第五章土強(qiáng)度

5、土的抗剪強(qiáng)度5.1庫倫定律及摩爾-庫倫強(qiáng)度理論5.2土的剪切試驗(yàn)方法5.1概述變形破壞沉降、位移、不均勻沉降等超過規(guī)定限值(已學(xué))地基破壞

強(qiáng)度破壞地基整體或局部滑移、隆起，土工構(gòu)筑物失穩(wěn)、滑坡土體強(qiáng)度破壞的機(jī)理：

在外荷載作用下，土體中將產(chǎn)生剪應(yīng)力和剪切變形，當(dāng)土中某點(diǎn)由外力所產(chǎn)生的剪應(yīng)力達(dá)到土的抗剪強(qiáng)度時(shí)，土就沿著剪應(yīng)力作用方向產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，該點(diǎn)便發(fā)生剪切破壞。土的抗剪強(qiáng)度：土體抵抗剪切破壞的極限能力

工程背景

1.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(dòng)或因局部剪切破壞而導(dǎo)致過大的地基變形甚至傾覆。

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

擋土墻、基坑等工程中，墻后土體強(qiáng)度破壞將造成過大的側(cè)向土壓力，導(dǎo)致墻體滑動(dòng)、傾覆或支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞事故。

3.土工構(gòu)筑物的穩(wěn)定性問題3.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、滲流乃至暴雨作用下引起土體強(qiáng)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1776年，庫侖根據(jù)砂土剪切試驗(yàn)得出f=tan砂土后來，根據(jù)粘性土剪切試驗(yàn)得出f=c+tan粘土c庫侖定律：土的抗剪強(qiáng)度是剪切面上的法向總應(yīng)力

的線性函數(shù)

ffPTA土樣庫倫公式抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c:土的粘聚力:土的內(nèi)摩擦角(無粘性土：c=0)

土的抗剪強(qiáng)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)，通常呈正比例關(guān)系，其本質(zhì)是摩擦力；另一部分是與法向應(yīng)力無關(guān)的土粒之間的粘結(jié)力，通常稱為粘聚力。表達(dá)方法土的抗剪強(qiáng)度總應(yīng)力法：總應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)有效應(yīng)力法：有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)5.1.2莫爾-庫倫強(qiáng)度理論當(dāng)土體中某點(diǎn)任意平面上的剪應(yīng)力等于土的抗剪強(qiáng)度時(shí)，該點(diǎn)處于臨界破壞狀態(tài)，這種狀態(tài)稱為“極限平衡狀態(tài)”。表征該狀態(tài)下各種應(yīng)力之間的關(guān)系稱為“極限平衡條件”τ=τf

極限平衡狀態(tài)如何判斷土中某點(diǎn)是否破壞，有二種方法：應(yīng)力圓與強(qiáng)度線相離：

強(qiáng)度線應(yīng)力圓與強(qiáng)度線相切：應(yīng)力圓與強(qiáng)度線相割：極限應(yīng)力圓τ<τf

彈性平衡狀態(tài)

τ=τf

極限平衡狀態(tài)

τ>τf

破壞狀態(tài)

1、通過繪圖判斷土體某點(diǎn)是否破壞2、通過極限平衡條件（莫爾－庫侖破壞準(zhǔn)則）判斷31c

f2

fAcctg1/2(1+3)土體某點(diǎn)是否破壞σ1f=σ3tg2(45+φ/2)＋2ctg(45+φ/2)σ3f=σ1tg2(45－φ/2)－2ctg(45－φ/2)土體處于極限平衡狀態(tài)所能承受最大或最小主應(yīng)力：由σ3計(jì)算σ1f比較σ1與σ1fσ1<σ1f

彈性平衡狀態(tài)σ1=σ1f

極限平衡狀態(tài)σ1>σ1f

破壞狀態(tài)假設(shè)已知某點(diǎn)的大小主應(yīng)力σ1、σ3判斷破壞可能性由σ3計(jì)算σ1f比較σ1與σ1fσ1<σ1f

彈性平衡狀態(tài)σ1=σ1f

極限平衡狀態(tài)σ1>σ1f

破壞狀態(tài)Oc1f311

破壞判斷方法判別對(duì)象：土體微小單元（一點(diǎn)）的方法測(cè)定土抗剪強(qiáng)度直接剪切試驗(yàn)三軸壓縮試驗(yàn)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)十字板剪切儀5.2

土的剪切試驗(yàn)方法試驗(yàn)儀器：直剪儀（應(yīng)變控制式，應(yīng)力控制式）5.2.1直接剪切試驗(yàn)應(yīng)變控制式直剪儀的試驗(yàn)原理：

對(duì)同一種土至少取4個(gè)平行試樣，分別在不同垂直壓力下剪切破壞，將試驗(yàn)結(jié)果繪制抗剪強(qiáng)度f與相應(yīng)垂直壓力的關(guān)系圖。剪切容器與應(yīng)力環(huán)在不同的垂直壓力下進(jìn)行剪切試驗(yàn)，得相應(yīng)的抗剪強(qiáng)度τf，繪制τf-

曲線，得該土的抗剪強(qiáng)度包線在法向應(yīng)力作用下，剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線。4mm

a

b

剪切位移△l(0.01mm)

剪應(yīng)力（kPa)

1

2

快剪固結(jié)快剪慢剪在直剪試驗(yàn)過程中，根據(jù)加荷速率的快慢可將試驗(yàn)劃分為:直剪試驗(yàn)優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：儀器構(gòu)造簡(jiǎn)單，試樣的制備和安裝方便，易于操作。缺點(diǎn)：①剪切破壞面固定，且不一定是土樣的最薄弱面。②不能嚴(yán)格控制排水條件，不能量測(cè)土樣的孔隙水壓力。③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。一、抗剪強(qiáng)度包線分別在不同的周圍壓力3作用下進(jìn)行剪切，得到3～4個(gè)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(qiáng)度包線。

抗剪強(qiáng)度包線

c5.2.2三軸壓縮試驗(yàn)

3

3

3

3二、三軸剪切試驗(yàn)試驗(yàn)儀器：應(yīng)變控制式三軸儀：壓力室，加壓系統(tǒng)，量測(cè)系統(tǒng)組成(常用）應(yīng)力控制式三軸儀試驗(yàn)步驟:2.施加周圍壓力3.施加豎向壓力1.裝樣三軸壓縮儀應(yīng)變控制式三軸儀：壓力室加壓系統(tǒng)量測(cè)系統(tǒng)軸向加荷系統(tǒng)加壓和量測(cè)系統(tǒng)三軸壓縮試驗(yàn)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(yàn)方法。工程應(yīng)用時(shí)，當(dāng)?shù)鼗恋耐杆院团潘畻l件不良而施工速度較快時(shí)，可選用UU剪切試驗(yàn)指標(biāo)；當(dāng)?shù)鼗恋耐杆院团潘畻l件較好而施工速度較慢時(shí)，可選用CD剪切試驗(yàn)指標(biāo)；當(dāng)建筑物停工或竣工較久后又突然加層，可選用CU剪切試驗(yàn)指標(biāo)。

三軸試驗(yàn)根據(jù)排水條件不同可分為三種試驗(yàn)方法及每種試驗(yàn)方法所得指標(biāo)的適用性：三軸試驗(yàn)優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：

①能控制排水條件，量測(cè)孔隙水壓力。②試樣的應(yīng)力分布比較均勻，剪切破壞面為最薄弱面。

缺點(diǎn)：

①試驗(yàn)儀器復(fù)雜，操作技術(shù)要求高，試樣制備較復(fù)雜。②試驗(yàn)在2=3的軸對(duì)稱條件下進(jìn)行，與土體實(shí)際受力情況可能不符。