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1、第7章,土的抗剪强度 Shear strength of soil,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 饱和粘性土的抗剪强度 7.6 无粘性土的抗剪强度,本章主要内容：,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,一、土的抗剪强度shear strength,是指土体对于外荷载所产生的剪应力的极限抵抗能力。,1.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； 2.三相体系：三相承受与传递荷载有效应力原理； 3.自
2、然变异性：土的强度的结构性与复杂性。,二、土的强度特点,基坑支护,1.挡土结构物的破坏,三、与土的强度有关的工程问题,挡土墙,平移滑动,2.各种类型的滑坡,崩塌,旋转滑动,流滑,地基,p,3.地基的破坏,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,四、土的强度指标,现场试验 In situ test,室内试验 Tests in door,直剪试验 direct test 三轴压缩试验 triaxial compression test 无侧限抗压强度试验 unconfined compression strength test,十字板剪切试验 Vane stren
3、gth test,一、库仑公式及抗剪强度指标 二、土的强度机理 三、摩尔-库仑强度理论,7.2 土的抗剪强度理论,本节主要内容：,直剪试验 库仑（1773）,施加 （=P/A） 量测 （=T/A）,上盒,A,试验原理,一、库仑公式,一、库仑公式,库仑(Coulomb,1773）,c 粘聚力 内摩擦角,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-与所受压力无关,强度指标,二、土的强度的机理,1.摩擦强度 tg,（1）滑动摩擦,（2）咬合摩擦引起的剪胀,（3）颗粒的破碎与重排列,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
4、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： 对于砂土，颗粒的棱角提高了内摩擦角 对于碎石土，颗粒的棱角可能降低其内摩擦角,影响土的摩擦强度的主要因素：,粘聚强度机理,粘聚强度影响因素,2.凝聚强度,静电引力（库仑力） 范德华力 颗粒间胶结 假粘聚力（毛细力等）,地质历史 粘土颗粒矿物成分 密度 离子价与离子浓度,三、摩尔-库仑强度理论,1. 库仑公式 2. 应力状态与摩尔圆 3. 极限平衡应力状态 4. 摩尔-库仑强度理论 5. 破坏判断方法 6. 滑裂面的位置,c 粘聚力 内摩擦角,f ： 土的抗剪强度 tg： 摩擦强度-正比于压力 c： 粘聚强度-与所受压力无关,1.库
5、仑公式,c,无粘性土,粘性土,抗剪强度曲线,砂土：,粘性土：,库仑（Coulomb）公式,c:土的粘聚力 :土的内摩擦角,莫尔库仑强度理论,（1）在一定的应力范围内，可以用线性函数近似f = c +tg （2）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,2、土中一点的应力状态,3. 应力莫尔圆,圆心：,半径：,莫尔圆：代表一个土单元的应力状态；圆周上一点代表一个面上的两个应力与,不同状态时的摩尔圆,4. 极限平衡应力状态,极限平衡应力状态： 有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园的公切线。,f,f,与破坏包线相交：有一些平面上的应力超
6、过强度；不可能发生。,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；,与破坏包线相切：有一个面上的应力达到破坏；,莫尔-库仑强度理论表达式极限平衡条件,11f 破坏状态,5. 破坏判断方法,3= 常数：,判别对象：土体微小单元（一点）,根据应力状态计算出大小主应力1、3，由3计算1f，比较1与1f,33f 弹性平衡状态 3=3f 极限平衡状态 33f 破坏状态,1= 常数：,根据应力状态计算出大小主应力1、3，由1计算3f，比较3与3f, 不可能状态,O,c,(1 + 3)/2 = 常数：圆心保持不变,根据应力状态计算出大小主应力13，由1、3计算，与比较,6. 滑裂
7、面的位置,与大主应力面夹角： =45 + /2,图中虚线所指 位置为滑裂面,一、室内试验 二、野外试验,7.3 土的抗剪强度试验,直剪试验、三轴试验等 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,A,一、室内试验,1. 直剪试验,仪器,仪器,可观看试验过程动画演示,1.装样 2.施加轴向荷载 3.施加水平剪力,试验过程,通过控制剪切速率来近似模拟排水条件,3. 快剪 施加正应力后立即剪切3-5分钟内剪切破坏,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
8、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,试验方法,设备简单，操作方便 结果便于整理 测试时间短,试样应力状态复杂 应变不均匀 不能控制排水条件 剪切面固定,优点,缺点,抗剪强度曲线,试验成果,压力室,压力水,排水管,阀门,轴向加压杆,有机玻璃罩,橡皮膜,透水石,顶帽,2. 三轴试验,（1）试样应力特点与试验方法 （2）强度包线 （3）试验类型 （4）优缺点,应变控制式三轴仪：压力室，加压系统，量测系统组成 应力控制式三轴仪 试验步骤: 1.装样 2.施加周围压力 3.施加竖向压力,三轴剪切试验,方法： 首先试样施加静水压力室压（围压） 1=2=3 ； 然后通过
9、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,1,1- 3,1 =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摩尔圆，画出它们的公切线强度包线，得到强度指标 c 与 ,（2）强度包线,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
10、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,（3）试验类型,固结排水试验（CD试验） Consolidated Drained Triaxial test (CD) 抗剪强度指标： cd d （c ）,固结不排水试验（CU试验） Consolidated Undrained Triaxial test (CU) 抗剪强度指标：ccu cu,不固结不排水试验（
11、UU试验） Unconsolidated Undrained Triaxial test (UU) 抗剪强度指标： cu u （ cuu uu ）,试验类型汇总,优点： 1 应力状态和应力路径明确； 2 排水条件清楚，可控制； 3 破坏面不是人为固定的； 4 试验单元体试验,缺点： 设备相对复杂，现场无法试验,说明： 30 即为无侧限抗压强度试验,（4）优点和缺点,二、野外试验,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,时,无侧限抗压强度试验,强度指标：,7.4 饱和粘性土的抗剪强度,粘聚力 c 内摩擦角 ,强
12、度指标的分类： 按照分析方法，可分为总应力强度指标与有效应力强度指标； 按照试验方法，可分为直剪强度指标与三轴试验强度指标； 按照应力应变状态，可分为峰值强度指标与残余强度指标。,一. 总应力指标与有效应力指标 二. 三轴试验强度指标 三. 土的强度指标的工程应用,本节主要内容：,一、总应力指标与有效应力指标,1.两种强度指标的比较,2.有效应力、总应力强度包线,1. 两种强度指标的比较,土的抗剪强度的 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,土的抗剪强度的 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
13、机理,强度指标,抗剪强度,简单评价,二、饱和粘性土的抗剪强度,1、不固结不排水抗剪强度,2、固结不排水抗剪强度,3、固结排水抗剪强度,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，,有效应力指标与总应力指标,三、土的强度指标的工程应用,砂土： c, 三轴排水试验指标与直剪试验指标 （直剪试验得到的指标偏大） 粘土： 有效应力指标：固结排水、固结不排水 总应力指标：三轴固结不排水、不排水; 直剪固结快剪、快剪,三轴试验指标与直剪试验指标,7.5 无粘性土的抗剪强度,1、密砂,2、松砂,受剪时体积膨胀，孔隙比变大,受剪时体积缩小，孔隙比变小,随着轴向应变的增加，松砂的强度逐渐增加，曲线应变硬化。,体积逐渐减小,紧砂的强度达到一定值后，随着轴向应变的继续增加，强度反而减小，最后呈应变软化型,体积开始时稍有减小，继而增加，超过它的初始体积,砂土的应力轴向应变体变,饱和松砂在振动情况下孔压急剧升高 在瞬间砂土呈液态,时间T,孔压 U,1.液化现象,饱和松砂的振动液化,P,2.液化机理,振前砂土结构,振中颗粒悬浮，有效应力为零,振后砂土变密实,在饱和砂土中，由于振动引起颗粒的悬浮，超静孔隙水压力急剧升高，直到其孔隙水压力等于总应力时，有效应力为零，砂土的强度丧失，砂土呈液体流动状态，称为液化现象。,3. 液化定义,