土力学-第五章-土的抗剪强度

1、土力学 第五章 土的抗剪强度,概述 土的库仑定律 土的莫尔库仑强度理论 土的抗剪强度指标的测定,主要内容,本 章 要 点,牢固掌握库仑公式和莫尔库仑强度理论； 掌握土的抗剪强度指标的测定方法； 明确不同固结和排水条件下的抗剪强度指标 的意义及其应用。,概 述,土的破坏主要是由于剪切引起的，剪切破坏是土体破坏的重要特点。 工程时间中与土的抗剪强度有关的工程主要有以下3类 (1) 土质土坝的稳定 (2) 土压力 (3) 地基的承载力问题,工程实例土坡稳定,工程实例土压力,工程实例地基承载力问题,工程实例地基承载力问题,加拿大特朗斯康谷仓,概 述,抗剪强度：土体抵抗剪切破坏的极限能力。 破坏准则：土

2、体达到破坏状态时的应力组合 称为破坏准则。,思 考,固体之间的摩擦力与土的抗剪强度是否会有一定联系？,土的库仑定律,固体间的摩擦力直接取决于接触面上的法向力和接触材料的摩擦角,直接剪切试验,库仑定律,c, -有效抗剪强度指标 c, -总应力抗剪强度指标,土的抗剪强度来源,摩擦强度,粘聚强度,剪切面,摩擦强度影响因素,密 度 粒径级配 颗粒形状 矿物成分,地质历史 粘土颗粒矿物成分 密度 离子价与离子浓度,粘聚强度影响因素,思 考,剪切破坏面的位置？ 剪切破坏面上满足什么应力条件？, f 破坏状态,莫尔强度理论,莫尔应力圆,莫尔应力圆,(1-3)/2,o,(1+3)/2,？, f 破坏状态,土的

3、莫尔库仑强度理论,土的莫尔库仑强度理论,A,B,D,O, = f 极限平衡状态,极限应力圆 破坏应力圆,土的极限平衡条件,土体处于极限平衡状态时的应力组合及强度指标之间的数学表达式称为极限平衡条件。,莫尔库仑破坏准则,土的极限平衡条件,土的极限平衡条件,土的极限平衡条件,【例题】已知某土体单元的大主应力1200kPa，小主应力350kPa。通过试验测得土的抗剪强度指标30，问该单元土体处于什么状态？ （方法1: 方法2: 方法3:）,拓 展 思 考,莫尔库仑强度理论存在的问题,5.4 土的抗剪强度指标的测定,直接剪切试验 三轴压缩试验 无侧限抗压强度试验 十字板剪切试验,直接剪切试验,直接剪切

4、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,直接剪切试验,直接剪切试验,直接剪切试验,在直剪试验过程中，不能量测孔隙水应力，也不能控制排水，所以只能以总应力法来表示土的抗剪强度。但是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可将之间试验划分为 快剪 固结快剪 慢剪,直接剪切试验,慢剪,快剪,固结快剪,直接剪切试验的优缺点,直剪试验的缺点 剪切破坏面固定为上下盒之间的水平面； 试验中试验的排水程度靠试验速度的快慢控制； 由于上下土盒的错动，剪切过程中试样的有效面积减小，使试样中的应力分布不均匀，主应力方向发生变化，当剪切变形较大时这一缺陷表现更为突出。,三轴

5、压缩试验,三轴压缩试验直接量测的是试样在不同恒定周围压力下的抗压强度，然后利用莫尔库仑破坏理论间接推求土的抗剪强度。,三轴压缩试验,三轴压缩试验,三轴压缩试验,三轴压缩试验,三轴试验根据试样的固结和排水条件不同，可分为不固结不排水剪（UU）、固结不排水剪（CU）、固结排水剪（CD）。分别对应于直剪试验的快剪、固结快剪、和慢剪试验。,将总应力圆在水平轴上左移uf得到相应的有效应力圆，按有效应力圆强度包线可确定c 、j ,ccu,c ,饱和粘性土在三组s3下进行固结不排水剪试验得到A、B、C三个不同s3作用下破坏时的总应力圆，由总应力圆强度包线确定固结不排水剪总应力强度指标ccu、j cu,（1）

6、固结不排水剪（CU）,（2）固结不排水剪的剪切试验结果,不同试验方法的剪切试验结果,有效应力圆,总应力圆,ju=0,cu,uA,饱和粘性土在三组s3下的不排水剪试验得到A、B、C三个不同s3作用下破坏时的总应力圆。,试验表明：三个试样的周围压力s3不同，但破坏时的主应力差相等，三个极限应力圆的直径相等，因而强度包线是一条水平线。,三个试样只能得到一个有效应力圆。,（2）不固结不排水剪（UU）,在整个排水剪试验过程中， uf 0，总应力全部转化为有效应力，所以总应力圆即是有效应力圆，总应力强度线即是有效应力强度线。强度指标为cd、jd,cd,总结:,对于同一种土，在不同的排水条件下进行试验，总应

7、力强度指标完全不同。,有效应力强度指标不随试验方法的改变而不同，抗剪强度与有效应力有唯一的对应关系。,（3）固结排水剪（CD）,（3）固结排水剪的剪切试验结果,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采用实验室的试验方法，以获得合适的抗剪强度指标。,【解答】,已知s1=450kPa，s3=150kPa，c=20kPa，j =26o,方法1：,计算结果表明：s1f接近该单元土体实际大主应力s1，所以，该单元土体处于极限平衡状态。,问题解答：,【例1】地基中某一单元土体上的大主应力为450kPa，小主应力为150kPa。通过试验测得土的抗剪强度指

8、标c=20kPa，j =26o。试问该单元土体处于何种状态？单元土体最大剪应力出现在哪个面上，是否会沿剪应力最大的面发生剪破？,例题分析,计算结果表明：s 3f接近该单元土体实际小主应力s 3，该单元土体处于极限平衡状态 。,在剪切面上,库仑定律,由于f ，所以，该单元土体处于极限平衡状态,方法2：,方法3： 作图法,c,最大剪应力与主应力作用面成45o,最大剪应力面上的法向应力,库仑定律,最大剪应力面上f ，所以，不会沿剪应力最大的面发生破坏。,max,问题解答：,【例2】对某种饱和粘性土做固结不排水试验，三个试样破坏时的大、小主应力和孔隙水压力列于表中，试用作图法确定土的强度指标ccu、j

9、 cu和c 、j ,【解答】,按比例绘出三个总应力极限应力圆，如图所示，再绘出总应力强度包线,按由s1=s1- uf，s3=s3- uf ，将总应力圆在水平轴上左移相应的uf即得3个有效应力极限莫尔圆，如图中虚线圆，再绘出有效应力强度包线。,c,ccu,根据强度包线得到：ccu= 10 kPa， jc u=18o c= 6 kPa，、j=27o,固结排水试验（CD试验） 1 打开排水阀门，施加围压后充分固结，超静孔隙水压力完全消散； 2 打开排水阀门，慢慢施加轴向应力差以便充分排水，避免产生超静孔压,固结不排水试验（CU试验） 1 打开排水阀门，施加围压后充分固结，超静孔隙水压力完全消散； 2

10、 关闭排水阀门，很快剪切破坏，在施加轴向应力差过程中不排水,不固结不排水试验（UU试验） 1 关闭排水阀门，围压下不固结； 2 关闭排水阀门，很快剪切破坏，在施加轴向应力差过程中不排水,cd 、d,ccu 、cu,cu 、u,试验类型,v,=,f=f,1.固结排水试验,u,轴向应力和孔压渐进增加并趋于稳定， 孔压 u 0,f,f,cu,2.固结不排水试验,u =0 , cu, 并且有效应力莫尔圆是唯一的,思考题：可否由不排水试验确定有效应力强度指标？,cu,3.不固结不排水试验,Cu依赖于 初始状态,试验条件与现场条件 的对应关系,固结排水试验,固结不排水试验,不固结不排水试验,优点： 1 应力状态和应力路径明确； 2 排水条件清楚，可控制； 3 破坏面不是人为固定的,缺点： 设备相对复杂，现场难以试验,优点和缺点,真三轴仪 空心圆柱扭剪仪,无侧限抗压强度试验,三轴压缩试验当周围压力为零时即为无侧限试验条件，此时只有轴向压力，所以也称单轴压缩试验。 由于试样的侧向力为零，在轴向受压时，其侧向变形不受限制，故又称无侧限压缩试验。 由于试样是在轴向压缩的条件下破坏的，因此把这种