岩土力学课件：第七章 土的抗剪强度

1、1第七章土的抗剪强度2本章特点正常固结粘性土的强度强度指标的运用主要难点学习要点第7章 土的抗剪强度有较严格的理论体系各种关系较复杂前面各章知识的综合运用理清关系砂性土与粘性土强度的区别与联系试验条件与实际工程情况的对应关系 37.1 概述7.2 土的抗剪强度理论7.3 土的抗剪强度试验7.4 三轴压缩试验中的孔隙压力系数7.5 饱和粘性土的抗剪强度7.6 应力路径在强度问题中的应用7.7 无粘性土的抗剪强度第七章 土的抗剪强度4土工结构物或地基土渗透问题变形问题强度问题渗透特性变形特性强度特性 7.1 概述51. 碎散性：强度不是颗粒矿物本身的强度，而是颗粒间相互作用主要是抗剪强度（剪切破坏

2、），颗粒间粘聚力与摩擦力；2. 三相体系：三相承受与传递荷载有效应力原理；3. 自然变异性：土的强度的结构性与复杂性。土的强度特点 7.1 概述6大阪的港口码头挡土墙由于液化前倾工程中土体的破坏类型1. 挡土结构物的破坏 7.1 概述7广州京光广场基坑塌方使基坑旁办公室、民工宿舍和仓库倒塌，死3人，伤17人。 7.1 概述工程中土体的破坏类型1. 挡土结构物的破坏8挡土墙滑裂面基坑支护 7.1 概述工程中土体的破坏类型1. 挡土结构物的破坏9平移滑动2. 各种类型的滑坡崩塌旋转滑动流滑工程中土体的破坏类型 7.1 概述101994年4月30日崩塌体积400万方10万方进入乌江死4人，伤5人，失

3、踪12人击沉拖轮、驳轮各一艘，渔船2只1994年7月2-3日降雨引起再次滑坡崩塌体巨大石块滚入江内，无法通航滑坡体崩入乌江近百万方；江水位差数米。乌江鸡冠岭山体崩塌2. 各种类型的滑坡工程中土体的破坏类型 7.1 概述11龙观嘴黄崖沟乌江2000年西藏易贡巨型滑坡2. 各种类型的滑坡工程中土体的破坏类型 7.1 概述12立面示意图高程（m）滑距（m）553022004000扎 木 弄 沟滑坡堆积体08000400020006000坡高 3330 m堆积体宽 约2500m总方量 约3亿方2000年西藏易贡巨型滑坡2. 各种类型的滑坡工程中土体的破坏类型 7.1 概述13平面示意图易贡滑坡堰塞湖滑

4、 坡 堆 积 区扎木弄沟2264m2210m2165m2340m5520m滑坡堆积体2000年西藏易贡巨型滑坡2. 各种类型的滑坡工程中土体的破坏类型 7.1 概述14天然坝 坝高290 m滑坡堰塞湖 库容15亿方湖水每天上涨50cm ?2000年西藏易贡巨型滑坡2. 各种类型的滑坡工程中土体的破坏类型 7.1 概述15边坡滑裂面2. 各种类型的滑坡工程中土体的破坏类型 7.1 概述16粘土地基上的某谷仓地基破坏3. 地基的破坏工程中土体的破坏类型 7.1 概述17日本新泻1964年地震引起大面积液化工程中土体的破坏类型 7.1 概述3. 地基的破坏18地基p滑裂面工程中土体的破坏类型 7.1

5、 概述3. 地基的破坏19土压力边坡稳定地基承载力挡土结构物破坏各种类型的滑坡地基的破坏工程中土体的破坏类型 7.1 概述土的抗剪强度：土体抵抗剪应力的极限值； 土体抵抗剪切破坏的受剪能力。207.1 概述7.2 土的抗剪强度理论7.3 土的抗剪强度试验7.4 三轴压缩试验中的孔隙压力系数7.5 饱和粘性土的抗剪强度7.6 应力路径在强度问题中的应用7.7 无粘性土的抗剪强度第七章 土的抗剪强度21 7.2 土的抗剪强度理论7.2.1 库仑公式及抗剪强度指标c/c： cohesion 总/有效应力粘聚力/ ：angle of internal friction 总/有效应力内摩擦角库仑公式Sh

6、ear strength indexes总/有效应力抗剪强度指标Oc22NT= NtguT滑动摩擦（1）滑动摩擦由颗粒之间发生滑动时颗粒接触面粗糙不平所引起，与颗粒大小，矿物组成等因素有关摩擦强度 tg 7.2 土的抗剪强度理论7.2.1 库仑公式及抗剪强度指标23摩擦强度 tg（2）咬合摩擦CABCAB剪切面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A必须抬起，跨越相邻颗粒B，或在尖角处被剪断（C），才能移动 土体中的颗粒重新排列，也会消耗能量 7.2 土的抗剪强度理论7.2.1 库仑公式及抗剪强度指标24密度（e, 粒径级配（Cu, Cc）颗粒的矿物成分 对于：砂

7、土粘性土； 高岭石伊里石蒙脱石粒径的形状（颗粒的棱角与长宽比） 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影响土的摩擦强度的主要因素：摩擦强度 tg 7.2 土的抗剪强度理论7.2.1 库仑公式及抗剪强度指标25粘聚强度机理静电引力（库仑力）范德华力颗粒间胶结假粘聚力（毛细力等）粘聚强度影响因素地质历史粘土颗粒矿物成分密度离子价与离子浓度-+粘聚强度 c 7.2 土的抗剪强度理论7.2.1 库仑公式及抗剪强度指标26PSTA破坏面确定一般应力状态如何判断是否破坏？借助于莫尔圆库仑公式 7.2 土的抗剪强度理论7.2.2 摩尔-库仑强度理论及极限平衡条件27=三维应力状态二维

8、应力状态 7.2 土的抗剪强度理论7.2.2 摩尔-库仑强度理论及极限平衡条件28莫尔圆应力分析符号规定材料力学+-+-土力学正应力剪应力拉为正压为负顺时针为正逆时针为负压为正拉为负逆时针为正顺时针为负 7.2 土的抗剪强度理论7.2.2 摩尔-库仑强度理论及极限平衡条件29Oz+zx-xzx213rp+-1大主应力：小主应力:圆心：半径：z按顺时针方向旋转x按顺时针方向旋转莫 尔 圆：代表一个土单元的应力状态；圆上一点：代表一个面上的两个应力与 7.2 土的抗剪强度理论7.2.2 摩尔-库仑强度理论及极限平衡条件30f强度包线以内：任何一个面上的一对应力与 都没有达到破坏包线，不破坏； 7.

9、2 土的抗剪强度理论7.2.2 摩尔-库仑强度理论及极限平衡条件与破坏包线相切：该面上的应力达到破坏状态；与破坏包线相交：有一些平面上的应力超过强度；不可能发生。31极限平衡应力状态： 有一对面上的应力状态达到 = f土的强度包线： 所有达到极限平衡状态的莫尔园的公切线。f 7.2 土的抗剪强度理论7.2.2 摩尔-库仑强度理论及极限平衡条件32（1）土单元的某一个平面上的抗剪强度f是该面上作用的法向应力的单值函数, f =f() （莫尔：1900年）（2）在一定的应力范围内，可以用线性函数近似：f = c +tg（3）某土单元的任一个平面上 = f ，该单元就达到了极限平衡应力状态莫尔库仑强

10、度理论 7.2 土的抗剪强度理论7.2.2 摩尔-库仑强度理论及极限平衡条件33莫尔-库仑强度理论表达式极限平衡条件13Oc 7.2 土的抗剪强度理论7.2.2 摩尔-库仑强度理论及极限平衡条件34莫尔-库仑强度理论表达式极限平衡条件13Oc 7.2 土的抗剪强度理论7.2.2 摩尔-库仑强度理论及极限平衡条件35根据应力状态计算出大小主应力1、3判断破坏可能性由3计算1f比较1与1f11f 不可能状态Oc1f311破坏判断方法判别对象：土体微小单元（一点）3= 常数： 7.2 土的抗剪强度理论7.2.2 摩尔-库仑强度理论及极限平衡条件36根据应力状态计算出大小主应力1、3判断破坏可能性由1

11、计算3f比较3与3f33f 安全状态3=3f 极限平衡状态33f 不可能状态Oc 13f331= 常数：破坏判断方法 7.2 土的抗剪强度理论7.2.2 摩尔-库仑强度理论及极限平衡条件37根据应力状态计算出大小主应力1、3判断破坏可能性由1、3计算与比较 不可能状态Oc(1 + 3)/2 = 常数：圆心保持不变也可比较圆的直径破坏判断方法 7.2 土的抗剪强度理论7.2.2 摩尔-库仑强度理论及极限平衡条件38231f45/2破裂面Oc1f32滑裂面的位置 与大主应力面夹角： =45 + /2破坏面为什么不在最大剪应力作用面上？破坏判断方法 7.2 土的抗剪强度理论7.2.2 摩尔-库仑强度

12、理论及极限平衡条件397.1 概述7.2 土的抗剪强度理论7.3 土的抗剪强度试验7.4 三轴压缩试验中的孔隙压力系数7.5 饱和粘性土的抗剪强度7.6 应力路径在强度问题中的应用7.7 无粘性土的抗剪强度第七章 土的抗剪强度40室内试验野外试验三轴试验、直剪试验等 制样（重塑土）或现场取样 缺点：扰动 优点：应力条件清楚，易重复十字板扭剪试验、旁压试验等 原位试验 缺点：应力条件不易掌握 优点：原状土的原位强度 7.3 土的抗剪强度试验41PSTA = 100KPaS = 200KPa = 300KPaOc 7.3 土的抗剪强度试验7.3.1 直接剪切试验42通过控制剪切速率来近似模拟排水条

13、件PSTA(1) 固结慢剪 施加正应力-充分固结 慢慢施加剪应力-小于0.02mm/分， 以保证无超静孔压(2) 固结快剪 施加正应力-充分固结 在3-5分钟内剪切破坏(3) 快剪 施加正应力后 立即剪切3-5分钟内剪切破坏 7.3 土的抗剪强度试验7.3.1 直接剪切试验43OnK0nPSTA 7.3 土的抗剪强度试验7.3.1 直接剪切试验44 设备简单，操作方便 结果便于整理 测试时间短优点 试样应力状态复杂 应变不均匀 不易控制排水条件 剪切面固定缺点PSTA类似试验：环剪试验单剪试验TP试样内的变形分布 7.3 土的抗剪强度试验7.3.1 直接剪切试验45试样压力室压力水排水管阀门轴

14、向加压杆有机玻璃罩橡皮膜透水石顶帽量测体变或孔压 7.3 土的抗剪强度试验7.3.2 三轴压缩试验46方法：首先试样施加静水压力室压（围压） 1=2=3 ； 然后通过活塞杆施加的是应力差1= 1-3 。 特点：试样是轴对称应力状态。垂直应力z一般是大主应力；径向与切向应力总是相等r=，亦即1=z；2=3=r 7.3 土的抗剪强度试验7.3.2 三轴压缩试验47强度包线(1-)fc (1-)f11- 31 =15%分别作围压为100 kPa 、200 kPa 、300 kPa的三轴试验，得到破坏时相应的（1-)f绘制三个破坏状态的应力莫尔圆，画出它们的公切线强度包线，得到强度指标 c 与 强度包

15、线 7.3 土的抗剪强度试验7.3.2 三轴压缩试验48固结排水试验（CD试验）1 打开排水阀门，施加围压后充分固结，超静孔隙水压力完全消散；2 打开排水阀门，慢慢施加轴向应力差以便充分排水，避免产生超静孔压固结不排水试验（CU试验）1 打开排水阀门，施加围压后充分固结，超静孔隙水压力完全消散；2 关闭排水阀门，很快剪切破坏，在施加轴向应力差过程中不排水不固结不排水试验（UU试验）1 关闭排水阀门，围压下不固结；2 关闭排水阀门，很快剪切破坏，在施加轴向应力差过程中不排水cd 、d ccu 、cu cu 、u 试验类型 7.3 土的抗剪强度试验7.3.2 三轴压缩试验49优点：1 应力状态和应

16、力路径明确；2 排水条件清楚，可控制；3 破坏面不是人为固定的缺点：设备相对复杂，现场难以试验说明： 30 即为无侧限抗压强度试验真三轴仪空心圆柱扭剪仪 7.3 土的抗剪强度试验7.3.2 三轴压缩试验50 7.3 土的抗剪强度试验7.3.3 无侧限抗压强度试验cu = qu/2cuqu = 3 =0的不排水试验51一般适用于测定软粘土的不排水强度指标；钻孔到指定的土层，插入十字形的探头；通过施加的扭矩计算土的抗剪强度 7.3 土的抗剪强度试验7.3.4 十字板剪切试验52时：M1HDM2 7.3 土的抗剪强度试验7.3.4 十字板剪切试验537.1 概述7.2 土的抗剪强度理论7.3 土的抗

17、剪强度试验7.4 三轴压缩试验中的孔隙压力系数7.5 饱和粘性土的抗剪强度7.6 应力路径在强度问题中的应用7.7 无粘性土的抗剪强度第七章 土的抗剪强度54u =0 , cu =（ 1 - 3）/2 有效应力莫尔圆是唯一的思考题：可否由不排水试验确定有效应力强度指标？=？cuCu依赖于初始状态 7.5 饱和粘性土的抗剪强度7.5.1 不排水抗剪强度55cu p1cu1p2cu2p3cu3正常固结粘土层 7.5 饱和粘性土的抗剪强度7.5.1 不排水抗剪强度56 7.5 饱和粘性土的抗剪强度7.5.1 不排水抗剪强度1、不排水不固结是指在三轴压缩试验中的不固结，而保持土样原有的有效应力不变 2

18、、如果饱和粘性土从未固结过，将是一种泥浆状，抗剪强度为03、天然土层中取出的试样，拥有其前期固结压力，即在该压力下已固结，具有相应的强度。天然土层的前期固结压力随土层深度变化，所以其不排水强度cu随深度变化4、匀质的正常固结黏土的不排水强度随前期固结压力线性增大5、饱和超固结黏土的不固结不排水强度包线也是水平的57u/ ffcu 7.5 饱和粘性土的抗剪强度7.5.2 固结不排水抗剪强度ufuf.0应力应变关系硬化，体应变剪缩饱和正常固结粘性土试验曲线与强度包线58u应力应变关系软化，孔压可能小于0与超固结度有关ffcuu0 7.5 饱和粘性土的抗剪强度7.5.2 固结不排水抗剪强度饱和超固结

19、粘性土试验曲线与强度包线59= fd 7.5 饱和粘性土的抗剪强度7.5.3 排水抗剪强度 fcdd超固结正常固结60总应力指标与有效应力指标一致: 1= 1d=f= fcd = c破坏面位置： 7.5 饱和粘性土的抗剪强度7.5.3 排水抗剪强度 7.5 饱和粘性土的抗剪强度7.5.3 排水抗剪强度 抗剪强度与有效应力有唯一关系图7-21 7.5 饱和粘性土的抗剪强度7.5.4 抗剪强度指标的选择 cu 、cu：长期稳定分析； u 、u ：饱和软粘土的短期稳定分析； 表7-263试验条件与现场条件的对应关系粘土地基上的分层慢速填方 在1层固结后，快速施工2层12软土地基上的快速填方固结排水试

20、验固结不排水试验不固结不排水试验 7.5 饱和粘性土的抗剪强度7.5.4 抗剪强度指标的选择641. 两种强度指标的比较有效应力指标c, = c + tg= -u符合土的破坏机理，但有时孔隙水压力u无法确定总应力指标c, = c + tg便于应用，但u不能产生抗剪强度，不符合强度机理，应用时要符合工程条件强度指标抗剪强度简单评价 7.5 饱和粘性土的抗剪强度7.5.4 抗剪强度指标的选择651()ffuu正常固结粘土：CU试验2. 强度包线与破坏主应力线思考题1：实际破裂面的方向？思考题2：如果破坏时孔隙水压力u(负孔压)，有效应力莫尔圆在总应力莫尔圆哪边？ 7.5 饱和粘性土的抗剪强度7.5

21、.4 抗剪强度指标的选择66实验室的正常固结粘土：有效固结压力c 等于先期固结压力p。地基中的正常固结粘土： z s p取回室内, 如 c z，不再是正常固结土。 f“正常固结粘土”抗剪强度指标有时失去其物理意义，而变成计算参数的含义z固结压力为0的正常固结粘土:当正常固结粘土试样的固结压力为0时，亦即其历史上的最大固结压力是0处于泥浆状态，抗剪强度为0。c=0是否意味着正常固结粘土无粘聚力?粘聚力随增加而增加 7.5 饱和粘性土的抗剪强度7.5.4 抗剪强度指标的选择67 固结不排水三轴试验确定的强度指标应力变量试验量测u计算= u=确定的强度指标ccu cuc 7.5 饱和粘性土的抗剪强度

22、7.5.4 抗剪强度指标的选择68直剪试验强度指标 对于砂土，三种试验结果都接近于c 对于粘性土，慢剪(Slowly: s) ：csc s; 由于摩擦和中主应力使其强度指标稍大 0.9csc, 0.9s固结快剪（Consolidated Quickly : cq） ccqccu cqcu 快剪 (Quickly: q) : 对于 k10-7 cm/s 粘土 cqcu qu 7.5 饱和粘性土的抗剪强度7.5.4 抗剪强度指标的选择69有效应力指标与总应力指标凡是可以确定（测量、计算）孔隙水压力u的情况，都应当使用有效应力指标c， 7.5 饱和粘性土的抗剪强度7.5.4 抗剪强度指标的选择70名称指标应用不排水剪(快剪)cu、ucq、 q软土地基快速施工固结不排水剪(固结快剪)ccu、 cuccq、 cq固结完成后受突然荷载固结排水剪(慢剪)cd、 dcs、 s地基透水性强施工较慢或正常运行期 7.5 饱和粘性土的抗剪强度7.5.4 抗剪强度指标的选择71 不固结不排水剪（快剪） cu、u（cq、q）粘土地基上快速施工的建筑物软土地基上的快速填方土坝快速施工，心墙未固结 7.5 饱和粘性土的抗剪强度7.5.4 抗剪强度指标的选择72 固结不排水剪（固结快剪） ccu、cu（ccq、cq） 在天然土坡上快速填方水位骤降在1层固结后，施工2层12 7.5 饱和