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工程水文及水利计算华北电力大学 可再生能源学院1第1页，本讲稿共28页第五章土的抗剪强度第五章土的抗剪强度2第五章第五章 土的抗剪强度土的抗剪强度学习指导学习指导u内容简介内容简介抗剪强度是土的主要力学性质之一，也是土力学的重要组成部分。抗剪强度是土的主要力学性质之一，也是土力学的重要组成部分。本章主要介绍土的本章主要介绍土的抗剪强度抗剪强度、破坏理论破坏理论、土的抗剪强度、土的抗剪强度试验方法试验方法、土在剪切中、土在剪切中的性质和各类抗剪强度指标、土的抗剪强度机理及影响因素。的性质和各类抗剪强度指标、土的抗剪强度机理及影响因素。u教学目标教学目标掌握土的掌握土的抗剪强度指标抗剪强度指标及及试验方法试验方法、抗剪强度理论抗剪强度理论及其工程应用。及其工程应用。第2页，本讲稿共28页第五章土的抗剪强度第五章土的抗剪强度3u学习要求学习要求1、掌握土的直剪试验和库仑定律；掌握内聚力与内摩擦角的物理含义、掌握土的直剪试验和库仑定律；掌握内聚力与内摩擦角的物理含义2、掌握土的极限平衡关系式（莫尔、掌握土的极限平衡关系式（莫尔-库仑破坏理论）的实际意义，应力圆与抗剪强度曲线库仑破坏理论）的实际意义，应力圆与抗剪强度曲线之间的关系之间的关系3、掌握土的三轴剪切试验的优点，三轴试验的三种试验方法及实际应用、掌握土的三轴剪切试验的优点，三轴试验的三种试验方法及实际应用4、了解无侧限压缩试验、了解无侧限压缩试验5、了解土在剪切中的性状和各类抗剪强度指标、了解土在剪切中的性状和各类抗剪强度指标u基本概念基本概念抗剪强度、极限平衡状态、极限平衡条件、内聚力、抗剪强度、极限平衡状态、极限平衡条件、内聚力、内摩擦角、峰值强度、残余强度内摩擦角、峰值强度、残余强度第3页，本讲稿共28页第五章土的抗剪强度第五章土的抗剪强度4第一节：土的抗剪强度概述第一节：土的抗剪强度概述各类建筑地基基础设计中，为保证建筑物的安全，必须同时满足各类建筑地基基础设计中，为保证建筑物的安全，必须同时满足下列下列两个两个技术条件：技术条件：地基变形条件地基变形条件 包括包括沉降量沉降量、沉降差沉降差、倾斜倾斜、局部倾斜局部倾斜都不超过地基容许变形值；都不超过地基容许变形值；地基强度条件地基强度条件保证地基稳定性，保证地基稳定性，不发生不发生剪切剪切或或滑滑动动破坏。（见图破坏。（见图（c）（a）、（）、（b）产生滑动面，在滑动面处于受剪状态，比）产生滑动面，在滑动面处于受剪状态，比较直观，容易理解；较直观，容易理解；（c）直观上是受压，但本质上也是剪切破坏。）直观上是受压，但本质上也是剪切破坏。（可用应力圆解释滑面处产生剪应力可用应力圆解释滑面处产生剪应力）第4页，本讲稿共28页第五章土的抗剪强度第五章土的抗剪强度5边坡破坏（受剪破坏典型例子，后面章节要详讲）边坡破坏（受剪破坏典型例子，后面章节要详讲）第5页，本讲稿共28页第五章土的抗剪强度第五章土的抗剪强度6工程剪切破坏的实例工程剪切破坏的实例第6页，本讲稿共28页第五章土的抗剪强度第五章土的抗剪强度7云南徐村水电站溢洪道土坡滑坡开挖云南徐村水电站溢洪道土坡滑坡开挖 第7页，本讲稿共28页第五章土的抗剪强度第五章土的抗剪强度8单轴压缩试验单轴压缩试验实际上实际上也是受也是受剪破坏。剪破坏。第8页，本讲稿共28页第五章土的抗剪强度第五章土的抗剪强度9(b)(c)(a)路堤总结土的抗剪强度决定了下面工程的稳定总结土的抗剪强度决定了下面工程的稳定 (a)土坡滑动、土坡滑动、(b)挡土墙滑动、挡土墙滑动、(c)地基失稳地基失稳 （a）土坡滑动）土坡滑动（b）挡土墙滑动）挡土墙滑动（c）地基失稳）地基失稳将在后面分三章单独讲述。将在后面分三章单独讲述。第9页，本讲稿共28页第五章土的抗剪强度第五章土的抗剪强度10土的抗剪强度土的抗剪强度指土体抵抗剪切破坏的极限能力，其数值等于土体产生剪切破坏时滑动指土体抵抗剪切破坏的极限能力，其数值等于土体产生剪切破坏时滑动面上的剪应力。面上的剪应力。决定土的抗剪强度的因素：决定土的抗剪强度的因素：土本身的基本性质土本身的基本性质土的类型、组成、颗粒级配、矿物成分、含水状态、土粒结构、土粒构造土的类型、组成、颗粒级配、矿物成分、含水状态、土粒结构、土粒构造等等土的应力状态（单轴、双轴、三轴）；应力水平（大小）；应力历史土的应力状态（单轴、双轴、三轴）；应力水平（大小）；应力历史第10页，本讲稿共28页第五章土的抗剪强度第五章土的抗剪强度11n土的抗剪强度表示方法土的抗剪强度表示方法土的抗剪强度表示方法可分为：土的抗剪强度表示方法可分为：总应力表示法总应力表示法砂土的抗剪强度：砂土的抗剪强度：粘性土的抗剪强度：粘性土的抗剪强度：第11页，本讲稿共28页第五章土的抗剪强度第五章土的抗剪强度12第12页，本讲稿共28页第五章土的抗剪强度第五章土的抗剪强度13有效应力表示法有效应力表示法第13页，本讲稿共28页第五章土的抗剪强度第五章土的抗剪强度14第二节：土的抗剪强度试验第二节：土的抗剪强度试验土的抗剪强度试验，主要可以分为以下几种：土的抗剪强度试验，主要可以分为以下几种：直接剪切试验直接剪切试验三轴剪切试验三轴剪切试验工程现场剪切试验工程现场剪切试验无侧限抗压试验无侧限抗压试验第14页，本讲稿共28页第五章土的抗剪强度第五章土的抗剪强度15n直接剪切试验直接剪切试验直剪仪 第15页，本讲稿共28页第五章土的抗剪强度第五章土的抗剪强度16n直接剪切试验直接剪切试验剪切容器与应力环第16页，本讲稿共28页第五章土的抗剪强度第五章土的抗剪强度17n直接剪切试验直接剪切试验根据施加直剪力的速率和土样被剪切的速度，直接剪切试验可分为：根据施加直剪力的速率和土样被剪切的速度，直接剪切试验可分为：快剪：快剪：是在土样上下两面均贴以腊纸，在加法向压力后即施加水平剪力，使土样是在土样上下两面均贴以腊纸，在加法向压力后即施加水平剪力，使土样在在35分钟内剪坏分钟内剪坏。使土样在剪切过程中来不及排水。使土样在剪切过程中来不及排水。固结快剪：固结快剪：是在法向压力作用下使土样固结，然后很快施加水平剪力，使土样在是在法向压力作用下使土样固结，然后很快施加水平剪力，使土样在剪切过程中来不及排水。剪切过程中来不及排水。慢剪：慢剪：是先让土样在竖向压力下充分固结，然后再慢慢施加水平剪力，直至土样发是先让土样在竖向压力下充分固结，然后再慢慢施加水平剪力，直至土样发生剪切破坏。使试样在受剪过程中一直充分排水和产生体积变形生剪切破坏。使试样在受剪过程中一直充分排水和产生体积变形。第17页，本讲稿共28页第五章土的抗剪强度第五章土的抗剪强度18n直接剪切试验直接剪切试验根据直接剪切试验的试验结果，可以求解根据直接剪切试验的试验结果，可以求解数值求解法数值求解法图解法图解法思考：若实验点的个思考：若实验点的个数多于数多于2怎么办？怎么办？第18页，本讲稿共28页第五章土的抗剪强度第五章土的抗剪强度19n直接剪切试验直接剪切试验第19页，本讲稿共28页第五章土的抗剪强度第五章土的抗剪强度20n直接剪切试验直接剪切试验直剪试验的评价：直剪试验的评价：优点：仪器构造简单、操作方便、试样薄、固结快、省时、仪器刚度大、不可优点：仪器构造简单、操作方便、试样薄、固结快、省时、仪器刚度大、不可能发生横向变形等能发生横向变形等缺点：缺点：（1）剪切面限定在上下盒之间的平面，而不是沿土样最薄弱的面剪切破坏；）剪切面限定在上下盒之间的平面，而不是沿土样最薄弱的面剪切破坏；（2）剪切面上剪应力分布不均匀；）剪切面上剪应力分布不均匀；（3）在剪切过程中，土样剪切面逐渐缩小，而在计算抗剪强度时仍按土样的）在剪切过程中，土样剪切面逐渐缩小，而在计算抗剪强度时仍按土样的原截面积计算；原截面积计算；（4）试验时不能严格控制排水条件，并且不能量测孔隙水压力。）试验时不能严格控制排水条件，并且不能量测孔隙水压力。第20页，本讲稿共28页第五章土的抗剪强度第五章土的抗剪强度21p例题例题5.1用某粘性土做直剪试验，垂直压应力分别是用某粘性土做直剪试验，垂直压应力分别是100 kPa、200kPa、300 kPa、400 kPa，破坏时的切应力分别是，破坏时的切应力分别是91kPa、144kPa、184kPa、245kPa。解：解：思考：应力状态能否处于思考：应力状态能否处于斜直线之上？斜直线之上？第21页，本讲稿共28页第五章土的抗剪强度第五章土的抗剪强度22三轴剪切试验仪三轴剪切试验仪（也称三轴压缩仪）由受压室、周围压力控制系统、轴向加（也称三轴压缩仪）由受压室、周围压力控制系统、轴向加压系统、孔隙水压力系统以及试样体积变化量测系统等组成。压系统、孔隙水压力系统以及试样体积变化量测系统等组成。n三轴剪切试验三轴剪切试验第22页，本讲稿共28页第五章土的抗剪强度第五章土的抗剪强度23按土样三向受压的大小组合分：按土样三向受压的大小组合分：n三轴剪切试验的分类三轴剪切试验的分类常规三轴试验常规三轴试验三轴压缩三轴压缩真三轴试验真三轴试验三轴挤长三轴挤长第23页，本讲稿共28页第五章土的抗剪强度第五章土的抗剪强度24根据土样的排水条件，三轴剪切试验可分为：根据土样的排水条件，三轴剪切试验可分为：n三轴剪切试验的分类三轴剪切试验的分类不固结不排水试验（不固结不排水试验（UU）（）（Unconsolidated-undrained)与直剪的快剪相当。试验过程由始至终关闭排水阀门，土样在剪切破坏时不与直剪的快剪相当。试验过程由始至终关闭排水阀门，土样在剪切破坏时不能将土中的孔隙水排出。土样在加压和剪切过程中，含水量始终保持不变能将土中的孔隙水排出。土样在加压和剪切过程中，含水量始终保持不变。固结不排水试验（固结不排水试验（CU）（）（Consolidated-undrained)与直剪的固结快剪相当。先对土样施加周围压力与直剪的固结快剪相当。先对土样施加周围压力，将排水阀门开启，让土样，将排水阀门开启，让土样中的水排入量水管中，直至排水终止，土样完全固结。然后关闭排水阀门，中的水排入量水管中，直至排水终止，土样完全固结。然后关闭排水阀门，施加竖向压力施加竖向压力，使土样在不排水条件下剪切破坏，使土样在不排水条件下剪切破坏。固结排水试验（固结排水试验（CD）（）（Consolidated-drained)与直剪的慢剪相当。在固结过程和与直剪的慢剪相当。在固结过程和的施加过程中，都让土样充分排水的施加过程中，都让土样充分排水(将将排水阀门开启排水阀门开启)，使土样中不产生孔隙水压力。故施加的应力就是作用于土样，使土样中不产生孔隙水压力。故施加的应力就是作用于土样上的有效应力上的有效应力。第24页，本讲稿共28页第五章土的抗剪强度第五章土的抗剪强度25n三轴剪切试验的评价三轴剪切试验的评价优点：优点：（1）可严格控制排水条件）可严格控制排水条件（2）可量测孔隙水压力）可量测孔隙水压力（3）破裂面在最软弱处）破裂面在最软弱处 缺点：缺点：（1）2=3，难以体现真三轴，难以体现真三轴（2）实验比较复杂）实验比较复杂 第25页，本讲稿共28页第五章土的抗剪强度第五章土的抗剪强度26n无侧限抗压试验无侧限抗压试验无侧限抗压强度试验是周围压力无侧限抗压强度试验是周围压力3=0（无侧限）的一种特殊三轴压缩试验，又称（无侧限）的一种特殊三轴压缩试验，又称单轴试验，该试验多在无侧限抗压仪上进行。单轴试验，该试验多在无侧限抗压仪上进行。试验时，在不加任何侧向试验时，在不加任何侧向压力的情况下，对圆柱体压力的情况下，对圆柱体试样施加轴向压力，直至试样施加轴向压力，直至试样剪切破坏为止。试样试样剪切破坏为止。试样破坏时的轴向压力以破坏时的轴向压力以qu表表示，称为无侧限抗压强度。示，称为无侧限抗压强度。第26页，本讲稿共28页第五章土的抗剪强度第五章土的抗剪强度27现场剪切试验可分为：现场剪切试验可分为：n工程现场剪切试验工程现场剪切试验大面积直剪试验大面积直剪试验垂直方向和水平方向都用千斤顶施加剪力；垂直方向和水平方向都用千斤顶施加剪力；水平推剪试验水平推剪试验十字板剪切试验（介绍）十字板剪切试验（介绍）第27页，本讲稿共28页第五章土的抗剪强度第五章土的抗剪强度28n工程现场剪切试验工程现场剪切试验十字板剪切试验（适用于内摩擦角趋于十字板剪切试验（适用于内摩擦角趋于0的软粘土的软粘土很难取样进行实验室试验很难取样进行实验室试验）十字板剪切试十字板剪切试验是一种土的验是一种土的抗剪强度的原抗剪强度的原位测试方法，位测试方法，这种试验方法这种试验方法适合于在现场适合于在现场测定饱和软粘测定饱和软粘土的原位不排土的原位不排水抗剪强度。水抗剪强度。十字板剪切试十字板剪切试验采用的试验验采用的试验设备主要是十设备主要是十字板剪力仪。字板剪力仪。计算的抗剪强度实际上是粘聚力c值。第28页，本讲稿共28页