第05章 土的抗剪强度

第五章土的抗剪强度第一节概述第二节土的抗剪强度和破坏理论第三节土的抗剪强度试验方法第四节土的剪切性状与指标选取与土的抗剪强度有关的工程类型：边坡的稳定地基的承载力挡土墙土压力取决于土的抗剪强度第一节概述一、抗剪强度基本概念2000年西藏易贡巨型滑坡湖水每天上涨50cm?天然坝坝高290m滑坡堰塞湖库容15亿方山地滑坡边坡稳定滑裂面因地基土剪切破坏而倒塌。倾斜45度，地基土被挤出达5.18米。美国纽约某水泥仓库近代世界上最严重的建筑物破坏之一。粘土地基上的某谷仓地基破坏地基p滑裂面地基承载力广州京光广场基坑塌方大阪的港口码头挡土墙由于液化前倾挡土墙滑裂面基坑支护挡土墙土压力土粒间联结强度小—松散性外荷载作用土粒受力发生相对移动土体失稳剪切破坏滑裂面土体剪切破坏土体内某一曲面外力在该面上产生剪应力将土体一分为二两部分间的摩檫力土粒间的各种联结力抗剪力土的抗剪强度：土抵抗剪切破坏的极限能力。其数值等于剪切破坏时滑动面上的剪应力。滑裂面抗剪力相应于剪应力的增加而逐渐发挥。抗剪力完全发挥时,土就处于极限状态。土体破坏时的应力组合关系称为破坏准则。土的抗剪强度获取：室内试验，原位测试。相同的土，相同设备，固结排水条件不同，测试结果相差甚远。二、土的抗剪强度机理1、摩擦强度（摩擦力）包括滑动摩擦和咬合摩擦。滑动摩擦由颗粒间接触面粗糙不平所引起。咬合摩擦是指相邻颗粒对于相对移动的约束作用。摩擦强度的影响因素有：颗粒形状、矿物成分、

粒径级配、密度等。2、粘聚强度（粘聚力）取决于土粒间的各种物理化学作用力，如库伦力，范德华力，胶结作用力等。第二节土的抗剪强度理论一、屈服与破坏产生塑性变形的现象称为屈服。开始引起屈服的应力状态称为

屈服条件。屈服点对应的应力为屈服应力。与理想塑性材料不同，土的塑性应变增加了土对继续变形的阻力，屈服点位置随应力增加而提高。这种现象称为应变硬化（加工硬化）。到达峰值点后，随应变继续增大应力反而下降，强度随应变增加而降低，称为应变软化（加工软化）。相当于峰值点的强度称为峰值强度。相当于应变很大、应力衰减至恒定值时的强度称为残余强度。不论是峰值强度还是残余强度，都不是一个固定不变的数值，而是与土的应力状态有关。这是土区别于其它材料的重要特点之一。PT土样下盒上盒S面积A

1773年法国工程师库伦（Coulomb）研究了砂土的抗剪强度：pp1p2p3p4σ=p/Aσ1σ2σ3σ4TT1T2T3T4τf=T/Aτf1τf2τf3τf4二、库伦强度定律实验结果(σi、τfi)σ(kPa)τf(kPa)采用上述实验方法研究粘性土的抗剪强度c由库伦定律关系式可知：在一般应力水平下，土的抗剪强度与法向应力之间近似为直线关系。土的抗剪强度一般可分为两部分：一部分与颗粒间的法向应力有关，通常呈正比例关系，其本质是摩阻力；另一部分是与法向应力无关的土粒之间的联结力，通常称为粘聚力。摩阻力包括：

颗粒表面间的滑动摩阻力发生滑动时由颗粒接触面粗糙不平所引起。tsn滑动面土颗粒咬合摩阻力是相邻颗粒对于相对移动的约束作用。当发生剪切时，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。土中颗粒重新排列，也会消耗能量。CABCAB剪切面摩阻力的影响因素

土的密度土粒的形状土粒表面粗糙程度颗粒级配土粒的矿物成分粘聚力包括：电分子引力作用毛细作用化合物胶结作用粘聚力与土中粘粒含量、矿物成分、含水率、土的结构等因素有关。c—土的粘聚力，kPa。

—土的内摩檫角，（°）。土的抗剪强度指标。反映土抗剪强度大小。孔隙流体不能承受剪应力。因此，土的抗剪强度是剪切面上有效法向应力的函数。c’—土的有效粘聚力，kPa。

—土的有效内摩檫角，（°）。总应力抗剪强度公式：τf=c+σtg

有效应力抗剪强度公式：τf=c´+σ´tgφ´=c´+（σ-u）tgφ´三、莫尔-库伦强度理论（1910）莫尔认为材料的破坏是剪切破坏，当任一平面上的剪应力等于材料的抗剪强度时该点破坏，并提出破坏面上的剪应力是该面上法向应力

的函数，即这个函数在

f—坐标中是一条曲线，称为莫尔包线（或称为抗剪强度包线）。莫尔-库伦破坏理论：以库伦公式作为抗剪强度公式，根据剪应力是否达到抗剪强度作为破坏标准的理论。极限平衡状态：土单元体中某一个面上的τ=τf的临界状态。极限平衡条件：土体中某点处于极限平衡状态时的应力条件。（τ=τf，土的剪切破坏条件）

=fM（一）土中一点的应力状态抗剪强度包线与莫尔应力圆之间的关系有三种：（1）整个莫尔圆位于抗剪强度包线的下方。（2）莫尔圆与抗剪强度包线相切（切点为A）。（3）莫尔圆与抗剪强度包线相割。

A

c莫尔圆与抗剪强度之间的关系（二）莫尔—库伦破坏准则根据Mohr-Coulomb破坏理论，破坏时的Mohr应力圆必定与破坏包线相切。切点所代表的平面满足τ=τf的条件，该点处于极限平衡状态。（三）Mohr-Coulomb破坏理论的要点①剪切破裂面上，土体的抗剪强度是法向应力的函数

τf=f（σ）②当法向应力不大时，该函数可以简化为线性函数关系，用Coulomb公式来表示

τf=c+σtgφ③土单元体的任何一个面上τ=τf时，就会发生剪切破坏。此时土单元体的应力状态满足极限平衡条件。四、极限平衡条件的应用已知土内一点M的主应力σ1m和σ3m,以及土的内摩擦角c、φ，可以判断该点土体是否破坏。

3

1

m

1m

3m

3

1

1m

3m

3

1

1m

3mc0例题1

某公路路基中一点的大、小主应力分别为σ1=400kPa和σ3=150kPa，通过试验测得该路基土体的抗剪强度指标为c=21kPa,φ=20°。请确定该点的应力状态。例题2用两个相同土样进行三轴压缩试验，一个在σ3=40kPa、σ1=160kPa时剪切破坏，另一个在σ3=120kPa、σ1=400kPa时剪切破坏，求取c,φ值，并且计算剪切破坏面的方向。第三节土的抗剪强度试验方法一、直剪试验应变控制式和应力控制式

峰值强度与残余强度直剪试验根据排水条件可分为：快剪、固结快剪和慢剪．优点：直接剪切仪构造简单，操作方便等缺点：①限定的剪切面；②剪切面上剪应力分布不均匀；③在计算抗剪强度时按土样的原截面积计算的；④试验时不能严格控制排水条件，不能量测孔隙水压力。二、三轴试验

3

3

3

3

3

1=3+1

1=3+1三轴试验原理按剪切前的固结程度和剪切过程中的排水条件三轴试验可分为三种类型：1、不固结不排水试验（UU）2、固结不排水试验（CU）3、固结排水试验（CD）三轴试验类型类型施加

3施加

1-

3量测不固结不排水（UU）不固结不排水孔隙水压力固结不排水（CU）固结不排水孔隙水压力固结排水（CD）固结排水体变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三轴压缩实验优缺点优点：（1）可严格控制排水条件（2）可量测孔隙水压力（3）破裂面在最软弱处缺点：（1）

2=3，轴对称（2）实验比较复杂三、真三轴试验四、无侧限抗压强度试验试验时围压σ3=0（无侧限），试样在轴向压力下产生剪切破坏。破坏时的轴向压力称为无侧限抗压强度，以qu

表示。五、十字板剪切试验第四节饱和粘性土的抗剪强度一、不固结不排水抗剪强度二、固结不排水抗剪强度

0点说明未受任何固结压力的土，它不具有抗剪强度。有效应力圆直径与总应力圆直径相等。三、固结排水抗剪强度在整个试验过程中，孔隙水压力始终为0，总应力等于有效应力，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。UU试验——快剪试验CU试验——固结快剪试验CD试验——慢剪试验四、抗剪强度指标的选择粘性土的抗剪强度与剪切条件、试验条件、试验方法等有关。总应力分析法用总应力抗剪强度指标；有效应力分析法用有效应力抗剪强度指标。总应力强度与有效应力强度指标直剪强度与三轴试验指标峰值强度与残余强度指标三种强度指标：根据应力分析方法分根据试验方法分根据应力变形特性分

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？强度指标的工程应用：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，。采用总应力指标时，应根据现场土体可能的固结排水情况，选用不同的总应力强度指标。有效应力指标与总应力指标应优先采用三轴试验指标应按照不同土类和不同的固结排水条件，合理选用直剪试验指标砂土：c,三轴CD试验与直剪试验（直剪偏大）粘土：有效应力指标：三轴CD或CU试验总应力指标：三轴CU、UU试验或直剪cq、q试验

三轴试验指标与直剪试验指标峰值强度：一般问题残余强度古旧滑坡断层夹泥大变形问题峰值强度指标与残余强度指标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例3

一饱和粘性土试样在三轴仪中进行固结不排水实验，施加周围压力

3

=200kPa，