土力学第7章.ppt

第第7章章 土的抗剪强度土的抗剪强度 7.1 概述概述 7.2 土的抗剪强度理论土的抗剪强度理论 7.3 抗剪强度测定方法抗剪强度测定方法 7.4 饱和土的抗剪强度饱和土的抗剪强度7.1 概述概述1.1.土的抗剪强度土的抗剪强度 土体抵抗剪应力的极限值，或土体抵抗剪切破坏的受土体抵抗剪应力的极限值，或土体抵抗剪切破坏的受剪能力。剪能力。2.2.土的破坏是剪切破坏土的破坏是剪切破坏 土颗粒自身通常不易被压碎，而更容易在外力作用下土颗粒自身通常不易被压碎，而更容易在外力作用下产生相对滑移。产生相对滑移。（1 1）地基承载力问题）地基承载力问题(2)(2)土坡稳定性问题土坡稳定性问题3.3.与土的抗剪强度有关的工程问题主要有三类：与土的抗剪强度有关的工程问题主要有三类：(3)土土压压力力问问题题4.4.本章重点：本章重点：掌握土的抗剪强度理论、土的抗剪强度和抗剪强度指掌握土的抗剪强度理论、土的抗剪强度和抗剪强度指标的关系、土的抗剪强度测定方法。标的关系、土的抗剪强度测定方法。挡挡土土墙墙7.2 土的抗剪强度理论土的抗剪强度理论1773年年 库仑库仑 砂土剪切试验砂土剪切试验施加施加 （=P/A）量测量测 （=T/A）上盒上盒下盒下盒PsTA试验步骤试验步骤1.1.库仑公式库仑公式砂土砂土 f粘性土粘性土c f砂土砂土粘性土粘性土 f ：土的抗剪强度土的抗剪强度 ：法向总应力法向总应力 ：土的内摩擦角土的内摩擦角 c：土的粘聚力（土的粘聚力（kPa）u抗剪强度实质：抗剪强度实质：无粘性土抗剪强度由土粒间的摩阻力引起。无粘性土抗剪强度由土粒间的摩阻力引起。粘性土抗剪强度粘性土抗剪强度=摩阻力摩阻力+颗粒间胶结及静力作用。颗粒间胶结及静力作用。总应力法总应力法有效应力法有效应力法c、：总应力强度指标总应力强度指标c、：有效应力应力强度指标有效应力应力强度指标2.2.抗剪强度指标抗剪强度指标3.3.莫尔库仑强度理论莫尔库仑强度理论土体内任一点任一截面上剪应力土体内任一点任一截面上剪应力 和法向应力和法向应力 3 3 1 1 3 1 dsdscos dssin 楔体静楔体静力平衡力平衡 3 1 dldlcos dlsin（1 1）解得斜面上的应力：）解得斜面上的应力：（2 2）莫尔应力圆方程）莫尔应力圆方程 0 1 3(1+3)/2 2 A(,)圆心坐标圆心坐标(1+3)/2，0应力圆半径应力圆半径r(1 3)/2土中某点的土中某点的应力状态应力状态可可用莫尔应力圆描述用莫尔应力圆描述 应力圆应力圆与强度线相离：与强度线相离：抗剪强度线抗剪强度线 应力圆应力圆与强度线相切：与强度线相切：应力圆应力圆与强度线相割：与强度线相割：极限极限应力圆应力圆f 破坏状态破坏状态（3 3）莫尔（应力）圆与抗剪强度线的关系）莫尔（应力）圆与抗剪强度线的关系 3 1c A cctg(1+3)/2无粘性土无粘性土记记（4 4）极限平衡条件）极限平衡条件粘性土粘性土土体处于极限平衡状态时，破坏面与大主应力作土体处于极限平衡状态时，破坏面与大主应力作用面的夹角为用面的夹角为 f f2 f 3 1c A cctg(1+3)/2说明：说明：剪破面与大主应力作用面成剪破面与大主应力作用面成45 /2的夹的夹角，或与小主应力作用面成角，或与小主应力作用面成45 /2夹角夹角。max【例题分析例题分析】地基中某一单元土体上的大主应力为地基中某一单元土体上的大主应力为450kPa，小主应力为，小主应力为100kPa。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=30 kPa，=10o。试问试问该单元土体处于何种状态？该单元土体处于何种状态？剪破面的位置？剪破面的位置？【解解】（1）已知）已知 1=430kPa，3=100kPa，c=30kPa，=30o 结论：结论：1f小于该单元土体实际大主应力小于该单元土体实际大主应力 1，该点已破坏。，该点已破坏。结论：结论：3f大于该单元土体实际小主应力大于该单元土体实际小主应力 3，该点已破坏。，该点已破坏。或或（2）破坏面与大主应力作用面成破坏面与大主应力作用面成60。作业：作业：地基中某一单元土体上的大主应力为地基中某一单元土体上的大主应力为500kPa，小主应力为小主应力为200kPa。通过试验测得土的抗剪强度通过试验测得土的抗剪强度指标指标c=20kPa，=26o。试问试问该单元土体是否会该单元土体是否会剪破？剪破？剪切破坏面出现在哪个面上。剪切破坏面出现在哪个面上。7.3 土的抗剪强度试验土的抗剪强度试验 7.3.1 直接剪切试验直接剪切试验1.试验仪器：试验仪器：应变控制式直剪仪应变控制式直剪仪2.2.试验步骤试验步骤:(2)转动手轮，施加水平推力。转动手轮，施加水平推力。(3)试验上下盒接触面产生剪切变形，直至破坏，此时土样试验上下盒接触面产生剪切变形，直至破坏，此时土样剪应力等于土的抗剪强度。剪应力等于土的抗剪强度。(1)通过加压活塞对试件施加垂直压力通过加压活塞对试件施加垂直压力。(4)同一土至少取同一土至少取4个试样，分别在个试样，分别在100、200、300、400kPa四个垂直压力下，测得抗剪强度。四个垂直压力下，测得抗剪强度。剪切过程中剪应力剪切过程中剪应力与剪切位移与剪切位移d d关系关系4mm a b 剪切位移剪切位移d d(0.01mm)剪应力剪应力（kPa)(5)在不同的竖向压力在不同的竖向压力 下进行剪切试验，得相应的抗剪强度下进行剪切试验，得相应的抗剪强度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。3.3.直剪试验分类直剪试验分类(1)(1)快剪快剪(2)(2)固结快剪固结快剪施加施加 施加施加 快速快速0.2mm/min施加施加 施加施加 快速快速0.2mm/min排水排水固结固结(3)(3)慢剪慢剪施加施加 施加施加 慢速慢速排水排水固结固结4.4.直剪试验优缺点直剪试验优缺点优点：优点：仪器构造简单，试样的制备和安装方便，易于操作。仪器构造简单，试样的制备和安装方便，易于操作。缺点：缺点：剪切破坏面不一定是土样的最薄弱面；剪切破坏面不一定是土样的最薄弱面；剪切面上的剪应力分布不均匀，边缘处应力集中；剪切面上的剪应力分布不均匀，边缘处应力集中；上下盒的错动剪切过程中试样剪切面积逐渐减小；上下盒的错动剪切过程中试样剪切面积逐渐减小；试验中不能严格控制排水条件，不能量测土样的孔试验中不能严格控制排水条件，不能量测土样的孔隙水压力。隙水压力。7.3.2 三轴剪切试验三轴剪切试验1.1.三轴压缩仪三轴压缩仪1调压筒；调压筒；2周围压力表；周围压力表；3周围压力阀；周围压力阀；4排水阀；排水阀；5体体变管；变管；6排水管；排水管；7变形量表；变形量表；8量力环；量力环；9排气孔；排气孔；10轴轴向加压设备；向加压设备；11压力室；压力室；12量管阀；量管阀；13零位指示器；零位指示器；14孔孔隙压力表；隙压力表；15量管；量管；16孔隙压力阀；孔隙压力阀；17离合器；离合器；18手轮；手轮；19马达；马达；20变压管变压管2.2.试验步骤试验步骤:3 3 3 3 3 3 1 1(2)施加周围压力施加周围压力 3(3)施加竖向压力施加竖向压力 1，直至试样破坏，直至试样破坏(1)将试样放入压力室将试样放入压力室 1 3 1 3 1(4)量测试验过程中的孔隙水压力量测试验过程中的孔隙水压力u 3 1 3 3 u 1 1 u(5)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，得到作用下进行剪切，得到34 个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。强度包线。抗剪强度包线抗剪强度包线 c 3.3.三轴压缩试验分类三轴压缩试验分类(1)(1)不固结不排水三轴试验（不固结不排水三轴试验（UUUU，不排水剪），不排水剪）(2)(2)固结不排水三轴试验（固结不排水三轴试验（CUCU，固结不排水剪），固结不排水剪）施加施加 3施加竖向压力施加竖向压力 快速快速不排水不排水施加施加 3施加竖向压力施加竖向压力 关闭阀门关闭阀门排水排水固结固结(3)(3)固结排水三轴试验（固结排水三轴试验（CDCD，排水剪），排水剪）施加施加 3施加竖向压力施加竖向压力 排水排水固结固结打开阀门打开阀门打开阀门打开阀门打开阀门打开阀门4.4.三轴试验优缺点三轴试验优缺点优点：优点：试验中能严格控制试样排水条件，量测孔隙水压力，试验中能严格控制试样排水条件，量测孔隙水压力，了解土中有效应力变化情况。了解土中有效应力变化情况。试样中的应力分布比较均匀。试样中的应力分布比较均匀。缺点：缺点：试验仪器复杂，操作技术要求高，试样制备较复杂。试验仪器复杂，操作技术要求高，试样制备较复杂。试验在试验在 2 2=3 3的轴对称条件下进行，与土体实际受力情的轴对称条件下进行，与土体实际受力情况可能不符。况可能不符。7.3.3 无侧限抗压强度试验无侧限抗压强度试验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 无侧限抗压强度试验是三轴剪切试验的特例，无侧限抗压强度试验是三轴剪切试验的特例，3=0，只施加轴向压力直至发生破坏。只施加轴向压力直至发生破坏。试试样样 无侧限抗压强度无侧限抗压强度qu在无侧限压力条件下，剪切破坏时在无侧限压力条件下，剪切破坏时试样承受的最大轴向压力试样承受的最大轴向压力。无侧限无侧限压缩仪压缩仪 1、根据、根据试验结果只能作出一个极限应力圆（试验结果只能作出一个极限应力圆（3 3=0=0，1 1=qu）。）。2、根据三轴不排水不固结试验成果，饱和粘性土强度包、根据三轴不排水不固结试验成果，饱和粘性土强度包线近似于一水平线，即线近似于一水平线，即 u=0。qucu u=0 3、无侧限抗压强度试验适用于测定饱和软粘土的不排水、无侧限抗压强度试验适用于测定饱和软粘土的不排水强度。强度。qu无侧限抗压强度，无侧限抗压强度，kPa;cu土的不排水抗剪强度，土的不排水抗剪强度，kPa。适适用用于于现现场场测测定定饱饱和和粘粘性性土土的的不不排排水水强强度度，尤尤其其适适用于均匀的饱和软粘土。用于均匀的饱和软粘土。四、十字板剪切试验四、十字板剪切试验7.5 饱和黏性土的抗剪强度饱和黏性土的抗剪强度（不固结）不排水抗剪强度不固结）不排水抗剪强度 固结不排水抗剪强度固结不排水抗剪强度（固结）排水抗剪强度（固结）排水抗剪强度 粘性土抗剪强度按剪切前的固结状态和剪切粘性土抗剪强度按剪切前的固结状态和剪切时的排水条件分为三种：时的排水条件分为三种：一、不排水抗剪强度一、不排水抗剪强度施加施加 3 3 3 3 3 3 3 关闭排关闭排水阀水阀施加竖向压力施加竖向压力 快速快速不排水不排水 饱和粘性土在三组饱和粘性土在三组 3 3下的不排水下的不排水剪试验得到剪试验得到A、B、C三个不同三个不同 3 3作用作用下破坏时的总应力圆。下破坏时的总应力圆。总应力圆总应力圆 u u=0=0BC A 3A 1A周围压力周围压力 3 3不同，但破坏时的主应力差相等，三个极不同，但破坏时的主应力差相等，三个极限应力圆的直径相等，因而强度包线是一条水平线限应力圆的直径相等，因而强度包线是一条水平线只能得到一个有效应力圆只能得到一个有效应力圆 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一般只用于测定饱和土的不排水强度。一般只用于测定饱和土的不排水强度。二、固结不排水剪二、固结不排水剪 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施加施加 3施加竖向压力施加竖向压力 关闭阀门关闭阀门排水排水固结固结打开阀门打开阀门施加施加 施加施加 快速快速0.2mm/min排水排水固结固结(固结慢剪固结慢剪)将总应力圆在水平轴上左移将总应力圆在水平轴上左移uf得到相应的有效应力圆，按得到相应的有效应力圆，按有效应力圆强度包线可确定有效应力圆强度包线可确定c 、ccuc cucu 在不同在不同 3 3作用下，得到作用下，得到A、B、C三个破坏时的总应力圆，三个破坏时的总应力圆，由总应力圆强度包线确定固结不排水剪总应力强度指标由总应力圆强度包线确定固结不排水剪总应力强度指标ccu、cuABC正常固结饱和粘性土，正常固结饱和粘性土，cc0三、三、排水剪切强度排水剪切强度 3 3 3 3 3 3 打开打开排排水阀水阀施加施加 3施加竖向压力施加竖向压力 排水排水固结固结打开阀门打开阀门打开阀门打开阀门 在排水剪试验过程中，在排水剪试验过程中，uf 0 0，总应力全部转化为有效应，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，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总应力强度线即是有效应力强度线力强度线。固结排水剪总应力强度指标为固结排水剪总应力强度指标为cd、d d。cd d d正常固结饱和粘性土，正常固结饱和粘性土，cc0固结排水试验（固结排水试验（CD试验）试验）抗剪强度指标：抗剪强度指标：cd d （c ）固结不排水试验（固结不排水试验（CU试验）试验）抗剪强度指标：抗剪强度指标：ccu cu不固结不排水试验（不固结不排水试验（UU试验）试验）抗剪强度指标：抗剪强度指标：cu u（cuu uu）试验类型汇总试验类型汇总总结总结:对于同一种饱和粘性土，在不同的排水条件下进行试验，对于同一种饱和粘性土，在不同的排水条件下进行试验，总应力强度指标完全不同。总应力强度指标完全不同。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。有效应力有唯一的对应关系。ccuc cucu ABC四、抗剪强度指标的选用四、抗剪强度指标的选用 土的抗剪强度指标随试验方法、排水条件的不同而土的抗剪强度指标随试验方法、排水条件的不同而异，对于具体工程问题，应该尽可能根据现场条件决定异，对于具体工程问题，应该尽可能根据现场条件决定采用实验室的试验方法，以获得合适的抗剪强度指标采用实验室的试验方法，以获得合适的抗剪强度指标 试验方法试验方法适用条件适用条件不不排排水水剪剪或或快剪快剪地地基基土土的的透透水水性性和和排排水水条条件件不不良良，建建筑筑物物施施工速度较快工速度较快排排水水剪剪或或慢慢剪剪地地基基土土的的透透水水性性好好，排排水水条条件件较较佳佳，建建筑筑物物加荷速率较慢加荷速率较慢固固结结不不排排水水剪剪或或固固结结快快剪剪建建筑筑物物竣竣工工以以后后较较久久，荷荷载载又又突突然然增增大大，或或地基条件等介于上述两种情况之间地基条件等介于上述两种情况之间【例】对某种饱和粘性土做固结不排水试验，三个试样对某种饱和粘性土做固结不排水试验，三个试样破坏时的大、小主应力和孔隙水压力列于表中，试用破坏时的大、小主应力和孔隙水压力列于表中，试用作图法确定土的强度指标作图法确定土的强度指标ccu、cu和和c 、周围压力周围压力 3/kPa 1/kPauf/kPa60100150143220313234067【解答解答】按比例绘出三个总应力极限应力圆，如图所示按比例绘出三个总应力极限应力圆，如图所示，再绘再绘出总应力强度包线出总应力强度包线 按由按由 1 1=1 1-u uf，3 3=3 3-u uf ，将总应力圆在水平轴上左将总应力圆在水平轴上左移相应的移相应的u uf即得即得3 3个有效应力极限莫尔圆，如图中虚线圆，再绘个有效应力极限莫尔圆，如图中虚线圆，再绘出有效应力强度包线。出有效应力强度包线。c ccu根据强度包线得到：根据强度包线得到：ccu=10 kPa，cu=18o c=6 kPa，、=27o cu (kPa)100(kPa)100300200400【例例】某正常固结饱和粘性土试样进行排水固结试验，测得抗某正常固结饱和粘性土试样进行排水固结试验，测得抗剪强度指标为剪强度指标为cd0，d=31o，如果对同一试样进行固结不，如果对同一试样进行固结不排水试验，施加围压排水试验，施加围压 3200kPa，试样破坏时的轴向偏应，试样破坏时的轴向偏应力力(1-3)f180kPa。试求试样的固结不排水剪强度指标。试求试样的固结不排水剪强度指标和破坏时的孔隙水压力。和破坏时的孔隙水压力。1、不排水剪强度指标：、不排水剪强度指标：【解答解答】f2、孔隙水压力、孔隙水压力 f 1、库仑公式、库仑公式 2、摩尔库仑准则、摩尔库仑准则c f 5、根据固结和排水的条件不同，剪切试验可分为、根据固结和排水的条件不同，剪切试验可分为三种：固结不排水剪（三种：固结不排水剪（CU）、不固结不排水剪（）、不固结不排水剪（UU）、）、固结排水剪（固结排水剪（CD）。）。6、三种剪切试验测得的总应力指标完全不同；但、三种剪切试验测得的总应力指标完全不同；但有效应力指标相同。有效应力指标相同。4、土的抗剪强度试验：直剪试验、三轴压缩试验、土的抗剪强度试验：直剪试验、三轴压缩试验、无侧限抗压试验、十字板剪切试验。无侧限抗压试验、十字板剪切试验。3、抗剪强度指标分为总应力抗剪强度指标、有效、抗剪强度指标分为总应力抗剪强度指标、有效应力抗剪强度指标。应力抗剪强度指标。1、根据库仑定律，土的抗剪强度指标包括、根据库仑定律，土的抗剪强度指标包括和和。2、土的抗剪强度有两种表达方式：一种是、土的抗剪强度有两种表达方式：一种是法，法，另一种是另一种是法。法。3、对于饱和粘性土，若其无侧限抗压强度为、对于饱和粘性土，若其无侧限抗压强度为60kPa，则该土的不排水抗剪强度为，则该土的不排水抗剪强度为。4、通过控制排水条件，将三轴压缩试验分为、通过控制排水条件，将三轴压缩试验分为、和和三种方法。三种方法。5、三个相同土样在不同的周围压力作用下进行不固、三个相同土样在不同的周围压力作用下进行不固结不排水试验，试验结果表明，三个试验在破坏时的结不排水试验，试验结果表明，三个试验在破坏时的主应力差间的关系是主应力差间的关系是。1、对同一种土进行剪切试验，剪坏时的有效应力圆、对同一种土进行剪切试验，剪坏时的有效应力圆与总应力圆直径大小关系是与总应力圆直径大小关系是。2、某正常固结饱和粘性土试样，进行不固结不排、某正常固结饱和粘性土试样，进行不固结不排水试验得水试验得cu15kPa，对同样的土进行固结不排水试，对同样的土进行固结不排水试验得有效应力抗剪强度指标验得有效应力抗剪强度指标c0，30 请问：如果试样某一面的法向应力突然增加到请问：如果试样某一面的法向应力突然增加到200kPa，法向应力刚增加时沿这个面的抗剪强度是，法向应力刚增加时沿这个面的抗剪强度是？经很长时间后沿这个面的抗剪强度又是多少？经很长时间后沿这个面的抗剪强度又是多少？