应力作用下，剪应力与剪切位移关系曲线。4mm

a

b

剪切位移△l(0.01mm)

剪应力（kPa)

1

2

在法向应力作用下，剪应力与剪切位移关系曲线。4mmab70快剪固结快剪慢剪根据加荷速率的快慢分类：根据加荷速率71直剪试验优缺点：优点：仪器构造简单，试样的制备和安装方便，易于操作。缺点：①剪切破坏面固定，且不一定是土样的最薄弱面。②不能严格控制排水条件，不能量测土样的孔隙水压力。③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。直剪试验优缺点：优点：72一、抗剪强度包线

分别在不同的周围压力3作用下进行剪切，得到3～4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。

抗剪强度包线

c5.2.2三轴压缩试验一、抗剪强度包线分别在不同的周围压力3作用下进行剪73二、三轴剪切试验试验仪器组成：

应变控制式三轴仪：压力室，加压系统，量测系统组成应力控制式三轴仪二、三轴剪切试验试验仪器组成：74试验步骤:

3

3

3

3

3

3△△第二步：施加周围压力第三步：施加竖向压力第一步：装土样试验步骤:333333△△第二步75三轴压缩仪三轴压缩仪76轴向加荷系统轴向加荷系统77加压和量测系统加压和量测系统78三轴试验优缺点：

优点：①能控制排水条件，量测孔隙水压力。②试样的应力分布比较均匀，剪切破坏面为最薄弱面。

缺点：①试验仪器复杂，操作技术要求高，试样制备较复杂。②试验在2=3的轴对称条件下进行，与土体实际受力情况可能不符。

三轴试验优缺点：优点：795.3

不同排水条件时的剪切试验5.3.1

总应力强度指标与有效应力强度指标c、

为土的有效粘聚力和有效内摩擦角，即土的有效应力强度指标c、

为土的总应力强度指标有效应力原理：土的抗剪强度并不是由剪切面上的法向总应力决定，而是取决于剪切面上的法向有效应力。

5.3不同排水条件时的剪切试验5.3.1总应力强度指标与80

三轴压缩试验可以分为三种试验方法：

1.不固结不排水试验(UU试验)

2.固结不排水试验(CU试验)

3.固结排水试验(CD试验)5.3.2不同排水条件时的剪切试验方法三轴压缩试验可以分为三种试验方法：5.3.2811.不固结不排水剪（UU）

三轴试验：施加周围压力3、轴向压力△直至剪破的整个过程都关闭排水阀门，不允许试样排水固结。

3

3

3

3

3

3△△直剪试验：通过试验加荷的快慢来实现是否排水。使试样在3～5min内剪破，称之为快剪。关闭排水阀1.不固结不排水剪（UU）三轴试验：施加周围压力3、轴向82

3

3

3

3

3

3△△有效应力圆总应力圆u=0BCcuA

3A

1A饱和粘性土在三组3下的不排水剪试验得到A、B、C三个不同3作用下破坏时的总应力圆，但只能得到一个有效应力圆。为什么强度包线是一条水平线333333△△有效应力圆总应力832.固结不排水剪（CU）

三轴试验：施加周围压力3时打开排水阀门，试样完全排水固结，孔隙水压力完全消散。然后关闭排水阀门，再施加轴向压力增量△，使试样在不排水条件下剪切破坏。

3

3

3

3

3

3△△直剪试验：剪切前试样在垂直荷载下充分固结，剪切时速率较快，使土样在剪切过程中不排水，这种剪切方法为称固结快剪。关闭排水阀2.固结不排水剪（CU）三轴试验：施加周围压力3时打开84

3

3

3

3

3

3△△将总应力圆在水平轴上左移uf得到相应的有效应力圆，按有效应力圆强度包线可确定c、

ccuc

cu饱和粘性土在三组3下进行固结不排水剪试验得到A、B、C三个不同3作用下破坏时的总应力圆，由总应力圆强度包线确定固结不排水剪总应力强度指标ccu、

cuABC333333△△将总应力圆在水平853.固结排水剪