土力学-5-土的抗剪强度

第五章土的抗剪强度土工结构物或地基土渗透问题变形问题强度问题渗透特性变形特性强度特性一、工程中土体的破坏类型二、土的强度的机理三、摩尔-库仑强度理论§5土的抗剪强度§5.1土的抗剪强度概述——土体破坏与土的强度理论大阪的港口码头档土墙由于液化前倾二、工程中土体的破坏类型1.挡土结构物的破坏§5土的抗剪强度§5.1土的抗剪强度概述1.挡土结构物的破坏二、工程中土体的破坏类型广州京光广场基坑塌方使基坑旁办公室、民工宿舍和仓库倒塌，死3人，伤17人。§5土的抗剪强度§5.1土的抗剪强度概述挡土墙滑裂面基坑支护1.挡土结构物的破坏二、工程中土体的破坏类型§5土的抗剪强度§5.1土的抗剪强度概述平移滑动2.各种类型的滑坡崩塌旋转滑动流滑二、工程中土体的破坏类型§5土的抗剪强度§5.1土的抗剪强度概述1994年4月30日崩塌体积400万方10万方进入乌江死4人，伤5人，失踪12人击沉拖轮、驳轮各一艘，渔船2只1994年7月2-3日降雨引起再次滑坡崩塌体巨大石块滚入江内，无法通航滑坡体崩入乌江近百万方；江水位差数米。乌江武隆县兴顺乡鸡冠岭山体崩塌2.各种类型的滑坡二、工程中土体的破坏类型§5土的抗剪强度§5.1土的抗剪强度概述龙观嘴黄崖沟乌江2000年西藏易贡巨型滑坡2.各种类型的滑坡二、工程中土体的破坏类型§5土的抗剪强度§5.1土的抗剪强度概述高程（m）滑距（m）553022004000扎木弄沟滑坡堆积体08000400020006000立面示意图坡高3330m堆积体宽约2500m总方量约3亿方2.各种类型的滑坡二、工程中土体的破坏类型2000年西藏易贡巨型滑坡§5土的抗剪强度§5.1土的抗剪强度概述易贡滑坡堰塞湖滑坡堆积区扎木弄沟2264m2210m2165m2340m平面示意图5520m滑坡堆积体2.各种类型的滑坡二、工程中土体的破坏类型2000年西藏易贡巨型滑坡§5土的抗剪强度§5.1土的抗剪强度概述天然坝

坝高290m滑坡堰塞湖

库容15亿方湖水每天上涨50cm?2.各种类型的滑坡二、工程中土体的破坏类型2000年西藏易贡巨型滑坡§5土的抗剪强度§5.1土的抗剪强度概述边坡滑裂面2.各种类型的滑坡二、工程中土体的破坏类型§5土的抗剪强度§5.1土的抗剪强度概述粘土地基上的某谷仓地基破坏3.地基的破坏二、工程中土体的破坏类型§5土的抗剪强度§5.1土的抗剪强度概述日本新泻1964年地震引起大面积液化3.地基的破坏二、工程中土体的破坏类型§5土的抗剪强度§5.1土的抗剪强度概述地基p滑裂面3.地基的破坏二、工程中土体的破坏类型§5土的抗剪强度§5.1土的抗剪强度概述土压力边坡稳定地基承载力挡土结构物破坏各种类型的滑坡地基的破坏核心强度理论二、工程中土体的破坏类型§5土的抗剪强度§5.1土的抗剪强度概述一、工程中土体的破坏类型二、土的强度的机理三、摩尔-库仑强度理论§5土的抗剪强度§5.1土的抗剪强度概述——土体破坏与土的强度理论三、土的强度的机理直剪试验库仑（1776）试验原理施加σ（=P/A），S量测（=T/A）上盒下盒PSTσ=100KPaSA§5土的抗剪强度§5.1土的抗剪强度概述直剪试验库仑（1776）试验原理试验结果σ=100KPaSσ=200KPaσ=300KPa三、土的强度的机理PSTA§5土的抗剪强度§5.1土的抗剪强度概述Occ粘聚力内摩擦角σ=100KPaSσ=200KPaσ=300KPa直剪试验库仑（1776）试验原理试验结果三、土的强度的机理库仑公式：f：

土的抗剪强度tg：

摩擦强度-正比于压力c：

粘聚强度-与所受压力无关§5土的抗剪强度§5.1土的抗剪强度概述密度（e,粒径级配（Cu,Cc）颗粒的矿物成分对于：砂土>粘性土；高岭石>伊里石>蒙特石粒径的形状（颗粒的棱角与长宽比）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碎石土，颗粒的棱角可能降低其内摩擦角影响土的摩擦强度的主要因素：三、土的强度的机理1.摩擦强度tg§5土的抗剪强度§5.1土的抗剪强度概述粘聚强度机理静电引力（库仑力）范德华力颗粒间胶结假粘聚力（毛细力等）粘聚强度影响因素地质历史粘土颗粒矿物成分密度离子价与离子浓度----+三、土的强度的机理2.凝聚强度§5土的抗剪强度§5.1土的抗剪强度概述§5土的抗剪强度一、土的强度特点二、工程中土体的破坏类型三、土的强度的机理四、摩尔-库仑强度理论§5.1土的抗剪强度概述——土体破坏与土的强度理论四、摩尔-库仑强度理论1.库仑公式2.应力状态与摩尔圆3.极限平衡应力状态4.摩尔-库仑强度理论5.破坏判断方法6.滑裂面的位置§5土的抗剪强度§5.1土的抗剪强度概述PSTAc粘聚力内摩擦角f：

土的抗剪强度tg：

摩擦强度-正比于压力c：

粘聚强度-与所受压力无关四、摩尔-库仑强度理论固定滑裂面如何判断一点是否破坏？一点的应力状态借助于莫尔圆1.库仑公式§5土的抗剪强度土的抗剪强度概述==三维应力状态四、摩尔-库仑强度理论2.应力莫尔圆二维应力状态§5土的抗剪强度§5.1土的抗剪强度概述莫尔圆应力分析符号规定材料力学+-+-土力学正应力剪应力拉为正压为负顺时针为正逆时针为负压为正拉为负逆时针为正顺时针为负四、摩尔-库仑强度理论2.应力莫尔圆§5土的抗剪强度§5.1土的抗剪强度概述Oz+zx-xzx213rR+-1四、摩尔-库仑强度理论2.应力莫尔圆大主应力：小主应力:圆心：半径：σz按顺时针方向旋转ασx按顺时针方向旋转α莫尔圆：代表一个土单元的应力状态；圆周上一点代表一个面上的两个应力与§5土的抗剪强度土的抗剪强度概述3.极限平衡状态四、摩尔-库仑强度理论极限平衡状态：f§5土的抗剪强度§5.1土的抗剪强度概述土的强度包线：有一对面上的应力状态达到=f所有达到极限平衡状态的莫尔园的公切线。3.极限平衡应力状态四、摩尔-库仑强度理论f强度包线以内：下任何一个面上的都没有达到破坏包线，不破坏；§5土的抗剪强度土的抗剪强度概述与破坏包线相切：有一个面上的应力达到破坏；与破坏包线相交：有一些平面上的应力超过强度；不可能发生。4.莫尔—库仑强度理论（1）土单元的某一个平面上的抗剪强度f是该面上作用的法向应力的单值函数,f=f()四、摩尔-库仑强度理论§5土的抗剪强度土的抗剪强度概述（2）在一定的应力范围内，可以用线性函数近似f

=c+tg（3）某土单元的任一个平面上=f，该单元就达到了极限平衡应力状态4.莫尔—库仑强度理论四、摩尔-库仑强度理论莫尔-库仑强度理论表达式－极限平衡条件13Oc§5土的抗剪强度§5.1土的抗剪强度概述4.莫尔—库仑强度理论四、摩尔-库仑强度理论莫尔-库仑强度理论表达式－极限平衡条件1f3fOc§5土的抗剪强度§5.1土的抗剪强度概述根据应力状态计算出大小主应力σ1、σ3判断破坏可能性由σ3计算σ1f比较σ1与σ1fσ1<σ1f弹性平衡状态Oc1f3115.破坏判断方法四、摩尔-库仑强度理论判别对象：土体微小单元（一点）3=常数：§5土的抗剪强度§5.1土的抗剪强度概述σ1=σ1f

极限平衡状态σ1>σ1f破坏状态Oz+zx-xzx213rR+-1圆心：半径：根据应力状态计算出大小主应力σ1、σ3判断破坏可能性由σ1计算σ3f比较σ3与σ3fσ3>σ3f弹性平衡状态Oc13f335.破坏判断方法四、摩尔-库仑强度理论判别对象：土体微小单元（一点）1=常数：§5土的抗剪强度土的抗剪强度概述σ3=σ3f极限平衡状态σ3<σ3f破坏状态根据应力状态计算出大小主应力σ1、σ3判断破坏可能性由σ1、σ3计算与比较<安全状态Oc5.破坏判断方法四、摩尔-库仑强度理论判别对象：土体微小单元（一点）(1+3)/2

=常数：圆心保持不变§5土的抗剪强度§5.1土的抗剪强度概述

=

极限平衡状态>

不可能状态231f45°＋/2破裂面Oc1f326.滑裂面的位置与大主应力面夹角：α=45+/2四、摩尔-库仑强度理论§5土的抗剪强度§5.1土的抗剪强度概述例题砂土地基中的一点1=500KPa，3=180KPa，=360，c=01、判断是否发生剪切破坏；2、如未发生破坏，可采用几种加载方式使之破坏。思路（1）3f=c+tg1f1思路（2）3ff=c+tg13思路（3）31f=c+tg例题例题31f=c+tg180500一、室内试验二、野外试验§5.2抗剪强度测定方法§5土的抗剪强度直剪试验、三轴试验等制样（重塑土）或现场取样缺点：扰动优点：应力条件清楚，易重复十字板扭剪试验、旁压试验等原位试验缺点：应力条件不易掌握优点：原状土的原位强度PSTAσ=100KPaSσ=200KPaσ=300KPaOc§5.2抗剪强度测定方法§5土的抗剪强度一、室内试验1.直剪试验通过控制剪切速率来近似模拟排水条件1.固结慢剪：施加正应力-充分固结慢慢施加剪应力-小于分，以保证无超静孔压2.固结快剪施加正应力-充分固结在3-5分钟内剪切破坏3.快剪施加正应力后立即剪切3-5分钟内剪切破坏

§5.2抗剪强度测定方法§5土的抗剪强度一、室内试验1.直剪试验PSTAOnK0nPSTA§5.2抗剪强度测定方法§5土的抗剪强度一、室内试验1.直剪试验设备简单，操作方便结果便于整理测试时间短优点试样应力状态复杂应变不均匀不能控制排水条件剪切面固定缺点§5.2抗剪强度测定方法§5土的抗剪强度一、室内试验1.直剪试验PSTA类似试验：环剪试验单剪试验试样压力室压力水排水管阀门轴向加压杆有机玻璃罩橡皮膜透水石顶帽§5.2抗剪强度测定方法§5土的抗剪强度一、室内试验2.三轴试验（1）试样应力特点与试验方法（2）强度包线（3）试验类型（4）优缺点§5.2抗剪强度测定方法§5土的抗剪强度一、室内试验2.三轴试验方法：首先试样施加静水压力—室压（围压）1=2=3；然后通过活塞杆施加的是应力差Δ1=

1-3。（1）试样应力特点与试验方法：特点：试样是轴对称应力状态。垂直应力z一般是大主应力；径向与切向应力总是相等r=，亦即1=z；2=3=r强度包线(1-)fc

(1-)f11-31

=15%分别作围压为100kPa

、200kPa

、300kPa的三轴试验，得到破坏时相应的（1-)f绘制三个破坏状态的应力摩尔圆，画出它们的公切线——强度包线，得到强度指标c与

§5.2抗剪强度测定方法§5土的抗剪强度一、室内试验2.三轴试验（2）强度包线固结排水试验（CD试验）1打开排水阀门，施加围压后充分固结，超静孔隙水压力完全消散；2打开排水阀门，慢慢施加轴向应力差以便充分排水，避免产生超静孔压固结不排水试验（CU试验）1打开排水阀门，施加围压后充分固结，超静孔隙水压力完全消散；2关闭排水阀门，很快剪切破坏，在施加轴向应力差过程中不排水不固结不排水试验（UU试验）1关闭排水阀门，围压下不固结；2关闭排水阀门，很快剪切破坏，在施加轴向应力差过程中不排水cd、d

ccu、cu

cu、u

（3）试验类型§5.2抗剪强度测定方法§5土的抗剪强度一、室内试验2.三轴试验固结排水试验（CD试验）

ConsolidatedDrainedTriaxialtest(CD)

抗剪强度指标：cdd（c）试验类型汇总固结不排水试验（CU试验）

ConsolidatedUndrainedTriaxialtest(CU)

抗剪强度指标：ccucu不固结不排水试验（UU试验）

UnconsolidatedUndrainedTriaxialtest(UU)

抗剪强度指标：cuu（

cuuuu

）§5.2抗剪强度测定方法§5土的抗剪强度一、室内试验2.三轴试验v=’f=f1.固结排水试验u轴向应力和孔压渐进增加并趋于稳定，孔压u>0f