第五章土的抗剪强度-网站内容

1、第五章 土的抗剪强度一、内容简介土的抗剪强度指土体抵抗剪切破坏的极限能力，其数值等于剪切破坏时滑动面上的剪应力。抗剪强度是土的主要力学性质之一，研究土的抗剪强度重要目的是判别土是否达到剪切破坏状态。在本章中将介绍土的抗剪强度与极限平衡原理、土的剪切试验方法。二、基本内容和要求1基本内容（1）土的抗剪强度概念。（2）库仑抗剪强度定律。（3）摩尔应力圆。（4）土中一点的极限平衡及MohrCoulomb准则。（）土的抗剪强度试验。 （）影响砂土抗剪强度指标的主要因素。 （）排水条件对粘性土抗剪强度指标的影响。2基本要求 概念及基本原理 【掌握】土的抗剪强度；土的极限平衡状态；MohrCoulomb准

2、则；总应力强度指标的概念；有效应力强度指标的概念； 【理解】影响砂土抗剪强度指标的主要因素；前期固结压力；正常固结；超固结；三种不同排水条件对粘性土抗剪强度指标的影响 计算理论及计算方法 【掌握】处于极限状态时应力计算；判断一点是否处于极限状态； 试 验 【掌握】直剪试验 【理解】单轴试验；三轴试验 三、重点内容介绍1土的抗剪强度土的强度破坏通常是指剪切破坏，即：在某一个面上的剪应力达到了该面所具有的抵抗剪切破坏的极限能力。这一极限能力称为土的抗剪强度，通常用s表示。2库仑抗剪强度定律 1776年，法国科学家Coulomb在试验的基础上，提出土的强度计算公式，称为库仑抗剪强度定律，即：砂 土：

3、 （5-1a）粘性土： （5-1b）上式中：s为抗剪强度，为破坏面上的法向应力，为土的粘聚力，为土的内摩擦角，它们是反映土的抗剪能力的两个指标，称为抗剪强度指标。如图5-1所示。 由此，式（5-1）表明，当土中某个面上的剪应力达到其抗剪强度，即 （5-3）时，土体沿该面发生剪切破坏。若剪切面上的剪应力小于沿截面上的抗剪强度，即 （5-4）则不会发生剪切破坏。显然，按强度的定义，截面上的剪应力不可能超过其抗剪强度，即不可能有。试验曲线如图：图5-1 库仑强度定律3摩尔库仑强度理论及土中一点的极限平衡方程公式（5-1）给出了土沿某一个给定的面发生剪切破坏的条件。实际应用中，常需判断土中一点是否破坏

4、。但在同一点处，不同的作用面上的作用力不同，若其中某一个面上的切向力、法向力满足了式（5-1），则认为该点发生了剪切破坏，并称该点处于极限平衡状态。由于莫尔圆反映了不同作用面上的法向力和切向力，因此它与上述库仑强度定律结合，即可建立处于极限状态时的应力条件。图5-2 对应于不同状态的莫尔圆如图5-2所示：（1）应力圆与强度包线相离，即剪应力 ，该点处于弹性状态。（2）应力圆与强度包线在A点相切，即 ，该点处于极限平衡状态；应力圆称为极限应力圆。（3）应力圆与强度包线相割，即，该点处于破坏状态。在实际的受力状态中，当时，已发生剪切破坏，故这种应力状态不可能在土体的实际受力状态中出现。图5-3 极

5、限平衡状态时的莫尔圆由图5-3可得到，当土中一点发生剪切破坏（或说处于极限平衡状态）时，该点的应力应满足 (5-5a)这就是MohrCoulomb强度理论表达式。上式还可等价地写为 (5-5b)或 (5-5c)相应地，剪切破坏面上的应力为 (5-6) (5-7)此外，破坏面与大主应力面的夹角为 (5-8)与小主应力面的夹角则为 (5-9)4抗剪强度试验土的抗剪强度指标可由抗剪强度试验求得。抗剪强度试验 直接剪切试验仪器：直剪仪。方法：用34个相同的土样，采用不同的垂直压力，测得34组(s、tmax)的数据，绘制s-s 曲线，由此求得抗剪强度指标c 、j值。图5-4 直剪试验成果图直剪试验的主要

6、优点是仪器简单，操作方便，卵石土、砾石土等对大颗粒土的试验容易实现。缺点是：剪切过程中土样的剪切面在不断缩小，而计算剪应力时我们假设剪切面的大小是不变的。剪切面上的应力分布非常复杂，假定为定值，有较大的误差。（直剪仪无法控制土样孔隙水压的大小，而这对饱和土的抗剪强度是有重要影响的。 单轴压力试验（无侧限抗压强度试验）仪器：应变控制式无侧限压缩仪 图5-5无侧限抗压强度试验 图5-6 饱和粘土的单轴试验试验原理：通过转轮对圆柱形试样施加垂直轴向压力，直至土样产生剪切破坏；根据,，可作出一个极限应力圆。只有在下述两种特殊情况下，才能定出其强度线，从而得到其强度指标。 干硬粘性土干硬粘性土在压坏时有

7、明显的剪裂面，能测出裂面与垂直线的夹角。因为裂面与大主应力作用方向的夹角，如图5-5所示。故可求出内摩擦角 (5-10)土样破坏时有，则根据极限平衡方程，可得 (5-10)或 (5-11) 饱和粘性土不排水剪对于饱和软粘土，其不排水剪强度包线为一水平线，如图5-6所示。其相应的强度指标为 (5-12) (5-13) 三轴压力试验试验设备：三轴剪切仪。试验时可采用两种加载方法：一种是液压加上后保持不变，而逐渐加大竖向压力，直至试样发生剪切破坏，其应力变化过程如图5-7（a）所示。另一种是先施加液压，再由活塞施加的竖向压力，之后该竖向压力保持不变，而逐渐减小液压至试样破坏，如图5-7（b）所示。(

8、a) (b)5-7 三轴试验常规加压过程 通常，由一个试件显然无法确定出土的强度线（或抗剪强度指标），因此需用多组试件，对不同试件采用不同的液压，这样才能得到大小不同的极限应力圆，其公共包线往往是曲线，为方便起见，将其近似地取为直线，作为土的强度线，同时可定出土的抗剪强度指标和，如图5-8所示。图5-8 强度包线5砂土的抗剪强度 砂土的强度来源 砂土强度与紧密度的关系密实砂土，剪应力随剪位移先增加到峰值，随后下降到一个稳定值，即剩余强度。松砂的剪应力随剪位移增加而增大，其最大值与紧砂的剩余强度基本相等。其原因与砂土在剪切过程中孔隙体积变化有关，紧砂剪胀，松砂剪缩。如图图5-9 砂土的剪胀和剪缩

9、 影响砂土强度的因素6粘性土的抗剪强度 粘性土的强度来源 三轴压力试验在三轴试验时，加载过程分为两部分：一是施加于土样的围压（静水压力），二是施加的竖向压力。若在施加围压的过程中通往土样的排水管是打开的，并使孔隙水充分排出，就称为固结的（Consolidated），否则即为不固结的（Unconsolidated）。同样，若在竖向荷载作用时排水管是打开的，孔隙水可充分排出，就称之为排水的（Drainged），否则为不排水的（Undrainged）。这样，按试验过程中土样的排水情况，常规三轴试验可分为不固结不排水试验（UU试验）、固结不排水试验（CU试验）、固结排水试验（CD试验）。此外，若土样所

10、受初始固结压力小于土样的前期固结压力，称为超固结土；若土样所受初始固结压力大于土样的前期固结压力，称为正常固结土。 不排水剪（UU试验）在施加围压及竖向荷载的过程中，与土样连通的排水管阀门始终是关闭的，土中的孔隙水始终无法排出，因此作用在剪切破坏面的有效法向压力不会随着初始围压的增加而增大，即施加不同的围压，只会使得极限Mohr圆平移，而圆的直径始终是保持不变，即总应力强度线为一条水平线，如图5-10所示。其相应的强度指标为 (5-14) (5-15)图5-10 不排水剪 固结不排水剪（CU试验）排水管阀门打开，土样在围压作用下发生固结。待这一固结过程完成后，关闭阀门，然后施加竖向荷载，竖向荷载逐步增大直至土样发生破坏，可得到极限Mohr圆。另选土样并改变初始围压，又可得到不同直径的极限Mohr圆，由这些圆可确定出土样的强度线。固结不排水试验的强度指标记为、。 固结排水剪（CD试验）在对土样施加围