土的强度理论

土的强度理论§5.1概述§5.2土体破坏与土的强度理论§5.3土的抗剪强度的测定试验§5.4土的抗剪强度指标土的抗剪强度：土体抵抗剪切破坏的极限能力§5.1概述碎散性：强度不是颗粒矿物本身的强度，而是颗粒间相互作用-主要是抗剪强度与剪切破坏，颗粒间粘聚力与摩擦力三相体系：三相承受与传递荷载-有效应力原理

自然变异性：土的强度的结构性与复杂性各种类型的滑坡崩塌平移滑动旋转滑动流滑滑裂面1994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，失踪12人；击沉多艘船只1994年7月2-3日降雨引起再次滑坡滑坡体崩入乌江近百万方；江水位差数米，无法通航。乌江武隆鸡冠岭

山体崩塌滑坡堰塞湖—易贡湖湖水每天上涨50cm！天然坝

坝高290m滑坡堰塞湖

库容15亿方2000年西藏易贡巨型滑坡锚固破坏整体滑动底部破坏土体下沉墙体折断挡土支护结构的破坏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人大阪的港口码头挡土墙由于液化前倾地基的破坏地基P滑裂面某谷仓地基的破坏砂土的液液化(liquefaction)日本新泻泻1964年地震引引起大面面积液化化第五章土土的的强度理理论§5.1概述√§5.2土体破坏坏与土的的强度理理论§5.3土的抗剪剪强度的的测定试试验§5.4土的抗剪剪强度指指标法国军事事工程师师，在摩摩擦、电电磁方面面做出了了奠基性性的贡献献。1773年发表了了关于土土压力方方面论文文，成为为土压力力的经典典理论库仑（C.A.Coulomb）(1736-1806)§5.2土的抗剪剪强度理理论一、库仑仑定律1776年，库库仑根据据砂土剪切试验验后来，根根据粘性土剪切试验验库仑定律律：土的抗剪剪强度是是剪切面面上的法法向总应应力的线性函函数c:土的粘聚聚力:土的内摩摩擦角f=c+tan粘土cff=tan砂土f摩擦强度度：决定于剪剪切面上上的正应应力σ和土的内内摩擦角角由颗粒之之间发生生滑动时时颗粒接接触面粗粗糙不平平所引起起，与颗颗粒的形形状，矿矿物组成成，级配配等因素素有关0.020.060.20.623020颗粒直径(mm)滑动摩擦角u粗粉细砂中砂粗砂滑动摩擦咬合摩擦包括如下两个组成部分：滑动摩擦擦二、土体体抗剪强强度组成成部分摩擦强度度：决定于剪剪切面上上的正应应力σ和土的内内摩擦角角滑动摩擦咬合摩擦包括如下两个组成部分：是指相邻邻颗粒对对于相对对移动的的约束作作用当发生剪剪切破坏坏时，相相互咬合合着的颗颗粒A必须抬起起，跨越越相邻颗颗粒B，或在尖尖角处被被剪断（（C），才能能移动土体中的的颗粒重重新排列列，也会会消耗能能量咬合摩擦擦CABCAB剪切面密度粒径级配配颗粒的矿矿物成分分粒径的形形状粘土颗粒粒表面的的吸附水水膜影响土的的摩擦强强度的主主要因素素:细粒土：：粘聚力c取决于土粒间间的各种物理理化学作用力力作用机理：库库伦力（静电电力）、范德德华力、胶胶结作用力和和毛细力等影响因素：地地质历史、粘粘土颗粒矿物物成分、密密度与离子浓浓度粗粒土：一般认为是无无粘性土，不不具有粘聚强强度：当粗间有胶结结物质存在时时可具有一定定的粘聚强度度非饱和砂土，，粒间受毛细细压力，具有有假粘聚力凝聚强度三、土中一点点的应力状态态土体内一点处处不同方位的截面上应力力的集合（剪应力和法向应力）331131dldlcosdlsin楔体静力平衡衡31dldlcosdlsin斜面上的应力力莫尔应力圆方方程O131/2(1+3)2A(,)圆心坐标[1/2(1+3)，0]应力圆半径r＝1/2(1－3)土中某点的应应力状态可用用莫尔应力圆圆描述四、土的极限限平衡条件应力圆与强度度线相离：强度线应力圆与强度度线相切：应力圆与强度度线相割：极限应力圆τ<τf弹性平衡状态态τ=τf极限平衡状态态τ>τf不可能出现莫尔－库仑破破坏准则莫尔应力圆与与库仑强度线线相切的应力力状态作为土土的破坏准则则(目前判别土土体所处状态态的最常用准准则)

强度线

土体极限平衡衡条件31c

f2

fAcctg1/2(1+3)无粘性土：c=0根据极限平衡条件件可以用来判别一一点土体是否已发发生剪切破坏计算主应力1,3：确定土单元体的应应力状态（x，z，xz）判别是否剪切破坏坏：由31f，比较1和1f由13f，比较3和3f由1,3m，比较和mcf=c+tgO1=1f极限平衡状态（（破坏坏）1<1f安全状态1>1f不可能状态（（破坏））1f3方法一：由31f，比较1和1fOcf=c+tg方法二：由13f，比较3和3f3=3f极限平衡状态（（破坏坏）3>3f安全状态3<3f不可能状态（（破坏））13fOf=c+tgOc方法三：由1,3m，比较和mm<安全状态m=极限平衡状态（（破坏）m>不可能状态（（破坏）处于极限平衡状状态所需的内摩摩擦角土体处于极限平平衡状态时，破破坏面与大主应应力作用面的夹夹角为f

f2

f31cAcctg1/2(1+3)说明：剪破面并不产生生于最大剪应力力面，而与最大大剪应力面成/2的夹角，可知，，土的剪切破坏并不是由最大大剪应力τmax所控制max五、例题分析【例】地基中某一单元元土体上的大主主应力为430kPa，小主应力为200kPa。通过试验测得土土的抗剪强度指指标c=15kPa，=20o。试问①该单元土土体处于何种状状态？②单元土土体最大剪应力力出现在哪个面面上，是否会沿沿剪应力最大的的面发生剪破？？【解】已知1=430kPa，3=200kPa，c=15kPa，，=20o1.计算法计算结果表明：：1f大于该单元土体体实际大主应力力1，实际应力圆半半径小于极限应应力圆半径，所所以，该单元土土体处于弹性平平衡状态计算结果表明：：3f小于该单元土体体实际小主应力力3，实际应力圆半半径小于极限应应力圆半径，，所以，该单元元土体处于弹性性平衡状态在剪切面上库仑定律由于τ<τf，所以，该单元土土体处于弹性平平衡状态2.图解法

c11f3f实际应力圆极限应力圆最大剪应力与主主应力作用面成成45o最大剪应力面上上的法向应力库仑定律最大剪应力面上上τ<τf，不会沿剪应力最最大的面发生破破坏τmax第五章土的的强度理论§5.1概述√§5.2土体破坏与土的的强度理论√§5.3土的抗剪强度的的测定试验§5.4土的抗剪强度指指标室内试验：直剪试验三轴试验等野外试验：十字板扭剪试验验旁压试验等重塑土制样或现现场取样缺点：扰动优点：应力和边边界条件清清楚楚，易重复缺点：应力和边边界条件件不易易掌握优点：原状土的的原位强强度§5.3土的剪切试验方方法一、直接剪切试试验试验仪器：直剪仪（应力控控制式，应变控控制式）在不同的垂直压压力下进行剪切试验验，得相应的抗抗剪强度τf，绘制τf-曲线，得该土的的抗剪强度包线线直剪试验优缺点点优点：仪器构造简单，，试样的制备和和安装方便，易于操作缺点：①剪切破坏面固固定为上下盒之之间的水平面不不符合实际情况，不不一定是土样的的最薄弱面②试验中不能严严格控制排水条条件，对透水性性强的土尤为突出，，不能量测土样样的孔隙水压力力③上下盒的错动动，剪切过程中中试样剪切面积积逐渐减小，剪切面面上的剪应力分分布不均匀二、三轴剪切试试验应变控制式三轴轴仪：压力室，，加压系统，量量测系统组成应力控制式三轴轴仪★试验步骤:

3

3

3

3

3

3△△2.施加周围压力3.施加竖向压压力1.装样应变控制式三轴轴仪应变控制式三轴轴仪：压力室，，量测系统抗剪强度包线分别在不同的周周围压力3作用下进行剪切切，得到3—4个不同的破坏应应力圆，绘出各各应力圆的公切切线即为土的抗抗剪强度包线抗剪强度包线

c三轴试验优缺点点优点：①试验中能严格格控制试样排水水条件，量测孔孔隙水压力，了解土中中有效应力变化化情况②试样中的应力力分布比较均匀匀缺点：①试验仪器复杂杂，操作技术要要求高，试样制制备较复杂②试验在2=3的轴对称条件下下进行，与土体体实际受力情况可能能不符三、无无侧限限抗压压强度度试验验ququ加压框架量表量力环升降螺杆无侧限压缩仪无侧限限抗压压强度度试验验是三三轴剪剪切试试验的的特例例，对对试样样不施施加周周围压压力，，即3=0，，只施施加轴轴向压压力直直至发发生破破坏，，试样样在无无侧限限压力力条件件下，，剪切切破坏坏时试试样承承受的的最大大轴向向压力力qu，称为无侧限限抗压压强度度试样无侧限限压缩缩仪根据试试验结结果只只能作作出一一个极极限应应力圆圆（3=0，，1=qu）。因此对对一般般粘性性土，，无法法作出出强度度包线线说明：：对于饱饱和软软粘土土，根根据三三轴不不排水水剪试试验成成果，，其强强度包包线近近似于于一水水平线线，即即u=0，，因此无无侧限限抗压压强度度试验验适用用于测测定饱饱和软软粘土土的不不排水水强度度qucuu=0只能测测定特特殊条条件下下的抗抗剪强强度：：1、有固固定破破裂面面的干干硬粘粘土2、饱和和粘土土进行行不排排水剪剪切适用于于现场场测定定饱和和粘性性土的的不排排水强强度，，尤其其适用用于均均匀的的饱和和软粘粘土四、十十字板板剪切切试验验柱体上上下平平面的的抗剪剪强度度产生生的抗抗扭力力矩柱体侧面剪应力产产生的抗扭力矩第五章土的强强度理论§5.1概述√§5.2土体破坏与土的强强度理论√§5.3土的抗剪强度的测测定试验√§5.4土的抗剪强度指标标峰值强度与残余强强度指标总应力强度与有效效应力强度指标直剪强度与三轴试试验指标三种强度指标：根据应力变形特性性分根据应力分析方法法分根据试验方法分§5.4土的抗剪强度指标标一、峰值强度残余强度指标直剪和三轴试验中中应变软化时:f峰值强度指标r残余强度指标大变形完全破坏了了土的结构强度和和咬合作用，残余余强度破坏包线通通过原点，其内摩摩擦角r只决定于土的矿物物成分，与其所受受的应力历史等因因素无关q=()frqfqr二、总应力强度指指标与有效应力强强度指标库仑定律说明：施加于试样上的垂垂直法向应力为总应力，c、为总应力意义上的土的的粘聚力和内摩擦擦角，称之为总应应力强度指标根据有效应力原理理：土的抗剪强度并不不是由剪切面上的的法向总应力决定定，而是取决于剪剪切面上的法向有有效应力c、为土的有效粘聚力力和有效内摩擦角角，即土的有效应应力强度指标有效应力强度指标标确切地表达出了了土的抗剪强度的的实质，是比较合合理的表达方法三、不同排水条件件时的剪切试验1.不固结不排水水剪（UU）

3

3

3

3

3

3△△关闭排水阀排水阀门关闭，施加围压，产生孔隙水压力力u1=B施加(1-)时，排水阀门关闭，量测剪切过程中产产生的超静孔隙水水压力u2=BA()饱和试样的不排水水强度指标cuO=13u=0fcu23fcB=1u1=u2=A()试验过程中不排水水，试样密度不变变，不论周围压力力3多大，抗剪强度和和破坏时的有效应应力状态相同总应力抗剪强度包包线水平u=0，cu=(1-3)f/2破坏时不同3试验的有效应力莫莫尔圆相同u1fu2f有效应力莫尔圆总应力莫尔圆2.固结不排水水剪（CU）

3

3

3

3

3

3△△打开排水阀关闭排水阀施加围压充分固结施加(1-)时，排水阀门关闭，量测剪切过程中产产生的超静孔隙水水压力u一般u0，=-u=,总应力指标同有效效应力指标不同

3

3

3

3

3

3△△将总应力圆在水平平轴上左移uf得到相应的有效应力圆，按有效应应力圆强度包线可可确定c、ccuccu饱和粘性土在三组组3下进行固结不排水水剪试验得到A、B、C三个不同3作用下破坏时的总总应力圆，由总应应力圆强度包线确确定固结不排水剪剪总应力强度指标标ccu、cuABC3.固结排水剪剪（CD）

3

3

3

3

3

3△△打开排水阀施加围压充分固结施加(1-)时，排水阀门始终打开开，剪切速度慢足以使试样样内的孔压消散始终u=0，=-u=,总应力指标即为有有效应力指标在整个排水剪试验验过程中，u＝0，总应力全部部转化为有效应力力，所以总应力圆圆即是有效应力圆圆，总应力强度线线即是有效应力强强度线。强度指标标为cd、dcd