土力学东南大学等72土的抗剪强度

第7章土的抗剪强度Shearstrengthofsoil§7.1概述§7.2土的抗剪强度理论§7.3土的抗剪强度试验§7.4三轴压缩试验中的孔隙水压力系数§7.5饱和黏性土的抗剪强度§7.6应力路径在强度问题中的应用§7.7无黏性土的抗剪强度知识回顾一、抗剪强度二、研究抗剪强度的意义三、抗剪强度定律------库仑定律四、莫尔理论一、抗剪强度土是以固体颗粒为主的散体，颗粒是岩块或岩屑，本身强度很高，但粒间联结较弱。因此，土的强度问题表现为土粒间的错动、剪切、以致于破坏。所以，研究土的强度主要是研究土的抗剪强度。一、抗剪强度在土体自重和外荷载作用下，土体内部将产生剪应力和剪切变形。随着剪应力的增加，剪切变形也越来越大。当剪应力增大到极限值时，土就处于剪切破坏的极限状态，这个极限值就是土的抗剪强度。若土体内某一部分的剪应力达到土的抗剪强度，在该部分就开始出现剪切破坏。随着荷载的增加，剪切破坏的范围逐渐扩大，最终在土体中形成连续的滑动面，导致土体发生整体剪切破坏而丧失稳定性。二、研究抗剪强度的意义目前与抗剪强度有关的工程问题主要有三方面：（1）土工构筑物的稳定问题，如土坝、路堤等填方边坡的稳定性问题，天然土坡的稳定性问题等。（2）土压力问题，如挡土墙、地下结构等的周围土体，它的强度破坏将造成过大的对墙体的侧向压力，以致可能导致构造物发生滑动、倾覆等破坏事故。（3）土的承载力问题。土作为建筑物的地基，其承载力的确定是十分关键的。如果上部结构传下的荷载引起的基底压力超过地基土的极限承载力，地基土发生剪切破坏，将造成上部结构的严重破坏或倒塌，或影响正常使用，这些都是工程上所不允许的，而确定地基土的承载力，首先要研究土的抗剪强度问题。三、抗剪强度定律------库仑定律无粘性土粘性土四、莫尔理论斜面上的应力莫尔应力圆方程【例】已知某点σ1=420Kpa,σ3=180Kpa,c=18Kpa,φ=20°问:1、该点破坏否？

2、是否沿剪应力最大面破坏？解1、AB解2、最大剪应力作用平面上的σ圆心坐标45°面上的τmax=120Kpa<τf=127KPa；∴不会沿该面破坏1.用莫尔理论研究土的强度忽略了中主应力σ2的影响。（平面问题）2.土的破坏是土中某斜截面上的τ＞τf所致。3.抗剪强度τf不是常数，它与剪切面上的法向应力成正比。4.破坏面不一定是最大剪应力作用平面（45°面）而是在σ、τ的最不利组合的45°+φ/2面上。5.同一种土可以在不同的应力状态下被剪破，这样一组土样的极限应力圆的公切线是强度包线，它一般为曲线，但可以近似地用库仑公式所表达的直线代替，即τf=σtgφ+c土的强度理论概括如下：§7.3土的抗剪强度试验测定土抗剪强度指标的试验称为剪切试验十字板剪切试验(适用:饱和软粘土)大型直接剪切试验直接剪切试验三轴压缩试验(无侧向抗压强度试验)抗剪强度试验室内室外第7章土的抗剪强度7.3.1直接剪切试验1.试验仪器§7.3土的抗剪强度试验第7章土的抗剪强度PSTA7.3.1直接剪切试验§7.3土的抗剪强度试验第7章土的抗剪强度直剪仪直剪仪直剪仪直剪仪直剪仪直剪仪的优点:设备简单,价格便宜,操作方便,易于掌握直剪仪的缺点:④试验时不能严格控制排水条件，不能量测孔隙水压力。①限定的剪切面不是土样最薄弱面；②应力应变分布不均匀,且垂直荷载发生偏转,使主应力大小方向都发生偏转;③受剪面积逐渐缩小,而在计算抗剪强度时仍按土样的原截面积计算；7.3.1直接剪切试验§7.3土的抗剪强度试验第7章土的抗剪强度7.3.1直接剪切试验§7.3土的抗剪强度试验第7章土的抗剪强度PSTAσ

=100KPa位移σ

=200KPaσ

=300KPaOc2.试验步骤：7.3.1直接剪切试验§7.3土的抗剪强度试验第7章土的抗剪强度2.试验步骤：①取峰值或稳定值②取剪切位移4mm对应的τ作为τf有关破坏标准直接剪切试验在直剪试验过程中，不能量测孔隙水应力，也不能控制排水，所以只能以总应力法来表示土的抗剪强度。根据加垂直荷载后固结程度和剪切速率的快慢可将直剪试验划分为:快剪(q)

quickshear固结快剪(cq)

consolidatedquickshear慢剪(s)

slowshear3.试验方法及结果：7.3.1直接剪切试验§7.3土的抗剪强度试验第7章土的抗剪强度直剪试验类型试验类型加垂直荷载时剪切时（水平）综合速度快剪

q不固结（u1＞0）快快（u2＞0）0.8mm/min快+快u=u1+u2＞0固结快剪

cq固结（u1=0）慢同上慢+快u=u1+u2=u2＞0慢剪

s同上慢（u2=0）0.02mm/min慢+慢u=u1+u2=0注：手轮一圈0.01mm7.3.1直接剪切试验§7.3土的抗剪强度试验第7章土的抗剪强度φcqφqcqccqC值差不多,但φs

＞

φcq＞φq∴慢剪的抗剪强度τf最大。粘性土粘性土三种直剪试验结果7.3.1直接剪切试验§7.3土的抗剪强度试验第7章土的抗剪强度无粘性土三种直剪试验结果但非常接近。实际上砂土只有慢剪，垂直加荷半小时，剪切速率0.04mm/min（4转/分）结果与慢剪相似。无粘性土7.3.1直接剪切试验§7.3土的抗剪强度试验第7章土的抗剪强度7.3.2三轴压缩试验三轴压缩试验实质就是三轴剪切试验。它是进行土的抗剪强度的精密试验。因此，重大工程和科学研究都常做三轴试验。优点：（1）可严格控制排水条件；（2）可量测土样中的孔隙水压力；（3）破裂面在最软弱处；（4）是一种多用途的试验设备，如测孔隙水压力系数，侧压力系数，变形模量等。缺点：（1）2=3，轴对称。（拟三轴，假三轴）（2）应力应变仍不够均匀，端部影响较大。§7.3土的抗剪强度试验第7章土的抗剪强度三轴压缩试验三轴压缩试验三轴压缩试验

1.试验装置①压力室；②围压系统；③轴压系统；④孔隙水压力量测系统；⑤排水系统主要组成：2.试验步骤：①制样3-4个。尺寸d35-101mm，高≈2d②饱和（抽气，水头，反压）③安装④施加σ3⑤施加σ1至破坏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7.3.2三轴压缩试验§7.3土的抗剪强度试验第7章土的抗剪强度7.3.2三轴压缩试验§7.3土的抗剪强度试验第7章土的抗剪强度强度包线(1-)f

(1-)f3.试验方法：按排水固结条件分①不排水剪（不固结不排水剪）UU

UnconsolidatedUndriaindTest②固结不排水剪

CU

ConsolidatedUndriaindTest③排水剪（固结排水剪）CD

ConsolidatedDriaindTest7.3.2三轴压缩试验§7.3土的抗剪强度试验第7章土的抗剪强度ccu

、cu

三种试验方法的试验条件试验类型加围压时（σ3）加轴压时（σ1）全过程不排水剪UU不排水（不固结）u3＞0不排水u1＞0u=u3+u1＞0固结不排水剪CU排水（固结）u3=0不排水u1＞0u=u3+u1=u1＞0排水剪CD排水（固结）u3=0排水u1=0u=u3+u1=07.3.2三轴压缩试验§7.3土的抗剪强度试验第7章土的抗剪强度cd

、d

cu、u

7.3.3无侧限抗压强度试验是三轴试验的一个特例，即σ3=0时的不排水剪。适用条件：只能用于粘性土。尤其是高塑性饱和粘性土即φ=0。试验方法：在σ3=0施加σ1至破坏。破坏时的σ1以qu表示ququ加压框架量表量力环升降螺杆无侧限压缩仪试样§7.3土的抗剪强度试验第7章土的抗剪强度无侧限压缩仪7.3.3无侧限抗压强度试验§7.3土的抗剪强度试验第7章土的抗剪强度极限应力圆不排水强度饱和粘性土φu=0饱和粘性土7.3.3无侧限抗压强度试验§7.3土的抗剪强度试验第7