第五章 土的抗剪强度

1、1 第五章 土的抗剪强度 2 一、土和土体的强度 挡土结构上的土压力 地基破坏 土坡稳定 表现形式 (1) 形成明显的剪切滑移面 紧密砂土和干硬粘土 (2) 位移不断增大 软塑粘土 土的破坏是剪切破坏shear failure 3 transcona 谷仓 2500t容量饲料筒仓 4 美国，california, la conchita，1995 5 衡重式挡土墙 钢筋混凝土挡土墙 挖孔桩支护 6 二、土的抗剪强度shear strength和破坏理论 1. 土的抗剪强度和 coulomb 定律 tan f c 问题：土中一点（无数个面）的破坏准则是什么？ （针对某一特定面） 7 n t 土的

2、直接剪切试验 8 粘性土 无粘性土 c c 内摩擦角 internal friction angle 粘聚力 cohesion tan f c coulomb 定律 9 charles- auguste de coulomb (17361806) 法国科学家 1773年，最大最小原理在某些与建筑有关的静力学 问题中的应用 sc af n 休止角 angle of repose 休止角 自然坡 由 richard woltman 在1794提出 内摩擦角 tan f c 原文 现在 最初，工程师以休止角反映土体的强度。 10 c c tanc 1 3 1 3 13 1 2 （）=sin 13 1

3、 2 （）cosc+ 1 3 2. . mohrcoulomb 强度理论（极限平衡条件） 11 mohr-coulomb 强度理论的破坏准则 （极限平衡条件） 1313 11 sincos 22 c（-）= （+）+ 2 13 tan (45)2tan(45) 22 c 2 31 tan (45)2tan(45) 22 c = 或 12 45 2 tanc 1 3 290 2 破坏面 f f f f c 1 3 13 1 cos 2 f （ ） 1313 sin 22 f 45 2 破坏面上的应力 破坏面与小主应力面的夹角 破坏面与大主应力面的夹角 破坏面的方向及 破坏面上的应力 问题：剪切破

4、坏是否发生在剪应力最大的面上？ max 剪应力最大面 否 13 相离：未破坏相切：破坏 相割：破坏 1 3 tanc c 3. 判断一点是否发生剪切破坏 (通过应力调整变成相切) 方法1 14 未破坏 方法2 破 坏 tanc c 1 3 13 1 2 （-） 13 1 sincos 2 c（+）+ 1313 11 sincos 22 c（-） （+）+ 1313 11 sincos 22 c（-）（+）+ 15 破 坏 方法3 tanc c 1 3 *2 13 tan (45)2tan(45) 22 c = *2 31 tan (45)2tan(45) 22 c = * 1 * 3 1 *

5、1 破 坏 3 * 3 16 例题分析例题分析 【例】地基中某一单元土体上的大主应力为地基中某一单元土体上的大主应力为430kpa430kpa，小，小 主应力为主应力为200kpa200kpa。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 c=15 =15 kpakpa， =20=20o o。试问该单元土体处于何种状态？。试问该单元土体处于何种状态？ 【解答解答】 已知已知 1=430kpa=430kpa， 3=200kpa=200kpa，c=15kpa=15kpa， =20=20o o 1.1.主应力比较法主应力比较法 kpac oo f 8 .450 2 45tan2 2

6、45tan 2 31 计算结果表明：计算结果表明： 1f大于该单元土体实际大主应力大于该单元土体实际大主应力 1， 实际应力圆半径小于极限应力圆半径，所以，该单实际应力圆半径小于极限应力圆半径，所以，该单 元土体处于弹性平衡状态元土体处于弹性平衡状态 17 kpac oo f 8 .189 2 45tan2 2 45tan 2 13 计算结果表明：计算结果表明： 3f小于该单元土体实际小主应力小于该单元土体实际小主应力 3， 实际应力圆半径小于极限应力圆半径实际应力圆半径小于极限应力圆半径 ，所以，该单，所以，该单 元土体处于弹性平衡状态元土体处于弹性平衡状态 在剪切破坏面上在剪切破坏面上 5

7、5 2 4590 2 1 f kpa f 7.2752cos 2 1 2 1 3131 kpa f 1 .1082sin 2 1 31 库仑定律库仑定律 kpac f 3 .115tan 由于由于f ，所以，该单元土体处于弹性平衡状态，所以，该单元土体处于弹性平衡状态 2.2.剪应力比较法剪应力比较法 18 三、三、 抗剪强度试验 1. 直接剪切试验 （3）直剪仪无法控制土样孔隙水压的大小。 （1）剪切面的变化。 （2）剪切面上的应力假定为定值，有较大的误差。 （2）可用于大尺寸土样。 （1）简单方便。 优点 缺点 19 2. 单轴压力试验 只能得到一个极限应力圆。 23 0 1f f 20

8、干硬粘土 o tan(45) 22 f c c 1f f o 45 2 o 902 或 o 2tan(45) 2 f c 可以测出破坏面的方向 21 饱和粘土 2 f c c 1f c 0 或 2 f c 0 孔隙水未及排出 22 3. 三轴压力试验 常规三轴试验 23 p 1v p 3 constant v13 v13 constant 3 3 1 3 1 13 p p v 23 tanc c 对饱和粘土，可控制孔隙水压，以模拟实际土层的排水条件。 优 点 mohr包线 24 四、四、砂土的抗剪强度 1. 影响砂土抗剪强度的主要因素 颗粒较粗而无粘聚力的土。砂土：0c 2942 大于休止角

9、对极松散的砂天然坡角 砂土抗剪强度的主要来源： （1）砂土表面的滑动摩擦。 （2）颗粒之间的咬合作用。 （3）颗粒的重新排列。 影响强度指标的因素： （1）颗粒的矿物成分、形状、级配。 （2）沉积条件。 25 2. 砂土强度与密实度的关系 临界孔隙比critical void ratio ecr cr ee cr ee剪 胀dilatancy剪 缩contract 密 砂 松 砂 密 砂 松 砂 剪切位移 0 v 剪切位移 剪 胀 剪 缩 26 日本新瀉，1964年6月16日，7.5级地震 砂土液化 liquefaction (饱和粉砂、细砂) u 0 动 载剪 缩u 液 化 强 度 丧 失

10、孔隙比较大时 27 五、五、饱和粘土的抗剪强度 饱和土的抗剪强度取决于有效应力。 tansc 1313 11 sincos 22 c（-） （+）+ 饱和粘土的抗剪强度随固结的进行而逐渐加大。 室内试验通过控制排水条件来模拟饱和粘土的固结程度。 tansc 1313 11 sincos 22 c（-） （+）+ 总应力强度指标 c 有效应力强度指标 c 28 tanc tanc 1 u 2 u 29 固结排水条件 （1）不固结不排水uu试验 （2）固结不排水cu试验 （3）固结排水cd试验 三轴试验的加载过程 液 压液压+竖向压力 固 结排水 排水阀打开排水阀打开 consolidated d

11、rained undrainedunconsolidated 超固结土：液压前期固结压力 p p v 30 1. 不排水剪和快剪 总应力强度指标 u 0 13 u 2 c 有效应力强度指标无法确定 c 31 2. 固结不排水剪和固结快剪 总应力强度指标 cu 0 cu 0c（1）正常固结 （2）超固结 cu 0 cu 0c 有效应力强度指标 cu cu c c p 正常固结 超固结 32 3. 固结排水剪和固结慢剪 总应力强度指标 cd 0 cd 0c（1）正常固结 （2）超固结 cd 0 cd 0c 有效应力强度指标 cd cd cc cd cd c c p 正常固结 超固结 33 4. 应

12、 用 总 结 （1） 饱和粘土的抗剪强度与固结程度密切相关。 （2） 抗剪强度：固结排水固结不排水不固结不排水。 （3） 在工程应用时，应选择与实际工程中排水条件相近的指标。 （1）软土上的填筑 软土地基 问题：快速填筑还是慢速填筑？ 第1层填筑 固 结 抗剪强度提高第2层填筑 固 结 抗剪强度提高 34 （2）排水固结法 砂 井 预压的目的： a. 提高软土的强度，从 而提高地基的承载力。 b. 降低地基在使用期间的 沉降。 35 例题分析例题分析 【例】对某种饱和粘性土做固结不排水试验，三个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，试样破坏时的大

13、、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试用作图法确定土的强度指标c ccu cu、 、 cu cu和 和c c 、 周围压力周围压力 3/ kpa 1/ kpauf / kpa 6060 100100 150150 143143 220220 313313 2323 4040 6767 36 解答解答 按比例绘出三个总应力极限应力圆，如图所示，再绘按比例绘出三个总应力极限应力圆，如图所示，再绘 出总应力强度包线出总应力强度包线 按由按由 1 1= 1 1- - u uf， 3 3= 3 3- - u uf ，将总应力圆在水，将总应力圆在水 平轴上左移相应的平轴上左移相应的

14、u uf即得即得3 3个有效应力极限莫尔圆，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：根据强度包线得到： ccu= 10 kpa， c u=18o c = 6 kpa，、 =27o cu cu (kpa) 100 (kpa)100300200400 37 1 1、应力路径的概念、应力路径的概念 应力路径应力路径土中一点的应力变化过程。有多种表示方土中一点的应力变化过程。有多种表示方 法。必要性：一点的应力状态可以用应力圆表示，但不便于法。必要性：一点的应力状态可以用应力圆表示，但不便于 表示应力的变化过程，为了简洁，一般以某特定面上的应力表示应力的变化过程，为了简洁，一般以某特定面上的应力 变化来表示，如最大剪应力面，剪破面等。如固结快剪试验变化来表示，如最大剪应力面，剪破面等。如固结快剪试验 的应力路径可表示为：（画图）的应力路径可表示为：（画图） 六、六、应力路径 stress path 38 c a b c e 39 2 2、应力路径的实用价值、应力路径的实用价值 因为土是一种非线性材料，而且天然土多为各向异性，因为土是一种非线性材料，而且天然土多为各向异性， 故土的受力特性和变形性质往往与土的应力路径有关。故土的受力特性和变形性质往往与