土力学与地基基础(第五章土的抗剪强度)

§5.1土的抗剪强度和破坏理论§5.2土的抗剪强度试验§5.3饱和黏性土的剪切试验方法第五章土的抗剪强度库仑（C.A.Coulomb）(1736-1806)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概述土的抗剪强度：土体抵抗剪切破坏的极限能力粘土地基上的某谷仓地基破坏1.地基的破坏日本新泻1964年地震引起大面积液化★地基的破坏大阪的港口码头档土墙由于液化前倾2.挡土结构物的破坏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。挡土墙滑裂面基坑支护★挡土结构物破坏平移滑动3.各种类型的滑坡崩塌旋转滑动流滑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龙观嘴黄崖沟乌江2000年西藏易贡巨型滑坡高程（m）滑距（m）553022004000扎木弄沟滑坡堆积体080004000200060002000年西藏易贡巨型滑坡立面示意图坡高3330m堆积体宽约2500m总方量约3亿方易贡滑坡堰塞湖滑坡堆积区扎木弄沟2264m2210m2165m2340m2000年西藏易贡巨型滑坡平面示意图5520m滑坡堆积体天然坝

坝高290m滑坡堰塞湖

库容15亿方2000年西藏易贡巨型滑坡边坡滑裂面地基承载力土压力边坡稳定地基的破坏挡土结构物破坏各种类型的滑坡核心强度理论综上所述§5.1土的抗剪强度理论和破坏理论5.1.1土的应力-应变关系特征5.1.3土的极限平衡条件5.1.4例题分析5.1.2土的破坏理论5.1.1土的应力-应变关系特征0fe0ek①②①②①②①②膨胀0压缩0应力－应变曲线体变－应变曲线－曲线e－曲线①—密砂②—松砂1776年，库仑根据砂土剪切试验τf=σtan砂土后来，根据粘性土剪切试验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

c:土的粘聚力:土的内摩擦角ff库仑定律5.1.2土的破坏理论土体抗剪强度组成摩擦强度NT=NT1.滑动摩擦2.咬合摩擦引起的剪胀3.颗粒的破碎与重排列NT滑动摩擦颗粒破碎与重排列咬合摩擦引起的剪胀影响土的摩擦强度的主要因素密度（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静电引力（库仑力）范德华力颗粒间胶结假粘聚力（毛细力等）地质历史粘土颗粒矿物成分密度离子价与离子浓度粘聚强度影响粘聚强度主要因素----+根据太沙基的有效应力概念，土体内的切应力仅能由土的骨架承担，因此土的抗剪强度应表示为剪切破坏面上法向有效应力的函数C’:土的粘聚力’:土的内摩擦角库仑公式的修改331131dldlcosdlsin楔体静力平衡5.1.3土的极限平衡条件1.地基中一点A任意斜面上的应力与主应力的关系31dldlcosdlsin斜面上的应力莫尔应力圆方程O131/2(1+3)2A(,)圆心坐标[1/2(1+3)，0]应力圆半径r＝1/2(1－3

)土中某点的应力状态可用莫尔应力圆描述

极限应力圆莫尔应力圆与库仑强度线相切的应力状态作为土的破坏准则(目前判别土体所处状态的最常用准则)莫尔－库仑破坏准则强度线应力圆与强度线相离：应力圆与强度线相切：应力圆与强度线相割：弹性平衡状态极限平衡状态破坏状态31

f2

fA1/2(1

+3)2.无粘性土的极限平衡条件破坏面与大主应力作用面的夹角31c

f2

fAcctg1/2(1+3)3.粘性土的极限平衡条件？土体破坏的剪切破坏面不在45°最大剪应力面上，为什么？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确定土单元体的应力状态（σx，σz，τxz）计算主应力σ1，σ3

：判断是否剪切破坏：由，比较和由，比较和方法一：由，比较和c

极限平衡状态

安全状态

不可能状态

方法二：由，比较和c

极限平衡状态

安全状态

不可能状态

【解答】已知1=420kPa，3=180kPa，c=18kPa，

=20o

1.计算法计算结果表明：1f小于该单元土体实际大主应力1，实际应力圆半径大于极限应力圆半径，所以，该单元土体处于剪破状态

【例】地基中某一单元土体上的大主应力为420kPa，小主应力为180kPa。通过试验测得土的抗剪强度指标c=18kPa，

=20o。试问①该单元土体处于何种状态？②是否会沿剪应力最大的面发生剪破？5.1.4例题分析计算结果表明：

3f大于该单元土体实际小主应力

3，实际应力圆半径大于极限应力圆半径，所以，该单元土体处于剪破状态

最大剪应力

该面上抗剪强度

由于τf>τmax，所以，不会沿该面发生剪破剪应力面上最大正应力

2.图解法最大剪应力与主应力作用面成45o最大剪应力面上的法向应力库仑定律

最大剪应力面上τf>τmax

，所以，不会沿该面发生破坏

c1实际应力圆τmax§5.2土的抗剪强度试验5.2.1三轴压缩试验5.2.2直接剪切试验5.2.3无侧限抗压强度试验5.2.4十字板剪切试验5.2.1三轴压缩试验主要试验步骤

3

3

3

3

3

3△△1.装样2.施加周围压力3.施加轴向压力应变控制式三轴仪：压力室，加压系统，量测系统组成

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中压台式三轴仪应变控制式三轴仪：压力室，量测系统固结排水试验（CD试验）1打开排水阀门，施加围压后充分固结，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，避免产生孔压不固结不排水试验（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，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cd、d

ccu、cu

cu、u

试验类型固结排水试验（CD试验）

ConsolidatedDrainedTriaxialtest(CD)

抗剪强度指标：cdd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抗剪强度指标的选择黏土地基上快速施工的建筑物土坝快速施工，心墙未固结软土地基上的快速填方不固结不排水试验（cuu）在1层固结后，施工2层，施工速度较快水位骤降在天然土坡上快速填方固结不排水试验（ccucu）黏土地基上的分层慢速填方稳定渗流期的土坝黏土地基上慢速施工的建筑物固结排水试验（cdd）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强度包线(1-)fc

(1-)f11-31

=15%试验优缺点优点：1应力状态和应力路径明确；2排水条件清楚，可控制；3破坏面不是人为固定的；4试验单元体试验缺点：设备相对复杂，现场无法试验*说明：3＝0即为无侧限抗压强度试验*试验仪器：直剪仪（应力控制式，应变控制式）5.2.2直接剪切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0.02mm/分，以保证无孔隙水压力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PSTA试验类型二速等应变直剪仪试验原理剪前施加在试样顶面上的竖向压力为剪破面上的法向应力，剪应力由剪切力除以试样面积在法向应力作用下，剪应力与剪切位移关系曲线，根据曲线得到该作用下土的抗剪强度△L4mm0fpf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试验结果

=100KPa△L

=200KPa=300KPafOcP3P2P1S3S2S1直剪试验优缺点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设备简单，操作方便结果便于整理测试时间短ququ加压框架量表量力环升降螺杆无侧限压缩仪试样5.2.3无侧限抗压强度试验试验仪器：应变控制式无侧限压缩仪无侧限压缩仪无侧限抗压强度试验是三轴剪切试验的特例，对试样不施加周围压力，即3=0，只施加轴向压力直至发生破坏，试样在无侧限压力条件下，剪切破坏时试样承受的最大轴向压力qu，称为无侧限抗压强度

根据试验结果只能作出一个极限应力圆（3=0，1=qu）。因此对一般粘性土，无法作出强度包线说明：对于饱和软粘土，根据三轴不排水剪试验成果，其强度包线近似于一水平线，即u=0，因此无侧限抗压强度试验适用于测定饱和软粘土的不排水强度qucuu=0无侧限抗压强度试验仪器构造简单，操作方便，可代替三轴试验测定饱和软粘土的不排水强度试验结果反映土的结构受挠动对强度的影响程度

根据灵敏度将饱和粘性土分类：低灵敏度土

1<St≤2中灵敏度土

2<St≤4高灵敏度土

St>4灵敏度粘性土的原状土无侧限抗压强度与原土结构完全破坏的重塑土的无侧限抗压强度的比值5.2.4十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试验设备时：M1HDM2柱体上下平面的抗剪强度产生的抗扭力矩柱体侧面剪应力产生的抗扭力矩试验结果§5.3饱和黏性土的剪切试验方法5.3.1土在排水和不排水条件下的应力-应变关系与体积变化5.3.2土在不固结、不排水条件下的抗剪强度及其指标测定5.3.3土在固结、不排水条件下的抗剪强度及其指标测定5.3.4土在固结、排水条件下的抗剪强度及其指标测定5.3.5抗剪强度的表示方法及其影响因素5.3.6影响土抗剪强度的因素5.3.1土在排水和不排水条件下的应力-应变关系与体积变化①②膨胀01压缩e01ek①②10①②排水条件下CB0A1AB0过剩uC1AB0eCOOO不排水条件下①—密实砂或超固结土②—松砂或正常固结土1.不固结不排水剪（UU）

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之内剪破，称之为快剪关闭排水阀5.3.2土在不固结、不排水条件下的抗剪强度及其指标测定1.快剪

三轴试验：施加周围压力3、产生孔压u3，施加轴向压力△直至剪破，产生u1，整个过程都关闭排水阀门，不允许试样排水固结，uf＝u3＋u1

3

3

3

3

3

3△△有效应力圆总应力圆u=0BCcuuAA

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试验表明：虽然三个试样的周围压力3不同，但破坏时的主应力差相等，三个极限应力圆的直径相等，因而强度包线是一条水平线三个试样只能得到一个有效应力圆

u=B[+A()]B=12.固结不排水剪（CU）

3

3

3

3

3

3△△打开排水阀关闭排水阀三轴试验：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△，产生u1，使试样在不排水条件下剪切破坏，uf＝

u1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2.固结快剪

5.3.3土在固结、不排水条件下的抗剪强度及其指标测定

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正常固结土在三组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、

cuABC3.固结排水剪（CD）

3

3

3

3

3

3△△打开排水阀三轴试验：试样在周围压力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uf＝0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3.慢剪

5.3.4土在固结、排水条件下的抗剪强度及其指标测定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、dcdd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【例】对某种饱和粘性土做固结不排水试验，三个试样破坏时的大、小主应力和孔隙水压力列于表中，试用作图法确定土的强度指标ccu、

cu和c、

周围压力3/kPa1/kPauf/kPa60143231002204015031367例题分析【解答】按比例绘出三个总应力极限应力圆，如图所示，