土力学-土的抗剪强度课件

土的抗剪强度--工程危害示例大阪的港口码头档土墙由于液化前倾1龙观嘴黄崖沟乌江土的抗剪强度--工程危害示例2000年西藏易贡巨型滑坡2日本新泻1964年地震引起大面积液化3粘土地基上的某谷仓地基破坏无粘性土一般无连结，抗剪强度主要是由颗粒间的摩擦力组成，这与粒度、密实度和含水情况有关。

4土的抗剪强度的数学表达f=tan砂类土ff=c+tan粘性土cf总应力表示法可表示为总应力表示法和有效应力表示法。其中f

为抗剪强度，为法向应力，c为内聚力或粘聚力，为内摩擦角51.作用于土体的有效应力等于总应力σ和孔隙水压力u之差，即2.土体的强度及变形性质只取决于作用其上的有效应力，孔隙水压力对这些性质无影响。式中，为土的有效粘聚力和有效内摩擦角。有效应力表示法：总应力表示法有广泛的应用性，因为当排水条件好，孔隙水压力很小时，总应力几乎都作用在土体颗粒上，故总应力法在工程中有很多情况下可以近似采用。6便于应用,但u不能产生抗剪强度，不符合强度机理，应用时要符合工程条件土的抗剪强度的有效应力指标c,=c+tg

=-u符合土的破坏机理，但有时孔隙水压力u无法确定土的抗剪强度的总应力指标c,=c+tg

强度指标抗剪强度简单评价总应力表示法和有效应力表示法之比较7土的抗剪强度的试验方法

按排水条件分UU试验--快剪（不排水剪）：在剪切试验过程中土的含水量不变，因此，无论加垂直压力或水平剪力，都必须迅速进行，不让孔隙水排出。适用范围：加荷速率快，排水条件差CU试验--固结快剪（固结不排水剪）：试样在垂直压力下排水固结稳定后，迅速施加水平剪力，以保持土样的含水量在剪切前后基本不变。试用范围：一般建筑物地基的稳定性，施工期间具有一定的固结作用。CD试验--慢剪（固结排水剪）：土样的上下两面均为透水石，以利排水，在垂直压力作用下，待充分排水固结稳定后，再缓慢施加水平剪力，直至土样破坏。适用范围：加荷速率慢，排水条件好，施工期长，8直接剪切试验优点：仪器构造简单，操作方便缺点：（1）剪切面不一定是试样抗剪能力最弱的面；（2）剪切面上应力分布不均，且受面积愈来愈小；（3）不能控制排水条件，测不出孔隙水压力的变化。

三轴剪切试验优点：（1）试验中能控制排水条件及测定孔隙水压力变化；（2）剪切面不固定；（3）应力状态明确；（4）除抗剪强度外，能测定其它指标。缺点：（1）操作复杂；（2）所需试样多；（3）主应力方向固定不变，且只反映轴对称情况，与实际情况尚不符。

土的抗剪强度的试验方法

按试验仪器分★环剪试验优点：（1）试验中能控制排水条件及测定孔隙水压力变化；（2）应力状态明确；（3）剪切面积大，高速、高压，更接近实际情况（4）能测出峰值强度和残余强度。缺点：（1）剪切面人为确定；（2）操作复杂；（3）所需试样多，且为扰动样。

9土的抗剪强度试验—直接剪切试验试验仪器：直剪仪（应力控制式，应变控制式）101112在法向应力作用下，剪应力与剪切位移关系曲线如图所示，可以显示出峰值强度和残余强度。直接剪切试验a

b

剪切位移△l(0.01mm)

剪应力（kPa)

a点—对应峰值强度b点—对应残余强度13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14三轴剪切试验15

3

3

3

3

3

3△△试验原理将试样置于压力室中，土样受三向压力，通过控制三向压力大小组合关系，研究土样产生斜向或沿弱面破裂的特征。试样破坏的本质是压—剪型。根据受压力大小的组合关系，可分为常规三轴真三轴试验三轴挤长三轴压缩16试验步骤:2.施加周围压力3.施加竖向压力1.装样分为不固结不排水试验、固结不排水试验和固结排水试验。17三轴剪切试验抗剪强度包线

c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18环剪试验仪器名称：高速高压大型环剪试验机主要功能：可测土的抗剪强度、孔隙水压力随时间变化的历程主要特点：高速：最大运动速度可达30cm/s高压：最大压力可达500kPa19环剪试验仪器构造：一般包括三部分，即主机，控制台和控制系统可完成的试验项目排水不排水固结慢剪固结快剪急速荷载震动荷载单向双向20环剪试验可测定参数：孔隙水压力动态发生变化内聚力土的抗剪强度：峰值强度，残余强度摩擦角：运动状态下瞬时荷载下21抗剪强度的基本理论土的屈服特性：土的屈服是随应力作用经加荷、卸荷、再加荷反复过程不断硬化的过程，土的破坏是强度问题，而屈服过程的极限结果是破坏。控制土破坏的强度理论或破坏准则是指对土的屈服、破坏现象和机理的科学假说。常用的破坏准则最大切应力理论库仑-莫尔(Columb-Hohr)理论米塞斯（Mises）理论Druker-Prager理论22最大切应力理论先由库仑提出，后被特雷斯加推广应用到塑性流动的情况，表达式为米塞斯（Mises）理论德鲁克-普拉格理论该理论认为材料的应变能达到极限时就进入破坏状态，其方程表达式为式中I1为应力偏张量第一不变量J1为应力偏张量的第二不变量23各种破坏准则24库仑定律（剪切定律）f=c+tan粘土cff=tan砂土f1776年，库仑根据砂土剪切试验得到如下曲线，后推到粘性土中25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（1）土的抗剪强度由土的内摩擦力和内聚力两部分组成；（2）内摩擦力与剪切面上的法向应力成正比，其比值为土的内摩擦系数；（3）表征抗剪强度指标：土的内摩擦角φ和内聚力c。

砂土粘性土库仑定律说明：26库仑—摩尔理论摩尔在库仑研究的基础上提出了摩尔圆和强度理论

该理论认为，材料的破坏既和某一截面上的切应力大小有关，也和作用于该面上的法向应力有关；在实际破坏面上切应力和法向应力呈某一函数关系，即上式也可以写成根据这个函数关系确定的曲线叫摩尔抗剪强度包络线27在三向应力状态下，如果不考虑中间主应力的影响，对一点应力状态，有如下关系式上式显然为一圆方程，圆心坐标为，半径为这就是莫尔圆方程。28莫尔理论临界破坏角32确定c,ψ3129当土样处于破坏时的σ1，σ2

，对应做出的莫尔圆成为极限莫尔应力圆。显然它和抗剪强度包罗线相切。莫尔圆上每个点代表一个某种应力状态下的斜平面。对一种土样可以有一系列的极限莫尔圆（对应不同的正应力和抗剪强度），而抗剪强度包罗线就是这些极限应力圆的公切线。30而实际破坏时临界状态时，即实际破裂面和最大主应力作用面之间的夹角。从图中可看出，对称于横轴，有另一组对应的莫尔圆的切线，表明实际岩土体有两组破裂面，且最大主应力作用面分别呈

从莫尔圆看出，最大切应力作用面位置据此，可得31从RT△OAN可以得到极限平衡条件或临塑条件32莫尔理论的缺点：忽略了中间主应力σ2的影响。为了消除或弥补这种缺陷，可考虑采用下面的形式：33库仑—莫尔理论的应用：

1.确定土的值。

强度线极限应力圆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

34也可以根据任意两个极限莫尔圆的建立方程求解值。上式中也可以用有效应力表示，可解出值。35

2.判断土样的破坏。36砂类土的抗剪强度特征内摩擦力的影响因素颗粒间的摩擦力，咬合状态，剪胀作用，颗粒形状及矿物成分值作为抗剪强度的指标。是反映土的凝聚力和内摩擦力的量化体现。37密实度对抗剪强度的影响

见图，不同的密实度的砂在相同围压σ3作用下应力-应变的关系，表现为明显的强度变化特征，峰值强度，残余强度很明显。松砂抗剪强度随轴向应变的增加而增大，呈硬化型，整个剪切过程中表现为剪缩特性。密砂内摩擦角大，孔隙比小，变化不明显。剪胀特性。

松砂和密砂在剪切最后最终强度趋于相同。38砂土临界孔隙比临界孔隙比的概念砂土在一定围压作用下当具有某一特定孔隙比时，在剪切过程中其体积既不膨胀，也不缩小，此时的孔隙比就称为临界孔隙比，以ecr表示之。临界孔隙比和围压大小的关系：围压越大，ecr越小；围压越小，ecr越大。如果e0

＞

ecr

，该砂就是松砂；

e0

＜ecr

，该砂就是密砂。砂土的临界孔隙比在动荷载和静荷载下临界孔隙比不同。39室内实验的压力相对小，和实际工程有差异。而野外的高压力对土的抗剪强度影响是，强度趋于常量。在整个高压作用下的受力过程中，土的抗剪强度包罗线可近似为三段：砂类土在高压下的剪切特性：初期—斜直线段；中期—直线斜率降低；后期—塑性变形出现，呈另一直线段。40例题5-141例题5-2同上题，说明为什么破坏面发生在α=57°的平面上，而不是发生在最大切应力作用面上？解：

由有效应力原理，在实际破裂面上在α=45°的斜面上（最大切应力作用面）不破坏42粘性土的抗剪强度特征不排水剪强度UU试验，或快剪试验总应力圆有无数多个，而有效应力圆则只有一个，故无法确定有效应力指标显然，总应力莫尔圆半径相等，故是一条平行于横轴的直线，即因此43无侧限抗压强度试验饱和黏性土，做单轴实验即，则，如令为单轴抗压强度，则上式表明饱和黏土的抗剪强度等于无侧限（单轴）抗压强度的一半。利用无侧限抗压强度实验可以测定土的灵敏度。十字板剪切试验弥补原状土样的试验精度而进行的现场试验。44固结不排水抗剪强度CU试验，或称固结快剪通过pc和σ3比较来区分固结和超固结图饱和粘性土的CU试验45按总应力表示抗剪强度的方程式按有效应力表示抗剪强度的方程式46固结排水抗剪强度CD试验或简称排水剪，过程中，u=0CD试验中应力应变关系和体积变化图正常固结土（NC）剪缩超固结土(OC)刚开始剪缩，接着剪胀47CD试验NC土的抗剪强度包络线通过坐标原点，即cd=0，抗剪强度方程为CD试验OC土的抗剪强度包络线近似为一条直线，抗剪强度方程为48饱和粘性土在不同排水条件下按有效应力表示法的结果基本相同，即都可以得到一条近乎相同的抗剪强度包络线。饱和粘性土在不同排水条件下总应力表示法的结果差异较大；抗剪强度只与有效应力有关结论49粘性土抗剪强度指标的选择应用孔隙水压力能准确测定或计算出地基或边坡的长期稳定性有效应力法孔隙水压力难以测定或计算出饱和粘土的短期稳定性总应力法施工场地排水条件好，加荷速度慢突发事件引发的稳定问题，如暴风、地震施工场地排水条件差，加荷速度快，工期短CD试验CU或UU试验UU试验50粘性土的超固结状况及扰动问题超固结土的特点剪切时有剪胀现象，孔隙水压力为负值；应力应变关系表现为应变软化现象，有明显的峰值强度和残余强度。正常固结土的特点剪切时如有排水，则有剪缩现象，孔隙水压力为正值；应力应变关系表现为应变硬化现象，抗剪强度缓慢升高，最后趋于稳定。为保证土样的性质不变，要减小取样时对土的扰动性影响。51式中，为土的体积压缩系数，V为土样体积，E和υ分别为土的弹性模量和泊松比。孔隙水压力及孔压系数各向等压作用下孔隙水压力的变化等压条件下，有效应力根据弹性理论土样中由于孔隙水压力产生的孔隙体积压缩量为孔隙水压力变化过程式中为孔隙的体积压缩系数。52式中，为各向等压条件下的孔压系数前面两式相等，可得到完全饱和土而言，，因此53在偏向力（σ1-σ3）作用下孔隙水压力的变化此时，有效应力为土样体积变化在孔隙压力作用u1下孔隙体积变化体积变化等于孔隙体积变化即，54综合可得土非理想的弹性体，故对饱和土，B=1，故UU试验中CU试验中，前期固结完成，u3=0CD试验中55应力路径概念：土体加荷过程中，土体内某点应力状态的变化过程就称为应力路径，如果反映在坐标中，则以特征应力点在坐标中的移动轨迹。各种不同类型的应力路径1.直剪试验中的应力路径2.三轴UU试验中的应力路径3.三轴CU试验中的应力路径4.三轴CD试验中的应力路径5.边坡稳定的应力路径6.分期加载时的应力路径略56特殊粘性土的抗剪强度特征软粘土的抗剪强度特征膨胀性粘土的抗剪强度特征土压缩性高，透水性小，触变性明显，灵敏度高，流变性显著。沿海型：淤泥及淤泥质土内陆型：泥炭质土是指在一定压力下，浸湿、含水量增加能够产生膨胀的土。液限WL＞40%,自由膨胀率富含亲水粘土矿物，如蒙脱石、伊利石是其重要特征。57红粘土的