土力學-土的抗剪強度課件

土的抗剪強度--工程危害示例大阪的港口碼頭檔土墻由于液化前傾1龍觀嘴黃崖溝烏江土的抗剪強度--工程危害示例2000年西藏易貢巨型滑坡2日本新瀉1964年地震引起大面積液化3粘土地基上的某谷倉地基破壞無粘性土一般無連結，抗剪強度主要是由顆粒間的摩擦力組成，這與粒度、密實度和含水情況有關。

4土的抗剪強度的數(shù)學表達f=tan砂類土ff=c+tan粘性土cf總應力表示法可表示為總應力表示法和有效應力表示法。其中f

為抗剪強度，為法向應力，c為內(nèi)聚力或粘聚力，為內(nèi)摩擦角51.作用于土體的有效應力等于總應力σ和孔隙水壓力u之差，即2.土體的強度及變形性質(zhì)只取決于作用其上的有效應力，孔隙水壓力對這些性質(zhì)無影響。式中，為土的有效粘聚力和有效內(nèi)摩擦角。有效應力表示法：總應力表示法有廣泛的應用性，因為當排水條件好，孔隙水壓力很小時，總應力幾乎都作用在土體顆粒上，故總應力法在工程中有很多情況下可以近似采用。6便于應用,但u不能產(chǎn)生抗剪強度，不符合強度機理，應用時要符合工程條件土的抗剪強度的有效應力指標c,=c+tg

=-u符合土的破壞機理，但有時孔隙水壓力u無法確定土的抗剪強度的總應力指標c,=c+tg

強度指標抗剪強度簡單評價總應力表示法和有效應力表示法之比較7土的抗剪強度的試驗方法

按排水條件分UU試驗--快剪（不排水剪）：在剪切試驗過程中土的含水量不變，因此，無論加垂直壓力或水平剪力，都必須迅速進行，不讓孔隙水排出。適用范圍：加荷速率快，排水條件差CU試驗--固結快剪（固結不排水剪）：試樣在垂直壓力下排水固結穩(wěn)定后，迅速施加水平剪力，以保持土樣的含水量在剪切前后基本不變。試用范圍：一般建筑物地基的穩(wěn)定性，施工期間具有一定的固結作用。CD試驗--慢剪（固結排水剪）：土樣的上下兩面均為透水石，以利排水，在垂直壓力作用下，待充分排水固結穩(wěn)定后，再緩慢施加水平剪力，直至土樣破壞。適用范圍：加荷速率慢，排水條件好，施工期長，8直接剪切試驗優(yōu)點：儀器構造簡單，操作方便缺點：（1）剪切面不一定是試樣抗剪能力最弱的面；（2）剪切面上應力分布不均，且受面積愈來愈??；（3）不能控制排水條件，測不出孔隙水壓力的變化。

三軸剪切試驗優(yōu)點：（1）試驗中能控制排水條件及測定孔隙水壓力變化；（2）剪切面不固定；（3）應力狀態(tài)明確；（4）除抗剪強度外，能測定其它指標。缺點：（1）操作復雜；（2）所需試樣多；（3）主應力方向固定不變，且只反映軸對稱情況，與實際情況尚不符。

土的抗剪強度的試驗方法

按試驗儀器分★環(huán)剪試驗優(yōu)點：（1）試驗中能控制排水條件及測定孔隙水壓力變化；（2）應力狀態(tài)明確；（3）剪切面積大，高速、高壓，更接近實際情況（4）能測出峰值強度和殘余強度。缺點：（1）剪切面人為確定；（2）操作復雜；（3）所需試樣多，且為擾動樣。

9土的抗剪強度試驗—直接剪切試驗試驗儀器：直剪儀（應力控制式，應變控制式）101112在法向應力作用下，剪應力與剪切位移關系曲線如圖所示，可以顯示出峰值強度和殘余強度。直接剪切試驗a

b

剪切位移△l(0.01mm)

剪應力（kPa)

a點—對應峰值強度b點—對應殘余強度13在不同的垂直壓力下進行剪切試驗，得相應的抗剪強度τf，繪制τf

-

曲線，得該土的抗剪強度包線14三軸剪切試驗15

3

3

3

3

3

3△△試驗原理將試樣置于壓力室中，土樣受三向壓力，通過控制三向壓力大小組合關系，研究土樣產(chǎn)生斜向或沿弱面破裂的特征。試樣破壞的本質(zhì)是壓—剪型。根據(jù)受壓力大小的組合關系，可分為常規(guī)三軸真三軸試驗三軸擠長三軸壓縮16試驗步驟:2.施加周圍壓力3.施加豎向壓力1.裝樣分為不固結不排水試驗、固結不排水試驗和固結排水試驗。17三軸剪切試驗抗剪強度包線

c分別在不同的周圍壓力3作用下進行剪切，得到3～4個不同的破壞應力圓，繪出各應力圓的公切線即為土的抗剪強度包線?？辜魪姸劝€18環(huán)剪試驗儀器名稱：高速高壓大型環(huán)剪試驗機主要功能：可測土的抗剪強度、孔隙水壓力隨時間變化的歷程主要特點：高速：最大運動速度可達30cm/s高壓：最大壓力可達500kPa19環(huán)剪試驗儀器構造：一般包括三部分，即主機，控制臺和控制系統(tǒng)可完成的試驗項目排水不排水固結慢剪固結快剪急速荷載震動荷載單向雙向20環(huán)剪試驗可測定參數(shù)：孔隙水壓力動態(tài)發(fā)生變化內(nèi)聚力土的抗剪強度：峰值強度，殘余強度摩擦角：運動狀態(tài)下瞬時荷載下21抗剪強度的基本理論土的屈服特性：土的屈服是隨應力作用經(jīng)加荷、卸荷、再加荷反復過程不斷硬化的過程，土的破壞是強度問題，而屈服過程的極限結果是破壞?？刂仆疗茐牡膹姸壤碚摶蚱茐臏蕜t是指對土的屈服、破壞現(xiàn)象和機理的科學假說。常用的破壞準則最大切應力理論庫侖-莫爾(Columb-Hohr)理論米塞斯（Mises）理論Druker-Prager理論22最大切應力理論先由庫侖提出，后被特雷斯加推廣應用到塑性流動的情況，表達式為米塞斯（Mises）理論德魯克-普拉格理論該理論認為材料的應變能達到極限時就進入破壞狀態(tài)，其方程表達式為式中I1為應力偏張量第一不變量J1為應力偏張量的第二不變量23各種破壞準則24庫侖定律（剪切定律）f=c+tan粘土cff=tan砂土f1776年，庫侖根據(jù)砂土剪切試驗得到如下曲線，后推到粘性土中25庫侖定律：土的抗剪強度是剪切面上的法向總應力

的線性函數(shù)c:土的粘聚力:土的內(nèi)摩擦角（1）土的抗剪強度由土的內(nèi)摩擦力和內(nèi)聚力兩部分組成；（2）內(nèi)摩擦力與剪切面上的法向應力成正比，其比值為土的內(nèi)摩擦系數(shù)；（3）表征抗剪強度指標：土的內(nèi)摩擦角φ和內(nèi)聚力c。

砂土粘性土庫侖定律說明：26庫侖—摩爾理論摩爾在庫侖研究的基礎上提出了摩爾圓和強度理論

該理論認為，材料的破壞既和某一截面上的切應力大小有關，也和作用于該面上的法向應力有關；在實際破壞面上切應力和法向應力呈某一函數(shù)關系，即上式也可以寫成根據(jù)這個函數(shù)關系確定的曲線叫摩爾抗剪強度包絡線27在三向應力狀態(tài)下，如果不考慮中間主應力的影響，對一點應力狀態(tài)，有如下關系式上式顯然為一圓方程，圓心坐標為，半徑為這就是莫爾圓方程。28莫爾理論臨界破壞角32確定c,ψ3129當土樣處于破壞時的σ1，σ2

，對應做出的莫爾圓成為極限莫爾應力圓。顯然它和抗剪強度包羅線相切。莫爾圓上每個點代表一個某種應力狀態(tài)下的斜平面。對一種土樣可以有一系列的極限莫爾圓（對應不同的正應力和抗剪強度），而抗剪強度包羅線就是這些極限應力圓的公切線。30而實際破壞時臨界狀態(tài)時，即實際破裂面和最大主應力作用面之間的夾角。從圖中可看出，對稱于橫軸，有另一組對應的莫爾圓的切線，表明實際巖土體有兩組破裂面，且最大主應力作用面分別呈

從莫爾圓看出，最大切應力作用面位置據(jù)此，可得31從RT△OAN可以得到極限平衡條件或臨塑條件32莫爾理論的缺點：忽略了中間主應力σ2的影響。為了消除或彌補這種缺陷，可考慮采用下面的形式：33庫侖—莫爾理論的應用：

1.確定土的值。

強度線極限應力圓應力圓與強度線相離：應力圓與強度線相切：應力圓與強度線相割：彈性平衡狀態(tài)

極限平衡狀態(tài)

破壞狀態(tài)

34也可以根據(jù)任意兩個極限莫爾圓的建立方程求解值。上式中也可以用有效應力表示，可解出值。35

2.判斷土樣的破壞。36砂類土的抗剪強度特征內(nèi)摩擦力的影響因素顆粒間的摩擦力，咬合狀態(tài)，剪脹作用，顆粒形狀及礦物成分值作為抗剪強度的指標。是反映土的凝聚力和內(nèi)摩擦力的量化體現(xiàn)。37密實度對抗剪強度的影響

見圖，不同的密實度的砂在相同圍壓σ3作用下應力-應變的關系，表現(xiàn)為明顯的強度變化特征，峰值強度，殘余強度很明顯。松砂抗剪強度隨軸向應變的增加而增大，呈硬化型，整個剪切過程中表現(xiàn)為剪縮特性。密砂內(nèi)摩擦角大，孔隙比小，變化不明顯。剪脹特性。

松砂和密砂在剪切最后最終強度趨于相同。38砂土臨界孔隙比臨界孔隙比的概念砂土在一定圍壓作用下當具有某一特定孔隙比時，在剪切過程中其體積既不膨脹，也不縮小，此時的孔隙比就稱為臨界孔隙比，以ecr表示之。臨界孔隙比和圍壓大小的關系：圍壓越大，ecr越?。粐鷫涸叫?，ecr越大。如果e0

＞

ecr

，該砂就是松砂；

e0

＜ecr

，該砂就是密砂。砂土的臨界孔隙比在動荷載和靜荷載下臨界孔隙比不同。39室內(nèi)實驗的壓力相對小，和實際工程有差異。而野外的高壓力對土的抗剪強度影響是，強度趨于常量。在整個高壓作用下的受力過程中，土的抗剪強度包羅線可近似為三段：砂類土在高壓下的剪切特性：初期—斜直線段；中期—直線斜率降低；后期—塑性變形出現(xiàn)，呈另一直線段。40例題5-141例題5-2同上題，說明為什么破壞面發(fā)生在α=57°的平面上，而不是發(fā)生在最大切應力作用面上？解：

由有效應力原理，在實際破裂面上在α=45°的斜面上（最大切應力作用面）不破壞42粘性土的抗剪強度特征不排水剪強度UU試驗，或快剪試驗總應力圓有無數(shù)多個，而有效應力圓則只有一個，故無法確定有效應力指標顯然，總應力莫爾圓半徑相等，故是一條平行于橫軸的直線，即因此43無側限抗壓強度試驗飽和黏性土，做單軸實驗即，則，如令為單軸抗壓強度，則上式表明飽和黏土的抗剪強度等于無側限（單軸）抗壓強度的一半。利用無側限抗壓強度實驗可以測定土的靈敏度。十字板剪切試驗彌補原狀土樣的試驗精度而進行的現(xiàn)場試驗。44固結不排水抗剪強度CU試驗，或稱固結快剪通過pc和σ3比較來區(qū)分固結和超固結圖飽和粘性土的CU試驗45按總應力表示抗剪強度的方程式按有效應力表示抗剪強度的方程式46固結排水抗剪強度CD試驗或簡稱排水剪，過程中，u=0CD試驗中應力應變關系和體積變化圖正常固結土（NC）剪縮超固結土(OC)剛開始剪縮，接著剪脹47CD試驗NC土的抗剪強度包絡線通過坐標原點，即cd=0，抗剪強度方程為CD試驗OC土的抗剪強度包絡線近似為一條直線，抗剪強度方程為48飽和粘性土在不同排水條件下按有效應力表示法的結果基本相同，即都可以得到一條近乎相同的抗剪強度包絡線。飽和粘性土在不同排水條件下總應力表示法的結果差異較大；抗剪強度只與有效應力有關結論49粘性土抗剪強度指標的選擇應用孔隙水壓力能準確測定或計算出地基或邊坡的長期穩(wěn)定性有效應力法孔隙水壓力難以測定或計算出飽和粘土的短期穩(wěn)定性總應力法施工場地排水條件好，加荷速度慢突發(fā)事件引發(fā)的穩(wěn)定問題，如暴風、地震施工場地排水條件差，加荷速度快，工期短CD試驗CU或UU試驗UU試驗50粘性土的超固結狀況及擾動問題超固結土的特點剪切時有剪脹現(xiàn)象，孔隙水壓力為負值；應力應變關系表現(xiàn)為應變軟化現(xiàn)象，有明顯的峰值強度和殘余強度。正常固結土的特點剪切時如有排水，則有剪縮現(xiàn)象，孔隙水壓力為正值；應力應變關系表現(xiàn)為應變硬化現(xiàn)象，抗剪強度緩慢升高，最后趨于穩(wěn)定。為保證土樣的性質(zhì)不變，要減小取樣時對土的擾動性影響。51式中，為土的體積壓縮系數(shù)，V為土樣體積，E和υ分別為土的彈性模量和泊松比?？紫端畨毫翱讐合禂?shù)各向等壓作用下孔隙水壓力的變化等壓條件下，有效應力根據(jù)彈性理論土樣中由于孔隙水壓力產(chǎn)生的孔隙體積壓縮量為孔隙水壓力變化過程式中為孔隙的體積壓縮系數(shù)。52式中，為各向等壓條件下的孔壓系數(shù)前面兩式相等，可得到完全飽和土而言，，因此53在偏向力（σ1-σ3）作用下孔隙水壓力的變化此時，有效應力為土樣體積變化在孔隙壓力作用u1下孔隙體積變化體積變化等于孔隙體積變化即，54綜合可得土非理想的彈性體，故對飽和土，B=1，故UU試驗中CU試驗中，前期固結完成，u3=0CD試驗中55應力路徑概念：土體加荷過程中，土體內(nèi)某點應力狀態(tài)的變化過程就稱為應力路徑，如果反映在坐標中，則以特征應力點在坐標中的移動軌跡。各種不同類型的應力路徑1.直剪試驗中的應力路徑2.三軸UU試驗中的應力路徑3.三軸CU試驗中的應力路徑4.三軸CD試驗中的應力路徑5.邊坡穩(wěn)定的應力路徑6.分期加載時的應力路徑略56特殊粘性土的抗剪強度特征軟粘土的抗剪強度特征膨脹性粘土的抗剪強度特征土壓縮性高，透水性小，觸變性明顯，靈敏度高，流變性顯著。沿海型：淤泥及淤泥質(zhì)土內(nèi)陸型：泥炭質(zhì)土是指在一定壓力下，浸濕、含水量增加能夠產(chǎn)生膨脹的土。液限WL＞40%,自由膨脹率富含親水粘土礦物，如蒙脫石、伊利石是其重要特征。57紅粘土的