第五章土的強度

1、5、土的抗剪強度土的抗剪強度E5.1 5.1 庫倫定律及摩爾庫倫定律及摩爾- -庫倫強度理論庫倫強度理論E5.2 5.2 土的剪切試驗方法土的剪切試驗方法 5.1概述 變形破壞變形破壞 沉降、位移、不均勻沉降等超過規(guī)定限值沉降、位移、不均勻沉降等超過規(guī)定限值(已學(xué)已學(xué)) 地基破壞地基破壞 強度破壞強度破壞 地基整體或局部滑移、隆起，地基整體或局部滑移、隆起， 土工構(gòu)筑物失穩(wěn)、土工構(gòu)筑物失穩(wěn)、 滑坡滑坡土體強度破壞的機理：土體強度破壞的機理： 在外荷載作用下，土體中將產(chǎn)生剪應(yīng)力和剪切變形，在外荷載作用下，土體中將產(chǎn)生剪應(yīng)力和剪切變形，當土中某點由外力所產(chǎn)生的剪應(yīng)力達到土的抗剪強度時，當土中某點由

2、外力所產(chǎn)生的剪應(yīng)力達到土的抗剪強度時，土就沿著剪應(yīng)力作用方向產(chǎn)生相對滑動，該點便發(fā)生土就沿著剪應(yīng)力作用方向產(chǎn)生相對滑動，該點便發(fā)生剪切剪切破壞。破壞。土的抗剪強度：土的抗剪強度：土體抵抗剪切破壞的極限能力土體抵抗剪切破壞的極限能力 1. 建筑物地基承載力問題建筑物地基承載力問題 基礎(chǔ)下的地基土體產(chǎn)生整體滑動或因局部剪切破壞而導(dǎo)致過大的地基變基礎(chǔ)下的地基土體產(chǎn)生整體滑動或因局部剪切破壞而導(dǎo)致過大的地基變形形 甚至傾覆。甚至傾覆。 建筑物地基承載力問題(圖4)2. 構(gòu)筑物環(huán)境的安全性問題即土壓力問題構(gòu)筑物環(huán)境的安全性問題即土壓力問題 擋土墻、基坑等工程中，墻后土體強度破壞將造成過大的側(cè)向土壓力，擋

3、土墻、基坑等工程中，墻后土體強度破壞將造成過大的側(cè)向土壓力，導(dǎo)致墻體滑動、傾覆或支護結(jié)構(gòu)破壞事故導(dǎo)致墻體滑動、傾覆或支護結(jié)構(gòu)破壞事故 。 3.土土工工構(gòu)構(gòu)筑筑物物的的穩(wěn)穩(wěn)定定性性問問題題3. 土工構(gòu)筑物的穩(wěn)定性問題土工構(gòu)筑物的穩(wěn)定性問題 土壩、路堤等填方邊坡以及天然土坡等，在超載、滲流乃至暴雨作土壩、路堤等填方邊坡以及天然土坡等，在超載、滲流乃至暴雨作用下引起土體強度破壞后將產(chǎn)生整體失穩(wěn)邊坡滑坡等事故。用下引起土體強度破壞后將產(chǎn)生整體失穩(wěn)邊坡滑坡等事故。5.1.1 庫侖定律庫侖定律17761776年，庫侖根據(jù)年，庫侖根據(jù)砂土砂土剪切試驗得出剪切試驗得出 f = tan 砂土砂土后來，根據(jù)后來，

4、根據(jù)粘性土粘性土剪切試驗剪切試驗得出得出 f =c+ tan 粘土粘土c 庫侖定律：庫侖定律：土的抗剪強土的抗剪強度是剪切面上的法向總應(yīng)度是剪切面上的法向總應(yīng)力力 的線性函數(shù)的線性函數(shù) tanfcftan f fPTA土樣庫倫公式庫倫公式 tgcf cf 抗剪強度指標抗剪強度指標c: :土的粘聚力土的粘聚力 : :土的內(nèi)摩擦角土的內(nèi)摩擦角( (無粘性土：無粘性土：c=0) 土的抗剪強度一般可分為兩部分：一部土的抗剪強度一般可分為兩部分：一部分與顆粒間的法向應(yīng)力有關(guān)，通常呈正比例分與顆粒間的法向應(yīng)力有關(guān)，通常呈正比例關(guān)系，其本質(zhì)是關(guān)系，其本質(zhì)是摩擦力摩擦力；另一部分是與法向；另一部分是與法向應(yīng)力

5、無關(guān)的土粒之間的粘結(jié)力，通常稱為應(yīng)力無關(guān)的土粒之間的粘結(jié)力，通常稱為粘粘聚力聚力。表達方法表達方法土的抗剪強度土的抗剪強度總應(yīng)力法：總應(yīng)力法：總應(yīng)力強度指標總應(yīng)力強度指標有效應(yīng)力法：有效應(yīng)力法：有效應(yīng)力強度指標有效應(yīng)力強度指標uu5.1.2 莫爾莫爾- -庫倫強度理論庫倫強度理論 當土體中某點任意平面上的剪應(yīng)力等于土的抗當土體中某點任意平面上的剪應(yīng)力等于土的抗剪強度時，該點處于臨界破壞狀態(tài)，這種狀態(tài)稱為剪強度時，該點處于臨界破壞狀態(tài)，這種狀態(tài)稱為“極限平衡狀態(tài)極限平衡狀態(tài)”。表征該狀態(tài)下各種應(yīng)力之間的。表征該狀態(tài)下各種應(yīng)力之間的關(guān)系稱為關(guān)系稱為“極限平衡條件極限平衡條件”=f 極限平衡狀態(tài)極限

6、平衡狀態(tài)如何判斷土中某點是否破壞，有二種方法：如何判斷土中某點是否破壞，有二種方法：應(yīng)力圓與強度線應(yīng)力圓與強度線相離：相離： 強度線強度線應(yīng)力圓與強度線應(yīng)力圓與強度線相切：相切：應(yīng)力圓與強度線應(yīng)力圓與強度線相割：相割：極限應(yīng)極限應(yīng)力圓力圓f 破壞狀態(tài)破壞狀態(tài) 1、通過繪圖判斷土體某點是否破壞、通過繪圖判斷土體某點是否破壞2 2、通過極限平衡條件（莫爾庫侖破壞準、通過極限平衡條件（莫爾庫侖破壞準 則）判斷則）判斷 3 1c f2 fA cctg 1/2( 1 + 3 )313121cot21sinc土體某點是否破壞土體某點是否破壞1f= 3tg2(45+/2)2ctg (45+/2)3f= 1t

7、g2(45/2)2ctg (45/2)土體處于極限平衡狀態(tài)所能承土體處于極限平衡狀態(tài)所能承受最大或最小主應(yīng)力：受最大或最小主應(yīng)力：由由3計算計算1f比較比較1與與1f1 1f 破壞狀態(tài)破壞狀態(tài)213452tg 4522ftgc213452tg 4522ftgc假設(shè)已知某點的大小主應(yīng)假設(shè)已知某點的大小主應(yīng)力力1、3判斷破壞可能性判斷破壞可能性由由3計算計算1f比較比較1與與1f1 1f 破壞狀態(tài)破壞狀態(tài) O c 1f 3 1 1 破壞判斷方法破壞判斷方法判別對象：土體微小單元（一點）判別對象：土體微小單元（一點）的方法的方法測定土抗剪強度測定土抗剪強度直接剪切試驗直接剪切試驗三軸壓縮試驗三軸壓縮

8、試驗無側(cè)限抗壓強度試驗無側(cè)限抗壓強度試驗現(xiàn)場十字板剪切儀現(xiàn)場十字板剪切儀5.2 土的剪切試驗方法土的剪切試驗方法試驗儀器：試驗儀器：直剪儀（直剪儀（應(yīng)變控制式應(yīng)變控制式，應(yīng)力控制式），應(yīng)力控制式）5.2.1 直接剪切試驗直接剪切試驗應(yīng)變控制式直剪儀的試驗原理：應(yīng)變控制式直剪儀的試驗原理： 對同一種土至少取對同一種土至少取4個平行試樣，分別個平行試樣，分別在不同垂直壓力在不同垂直壓力 下剪切破壞，將試驗結(jié)果下剪切破壞，將試驗結(jié)果繪制抗剪強度繪制抗剪強度 f與相應(yīng)垂直壓力與相應(yīng)垂直壓力 的關(guān)系圖。的關(guān)系圖。剪切容器與應(yīng)力環(huán) 在不同的垂直壓力在不同的垂直壓力 下進行剪切試驗，得相應(yīng)的抗剪下進行剪切試

9、驗，得相應(yīng)的抗剪強度強度f，繪制繪制f - 曲線，得該土的抗剪強度包線曲線，得該土的抗剪強度包線APATf在法向應(yīng)力在法向應(yīng)力 作用下，剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線。作用下，剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線。4 4mmmm a a b b 剪切位移剪切位移l (0.01mm)(0.01mm) 剪應(yīng)力剪應(yīng)力 （kPa)kPa) 1 1 2 2 v快剪快剪v固結(jié)快剪固結(jié)快剪v慢剪慢剪在直剪試驗過程中，根據(jù)加荷速率的快慢可將試驗 劃分為:直剪試驗優(yōu)缺點直剪試驗優(yōu)缺點n優(yōu)點：優(yōu)點：儀器構(gòu)造簡單，試樣的制備和安裝方便，儀器構(gòu)造簡單，試樣的制備和安裝方便，易于操作。易于操作。 n缺點：缺點： 剪切破壞面固定，且不一定

10、是土樣的最薄弱面。剪切破壞面固定，且不一定是土樣的最薄弱面。 不能嚴格控制排水條件，不能量測土樣的孔隙水不能嚴格控制排水條件，不能量測土樣的孔隙水壓力。壓力。 剪切過程中試樣剪切面積逐漸減小，剪切面上的剪切過程中試樣剪切面積逐漸減小，剪切面上的剪應(yīng)力分布不均勻。剪應(yīng)力分布不均勻。一、抗剪強度包線一、抗剪強度包線 分別在不同的周圍壓力分別在不同的周圍壓力 3作用下進行剪切，得作用下進行剪切，得到到3 34 4 個不同的破壞應(yīng)力圓，繪出各應(yīng)力圓的公切個不同的破壞應(yīng)力圓，繪出各應(yīng)力圓的公切線即為土的抗剪強度包線。線即為土的抗剪強度包線。 抗剪強度包線抗剪強度包線 c 5.2.2 三軸壓縮試驗三軸壓縮

11、試驗 3 3 3 33131二、三軸剪切試驗二、三軸剪切試驗n試驗儀器：試驗儀器： 應(yīng)變控制式應(yīng)變控制式三軸儀：三軸儀：壓力室壓力室，加壓系統(tǒng)加壓系統(tǒng)，量測系量測系 統(tǒng)統(tǒng)組成組成 ( (常用常用） 應(yīng)力控制式三軸儀應(yīng)力控制式三軸儀n試驗步驟試驗步驟: :2.2.施加周圍壓力施加周圍壓力3.3.施加豎向壓力施加豎向壓力1.1.裝樣裝樣三軸壓縮儀三軸壓縮儀應(yīng)變控制式三軸儀：應(yīng)變控制式三軸儀：n壓力室壓力室n加壓系統(tǒng)加壓系統(tǒng)n量測系統(tǒng)量測系統(tǒng)軸向加荷系統(tǒng)加壓和量測系統(tǒng)v三軸壓縮試驗按排水條件的不同，可分為不固結(jié)不排水剪(UU剪)、固結(jié)不排水剪(CU剪)和固結(jié)排水剪(CD剪)三種試驗方法。工程應(yīng)用時，

12、當?shù)鼗恋耐杆院团潘畻l件不良而施工速度較快時，可選用UU剪切試驗指標；當?shù)鼗恋耐杆院团潘畻l件較好而施工速度較慢時，可選用CD剪切試驗指標；當建筑物停工或竣工較久后又突然加層，可選用CU剪切試驗指標。 三軸試驗根據(jù)排水條件不同可分為三種試驗方法三軸試驗根據(jù)排水條件不同可分為三種試驗方法及每種試驗方法所得指標的適用性：及每種試驗方法所得指標的適用性：三軸試驗優(yōu)缺點三軸試驗優(yōu)缺點 優(yōu)點：優(yōu)點： 能控制排水條件，量測孔隙水壓力。能控制排水條件，量測孔隙水壓力。試樣的應(yīng)力分布比較均勻，試樣的應(yīng)力分布比較均勻，剪切破壞面為最薄弱面。剪切破壞面為最薄弱面。 缺點：缺點： 試驗儀器復(fù)雜，操作技術(shù)要求高，試樣制備較復(fù)雜。試驗儀器復(fù)雜，操作技術(shù)要求高，試樣制備較復(fù)雜。 試驗在試驗在 2 2= = 3 3的軸對稱條件下進行，與土體實際受力情的軸對稱條件下進行，與土體實際受力情況可能不符。況可能不符。 ququ加壓加壓框架框架量表量表量力環(huán)量力環(huán)升降升降螺桿螺桿無側(cè)限壓縮儀