土力学 课件 5 土的抗剪强度

第5章

土的抗剪强度12010年3月10日凌晨1时30分许，位于山西省北部的子洲县双湖峪镇双湖峪村石沟发生山体滑坡地址灾害，十多户住户房屋被压埋，致44人被压埋，其中17人生还，27人死亡。2案例：陕西子洲山体滑坡原因分析：（1）发生滑塌的山体地形高陡，岩性为砂质黄土，孔隙较大、结构疏松。近20年来发生过多次小型滑塌事故，山体本身存在滑塌隐患；2010年3月10日凌晨1时30分许，位于山西省北部的子洲县双湖峪镇双湖峪村石沟发生山体滑坡地址灾害，十多户住户房屋被压埋，致44人被压埋，其中17人生还，27人死亡。3案例：陕西子洲山体滑坡原因分析：（2）去冬今春当地降雪较为充沛，累计降水量74.9毫米，较往年同期降水均值18.9毫米明显升高。雨雪融水渗入山体后结冰发生膨胀，天气回暖冰体消融，使坡体自重增大，土体强度降低，土坡稳定性差，引起山体崩塌。（3）被压埋的民房建筑结构不尽合理，受地形条件限。制，过于靠近高陡山体没有足够的有效缓冲区等。本章提纲5.1概述5.2土的抗剪强度理论5.3土的抗剪强度试验5.4饱和黏性土的剪切性状5.5砂土的剪切性状45.1概述土工结构物或地基

土

强度问题变形问题渗透问题强度特性变形特性渗透特性51.各种类型的滑坡平移滑动崩塌旋转滑动流滑一、工程中土体的破坏类型5.1概述62.挡土结构物的破坏基坑支护滑裂面挡土墙5.1概述一、工程中土体的破坏类型7地基p3.地基的破坏一、工程中土体的破坏类型5.1概述8☆边坡稳定☆土压力☆地基承载力★各种类型的滑坡★挡土结构物破坏★地基的破坏土的抗剪强度：土体对于外荷载所产生的剪应力的极限抵抗能力，其数值等于剪切破坏时的滑动面上的剪应力。5.1概述一、工程中土体的破坏类型9概况：共65个圆筒仓。1913年完工，自重2万吨。事件：完工9月开始装谷物，至10月17日共装入3万吨谷物发生破坏：1小时竖向沉降30.5cm；24小时倾斜26°53′；西端下沉7.32m；东端上抬1.52m；上部钢混筒仓完好无损加拿大特朗斯康谷仓105.1概述11香港1900年建市，1977年成立土力工程署1972PoShan滑坡(~20,000m3)(67死、20伤)PoShanRoadConduitRoadNotewellRoad5.1概述115.1概述

5.2土的抗剪强度理论5.3土的抗剪强度试验5.4饱和黏性土的剪切性状5.5砂土的剪切性状12一、库仑定律直剪试验库仑（1776）

施加σ（=P/A）量测

（=T/A）P上盒下盒STA试验原理5.2土的抗剪强度理论13抗剪强度与法向应力之间的关系5.2土的抗剪强度理论14一、库仑定律无黏性土黏性土

f—土的抗剪强度

tg—摩擦强度-正比于压力；—内摩擦角c—黏聚强度-与所受压力无关库仑抗剪强度定律5.2土的抗剪强度理论15（1）在一定的应力范围内，可以用线性函数近似

f

=c+

tg

（2）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—库仑强度理论一、库仑定律砂土:τf=σtan

黏性土:

3

3

1

1

3

1

dlcosdlsin1.土中某点的应力状态5.2土的抗剪强度理论二、莫尔-库仑强度理论及土的极限平衡条件16

O

z+zx-xz

x2

1

3rR莫尔应力圆莫尔圆：代表一个土单元的应力状态；圆周上一点代表一个面上的两个应力

与

5.2土的抗剪强度理论17圆心：半径：二、莫尔-库仑强度理论及土的极限平衡条件2.土的极限平衡条件5.2土的抗剪强度理论18

1f

3

O

c二、莫尔-库仑强度理论及土的极限平衡条件

O

c

1f

3

1

1破坏判断方法

3=常数：判别对象：土体微小单元（一点）根据应力状态计算出大小主应力σ1、σ3，由σ3计算σ1f，比较σ1与σ1fσ1<σ1f

弹性平衡状态σ1=σ1f

极限平衡状态σ1>σ1f

破坏状态5.2土的抗剪强度理论19

O

c

1

3f

3

3

1=常数：根据应力状态计算出大小主应力σ1、σ3，由σ1计算σ3f，比较σ3与σ3fσ3>σ3f

弹性平衡状态σ3=σ3f

极限平衡状态σ3<σ3f

破坏状态5.2土的抗剪强度理论20

3

1f45°＋

/2滑裂面的位置与大主应力面夹角：α=45+

/25.2土的抗剪强度理论21

O

c

1f

322虚线所指位置为滑裂面5.1概述

5.2土的抗剪强度理论

5.3土的抗剪强度试验5.4饱和黏性土的剪切性状5.5砂土的剪切性状22一、室内试验二、野外试验直剪试验、三轴试验等制样（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

5.3土的抗剪强度试验23直接剪切试验一、直接剪切试验5.3土的抗剪强度试验241）快剪

2）固结快剪

3）慢剪5.3土的抗剪强度试验25直接剪切试验抗剪强度与竖向压力的关系曲线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三轴压缩试验（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5.3土的抗剪强度试验26二、三轴压缩试验应变控制式三轴仪：压力室，加压系统，量测系统组成应力控制式三轴仪。试验步骤：1.装样2.施加周围压力3.施加竖向压力

3

3

3

3

3

3△△三轴压缩试验5.3土的抗剪强度试验27不固结不排水剪三轴试验(UU)：施加周围压力σ3，轴向压力Δδ直至剪破的整个过程都关闭排水阀门，不允许试样排水固结。固结不排水剪三轴试验(CU)：施加周围压力σ3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Δδ，使试样在不排水条件下剪切破坏。三轴试验可以严格控制排水条件.根据试验过程中是否允许固结和排水可分为不固结不排水剪(UU)，固结不排水剪(CU)和固结排水剪(CD)5.3土的抗剪强度试验28固结排水剪三轴试验(CD)：试样在周围压力σ3作用下排水固结,再缓慢施加轴向压力Δδ,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。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，故土的抗剪强度与总应力之间没有唯一的对应关系。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。5.3土的抗剪强度试验29结论: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优点和缺点5.3土的抗剪强度试验30无侧限抗压强度试验5.3土的抗剪强度试验31三、无侧限抗压强度试验四、十字板剪切试验5.3土的抗剪强度试验32十字板剪切试验一般适用于测定饱和软黏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时M1HDM25.3土的抗剪强度试验33五、三轴压缩试验中的孔隙压力系数5.3土的抗剪强度试验341.孔隙压力系数B斯开普顿通过对非饱和土体在三轴不排水和不排气条件下的孔隙压力研究，提出了孔隙压力系数A、B的概念。对于饱和土，B=1.0；对于干土，B=0；对于部分饱和土，B介于0~1之间。所以B值是反映土体饱和程度的指标。五、三轴压缩试验中的孔隙压力系数5.3土的抗剪强度试验352.孔隙压力系数A、

B参数

B可用等应力比三轴不排水剪试验测定，在堤坝稳定分析中很重要，用于估算堤坝填筑期的初始孔隙压力。对于正常固结的饱和黏土和饱和松砂，0<A<1；对于超固结的饱和黏土和饱和紧砂，A<0五、三轴压缩试验中的孔隙压力系数5.3土的抗剪强度试验36在饱和土的不固结不排水剪试验中，孔隙压力的总增量为在固结不排水剪试验中，在固结排水剪试验中，恒有Δu=0。五、三轴压缩试验中的孔隙压力系数5.3土的抗剪强度试验373.各向等压作用下的孔隙压力系数B由弹性力学理论可知，在各向等压条件下，有效应力引起的土骨架的体积压缩为在土中孔隙压力的作用下，孔隙体积的压缩量为根据ΔV＝ΔVᵥ的条件，有五、三轴压缩试验中的孔隙压力系数5.3土的抗剪强度试验384.偏压应力作用下的孔隙压力系数A轴对称三向应力状态下孔隙压力为由于土并不是理想的弹性体，为此可将上式中的系数1/3用一个更具有普遍意义的系数A来代替，则可以写成Skempton孔隙压力系数A与Henkel孔隙压力系数a的关系为5.1概述

5.2土的抗剪强度理论

5.3土的抗剪强度试验

5.4饱和黏性土的剪切性状5.5砂土的剪切性状39强度指标：粘聚力c内摩擦角按照分析方法，可分为总应力强度指标与有效应力强度指标；按照试验方法，可分为直剪强度指标与三轴试验强度指标；按照应力应变状态，可分为峰值强度指标与残余强度指标。5.4饱和黏性土的剪切性状40强度指标的分类：两种强度指标的比较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便于应用,但u不能产生抗剪强度，不符合强度机理强度指标抗剪强度简单评价一.不同排水条件下的剪切试验成果表达方法5.4饱和黏性土的剪切性状41图中三个实线圆A、B、C表示三个试样在不同σ₃作用下剪切破坏时的总应力圆，虚线圆为有效应力圆。三个试样只有同一有效应力圆，即二、不固结不排水强度5.4饱和黏性土的剪切性状42饱和黏性土的三轴不排水剪切试验结果饱和黏性土在不排水剪切试验中的这一剪切性状表明，随着σ₃的增加，试样存在含水率-体积-有效应力唯一性的特征，导致剪切过程中强度不变。由固结不排水剪切试验所得的总应力破坏莫尔圆向坐标原点平移-破坏时的uf值距离，圆的半径保持不变，就可绘出有效应力破坏莫尔圆。三、固结不排水抗剪强度5.4饱和黏性土的剪切性状43固结不排水剪切试验的主应力差及孔隙水压力与轴向应变的关系固结排水试验在整个试验过程中超孔隙水压力始终为零，总应力最后全部转化为有效应力，所以总应力圆就是有效应力圆，总应力破坏包线就是有效应力破坏包线。四、固结排水抗剪强度5.4饱和黏性土的剪切性状44固结排水试验结果凡是可以确定（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，五、抗剪强度指标的选用5.4饱和黏性土的剪切性状45有效应力指标与总应力指标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）黏土：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5.1概述

5.2土的抗剪强度理论

5.3土的抗剪强度试验

5.4饱和黏性土的剪切性状

5.5砂土的剪切性状46

砂土是透水性很强的土类，现场的受剪过程大多相当于固结排水剪情况，试验求得的抗剪强度包线一般为过原点的直线，抗剪强度表达式为一、砂土的内摩擦角5.5砂土的剪切性状47τf=σtan'

影响砂土内摩擦角的主要因素是土体的初始孔隙比、土粒表面粗糙度及颗粒级配，初始孔隙比小、土粒表面粗糙、级配良好的砂土内摩擦角较大。饱和松砂在振动情况下孔压急剧升