土的抗剪强度 土质学与土力学.ppt

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1、第六章,土的抗剪强度,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,6.1 概述 6.2 土的强度理论与强度指标 6.3 土的抗剪强度指标的测定试验方法及其应用 6.4 土的天然强度及其在荷载作用下的强度增长 6.5 关于土的抗剪强度影响因素的讨论 6.6 土的动强度与砂土的振动液化（补充）,6 土的抗剪强度,一、土的抗剪强度概念 二、工程中土体的破坏类型,6 土的抗剪强度,6.1 概述,一、土的抗剪强度概念: 定义：土体对于外荷载所产生的剪应力的极限抵抗能力。 特点：强度不是颗粒矿物本身的强度，而是颗粒间相互作用是抵抗剪剪切破坏的能力，颗粒间粘聚力与摩擦力

2、；,6 土的抗剪强度,6.1 概述,大阪的港口码头档土墙由于液化前倾,6 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,6.1 概述,1. 挡土结构物的破坏,6 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。,6.1 概述,挡土墙,滑裂面,基坑支护,1. 挡土结构物的破坏,6 土的抗剪强度,二、工程中土体的破坏类型,6.1 概述,平移滑动,2. 各种类型的滑坡,6 土的抗剪强度,崩塌,旋转滑动,流滑,二、工程中土体的破坏类型,6.1 概述,1994年4月30日 崩塌体积400万方 10万方进入乌江 死4人，

3、伤6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。,乌江武隆县兴顺乡鸡冠岭山体崩塌,6 土的抗剪强度,2. 各种类型的滑坡,二、工程中土体的破坏类型,6.1 概述,龙观嘴,黄崖沟,乌江,2000年西藏易贡巨型滑坡,6 土的抗剪强度,2. 各种类型的滑坡,二、工程中土体的破坏类型,6.1 概述,高程（m）,滑距（m）,5530,2200,4000,扎 木 弄 沟,滑坡堆积体,0,8000,4000,2000,6000,立面示意图,坡高 3330 m 堆积体宽 约2500m 总方量 约

4、3亿方,6 土的抗剪强度,2. 各种类型的滑坡,二、工程中土体的破坏类型,2000年西藏易贡巨型滑坡,6.1 概述,易贡滑坡堰塞湖,滑 坡 堆 积 区,扎 木 弄 沟,2264m,2210m,2166m,2340m,平面示意图,5520m,滑坡堆积体,6 土的抗剪强度,2. 各种类型的滑坡,二、工程中土体的破坏类型,2000年西藏易贡巨型滑坡,6.1 概述,天然坝 坝高290 m 滑坡堰塞湖 库容16亿方,湖水每天上涨50cm ?,6 土的抗剪强度,2. 各种类型的滑坡,二、工程中土体的破坏类型,2000年西藏易贡巨型滑坡,6.1 概述,边坡,6 土的抗剪强度,2. 各种类型的滑坡,二、工程中

5、土体的破坏类型,6.1 概述,粘土地基上的某谷仓地基破坏,3. 地基的破坏,6 土的抗剪强度,二、工程中土体的破坏类型,6.1 概述,日本新泻1964年地震引起大面积液化,3. 地基的破坏,6 土的抗剪强度,二、工程中土体的破坏类型,6.1 概述,地基,3. 地基的破坏,6 土的抗剪强度,二、工程中土体的破坏类型,6.1 概述,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,6 土的抗剪强度,二、工程中土体的破坏类型,6.1 概述,一、土的抗剪强度的库仑定律 二、土的强度的机理 三、摩尔-库仑强度理论,6 土的抗剪强度,6.2土的强度理论与强度指标,6 土的抗剪强度,

6、6.2 土的强度理论与强度指标,直剪试验 库仑（1776） 试验原理,施加 （=P/A），S 量测 （=T/A）, = 100KPa,S,A,一、抗剪强度的库仑定律,直剪试验 库仑（1776） 试验原理 试验结果, = 100KPa,S, = 200KPa, = 300KPa,6 土的抗剪强度,一、抗剪强度的库仑定律,6.2 土的强度理论与强度指标,c 粘聚力 内摩擦角,直剪试验 库仑（1776） 试验原理 试验结果,6 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-与所受压力无关,一、抗剪强度的库仑定律,6.2 土的强度理论与强度指标,滑动摩擦

7、,二、土的强度的机理,6 土的抗剪强度,1. 摩擦强度 tg,（1）滑动摩擦,6.2 土的强度理论与强度指标,（2）咬合摩擦引起的剪胀,滑动摩擦,咬合摩擦引起的剪胀,二、土的强度的机理,6 土的抗剪强度,1. 摩擦强度 tg,6.2 土的强度理论与强度指标,（3）颗粒的破碎与重排列,滑动摩擦,颗粒破碎与重排列,二、土的强度的机理,6 土的抗剪强度,1. 摩擦强度 tg,咬合摩擦引起的剪胀,6.2 土的强度理论与强度指标,密度（e, 粒径级配：级配良好颗粒间接触多，比均匀咬合作用强； 颗粒的矿物成分 对于：砂土（28-40）粘性土（0-30）； 高岭石伊里石蒙特石 一般情况：颗粒形状带棱角比磨圆

8、的咬合作用强。,影响土的摩擦强度的主要因素：,二、土的强度的机理,6 土的抗剪强度,1. 摩擦强度 tg,6.2 土的强度理论与强度指标,粘聚强度机理 原始粘聚力（表面带负电） 固化粘聚力 毛细粘聚力,粘聚强度影响因素 粘土颗粒矿物成分 密度 扰动后结构变化,二、土的强度的机理,6 土的抗剪强度,2. 凝聚强度,6.2 土的强度理论与强度指标,6 土的抗剪强度,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,6.2 土的强度理论与强度指标,三、摩尔-库仑强度理论,c 粘聚力 内摩擦角,f ： 土的抗剪强度 tg：

9、 摩擦强度-正比于压力 c： 粘聚强度-与所受压力无关,6 土的抗剪强度,三、摩尔-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,1. 库仑公式,6.2 土的强度理论与强度指标,O,1,3,6 土的抗剪强度,三、摩尔-库仑强度理论,2. 应力莫尔圆,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；圆周上一点代表一个面上的两个应力与,6.2 土的强度理论与强度指标,3. 极限平衡应力状态,6 土的抗剪强度,三摩尔-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

10、极限平衡状态的莫尔园的公切线。,f,6.2 土的强度理论与强度指标,3. 极限平衡应力状态,6 土的抗剪强度,三摩尔-库仑强度理论,f,强度包线以内：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；不可能发生。,6.2 土的强度理论与强度指标,4. 莫尔库仑强度理论,（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：1910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

11、衡应力状态,6 土的抗剪强度,三、摩尔-库仑强度理论,6.2 土的强度理论与强度指标,4. 莫尔库仑强度理论,6 土的抗剪强度,三、摩尔-库仑强度理论,莫尔-库仑强度理论表达式极限平衡条件,1f,3,6.2 土的强度理论与强度指标,4. 莫尔库仑强度理论,6 土的抗剪强度,三、摩尔-库仑强度理论,莫尔-库仑强度理论表达式极限平衡条件,6.2 土的强度理论与强度指标,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 破坏状态,5. 破坏判断方法,6 土的抗剪强度,三、摩尔-库仑强度理论,判别对象：土体微小单元（一点）,3= 常数：,6.2 土的强度理论与强度

12、指标,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计算3f 比较3与3f,33f 弹性平衡状态 3=3f 极限平衡状态 33f 破坏状态,5. 破坏判断方法,6 土的抗剪强度,三、摩尔-库仑强度理论,判别对象：土体微小单元（一点）,1= 常数：,6.2 土的强度理论与强度指标,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, 安全状态 = 极限平衡状态 不可能状态,O,c,5. 破坏判断方法,6 土的抗剪强度,三、摩尔-库仑强度理论,判别对象：土体微小单元（一点）,(1 + 3)/2 = 常数：圆心保持不变,6.2 土的强度理论与强度指标,O,c,1f,3,

13、2,2,6. 滑裂面的位置,与大主应力面夹角： =45 + /2,6 土的抗剪强度,三、摩尔-库仑强度理论,6.2 土的强度理论与强度指标,一、室内试验 二、野外试验,6.3土的抗剪强度指标的测定试验方法及其应用,6 土的抗剪强度,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,6.3 抗剪强度测定试验,6 土的抗剪强度,一、室内试验,1. 直剪试验,通过控制剪切速率来近似模拟排水条件,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

14、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,6.3 抗剪强度测定试验,6 土的抗剪强度,一、室内试验,1. 直剪试验,设备简单，操作方便 结果便于整理 测试时间短,优点,应力分布不均匀（剪、压） 不能控制排水条件 剪切面固定,缺点,6.3 抗剪强度测定试验,6 土的抗剪强度,一、室内试验,1. 直剪试验,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,6.3 抗剪强度测定试验,6 土的抗剪强度,一、室内试验,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

15、型 （4）优缺点,6.3 抗剪强度测定试验,6 土的抗剪强度,一、室内试验,2. 三轴试验,方法： 首先试样施加静水压力室压（围压） 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；径向应力总是相等， 一般是小主应力。,强度包线,(1-)f,c,(1-)f,1,1- 3,1 =16%,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 ,6.3 抗剪强度测定试验,6 土的抗

16、剪强度,一、室内试验,2. 三轴试验,（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,6.3 抗剪强度测定试验,6 土的抗剪强度,一、室内

17、试验,2. 三轴试验,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 Undrained 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 ）,6.3 抗剪强度测定试验,6 土的抗剪强度,一、室内试验,2. 三轴试验,优点： 1 应力状态和应力路径明确； 2

18、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，现场无法试验； 轴对称，现用真三轴。,说明： 30 即为无侧限抗压强度试验,（4）优点和缺点,.3 抗剪强度测定试验,6 土的抗剪强度,一、室内试验,2. 三轴试验,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,6.3 抗剪强度测定试验,6 土的抗剪强度,二、野外试验,时：,6.3 抗剪强度测定试验,6 土的抗剪强度,二、野外试验,十字板剪切试验,6 土的抗剪强度,6.3 抗剪强度测定试验,三、孔压力系数A、B（P130-134）,（6-13

19、）,（6-19）,（6-26a）,饱和土B=1,应力路径概念 在外力作用下土体中某一点的应力变化过程在应力坐标图中的轨迹。 对于同一种土，采用不同的试验手段和不同的加荷方法使之剪破，其应力变化过程是不相同的。,6 土的抗剪强度,四、应力路径及表示法,6.3 抗剪强度测定试验及其应用,p-q：常表示最大剪应力面（与主应力面成45度的斜面）上的应力变化,O,3,1,13,固结排水三轴试验,莫尔圆圆心,莫尔圆半径,一个点代表一个摩尔圆； 一条线代表一系列摩尔圆应力路径,6 土的抗剪强度,四、应力路径及表示法,-：常表示已定剪破面上法向应力和剪应力变化的应力路径（借助应力圆绘制）, 保持为常数,6.3

20、 抗剪强度测定试验及其应用,常用应力坐标图,p-q：常表示最大剪应力面（与主应力面成45度的斜面）上的应力变化,O,3,1,13,固结排水三轴试验,莫尔圆圆心,莫尔圆半径,一个点代表一个摩尔圆； 一条线代表一系列摩尔圆应力路径,6 土的抗剪强度,四、应力路径及表示法,-：常表示已定剪破面上法向应力和剪应力变化的应力路径（借助应力圆绘制）, 保持为常数,6.3 抗剪强度测定试验及其应用,常用应力坐标图,破坏包线 f 在 坐标系中所有破坏状态摩尔圆的公切线,破坏主应力线 Kf 在p q 坐标系中所有处于极限平衡应力状态点的集合,p,q,O,f 线,Kf线,固结排水三轴试验,6 土的抗剪强度,五、强

21、度包线与破坏主应力线,两条直线与横坐标交点都是 0,6.3 抗剪强度测定试验及其应用,破坏包线 在 坐标系中所有破坏状态摩尔圆的公切线,p,q,O,c,破坏主应力线 在p q 坐标系中所有处于极限平衡应力状态点的集合,a,f线,Kf线,O,A,R,固结排水三轴试验,6 土的抗剪强度,五、强度包线与破坏主应力线,6.3 抗剪强度测定试验及其应用,破坏包线 在 坐标系中所有破坏状态摩尔圆的公切线,p,q,O,c,破坏主应力线 在p q 坐标系中所有处于极限平衡应力状态点的集合,a,f线,Kf线,O,A,R,固结排水三轴试验,6 土的抗剪强度,五、强度包线与破坏主应力线, c a,6.3 抗剪强度测

22、定试验及其应用,0,q,p,用若干点的最小二乘法确定a 和 然后计算强度指标c和,a,确定强度指标,6 土的抗剪强度,五、强度包线与破坏主应力线,6.3 抗剪强度测定试验及其应用,总应力与有效应力状态 有效应力原理 典型三轴试验 孔隙水压力计算,O,（13),固结不排水三轴试验,6 土的抗剪强度,六、总应力路径与有效应力路径,6.3 抗剪强度测定试验及其应用,总应力与有效应力路径 关系,O,（13),u,1,3,3,1,6 土的抗剪强度,六、总应力路径与有效应力路径,6.3 抗剪强度测定试验及其应用,总应力与有效应力路径 关系 三轴试验总应力路径 三轴固结不排水试验有效应力路径 松砂或正常固结

23、粘土 （A1/3） 密砂或强超固结粘土 （A1/3）,6 土的抗剪强度,六、总应力路径与有效应力路径,6.3 抗剪强度测定试验及其应用,七. 土的强度指标的工程应用,6 土的抗剪强度,有效应力指标还是总应力指标？ 三轴试验指标还是直剪试验指标？,6.3 抗剪强度测定试验及其应用,七. 土的强度指标的工程应用,6 土的抗剪强度,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，,6.3 抗剪强度测定试验及其应用,七. 土的强度指标的工程应用,6 土的抗剪强度,三轴试验指标与直剪试验指标 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

24、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,6.3 抗剪强度测定试验及其应用,粘土地基上分层慢速施工的填方,稳定渗流期的土坝,天然粘土坡或在粘土中的开挖,固结排水强度指标的应用实例 ccd cd,几种固结不排水强度指标的应用实例 ccu cu,在1层土固结后，施工2层,库水位从1骤降到2,在天然土坡上快速填方,几种不排水强度指标 cu u 在工程中的应用,软土地基上快速施工的填方,土坝快速施工，心墙未固结,粘土地基上快速施工的建筑物,土体保持天然原始状态所具有的强度(通常指不排水抗剪强度)即为天然强度。 所谓天然状态系指土的

25、结构、含水量及土中应力历史等都保持天然原有状态而无变化者。 目前测定天然强度主要是用以下几种方法。 1. 三轴不固结不排水剪切试验 2. 无侧限抗压强度试验 3. 直剪快剪试验 4. 十字板剪切试验,6 土的抗剪强度,6.4土的天然强度及其在荷载作用下的强度增长,一、土的天然强度,软土地基在外荷载作用下，若总应力不变和地基有排水固结条件则孔隙水压力的消散以及土层的固结将使土的抗剪强度增长。,6 土的抗剪强度,6.4土的天然强度及其在荷载作用下的强度增长,二、软土在荷载下的强度增长规律,6 土的抗剪强度,6.4土的天然强度及其在荷载作用下的强度增长,就粘性土而言，主要是矿物成分的影响。不同矿物晶

26、格不同，其稳定性、亲水性和胶体特性不同，对强度有影响； 对砂性土而言，主要是颗粒的形状、大小和级配的影响。一般来说，级配中，粗颗粒越多、形状越不规则、表面越粗糙，其内摩擦角越大，其抗剪强度降越高。,6 土的抗剪强度,6.5关于土的抗剪强度影响因素的讨论,一、土的矿物成分、颗粒形状和级配的影响,含水量的增高一般将使土的抗剪强度降低。,6 土的抗剪强度,6.5关于土的抗剪强度影响因素的讨论,二、含水量的影响,一般来说，土的原始密度越大，其抗剪强度降越高。,6 土的抗剪强度,6.5关于土的抗剪强度影响因素的讨论,三、原始密度的影响,当土受扰动强度降低，扰动停止后强度又会随时间而逐渐增长，其变化取决土

27、的灵敏度。,6 土的抗剪强度,6.5关于土的抗剪强度影响因素的讨论,四、粘性土触变性的影响,6 土的抗剪强度,6.5关于土的抗剪强度影响因素的讨论,五、土的应力历史的影响,6 土的抗剪强度,6.6土的动强度与砂土的振动液化,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,6 土的抗剪强度,6.6土的动强度与砂土的振动液化,一. 饱和松砂的振动液化,1. 液化现象,日本阪神地震引起的路面塌陷,由于液化引起的河道破坏日本神户,阪神地震中新干线的倾覆,地基液化引起的储油罐倾斜日本神户,日本阪神地震引起的地面下沉房屋脱离地面,桩基础（房屋基础露出地面）,桥台基础（地震液化后突出地

28、面）,6 土的抗剪强度,6.6土的动强度与砂土的振动液化,一. 饱和松砂的振动液化,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,6 土的抗剪强度,6.6土的动强度与砂土的振动液化,一. 饱和松砂的振动液化,2. 液化机理,6 土的抗剪强度,6.6土的动强度与砂土的振动液化,一. 饱和松砂的振动液化,2. 液化机理,6 土的抗剪强度,6.6土的动强度与砂土的振动液化,一. 饱和松砂的振动液化,2. 液化机理,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。,6 土的抗剪强度,6.6土的动强度与砂土的振动液化,二. 饱和松砂的振动液化,3. 液化定义,4.1 土类 4.2 土的密度 相对密度Dr60% 4.3 土的初始应力状态,6 土的抗剪强度,6.6土的动强度与砂土的振动液化,一. 饱和松砂的振动液化,4. 砂土液化的影响因素（218页）,6. 砂土液化的工程防治（221页）,加固地基土：换土、加密 加固建筑物 深基础与桩基础,6 土的抗剪强度,6.6土的动强度与砂土的振动液化,