6第六章-土的抗剪强度.ppt

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1、第第6章章 土的抗剪强度土的抗剪强度内容提要内容提要l概 述l土的抗剪强度理论l土的抗剪强度指标的测定l土的强度特性第一节第一节 概述概述土的抗剪强度土的抗剪强度土的抗剪强度土的抗剪强度是指土体对于外荷载所产生的剪应力是指土体对于外荷载所产生的剪应力的极限抵抗能力。的极限抵抗能力。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，其中法向应力作用将使土体发生向应力和剪应力，其中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。当土中一点某一截面上由外力所产生的剪应力达到当土中一点某一截面

2、上由外力所产生的剪应力达到土的抗剪强度时，它将沿着剪应力作用方向产生相土的抗剪强度时，它将沿着剪应力作用方向产生相对滑动，该点便发生剪切破坏。对滑动，该点便发生剪切破坏。工程中的强度问题概述工程中的强度问题概述土的抗剪强度：土的抗剪强度：土体抵抗剪切破坏的极限能力土体抵抗剪切破坏的极限能力 l与土的抗剪强度直接相关的工程问题主要有三类：l1、土作为建筑材料构成的土工构筑物的稳定性问题。l2、土作为工程构筑物的环境问题。l3、土作为建筑物地基的承载力问题。l必须指出：在初等土力学中，对土的抗剪强度的分析研究和应用是孤立进行的。这是指研究土的抗剪强度时，只把土体作为刚塑性体而与变形问题截然分开，即

3、只考虑给定一种破坏准则而不进一步分析或计算所产生的变形大小。l一、库仑定律一、库仑定律17761776年，库仑根据年，库仑根据砂土砂土剪切试验剪切试验 f=tan 砂土砂土后来，根据后来，根据粘性土粘性土剪切试验剪切试验 f=c+tan 粘土粘土c 库仑定律：库仑定律：土的抗剪强土的抗剪强度是剪切面上的法向总应度是剪切面上的法向总应力力 的线性函数的线性函数 c:土的粘聚力土的粘聚力:土的内摩擦角土的内摩擦角 f f第二节第二节 土的抗剪强度理论土的抗剪强度理论l砂土的抗剪强度是由内摩阻力构成，而粘性土的抗剪强度则由内摩阻力和粘聚力两部分构成。l内摩阻力包括土粒之间的表面摩擦力和由于土粒之间的

4、连锁作用而产生的咬合力。l粘聚力包括原始粘聚力，固化粘聚力及毛细粘聚力。l砂土的内摩擦角变化范围不大，中砂、粗砂、砾砂一般为320400；粉砂、细砂一般为280360。l粘性土的抗剪强度指标的范围很大，它与土的种类有关，并且与土的天然结构是否破坏、试样在法向压力下的排水固结程度及试验方法等因素有关。l总应立法：l有效应力法：l 称作总应力抗剪强度指标，称作有效应力抗剪强度指标。抗剪强度的表示方法：1 1、土中一点的应力状态、土中一点的应力状态l土体内一点处土体内一点处不同方位不同方位的截面上应力的集合的截面上应力的集合（剪应（剪应力力 和法向应力和法向应力）3 3 1 1 3 1 dsdsco

5、s dssin 楔体静楔体静力平衡力平衡二、摩尔库伦强度条件 3 1 dldlcos dlsin 斜面上的应力斜面上的应力2、莫尔应力圆方程、莫尔应力圆方程 O 1 31/2(1+3)2 A(,)圆心坐标圆心坐标1/2(1+3)，0应力圆半径应力圆半径r1/2(13)土中某点的土中某点的应应力状态力状态可用莫可用莫尔应力圆描述尔应力圆描述 l1）摩尔圆与强度线的位置关系：相离相切相交（实际上不存在）3、摩尔库伦强度条件（2 2）土的极限平衡条件）土的极限平衡条件莫尔库仑破坏准则：莫尔库仑破坏准则：莫尔库仑破坏准则：莫尔库仑破坏准则：把莫尔应力圆与库仑抗把莫尔应力圆与库仑抗剪强度线相切时的应力状

6、态，即剪强度线相切时的应力状态，即=ff 时的极限时的极限平衡状态作为土的破坏准则。是目前判别土体平衡状态作为土的破坏准则。是目前判别土体所处状态的最常用或最基本的准则。所处状态的最常用或最基本的准则。根据这一准则，当土处于极限平衡状态即应理根据这一准则，当土处于极限平衡状态即应理解为破坏状态，此时的莫尔应力圆即称为极限解为破坏状态，此时的莫尔应力圆即称为极限应力圆或破坏应力圆，相应的一对平面即称为应力圆或破坏应力圆，相应的一对平面即称为剪切破坏面（简称剪破面）。剪切破坏面（简称剪破面）。土的极限平衡条件：土的极限平衡条件：土的极限平衡条件：土的极限平衡条件：根据莫尔库仑破坏准则根据莫尔库仑破

7、坏准则来研究某一土体单元处于极限平衡状态时的应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，称该关力条件及其大、小主应力之间的关系，称该关系为土的极限平衡条件。系为土的极限平衡条件。根据莫尔库仑破坏准则，当单元土体达到极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限平衡状态时，莫尔应力圆恰好与库仑抗剪强度线相切。度线相切。根据图中的几何关系并经过三角公式的变换，根据图中的几何关系并经过三角公式的变换，可得可得上上式式即即为为土土的的极极限限平平衡衡条条件件。当当土土的的强强度度指指标标c c，为为已已知知，若若土土中中某某点点的的大

8、大小小主主应应力力 11和和 33满满足足上上列列关关系系式式时时，则则该该土土体体正正好好处处于于极极限限平平衡衡或或破坏状态。破坏状态。从图中还可以看出，按照莫尔库仑破坏准则，从图中还可以看出，按照莫尔库仑破坏准则，当土处于极限平衡状态时，其极限应力圆与抗当土处于极限平衡状态时，其极限应力圆与抗剪强度线相切与剪强度线相切与D D点，这说明此时土体中已出点，这说明此时土体中已出现了一对剪破面。剪破面与大主应力面的夹角现了一对剪破面。剪破面与大主应力面的夹角 ff 称为破坏角，从图中的几何关系可得到理论剪称为破坏角，从图中的几何关系可得到理论剪破角为：破角为：ff=45+/2=45+/2 说明

9、：说明：剪破面并不产生于最大剪应力面，而与最大剪剪破面并不产生于最大剪应力面，而与最大剪应力面成应力面成 /2的夹角，可知，土的剪切破坏并不是由的夹角，可知，土的剪切破坏并不是由最大剪应力最大剪应力max所控制所控制 【例题61】已知某土体单元的大主应力已知某土体单元的大主应力11480kPa480kPa，小主应，小主应力力33210kPa210kPa。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=20kPac=20kPa，1818，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】已知已知11480kPa480kPa，33210kPa 210kPa，c=20kPac

10、=20kPa，1818（1 1）直接用）直接用 与与 ff的关系来判别的关系来判别由式（由式（6 64 4）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 为为由式（由式（6 62 2）求相应面上的抗剪强度）求相应面上的抗剪强度 ff为为由于由于 ff，说明，说明该单元体早已破该单元体早已破坏。坏。（2 2）利用公式（）利用公式（6 69 9）或式（）或式（6 68 8）的极限）的极限平衡条件来判别平衡条件来判别由式（由式（6 69 9）设达到极限平衡条件所需要的）设达到极限平衡条件所需要的小主应力值为小主应力值为 3f3f，此时把实际存在的大主应力，此时把实际存在的

11、大主应力 33=480kPa480kPa及强度指标及强度指标c c，代入公式（代入公式（6 69 9）中，则得中，则得也可由式（也可由式（6 68 8）计算达到极限平衡条件）计算达到极限平衡条件时所需要得大主应力值为时所需要得大主应力值为 1f1f，此时把实际存，此时把实际存在的小主应力在的小主应力 3 3=210kPa210kPa及强度指标及强度指标c c，代入代入公式（公式（6 68 8）中，）中，则得则得由计算结果表明，由计算结果表明，33 3f3f,1 1 1f 1f ，所以该单元，所以该单元土体早已破坏。土体早已破坏。第三节第三节 土的抗剪强度指标的确定土的抗剪强度指标的确定测定土抗

12、剪强度指标的试验称为测定土抗剪强度指标的试验称为剪切试验剪切试验剪切试验剪切试验，剪，剪切试验可以在试验室内进行，也可在现场原位切试验可以在试验室内进行，也可在现场原位条件下进行。按常用的试验仪器可将剪切试验条件下进行。按常用的试验仪器可将剪切试验分为分为直接剪切试验、三轴压缩试验、无侧限抗直接剪切试验、三轴压缩试验、无侧限抗直接剪切试验、三轴压缩试验、无侧限抗直接剪切试验、三轴压缩试验、无侧限抗压强度试验和十字板剪切试验压强度试验和十字板剪切试验压强度试验和十字板剪切试验压强度试验和十字板剪切试验四种。四种。一、直接剪切试验一、直接剪切试验用直接剪切仪（简称直剪仪）来测定土的抗剪强度用直接剪

13、切仪（简称直剪仪）来测定土的抗剪强度的试验称为的试验称为直接剪切试验直接剪切试验直接剪切试验直接剪切试验。直接剪切试验是测定预定剪破面上抗剪强度的最简直接剪切试验是测定预定剪破面上抗剪强度的最简便和最常用的方法。便和最常用的方法。直剪仪分直剪仪分应变控制式和应力控制式应变控制式和应力控制式应变控制式和应力控制式应变控制式和应力控制式两种，前者以等两种，前者以等应变速率使试样产生剪切位移直至剪破，后者是分应变速率使试样产生剪切位移直至剪破，后者是分级施加水平剪应力并测定相应的剪切位移。级施加水平剪应力并测定相应的剪切位移。目前我国使用较多的是目前我国使用较多的是应变控制式直剪仪应变控制式直剪仪应

14、变控制式直剪仪应变控制式直剪仪。直剪仪的示意图如图所示：直剪仪的示意图如图所示：剪切试验剪切试验剪前施加在试样顶面上剪前施加在试样顶面上的竖向压力为剪破面上的竖向压力为剪破面上的法向应力的法向应力，剪应力由剪应力由剪切力除以试样面积剪切力除以试样面积在法向应力在法向应力 作用下，剪应力与剪切位移关系曲线，作用下，剪应力与剪切位移关系曲线，根据曲线得到该根据曲线得到该 作用下作用下，土的抗剪强度土的抗剪强度4mm4mm a a b b 剪切位移剪切位移l(0.01mm)(0.01mm)剪应力剪应力（kPa)kPa)1 1 2 2 l在不同的垂直压力在不同的垂直压力 下进行剪切试验，得相应的抗剪下

15、进行剪切试验，得相应的抗剪强度强度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（一）快剪（Q）试验时在试样上施加垂直压力后，拔去固定销钉，立即以0.8mm/min的剪切速度进行剪切，使试样在3min5min内剪破。该试验所得的强度称为快剪强度，相应的指标称为快剪强度指标，以cQ，Q表示。为了考虑固结程度和排水条件对抗剪强度的影为了考虑固结程度和排水条件对抗剪强度的影响，根据加荷速率的快慢将直剪试验划分为快响，根据加荷速率的快慢将直剪试验划分为快剪、固结快剪和慢剪三种试验类型。剪、固结快剪和慢剪三种试验类型。（二）固结快剪（CQ）试验时对试样施加垂直压力后，每小时测读垂直

16、变形一次，直至变形稳定。变形稳定标准为变形量每小时不大于0.005mm，在拔去固定销，剪切过程同快剪试验。所得强度称为固结快剪强度，相应指标称为固结快剪强度指标，以ccq，cq表示。（三）慢剪（三）慢剪（S S）慢慢剪剪试试验验是是对对试试样样施施加加垂垂直直压压力力后后，待待固固结结稳稳定定后后，再再拔拔去去固固定定销销，以以小小于于0.6mm/min0.6mm/min的的剪剪切切速速度度使使试试样样在在充充分分排排水水的的条条件件下下进进行行剪剪切切，这这样样得得到到的的强强度度称称为为慢慢剪剪强强度度，其其相相应应的的指指标标称为慢剪强度指标，以称为慢剪强度指标，以c cSS，SS表示。

17、表示。上述三种方法的试验结果如下图所示。从图中上述三种方法的试验结果如下图所示。从图中可以看出，可以看出，c cQ Q c ccq cq c cS S，而，而 Q Q cq cq SS。直剪试验的设备简单，直剪试验的设备简单，试样的制备和安装方试样的制备和安装方便，且操作容易掌握，便，且操作容易掌握，至今仍为工程单位广至今仍为工程单位广泛采用。泛采用。直剪试验优缺点直剪试验优缺点l优点：优点：仪器构造简单，试样的制备和安装方便，仪器构造简单，试样的制备和安装方便，易于操作易于操作 l缺点：缺点：剪切破坏面固定为上下盒之间的水平面不符合剪切破坏面固定为上下盒之间的水平面不符合实际情况，不一定是土

18、样的最薄弱面。实际情况，不一定是土样的最薄弱面。试验中不能严格控制排水条件，对透水性强的试验中不能严格控制排水条件，对透水性强的土尤为突出，不能量测土样的孔隙水压力。土尤为突出，不能量测土样的孔隙水压力。上下盒的错动，剪切过程中试样剪切面积逐渐上下盒的错动，剪切过程中试样剪切面积逐渐减小，剪切面上的剪应力分布不均匀减小，剪切面上的剪应力分布不均匀例例 题题l砂土的一组直剪试验，当砂土的一组直剪试验，当=250KPa，土体剪，土体剪坏时坏时f=100KPa，试确定土样剪切面的位置，试确定土样剪切面的位置，并求出大小主应力的值。并求出大小主应力的值。二、三轴压缩试验l应变控制式三轴应变控制式三轴仪

19、：压力室，量仪：压力室，量测系统测系统三三三三轴轴轴轴压压压压缩缩缩缩试试试试验验验验直直接接量量测测的的是是试试样样在在不不同同恒恒定定周周围围压压力力下下的的抗抗压压强强度度，然然后后利利用用莫莫尔尔库库仑仑准准则间接推求土的抗剪强度。则间接推求土的抗剪强度。三三轴轴压压缩缩仪仪主主要要由由压压力力室室、加加压压系系统统和和量量测测系系统三大部分组成。统三大部分组成。三三轴轴是是指指一一个个竖竖向向和和两两个个侧侧向向而而言言，由由于于压压力力室室和和试试样样均均为为圆圆柱柱形形，因因此此，两两个个侧侧向向（或或称称周周围围）的的应应力力相相等等并并为为小小主主应应力力 33 ，而而竖竖向

20、向（或或轴轴向向）的的应应力力为为大大主主应应力力 11。在在增增加加 11时时保保持持 33 不不变变，这这样样条条件件下下的的试试验验称称为为常常常常规规规规三三三三轴轴轴轴压缩试验压缩试验压缩试验压缩试验。n试验步骤试验步骤:3 3 3 3 3 3 2.2.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1.1.装样装样抗剪强度包线抗剪强度包线l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3 34 4 个不同的破坏应力圆，绘出各应力圆的公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切线即为土的抗剪强度包线 抗剪强度包线抗剪强

21、度包线 c 三轴试验优缺点三轴试验优缺点l优点：优点：试验中能严格控制试样排水条件，量测孔隙水压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力，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 l缺点：缺点：试验仪器复杂，操作技术要求高，试样制备较复试验仪器复杂，操作技术要求高，试样制备较复杂杂 试验在试验在 2 2=3 3的轴对称条件下进行，与土体实际受的轴对称条件下进行，与土体实际受力情况可能不符力情况可能不符 三轴试验根据试样的固结和排水条件不同，可分三轴试验根据试样的固结和排水条件不同，可分为为不固结不排水剪（不固结不排水剪（不固结不排

22、水剪（不固结不排水剪（UUUU）、固结不排水剪（）、固结不排水剪（）、固结不排水剪（）、固结不排水剪（CU)CU)和固结排水剪（和固结排水剪（和固结排水剪（和固结排水剪（CD)CD)三种方法。分别对应于直剪三种方法。分别对应于直剪试验的试验的快剪、固结快剪和慢剪快剪、固结快剪和慢剪快剪、固结快剪和慢剪快剪、固结快剪和慢剪试验。试验。在进行不同方法的三轴试验时，都要先使试样在在进行不同方法的三轴试验时，都要先使试样在周围压力周围压力 cc下固结稳定。下固结稳定。若进行不若进行不固结不排水剪试验固结不排水剪试验固结不排水剪试验固结不排水剪试验，则在不排水条件下，则在不排水条件下施加周围压力增量施加

23、周围压力增量33，然后在不允许有水进出，然后在不允许有水进出的条件下，逐渐施加附加轴向压力的条件下，逐渐施加附加轴向压力q q，直至试样剪，直至试样剪破。因此，试验中径向应力破。因此，试验中径向应力 33等于等于（33+3 3），），轴向应力轴向应力 11等于（等于（33+q+q）。若若进进行行固固固固结结结结不不不不排排排排水水水水剪剪剪剪试试试试验验验验，要要允允许许试试样样在在周周围围压压力力增增量量33下下排排水水，待待固固结结稳稳定定后后，再再在在不不允允许许有有水水进进出出的的条条件件下下，逐逐渐渐施施加加附附加加轴轴向向压压力力q q，直至试样剪破。，直至试样剪破。固固固固结结结

24、结排排排排水水水水剪剪剪剪试试试试验验验验同同样样在在周周围围压压力力增增量量33下下排排水水，待待固固结结稳稳定定后后，在在允允许许有有水水进进出出的的条条件件下下以以极极慢慢的的速速率率对对试试样样逐逐渐渐施施加加附附加加轴轴向向压压力力q q，直直至至试试样样剪剪破破。可可以以看看出出，这这里里所所说说的的不不固固结结或或固固结结是是对对周周围围压压力力增增量量而而言言的的，不不排排水水或或排排水是对附加轴向压力而言的。水是对附加轴向压力而言的。三轴试验结果的整理与表达三轴试验结果的整理与表达l同一种土施加的总应力虽然相同，但若试验方法不同，或者说控制的排水条件不同，则所得的强度指标就不

25、同，故土的抗剪强度与总应力之间没有唯一的对应关系。l若试验时量测出了土样的孔隙水压力，就可以表达为：。对于同一种土，不论采取哪一种试验方法，只要能够准确两侧出土样破坏时孔隙水压力，则均可采用6-14 来表示土的强度关系，而且所得的抗剪强度指标应该是相同的。l换言之，在理论上抗剪强度与有效应力有一一对应关系。例例 题题l有一饱和粘性土试样，作三轴固结不排水试验，有一饱和粘性土试样，作三轴固结不排水试验，在周围压力在周围压力3=150KPa时施加偏应力，试样剪时施加偏应力，试样剪坏时坏时1=450KPa，孔隙水压力，孔隙水压力u=70KPa，剪，剪破面与大主应力作用面夹角是破面与大主应力作用面夹角

26、是58，问剪破时，问剪破时偏应力是多少？剪破面上有效法向应力及剪应偏应力是多少？剪破面上有效法向应力及剪应力是多少？粘聚力力是多少？粘聚力CCU是多少？是多少？三、无侧限抗压强度试验三三轴轴试试验验中中当当周周围围压压力力 33 0 0时时即即为为无无无无侧侧侧侧限限限限试试试试验验验验条条条条件件件件，这这时时只只有有q=q=11。所所以以，也也可可称称为为单单单单轴轴轴轴压压压压缩缩缩缩试试试试验验验验。由由于于试试样样的的侧侧向向压压力力为为零零，在在侧侧向向受受压压时时，其其侧侧向向变变形形不不受受限限制制，故故又又称称为为无无侧侧限限压压缩缩试试验验。同同时时，又又由由于于试试样样是

27、是在在轴轴向向压压缩缩的的条条件件下下破破坏坏的的，因因此此，把把这这种种情情况况下下土土所所能能承承受受的的最最大大轴轴向向压压力力称称为为无无侧侧限限抗抗压压强强度度以以q quu表表示示。试试样样仍仍用用圆圆柱柱状状试试样样，可可在在专门的无侧限仪上进行，也可在三轴仪上进行专门的无侧限仪上进行，也可在三轴仪上进行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，对试样不无侧限抗压强度试验是三轴剪切试验的特例，对试样不施加周围压力，即施加周围压力，即 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

28、样在无侧限压力条件下，剪切破坏时试样承受的最大试样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轴向压力qu，称为称为无侧限抗压强度无侧限抗压强度 试试样样无侧限无侧限压缩仪压缩仪根据试验结果只能作出一个极限应力圆（根据试验结果只能作出一个极限应力圆（3 3=0=0，1 1=qu）。）。因此对一般粘性土，无法作出强度包线因此对一般粘性土，无法作出强度包线 说明：说明：对于饱和软粘土，根据对于饱和软粘土，根据三轴不排水剪试验成果，其强三轴不排水剪试验成果，其强度包线近似于一水平线，即度包线近似于一水平线，即 u u=0=0，因此无侧限抗压强度试因此无侧限抗压强度试验适用于测定饱和软粘土的不

29、验适用于测定饱和软粘土的不排水强度排水强度qucu u=0无侧限抗压强度试验仪器构造简单，操作方便，无侧限抗压强度试验仪器构造简单，操作方便，可代替三轴试验测定饱和软粘土的不排水强度可代替三轴试验测定饱和软粘土的不排水强度 灵敏度灵敏度l粘性土的原状土无侧限抗压强度与原土结构完全破粘性土的原状土无侧限抗压强度与原土结构完全破坏的重塑土的无侧限抗压强度的比值坏的重塑土的无侧限抗压强度的比值反映土的结构反映土的结构受挠动对强度受挠动对强度的影响程度的影响程度 根据灵敏度将饱和粘性土分类：根据灵敏度将饱和粘性土分类：低灵敏度土低灵敏度土 1St2中灵敏度土中灵敏度土 24四、原位十字板剪切试验十十十

30、十字字字字板板板板剪剪剪剪切切切切试试试试验验验验是是一一种种利利用用十十字字板板剪剪切切仪仪在在现现场场测测定定土土的的抗抗剪剪强强度度的的方方法法。这这种种试试验验方方法法适适合合于于在在现现场场测测定定饱饱和和粘粘性性土土的的原原位位不不排排水水强强度度，特特别别适用于均匀的饱和粘性土。适用于均匀的饱和粘性土。十十字字板板剪剪切切仪仪主主要要由由两两片片十十字字交交叉叉的的金金属属板板头头、扭力装置和量测设备三部分组成。扭力装置和量测设备三部分组成。十字板剪切试验可在现场钻孔内进行。十字板剪切试验可在现场钻孔内进行。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

31、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。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，尤尤其其适适用用于于均均匀匀的的饱饱和和软软粘粘土土柱体上下平面的柱体上下平面的抗剪强度产生的抗剪强度产生的抗扭力矩抗扭力矩柱体侧面剪应力柱体侧面剪应力产生的抗扭力矩产生的抗扭力矩l五、抗剪强度指标的选用五、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，

32、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，建建筑筑物物施工速度较快施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，建建筑筑物加荷速率较慢物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，或地基条件等介于上述两种情况之间或地基条件等介于上述两种情况之间一、饱和粘性

33、土的抗剪强度（一）正常固结粘土（一）正常固结粘土1 1、不固结不排水强度（、不固结不排水强度（UUUU）不固结不排水剪切试验的过程如图所示。不固结不排水剪切试验的过程如图所示。第四节第四节 土的强度特性土的强度特性在饱和土的不固结不排水剪试验中，总强度包线在饱和土的不固结不排水剪试验中，总强度包线为一水平线。所以为一水平线。所以 uu=0 =0 ff=c=cuu=(=(1f1f-3f3f)/2)/22 2、固结不排水强度（、固结不排水强度（CUCU）固结不排水剪切试验的过程如图所示。固结不排水剪切试验的过程如图所示。正常固结土的正常固结土的CUCU试验总强度线是一条通过坐标试验总强度线是一条通

34、过坐标原点的直线，倾角为原点的直线，倾角为 cucu，c ccucu=0=0。其抗剪强度可表示为其抗剪强度可表示为 ff=tg=tgcu cu 若若在在固固结结不不排排水水剪剪试试验验中中量量测测孔孔隙隙水水应应力力，则则结结果果可可用用有有效效应应力力整整理理。从从破破坏坏时时的的总总应应力力中中减减去去u uff,可可得得到到相相应应破破坏坏时时的的有有效效大大主主应应力力1f1f和和有有效效小小主主应应力力3f3f及及破破坏坏应应力力圆圆，绘绘出出这这些些破破坏坏应应力力圆圆的的包包线线，可可得得有有效效应应力力强强度度包包线线。由由于于正正常常固固结结土土剪剪破破时时的的孔孔隙隙水水应

35、应力力为为正正值值，则则剪剪破破时时的的有有效效应应力力圆圆总总在在总总应应力力圆圆的的左左边边。有有效效应应力力强强度度包包线线也也是是通通过过坐坐标标原原点点的的直直线线，直直线线的的倾倾角角大大于于 cucu，c=0c=0，于于是是，用用有有效效应应力力表表示的示的CUCU试验抗剪强度为试验抗剪强度为 ff=tg=tg3 3、固结排水强度（、固结排水强度（CD)CD)固结排水剪切试验的过程如图所示。固结排水剪切试验的过程如图所示。CDCD试试验验中中的的有有效效应应力力强强度度指指标标常常用用c cdd，dd表表示示。其其强强度度包包线线是是一一条条通通过过坐坐标标原原点点的的直直线线，

36、其其倾倾角角为为 d d，c cdd0 0。于于是是，CDCD试试验验抗抗剪剪强强度度可可表表示示为为 ff=tg=tgdd 将上述三种三轴压缩试验的结果汇总于上图中将上述三种三轴压缩试验的结果汇总于上图中由图可见：由图可见：1 1、对对于于同同一一种种正正常常固固结结的的饱饱和和粘粘土土，当当采采用用三三种种不不同同的的试试验验方方法法来来测测定定其其抗抗剪剪强强度度时时，其其强强度度包包线是不同的。线是不同的。其其中中UUUU试试验验结结果果是是一一条条水水平平线线，CUCU和和CDCD试试验验各各是是一一条条通通过过坐坐标标原原点点的的直直线线。三三种种方方法法所所得得到到的的强度指标间

37、的关系是：强度指标间的关系是：c cuuc ccucu=c=cdd=0=0 dd cucu uu=0=02 2、试验结果表明，当用有效应力表示试验结、试验结果表明，当用有效应力表示试验结果时，三种剪切试验将得到基本相同的强度包果时，三种剪切试验将得到基本相同的强度包线及十分接近的有效应力强度指标，这就意味线及十分接近的有效应力强度指标，这就意味着同一种土三种试验的试样将沿着同一平面剪着同一种土三种试验的试样将沿着同一平面剪破。实测资料表明，破。实测资料表明，ff通常约为通常约为6060，而粘性，而粘性土的土的一般在一般在3030左右，实测的左右，实测的 ff角接近于角接近于（45+/245+/

38、2），这也是有效应力概念下的理论），这也是有效应力概念下的理论剪破角。剪破角。（二）超固结粘土（二）超固结粘土1 1、不固结不排水强度（、不固结不排水强度（UUUU试验）试验）超固结饱和粘性土的试验方法和过程与正常固结土超固结饱和粘性土的试验方法和过程与正常固结土的情况完全相同。它们的试验结果主要不同点在于：的情况完全相同。它们的试验结果主要不同点在于：对试样施加的周围压力即初始有效固结应力对试样施加的周围压力即初始有效固结应力 cc小于小于原位应力（或先期固结应力）原位应力（或先期固结应力）p pcc，即，即 cc p pcc，体现，体现试样剪前为超固结状态。试样剪前为超固结状态。由于由于U

39、UUU试验不允许试样固结排水，所以，一组试样试验不允许试样固结排水，所以，一组试样在剪前的有效应力和孔隙比均相同。因此，它们具在剪前的有效应力和孔隙比均相同。因此，它们具有相同直径的破坏应力圆，其强度包线也是一条水有相同直径的破坏应力圆，其强度包线也是一条水平线。平线。如如果果在在试试验验中中测测出出破破坏坏时时的的孔孔隙隙水水应应力力u uff，同同样样可可以以得得到到一一个个与与总总应应力力圆圆等等直直径径的的破破坏坏时时的的有有效效应应力力圆圆，如如图图中中虚虚线线所所示示。其其中中A A，B B两两圆圆是是强强超超固固结结土土的的总总应应力力圆圆，破破坏坏时时的的孔孔隙隙水水应应力力为

40、为负负值值，所所以以，有有效效应应力力圆圆在在总总应应力力圆圆的的右右边边；C C圆圆为为弱弱超超固固结结土土的的总总应应力力圆圆，平平破破坏坏时时的的孔孔隙隙水水应应力力为为正正值值，所所以以，有有效效应应力力圆圆在在总应力圆的左边。总应力圆的左边。2 2、固结不排水剪强度（、固结不排水剪强度（CUCU试验）试验）超超固固结结饱饱和和粘粘土土CUCU试试验验的的方方法法和和过过程程也也与与正正常常固固结结土土的的情情况况相相同同。超超固固结结饱饱和和粘粘土土试试验验的的抗剪强度可表达为抗剪强度可表达为 ff=c=ccucu+tg+tgcucu 如如果果在在试试验验中中，测测出出破破坏坏时时的

41、的孔孔隙隙水水应应力力u uff，则则可可得得到到以以有有效效应应力力表表示示的的破破坏坏有有效效应应力力圆圆及及其其强强度度包包线线，如如图图中中虚虚线线所所示示。其其中中A A圆圆为为强强超超固固结结的的，破破坏坏时时的的孔孔隙隙水水应应力力为为负负值值，有有效效应应力力圆圆在在总总应应力力圆圆的的右右侧侧；B B圆圆为为弱弱超超固固结结的的，破破坏坏时时的的孔孔隙隙水水应应力力为为正正值值，有有效效应应力力圆圆在在总总应应力力圆圆的的左左侧侧。以以有有效效应应力力表表示示的的抗抗剪剪强强度度为为 ff=c+tg=c+tg。从从图图中中可可看看出出，CUCU试试验验的的总总应应力力强度指标

42、与有效应力强度指标的关系是：强度指标与有效应力强度指标的关系是：c ccucuc c，cucu 3 3、固结排水剪强度（、固结排水剪强度（CDCD试验）试验）超固结饱和粘土超固结饱和粘土CDCD试验时的强度变化规律与试验时的强度变化规律与CUCU试试验验的的变变化化规规律律相相似似。但但是是，由由于于在在CDCD试试验验的的整整个个过过程程中中均均允允许许试试样样排排水水固固结结，孔孔隙隙水水应应力力始始终终为为零零，所所以以，剪剪切切面面上上的的总总应应力力全全部部转转化化为为有有效效应应力力，CDCD试试验验的的强强度度包包线线即即为为有有效效应应力力强强度度包线，如图所示。其抗剪强度可表

43、示为包线，如图所示。其抗剪强度可表示为 ff=c=cdd+tg+tgdd式式中中：c cdd，dd固固结结排排水水剪剪切切强强度度指指标标，并并且且c cdd=c=c，dd=以及以及=。将上述三种试验结果汇总于下图中将上述三种试验结果汇总于下图中从从图图中中可可以以看看出出，对对于于超超固固结结饱饱和和粘粘土土，当当采采用用三三种种不不同同的的试试验验方方法法来来测测定定其其抗抗剪剪强强度度时时，其其强强度度包包线线是是不不同同的的；其其中中UUUU试试验验是是一一条条水水平平线线，CUCU和和CDCD试试验验是是一一条条不不通通过过坐坐标标原原点点的的直线（实际上是微弯的曲线，但实际直线（实

44、际上是微弯的曲线，但实际上可用直线来代替）。它们的强度指标关系是上可用直线来代替）。它们的强度指标关系是 c cuuc ccu cu c cdd d d cu cu u u 0 0（一）砂土的内摩擦角（一）砂土的内摩擦角由由于于砂砂土土的的透透水水性性强强，它它在在现现场场的的受受剪剪过过程程大大多多相相当当于于固固结结排排水水剪剪情情况况，由由固固结结排排水水剪剪试试验验求求得得的的强强度度包包线线一一般般为为通通过过坐坐标标于于原原点点的的直直线线，可可表表达为达为 ff=tg=tgdd 式中：式中：dd固结排水剪求得的内摩擦角。固结排水剪求得的内摩擦角。二、无粘性土的抗剪强度二、无粘性土

45、的抗剪强度（二）砂土的应力轴向应变体变（二）砂土的应力轴向应变体变砂土的初始孔隙比不同，在受剪过程中将显示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。出非常不同的性状。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称为剪缩性；反之，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。然而，紧砂的这种剪胀趋势随着周围压力的增大，土粒的破碎而逐渐消失。在高周围压力下，不论砂土的松紧如何，受剪都将剪缩。图图中中表表示示同同一一种种砂砂土土，在在相相同同的的周周围围应应力

46、力作作用用下下，由由于于初初始始孔孔隙隙比比的的不不同同受受剪剪时时的的应应力力轴轴向向应应变变体体变变的的全全过过程程。从从图图中中可可以以看看出出，随随着着轴轴向向应应变变的的增增加加，松松砂砂的的强强度度逐逐渐渐增增大大，应应力力轴轴向向应应变变关关系系呈呈应应变变硬硬化化型型，它它的的体体积积则则逐逐渐减小。渐减小。但是，紧砂的强度达一定值后，随着但是，紧砂的强度达一定值后，随着轴向应变的继续增加强度反而减小，轴向应变的继续增加强度反而减小，应力轴向应变关系最后呈随应变软应力轴向应变关系最后呈随应变软化型，它的体积开始时稍有减小，继化型，它的体积开始时稍有减小，继而增加，超过了它的初始

47、体积。而增加，超过了它的初始体积。既然砂土在低周围压力下由于初始孔既然砂土在低周围压力下由于初始孔隙比的不同，剪破时的体积可能小于隙比的不同，剪破时的体积可能小于初始体积，也可能大于初始体积，那初始体积，也可能大于初始体积，那么，可以想象，砂土在某一初始孔隙么，可以想象，砂土在某一初始孔隙比下受剪，它剪破时的体积将等于其比下受剪，它剪破时的体积将等于其初始体积，这一初始孔隙比称为临界初始体积，这一初始孔隙比称为临界孔隙比。砂土的初始孔隙比将随周围孔隙比。砂土的初始孔隙比将随周围压力的增加而减小。压力的增加而减小。（三）砂土的液化（三）砂土的液化液化被定义为任何物质转化为液体的行为或过液化被定义

48、为任何物质转化为液体的行为或过程。对于饱和疏松的粉细砂，当受到突发的动程。对于饱和疏松的粉细砂，当受到突发的动力荷载时，例如地震荷载，一方面由于动剪应力荷载时，例如地震荷载，一方面由于动剪应力的作用有使体积缩小力的作用有使体积缩小的趋势，另一方面由于的趋势，另一方面由于时间短来不及向外排水，时间短来不及向外排水，因此就产生了很大的孔因此就产生了很大的孔隙水应力。按有效应力隙水应力。按有效应力原理，无粘性土的抗剪原理，无粘性土的抗剪强度应表达为强度应表达为作作 业业l1.土的内摩擦角为土的内摩擦角为=30，粘聚力，粘聚力C=5KPa土土中某点承受大、小主应力分别为中某点承受大、小主应力分别为 1

49、=260KPa，3=90KPa，判断该点的状态，判断该点的状态（剪坏、极限平衡、稳定）。（剪坏、极限平衡、稳定）。l2.有一无粘性土样进行直剪试验，当垂直压力加有一无粘性土样进行直剪试验，当垂直压力加到到250kPa，相应的水平剪应力为，相应的水平剪应力为160kPa时，土时，土样剪坏，试求：样剪坏，试求：（1）当垂直压力为）当垂直压力为400kPa时，应施加多大剪应力时，应施加多大剪应力才能使土样破坏；才能使土样破坏；（2）求出该土样的抗剪强度指标。）求出该土样的抗剪强度指标。作作 业业l3.已知土样的内摩擦角已知土样的内摩擦角=20，三轴试验剪坏，三轴试验剪坏时竖向压应力时竖向压应力1=200KPa,周围压力周围压力 3=100KPa，孔隙水压力，孔隙水压力u=15KPa,求破坏面求破坏面上的剪应力和有效法向应力以及土的粘聚力上的剪应力和有效法向应力以及土的粘聚力C。THE END FOR CHAPTER SIX