第5章土的抗剪强度-ppt课件

1、土体强度表现为：一部分土体相对与另一部分土体的滑土体强度表现为：一部分土体相对与另一部分土体的滑动，滑动面上剪应力超越了极限抵抗才干抗剪强度；动，滑动面上剪应力超越了极限抵抗才干抗剪强度；土的抗剪强度是指土体对于外荷载所产生的剪应力土的抗剪强度是指土体对于外荷载所产生的剪应力的极限抵抗才干。的极限抵抗才干。TNGf土的破坏主要是由于剪切所引起的，剪切破坏是土的破坏主要是由于剪切所引起的，剪切破坏是土体破坏的重要特点。土体破坏的重要特点。在外荷载的作用下，土体中任一截面将同时产生法在外荷载的作用下，土体中任一截面将同时产生法向应力和剪应力，其中法向应力作用将使土体发生向应力和剪应力，其中法向应力

2、作用将使土体发生压密，而剪应力作用可使土体发生剪切变形。压密，而剪应力作用可使土体发生剪切变形。1. 土体的破坏从本质上讲是由于土体的破坏从本质上讲是由于 (A) 压坏压坏 (B) 拉坏拉坏 (C) 剪坏剪坏17761776年，库仑根据砂土剪切实验得出年，库仑根据砂土剪切实验得出库仑定律：土的抗剪强度是剪切面上的法向总应力库仑定律：土的抗剪强度是剪切面上的法向总应力 的线性函数的线性函数 后来，根据粘性土剪切实验得出后来，根据粘性土剪切实验得出 f = tan 砂土砂土 f f =c+ tan 粘土粘土c f抗剪强度目的抗剪强度目的c:土的粘聚力土的粘聚力 :土的内摩擦角土的内摩擦角tanft

3、ancf库仑抗剪强度有效应力表达式：库仑抗剪强度有效应力表达式： 对于砂土对于砂土 f=tg 对于粘性土对于粘性土 f=c+tgf=c+(-u)tgc 、 为土体有效应力强度目的；为土体有效应力强度目的； f 破坏破坏z x f 稳定稳定 = f 极限平衡形状极限平衡形状莫尔应力圆莫尔应力圆 3 3 1 1 3 1斜面上的应力斜面上的应力斜边长斜边长L纵向纵向1m 0FX0LsinLcosLsin3 0FZ0LcosLsinLcos1 cos2223131sin2231cos22231312312231)2()2(圆心圆心半径半径,0)2(31231 O 1 32O),A(cos2223131

4、sin2231莫尔圆可以表示土体中一点的应莫尔圆可以表示土体中一点的应力形状，莫尔圆圆周上各点的坐力形状，莫尔圆圆周上各点的坐标就表示该点在相应平面上的标就表示该点在相应平面上的正应力和剪应力。正应力和剪应力。莫尔应力圆圆周上的恣意点，都代表着单元土体中相应斜面上莫尔应力圆圆周上的恣意点，都代表着单元土体中相应斜面上的应力形状的应力形状 3 1 3 1 O 1 32O2312231)2()2(应力圆与抗剪强度线相离：应力圆与抗剪强度线相离： 抗剪强度直线抗剪强度直线应力圆与抗剪强度线相切：应力圆与抗剪强度线相切：应力圆与抗剪强度线相割：应力圆与抗剪强度线相割：f f f 破坏形状破坏形状 f

5、= tan +cc 稳定稳定 f = tan +cc 209022450 剪破面与大主应力面的夹角剪破面与大主应力面的夹角 3 3 1 1 土的极限平衡条件土的极限平衡条件根据莫尔库仑破坏准那么来研讨某一土体单元处于极限平衡根据莫尔库仑破坏准那么来研讨某一土体单元处于极限平衡形状时的应力条件及其大、小主应力之间的关系，该关系称为土形状时的应力条件及其大、小主应力之间的关系，该关系称为土的极限平衡条件。的极限平衡条件。根据莫尔库仑破坏准那么，当单元土体到达极限平衡形状时，根据莫尔库仑破坏准那么，当单元土体到达极限平衡形状时，莫尔应力圆恰好与库仑抗剪强度线相切。莫尔应力圆恰好与库仑抗剪强度线相切。

6、 3 1c 2 fA ccot 313121cot21sinc245tan2245tan231ooc245tan2245tan213ooc无粘性土：无粘性土：c=0c=0粘性土：粘性土：245tan231o245tan213o231极限平衡应力形状：极限平衡应力形状： 有一对面上的应力形状到达有一对面上的应力形状到达 = = f f土的强度包线：一切到达极限平衡形状的莫尔圆的公切线。土的强度包线：一切到达极限平衡形状的莫尔圆的公切线。 f强度包络线强度包络线【例题】知某土体单元的大主应力【例题】知某土体单元的大主应力1380kPa，小主应，小主应力力3210kPa。经过实验测得土的抗剪强度目的

7、。经过实验测得土的抗剪强度目的c=20kPa，19，问该单元土体处于什么形状？，问该单元土体处于什么形状？解解 1直接用直接用与与f的关系来判别的关系来判别2450剪破面与大主应力面的夹角剪破面与大主应力面的夹角054求相应面上的抗剪强度求相应面上的抗剪强度f为为由于由于=128 f=124，阐明该单元体早已破坏。，阐明该单元体早已破坏。分别求出剪破面上的法向应力分别求出剪破面上的法向应力和剪应力和剪应力为为cos2223131sin2231020303tan190cos10822104802210480128kPa0480210sin1082303kPatancf124kPa求相应面上的抗剪

8、强度求相应面上的抗剪强度f为为由于由于= f=，阐明最大剪应力面没有破坏，阐明最大剪应力面没有破坏分别求出最大剪应力面上的法向应力分别求出最大剪应力面上的法向应力和剪应力和剪应力为为cos2223131sin2231020345tan190480210480210cos9022135kPa0480210sin902345kPatancf139kPa2取最大剪应力斜面处于什么形状取最大剪应力斜面处于什么形状045最大剪应力与大主应力面的夹角最大剪应力与大主应力面的夹角例：设砂土的内摩擦角为例：设砂土的内摩擦角为38度度,A点的大主应力为点的大主应力为530kPa，小主应力为，小主应力为120kP

9、a，该点处于什么形，该点处于什么形状？状？ B点所受剪应力点所受剪应力122kPa，法线应力，法线应力246kPa该点处于什么形状？该点处于什么形状？解：解：判别判别A点方法一：点方法一：2450剪破面与大主应力面的夹角剪破面与大主应力面的夹角064分别求出剪破面上的法向应力分别求出剪破面上的法向应力和剪应力和剪应力为为cos2223131sin22310cos12821205302120530162kPa0sin1282120530kPa1990tan381099tancf155kPa由于由于=162 f=155，阐明，阐明A点破坏。点破坏。)22ctan(45)2(45tan00231f)

10、2380tan(452)238(45120tan00002504.45kPa53011fA点破坏点破坏 f = tan +c 判别判别A点方法二：点方法二：B点不会破坏点不会破坏tancf0246tan380192.2kPaf122土体破坏土体破坏11f土体不破坏土体不破坏11f土体不破坏土体不破坏31f土体破坏土体破坏31fkPa2503kPa4001kPa160u时，土样能够破裂面上的剪应力是多少时，土样能够破裂面上的剪应力是多少?例：某饱和土样，有效抗剪强度目的为例：某饱和土样，有效抗剪强度目的为 2812kPaC大小主应力为大小主应力为孔隙水压力为孔隙水压力为土样能否会破坏？土样能否会

11、破坏？ f=c+(-u)tg解：解：u11u33400160 = 240kpa250160 = 90kpa2450剪破面与大主应力面的夹角剪破面与大主应力面的夹角590分别求出剪破面上的法向应力分别求出剪破面上的法向应力和剪应力和剪应力为为1313cos22213sin2266kPa301kPa130012tan28fctan81kPa02409024090cos11822240090sin1182由于由于=66 f=81，阐明土体稳定。，阐明土体稳定。5.3 抗剪强度实验抗剪强度实验按常用的实验仪器可将剪切实验分：按常用的实验仪器可将剪切实验分：为直接剪切实验为直接剪切实验三轴紧缩实验三轴紧

12、缩实验无侧限抗压强度实验无侧限抗压强度实验和十字板剪切实验四种。和十字板剪切实验四种。5.3.1 直接剪切实验直接剪切实验可以测定土的两个抗剪强度目的：可以测定土的两个抗剪强度目的：c:土的粘聚力土的粘聚力 :土的内摩擦角土的内摩擦角PSTA 在不同的垂直压力在不同的垂直压力下进展剪切实验，得相应的抗剪下进展剪切实验，得相应的抗剪强度强度ff，绘制，绘制f -f - 曲线，得该土的抗剪强度包线曲线，得该土的抗剪强度包线RcfC钢环变形常数钢环变形常数R变形量变形量5.3.2、三轴紧缩实验、三轴紧缩实验三轴是指一个竖向和两个侧向而言，由于压力室和试样均三轴是指一个竖向和两个侧向而言，由于压力室和

13、试样均为圆柱形，因此，两个侧向或称周围的应力相等并为为圆柱形，因此，两个侧向或称周围的应力相等并为小主应力小主应力3 ，而竖向或轴向的应力为大主应力，而竖向或轴向的应力为大主应力1。1 3 3 3 3 1 抗剪强度包线抗剪强度包线 c 分别在不同的周围压力分别在不同的周围压力3 3作用下进展剪切，得作用下进展剪切，得到到3 34 4 个不同的破坏应力圆，绘出各应力圆的公切个不同的破坏应力圆，绘出各应力圆的公切线即为土的抗剪强度包线。线即为土的抗剪强度包线。 例例. 直剪实验土样的破坏面在上下剪切盒之间，三轴试直剪实验土样的破坏面在上下剪切盒之间，三轴试验土样的破坏面验土样的破坏面 。与试样顶面

14、夹角呈与试样顶面夹角呈45面面 与试样顶面夹角呈与试样顶面夹角呈45+/2面面(C) 与试样顶面夹角呈与试样顶面夹角呈45/2面面试样试样压力室压力室压力压力水水排水管排水管阀门阀门轴向加压杆轴向加压杆有机玻璃罩有机玻璃罩橡皮膜橡皮膜透水石透水石顶帽顶帽1 3 3 3 3 1 三轴实验的实验类型三轴实验的实验类型1.不固结不排水实验不固结不排水实验UU实验实验在不排水条件下，施加周围压力增量在不排水条件下，施加周围压力增量3 ，然后在不允许水进出的条件下，逐渐施加附然后在不允许水进出的条件下，逐渐施加附加轴向压力加轴向压力q，直至试样剪破，直至试样剪破 工程背景：运用与饱和粘土、软粘土快速工程

15、背景：运用与饱和粘土、软粘土快速施工测定施工测定cu 、u 接近不固结不排水剪切条件接近不固结不排水剪切条件 3 3 3 3 3 3 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=0u=0BCcu uAA 3A 1A实验阐明：虽然三个试样的周围压力实验阐明：虽然三个试样的周围压力3 3不同，但破坏时的主不同，但破坏时的主应力差相等，三个极限应力圆的直径相等，因此强度包线是应力差相等，三个极限应力圆的直径相等，因此强度包线是一条程度线。一条程度线。31312.固结不排水实验固结不排水实验CU实验实验加部分围压允许试样在周加部分围压允许试样在周围应力增量下排水，待固围应力增量下

16、排水，待固结稳定，再在不允许水有结稳定，再在不允许水有进出才条件下逐渐施加轴进出才条件下逐渐施加轴向压力，直至试样剪破向压力，直至试样剪破 将总应力圆在程度将总应力圆在程度轴上左移轴上左移ufuf得到相得到相应的有效应力圆应的有效应力圆按有效应力圆强按有效应力圆强度包线可确定度包线可确定c c 、 ccuc cucuABCu11u33 3 3 3 3 3 3 翻开排翻开排水阀水阀封锁排封锁排水阀水阀工程背景：正常固结土体，遭到大量快速活荷载工程背景：正常固结土体，遭到大量快速活荷载3.固结排水实验固结排水实验CD实验实验允许试样在周围压力增量下排水，待固结稳定在允许水有进出的允许试样在周围压力

17、增量下排水，待固结稳定在允许水有进出的条件下以极慢的速率对试样逐渐施加附加轴向压力，直至试样剪破条件下以极慢的速率对试样逐渐施加附加轴向压力，直至试样剪破 在整个排水剪实验过程中，在整个排水剪实验过程中，uf uf 0 0，总应力全部转化为有，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，强度目的为是有效应力强度线，强度目的为cdcd、 d d。 cd d d 3 3 3 3 3 3 翻开排翻开排水阀水阀例例. 一个饱和粘性土试样，进展三轴固结不排水实验，一个饱和粘性土试样，进展三轴固结不排水实验，并测出

18、孔隙水压力，可以得到一个总应力圆和有效应力圆并测出孔隙水压力，可以得到一个总应力圆和有效应力圆那么那么 (A) 总应力圆大总应力圆大 (B) 有效应力圆大有效应力圆大 (C) 两个应力圆一样大两个应力圆一样大例例. 一个饱和的粘性土试样，在三轴仪内进展不固结不排一个饱和的粘性土试样，在三轴仪内进展不固结不排水实验。试问土样的破坏面水实验。试问土样的破坏面 (A) 与程度面呈与程度面呈45 (B) 与程度面呈与程度面呈60 (C) 与程度面呈与程度面呈75ququ加压加压框架框架量表量表量力环量力环升降升降螺杆螺杆无侧限紧缩仪无侧限紧缩仪 3=0试试样样无侧限抗压强度实验无侧限抗压强度实验 0c

19、u0 u qu无侧限抗压强度实验所得的饱和无侧限抗压强度实验所得的饱和粘土极限应力圆的程度切线就是粘土极限应力圆的程度切线就是破坏包线破坏包线2uufqc utuqSquq原状土无侧限抗压强度原状土无侧限抗压强度uq扰动土无侧限抗压强度扰动土无侧限抗压强度还可测定饱和粘土灵敏度还可测定饱和粘土灵敏度 十字板剪切实验十字板剪切实验实验时，先将十字板插到要进展实验的深度，再在十字板剪切实验时，先将十字板插到要进展实验的深度，再在十字板剪切仪上端的加力架上以一定的转速对其施加扭力矩，使板内的土仪上端的加力架上以一定的转速对其施加扭力矩，使板内的土体与其周围土体产生相对扭剪，直至剪破，测出其相应的最大

20、体与其周围土体产生相对扭剪，直至剪破，测出其相应的最大扭力矩。然后，根据力矩的平衡条件，推算出圆柱形剪破面上扭力矩。然后，根据力矩的平衡条件，推算出圆柱形剪破面上土的抗剪强度。土的抗剪强度。M1H HDM22 21 1DDDDM = 2M = 2 43431212M = MMM = MM2 2D DM =M =DHDH 2 22 22M2M= =D DD (H+)D (H+)3 3适用于在现场测定饱和粘性土的原位不排水强度适用于在现场测定饱和粘性土的原位不排水强度结果与无侧限抗压强度实验结果接近结果与无侧限抗压强度实验结果接近5.4土的剪切性状土的剪切性状5.4.1、砂性土的剪切性状、砂性土的

21、剪切性状松砂受剪时，颗粒滚落到平衡位置，陈列得更严密些，松砂受剪时，颗粒滚落到平衡位置，陈列得更严密些，所以它的体积减少，把这种因剪切而体积减少的景象所以它的体积减少，把这种因剪切而体积减少的景象称为剪缩性；称为剪缩性；砂土的初始孔隙比不同，在受剪过程中将显示出非常不同的性状。砂土的初始孔隙比不同，在受剪过程中将显示出非常不同的性状。紧砂受剪时，颗粒必需升高以分开紧砂受剪时，颗粒必需升高以分开它们原来的位置而彼此才干相互滑它们原来的位置而彼此才干相互滑过，从而导致体积膨胀，把这种因过，从而导致体积膨胀，把这种因剪切而体积膨胀的景象称为剪胀性。剪切而体积膨胀的景象称为剪胀性。 随着轴向应变的添加

22、，松砂的强度逐渐添加，曲线应变硬化。体积逐渐减小体积逐渐减小紧砂的强度到达一定值紧砂的强度到达一定值后，随着轴向应变的继后，随着轴向应变的继续添加，强度反而减小，续添加，强度反而减小，最后呈应变软化型最后呈应变软化型 体积开场时稍有减小，继而添加，超越它的初始体积5.4、粘性土的剪切性状、粘性土的剪切性状1.粘土的剩余强度粘土的剩余强度超固结粘土在剪切实验中有与超固结粘土在剪切实验中有与紧砂类似的应力应变特征，紧砂类似的应力应变特征，当强度随着剪位移到达峰值后，当强度随着剪位移到达峰值后，假设剪切继续进展，随着剪位假设剪切继续进展，随着剪位移继续增大，强度显著降低，移继续增大，强度显著降低，最

23、后稳定在某一数值不变，该最后稳定在某一数值不变，该不变的值即称为粘土的剩余强度不变的值即称为粘土的剩余强度5.5.6 三轴紧缩实验中的孔隙应力系数三轴紧缩实验中的孔隙应力系数uBuA33q=1 -31.孔隙应力系数孔隙应力系数B当试样在不排水条件下遭到各向相等压力增量当试样在不排水条件下遭到各向相等压力增量3时，时，产生的孔隙应力增量为产生的孔隙应力增量为uB， B uB/3在饱和土的不固结不排水剪实验中，周围压力增量将完全在饱和土的不固结不排水剪实验中，周围压力增量将完全由孔隙水承当，所以由孔隙水承当，所以B1；当土完全枯燥时，孔隙气的紧缩性要比骨架的紧缩性高的多，当土完全枯燥时，孔隙气的紧

24、缩性要比骨架的紧缩性高的多，这时周围压力增量将完全由土骨架承当，于是这时周围压力增量将完全由土骨架承当，于是B0。2.孔隙应力系数孔隙应力系数A当试样遭到轴向应力增量当试样遭到轴向应力增量q(即主应力差即主应力差13作用时，产生的作用时，产生的孔隙水应力为孔隙水应力为uA， uA的大小与主应力差的大小与主应力差13及土样的饱和程及土样的饱和程度有关，我们定义另一孔压系数度有关，我们定义另一孔压系数A如下：如下： 三向紧缩条件下的孔隙应力为：三向紧缩条件下的孔隙应力为：u= u1+ u2=B3 + BA 13 uA=BA 13 5.5.7应力途径应力途径 应力途径：土体中一点应力途径：土体中一点

25、(某个斜面某个斜面)应力形状延续变化，应力形状延续变化，在坐标中的轨迹在坐标中的轨迹作用：记录加载的形状、历史作用：记录加载的形状、历史选择点：最大剪应力面与主应力面成选择点：最大剪应力面与主应力面成45的斜面的斜面 最危险破坏面面与主应力面成最危险破坏面面与主应力面成45+/2的斜面的斜面 O 3 1 13 坚持为常数坚持为常数 1.直剪实验应力途径：直剪实验应力途径：不变，逐渐添加不变，逐渐添加至破坏至破坏 f = tan +c 2.三轴三轴UU实验应力途径：实验应力途径：饱和粘土，孔隙水压力饱和粘土，孔隙水压力U不断增大不断增大至土体破坏至土体破坏 阅历强度线阅历强度线450 3.三轴三轴CU实验应力途径：实验应力途径：轴压增大，孔隙水压力轴压增大，孔隙水压力U不断增大，有效应力逐