第5章土的抗剪强度.ppt

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1、第5章土的抗剪强度 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望土的破坏主要是由于剪切所引起的，土的破坏主要是由于剪切所引起的，剪切破坏是剪切破坏是土体破坏土体破坏的重要特点。的重要特点。在外荷载的作用下，土体中任一截面将同时产生法在外荷载的作用下，土体中任一截面将同时产生法向应力和剪应力，其中向应力和剪应力，其中法向应力作用将使土体发生法向应力作用将使土体发生压密，而剪应力作用可使土体发生剪切变形压密，而剪应力作用可使土体发生剪切变形。1.土体的破坏从本质上讲

2、是由于土体的破坏从本质上讲是由于 (A)压坏压坏 (B)拉坏拉坏 (C)剪坏剪坏5.1.1 莫尔莫尔库仑破坏准则库仑破坏准则 总应力法总应力法17761776年，库仑根据年，库仑根据砂土砂土剪切试验得出剪切试验得出库仑定律：库仑定律：土的抗剪强度是剪切面上的法向总应力土的抗剪强度是剪切面上的法向总应力 的线性函数的线性函数 后来，根据后来，根据粘性土粘性土剪切试验得出剪切试验得出 f=tan 砂土砂土 f f=c+tan 粘土粘土c f抗剪强度指标抗剪强度指标c:土的粘聚力土的粘聚力:土的内摩擦角土的内摩擦角库仑抗剪强度（有效应力）表达式：库仑抗剪强度（有效应力）表达式：库仑抗剪强度（有效应力

3、）表达式：库仑抗剪强度（有效应力）表达式：对于砂土对于砂土对于砂土对于砂土 f f=tgtg 对于粘性土对于粘性土对于粘性土对于粘性土 f f=c=c+tgtg f f=c+(-u)tg=c+(-u)tgc c 、为土体有效应力强度指标；为土体有效应力强度指标；为土体有效应力强度指标；为土体有效应力强度指标；f 破坏破坏 f 稳定稳定=f 极限平衡状态极限平衡状态莫尔应力圆莫尔应力圆 3 3 1 1 3 1斜面上的应力斜面上的应力斜边长斜边长L纵向纵向1m 圆心圆心半径半径 O 1 32O莫尔圆可以表示土体中一点的应莫尔圆可以表示土体中一点的应力状态，莫尔圆圆周上各点的坐力状态，莫尔圆圆周上各

4、点的坐标就表示该点在相应平面上的标就表示该点在相应平面上的正应力正应力和和剪应力剪应力。莫尔应力圆圆周上的任意点，都代表着单元土体中相应斜面上莫尔应力圆圆周上的任意点，都代表着单元土体中相应斜面上的应力状态的应力状态 3 1 3 1 O 1 32O应力圆与抗剪强度线应力圆与抗剪强度线相离：相离：抗剪强度直线抗剪强度直线应力圆与抗剪强度线应力圆与抗剪强度线相切：相切：应力圆与抗剪强度线应力圆与抗剪强度线相割：相割：f 破坏状态破坏状态 f=tan +cc 稳定稳定 f=tan +cc 2 剪破面与大主应力面的夹角剪破面与大主应力面的夹角 3 3 1 1 土的极限平衡条件土的极限平衡条件根据莫尔库

5、仑破坏准则来研究某一土体单元处于极限平衡状根据莫尔库仑破坏准则来研究某一土体单元处于极限平衡状态时的应力条件及其大、小主应力之间的关系，该关系称为土的态时的应力条件及其大、小主应力之间的关系，该关系称为土的极限平衡条件。极限平衡条件。根据莫尔库仑破坏准则，当单元土体达到极限平衡状态时，根据莫尔库仑破坏准则，当单元土体达到极限平衡状态时，莫尔应力圆恰好与库仑抗剪强度线相切。莫尔应力圆恰好与库仑抗剪强度线相切。3 1c 2 fA ccot 无粘性土：无粘性土：c=0粘性土：粘性土：极限平衡应力状态：极限平衡应力状态：有一对面上的应力状态达到有一对面上的应力状态达到 =f f土的强度包线：土的强度包

6、线：所有达到极限平衡状态的莫尔圆的公切线。所有达到极限平衡状态的莫尔圆的公切线。f强度包络线强度包络线【例题例题】已知某土体单元的大主应力已知某土体单元的大主应力1380kPa，小主，小主应力应力3210kPa。通过试验测得土的抗剪强度指标。通过试验测得土的抗剪强度指标c=20kPa，19，问该单元土体处于什么状态？，问该单元土体处于什么状态？解解（1）直接用）直接用与与f的关系来判别的关系来判别剪破面与大主应力面的夹角剪破面与大主应力面的夹角求相应面上的抗剪强度求相应面上的抗剪强度f为为由于由于由于由于=128=128 ff=124=124，说明该单元体早已破坏。，说明该单元体早已破坏。，说

7、明该单元体早已破坏。，说明该单元体早已破坏。分别求出剪破面上的法向应力分别求出剪破面上的法向应力和剪应力和剪应力为为求相应面上的抗剪强度求相应面上的抗剪强度f为为由于由于由于由于=135=135 ff=138=138，说明最大剪应力面没有破坏，说明最大剪应力面没有破坏，说明最大剪应力面没有破坏，说明最大剪应力面没有破坏分别求出最大剪应力面上的法向应力分别求出最大剪应力面上的法向应力和剪应力和剪应力为为（2）取最大剪应力斜面处于什么状态）取最大剪应力斜面处于什么状态最大剪应力与大主应力面的夹角最大剪应力与大主应力面的夹角例：设砂土的内摩擦角为例：设砂土的内摩擦角为38度度,A点的大主应力为点的大

8、主应力为530kPa，小主应力为，小主应力为120kPa，该点处于什么状，该点处于什么状态？态？B点所受剪应力点所受剪应力122kPa，法线应力，法线应力246kPa该点处于什么状态？该点处于什么状态？解：解：判断判断A点方法一：点方法一：剪破面与大主应力面的夹角剪破面与大主应力面的夹角分别求出剪破面上的法向应力分别求出剪破面上的法向应力和剪应力和剪应力为为由于由于由于由于=162=162 ff=155=155，说明，说明，说明，说明A A点破坏。点破坏。点破坏。点破坏。A点破坏点破坏 f=tan +c 判断判断A点方法二：点方法二：B点不会破坏点不会破坏土体破坏土体破坏土体不破坏土体不破坏土

9、体不破坏土体不破坏土体破坏土体破坏时时，土，土样样可能破裂面上的剪可能破裂面上的剪应应力是多少力是多少?例：某饱和土样，有效抗剪强度指标为例：某饱和土样，有效抗剪强度指标为 大小主应力为大小主应力为孔隙水压力为孔隙水压力为土土样样是否会破坏？是否会破坏？f=c+(-u)tg解：解：剪破面与大主应力面的夹角剪破面与大主应力面的夹角分别求出剪破面上的法向应力分别求出剪破面上的法向应力和剪应力和剪应力为为由于由于由于由于=66=66 ff=81=81，说明土体稳定。，说明土体稳定。，说明土体稳定。，说明土体稳定。5.3 抗剪强度实验抗剪强度实验按常用的试验仪器可将剪切试验分：按常用的试验仪器可将剪切

10、试验分：为直接剪切试验为直接剪切试验三轴压缩试验三轴压缩试验无侧限抗压强度试验无侧限抗压强度试验和十字板剪切试验四种。和十字板剪切试验四种。5.3.1 直接剪切试验直接剪切试验可以测定土的两个可以测定土的两个抗剪强度指标：抗剪强度指标：c:土的粘聚力土的粘聚力:土的内摩擦角土的内摩擦角PSTA在不同的垂直压力在不同的垂直压力 下进行剪切试验，得相应的抗剪强下进行剪切试验，得相应的抗剪强度度f，绘制，绘制f-曲线，得该土的抗剪强度包线曲线，得该土的抗剪强度包线C钢环变形常数钢环变形常数R变形量变形量5.3.2、三轴压缩试验、三轴压缩试验三轴是指一个竖向和两个侧向而言，由于压力室和试样均三轴是指一

11、个竖向和两个侧向而言，由于压力室和试样均为圆柱形，因此，两个侧向（或称周围）的应力相等并为为圆柱形，因此，两个侧向（或称周围）的应力相等并为小主应力小主应力3，而竖向（或轴向）的应力为大主应力，而竖向（或轴向）的应力为大主应力1。抗剪强度包线抗剪强度包线 c 分别在不同的周围压力分别在不同的周围压力 3作用下进行剪切，得作用下进行剪切，得到到3 34 4 个不同的破坏应力圆，绘出各应力圆的公切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。线即为土的抗剪强度包线。例例.直剪试验土样的破坏面在上下剪切盒之间，三轴试直剪试验土样的破坏面在上下剪切盒之间，三轴试验土样的破坏面验土样的破

12、坏面 。(A)与试样顶面夹角呈与试样顶面夹角呈45 面面 (B)与试样顶面夹角呈与试样顶面夹角呈45+/2面面(C)与试样顶面夹角呈与试样顶面夹角呈45/2面面试试样样压力室压力室压力水压力水排水管排水管阀门阀门轴向加压杆轴向加压杆有机玻璃罩有机玻璃罩橡皮膜橡皮膜透水石透水石顶帽顶帽三轴试验的三轴试验的试验类型试验类型1.不固结不排水试验（不固结不排水试验（UU试验）试验）在不排水条件下，施加周围压力增量在不排水条件下，施加周围压力增量3，然后在不允许水进出的条件下，逐渐施加附然后在不允许水进出的条件下，逐渐施加附加轴向压力加轴向压力q，直至试样剪破，直至试样剪破 工程背景：应用与饱和粘土、软

13、粘土快速工程背景：应用与饱和粘土、软粘土快速施工测定施工测定cu、u 接近接近不固结不排水剪切条件不固结不排水剪切条件 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 有效应力圆有效应力圆总应力圆总应力圆 u u=0=0BCcu uAA 3A 1A试验表明：虽然三个试样的周围压力试验表明：虽然三个试样的周围压力 3 3不同，但破坏时的主应不同，但破坏时的主应力差相等，三个极限应力圆的直径相等，因而强度包线是一力差相等，三个极限应力圆的直径相等，因而强度包线是一条水平线。条水平线。2.固结不排水试验（固结不排水试验（CU试验）试验）加部分围压允许试样在周加部分围压允许试样在周围应力增量下排水，待

14、固围应力增量下排水，待固结稳定，再在不允许水有结稳定，再在不允许水有进出才条件下逐渐施加轴进出才条件下逐渐施加轴向压力，直至试样剪破向压力，直至试样剪破 将总应力圆在水平将总应力圆在水平轴上左移轴上左移u uf f得到相得到相应的有效应力圆应的有效应力圆按有效应力圆强按有效应力圆强度包线可确定度包线可确定c 、ccuc cucuABC 3 3 3 3 3 3 打开打开排排水阀水阀关闭关闭排排水阀水阀工程背景：正常固结土体，受到大量快速活荷载工程背景：正常固结土体，受到大量快速活荷载3.固结排水试验（固结排水试验（CD试验）试验）允许试样在周围压力增量下排水，待固结稳定在允许水有进出的允许试样在

15、周围压力增量下排水，待固结稳定在允许水有进出的条件下以极慢的速率对试样逐渐施加附加轴向压力，直至试样剪破条件下以极慢的速率对试样逐渐施加附加轴向压力，直至试样剪破 在整个排水剪试验过程中，在整个排水剪试验过程中，uf 0 0，总应力全部转化为有，总应力全部转化为有效应力，所以总应力圆即是有效应力圆，总应力强度线即效应力，所以总应力圆即是有效应力圆，总应力强度线即是有效应力强度线，强度指标为是有效应力强度线，强度指标为cd、d d。cd d d 3 3 3 3 3 3 打开打开排排水阀水阀例例.一个饱和粘性土试样，进行三轴固结不排水试验，一个饱和粘性土试样，进行三轴固结不排水试验，并测出孔隙水压

16、力，可以得到一个总应力圆和有效应力圆并测出孔隙水压力，可以得到一个总应力圆和有效应力圆则则 (A)总应力圆大总应力圆大 (B)有效应力圆大有效应力圆大 (C)两个应力圆一样大两个应力圆一样大例例.一个饱和的粘性土试样，在三轴仪内进行不固结不排一个饱和的粘性土试样，在三轴仪内进行不固结不排水试验。试问土样的破坏面水试验。试问土样的破坏面 (A)与水平面呈与水平面呈45 (B)与水平面呈与水平面呈60 (C)与水平面呈与水平面呈75 ququ加压加压框架框架量表量表量力环量力环升降升降螺杆螺杆无侧限压缩仪无侧限压缩仪 3=0试试样样无侧限抗压强度试验无侧限抗压强度试验0cuqu无侧限抗压强度试验所

17、得的无侧限抗压强度试验所得的饱和饱和粘土粘土极限应力圆的极限应力圆的水平切线水平切线就是就是破坏包线破坏包线原状土无侧限抗压强度原状土无侧限抗压强度扰动土无侧限抗压强度扰动土无侧限抗压强度还可测定饱和粘土灵敏度还可测定饱和粘土灵敏度 十字板剪切试验十字板剪切试验试验时，先将十字板插到要进行试验的深度，再在十字板剪切试验时，先将十字板插到要进行试验的深度，再在十字板剪切仪上端的加力架上以一定的转速对其施加扭力矩，使板内的土仪上端的加力架上以一定的转速对其施加扭力矩，使板内的土体与其周围土体产生相对扭剪，直至剪破，测出其相应的最大体与其周围土体产生相对扭剪，直至剪破，测出其相应的最大扭力矩。然后，

18、根据力矩的平衡条件，推算出圆柱形剪破面上扭力矩。然后，根据力矩的平衡条件，推算出圆柱形剪破面上土的抗剪强度。土的抗剪强度。M1H HDM2适用于在现场测定饱和粘性土的原位不排水强度适用于在现场测定饱和粘性土的原位不排水强度结果与无侧限抗压强度试验结果接近结果与无侧限抗压强度试验结果接近5.4土的剪切性状土的剪切性状5.4.1、砂性土的剪切性状、砂性土的剪切性状松砂受剪时，颗粒滚落到平衡位置，排列得更紧密些，松砂受剪时，颗粒滚落到平衡位置，排列得更紧密些，所以它的体积缩小，把这种因剪切而体积缩小的现象所以它的体积缩小，把这种因剪切而体积缩小的现象称为剪缩性；称为剪缩性；砂土的初始孔隙比不同，在受

19、剪过程中将显示出非常不同的性状。砂土的初始孔隙比不同，在受剪过程中将显示出非常不同的性状。紧砂受剪时，颗粒必须升高以离开紧砂受剪时，颗粒必须升高以离开它们原来的位置而彼此才能相互滑它们原来的位置而彼此才能相互滑过，从而导致体积膨胀，把这种因过，从而导致体积膨胀，把这种因剪切而体积膨胀的现象称为剪胀性。剪切而体积膨胀的现象称为剪胀性。随着轴向应变的增随着轴向应变的增加，松砂的强度逐渐增加，松砂的强度逐渐增加，曲线应变硬化。加，曲线应变硬化。体积逐渐减小体积逐渐减小紧砂的强度达到一定值紧砂的强度达到一定值后，随着轴向应变的继后，随着轴向应变的继续增加，强度反而减小，续增加，强度反而减小，最后呈应变

20、软化型最后呈应变软化型 体积开始时稍有体积开始时稍有减小，继而增加，超减小，继而增加，超过它的初始体积过它的初始体积5.4、粘性土的剪切性状、粘性土的剪切性状1.粘土的残余强度粘土的残余强度超固结粘土在剪切试验中有与超固结粘土在剪切试验中有与紧砂相似的应力应变特征，紧砂相似的应力应变特征，当强度随着剪位移达到峰值后，当强度随着剪位移达到峰值后，如果剪切继续进行，随着剪位如果剪切继续进行，随着剪位移继续增大，强度显著降低，移继续增大，强度显著降低，最后稳定在某一数值不变，该最后稳定在某一数值不变，该不变的值即称为粘土的残余强度不变的值即称为粘土的残余强度5.5.6 三轴压缩试验中的孔隙应力系数三

21、轴压缩试验中的孔隙应力系数uBuA33q=1-31.孔隙应力系数孔隙应力系数B当试样在不排水条件下受到各向相等压力增量当试样在不排水条件下受到各向相等压力增量3时，时，产生的孔隙应力增量为产生的孔隙应力增量为uB，B uB/3在饱和土的不固结不排水剪试验中，周围压力增量将完全在饱和土的不固结不排水剪试验中，周围压力增量将完全由孔隙水承担，所以由孔隙水承担，所以B1；当土完全干燥时，孔隙气的压缩性要比骨架的压缩性高的多，当土完全干燥时，孔隙气的压缩性要比骨架的压缩性高的多，这时周围压力增量将完全由土骨架承担，于是这时周围压力增量将完全由土骨架承担，于是B0。2.孔隙应力系数孔隙应力系数A当试样受

22、到轴向应力增量当试样受到轴向应力增量q(即主应力差即主应力差13）作用时，产生的）作用时，产生的孔隙水应力为孔隙水应力为uA，uA的大小与主应力差的大小与主应力差13及土样的饱和程度及土样的饱和程度有关，我们定义另一孔压系数有关，我们定义另一孔压系数A如下：如下：三向压缩条件下的孔隙应力为：三向压缩条件下的孔隙应力为：u=u1+u2=B3+BA（13）uA=BA（13）5.5.7应力路径应力路径 应力路径：土体中一点应力路径：土体中一点(某个斜面某个斜面)应力状态连续变化，应力状态连续变化，在坐标中的轨迹在坐标中的轨迹作用：记录加载的状态、历史作用：记录加载的状态、历史选择点：最大剪应力面（与

23、主应力面成选择点：最大剪应力面（与主应力面成45的斜面的斜面 最危险破坏面面（与主应力面成最危险破坏面面（与主应力面成45+/2的斜面）的斜面）O 3 1 1 3 保持为常数保持为常数 1.直剪试验应力路径：直剪试验应力路径：不变，逐步增加不变，逐步增加至破坏至破坏 f=tan +c 2.三轴三轴UU试验应力路径：试验应力路径：饱和粘土，孔隙水压力饱和粘土，孔隙水压力U不断增大不断增大至土体破坏至土体破坏 经验强度线经验强度线450 3.三轴三轴CU试验应力路径：试验应力路径：轴压增大，孔隙水压力轴压增大，孔隙水压力U不断增大，有效应力逐不断增大，有效应力逐渐减小有效应力路径渐减小有效应力路径

24、呈曲线呈曲线 4.三轴三轴CD试验应力路径：试验应力路径：孔隙水压力为孔隙水压力为0 总应力强度线总应力强度线有效应力强度线有效应力强度线 450+/21.粘土的蠕变粘土的蠕变定剪应力作用下应变随时间而改变的现象定剪应力作用下应变随时间而改变的现象.5.7粘性土的特性粘性土的特性2.应力松弛应力松弛3.残余强度（长期强度）残余强度（长期强度）1.动荷载作用下土的抗剪强度降低动荷载作用下土的抗剪强度降低5.8土的动力强度特征土的动力强度特征2.饱和砂土地震液化饱和砂土地震液化v饱和松砂在振动情饱和松砂在振动情况下孔压急剧升高况下孔压急剧升高v在瞬间砂土呈液态在瞬间砂土呈液态时间T孔压 U振前砂土

25、结构振前砂土结构振中颗粒悬浮，有振中颗粒悬浮，有效应力为零效应力为零振后砂土变振后砂土变密实密实产生喷水冒砂，地层大面积塌陷产生喷水冒砂，地层大面积塌陷总总 结结1.1.莫尔莫尔莫尔莫尔库仑破坏准则库仑破坏准则库仑破坏准则库仑破坏准则砂土的抗剪强度砂土的抗剪强度粘土的抗剪强度粘土的抗剪强度2.莫尔应力圆莫尔应力圆圆心圆心半径半径 O 1 32O3.莫尔应力圆与抗剪强度直线的关系莫尔应力圆与抗剪强度直线的关系应力圆与抗剪强度线应力圆与抗剪强度线相离：相离：抗剪强度直线抗剪强度直线应力圆与抗剪强度线应力圆与抗剪强度线相切：相切：应力圆与抗剪强度线应力圆与抗剪强度线相割：相割：f 破坏状态破坏状态 f=tan +cc 稳定稳定剪破面与大主剪破面与大主应力面的夹角应力面的夹角 3 1c 2 fA ccot 无粘性土：无粘性土：c=0粘性土：粘性土：4.土的极限平衡条件土的极限平衡条件(大小主应力满足什么关系大小主应力满足什么关系)