土抗剪强度第7章

1、土抗剪强度第土抗剪强度第7章章1 第7章 土的抗剪强度 土抗剪强度第土抗剪强度第7章章2 p土压力土压力 p边坡稳定边坡稳定 p地基承载力地基承载力 p挡土结构物破坏挡土结构物破坏 p各种类型的滑坡各种类型的滑坡 p地基的破坏地基的破坏 工程中土体的破坏类型工程中土体的破坏类型 土抗剪强度第土抗剪强度第7章章3 工程中的强度问题概述 土的抗剪强度：土的抗剪强度：土体抵抗剪切破坏的极限能力土体抵抗剪切破坏的极限能力 土抗剪强度第土抗剪强度第7章章4 7.1土的抗剪强度与极限平衡条件 一、库仑定律一、库仑定律 17761776年，库仑根据砂土剪切试验年，库仑根据砂土剪切试验 f = tan 砂土砂

2、土 后来，根据粘性土剪切试验后来，根据粘性土剪切试验 f =c+ tan 粘土粘土 c 库仑定律：库仑定律：土的抗剪强土的抗剪强 度是剪切面上的法向总应度是剪切面上的法向总应 力力 的线性函数的线性函数 tan f c f tan c: :土的粘聚力土的粘聚力 : :土的内摩擦角土的内摩擦角 f f 土抗剪强度第土抗剪强度第7章章5 tan f c O c c： 粘聚力粘聚力 ：内摩擦角：内摩擦角 库仑公式库仑公式 土的抗剪强度的计算土的抗剪强度的计算 土抗剪强度第土抗剪强度第7章章6 二、土体抗剪强度影响因素二、土体抗剪强度影响因素 摩擦力的两个来源摩擦力的两个来源 1.1.滑动摩擦：剪切面

3、土粒间表面的粗糙所产生的滑动摩擦：剪切面土粒间表面的粗糙所产生的 摩擦摩擦 2.2.咬合摩擦：土粒间互相嵌入所产生的咬合力咬合摩擦：土粒间互相嵌入所产生的咬合力 粘聚力：由土粒之间的胶结作用和电分子引力等因粘聚力：由土粒之间的胶结作用和电分子引力等因 素形成素形成 抗剪强度影响因素抗剪强度影响因素 摩擦力：剪切面上的法向总应力、土的初始密度、土摩擦力：剪切面上的法向总应力、土的初始密度、土 粒级配、土粒形状以及表面粗糙程度粒级配、土粒形状以及表面粗糙程度 粘聚力：土中矿物成分、粘粒含量、含水量以及土的粘聚力：土中矿物成分、粘粒含量、含水量以及土的 结构结构 土抗剪强度第土抗剪强度第7章章7 N

4、 T= Ntgu u T 滑动摩擦 （1 1）滑动摩擦）滑动摩擦 2、摩擦强度 tg 由颗粒之间发生滑动时由颗粒之间发生滑动时 颗粒接触面粗糙不平所颗粒接触面粗糙不平所 引起，与颗粒大小，矿引起，与颗粒大小，矿 物组成等因素有关物组成等因素有关 0.02 0.06 0.2 0.6 2 30 20 颗粒直径颗粒直径 (mm) 滑动摩擦角滑动摩擦角 u 粗粉粗粉 细砂细砂 中砂中砂 粗砂粗砂 土抗剪强度第土抗剪强度第7章章8 （2 2）咬合摩擦咬合摩擦 CA B C A B 剪切面剪切面 是指相邻颗粒对于相对移动的约束作用是指相邻颗粒对于相对移动的约束作用 当发生剪切破坏时，相互咬合着的颗粒当发生

5、剪切破坏时，相互咬合着的颗粒A 必须抬起，跨越相邻颗粒必须抬起，跨越相邻颗粒B，或在尖角处，或在尖角处 被剪断（被剪断（C），才能移动），才能移动 土体中的颗粒重新排列，也会消耗能量土体中的颗粒重新排列，也会消耗能量 土抗剪强度第土抗剪强度第7章章9 密度（密度（e, e, 粒径级配（粒径级配（C Cu u, C, Cc c） 颗粒的矿物成分颗粒的矿物成分 对于对于 ：砂土：砂土 粘性土；粘性土； 高岭石高岭石 伊里石伊里石 蒙特石蒙特石 粒径的形状（颗粒的棱角与长宽比）粒径的形状（颗粒的棱角与长宽比） 在其他条件相同时：在其他条件相同时： 一般，对于粗粒土，颗粒的棱角提高了内摩擦角一般，对于

6、粗粒土，颗粒的棱角提高了内摩擦角 影响土的摩擦强度的主要因素：影响土的摩擦强度的主要因素： 土抗剪强度第土抗剪强度第7章章10 p粘聚强度机理 n静电引力（库仑力）静电引力（库仑力） n范德华力范德华力 n颗粒间胶结颗粒间胶结 n假粘聚力（毛细力等）假粘聚力（毛细力等） p粘聚强度影响因素 n地质历史地质历史 n粘土颗粒矿物成分粘土颗粒矿物成分 n密度密度 n离子价与离子浓度离子价与离子浓度 3 3、粘聚强度、粘聚强度 土抗剪强度第土抗剪强度第7章章11 莫尔圆应力分析符号规定莫尔圆应力分析符号规定 材料力学材料力学 x z xz zx + - z x xz zx + - 土力学土力学 正应力

7、正应力剪应力剪应力 拉为正拉为正 压为负压为负 顺时针为正顺时针为正 逆时针为负逆时针为负 压为正压为正 拉为负拉为负 逆时针为正逆时针为正 顺时针为负顺时针为负 莫尔莫尔- -库伦强度理论库伦强度理论( (极限平衡条件极限平衡条件) ) 土抗剪强度第土抗剪强度第7章章12 3 2 2 ()/2 xzxz r ()/2 xz p 1 pr 3 pr z x zx xz + - 1 大主应力：大主应力： 小主应力小主应力: : 圆心：圆心： 半径：半径： z按顺时针方向旋转按顺时针方向旋转 x x按顺时针方向旋转按顺时针方向旋转 莫莫 尔尔 圆：代表一个土单元的应力状态；圆：代表一个土单元的应力

8、状态； 圆上一点：代表一个面上的两个应力圆上一点：代表一个面上的两个应力 与与 O z + zx - xz x 2 1 r p 13 ()/2qr 13 ()/2p 土抗剪强度第土抗剪强度第7章章13 O + zx 2 1 1313 11 ()()cos2 22 13 1 ()sin2 2 土抗剪强度第土抗剪强度第7章章14 四、土的极限平衡条件四、土的极限平衡条件 应力圆与强度线相离：应力圆与强度线相离： 强度线强度线 应力圆与强度线相切：应力圆与强度线相切： 应力圆与强度线相割：应力圆与强度线相割： 极限应极限应 力圆力圆 f 破坏状态破坏状态 土抗剪强度第土抗剪强度第7章章15 莫尔库仑

9、破坏准则莫尔库仑破坏准则 莫尔应力圆与库仑强度线相切的应力状态作为莫尔应力圆与库仑强度线相切的应力状态作为 土的破坏准则土的破坏准则 (目前判别土体所处状态的最常用准则目前判别土体所处状态的最常用准则) 强度线强度线 土抗剪强度第土抗剪强度第7章章16 莫尔莫尔- -库仑强度理论表达式极限平衡条件库仑强度理论表达式极限平衡条件 2 13 2 31 tg452c tg 45 22 tg452c tg 45 22 1 3 13 ctg 2 c tan f c O c 13 2 土抗剪强度第土抗剪强度第7章章17 2 13 452tg 45 22 f tgc 根据应力状态计算出根据应力状态计算出 大

10、小主应力大小主应力1、3 2 2 1,3 22 xzxz xz 判断破坏可能性判断破坏可能性 11f 不可能状态不可能状态 O c 1f 3 1 1 判别对象：土体微小单元（一点）判别对象：土体微小单元（一点） 3 3= = 常数：常数： 土抗剪强度第土抗剪强度第7章章18 根据应力状态计算出根据应力状态计算出 大小主应力大小主应力1、3 2 2 1,3 22 xzxz xz 判断破坏可能性判断破坏可能性 2 31 452tg 45 22 f tgc 33f 安全状态安全状态 3=3f 极限平衡状态极限平衡状态 31/31/3 A A1/31/3 剪胀：剪胀： 剪缩：剪缩： (3) (3) 偏

11、差应力状态偏差应力状态 A 是一个反映土剪是一个反映土剪 胀性强弱的指标，胀性强弱的指标， 其大小与土性有关其大小与土性有关 剪胀性：剪应力引起土 的体积变化的特性 )( 3 1 Bu 31A 土抗剪强度第土抗剪强度第7章章45 例例: :某饱和粘土某饱和粘土, ,已知其有效应力强度指标已知其有效应力强度指标 , ,孔隙水压力系数孔隙水压力系数A=0.8,A=0.8,如将该土试样在各向等压力如将该土试样在各向等压力 下固结稳定下固结稳定, ,然后在不排水条件下下施加然后在不排水条件下下施加 偏应力偏应力 , ,问试样是否被剪坏问试样是否被剪坏? ? 0 0,28c 3 50kPa 13 50k

12、Pa 土抗剪强度第土抗剪强度第7章章46 7.3 排水条件与试验成果的关系 一、总应力强度指标与有效应力强度指标一、总应力强度指标与有效应力强度指标 c f tan 库仑定律库仑定律 说明：说明：施加于试样上的垂直法向应力施加于试样上的垂直法向应力 为总应力，为总应力，c c、 为总应为总应 力意义上的土的粘聚力和内摩擦角，称之为总应力强度指标力意义上的土的粘聚力和内摩擦角，称之为总应力强度指标 根据有效应力原理：根据有效应力原理：土的抗剪强度并不是由剪切面上的土的抗剪强度并不是由剪切面上的 法向总应力决定，而是取决于剪切面上的法向有效应力法向总应力决定，而是取决于剪切面上的法向有效应力 cu

13、c f tantan c 、 为土的有效为土的有效 粘聚力和有效内摩粘聚力和有效内摩 擦角，即土的有效擦角，即土的有效 应力强度指标应力强度指标 有效应力强度指标确切地表有效应力强度指标确切地表 达出了土的抗剪强度的实质，达出了土的抗剪强度的实质， 是比较合理的表达方法是比较合理的表达方法 土抗剪强度第土抗剪强度第7章章47 二、不同排水条件时的剪切试验方法及成果表达二、不同排水条件时的剪切试验方法及成果表达 1.1.不固结不排水剪（不固结不排水剪（UUUU） n三轴试验：施加周围压力三轴试验：施加周围压力 3、轴向压力、轴向压力 直至剪直至剪 破的整个过程都关闭排水破的整个过程都关闭排水 阀

14、门，不允许试样排水固阀门，不允许试样排水固 结结 3 3 3 3 3 3 n直剪试验：通过试验加荷直剪试验：通过试验加荷 的快慢来实现是否排水。的快慢来实现是否排水。 使试样在使试样在3 35min5min之内剪破，之内剪破， 称之为快剪称之为快剪 关闭排关闭排 水阀水阀 土抗剪强度第土抗剪强度第7章章48 3 3 3 3 3 3 有效应力圆有效应力圆总应力圆总应力圆 u u=0=0 BC cu uA A 3A 1A 饱和粘性土在三组饱和粘性土在三组 3 3下的不排水剪下的不排水剪 试验得到试验得到A、B、C三个不同三个不同 3 3作用作用 下破坏时的总应力圆下破坏时的总应力圆 试验表明：虽然

15、三个试样的周围压力试验表明：虽然三个试样的周围压力 3 3不同，但破不同，但破 坏时的主应力差相等，三个极限应力圆的直径相等，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三个试样只能得到一个有效应力圆 土抗剪强度第土抗剪强度第7章章49 2. 2. 固结不排水剪（固结不排水剪（CUCU） n三轴试验：施加周围压力三轴试验：施加周围压力 3 3时时 打开排水阀门，试样完全排打开排水阀门，试样完全排 水固结，孔隙水压力完全消水固结，孔隙水压力完全消 散。然后关闭排水阀门，再散。然后关闭排水阀门，再 施加轴向压力增量

16、施加轴向压力增量 ，使试，使试 样在不排水条件下剪切破坏样在不排水条件下剪切破坏 3 3 3 3 3 3 n直剪试验：剪切前试样在垂直剪试验：剪切前试样在垂 直荷载下充分固结，剪切时直荷载下充分固结，剪切时 速率较快，使土样在剪切过速率较快，使土样在剪切过 程中不排水，这种剪切方法程中不排水，这种剪切方法 为称固结快剪为称固结快剪 打开排打开排 水阀水阀 关闭排关闭排 水阀水阀 土抗剪强度第土抗剪强度第7章章50 3 3 3 3 3 3 将总应力圆在水平轴上左移将总应力圆在水平轴上左移u uf f得到相应的有效应力得到相应的有效应力 圆，按有效应力圆强度包线可确定圆，按有效应力圆强度包线可确定

17、c 、 ccu c cu cu 饱和粘性土在三组饱和粘性土在三组 3 3下进行固结不排水剪下进行固结不排水剪 试验得到试验得到A、B、C三个不同三个不同 3 3作用下破坏作用下破坏 时的总应力圆，由总应力圆强度包线确定时的总应力圆，由总应力圆强度包线确定 固结不排水剪总应力强度指标固结不排水剪总应力强度指标ccu、 cu A B C 土抗剪强度第土抗剪强度第7章章51 3. 3. 固结排水剪（固结排水剪（CDCD） n三轴试验：试样在周围压三轴试验：试样在周围压 力力 3 3作用下排水固结，再作用下排水固结，再 缓慢施加轴向压力增量缓慢施加轴向压力增量 ， 直至剪破，整个试验过程直至剪破，整个

18、试验过程 中打开排水阀门，始终保中打开排水阀门，始终保 持试样的孔隙水压力为零持试样的孔隙水压力为零 3 3 3 3 3 3 n直剪试验：试样在垂直压力直剪试验：试样在垂直压力 下固结稳定，再以缓慢的速下固结稳定，再以缓慢的速 率施加水平剪力，直至剪破，率施加水平剪力，直至剪破， 整个试验过程中尽量使土样整个试验过程中尽量使土样 排水，试验方法称为慢剪排水，试验方法称为慢剪 打开排打开排 水阀水阀 土抗剪强度第土抗剪强度第7章章52 在整个排水剪试验过程中，在整个排水剪试验过程中， uf 0 0，总应力全部转化，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，总应力为有效应力，所以总应

19、力圆即是有效应力圆，总应力 强度线即是有效应力强度线。强度指标为强度线即是有效应力强度线。强度指标为cd、 d d cd d d 总结总结: : 3 3 3 3 3 3 对于同一种土，在不同的排水条件下进行试验，总应力对于同一种土，在不同的排水条件下进行试验，总应力 强度指标完全不同强度指标完全不同 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度与有效应力有唯一的对应关系 土抗剪强度第土抗剪强度第7章章53 三、抗剪强度指标的选用三、抗剪强度指标的选用 土的抗剪强度指标随试验方法、排水条件的不同而土的抗剪强度指标

20、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采用实验室的试验方法，以获得合适的抗剪强度指标 试验方法试验方法适用条件适用条件 不排水剪或不排水剪或 快剪快剪 地基土的透水性和排水条件不良，建筑物地基土的透水性和排水条件不良，建筑物 施工速度较快施工速度较快 排水剪或慢排水剪或慢 剪剪 地基土的透水性好，排水条件较佳，建筑地基土的透水性好，排水条件较佳，建筑 物加荷速率较慢物加荷速率较慢 固结不排水固结不排水 剪或固结快剪或固结快 剪剪 建筑物竣工以后较久，荷载又突然

21、增大，建筑物竣工以后较久，荷载又突然增大， 或地基条件等介于上述两种情况之间或地基条件等介于上述两种情况之间 土抗剪强度第土抗剪强度第7章章54 cu = qu/2 cu qu = (4)(4)无侧限压缩试验：无侧限压缩试验： 3 3 =0=0的不排水试验的不排水试验 土抗剪强度第土抗剪强度第7章章55 例例: :某饱和粘性土无侧限抗压强度试验得到不排水抗剪某饱和粘性土无侧限抗压强度试验得到不排水抗剪 强度强度 ，如果对同一土样进行三轴不固结不，如果对同一土样进行三轴不固结不 排水试验，施加周围压力排水试验，施加周围压力 ，问试件将在，问试件将在 多大的轴向压力作用下发生破坏？多大的轴向压力作用下发生破坏？ 70 u ckPa 3 150kPa 土抗剪强度第土抗剪强度第7章章56 例例: :某饱和粘土的强度指标某饱和粘土的强度指标 , ,取该取该 土样作固结不排水剪切试验土样作固结不排水剪切试验, ,测得破坏时测得破坏时 , ,求该土样破坏时的孔求该土样破坏时的孔 隙水压力隙水压力 0 30 ,12ckPa 313 260,135kPakPa 土抗剪强度第土抗剪强度第7章章57 1 ( ) p(p) q u Kf Kf f f u u 45/2 松砂及正常固结粘土：CU试验 一一. 总应力指标与有效应力指标总应力指标与有效应力指标 2. 2. 强度