我的土力学第六章

本章提要学习难点第六章：土的抗剪强度土是如何破坏的？如何衡量土的强度？如何测定土的强度？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指标及测试方法土的抗剪强度指标的种类及选取§6.1

概述§6.2

土体破坏与土的强度理论§6.3

土的抗剪强度的测定试验§6.4

应力路径与破坏主应力线§6.5

土的抗剪强度指标§6.6

砂土的振动液化第六章：土的抗剪强度§6.1

概述-土体强度及其特点概述土体强度及其特点工程中土的强度问题土的抗剪强度土的强度的特点各种类型的滑坡(sliding)挡土和支护结构的破坏地基的破坏砂土的液化(liquefaction)土的强度及其特点天然状态下的砂沿坡方向的平衡：天然休止角，也是最松状态下的砂内摩擦角砂堆TWN§6.1

概述-土体强度及其特点土的强度及其特点静止砂丘移动砂丘30~35天然状态下的沙丘固定沙丘背风坡角度接近天然休止角，一般为=30-35，大于矿物滑动摩擦角颗粒间存在一定的咬合作用§6.1

概述-土体强度及其特点土体强度的特点碎散性：强度不是颗粒矿物本身的强度，而是颗粒间相互作用-主要是抗剪强度与剪切破坏，颗粒间粘聚力与摩擦力三相体系：三相承受与传递荷载-有效应力原理

自然变异性：土的强度的结构性与复杂性§6.1

概述-土体强度及其特点各种类型的滑坡崩塌平移滑动旋转滑动流滑滑裂面§6.1

概述-土体强度及其特点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；击沉多艘船只1994年7月2-3日降雨引起再次滑坡滑坡体崩入乌江近百万方；江水位差数米，无法通航。乌江武隆鸡冠岭

山体崩塌§6.1

概述-土体强度及其特点滑坡堰塞湖—易贡湖湖水每天上涨50cm！天然坝

坝高290m滑坡堰塞湖

库容15亿方2000年西藏易贡巨型滑坡§6.1

概述-土体强度及其特点锚固破坏整体滑动底部破坏土体下沉墙体折断挡土支护结构的破坏§6.1

概述-土体强度及其特点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§6.1

概述-土体强度及其特点大阪的港口码头挡土墙由于液化前倾§6.1

概述-土体强度及其特点地基的破坏地基P滑裂面§6.1

概述-土体强度及其特点某谷仓地基的破坏§6.1

概述-土体强度及其特点砂土的液化(liquefaction)日本新泻1964年地震引起大面积液化§6.1

概述-土体强度及其特点土压力边坡稳定性地基承载力振动液化特性挡土结构物破坏各种类型的滑坡地基的破坏砂土的液化核心问题:土体的强度理论§6.1

概述-土体强度及其特点§6.1

概述§6.2

土的抗剪强度理论§6.3

土的抗剪强度的测定试验§6.4

应力路径与破坏主应力线§6.5

土的抗剪强度指标§6.6

砂土的振动液化第六章：土的抗剪强度§6.2

土的抗剪强度理论土的抗剪强度理论直剪试验与库仑公式土的抗剪强度机理

莫尔-库仑强度理论§6.2

土的抗剪强度理论法国军事工程师，在摩擦、电磁方面做出了奠基性的贡献。1773年发表了关于土压力方面论文，成为土压力的经典理论库仑（C.A.Coulomb）(1736-1806)§6.2

土的抗剪强度理论–直剪试验与库伦公式直剪试验PT土样下盒上盒S面积A直剪试验法向应力：剪应力：剪切变形S1S23§6.2

土的抗剪强度理论–直剪试验与库伦公式直剪试验的强度包线S123Oc库仑公式：（1776）f1f2f3f

：土的抗剪强度tg：摩擦强度-正比于压力：土的内摩擦角c：粘聚强度-与所受压力无关§6.2

土的抗剪强度理论–直剪试验与库伦公式土的抗剪强度指标c和是决定土的抗剪强度的两个指标，称为抗剪强度指标当采用总应力时，称为总应力抗剪强度指标当采用有效应力时，称为有效应力抗剪强度指标对无粘性土通常认为，粘聚力C=0库仑公式:§6.2

土的抗剪强度理论–直剪试验与库伦公式摩擦强度摩擦强度：决定于剪切面上的正应力σ和土的内摩擦角由颗粒之间发生滑动时颗粒接触面粗糙不平所引起，与颗粒的形状，矿物组成，级配等因素有关0.020.060.20.623020颗粒直径(mm)滑动摩擦角u粗粉细砂中砂粗砂滑动摩擦咬合摩擦包括如下两个组成部分：滑动摩擦§6.2

土的抗剪强度理论–土的抗剪强度机理摩擦强度：决定于剪切面上的正应力σ和土的内摩擦角滑动摩擦咬合摩擦包括如下两个组成部分：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A必须抬起，跨越相邻颗粒B，或在尖角处被剪断（C），才能移动土体中的颗粒重新排列，也会消耗能量咬合摩擦CABCAB剪切面§6.2

土的抗剪强度理论–土的抗剪强度机理摩擦强度摩擦强度密度粒径级配颗粒的矿物成分粒径的形状粘土颗粒表面的吸附水膜影响土的摩擦强度的主要因素:§6.2

土的抗剪强度理论–土的抗剪强度机理凝聚强度细粒土：粘聚力c取决于土粒间的各种物理化学作用力作用机理：库伦力（静电力）、范德华力、

胶结作用力和毛细力等影响因素：地质历史、粘土颗粒矿物成分、

密度与离子浓度粗粒土：一般认为是无粘性土，不具有粘聚强度：当粗间有胶结物质存在时可具有一定的粘聚强度非饱和砂土，粒间受毛细压力，具有假粘聚力§6.2

土的抗剪强度理论–土的抗剪强度机理

应力状态与莫尔圆

极限平衡应力状态

莫尔-库仑强度理论

破坏判断方法

滑裂面的位置莫尔-库仑强度理论§6.2

土的抗剪强度理论–莫尔-库仑强度理论应力状态yyzxyzxxz三维应力状态二维应力状态zxzxzx§6.2

土的抗剪强度理论–莫尔-库仑强度理论莫尔圆应力分析符号规定材料力学+-正应力剪应力拉为正压为负顺时针为正逆时针为负+-土力学压为正拉为负逆时针为正顺时针为负§6.2

土的抗剪强度理论–莫尔-库仑强度理论应力莫尔圆O213rp大主应力：小主应力:圆心：半径：zxzxzx1(z,zx)(x,xz)莫尔圆：单元的应力状态圆上点：一个面上的与莫尔圆转角2：作用面转角§6.2

土的抗剪强度理论–莫尔-库仑强度理论极限平衡应力状态§6.2

土的抗剪强度理论–莫尔-库仑强度理论极限平衡应力状态：当一面上的应力状态达到=f土的强度包线：所有达到极限平衡状态的莫尔圆的公切线切点=破坏面应力莫尔圆与强度包线f强度包线以下：任何一个面上的一对应力与都没有达到破坏包线，不破坏与破坏包线相切：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§6.2

土的抗剪强度理论–莫尔-库仑强度理论不可能发生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()（莫尔：1900年）在一定的应力范围内，可以用线性函数近似f=c+tg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莫尔—库仑强度理论§6.2

土的抗剪强度理论–莫尔-库仑强度理论Ocf=c+tg13莫尔-库仑强度理论的破坏准则土的极限平衡条件：处于极限平衡状态时，1和3之间应满足的关系无粘性土§6.2

土的抗剪强度理论–莫尔-库仑强度理论土单元是否破坏的判别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计算主应力1,3：确定土单元体的应力状态（x，z，xz）判别是否剪切破坏：由31f，比较1和1f由1

3f，比较3和3f由1,3m，比较和m§6.2

土的抗剪强度理论–莫尔-库仑强度理论cf=c+tgO土单元是否破坏的判别1=1f

极限平衡状态

（破坏）1<1f

安全状态1>1f

不可能状态

（破坏）1f3方法一：由31f，比较1和1f§6.2

土的抗剪强度理论–莫尔-库仑强度理论Ocf=c+tg土单元是否破坏的判别方法二：由13f，比较3和3f3=3f

极限平衡状态

（破坏）3>3f

安全状态3<3f

不可能状态

（破坏）13f§6.2

土的抗剪强度理论–莫尔-库仑强度理论Of=c+tgOc土单元是否破坏的判别方法三：由1,3

m，比较和mm<

安全状态m=极限平衡状态

（破坏）m>不可能状态

（破坏）处于极限平衡状态所需的内摩擦角§6.2

土的抗剪强度理论–莫尔-库仑强度理论剪切破坏面的位置31f22=90+=45+/2O1f3与大主应力面夹角:2§6.2土的抗剪强度理论–莫尔-库仑强度理论小结直剪试验与库仑公式土的抗剪强度机理

莫尔-库仑强度理论直剪试验库仑公式土的抗剪强度指标c和应力状态与莫尔圆极限平衡应力状态莫尔-库仑强度理论土体破坏判断方法滑裂面的位置摩擦强度：滑动、咬合摩擦凝聚强度§6.2

土的抗剪强度理论–莫尔-库仑强度理论§6.1

概述§6.2

土的抗剪强度理论§6.3

土的抗剪强度的测定试验§6.4

应力路径与破坏主应力线§6.5

土的抗剪强度指标§6.6

砂土的振动液化第六章：土的抗剪强度§6.3

土的抗剪强度的测定试验室内试验：直剪试验三轴试验等野外试验：十字板扭剪试验旁压试验等抗剪强度测定试验重塑土制样或现场取样缺点：扰动优点：应力和边界条件

清楚，易重复缺点：应力和边界条

件不易掌握优点：原状土的原位

强度§6.3

土的抗剪强度的测定试验直剪试验PT土样下盒上盒S面积AOc1S23f1f2f3直剪仪(directsheartestapparatus)§6.3

土的抗剪强度的测定试验–直剪试验直剪试验的类型(1)固结慢剪(css)

施加正应力-充分固结剪切速率很慢，<0.02mm/分，以保证无超静孔压(2)固结快剪(ccqcq)施加正应力-充分固结

0.8mm/分，3-5分钟内剪切破坏(3)快剪(cqq)施加正应力后立即剪切

0.8mm/分，3-5分钟内剪切破坏通过控制剪切速率近似模拟排水条件§6.3

土的抗剪强度的测定试验–直剪试验直剪试验的优缺点设备和操作简单人为固定剪切面剪切面应力状态复杂应力、应变不均匀主应力方向旋转剪切面积逐渐减小排水条件不明确PT土样TP试样内的变形分布§6.3

土的抗剪强度的测定试验–直剪试验试样围压

力3阀门阀门马达横梁量力环百分表量水管孔压量测三轴试验试样应力特点

与试验方法强度包线试验类型优缺点§6.3

土的抗剪强度的测定试验–三轴试验应力特点与试验方法方法：固结：试样施加围压力1=2=3

剪切：施加应力差Δ1=1-3

应力特点：试样是轴对称应力状态垂直应力z一般是大主应力1侧向应力总是相等x=y，且为中、小主应力2=3试样水压

力c轴向力F§6.3

土的抗剪强度的测定试验–三轴试验应力特点与试验方法类型施加

3施加

1-3量测固结

排水固结排水体变固结

不排水固结不排水孔隙水压力不固结不排水不固结不排水孔隙水压力常用试验类型试样围压

力3阀门阀门马达横梁量力环百分表量水管孔压量测§6.3

土的抗剪强度的测定试验–三轴试验1-31(1-3)f(1-3)f破坏偏差应力取值方法松砂密砂取曲线的最大偏差应力值作为(1-3)f取规定的轴向应变值（通常15%）所相应的偏差应力作为(1-3)f以最大有效主应力比((1/3)max处的偏差应力值作为(1-3)f15%§6.3

土的抗剪强度的测定试验–三轴试验1-313=100kPa3=300kPa3=500kPa三轴试验确定土的强度包线O31f强度包线c由不同围压的三轴试验，得到破坏时相应的（1-)f分别绘制破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c与15%(1-3)f§6.3

土的抗剪强度的测定试验–三轴试验固结排水试验（CD试验）

ConsolidatedDrainedTriaxialtest(CD) 总应力抗剪强度指标：cd

d（c）试验类型与强度指标固结不排水试验（CU试验） ConsolidatedUndrainedTriaxialtest(CU) 总应力抗剪强度指标：ccu

cu不固结不排水试验（UU试验） UnconsolidatedUndrainedTriaxialtest(UU) 总应力抗剪强度指标：cuu（

cuu

uu

）§6.3

土的抗剪强度的测定试验–三轴试验常规三轴试验优缺点单元体试验，试样内应力和应变相对均匀应力状态和应力路径明确排水条件清楚，可控制破坏面不是人为固定的设备操作复杂现场无法试验常规三轴试验不能反映2的影响说明：3＝0即为无侧限抗压强度试验§6.3

土的抗剪强度的测定试验–三轴试验十字板剪切试验一般适用于测定软粘土的不排水强度指标钻孔到指定的土层，插入十字形的探头通过施加的扭矩计算土的抗剪强度M§6.3土的抗剪强度的测定试验–十字板剪切试验M2fvfhM1DHM假定土体为各向同性，fh=fv=f：十字板剪切试验§6.3

土的抗剪强度的测定试验–十字板剪切试验§6.1

概述§6.2

土的抗剪强度理论§6.3

土的抗剪强度的测定试验§6.4

应力路径与破坏主应力线§6.5

土的抗剪强度指标§6.6

砂土的振动液化第六章：土的抗剪强度§6.4

应力路径与破坏主应力线应力路径及表示法强度包线与破坏主应力线总应力路径与有效应力路径应力路径与破坏主应力线§6.4

应力路径与破坏主应力线应力状态及应力路径yyzxyzxxz123应力状态：土体中一点（微小单元）上作用的应力的大小与方向应力路径：土体中一点应力状态连续变化，在应力空间（平面）中的轨迹§6.4

应力路径与破坏主应力线O13Rr应力状态及莫尔圆应力状态可用莫尔圆表示圆心坐标：R=()半径：r=()顶点坐标：(p,q)其中，p=()q=()应力状态也可用莫尔圆上的点，如（p,q）来表示(p,q)§6.4

应力路径与破坏主应力线O强度包线O应力路径及破坏主应力线方法一：用一系列的莫尔圆表示破坏时的莫尔圆与强度包线相切不直观，易混乱31pqO3O方法二：用p-q图上莫尔圆的顶点坐标的变化线表示破坏点位于破坏主应力线上方法直观，使用方便破坏主应力线§6.4

应力路径与破坏主应力线莫尔圆p-q应力平面土中一点的应力状态一个莫尔圆一点应力的变化过程一系列莫尔圆一条线（应力路径）极限应力状态与强度包线相切的莫尔圆破坏主应力线上的一点莫尔圆与应力路径的比较§6.4

应力路径与破坏主应力线两条直线与横坐标交于一点O强度包线f

：在坐标系中所有破坏状态莫尔圆的公切线破坏主应力线Kf

：在pq

坐标系中所有处于极限平衡应力状态点的集合强度包线与破坏主应力线pqO破坏主应力线KfO强度包线f§6.4

应力路径与破坏主应力线pOq总应力与有效应力状态有效应力原理：

+u或

-u孔隙水压力：u=B3+AB(1-3)1331u有效应力总应力uu§6.4

应力路径与破坏主应力线pOqKf线三轴试验的总应力路径固结过程：

p

0p0=3剪切过程：

3=010AB剪切p0=3固结11§6.4

应力路径与破坏主应力线ppOqq饱和土固结不排水试验uuf三轴试验的有效应力路径固结过程：

p

0p0=3剪切过程：

3=010u0总应力Kf线当A是常数时，有效应力路径为直线，一般情况下A不为常数，有效应力路径为曲线有效应力Kf线p0=3§6.4

应力路径与破坏主应力线孔压系数A与有效应力路径弹性体：A=1/3松砂或正常固结粘土：剪缩

A>1/3密砂或超固结粘土：剪胀

A<1/3pOqp0=3A=0(u=0)饱和土固结排水试验A<0A=0.5A=1A=1/3§6.4

应力路径与破坏主应力线

应力路径

p-q平面上的应力路径与莫尔圆强度包线与破坏主应力线

sin

=tg；a=ccos总应力路径与有效应力路径

有效应力原理孔隙水压力系数总应力状态与有效应力状态三轴试验的总应力路径与有效应力路径小结§6.4

应力路径与破坏主应力线§6.1

概述§6.2

土的抗剪强度理论§6.3

土的抗剪强度的测定试验§6.4

应力路径与破坏主应力线§6.5

土的抗剪强度指标§6.6

砂土的振动液化第六章：土的抗剪强度§6.5

土的抗剪强度指标强度指标的类型总应力指标与有效应力指标三轴试验强度指标直剪试验强度指标土的强度指标的工程应用土的抗剪强度指标库仑公式:f=c+tgc和称为土的抗剪强度指标§6.5

土的抗剪强度指标抗剪强度指标的类型总应力强度与有效应力强度指标直剪强度与三轴试验指标三种强度指标：根据应力分析方法分根据试验方法分§6.5

土的抗剪强度指标–指标类型总应力指标与有效应力指标抗剪强度的有效应力指标c，c+tg=-u

符合土的破坏的机理，

但有时孔隙水压力u

无法确定抗剪强度的总应力指标c，c+tg是一种“全额生产率”的概念，因u不能产生抗剪强度，不符合强度机理。在无法确定u时便于应用，但要符合工程条件§6.5

土的抗剪强度指标–指标类型抗剪强度

u抗剪强度的总应力指标ctg我叫u郭处士，充数而已！在难以确定孔隙水压力的情况下使用注意正确使用的方法：确定c，的试验中，应能大致模拟工程现场孔隙水压力的特性§6.5

土的抗剪强度指标–指标类型正常固结土的有效和总应力指标O11uf有效应

力fppOqqp0=3总应力

Kf线uf有效应

力Kf线总应力f§6.5

土的抗剪强度指标–指标类型常规三轴压缩试验类型施加

3施加

1-3量测强度指标固结排水CD固结排水体变cd,d=(c,)固结不排水

CU固结不排水孔隙水压力ccu,cuc,不固结不排水UU不固结不排水孔隙水压力cu,u试验类型与强度指标§6.5

土的抗剪强度指标–三轴试验指标试验类型试验方法强度指标慢剪

SlowShear施加正应力-充分固结慢剪，保证无超静孔压cs，s固结快剪Consolidated

QuickShear施加正应力-充分固结快剪，在3-5分钟内剪切坏ccq，cq快剪QuickShear施加正应力后不固结，立即快剪，3-5分钟内剪坏cq，q直剪试验类型和强度指标§6.5

土的抗剪强度指标–直剪试验强度指标土的强度指标的工程应用

有效应力指标还是总应力指标？三轴试验指标还是直剪试验指标？峰值强度指标还是残余强度指标？§6.5

土的抗剪强度指标–工程应用土的强度指标的工程应用有效应力指标与总应力指标凡是可以确定（测量、计算）孔隙水压力u的情况，都应当使用有效应力指标c，采用总应力指标时，应根据现场土体可能的固结排水情况，选用不同的总应力强度指标§6.5

土的抗剪强度指标–工程应用三轴试验指标与直剪试验指标应优先采用三轴试验指标应按照不同土类和不同的固结排水条件，合理选用直剪试验指标砂土：c,三轴CD试验与直剪试验（直剪偏大）粘土：有效应力指标：三轴CD或CU试验总应力指标：三轴CU、UU试验

或直剪cq、q试验

土的强度指标的工程应用§6.5

土的抗剪强度指标–工程应用土的强度指标的工程应用名称指标应用不排水剪(快剪)cu、ucq、q软土地基快速施工固结不排水剪(固结快剪)ccu、cuccq、cq固结完成后受突然荷载固结排水剪(慢剪)cd、dcs、s地基透水性强施工较慢或正常运行期§6.5

土的抗剪强度指标–工程应用不固结不排水剪（快剪）cu、u（cq、q）粘土地基上快速施工的建筑物土的强度指标的工程应用软土地基上的快速填方土坝快速施工，心墙未固结§6.5

土的抗剪强度指标–工程应用固结不排水剪（固结快剪）ccu、cu（ccq、cq）土的强度指标的工程应用

在天然土坡上快速填方水位骤降在1层固结后，施工2层12§6.5

土的抗剪强度指标–工程应用固结排水剪（慢剪）ccd、cd（cs、s）粘土地基上慢速施工的建筑物土的强度指标的工程应用粘土地基上的分层慢速填方稳定渗流期的土坝§6.5

土的抗剪强度指标–工程应用强度指标的类型总应力指标与有效应力指标三轴试验强度指标直剪试验强度指标土的强度指标的工程应用土的抗剪强度指标小结§6.5

土的抗剪强度指标–工程应用§6.1

概述§6.2

土的抗剪强度理论