土的抗剪强度理论

1、土的抗剪强度土的抗剪强度n土的抗剪强度 1.库仑定律 2.土的极限平衡条件 n剪切试验方法(直剪，三轴，无侧限，十字板）n不同排水条件下剪切试验成果* 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 5.1土的抗剪强度与极限平衡条件n一、库仑定律一、库仑定律剪切试验剪切试验播放播放17761776年，库仑根据年，库仑根据砂土砂土剪切试验剪切试验 f = tan 砂土砂土后来，根据后来，根据粘性土粘性土剪切试验剪切试验 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

2、线性函数的线性函数 tanfcftanc: :土的粘聚力土的粘聚力 : :土的内摩擦角土的内摩擦角 f f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：滑动摩擦：剪切面土粒间表面的粗糙所产生的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：咬合摩擦：土粒间互相嵌入所产生的咬合力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粘聚力：由土粒之间的胶结作用和电分子引力等因素形成因素形成 抗剪强度影响因素抗剪强度影响因素摩擦力：摩擦力：剪切面上的法向总应力、土的初始密度、土剪切面上的法向总应力、土的初始密度、土

3、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：粘聚力：土中矿物成分、粘粒含量、含水量以及土的土中矿物成分、粘粒含量、含水量以及土的结构结构三、土中一点的应力状态三、土中一点的应力状态n土体内一点处土体内一点处不同方位不同方位的截面上应力的集合的截面上应力的集合（剪应（剪应力力 和法向应力和法向应力 ） 3 3 1 1 3 1 dldlcos dlsin 楔体静楔体静力平衡力平衡0cossinsin3dldldl0sincoscos1dldldl2cos212131312sin213123122312121 3 1 dldlcos dlsin 斜面上的应力斜面上的应力莫

4、尔应力圆方程莫尔应力圆方程 O 1 31/2( 1 + 3 ) 2 A( , )圆心坐标圆心坐标1/2(1 +3 )，0应力圆半径应力圆半径r1/2(13 )土中某点的土中某点的应应力状态力状态可用莫可用莫尔应力圆描述尔应力圆描述 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应力圆与强度线相离：相离： 强度线强度线应力圆与强度线应力圆与强度线相切：相切：应力圆与强度线应力圆与强度线相割：相割：极限应极限应力圆力圆f 破坏状态破坏状态 莫尔库仑破坏准则莫尔库仑破坏准则n莫尔应力圆与库仑强度线相切的应力状态作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为土的破坏准则(目前判别土体

5、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 莫尔库仑破坏准则莫尔库仑破坏准则 3 1c f2 fA cctg 1/2( 1 + 3 )313121cot21sinc245tan2245tan231ooc245tan2245tan213ooc无粘性土：无粘性土：c=0245tan231o245tan213on土体处于极限平衡状态时，破坏面与大主应力作土体处于极限平衡状态时，破坏面与大主应力作用面的夹角为用面的夹角为 f f2 f 3 1c A cctg 1/2( 1 + 3 )2459021f45max说明：说明：剪破面并不产生于最大剪应力面，而与最大剪破面并不产生于最

6、大剪应力面，而与最大剪应力面成剪应力面成 / 2的夹角，可知，土的剪切破坏并不是的夹角，可知，土的剪切破坏并不是由最大剪应力由最大剪应力max所控制所控制 max五、例题分析五、例题分析n【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430430kPakPa，小小主应力为主应力为200200kPakPa。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？单元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土体最大剪应力出现在哪个面上，是否会沿剪应力

7、最大的面发生剪破？的面发生剪破？【解答】解答】已知已知 1=430=430kPakPa， 3=200kPa=200kPa，c=15kPa=15kPa， =20=20o o 1.1.计算法计算法kPacoof8 .450245tan2245tan231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 kPacoof8 .189245tan2245tan213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小于该单

8、元土体实际小主应力力 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 在剪切面上在剪切面上 552459021fkPaf7.2752cos21213131kPaf1 .1082sin2131库仑定律库仑定律 kPacf3 .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.图解法图解法 c 1 1f 3f实际应力圆实际应力圆极限应力圆极限应力圆最大剪应力与主应力作用面成最大剪应力与主应力作用面成4545o okPa11590sin2131max最大剪应

9、力面上的法向应力最大剪应力面上的法向应力kPa31590cos21213131库仑定律库仑定律 kPacf7 .129tan最大剪应力面上最大剪应力面上f ，所以，不会沿剪应力最大的面发生破所以，不会沿剪应力最大的面发生破坏坏 max5.2 5.2 土的剪切试验方法土的剪切试验方法 n一、直接剪切试验一、直接剪切试验试验仪器：试验仪器：直剪仪（应力控制式，应变控制式）直剪仪（应力控制式，应变控制式）剪切试验剪切试验剪前施加在试样顶面上剪前施加在试样顶面上的竖向压力为剪破面上的竖向压力为剪破面上的法向应力的法向应力 ，剪应力由剪应力由剪切力除以试样面积剪切力除以试样面积在法向应力在法向应力 作用

10、下，剪应力与剪切位移关系曲线，作用下，剪应力与剪切位移关系曲线，根据曲线得到该根据曲线得到该 作用下作用下，土的抗剪强度土的抗剪强度APATf4mm4mm a a b b 剪切位移剪切位移l (0.01mm)(0.01mm) 剪应力剪应力 （kPa)kPa) 1 1 2 2 n在不同的垂直压力在不同的垂直压力 下进行剪切试验，得相应的抗剪下进行剪切试验，得相应的抗剪强度强度f，绘制绘制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直剪试验优缺点直剪试验优缺点n优点：优点：仪器构造简单，试样的制备和安装方便，仪器构造简单，试样的制备和安装方便，易于操作易于操作 n缺点：缺点：剪切破

11、坏面固定为上下盒之间的水平面不符合剪切破坏面固定为上下盒之间的水平面不符合实际情况，不一定是土样的最薄弱面。实际情况，不一定是土样的最薄弱面。试验中不能严格控制排水条件，对透水性强的试验中不能严格控制排水条件，对透水性强的土尤为突出，不能量测土样的孔隙水压力。土尤为突出，不能量测土样的孔隙水压力。 上下盒的错动，剪切过程中试样剪切面积逐渐上下盒的错动，剪切过程中试样剪切面积逐渐减小，剪切面上的剪应力分布不均匀减小，剪切面上的剪应力分布不均匀二、三轴剪切试验二、三轴剪切试验n应变控制式三轴仪：压力室，加压系统，量测系应变控制式三轴仪：压力室，加压系统，量测系统组成统组成n应力控制式三轴仪应力控制

12、式三轴仪n试验步骤试验步骤: : 3 3 3 3 3 3 2.2.施加周围压力施加周围压力3.3.施加竖向压力施加竖向压力1.1.装样装样n应变控制式三轴应变控制式三轴仪：压力室，量仪：压力室，量测系统测系统抗剪强度包线抗剪强度包线n分别在不同的周围压力分别在不同的周围压力 3作用下进行剪切，得到作用下进行剪切，得到3 34 4 个不同的破坏应力圆，绘出各应力圆的公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切线即为土的抗剪强度包线 抗剪强度包线抗剪强度包线 c 三轴试验优缺点三轴试验优缺点n优点：优点：试验中能严格控制试样排水条件，量测孔隙水压试验中能严格控制试样排水条件，量

13、测孔隙水压力，了解土中有效应力变化情况力，了解土中有效应力变化情况试样中的应力分布比较均匀试样中的应力分布比较均匀 n缺点：缺点：试验仪器复杂，操作技术要求高，试样制备较复试验仪器复杂，操作技术要求高，试样制备较复杂杂 试验在试验在 2 2= = 3 3的轴对称条件下进行，与土体实际受的轴对称条件下进行，与土体实际受力情况可能不符力情况可能不符 三、无侧限抗压强度试验三、无侧限抗压强度试验ququ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压缩仪无侧限压缩仪无侧限抗压强度试验是三轴剪切试验的特例，对试样不无侧限抗压强度试验是三轴剪切试验的特例，对试样不施加周围压力，即施加周围压力

14、，即 3=0，只施加轴向压力直至发生破坏，只施加轴向压力直至发生破坏，试样在无侧限压力条件下，剪切破坏时试样承受的最大试样在无侧限压力条件下，剪切破坏时试样承受的最大轴向压力轴向压力qu，称为称为无侧限抗压强度无侧限抗压强度 试试样样无侧限无侧限压缩仪压缩仪根据试验结果只能作出一个极限应力圆（根据试验结果只能作出一个极限应力圆（ 3 3=0=0， 1 1= =qu）。）。因此对一般粘性土，无法作出强度包线因此对一般粘性土，无法作出强度包线 说明：说明：对于饱和软粘土，根据对于饱和软粘土，根据三轴不排水剪试验成果，其强三轴不排水剪试验成果，其强度包线近似于一水平线，即度包线近似于一水平线，即 u

15、 u=0=0，因此无侧限抗压强度试因此无侧限抗压强度试验适用于测定饱和软粘土的不验适用于测定饱和软粘土的不排水强度排水强度qucu u=02uufqc 无侧限抗压强度试验仪器构造简单，操作方便，无侧限抗压强度试验仪器构造简单，操作方便，可代替三轴试验测定饱和软粘土的不排水强度可代替三轴试验测定饱和软粘土的不排水强度 灵敏度灵敏度n粘性土的原状土无侧限抗压强度与原土结构完全粘性土的原状土无侧限抗压强度与原土结构完全破坏的重塑土的无侧限抗压强度的比值破坏的重塑土的无侧限抗压强度的比值uutqqS 反映土的结构反映土的结构受挠动对强度受挠动对强度的影响程度的影响程度 根据灵敏度将饱和粘性土分类：根据

16、灵敏度将饱和粘性土分类：低灵敏度土低灵敏度土 1St2中灵敏度土中灵敏度土 24适用于现场测定饱和粘性适用于现场测定饱和粘性土的不排水强度，尤土的不排水强度，尤其适用于均匀的饱和其适用于均匀的饱和软粘土软粘土四、十字板剪切试验四、十字板剪切试验21maxMMM2324221DDMf22DDHMf322maxDHDMf柱体上下平面的柱体上下平面的抗剪强度产生的抗剪强度产生的抗扭力矩抗扭力矩柱体侧面剪应力柱体侧面剪应力产生的抗扭力矩产生的抗扭力矩5.3 排水条件与试验成果的关系n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cftan库仑定律库仑定律说明：说明：施加于试样

17、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 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总应力决定，而是取决于剪切面上的法向有效应力法向有效应力 cucftantanc 、 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

18、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 n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：三轴试验：施加周围压力施加周围压力 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：直剪试验：通过试验加荷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 35 5minmin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 3

19、 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=0BCcu uAA 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：试验表明：虽然三个试样的周围压力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三个试样只能得到一个有效应力圆一个有效应力圆 2. 2. 固结不排水剪（固结不排水剪（CUC

20、U） n三轴试验：三轴试验：施加周围压力施加周围压力 3 3时打开排水阀门，试样完全时打开排水阀门，试样完全排水固结，孔隙水压力完全排水固结，孔隙水压力完全消散。然后关闭排水阀门，消散。然后关闭排水阀门，再施加轴向压力增量再施加轴向压力增量 ，使，使试样在不排水条件下剪切破试样在不排水条件下剪切破坏坏 3 3 3 3 3 3 n直剪试验：直剪试验：剪切前试样在垂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打开排排水阀水阀关闭关闭排排水阀水阀 3 3 3

21、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c 、 ccuc cucu 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、 cuABC3. 3. 固结排水剪（固结排水剪（CDCD） n三轴试验：三轴试验：试样在周围压试样在周围压力力 3 3作用下排

22、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：直剪试验：试样在垂直压力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打开排排水阀水阀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

23、以总应力圆即是有效应力圆，总应力为有效应力，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n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