土的抗剪强度课件

第七章土的抗剪强度7.1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饱和黏性土的抗剪强度7.6应力路径在强度问题中的应用7.7无黏性土的抗剪强度第七章土的抗剪强度7.1概述7.1概述1、土的抗剪强度：土体抵抗剪应力的极限值，或土体抵抗剪切破坏的受剪能力。2、工程中的剪切破坏3、剪切试验7.1概述1、土的抗剪强度：土体抵抗剪应力的极限值，或土体各种类型的滑坡崩塌平移滑动旋转滑动流滑滑裂面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1994年4月30日乌江武隆鸡冠岭

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滑坡堰塞湖—易贡湖天然坝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大阪的港口码头挡土墙由于液化前倾大阪的港口码头挡土墙由于液化前倾地基的破坏地基P滑裂面地基的破坏地基P滑裂面某谷仓地基的破坏某谷仓地基的破坏砂土的液化(liquefaction)日本新泻1964年地震引起大面积液化砂土的液化(liquefaction)日本新泻1964年地震土压力边坡稳定性地基承载力振动液化特性挡土结构物破坏各种类型的滑坡地基的破坏砂土的液化核心问题:土体的强度理论土压力挡土结构物破坏核心问题:土体的强度理论7.2土的抗剪强度理论一、库伦公式及抗剪强度指标二、莫尔——库伦强度理论及极限平衡条件7.2土的抗剪强度理论一、库伦公式及抗剪强度指标法国军事工程师，在摩擦、电磁方面做出了奠基性的贡献。1773年发表了关于土压力方面论文，成为土压力的经典理论库仑（C.A.Coulomb）(1736-1806)§5.2土的抗剪强度理论–

直剪试验与库伦公式法国军事工程师，在摩擦、电磁方面做出了奠基性的贡献。1773直剪试验PT土样下盒上盒S面积A直剪试验法向应力

：剪应力

：剪切变形S

1

S

2

3直剪试验PT土样下盒上盒S面积A直剪试验法向应力直剪试验的强度包线

S

1

2

3

Oc库仑公式：（1776）

f1

f2

f3

f

：土的抗剪强度

tg：摩擦强度-正比于压力：土的内摩擦角c：粘聚强度-与所受压力无关§5.2土的抗剪强度理论–

直剪试验与库伦公式直剪试验的强度包线S123Oc库仑公式：（17土的抗剪强度指标c和是决定土的抗剪强度的两个指标，称为抗剪强度指标当采用总应力时，称为总应力抗剪强度指标当采用有效应力时，称为有效应力抗剪强度指标对无粘性土通常认为，粘聚力C=0库仑公式:§5.2土的抗剪强度理论–

直剪试验与库伦公式土的抗剪强度指标c和是决定土的抗剪强度的两个指标，称为抗剪摩擦强度摩擦强度：决定于剪切面上的正应力σ和土的内摩擦角

由颗粒之间发生滑动时颗粒接触面粗糙不平所引起，与颗粒的形状，矿物组成，级配等因素有关0.020.060.20.6230

20

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§5.2土的抗剪强度理论–

土的抗剪强度机理摩擦强度摩擦强度：决定于剪切面上的正应力σ和土的内摩摩擦强度：决定于剪切面上的正应力σ和土的内摩擦角

滑动摩擦咬合摩擦包括如下两个组成部分：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，也会消耗能量咬合摩擦CABCAB剪切面§5.2土的抗剪强度理论–

土的抗剪强度机理摩擦强度摩擦强度：决定于剪切面上的正应力σ和土的内摩擦角滑动摩擦强度密度粒径级配颗粒的矿物成分粒径的形状粘土颗粒表面的吸附水膜影响土的摩擦强度的主要因素:§5.2土的抗剪强度理论–

土的抗剪强度机理摩擦强度密度影响土的摩擦强度的主要因素:§5.2土凝聚强度细粒土：粘聚力c取决于土粒间的各种物理化学作用力作用机理：库伦力（静电力）、范德华力、

胶结作用力和毛细力等影响因素：地质历史、粘土颗粒矿物成分、

密度与离子浓度粗粒土：一般认为是无粘性土，不具有粘聚强度：当粗间有胶结物质存在时可具有一定的粘聚强度非饱和砂土，粒间受毛细压力，具有假粘聚力§5.2土的抗剪强度理论–

土的抗剪强度机理凝聚强度细粒土：粘聚力c取决于土粒间的各种物理化学作二、莫尔——库伦强度理论及极限平衡条件1910年莫尔(Mohr)提出材料的破坏是剪切破坏，当任一平面上的剪应力等于材料的抗剪强度时该点就发生破坏，并提出在破坏面上的剪应力τf

是该面上法向应力

的函数，即τf

＝f(

)莫尔包线(或称为抗剪强度包线)：这个函数在τf

～

坐标中的一条曲线二、莫尔——库伦强度理论及极限平衡条件1910年莫尔(Moh应力莫尔圆

O2

1

3rp大主应力：小主应力:圆心：半径：

zx

z

xz

x

1

(z,zx)(x,xz)莫尔圆：单元的应力状态圆上点：一个面上的

与

莫尔圆转角2：作用面转角§5.2土的抗剪强度理论–

莫尔-库仑强度理论应力莫尔圆O213rp大主应力：小主应力:圆心：半莫尔—库仑强度理论：由库伦公式表示莫尔包线的强度理论。莫尔—库仑强度理论：由库伦公式表示莫尔包线的强度理论。莫尔圆应力分析符号规定材料力学+-正应力剪应力拉为正压为负顺时针为正逆时针为负+-土力学压为正拉为负逆时针为正顺时针为负§5.2土的抗剪强度理论–

莫尔-库仑强度理论莫尔圆应力分析符号规定材料力学+-正应力剪应力拉为正顺时针土的抗剪强度PPT课件土的抗剪强度PPT课件极限平衡应力状态§5.2土的抗剪强度理论–

莫尔-库仑强度理论极限平衡应力状态：当一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圆的公切线

切点=破坏面极限平衡应力状态§5.2土的抗剪强度理论–莫尔-库仑强应力莫尔圆与强度包线

f强度包线以下：任何一个面上的一对应力

与都没有达到破坏包线，不破坏与破坏包线相切：有一个面上的应力达到破坏与破坏包线相交：有一些平面上的应力超过强度

§5.2土的抗剪强度理论–

莫尔-库仑强度理论

不可能发生应力莫尔圆与强度包线f强度包线以下：任何一个面上的一对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）在一定的应力范围内，可以用线性函数近似f=c+

tg

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—库仑强度理论§5.2土的抗剪强度理论–

莫尔-库仑强度理论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

O

c

f=c+

tg

1

3莫尔-库仑强度理论的破坏准则土的极限平衡条件：处于极限平衡状态时，

1和3之间应满足的关系无粘性土§5.2土的抗剪强度理论–

莫尔-库仑强度理论Ocf=c+tg13莫尔-库仑强度理论的破坏土单元是否破坏的判别根据极限平衡条件可以用来判别一点土体是否已发生剪切破坏计算主应力

1,3：确定土单元体的应力状态（

x，z，xz）判别是否剪切破坏：由

3

1f，比较1和1f由

1

3f，比较3和3f由

1,3

m，比较和

m§5.2土的抗剪强度理论–

莫尔-库仑强度理论土单元是否破坏的判别根据极限平衡条件可以用来判别一点土体是否

c

f=c+

tg

O土单元是否破坏的判别

1=1f

极限平衡状态

（破坏）

1<1f

安全状态

1>1f

不可能状态

（破坏）

1f

3方法一：由

3

1f，比较1和1f§5.2土的抗剪强度理论–

莫尔-库仑强度理论cf=c+tgO土单元是否破坏的判别1=1

O

c

f=c+

tg

土单元是否破坏的判别方法二：由

1

3f，比较3和3f

3=3f

极限平衡状态

（破坏）

3>3f

安全状态

3<3f

不可能状态

（破坏）

1

3f§5.2土的抗剪强度理论–

莫尔-库仑强度理论Ocf=c+tg土单元是否破坏的判别方法二：

O

f=c+

tg

Oc

土单元是否破坏的判别方法三：由

1,3

m，比较和

m

m<

安全状态

m=极限平衡状态

（破坏）

m>不可能状态

（破坏）处于极限平衡状态所需的内摩擦角§5.2土的抗剪强度理论–

莫尔-库仑强度理论Of=c+tgOc土单元是否破坏的判别方法三剪切破坏面的位置

3

1f22=90+=45+/2

O

1f

3可见土体破坏的剪切破坏不在45º最大剪应力面上，为什么？与大主应力面夹角:2§5.2土的抗剪强度理论–

莫尔-库仑强度理论剪切破坏面的位置31f22=90+=45+小结直剪试验与库仑公式土的抗剪强度机理

莫尔-库仑强度理论直剪试验库仑公式土的抗剪强度指标c和

应力状态与莫尔圆极限平衡应力状态莫尔-库仑强度理论土体破坏判断方法滑裂面的位置摩擦强度：滑动、咬合摩擦凝聚强度§5.2土的抗剪强度理论–

莫尔-库仑强度理论小结直剪试验与库仑公式直剪试验应力状态与莫尔圆摩擦强度莫尔圆与抗剪强度之间的关系τ＝τf

莫尔圆与抗剪强度之间的关系τ＝τf土的抗剪强度PPT课件7.3土的抗剪强度试验一、直接剪切试验二、三轴压缩试验三、无侧限抗压强度试验四、十字板剪切试验7.3土的抗剪强度试验一、直接剪切试验室内试验：直剪试验三轴试验等野外试验：十字板扭剪试验旁压试验等抗剪强度测定试验重塑土制样或现场取样缺点：扰动优点：应力和边界条件

清楚，易重复缺点：应力和边界条

件不易掌握优点：原状土的原位

强度§5.3土的抗剪强度的测定试验室内试验：抗剪强度测定试验重塑土制样或现场取样缺点：应力和直剪试验PT土样下盒上盒S面积A

Oc

1

S

2

3

f1

f2

f3直剪仪(directsheartestapparatus)§5.3土的抗剪强度的测定试验–

直剪试验直剪试验PT土样下盒上盒S面积AOc1S2直剪试验的类型(1)固结慢剪施加正应力-充分固结剪切速率很慢，<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分钟内剪切破坏通过控制剪切速率近似模拟排水条件§5.3土的抗剪强度的测定试验–

直剪试验直剪试验的类型(1)固结慢剪通过控制剪切速率近似模拟排水条直剪试验的优缺点设备和操作简单人为固定剪切面剪切面应力状态复杂应力、应变不均匀主应力方向旋转剪切面积逐渐减小排水条件不明确PT土样TP试样内的变形分布§5.3土的抗剪强度的测定试验–

直剪试验直剪试验的优缺点设备和操作简单PT土样TP试样内的§5.3直剪试验中的应力状态PPT

z=P/A

x=k0

z

xz=0剪切前剪切破坏时

xz

z=P/A

x

O

z=P/Ak0

z剪切前剪切破坏时§5.3土的抗剪强度的测定试验–

直剪试验直剪试验中的应力状态PPTz=P/Ax=k0zxz=§3.6常规三轴压缩试验Casagrande1930年首先使用试样采用圆柱形土样，用橡皮膜包裹，放在密封压力室的压力水中，施加轴向力，应力状态明确；变形量测简单可控制排水条件；可完整的描述试样受力、变形和破坏的全过程；可进行不同应力路径的试验三轴：同“单轴”对应，表明土样在三个方向受力常规：同“真”对应，表明土样在两个方向受到相同压力（室压力）的作用，并非真正的三轴应力常规三轴压缩试验§3.6常规三轴压缩试验Casagrande1930年§3.6常规三轴压缩试验主机系统稳压调压系统量测系统常规三轴

压缩试验仪压力室压力室

底座主机马达主机

框架离合器组成：§3.6常规三轴压缩试验主机系统常规三轴

压缩试验仪压§3.6常规三轴压缩试验主机系统稳压调压系统量测系统常规三轴

压缩试验仪组成：压力泵或高压氮气瓶调压阀压力表§3.6常规三轴压缩试验主机系统常规三轴

压缩试验仪§3.6常规三轴压缩试验§3.6常规三轴压缩试验主机系统稳压调压系统量测系统常规三轴

压缩试验仪组成：孔压传感器体变管轴向位移量测轴向力

量测§3.6常规三轴压缩试验§3.6常规三轴压缩试验主§3.6常规三轴压缩试验常规三轴压缩试验仪试样水稳压调压系统排水管或孔压量测阀门轴向活塞有机玻璃罩橡皮膜透水石顶帽压力室

及试样阀门马达横梁量力环百分表§3.6常规三轴压缩试验常规三轴压缩试验仪试样水稳压§3.6常规三轴压缩试验常规三轴压缩试验通常试验分为两个阶段：施加周围压力

3：过程中，允许试样排水称为固结；不允许试样排水称为不固结

c

c

c

c施加轴向力，

进行剪切：

c

c

c

c

过程中，允许试样排水称为排水；不允许试样排水称为不排水§3.6常规三轴压缩试验常规三轴压缩试验通常试验分应力特点与试验方法方法：固结：试样施加围压力1=2=3

剪切：施加应力差Δ

1=1-3

应力特点：试样是轴对称应力状态垂直应力

z一般是大主应力1侧向应力总是相等x=y，且为中、小主应力

2=3试样水压

力c轴向力F§5.3土的抗剪强度的测定试验–

三轴试验应力特点与试验方法方法：应力特点：试样水压

力c轴向力§3.6常规三轴压缩试验常规三轴压缩试验不固结不排水试验[UU]

unconsolidated-undrainedtest固结不排水试验[CU]

consolidated-undrainedtest固结排水试验[CD]

consolidated-drainedtest常规三轴压缩试验conventionaltriaxialcompressiontest§3.6常规三轴压缩试验常规三轴压缩试验不固结不排§3.6常规三轴压缩试验固结排水试验试验过程：试样围压

力3阀门阀门马达横梁量力环百分表量水管施加围压

，排水阀门始终打开，充分排水施加(1-

)进行剪切时，排水阀门始终打开。剪切速度慢足以使孔压消散测定：轴向变形：轴向应变轴向力：轴向应力排水量：体积应变§3.6常规三轴压缩试验固结排水试验试验过程：试样围压

§3.6常规三轴压缩试验典型试验结果50403020100

1-3(100kPa)

3=2500kPa1500900500300100510246

v(%)

1(%)30050090015002500与围压有关非线性剪胀性糯扎渡高心墙堆石坝心墙砾石土料试验结果固结排水试验§3.6常规三轴压缩试验典型试验结果501-3(1§3.6常规三轴压缩试验变形模量：泊松比：一般化的应力应变曲线1Ei1Et土的一般化的应力应变曲线

弹性模量固结排水试验§3.6常规三轴压缩试验变形模量：泊松比：一般化的应试验过程施加围压

，排水阀门始终打开，充分排水施加(1-

)进行剪切时，排水阀门关闭。用孔压传感器量测剪切过程中产生的超静孔隙水压力u测定：轴向变形：轴向应变轴向力：轴向应力孔隙水压力试样围压

力3阀门阀门马达横梁量力环百分表量水管孔压量测固结不排水试验§3.6常规三轴压缩试验试验过程施加围压，排水阀门始终打开，充分排水测定：试样典型试验结果：20151050

1-3(100kPa)

3=2500kPa15009005003001005104812

u(kPa)

1(%)30050090015002500糯扎渡高心墙堆石坝心墙砾石土料试验结果与围压有关非线性剪切过程产生孔压固结不排水试验§3.6常规三轴压缩试验典型试验结果：201-3(100kPa)3=250试验过程：关闭排水阀门，连接孔压传感器，施加围压

，量测超静孔隙水压力uB施加(1-

)进行剪切时，关闭排水阀门。用孔压传感器量测剪切过程中产生的超静孔隙水压力uA试样围压

力3阀门阀门马达横梁量力环百分表量水管孔压量测不固结不排水试验测定：轴向变形：轴向应变轴向力：轴向应力孔隙水压力§3.6常规三轴压缩试验试验过程：关闭排水阀门，连接孔压传感器，施加围压，量测

1-3

1(1-3)f(1-3)f破坏偏差应力取值方法松砂密砂取曲线的最大偏差应力值作为(

1-3)f取规定的轴向应变值（通常15%）所相应的偏差应力作为(

1-3)f以最大有效主应力比((

1/3)max处的偏差应力值作为(

1-3)f15%§5.3土的抗剪强度的测定试验–

三轴试验1-31(1-3)f(1-3)f破坏偏差应力取

1-3

1

3=100kPa

3=300kPa

3=500kPa三轴试验确定土的强度包线

O

3

1f强度包线c

由不同围压

的三轴试验，得到破坏时相应的（

1-

)f分别绘制破坏状态的应力摩尔圆，其公切线即为强度包线，可得强度指标c与15%(1-3)f§5.3土的抗剪强度的测定试验–

三轴试验1-313=100kPa3=300kPa3=50固结排水试验（CD试验）

ConsolidatedDrainedTriaxialtest(CD) 总应力抗剪强度指标：cd

d（c

）试验类型与强度指标固结不排水试验（CU试验） ConsolidatedUndrainedTriaxialtest(CU) 总应力抗剪强度指标：ccu

cu不固结不排水试验（UU试验） UnconsolidatedUndrainedTriaxialtest(UU) 总应力抗剪强度指标：cu

u（

cuu

uu）§5.3土的抗剪强度的测定试验–

三轴试验固结排水试验（CD试验）试验类型与强度指标不固结不排水试验（常规三轴试验优缺点单元体试验，试样内应力和应变相对均匀应力状态和应力路径明确排水条件清楚，可控制破坏面不是人为固定的设备操作复杂现场无法试验常规三轴试验不能反映

2的影响说明：

3＝0即为无侧限抗压强度试验§5.3土的抗剪强度的测定试验–

三轴试验常规三轴试验优缺点单元体试验，试样内应力和应变相对均匀说明：三、无侧限抗压强度试验三、无侧限抗压强度试验十字板剪切试验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M§5.3土的抗剪强度的测定试验–十字板剪切试验十字板剪切试验一般适用于测定软粘土的不排水强度指标M§5.3M2

fv

fhM1DHM假定土体为各向同性，

fh=fv=f：十字板剪切试验§5.3土的抗剪强度的测定试验–十字板剪切试验M2fvfhM1DHM假定土体为各向同性，fh=fv一、直接剪切试验一、直接剪切试验土的抗剪强度PPT课件土的抗剪强度PPT课件1、直接剪切试验方法：快剪试验固结快剪慢剪试验2、直接剪切试验优缺点1、直接剪切试验方法：二、三轴压缩试验二、三轴压缩试验§3.6常规三轴压缩试验小结试验仪器试验方法典型试验结果应力应变特点不固结不排水试验[UU]固结不排水试验[CU]固结排水试验[CD]

§3.6常规三轴压缩试验小结试验仪器不固结不排水试土的抗剪强度PPT课件1、三轴压缩试验方法：（1）不固结不排水试验(UUTest)（2）固结不排水试验(CUTest)（3）固结排水试验(CDTest)2、三轴压缩试验优缺点1、三轴压缩试验方法：四、十字板剪切试验四、十字板剪切试验附加应力情况三轴应力状态

1

3

2

1﹥2=3三轴应力状态等向压缩应力状态偏差应力状态附加应力情况三轴应力状态1321﹥2=3三

1

3

2三轴应力状态等向压缩应力状态偏差应力状态

3

3

3

1-3

1-3==++附加应力情况三轴应力状态

u

uB

uA132三轴应力状态等向压缩应力状态偏差应力状态附加应力情况三轴应力状态关闭排水阀门，连接孔压传感器，施加围压

，量测超静孔隙水压力uB施加(1-

)进行剪切时，关闭排水阀门。用孔压传感器量测剪切过程中产生的超静孔隙水压力uA试样围压

力3阀门阀门马达横梁量力环百分表量水管孔压量测不固结不排水试验附加应力情况三轴应力状态关闭排水阀门，连接孔压传感器，施加附加应力情况三轴应力状态

等向压缩应力状态孔隙流体产生超静孔压

uB土骨架有效附加应力：3-uB孔隙流体的体积变化：土骨架体积变化：不排水、不排气：ΔV1=ΔV2

3

3

3

uB体积V孔隙率n孔隙流体和土骨架为弹性体，其体积压缩系数分别为Cf和Cs附加应力情况三轴应力状态

等向压缩应力状态孔隙流体产附加应力情况孔压系数B：表示单位周压力增量所引起的孔压力增量饱和土：Cf=CwCs B1.0干土：Cf﹥﹥Cs B=0非饱和土：B=0-1之间B是一个反映土饱和程度的指标三轴应力状态

等向压缩应力状态

3

3

3

uB体积V孔隙率n孔隙流体和土骨架为弹性体，其体积压缩系数分别为Cf和Cs附加应力情况孔压系数B：表示单位周压