第5章 土的抗剪强度

1、1,第五章,土的抗剪强度,2,本章特点,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 正常固结粘性土的强度 不固结不排水剪的应力应变关系及强度 强度指标的运用,主要难点,学习要点,5 土的抗剪强度,3,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,5 土的抗剪强度,4,一、土的破坏,（1）土的破坏通常都是沿滑动面的剪切破坏； （2）滑动面上的剪应力达到了土的抗剪强度。,5 土的抗剪强度,5.1 概述,5,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

2、的破坏,核心 强度理论,5 土的抗剪强度,二、工程中土体的破坏类型,5 土的抗剪强度,5.1 概述,6,大阪的港口码头挡土墙由于液化前倾,5 土的抗剪强度,二、工程中土体的破坏类型,1. 挡土结构物的破坏,5 土的抗剪强度,5.1 概述,7,1. 挡土结构物的破坏,5 土的抗剪强度,二、工程中土体的破坏类型,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。,5.1 概述,8,挡土墙,滑裂面,基坑支护,5 土的抗剪强度,二、工程中土体的破坏类型,1. 挡土结构物的破坏,5.1 概述,9,平移滑动,2. 各种类型的滑坡,5 土的抗剪强度,崩塌,旋转滑动,流滑,二、工程中

3、土体的破坏类型,5.1 概述,10,1994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,5 土的抗剪强度,二、工程中土体的破坏类型,2. 各种类型的滑坡,5.1 概述,11,龙观嘴,黄崖沟,乌江,2000年西藏易贡巨型滑坡,5 土的抗剪强度,二、工程中土体的破坏类型,2. 各种类型的滑坡,5.1 概述,12,立面示意图,5 土的抗剪强度,二、工程中土体的破坏类型,2000年西藏易贡巨型滑坡,2.

4、 各种类型的滑坡,5.1 概述,13,平面示意图,5 土的抗剪强度,二、工程中土体的破坏类型,2000年西藏易贡巨型滑坡,2. 各种类型的滑坡,5.1 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 ?,5 土的抗剪强度,二、工程中土体的破坏类型,2000年西藏易贡巨型滑坡,2. 各种类型的滑坡,5.1 概述,15,边坡,滑裂面,5 土的抗剪强度,二、工程中土体的破坏类型,2. 各种类型的滑坡,5.1 概述,16,粘土地基上的某谷仓地基破坏,3. 地基的破坏,5 土的抗剪强度,二、工程中土体的破坏类型,5.1 概述,17,日本新泻1964年地震引起大面积液化

5、,5 土的抗剪强度,二、工程中土体的破坏类型,3. 地基的破坏,5.1 概述,18,地基,5 土的抗剪强度,二、工程中土体的破坏类型,3. 地基的破坏,5.1 概述,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,核心 强度理论,5 土的抗剪强度,二、工程中土体的破坏类型,5.1 概述,20,5 土的抗剪强度,5.1 概述 5.2 土的抗剪强度和破坏理论 ?5.3 土的抗剪强度测定试验 ?5.4 土的抗剪强度机理和影响因素 ?5.5 抗剪强度指标,21,5 土的抗剪强度,5.2 土的抗剪强度和破坏理论,一、土的屈服与破坏 二、莫尔-库仑强度理论,22,一、土的屈

6、服与破坏 图5-3 曲线（1）理想的弹塑性材料：c点屈服点和破坏点 曲线（2）超固结土或密砂的应力-应变关系 oa段弹性段 ab段应变硬化段：峰值强度 bd段应变软化段,5 土的抗剪强度,5.2 土的抗剪强度和破坏理论,23,曲线（3）正常固结土或松砂的应力-应变关系： 抗剪强度：峰值应力或当应变达到1520%时的应力,5 土的抗剪强度,5.2 土的抗剪强度和破坏理论,一、土的屈服与破坏,24,二、（1）土的强度机理,5 土的抗剪强度,3 = 100KPa,3 = 200KPa,3 = 300KPa, 5.2 土的抗剪强度和破坏理论,对应不同的3，有不同的抗剪强度值。 土的抗剪强度与土的应力状

7、态有关,25,一、土的强度机理,5 土的抗剪强度,施加 （=P/A） 量测 S 施加 （=T/A）,上盒,下盒,P,A,1、直剪试验（库仑 1776）,试验方法,5.2 土的抗剪强度和破坏理论,26,c： 粘聚力 ：内摩擦角,一、土的强度机理,5 土的抗剪强度,库仑公式,f ： 土的抗剪强度 tg： 摩擦强度-正比于压力 c： 粘聚强度，无粘性土（c=0),1. 直剪试验,试验结果,抗剪强度指标,5.2 土的抗剪强度和破坏理论,27,5 土的抗剪强度,二、莫尔-库仑强度理论,1. 应力状态与莫尔圆 2. 极限平衡应力状态 3. 莫尔-库仑强度理论 4. 破坏判断方法 5. 滑裂面的位置,5.2

8、 土的抗剪强度和破坏理论,28,5 土的抗剪强度,二、莫尔-库仑强度理论,固定滑裂面,一般应力状态如何判断是否破坏？,借助于莫尔圆,库仑公式,5.2 土的抗剪强度和破坏理论,29,直剪试验的莫尔圆与库仑抗剪强度线的关系如何？为什么？,与的组合满足库仑公式才破坏,5 土的抗剪强度,二、莫尔-库仑强度理论, 5.2 土的抗剪强度和破坏理论,1. 应力状态与莫尔圆,30,2. 极限平衡应力状态,5 土的抗剪强度,二、莫尔-库仑强度理论,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,5.2 土的抗剪强度和破坏理论,31,5 土的抗剪强

9、度,二、莫尔-库仑强度理论,相离 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； 相切 与破坏包线相切：该面上的应力达到破坏状态； 相割 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。,2. 极限平衡应力状态 圆和直线的关系,5.2 土的抗剪强度和破坏理论,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,5 土的抗剪强度,二、莫尔-库仑强度理论,3. 莫尔库仑

10、强度理论,5.2 土的抗剪强度和破坏理论,33,5 土的抗剪强度,二、莫尔-库仑强度理论,莫尔-库仑强度理论表达式极限平衡条件,1,3,3. 莫尔库仑强度理论,5.2 土的抗剪强度和破坏理论,34,5 土的抗剪强度,二、莫尔-库仑强度理论,莫尔-库仑强度理论表达式极限平衡条件,3. 莫尔库仑强度理论, 5.2 土的抗剪强度和破坏理论,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1f,11f 不可能状态,4. 破坏判断方法,5 土的抗剪强度,二、莫尔-库仑强度理论,判别对象：土体微小单元（一点）,（1）3= 常数：,5.2 土的抗剪强度和破坏理论,36,根据应

11、力状态计算出大小主应力1、3,判断破坏可能性,由1计算3f 比较3与3f,33f 安全状态 3=3f 极限平衡状态 33f 不可能状态,5 土的抗剪强度,二、莫尔-库仑强度理论,（2）1= 常数：,4. 破坏判断方法,5.2 土的抗剪强度和破坏理论,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,5 土的抗剪强度,二、莫尔-库仑强度理论,（3）(1 + 3)/2 = 常数：圆心保持不变,4. 破坏判断方法,5.2 土的抗剪强度和破坏理论,也可比较圆的直径,38,2,2,5. 滑裂面的位置,与大主应力面夹角： =45 + /2,5 土的抗剪强度,二、莫

12、尔-库仑强度理论,5.2 土的抗剪强度和破坏理论,破坏面为什么不在最大剪应力作用面上？,与小主应力面夹角： ？,39,5.1 概述 5.2 土的抗剪强度和破坏理论 5.3 抗剪强度测定试验 ？5.4土的抗剪强度机理和影响因素 ？5.5 抗剪强度指标,5 土的抗剪强度,40,室内试验 野外试验,5.3 抗剪强度测定试验,5 土的抗剪强度,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,41,5.3 抗剪强度测定试验,5 土的抗剪强度,1、试样应力特点与试验方法 2、强度包

13、线 3、试验类型 4、优缺点,一、三轴试验,42,5.3 抗剪强度测定试验,5 土的抗剪强度,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 。,1、试样应力特点与试验方法,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,一、三轴试验,43,强度包线,(1-)f,c,(1-)f,1 =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 ,5.3 抗

14、剪强度测定试验,5 土的抗剪强度,2、强度包线,一、三轴试验,44,p,q,Kf线,5 土的抗剪强度,3、强度包线与破坏主应力线,？两条直线与横坐标交点都是 O,强度包线 f ： 在 坐标系中所有破坏状态莫尔圆的公切线,破坏主应力线 Kf 几个极限状态应力圆的最大剪应力面的连线,O,5.3 抗剪强度测定试验,45,5 土的抗剪强度,3、强度包线与破坏主应力线,5.3 抗剪强度测定试验,46,5 土的抗剪强度, ；c a,3、强度包线与破坏主应力线,用若干点的最小二乘法确定a 和 然后计算强度指标c和,确定强度指标,a,5.3 抗剪强度测定试验,47,优点： 1 应力状态和应力路径明确； 2 排

15、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,4、优点和缺点,5.3 抗剪强度测定试验,5 土的抗剪强度,一、三轴试验,48,3=0的三轴试验，只有一个莫尔圆， 轴向压应力用qu表示。 只适用于饱和粘土。,5.3 抗剪强度测定试验,5 土的抗剪强度,二、无侧限压缩试验,49,5.3 抗剪强度测定试验,5 土的抗剪强度,三、 直剪试验,50,n,K0n,5.3 抗剪强度测定试验,5 土的抗剪强度,三、直剪试验,51,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

16、固定,缺点,5.3 抗剪强度测定试验,5 土的抗剪强度,类似试验： 环剪试验 单剪试验,三、直剪试验,52, 5.1 概述 5.2 土体破坏与强度理论 5.3 抗剪强度测定试验 5.4 土的抗剪强度机理和影响因素 ？5.5 抗剪强度指标,5 土的抗剪强度,53,5 土的抗剪强度,5.4 土的抗剪强度机理和影响因素,一、摩擦强度 二、粘聚强度 三、粘性土密度有效应力抗剪强度唯一性关系,54,5 土的抗剪强度,（1）滑动摩擦,1、摩擦强度 tg,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,5.4 土的抗剪强度机理和影响因素,55,（2）咬合摩擦,5 土的抗剪强度,

17、1. 摩擦强度 tg,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,5.4 土的抗剪强度机理和影响因素,56,密度（e, 粒径级配（Cu, Cc） 颗粒的矿物成分 对于：砂土粘性土； 高岭石伊里石蒙特石 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：,5 土的抗剪强度,1. 摩擦强度 tg,5.4 土的抗剪强度机理和影响因素,57,粘聚强度机理 静电引力（库仑力） 范德华力 颗粒间胶结

18、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,5 土的抗剪强度,2、粘聚强度,5.4 土的抗剪强度机理和影响因素,58,5 土的抗剪强度,3、粘土的密度有效应力抗剪强度唯一性关系,强度的影响因素:,土的组成,土的状态,土的结构,应力状态,应力历史,同一种正常固结粘土,土的状态 (,e),应力状态 应力路径,5.3 应力路径与破坏主应力线,应力路径,5.4 土的抗剪强度机理和影响因素,59,两种试验得到相同的Kf线 Kf线上，pfqfef间存在唯一性关系 A点： ef=ef 和试验的类型及应力路径等无关,ef pf - qf 唯一性关系,ef f -

19、 f 唯一性关系,5 土的抗剪强度,3、粘土的密度有效应力抗剪强度唯一性关系,5.3 应力路径与破坏主应力线,ef=ef,A,对具有相同的前期固结压力的超固结土也有相似的规律,e0=ef,5.4 土的抗剪强度机理和影响因素,60,5.1 概述 5.2 土体破坏与强度理论 5.3 抗剪强度测定试验 5.4 土的抗剪强度机理和影响因素 5.5 土在剪切中的性状及各类抗剪强度指标,5 土的抗剪强度,61,强度指标：,峰值强度指标 与 残余强度指标,5 土的抗剪强度,5.5土在剪切中的性状及各类抗剪强度指标,粘聚力 c内摩擦角 ,工程应用,三种分类方法,总应力强度指标 与 有效应力强度指标,直剪强度指

20、标 与 三轴试验强度指标,目的,分析方法,试验方法,应力应变状态,62,5 土的抗剪强度,一. 总应力指标与有效应力指标 二. 三轴试验强度指标 三. 直剪试验强度指标 四. 土的强度指标的工程应用,5.5各类抗剪强度指标,63,1. 两种强度指标的比较,5 土的抗剪强度,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,一. 总应力指标与有效应力指标,5.5各类抗剪强度指标,64,(),c,c,f,f,超固结粘

21、土的总应力与有效应力强度包线(CU),u(-),一. 总应力指标与有效应力指标,5 土的抗剪强度,u(+),总应力,有效应力,5.5各类抗剪强度指标,65,5 土的抗剪强度,一. 总应力指标与有效应力指标 二. 三轴试验强度指标 三. 直剪试验强度指标 四. 土的强度指标的工程应用,5.5各类抗剪强度指标,66,二. 三轴试验强度指标,5 土的抗剪强度,5.5各类抗剪强度指标,67,固结排水试验（CD试验） Consolidated Drained Triaxial test (CD) 抗剪强度指标： cd d （c ）,试验类型汇总,固结不排水试验（CU试验） Consolidated Un

22、drained Triaxial test (CU) 抗剪强度指标：ccu cu,不固结不排水试验（UU试验） Unconsolidated Undrained Triaxial test (UU) 抗剪强度指标： cu u （ cuu uu ）,5 土的抗剪强度,二、三轴试验,5.5各类抗剪强度指标,68,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

23、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,3、试验类型,5 土的抗剪强度,二、三轴试验,5.5各类抗剪强度指标,69,试验条件与现场条件 的对应关系,5 土的抗剪强度,二、三轴试验,固结排水试验,固结不排水试验,不固结不排水试验,5.5各类抗剪强度指标,70,1.不固结不排水试验,5 土的抗剪强度,二.三轴试验强度指标,强度指标：cuu (cu)，uu (u) (1) 特点 (2) 饱和试样的不排水强度指标cu (3) 不饱和试样的不排水强度,5.5

24、各类抗剪强度指标,71,(1)特点 从某一初始状态开始，关闭阀门施加围压，产生孔隙水压力 u1=B 施加（1 -）时，阀门关闭，可连接孔压传感器，量测剪切过程中产生的超静孔隙水压力u2 = BA (),1.不固结不排水试验,5 土的抗剪强度,二.三轴试验强度指标,量测孔隙水压力,5.5各类抗剪强度指标,72,u =0 , cu, 并且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？,(2)饱和试样的不排水强度指标,cu,u = B + A () B=1,1.不固结不排水试验,5 土的抗剪强度,二.三轴试验强度指标,Cu依赖于 初始状态,5.5各类抗剪强度指标,73,(3)

25、不饱和试样的不排水强度,不饱和区,饱和区,1.不固结不排水试验,5 土的抗剪强度,二.三轴试验强度指标,5.5各类抗剪强度指标,74,2.固结排水试验,5 土的抗剪强度,强度指标：cd，d (1) 特点 (2) 松砂与正常固结粘土试验曲线与强度包线 (3) 密砂与超固结粘土试验曲线与强度包线 (4) 超固结粘土+正常固结粘土的强度包线,二.三轴试验强度指标,5.5各类抗剪强度指标,75,(1)特点,2.固结排水试验,5 土的抗剪强度,二.三轴试验强度指标,总应力指标与有效应力指标一致:,破坏面位置：,5.5各类抗剪强度指标,76,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

26、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”,(2) 松砂与正常固结粘土试验曲线与强度包线,2.固结排水试验,5 土的抗剪强度,二.三轴试验强度指标,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。,粘聚力随增加而增加,5.5各类抗剪强度指标,77,f,实验室理想的“正常固结粘土”,(2) 松砂与正常固结粘土试验曲线与强度包线,2.固结排水试验,5 土的抗剪强度,二.三轴试验强度指标,抗剪强度指标有时失去其

27、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。,粘聚力随增加而增加，直线过原点,5.5各类抗剪强度指标,78,v表示体缩 v0表示体胀(剪胀),超固结粘土强度包线,超固结粘土应力应变关系曲线,(3)密砂与超固结土试验曲线与强度包线,2.固结排水试验,5 土的抗剪强度,二.三轴试验强度指标,应力应变关系软化硬化，体应变剪胀剪缩,cp0 cr = 0,5.5各类抗剪强度指标,79,超固结粘土应力应变关系曲线，紧砂在剪切时，首先是孔隙收缩（剪缩），然后孔隙回涨，体积增大（剪胀） 主要决

28、定于它的初始孔隙比。,(3)密砂与超固结土试验曲线与强度包线,2.固结排水试验,5 土的抗剪强度,二.三轴试验强度指标,应力应变关系软化硬化，体应变剪胀剪缩,5.5各类抗剪强度指标,80,e,p,强度包线,f,p,土的压缩曲线,(4)超固结粘土+正常固结粘土强度包线, p ，正常固结粘土； p ，超固结粘土,2.固结排水试验,5 土的抗剪强度,二.三轴试验强度指标,5.5各类抗剪强度指标,81,(3) 固结不排水三轴试验确定的强度指标,3.固结不排水试验,5 土的抗剪强度,二.三轴试验强度指标,应力变量,试验量测, u,计算,= u =,确定的强度指标,ccu cu,c ,5.5各类抗剪强度指

29、标,82,3.固结不排水试验,5 土的抗剪强度,二.三轴试验强度指标,强度指标：ccu ，cu；c， (1) 特点 (2) 正常固结粘土固结不排水试验曲线与强度包线 (3) 超固结粘土固结不排水试验曲线与强度包线 (4) 固结不排水三轴试验确定的强度指标,5.5各类抗剪强度指标,83,u,轴向应力和孔压渐进增加并趋于稳定， 孔压 u 0,(2) 正常固结粘土固结不排水试验曲线与强度包线,f,f,cu,3.固结不排水试验,5 土的抗剪强度,二.三轴试验强度指标,5.5各类抗剪强度指标,84,u,应力应变关系软化，孔压可能小于0 与超固结度有关,f,(3) 超固结粘土固结不排水试验曲线与强度包线,

30、f,cu,3.固结不排水试验,二.三轴试验强度指标,5 土的抗剪强度,5.5各类抗剪强度指标,85,通过控制剪切速率来近似模拟排水条件,5 土的抗剪强度,三、直剪试验,(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,5.5各类抗剪强度指标,86,5 土的抗剪强度,三. 直剪试验强度指标,1. 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,5.5各类抗剪强度指标,87,强度指标,对于砂土，三种试验结果都接近于c 对