岩土体稳定理论章2-土抗剪强度.ppt

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1、路基工程理论与技术路基工程理论与技术 Theory and Technology of Subgrade Engineering 主讲教师：主讲教师：王连俊王连俊 教师单位：教师单位：土建学院道铁系土建学院道铁系 授课班级：授课班级：道铁道铁20102010硕士硕士 授课学时：授课学时：3232学时学时 授课时间：授课时间：8 8周（周（10.11-1210.11-12）12/9/20221第第2 2章章 土的抗剪强度特性土的抗剪强度特性 土土的的强强度度特特性性历历来来是是土土力力学学中中最最重重要要的的研研究究课课题题，因因为为在在土土建建工工程程中中土土体体的的稳稳定定，承承载载力力和和

2、土土压压力力计计算算等等问问题题，都都与与土土的的强强度度密密切切相相关关,随随着着电电子子计计算算机机的的出出现现和和实实验验技技术术的的发发展展，现现在在完完全全能能够够把把土土的的变变形形和和强强度度二二者者结结合合起起来来研研究。究。本本章章只只着着重重研研究究土土的的抗抗剪剪强强度度特特性性、强强度度机机理理及及强强度度影影响响因素的分析。因素的分析。由由于于采采用用有有效效应应力力原原理理研研究究土土的的物物性性和和力力学学效效应应正正成成为为当当今土力学的主流，所以本章首先介绍有效应力的原理。今土力学的主流，所以本章首先介绍有效应力的原理。12/9/20222 2.1 2.1 有

3、效应力原理有效应力原理 2.1.1 2.1.1 饱和土的有效应力表达式饱和土的有效应力表达式 19221922年年TerzaghiTerzaghi最早发现土在压缩固结时，土中的水有超静水压力最早发现土在压缩固结时，土中的水有超静水压力(孔孔隙水压力隙水压力)的存在后，就指出的存在后，就指出:对于饱和土，不论是土的压缩性或是稳定性，支配土的体积和抗剪强对于饱和土，不论是土的压缩性或是稳定性，支配土的体积和抗剪强度二者变化的原因，并不是作用在土体任何平面上的法向应力，而是总应度二者变化的原因，并不是作用在土体任何平面上的法向应力，而是总应力和孔隙压力力和孔隙压力u u之差，这个差值就是有效应力，这

4、就是之差，这个差值就是有效应力，这就是TerzaghiTerzaghi提出的有提出的有效应力原理。效应力原理。土的变形和强度性质是由有效应力支配的土的变形和强度性质是由有效应力支配的。12/9/202232.1.2 2.1.2 土的有效应力一般表达式土的有效应力一般表达式 自然界中的土多以三相土为其普遍存在情况，二相土只是其特例。为自然界中的土多以三相土为其普遍存在情况，二相土只是其特例。为了表明一般土中的总应力，孔隙压力与有效应触的土颗粒的微观模型进行了表明一般土中的总应力，孔隙压力与有效应触的土颗粒的微观模型进行分析。图中分析。图中F F为总断面积，为总断面积，FsFs为土颗粒接触面积，为

5、土颗粒接触面积，F Fw w、F Fa a分别为孔隙中水和分别为孔隙中水和气同土颗粒的接触面积，设气同土颗粒的接触面积，设s s、u uw w、u ua a分别为外荷重分别为外荷重P P作用下产生的粒间作用下产生的粒间平均接触应力、平均孔隙水压力和平均孔隙气压力，若不考虑颗粒间分子平均接触应力、平均孔隙水压力和平均孔隙气压力，若不考虑颗粒间分子力等作用，则由断面上力的平衡条件有力等作用，则由断面上力的平衡条件有12/9/20224 上式为上式为Bishop 1955Bishop 1955年对非饱和土有效应力提出的更一般的表达式。年对非饱和土有效应力提出的更一般的表达式。式中面积系数式中面积系数

6、是一个主要与土的饱和度是一个主要与土的饱和度SrSr有关的试验参数。它还受有关的试验参数。它还受土的结构，粘粒含量，干湿循环和应力变化等多种因素的影响。土的结构，粘粒含量，干湿循环和应力变化等多种因素的影响。12/9/2022512/9/2022612/9/202272.1.3 2.1.3 孔隙压力系数孔隙压力系数A A和和B B 有效应力表达式中的值在概念上是很有意义的，但其值不能实测。有效应力表达式中的值在概念上是很有意义的，但其值不能实测。在实际的试验和设计中，总应力可直接量测和计算，而有效应力却不能在实际的试验和设计中，总应力可直接量测和计算，而有效应力却不能直接量测，但是孔隙压力则可

7、以量测，有时也可以计算。直接量测，但是孔隙压力则可以量测，有时也可以计算。对有效应力的研究，主要集中在对孔隙压力的研究。对有效应力的研究，主要集中在对孔隙压力的研究。通常有两种方法确定孔隙压力：通常有两种方法确定孔隙压力：（1 1）根据比较总应力路径与有效路径来估算孔隙压力；）根据比较总应力路径与有效路径来估算孔隙压力；（2 2）采用）采用SkemptonSkempton提出的孔隙压力系数来估算孔隙压力大小提出的孔隙压力系数来估算孔隙压力大小 在三轴压缩试验中，如果饱和土样是在排水条件下，则不产生孔隙压力；在三轴压缩试验中，如果饱和土样是在排水条件下，则不产生孔隙压力；如果是在不排水条件下，孔

8、隙水压力变化的一部分是由作用在试样上的平均如果是在不排水条件下，孔隙水压力变化的一部分是由作用在试样上的平均总应力的变化引起，而另一部分则与随着剪应力同时产生的剪切变形有关。总应力的变化引起，而另一部分则与随着剪应力同时产生的剪切变形有关。12/9/2022812/9/20229 下面将分别研究平均主应力的均匀增长和主应力差的变化对孔隙压力变下面将分别研究平均主应力的均匀增长和主应力差的变化对孔隙压力变化的影响，从而推导出孔隙压力系数。化的影响，从而推导出孔隙压力系数。推导中假设土体为一多孔饱水弹性介质。推导中假设土体为一多孔饱水弹性介质。12/9/20221012/9/20221112/9/

9、202212土样受到各向均等压力增量和应力差作用，所产生的总孔隙压力土样受到各向均等压力增量和应力差作用，所产生的总孔隙压力 而而实际实际土并不是理想土并不是理想线弹线弹性介性介质质，因此方括号中的系数，因此方括号中的系数1/3已已不再适用于普遍的情况。所以，不再适用于普遍的情况。所以，Skempton引入了一个经验系数引入了一个经验系数A，以代替，以代替1/3。A为偏应力为偏应力(1-3)作用下的孔隙压力系数作用下的孔隙压力系数 对于饱和土，因对于饱和土，因B=1，于是，于是 只要知道了土中任一点的大、小主应力的变化，就可以根只要知道了土中任一点的大、小主应力的变化，就可以根据测定的孔隙压力

10、系数，利用上述公式计算相应的孔隙压力。据测定的孔隙压力系数，利用上述公式计算相应的孔隙压力。12/9/20221312/9/20221412/9/20221512/9/20221612/9/20221712/9/202218 2.2 2.2 无粘性土的抗剪强度特性无粘性土的抗剪强度特性2.2.1 2.2.1 无粘性土抗剪强度机理的概念无粘性土抗剪强度机理的概念 无粘性土通常是指无塑性的土，如砂、砾碎石等，又名粒状土。无粘性土通常是指无塑性的土，如砂、砾碎石等，又名粒状土。由于这些土颗粒比表面积小，土颗粒间表面力作用极小。因此认为其粘由于这些土颗粒比表面积小，土颗粒间表面力作用极小。因此认为其粘

11、聚力极弱或没有，其抗剪强度仅取决于法向应力和内摩擦角，即库仑公式聚力极弱或没有，其抗剪强度仅取决于法向应力和内摩擦角，即库仑公式 粒状土的抗剪强度由三部分强度分量所组成：粒状土的抗剪强度由三部分强度分量所组成：(1)(1)土矿物颗粒间滑动摩擦阻力所发挥的强度，称力滑动摩擦强度分量；土矿物颗粒间滑动摩擦阻力所发挥的强度，称力滑动摩擦强度分量；(2)(2)颗粒与相邻颗粒间的咬合作用引起剪胀所发挥的强度，称为剪胀效应分颗粒与相邻颗粒间的咬合作用引起剪胀所发挥的强度，称为剪胀效应分量；量；(3)(3)在高应力下颗粒挤碎，排列和定向作用所需能量而发挥的强度，称为挤在高应力下颗粒挤碎，排列和定向作用所需能

12、量而发挥的强度，称为挤碎重新排列作用分量。碎重新排列作用分量。因此，库仑公式中的因此，库仑公式中的的一般表达式应该为：的一般表达式应该为：12/9/20221912/9/20222012/9/202221 还要指出的是，还要指出的是，LeeLee和和SeedSeed认为颗粒挤碎对强度的作认为颗粒挤碎对强度的作用，类似于用，类似于RoweRowe所提出的颗粒重新定向和排列的作用，颗所提出的颗粒重新定向和排列的作用，颗粒挤碎将吸收能量，而且在高应力下的破坏应变也增大，粒挤碎将吸收能量，而且在高应力下的破坏应变也增大，这又增加了颗粒定向和排列所需的能量，于是强度可能随这又增加了颗粒定向和排列所需的能

13、量，于是强度可能随挤碎而增大。挤碎而增大。但是但是MarsalMarsal的试验证明，随着颗粒破碎率的增大，粒的试验证明，随着颗粒破碎率的增大，粒状土的抗剪强度不是增大而是降低。日本三浦哲户对标准状土的抗剪强度不是增大而是降低。日本三浦哲户对标准紧密砂的试验结果也得出与紧密砂的试验结果也得出与MarsalMarsal同样的结论。同样的结论。12/9/2022222.2.2 2.2.2 无粘性土的抗剪强度包线规律无粘性土的抗剪强度包线规律 粒状土的摩尔强度包线，在高低应力条件下的变化规律是不相同的。粒状土的摩尔强度包线，在高低应力条件下的变化规律是不相同的。（1 1）在低应力下，紧砂的剪胀性使内

14、摩擦角明显增大，强度包线为一通过）在低应力下，紧砂的剪胀性使内摩擦角明显增大，强度包线为一通过座标原点或某一截距的直线，而且坡度较陡；座标原点或某一截距的直线，而且坡度较陡；（2 2）在中等压力作用下，剪胀效应逐渐减弱，而颗粒破碎作用增强，并部）在中等压力作用下，剪胀效应逐渐减弱，而颗粒破碎作用增强，并部分抵偿了已降低的剪胀作用。此时的颗粒间的摩擦为主要影响，故强度包线能分抵偿了已降低的剪胀作用。此时的颗粒间的摩擦为主要影响，故强度包线能近似保持线性关系近似保持线性关系。（3 3）在高应力下，由于剪胀作用消失，或由于颗粒挤碎和重新排列，故强）在高应力下，由于剪胀作用消失，或由于颗粒挤碎和重新排

15、列，故强度包线坡度有可能趋于减弱。或由于此时孔隙已被压碎的颗粒塞满，并减少到度包线坡度有可能趋于减弱。或由于此时孔隙已被压碎的颗粒塞满，并减少到相当程度，颗粒不再压碎，故强度包线坡度基本保持不变。相当程度，颗粒不再压碎，故强度包线坡度基本保持不变。12/9/20222312/9/20222412/9/2022252.2.3 2.2.3 无粘性土的强度特性无粘性土的强度特性 应力一应变曲线而确定的强度参数应力一应变曲线而确定的强度参数也与孔隙比也与孔隙比e有关。有关。图示为密砂和松砂进行三轴排水剪切试验的应力图示为密砂和松砂进行三轴排水剪切试验的应力-应变关系曲线及三种内摩应变关系曲线及三种内摩

16、擦角表示的强度变化。擦角表示的强度变化。12/9/20222612/9/202227 对对大粒径大粒径颗颗粒粒组组成的粒状土，最上武雄（日本）根据成的粒状土，最上武雄（日本）根据统统计计力学理力学理论论提出了提出了与与e之间关系的经验方程：之间关系的经验方程：12/9/20222812/9/20222912/9/202230 2.3 2.3 粘性土的抗剪强度特性粘性土的抗剪强度特性2.3.1 2.3.1 粘性土抗剪强度机理粘性土抗剪强度机理 粘性土通常是指具有可塑性的土。表现在抗剪强度上，它粘性土通常是指具有可塑性的土。表现在抗剪强度上，它具有粘聚强度具有粘聚强度C，因此将这种具有凝聚强度的土

17、定义为凝聚性土，因此将这种具有凝聚强度的土定义为凝聚性土，但常简称为粘性土。其库仑表达式但常简称为粘性土。其库仑表达式 12/9/202231 在强度发展机理方面，粘性土除粒间粘聚力所产生的粘在强度发展机理方面，粘性土除粒间粘聚力所产生的粘聚强度分量之外，其它机理与粒状土一样，也存在颗粒间的聚强度分量之外，其它机理与粒状土一样，也存在颗粒间的相对滑动与咬合作用而形成的强度分量。相对滑动与咬合作用而形成的强度分量。但是由于粘性土颗粒很细，颗粒的矿物成分、结构型式，但是由于粘性土颗粒很细，颗粒的矿物成分、结构型式，胶结物质的存在，以及土水系统相互作用，形成各种复杂的胶结物质的存在，以及土水系统相互

18、作用，形成各种复杂的物理和物化现象，所以粘性土的强度特性比粒状土更复杂。物理和物化现象，所以粘性土的强度特性比粒状土更复杂。对此，许多学者致力于粘性土的结构性研究，使之能更对此，许多学者致力于粘性土的结构性研究，使之能更深入地从微观上阐明土的力学性质的本质和变化规律。深入地从微观上阐明土的力学性质的本质和变化规律。12/9/202232 根根据据粘粘性性土土内内力力和和结结构构对对抗抗剪剪强强度度所所起起作作用用，LambeLambe将将粘粘性性土土的的抗抗剪剪强强度度分分成成粘粘聚聚力力、摩摩擦擦、剪剪胀胀三三个个强强度度分分量量，用用图图来来定定性而形象地说明粘性土强度发展机理性而形象地说

19、明粘性土强度发展机理.(1)(1)在极小应变下，粘聚力发挥到最大，当应变稍高一些就不产生粘聚力。在极小应变下，粘聚力发挥到最大，当应变稍高一些就不产生粘聚力。（2 2）剪剪胀胀随随应应变变增增加加而而增增高高，当当达达最最高高值值后后又又降降低低，这这说说明明剪剪胀胀随随颗颗粒粒咬咬合作用丧失而逐渐消失。合作用丧失而逐渐消失。(3)(3)当当应应力力应应变变曲曲线线趋趋于于水水平平时时，粘粘聚聚力力和和剪剪胀胀对对强强度度影影响响减减弱弱，而而摩摩擦擦起主要作用。同时起主要作用。同时lambelambe指出，三种强度分量之间的作用没有明确界限。指出，三种强度分量之间的作用没有明确界限。12/9

20、/2022332.3.2 2.3.2 粘性土抗剪强度特性粘性土抗剪强度特性 1.粘性土的不固结不排水剪粘性土的不固结不排水剪(UU)强度强度 所谓不固结，是指在三轴仪中加压后或天然土层受到荷载作用后不再发生所谓不固结，是指在三轴仪中加压后或天然土层受到荷载作用后不再发生固结。然而并未否定从天然土层中取出的试样在某一压力下已发生了固结。固结。然而并未否定从天然土层中取出的试样在某一压力下已发生了固结。图表示几个相同条件的饱和粘性土试样的固结不排水剪切试验结果。由于图表示几个相同条件的饱和粘性土试样的固结不排水剪切试验结果。由于试样剪切前不固结，所以基本保持试样剪前的有效应力不变。在剪切中试样体试

21、样剪切前不固结，所以基本保持试样剪前的有效应力不变。在剪切中试样体积有减小趋势；但由于不排水，其含水量不变，则试样体积并不政变，故外加积有减小趋势；但由于不排水，其含水量不变，则试样体积并不政变，故外加围压只引起相应的孔隙水压力增加，并不改变原有效应力。因此抗剪强度不变，围压只引起相应的孔隙水压力增加，并不改变原有效应力。因此抗剪强度不变，其强度包线为一水平线，即其强度包线为一水平线，即u=0。其库仑表达式。其库仑表达式 12/9/20223412/9/20223512/9/20223612/9/2022372.粘性土固结不排水剪粘性土固结不排水剪(CU)强度强度 12/9/20223812/9/20223912/9/2022403.粘性土固结排水剪粘性土固结排水剪(CD)强度强度 12/9/20224112/9/20224212/9/20224312/9/20224412/9/20224512/9/202246