岩土工程土体抗剪强度及震动液化

第五章土的抗剪强度1本章特点有较严格的理论体系各种关系较复杂前面各章知识的综合运用理清关系砂性土与粘性土强度的区别与联系试验条件与实际工程情况的对应关系正常固结粘性土的强度不固结不排水剪的应力应变关系及强度强度指标的运用主要难点学习要点§5土的抗剪强度2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§5土的抗剪强度3§5土的抗剪强度5.1土体破坏与强度理论?5.2抗剪强度测定试验?5.3应力路径与破坏主应力线?5.4抗剪强度指标?5.5动强度与砂土的振动液化4§5土的抗剪强度§5.1土体破坏与强度理论§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、土的强度机理四、莫尔-库仑强度理论5§5土的抗剪强度§5.1土体破坏与强度理论§5土的抗剪强度1.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（剪切破坏），颗粒间粘聚力与摩擦力；2.三相体系：三相承受与传递荷载——有效应力原理；3.自然变异性：土的强度的结构性与复杂性。一、土的强度特点6大阪的港口码头挡土墙由于液化前倾§5土的抗剪强度二、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土体破坏与强度理论71.挡土结构物的破坏§5土的抗剪强度二、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土体破坏与强度理论8挡土墙滑裂面基坑支护§5土的抗剪强度二、工程中土体的破坏类型§5土的抗剪强度1.挡土结构物的破坏§5.1土体破坏与强度理论9平移滑动2.各种类型的滑坡§5土的抗剪强度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土体破坏与强度理论101994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。乌江鸡冠岭山体崩塌§5土的抗剪强度二、工程中土体的破坏类型§5土的抗剪强度2.各种类型的滑坡§5.1土体破坏与强度理论11龙观嘴黄崖沟乌江2000年西藏易贡巨型滑坡§5土的抗剪强度二、工程中土体的破坏类型§5土的抗剪强度2.各种类型的滑坡§5.1土体破坏与强度理论12立面示意图高程（m）滑距（m）553022004000扎木弄沟滑坡堆积体08000400020006000坡高3330m堆积体宽约2500m总方量约3亿方§5土的抗剪强度二、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2.各种类型的滑坡§5.1土体破坏与强度理论13平面示意图易贡滑坡堰塞湖滑坡堆积区扎木弄沟2264m2210m2165m2340m5520m滑坡堆积体§5土的抗剪强度二、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2.各种类型的滑坡§5.1土体破坏与强度理论14天然坝

坝高290m滑坡堰塞湖

库容15亿方湖水每天上涨50cm?§5土的抗剪强度二、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2.各种类型的滑坡§5.1土体破坏与强度理论15边坡滑裂面§5土的抗剪强度二、工程中土体的破坏类型§5土的抗剪强度2.各种类型的滑坡§5.1土体破坏与强度理论16粘土地基上的某谷仓地基破坏3.地基的破坏§5土的抗剪强度二、工程中土体的破坏类型§5土的抗剪强度§5.1土体破坏与强度理论17日本新泻1964年地震引起大面积液化§5土的抗剪强度二、工程中土体的破坏类型§5土的抗剪强度3.地基的破坏§5.1土体破坏与强度理论18地基p滑裂面§5土的抗剪强度二、工程中土体的破坏类型§5土的抗剪强度3.地基的破坏§5.1土体破坏与强度理论19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§5土的抗剪强度二、工程中土体的破坏类型§5土的抗剪强度§5.1土体破坏与强度理论20§5土的抗剪强度§5.1土体破坏与强度理论§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、土的强度机理四、莫尔-库仑强度理论21三、土的强度机理§5土的抗剪强度施加σ（=P/A）量测S施加

（=T/A）上盒下盒PSTA§5土的抗剪强度1、直剪试验（库仑1776）试验方法σ=100KPa

Sσ=200KPaσ=300KPa§5.1土体破坏与强度理论22

Oc

c：粘聚力

：内摩擦角σ=100KPa

Sσ=200KPaσ=300KPa三、土的强度机理§5土的抗剪强度库仑公式

f：

土的抗剪强度tg：

摩擦强度-正比于压力c：

粘聚强度§5土的抗剪强度1.直剪试验试验结果抗剪强度指标§5.1土体破坏与强度理论23NT=NtgφuT滑动摩擦

三、土的强度机理§5土的抗剪强度（1）滑动摩擦§5土的抗剪强度2、摩擦强度tg由颗粒之间发生滑动时颗粒接触面粗糙不平所引起，与颗粒大小，矿物组成等因素有关§5.1土体破坏与强度理论24（2）咬合摩擦三、土的强度机理§5土的抗剪强度§5土的抗剪强度2.摩擦强度tgCABCAB剪切面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§5.1土体破坏与强度理论25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：一般，对于粗粒土，颗粒的棱角提高了内摩擦角

影响土的摩擦强度的主要因素：三、土的强度机理§5土的抗剪强度§5土的抗剪强度2.摩擦强度tg§5.1土体破坏与强度理论26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、土的强度机理§5土的抗剪强度3、粘聚强度§5土的抗剪强度§5.1土体破坏与强度理论27§5土的抗剪强度§5.1土体破坏与强度理论§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、土的强度机理四、莫尔-库仑强度理论28§5土的抗剪强度四、莫尔-库仑强度理论1.应力状态与莫尔圆2.极限平衡应力状态3.莫尔-库仑强度理论4.破坏判断方法5.滑裂面的位置§5土的抗剪强度§5.1土体破坏与强度理论29PSTA§5土的抗剪强度四、莫尔-库仑强度理论固定滑裂面一般应力状态如何判断是否破坏？借助于莫尔圆库仑公式§5土的抗剪强度§5.1土体破坏与强度理论30==三维应力状态§5土的抗剪强度四、莫尔-库仑强度理论1.应力状态与莫尔圆二维应力状态§5土的抗剪强度§5.1土体破坏与强度理论31莫尔圆应力分析符号规定§5土的抗剪强度四、莫尔-库仑强度理论§5土的抗剪强度1.应力状态与莫尔圆材料力学+-+-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§5.1土体破坏与强度理论32

O

z+zx-xz

x2

1

3rp+-

1

§5土的抗剪强度四、莫尔-库仑强度理论大主应力：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；圆上一点：代表一个面上的两个应力

与

§5土的抗剪强度§5.1土体破坏与强度理论1.应力状态与莫尔圆33

f直剪试验的莫尔圆与库仑抗剪强度线的关系如何？为什么？(c、)三轴＝(c、)直剪巧合吗？

c

与的组合满足库仑公式才破坏

f

c§5土的抗剪强度四、莫尔-库仑强度理论§5土的抗剪强度§5.1土体破坏与强度理论1.应力状态与莫尔圆三轴试验结果342.极限平衡应力状态§5土的抗剪强度四、莫尔-库仑强度理论极限平衡应力状态：

有一对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园的公切线。

f§5土的抗剪强度§5.1土体破坏与强度理论35§5土的抗剪强度四、莫尔-库仑强度理论

f强度包线以内：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：该面上的应力达到破坏状态；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。§5土的抗剪强度2.极限平衡应力状态§5.1土体破坏与强度理论36（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()（莫尔：1900年）（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§5土的抗剪强度四、莫尔-库仑强度理论§5土的抗剪强度3.莫尔—库仑强度理论§5.1土体破坏与强度理论37§5土的抗剪强度四、莫尔-库仑强度理论莫尔-库仑强度理论表达式－极限平衡条件

1

3

O

c§5土的抗剪强度3.莫尔—库仑强度理论§5.1土体破坏与强度理论38§5土的抗剪强度四、莫尔-库仑强度理论莫尔-库仑强度理论表达式－极限平衡条件

1

3

O

c§5土的抗剪强度3.莫尔—库仑强度理论§5.1土体破坏与强度理论39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安全状态σ1=σ1f

极限平衡状态σ1>σ1f不可能状态

O

c

1f

3

1

14.破坏判断方法§5土的抗剪强度四、莫尔-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土体破坏与强度理论40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安全状态σ3=σ3f极限平衡状态σ3<σ3f不可能状态

O

c

1

3f

3

3§5土的抗剪强度四、莫尔-库仑强度理论

1=常数：§5土的抗剪强度4.破坏判断方法§5.1土体破坏与强度理论41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

=

极限平衡状态

>

不可能状态

O

c§5土的抗剪强度四、莫尔-库仑强度理论(1+3)/2

=常数：圆心保持不变

§5土的抗剪强度4.破坏判断方法§5.1土体破坏与强度理论也可比较圆的直径422

3

1f45°＋

/2破裂面

O

c

1f

325.滑裂面的位置与大主应力面夹角：α=45+

/2§5土的抗剪强度四、莫尔-库仑强度理论§5土的抗剪强度§5.1土体破坏与强度理论破坏面为什么不在最大剪应力作用面上？43√5.1土体破坏与强度理论5.2抗剪强度测定试验？5.3应力路径与破坏主应力线？5.4抗剪强度指标？5.5动强度与砂土的振动液化§5土的抗剪强度§5土的抗剪强度44室内试验野外试验§5.2抗剪强度测定试验§5土的抗剪强度三轴试验、直剪试验等

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§5土的抗剪强度45§5.2抗剪强度测定试验§5土的抗剪强度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土的抗剪强度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量测体变或孔压一、三轴试验46§5.2抗剪强度测定试验§5土的抗剪强度方法：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§5土的抗剪强度一、三轴试验47强度包线(

1-

)fc

(

1-

)f

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莫尔圆，画出它们的公切线——强度包线，得到强度指标c与

§5.2抗剪强度测定试验§5土的抗剪强度2、强度包线§5土的抗剪强度一、三轴试验48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抗剪强度测定试验§5土的抗剪强度§5土的抗剪强度一、三轴试验49试验条件与现场条件的对应关系粘土地基上的分层慢速填方在1层固结后，快速施工2层12§5.2抗剪强度测定试验§5土的抗剪强度§5土的抗剪强度一、三轴试验软土地基上的快速填方固结排水试验固结不排水试验不固结不排水试验50固结排水试验（CD试验）

ConsolidatedDrainedTriaxialtest(CD)

抗剪强度指标：cd

d（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：ccu

cu不固结不排水试验（UU试验）

UnconsolidatedUndrainedTriaxialtest(UU)

抗剪强度指标：cu

u（

cuu

uu

）§5.2抗剪强度测定试验§5土的抗剪强度§5土的抗剪强度一、三轴试验51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缺点：设备相对复杂，现场难以试验说明：

3＝0即为无侧限抗压强度试验4、优点和缺点§5.2抗剪强度测定试验§5土的抗剪强度§5土的抗剪强度一、三轴试验52PSTAσ=100KPa

Sσ=200KPaσ=300KPa

Oc

§5.2抗剪强度测定试验§5土的抗剪强度二、直剪试验§5土的抗剪强度53通过控制剪切速率来近似模拟排水条件§5.2抗剪强度测定试验§5土的抗剪强度二、直剪试验PSTA§5土的抗剪强度(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54

O

nK0

nPSTA§5.2抗剪强度测定试验§5土的抗剪强度§5土的抗剪强度二、直剪试验55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易控制排水条件剪切面固定缺点§5.2抗剪强度测定试验§5土的抗剪强度PSTA§5土的抗剪强度二、直剪试验TP试样内的变形分布56一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§5.2抗剪强度测定试验§5土的抗剪强度三、十字板剪切试验§5土的抗剪强度57时：M1HDM2§5.2抗剪强度测定试验§5土的抗剪强度三、十字板剪切试验§5土的抗剪强度58√5.1土体破坏与强度理论√5.2抗剪强度测定试验§5.3应力路径与破坏主应力线？5.4抗剪强度指标？5.5砂土的振动液化§5土的抗剪强度§5土的抗剪强度59§5土的抗剪强度5.3应力路径与破坏主应力线一、应力路径及表示法二、强度包线与破坏主应力线三、总应力路径与有效应力路径四、粘性土密度－有效应力－抗剪强度唯一性关系60§5.3应力路径与破坏主应力线§5土的抗剪强度一、应力路径及表示法§5土的抗剪强度土的应力应变关系特性

…、弹塑性、…需要记录加载历史应力路径概念土体中一点应力状态连续变化，在应力空间（平面）中的轨迹应力状态：土体中一点（微小单元）上作用的应力的大小与方向61§5.3应力路径与破坏主应力线§5土的抗剪强度§5土的抗剪强度一、应力路径及表示法+-

1

O

z+zx-xz

x2

1

3rp

1

3qp莫尔圆应力状态圆上特定点pOqp,q平面：一个点代表一个应力状态62

3

1

1

3，pO，q固结排水三轴试验§5.3应力路径与破坏主应力线§5土的抗剪强度

保持为常数§5土的抗剪强度一、应力路径及表示法用莫尔圆用应力平面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p,q平面上的应力路径63√5.1土体破坏与强度理论√5.2抗剪强度测定试验√5.3应力路径与破坏主应力线5.4抗剪强度指标？5.5砂土的振动液化§5土的抗剪强度§5土的抗剪强度64强度指标：峰值强度指标与残余强度指标§5土的抗剪强度§5.4抗剪强度指标粘聚力c

内摩擦角工程应用三种分类方法总应力强度指标与有效应力强度指标直剪强度指标与三轴试验强度指标目的分析方法试验方法应力应变状态§5土的抗剪强度65§5土的抗剪强度一.总应力指标与有效应力指标二.三轴试验强度指标三.直剪试验强度指标四.土的强度指标的工程应用§5土的抗剪强度§5.4抗剪强度指标661.两种强度指标的比较§5土的抗剪强度有效应力指标c,=c+tg=-u符合土的破坏机理，但有时孔隙水压力u无法确定总应力指标c,=c+tg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强度指标抗剪强度简单评价§5土的抗剪强度一.总应力指标与有效应力指标§5.4抗剪强度指标67§5土的抗剪强度

一.总应力指标与有效应力指标二.三轴试验强度指标三.直剪试验强度指标四.土的强度指标的工程应用§5土的抗剪强度§5.4抗剪强度指标68二.三轴试验强度指标§5土的抗剪强度剪切前固结条件剪切中排水条件固结Consolidated排水Drained1.固结排水试验（CD）2.固结不排水试验（CU）固结Consolidated不排水Undrained不固结Unconsolidated不排水Undrained三种试验3.不固结不排水试验（UU）§5土的抗剪强度§5.4抗剪强度指标69

一.总应力指标与有效应力指标二.三轴试验强度指标三.直剪试验强度指标四.土的强度指标的工程应用§5土的抗剪强度§5土的抗剪强度§5.4抗剪强度指标70§5土的抗剪强度三.直剪试验强度指标1.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土的抗剪强度PSTA§5.4抗剪强度指标71

一.总应力指标与有效应力指标二.三轴试验强度指标三.直剪试验强度指标四.土的强度指标的工程应用§5土的抗剪强度§5土的抗剪强度§5.4抗剪强度指标72四.土的强度指标的工程应用§5土的抗剪强度

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？§5土的抗剪强度§5.4抗剪强度指标73

四.土的强度指标的工程应用§5土的抗剪强度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，§5土的抗剪强度§5.4抗剪强度指标74四.土的强度指标的工程应用§5土的抗剪强度三轴试验指标与直剪试验指标砂土：

c,

三轴排水试验指标与直剪试验指标（直剪试验得到的指标偏大）粘土：

有效应力指标：固结排水、固结不排水

总应力指标：三轴固结不排水、不排水;直剪固结快剪、快剪§5土的抗剪强度§5.4抗剪强度指标75四.土的强度指标的工程应用§5土的抗剪强度§5土的抗剪强度峰值强度指标与残余强度指标峰值强度：一般问题残余强度古旧滑坡断层夹泥大变形问题§5.4抗剪强度指标76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四.土的强度指标的工程应用§5土的抗剪强度§5土的抗剪强度§5.4抗剪强度指标77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软土地基上的快速填方土坝快速施工，心墙未固结四.土的强度指标的工程应用§5土的抗剪强度§5土的抗剪强度§5.4抗剪强度指标78固结不排水剪（固结快剪）ccu、

cu（ccq、

cq）

在天然土坡上快速填方水位骤降在1层固结后，施工2层12四.土的强度指标的工程应用§5土的抗剪强度§5土的抗剪强度§5.4抗剪强度指标79固结排水剪（慢剪）ccd、

cd（cs、

s）粘土地基上慢速施工的建筑物粘土地基上的分层慢速填方稳定渗流期的土坝四.土的强度指标的工程应用§5土的抗剪强度§5土的抗剪强度§5.4抗剪强度指标80§5土的抗剪强度§5土的抗剪强度√5.1土体破坏与强度理论√5.2抗剪强度测定试验√5.3应力路径与破坏主应力线√5.4抗剪强度指标§5.5砂土的振动液化81一、动三轴试验二、液化现象三、液化机理四、液化危害五、影响因素和防治§5土的抗剪强度§5.5砂土的振动液化§5土的抗剪强度82

3

3

1

1静力固结动载试验典型试验结果

dN动应变Kc>1

dN动应变Kc=1uN孔压

dN动荷载

3

3

1

1固结比Kc