土抗剪強度-同濟

1、第五章第五章 土的抗剪強度土的抗剪強度一、概述土的抗剪強度：土的抗剪強度：是指土體對于外荷載所產(chǎn)生的剪應力的極是指土體對于外荷載所產(chǎn)生的剪應力的極 限抵抗能力。限抵抗能力。土體強度破壞的機理：土體強度破壞的機理： 在外荷載引起的剪應力或剪應變超在外荷載引起的剪應力或剪應變超過土體的抗剪強度，導致土體沿著剪應過土體的抗剪強度，導致土體沿著剪應力作用方向產(chǎn)生相對滑動力作用方向產(chǎn)生相對滑動剪切破壞。剪切破壞。邊坡邊坡滑裂面滑裂面工程背景p擋土墻擋土墻滑裂面滑裂面地基地基p滑裂面滑裂面工程中土的破壞形式主要表現(xiàn)為滑動破壞面工程中土的破壞形式主要表現(xiàn)為滑動破壞面剪切破壞剪切破壞二、土的抗剪強度與極限平衡

2、條件v1. 庫侖定律庫侖定律tanfcftan抗剪強度指標：抗剪強度指標： c:土的粘聚力土的粘聚力 :土的內(nèi)摩擦角土的內(nèi)摩擦角NT= Ntanu uT總應力法：總應力法：tan)(tanfucctanf c抗剪強度的兩種表達方法抗剪強度的兩種表達方法: 抗抗剪剪強強度度的的第第二二種種表表達達式式 式中式中 c 、 分別為分別為有效粘聚力有效粘聚力和和有效內(nèi)摩擦角有效內(nèi)摩擦角，統(tǒng)，統(tǒng)稱為有效應力抗剪強度指標稱為有效應力抗剪強度指標.有效應力法：有效應力法：法向應力采用總應力法向應力采用總應力 表示的抗剪強度表示的抗剪強度.當法向應力采用有效應力當法向應力采用有效應力 表示時，則稱為抗表示時，

3、則稱為抗剪強度的。剪強度的。三、三、 土的剪切試驗方法土的剪切試驗方法 v1. 直接剪切試驗直接剪切試驗試驗儀器：試驗儀器：直剪儀（應力控制式，應變控制式）直剪儀（應力控制式，應變控制式）PT上盒上盒下盒下盒透水石透水石土樣土樣TP試樣內(nèi)的試樣內(nèi)的變形分布變形分布剪切前施加在試樣頂面上的豎向剪切前施加在試樣頂面上的豎向壓力為剪破面上的法向應力壓力為剪破面上的法向應力 ，剪應力為剪切力剪應力為剪切力T除以試樣面積除以試樣面積A在法向應力在法向應力 作用下，剪應力與剪切位移關系曲線，作用下，剪應力與剪切位移關系曲線，根據(jù)曲線得到該根據(jù)曲線得到該 作用下作用下，土的抗剪強度土的抗剪強度APATf6m

4、m a b 剪切位移剪切位移l (0.01mm) 剪應力剪應力 （kPa) 1 2 直直剪剪試試驗驗原原理理直剪試驗原理直剪試驗原理 直剪試驗方法分類直剪試驗方法分類通過控制剪切速率來近似模擬排水條件通過控制剪切速率來近似模擬排水條件1. 快剪快剪施加正應力后施加正應力后立即剪切立即剪切3-5分鐘內(nèi)剪切破壞分鐘內(nèi)剪切破壞2. 固結快剪固結快剪施加正應力施加正應力-充分固結充分固結在在3-5分鐘內(nèi)剪切破壞分鐘內(nèi)剪切破壞3. 固結慢剪固結慢剪施加正應力施加正應力-充分固結充分固結慢慢施加剪應力慢慢施加剪應力-小于小于0.02mm/分，分，以保證無超靜孔壓以保證無超靜孔壓cq 、 q ccq 、 c

5、q cs 、 s 2. 三軸壓縮試驗三軸壓縮試驗v儀器設備：壓力室，加壓系統(tǒng)，量測系統(tǒng)等組成。儀器設備：壓力室，加壓系統(tǒng)，量測系統(tǒng)等組成。試樣試樣壓力室壓力室壓力壓力水水排水管排水管閥門閥門軸向加壓桿軸向加壓桿有機玻璃罩有機玻璃罩橡皮膜橡皮膜透水石透水石頂帽頂帽 3 3 3 3 3 3 1.施加周圍壓力施加周圍壓力2.施加豎向壓力施加豎向壓力試驗加載的基本步驟試驗加載的基本步驟:三軸試驗的強度包線三軸試驗的強度包線v分別作圍壓分別作圍壓 為為100 kPa 、200 kPa，得到破壞時相應的（得到破壞時相應的（ 1- )fv繪制兩個破壞狀態(tài)的應力摩爾圓，繪制兩個破壞狀態(tài)的應力摩爾圓，畫出它們的

6、公切線，即強度包線畫出它們的公切線，即強度包線 1 1- 3 1 =15%強度包線強度包線( 1- )fc ( 1- )f 100 kPa 200 kPa 三三軸軸試試驗驗方方法法三軸試驗方法三軸試驗方法v固結排水試驗（CD試驗）1 打開排水閥門，打開排水閥門，施加圍壓施加圍壓 后充分固結，超靜孔隙水壓力完全消散；后充分固結，超靜孔隙水壓力完全消散；2 打開排水閥門，慢慢施加軸向應力差打開排水閥門，慢慢施加軸向應力差 以便充分排水，避免產(chǎn)生超以便充分排水，避免產(chǎn)生超靜孔壓靜孔壓v固結不排水試驗（CU試驗）1 打開排水閥門，打開排水閥門，施加圍壓施加圍壓 后充分固結，超靜孔隙水壓力完全消散；后充

7、分固結，超靜孔隙水壓力完全消散；2 關閉排水閥門，很快剪切破壞，在施加軸向應力差關閉排水閥門，很快剪切破壞，在施加軸向應力差 過程中不排水過程中不排水v不固結不排水試驗（UU試驗）1 關閉排水閥門，關閉排水閥門，圍壓圍壓 下不固結；下不固結；2 關閉排水閥門，很快剪切破壞，在施加軸向應力差關閉排水閥門，很快剪切破壞，在施加軸向應力差 過程中不排水過程中不排水cd 、 d ccu 、 cu cu 、 u 有效應力圓有效應力圓總應力圓總應力圓 u=0BCcu uAA 3A 1A飽和粘性土飽和粘性土在三組在三組 3下的不排水剪試驗得到下的不排水剪試驗得到A、B、C三個三個不同不同 3作用下破壞時的總

8、應力圓作用下破壞時的總應力圓試驗表明：試驗表明：三個試樣的周圍壓力三個試樣的周圍壓力 3不同，但破壞時的主應力差相不同，但破壞時的主應力差相等，三個極限應力圓的直徑相等，因而強度包線是一條水平線等，三個極限應力圓的直徑相等，因而強度包線是一條水平線三個試樣只能得到三個試樣只能得到一個有效應力圓一個有效應力圓 （1）不固結不排水剪（）不固結不排水剪（UU）v不同試驗方法的剪切試驗結果不同試驗方法的剪切試驗結果 （1）不不固固結結不不排排水水剪剪的的剪剪切切試試驗驗結結果果將總應力圓在水平軸上左移將總應力圓在水平軸上左移uf得到相應的有效應力得到相應的有效應力圓，按有效應力圓強度包線可確定圓，按有

9、效應力圓強度包線可確定c 、 ccuc cu 飽和粘性土飽和粘性土在三組在三組 3下進行固結不排水剪試驗得到下進行固結不排水剪試驗得到A、B、C三個不同三個不同 3作用下破壞時的總應力圓，由總應力圓強度作用下破壞時的總應力圓，由總應力圓強度包線確定固結不排水剪總應力強度指標包線確定固結不排水剪總應力強度指標ccu、 cuABC（2）固結不排水剪（）固結不排水剪（CU） （2）固固結結不不排排水水剪剪的的剪剪切切試試驗驗結結果果實驗室的實驗室的UU試驗：試驗：在有效固結壓力在有效固結壓力 c c 條件下的條件下的CU強度值。強度值。地基中的正常固結粘土：地基中的正常固結粘土： z z 取回室內(nèi)取

10、回室內(nèi), , 如如 c c z z，不再是正常固結土。不再是正常固結土。 f“正常固結粘土正常固結粘土”UUUU與與CUCU強度指標的相關性強度指標的相關性抗剪強度指標有時失去其物理意義，而變成計算參數(shù)的含義 z z固結壓力為固結壓力為0 0的正常固結粘土（如的正常固結粘土（如地表土地表土）: :亦即其歷史上的最大固結壓力是亦即其歷史上的最大固結壓力是0 0，則室內(nèi)，則室內(nèi)UUUU試驗的試驗的抗剪強度為抗剪強度為0 0，即處于泥漿狀態(tài)。，即處于泥漿狀態(tài)。c=0c=0是否意味著正常固結粘土無粘聚力是否意味著正常固結粘土無粘聚力? ?粘聚力隨粘聚力隨 c c增加而增加增加而增加 cu p1cu1p

11、2cu2p3cu3正常固結粘土層正常固結粘土層固結不排水試驗強度包線固結不排水試驗強度包線( (破壞主應力破壞主應力線線) )上的每一點對應于一個具有相同先上的每一點對應于一個具有相同先期固結壓力的不排水強度指標，數(shù)值上期固結壓力的不排水強度指標，數(shù)值上等于相應莫爾圓的半徑等于相應莫爾圓的半徑 cu在整個排水剪試驗過程中，在整個排水剪試驗過程中， uf 0，總應力全部轉(zhuǎn)化為有，總應力全部轉(zhuǎn)化為有效應力，所以總應力圓即是有效應力圓，總應力強度線即效應力，所以總應力圓即是有效應力圓，總應力強度線即是有效應力強度線。強度指標為是有效應力強度線。強度指標為cd、 d cd d（3）固結排水剪（）固結排

12、水剪（CD） （3）固固結結排排水水剪剪的的剪剪切切試試驗驗結結果果四、工程中抗剪強度指標選用四、工程中抗剪強度指標選用 名稱名稱指標指標地基穩(wěn)定性地基穩(wěn)定性壩體穩(wěn)定性壩體穩(wěn)定性不排水剪不排水剪(快剪快剪)cu、 ucq、 q軟土地基上軟土地基上快速施工快速施工土壩快速施工，土壩快速施工，心墻未固結心墻未固結固結不排水固結不排水剪剪(固結快剪固結快剪)ccu、 cuccq、 cq固結完成后固結完成后受突然荷載受突然荷載水位驟降水位驟降固結排水剪固結排水剪(慢剪慢剪)cd、 dcs、 s地基透水性強地基透水性強施工較慢施工較慢穩(wěn)定滲流期穩(wěn)定滲流期或正常運行期或正常運行期 不固結不排水剪（快剪）不

13、固結不排水剪（快剪） cu、 u（cq、 q）粘土地基上快速粘土地基上快速施工建筑物施工建筑物軟土地基上快速填方軟土地基上快速填方土壩快速施工，心墻未固結土壩快速施工，心墻未固結 固結不排水剪（固結快剪）固結不排水剪（固結快剪） ccu、 cu（ccq、 cq）水位驟降水位驟降在在1層固結后，施工層固結后，施工2層層12粘土地基預壓固結后，粘土地基預壓固結后，快速施工建筑物快速施工建筑物 固結排水剪（慢剪）固結排水剪（慢剪） ccd、 cd（cs、 s）粘土地基上慢速粘土地基上慢速施工建筑物施工建筑物粘土地基上分層慢粘土地基上分層慢速填方速填方穩(wěn)定滲流期的土壩穩(wěn)定滲流期的土壩pq O f 線線

14、Kf線線以固結排水三軸試驗為例以固結排水三軸試驗為例五、強度包線與破壞主應力線五、強度包線與破壞主應力線強度包線強度包線 f ：在在 坐標系中坐標系中所有破壞狀態(tài)莫爾圓的公切線所有破壞狀態(tài)莫爾圓的公切線破壞主應力線破壞主應力線 Kf在在p q 坐標系中所有處于極限平衡應力狀態(tài)對應點的集合坐標系中所有處于極限平衡應力狀態(tài)對應點的集合Opq O c a f線線Kf線線OARtanRO Apq O c a f線線Kf線線OARsinRO AtansintancOOtanaOOcosac 1 ( ) p(p)quKfKf f fuu總應力強度破壞線與有效應力強度破壞線總應力強度破壞線與有效應力強度破壞

15、線以正常固結土（或松砂）以正常固結土（或松砂）CU試驗為例試驗為例五、有效固結應力法五、有效固結應力法有效應力法局限性有效應力法局限性 n (有效法向應力有效法向應力) 原位應力tantannfnf兩種試驗得到相同的兩種試驗得到相同的K f線線K f線上，線上，p f qf ef間存在唯間存在唯一性關系一性關系 A點：點： ef=ef和試驗的類型及應力路徑和試驗的類型及應力路徑等無關等無關ef p f - qf 唯一性關系唯一性關系 粘土的粘土的p f qf ef唯一性關系唯一性關系p OqK f線線固結排水試驗固結排水試驗固結不排水試驗固結不排水試驗ef=efAe0=efpctanfcunf

16、1313sincuf總應力法（總應力法（固結不排水強度為例固結不排水強度為例）p(p )Oqcu f 3 = 3 1452cu45cucufcsin1sin2/tan3313有效固結應力法有效固結應力法cucucucsin1cossintanp(p)Oqcu f 3 = 3c 1cp(p)Oqcu f 3 = 3c 1cqpCBKfKf A六六 軟粘土在荷載作用下的強度增長軟粘土在荷載作用下的強度增長飽和軟粘土地基在外荷載作用下，隨著孔隙水壓力的消散以及土層的固結，土的抗剪強度也將會隨之增長。 CU應力路徑3(1 -3)/2 f11Ksincoscos1ffsin1sincossin1sincos111tfUKsin1sincos1tfU利用有效應力強度指標估算利用有效應力強度指標估算 利用固結不排水剪總應力強度指標估算利用固結不排水剪總應力強度指標估算 45p(p)Oqcu f 3 = 3 1c破壞面方向破壞面方向cccucucftansin1sin33