第五章土的抗剪強(qiáng)度PPT課件

1、2021年11月17日第五章 土的抗剪強(qiáng)度5-2 5-2 強(qiáng)度概念與莫爾強(qiáng)度概念與莫爾庫(kù)侖理論庫(kù)侖理論一、固體間的摩擦力 固體間的摩擦力直接取決于接觸面上的法向力和接觸材料的摩擦角。0tgWTf第1頁(yè)/共71頁(yè)2021年11月17日第五章 土的抗剪強(qiáng)度5-2 5-2 強(qiáng)度概念與莫爾強(qiáng)度概念與莫爾庫(kù)侖理論庫(kù)侖理論一、固體間的摩擦力 合力傾角afafaf，摩擦力全部動(dòng)用，產(chǎn)生滑動(dòng) 滑動(dòng)準(zhǔn)則是水平推力等于豎向反力所能提供的摩擦力。即合力的傾角等于外摩擦角。第2頁(yè)/共71頁(yè)2021年11月17日第五章 土的抗剪強(qiáng)度二、莫爾應(yīng)力圓 土體內(nèi)部的滑動(dòng)可沿任何一個(gè)面發(fā)生土體內(nèi)部的滑動(dòng)可沿任何一個(gè)面發(fā)生，只要該

2、面上的剪應(yīng)力達(dá)到其抗剪強(qiáng)度。 研究土體內(nèi)任一微小單元體的應(yīng)力狀態(tài)。1、主應(yīng)力與主應(yīng)力面2、主應(yīng)力相互正交3、任意一面上：正應(yīng)力和剪應(yīng)力一點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)的表示方法：？ 第3頁(yè)/共71頁(yè)2021年11月17日第五章 土的抗剪強(qiáng)度在坐標(biāo)平面內(nèi)，土單元體的應(yīng)力狀態(tài)的軌跡是一個(gè)圓，圓心落在軸上，與坐標(biāo)原點(diǎn)的距離為(1+ 2)/2,半徑為(1- 2)/2, 該圓就稱為莫爾應(yīng)力圓。2cos2231312sin2312cos223131231223122與大主應(yīng)力1面 成 角的面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力 可表示為：第4頁(yè)/共71頁(yè)2021年11月17日第五章 土的抗剪強(qiáng)度二、莫爾應(yīng)力圓 可以證明：圖中D點(diǎn)對(duì)應(yīng)的正應(yīng)力和

3、剪應(yīng)力剛好等于 面上等于正應(yīng)力和剪應(yīng)力。 莫爾應(yīng)力圓圓周上的任意點(diǎn)，都代表著單元土體中相應(yīng)面上的應(yīng)力狀態(tài)。31第5頁(yè)/共71頁(yè)2021年11月17日第五章 土的抗剪強(qiáng)度三、莫爾庫(kù)侖破壞準(zhǔn)則（一）土的抗剪強(qiáng)度規(guī)律庫(kù)侖抗剪強(qiáng)度（總應(yīng)力）表達(dá)式： 對(duì)于砂土 f=tg 對(duì)于粘性土 f=c+tgc、 為土體總應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)；庫(kù)侖抗剪強(qiáng)度（有效應(yīng)力）表達(dá)式： 對(duì)于砂土 f=tg 對(duì)于粘性土 f=c+tgc 、 為土體有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)； 對(duì)粘性土，抗剪強(qiáng)度由凝聚分量和摩擦分量?jī)刹糠纸M成。 對(duì)于一般的土滿足： f 破壞第6頁(yè)/共71頁(yè)2021年11月17日第五章 土的抗剪強(qiáng)度（二）土的極限平衡條件 把=f 時(shí)的

4、極限平衡狀態(tài)作為土的破壞準(zhǔn)則：土體中某點(diǎn)任意面上剪應(yīng)力滿足該式，該點(diǎn)破壞。 為了得到極限平衡條件表達(dá)式，可以把莫爾應(yīng)力圓與庫(kù)侖抗剪強(qiáng)度定律互相結(jié)合起來(lái)，通過(guò)兩者之間的對(duì)照來(lái)對(duì)土所處的狀態(tài)進(jìn)行判別。 把莫爾應(yīng)力圓與庫(kù)侖抗剪強(qiáng)度線相切時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)（破壞狀態(tài)）稱為莫爾庫(kù)侖破壞準(zhǔn)則，它是目前判別土體(土體單元)所處狀態(tài)的最常用或最基本的準(zhǔn)則。第7頁(yè)/共71頁(yè)2021年11月17日第五章 土的抗剪強(qiáng)度（二）土的極限平衡條件 根據(jù)這一準(zhǔn)則，當(dāng)土處于極限平衡狀態(tài)即應(yīng)理解為破壞狀態(tài)，此時(shí)的莫爾應(yīng)力圓即稱為極限應(yīng)力圓或破壞應(yīng)力圓，相應(yīng)的一對(duì)平面即稱為剪切破壞面（簡(jiǎn)稱剪破面）。第8頁(yè)/共71頁(yè)2021年11月17

5、日第五章 土的抗剪強(qiáng)度 下面將根據(jù)莫爾庫(kù)侖破壞準(zhǔn)則來(lái)研究某一土體單元處于極限平衡狀態(tài)時(shí)的應(yīng)力條件及其大、小主應(yīng)力之間的關(guān)系，該關(guān)系稱為土的極限平衡條件。 根據(jù)莫爾庫(kù)侖破壞準(zhǔn)則，當(dāng)單元土體達(dá)到極限平衡狀態(tài)時(shí)，莫爾應(yīng)力圓恰好與庫(kù)侖抗剪強(qiáng)度線相切。第9頁(yè)/共71頁(yè)2021年11月17日第五章 土的抗剪強(qiáng)度根據(jù)圖中的幾何關(guān)系并經(jīng)過(guò)三角公式的變換，可得 上式即為土的極限平衡條件。當(dāng)土的強(qiáng)度指標(biāo)c， 為已知，若土中某點(diǎn)的大小主應(yīng)力1和3滿足上列關(guān)系式時(shí)，則該土體正好處于極限平衡或破壞狀態(tài)。cot22sin3131c第10頁(yè)/共71頁(yè)2021年11月17日第五章 土的抗剪強(qiáng)度上式也可適用于有效應(yīng)力，相應(yīng)c，

6、應(yīng)該用c，。)245(2)245(2f 1f3tgctg)245(2)245(2f3f 1tgctg第11頁(yè)/共71頁(yè)2021年11月17日第五章 土的抗剪強(qiáng)度 從圖中還可以看出，按照莫爾庫(kù)侖破壞準(zhǔn)則，當(dāng)土處于極限平衡狀態(tài)時(shí)，其極限應(yīng)力圓與抗剪強(qiáng)度線相切與D點(diǎn)，這說(shuō)明此時(shí)土體中已出現(xiàn)了一對(duì)剪破面。 剪破面與大主應(yīng)力面的夾角f 稱為破壞角，從圖中的幾何關(guān)系可得到理論剪破角為： f=45+/2 注意：給定大主應(yīng)力時(shí)，小主應(yīng)力越小，越接近破壞； 給定小主應(yīng)力時(shí)，大主應(yīng)力越大，越接近破壞；第12頁(yè)/共71頁(yè)2021年11月17日第五章 土的抗剪強(qiáng)度第13頁(yè)/共71頁(yè)2021年11月17日第五章 土的抗

7、剪強(qiáng)度分別求出剪破面上的法向應(yīng)力和剪應(yīng)力為則相應(yīng)面上的抗剪強(qiáng)度f(wàn)為由于 f，說(shuō)明該單元體早已破壞?！纠}】已知某土體單元的大主應(yīng)力1480kPa，小主應(yīng)力3210kPa。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c=20kPa，18，問(wèn)該單元土體處于什么狀態(tài)？【解】已知1480kPa，3210kPa ，c=20kPa， 18（1）直接用與f的關(guān)系來(lái)判別第14頁(yè)/共71頁(yè)2021年11月17日第五章 土的抗剪強(qiáng)度（2）利用極限平衡條件公式來(lái)判別設(shè)達(dá)到極限平衡條件所需要的小主應(yīng)力值為3f，此時(shí)把實(shí)際存在的大主應(yīng)力3 = 480kPa及強(qiáng)度指標(biāo)c，代入公式計(jì)算，則得由計(jì)算結(jié)果表明， 33f , 所以該單元土體早已

8、破壞。第15頁(yè)/共71頁(yè)2021年11月17日第五章 土的抗剪強(qiáng)度計(jì)算達(dá)到極限平衡條件時(shí)所需要得大主應(yīng)力值為1f，此時(shí)把實(shí)際存在的大主應(yīng)力3 =480kPa及強(qiáng)度指標(biāo)c，代入公式計(jì)算，則得由計(jì)算結(jié)果表明， 1 1f ，所以該單元土體早已破壞。第16頁(yè)/共71頁(yè)2021年11月17日第五章 土的抗剪強(qiáng)度5-35-3土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)-確定強(qiáng)度指標(biāo)的試驗(yàn)確定強(qiáng)度指標(biāo)的試驗(yàn) 測(cè)定土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的試驗(yàn)稱為剪切試驗(yàn)。 剪切試驗(yàn)可以在試驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，也可在現(xiàn)場(chǎng)原位條件下進(jìn)行。 按常用的試驗(yàn)儀器可將剪切試驗(yàn)分為直接剪切試驗(yàn)、三軸壓縮試驗(yàn)、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和十字板剪切試驗(yàn)四種。第17頁(yè)/共71頁(yè)

9、2021年11月17日第五章 土的抗剪強(qiáng)度5-35-3土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)一、直接剪切試驗(yàn) 用直接剪切儀（簡(jiǎn)稱直剪儀）來(lái)測(cè)定土的抗剪強(qiáng)度的試驗(yàn)稱為直接剪切試驗(yàn)。 直接剪切試驗(yàn)是測(cè)定預(yù)定剪破面上抗剪強(qiáng)度的最簡(jiǎn)便和最常用的方法。直剪儀分應(yīng)變控制式和應(yīng)力控制式兩種，前者以等應(yīng)變速率使試樣產(chǎn)生剪切位移直至剪破，后者是分級(jí)施加水平剪應(yīng)力并測(cè)定相應(yīng)的剪切位移。目前我國(guó)使用較多的是應(yīng)變控制式直剪儀。第18頁(yè)/共71頁(yè)2021年11月17日第五章 土的抗剪強(qiáng)度 為了考慮固結(jié)程度和排水條件對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響，根據(jù)加荷速率的快慢將直剪試驗(yàn)劃分為快剪、固結(jié)快剪和慢剪三種試驗(yàn)類型。第19頁(yè)/共71頁(yè)2021

10、年11月17日第五章 土的抗剪強(qiáng)度（一）快剪（Q） 土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定抗剪試驗(yàn)適用于滲透系數(shù)小于106cm / s的細(xì)粒土，試驗(yàn)時(shí)在試樣上施加垂直壓力后，拔去固定銷(xiāo)釘，立即以0.8mm/min的剪切速度進(jìn)行剪切，使試樣在3min5min內(nèi)剪破。試樣每產(chǎn)生剪切位移0.2mm0.4mm測(cè)記測(cè)力計(jì)和位移讀數(shù)，直至測(cè)力計(jì)讀數(shù)出現(xiàn)峰值，或繼續(xù)剪切至剪切位移為4mm時(shí)停機(jī)，記下破壞值；當(dāng)剪切過(guò)程中測(cè)力計(jì)讀數(shù)無(wú)峰值時(shí)，應(yīng)剪切至剪切位移為6mm時(shí)停機(jī)，該試驗(yàn)所得的強(qiáng)度稱為快剪強(qiáng)度，相應(yīng)的指標(biāo)稱為快剪強(qiáng)度指標(biāo)，以cQ，Q表示。（二）固結(jié)快剪（R） 固結(jié)快剪試驗(yàn)也適用于滲透系數(shù)小于106cm/s的細(xì)粒土。試驗(yàn)時(shí)

11、對(duì)試樣施加垂直壓力后，每小時(shí)測(cè)讀垂直變形一次，直至變形穩(wěn)定。變形穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為變形量每小時(shí)不大于0.005mm，在拔去固定銷(xiāo)，剪切過(guò)程同快剪試驗(yàn)。所得強(qiáng)度稱為固結(jié)快剪強(qiáng)度，相應(yīng)指標(biāo)稱為固結(jié)快剪強(qiáng)度指標(biāo)，以CR，R表示。第20頁(yè)/共71頁(yè)2021年11月17日第五章 土的抗剪強(qiáng)度（三）慢剪（S） 慢剪試驗(yàn)是對(duì)試樣施加垂直壓力后，待固結(jié)穩(wěn)定后，再拔去固定銷(xiāo)，以小于0.02mm/min的剪切速度使試樣在充分排水的條件下進(jìn)行剪切，這樣得到的強(qiáng)度稱為慢剪強(qiáng)度，其相應(yīng)的指標(biāo)稱為慢剪強(qiáng)度指標(biāo)，以cS，S表示。 上述三種方法的試驗(yàn)結(jié)果如圖510所示。 從圖中可以看出， cQ cR cS ， 而Q R S。第21頁(yè)

12、/共71頁(yè)2021年11月17日第五章 土的抗剪強(qiáng)度 直剪試驗(yàn)的設(shè)備簡(jiǎn)單，試樣的制備和安裝方便，且操作容易掌握，至今仍為工程單位廣泛采用。 缺點(diǎn)：（1）剪破面固定；（2）排水條件不易控制；（3）應(yīng)力分布不均。第22頁(yè)/共71頁(yè)2021年11月17日第五章 土的抗剪強(qiáng)度二、三軸壓縮試驗(yàn) 三軸壓縮試驗(yàn)直接量測(cè)的是試樣在不同恒定周?chē)鷫毫ο碌目箟簭?qiáng)度，然后利用莫爾庫(kù)侖準(zhǔn)則間接推求土的抗剪強(qiáng)度。 3 1 第23頁(yè)/共71頁(yè)2021年11月17日第五章 土的抗剪強(qiáng)度二、三軸壓縮試驗(yàn) 三軸是指一個(gè)豎向和兩個(gè)側(cè)向而言，由于壓力室和試樣均為圓柱形，因此，兩個(gè)側(cè)向（或稱周?chē)┑膽?yīng)力相等并為小主應(yīng)力3 ，而豎向（或

13、軸向）的應(yīng)力為大主應(yīng)力1。在增加1時(shí)保持3 不變，這樣條件下的試驗(yàn)稱為常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)。三軸壓縮儀主要由壓力室、加壓系統(tǒng)和量測(cè)系統(tǒng)三大部分組成。第24頁(yè)/共71頁(yè)2021年11月17日第五章 土的抗剪強(qiáng)度三軸試驗(yàn)根據(jù)試樣的固結(jié)和排水條件不同，可分為不固結(jié)不排水剪（UU）、固結(jié)不排水剪（CU)和固結(jié)排水剪（CD)三種方法。分別對(duì)應(yīng)于直剪試驗(yàn)的快剪、固結(jié)快剪和慢剪試驗(yàn)。 c c 3 3131q3 不固結(jié)或固結(jié)是對(duì)周?chē)鷫毫υ隽慷缘牟慌潘蚺潘菍?duì)附加軸向壓力而言的。第25頁(yè)/共71頁(yè)2021年11月17日第五章 土的抗剪強(qiáng)度三軸試驗(yàn)步驟： 在進(jìn)行不同方法的三軸試驗(yàn)時(shí)，都要先使試樣在周?chē)鷫毫下固結(jié)

14、穩(wěn)定。 若進(jìn)行不固結(jié)不排水剪試驗(yàn)，則在不排水條件下施加周?chē)鷫毫υ隽?，然后在不允許有水進(jìn)出的條件下，逐漸施加附加軸向壓力q，直至試樣剪破。因此，試驗(yàn)中徑向應(yīng)力3等于（c+ 3 ），軸向應(yīng)力1等于（3+q ）。 若進(jìn)行固結(jié)不排水剪試驗(yàn)，要允許試樣在周?chē)鷫毫υ隽?下排水，待固結(jié)穩(wěn)定后，再在不允許有水進(jìn)出的條件下，逐漸施加附加軸向壓力q，直至試樣剪破。 固結(jié)排水剪試驗(yàn)同樣在周?chē)鷫毫υ隽?下排水，待固結(jié)穩(wěn)定后，在允許有水進(jìn)出的條件下以極慢的速率對(duì)試樣逐漸施加附加軸向壓力q，直至試樣剪破?？梢钥闯?，這里所說(shuō)的不固結(jié)或固結(jié)是對(duì)周?chē)鷫毫υ隽慷缘?，不排水或排水是?duì)附加軸向壓力而言的。第26頁(yè)/共71頁(yè)202

15、1年11月17日第五章 土的抗剪強(qiáng)度三、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn) 三軸壓縮試驗(yàn)中當(dāng)周?chē)鷫毫? 0時(shí)即為無(wú)側(cè)限試驗(yàn)條件，這時(shí)只有q= 1。所以，也可稱為單軸壓縮試驗(yàn)。由于試樣的側(cè)向壓力為零，在側(cè)向受壓時(shí)，其側(cè)向變形不受限制，故又稱為無(wú)側(cè)限壓縮試驗(yàn)。同時(shí)，又由于試樣是在軸向壓縮的條件下破壞的，因此，把這種情況下土所能承受的最大軸向壓力稱為無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度以qu表示。 試驗(yàn)時(shí)仍用圓柱狀試樣，可在專門(mén)的無(wú)側(cè)限儀上進(jìn)行，也可在三軸儀上進(jìn)行。第27頁(yè)/共71頁(yè)2021年11月17日第五章 土的抗剪強(qiáng)度三、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn) 在施加軸向壓力的過(guò)程中，相應(yīng)地量測(cè)試樣的軸向壓縮變形，并繪制軸向壓力q與軸向應(yīng)變的關(guān)系曲線

16、。當(dāng)軸向壓力與軸向應(yīng)變的關(guān)系曲線出現(xiàn)明顯的峰值時(shí)，則以峰值處的最大軸向壓力作為土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu；當(dāng)軸向壓力與軸向應(yīng)變的關(guān)系曲線不出現(xiàn)峰值時(shí)，則取軸向應(yīng)變20處的軸向壓力作為土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu。求得土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu后，即可繪出極限應(yīng)力圓。2qcuf第28頁(yè)/共71頁(yè)2021年11月17日第五章 土的抗剪強(qiáng)度四、原位十字板剪切試驗(yàn) 十字板剪切試驗(yàn)是一種利用十字板剪切儀在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定土的抗剪強(qiáng)度的方法。這種試驗(yàn)方法適合于在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定飽和粘性土的原位不排水強(qiáng)度，特別適用于均勻的飽和粘性土。第29頁(yè)/共71頁(yè)2021年11月17日第五章 土的抗剪強(qiáng)度 十字板剪切試驗(yàn)可在現(xiàn)場(chǎng)鉆孔內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)時(shí)，

17、先將十字板插到要進(jìn)行試驗(yàn)的深度，再在十字板剪切儀上端的加力架上以一定的轉(zhuǎn)速對(duì)其施加扭力矩，使板內(nèi)的土體與其周?chē)馏w產(chǎn)生相對(duì)扭剪，直至剪破，測(cè)出其相應(yīng)的最大扭力矩。然后，根據(jù)力矩的平衡條件，推算出圓柱形剪破面上土的抗剪強(qiáng)度。第30頁(yè)/共71頁(yè)2021年11月17日第五章 土的抗剪強(qiáng)度假定： (1) 剪破面為圓柱面；(2) 抗剪強(qiáng)度均勻；21maxMMM21DDHMf32222202DDrrdrMfDf3222maxDDDDHMff)3(22maxDHDMf在飽和粘土不固結(jié)不排水剪試驗(yàn)中，u0， fcu.其中第31頁(yè)/共71頁(yè)2021年11月17日第五章 土的抗剪強(qiáng)度5-4 5-4 三軸壓縮試驗(yàn)中

18、的孔隙應(yīng)力系數(shù)三軸壓縮試驗(yàn)中的孔隙應(yīng)力系數(shù) 在常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)中，試樣先承受周?chē)鷫毫固結(jié)穩(wěn)定，以模擬試樣的原位應(yīng)力狀態(tài)。這時(shí)，超孔隙水應(yīng)力uo為零。在試驗(yàn)中分兩個(gè)階段來(lái)加荷，先使試樣承受周?chē)鷫毫υ隽?，然后在周?chē)鷫毫Σ蛔兊臈l件下施加大、小主應(yīng)力之差（1 3)(即附加軸向壓力q）。若試驗(yàn)是在不排水條件下進(jìn)行，則3和（1 3)的施加必將分別引起超孔隙水應(yīng)力增量u1和u2。 超孔隙水應(yīng)力的總增量為u=u1+u2 ， 總的超孔隙水應(yīng)力為 u=u0+ u u第32頁(yè)/共71頁(yè)2021年11月17日第五章 土的抗剪強(qiáng)度( (一）孔隙應(yīng)力系數(shù)B 當(dāng)試樣在不排水條件下受到各向相等壓力增量3時(shí)，產(chǎn)生的孔隙應(yīng)力

19、增量為u1，將u1與3之比定義為孔隙應(yīng)力系數(shù)B，即 B u1/3 式中B是在各向施加相等壓力條件下的孔隙應(yīng)力系數(shù)。它是反映土體在各向相等壓力作用下孔隙應(yīng)力變化情況指標(biāo)，也是反映土體飽和程度的指標(biāo)。 在飽和土的不固結(jié)不排水剪試驗(yàn)中，周?chē)鷫毫υ隽繉⑼耆煽紫端袚?dān)，所以B1；當(dāng)土完全干燥時(shí)，孔隙氣的壓縮性要比骨架的壓縮性高的多，這時(shí)周?chē)鷫毫υ隽繉⑼耆赏凉羌艹袚?dān)，于是B0。 在非飽和土中，孔隙中流體的壓縮性與土骨架的壓縮性為同一量級(jí)，B介于0與1之間。飽和度越大，B越接近1。第33頁(yè)/共71頁(yè)2021年11月17日第五章 土的抗剪強(qiáng)度（二）孔隙應(yīng)力系數(shù)A 當(dāng)試樣受到軸向應(yīng)力增量q(即主應(yīng)力差13）

20、作用時(shí)，產(chǎn)生的孔隙水應(yīng)力為u2， u2的大小與主應(yīng)力差13及土樣的飽和程度有關(guān)，我們定義另一孔壓系數(shù)A如下： u2=BA（ 13 ） 式中A是在偏應(yīng)力條件下的孔隙應(yīng)力系數(shù)，其數(shù)值與土的種類、應(yīng)力歷史等有關(guān)。上式也可寫(xiě)成：式中： 是綜合反映主應(yīng)力差（13）作用下孔隙應(yīng)力變化情況的一個(gè)指標(biāo)。 u2=A(13 )A第34頁(yè)/共71頁(yè)2021年11月17日第五章 土的抗剪強(qiáng)度三向壓縮條件下的孔隙應(yīng)力為： u= u1+ u2=B3 + BA（ 13 ）上式還可改寫(xiě)成或式中： 也是一個(gè)孔隙應(yīng)力系數(shù)，它表示在一定周?chē)鷳?yīng)力增量作用下，由主應(yīng)力增量1所引起的孔隙應(yīng)力變化的一個(gè)參數(shù)。這一參數(shù)可在三軸壓縮試驗(yàn)中模擬

21、土的實(shí)際受力狀態(tài)來(lái)測(cè)定。在堤壩穩(wěn)定分析中，可用來(lái)估算堤壩的初始孔隙應(yīng)力。B第35頁(yè)/共71頁(yè)2021年11月17日第五章 土的抗剪強(qiáng)度歸納起來(lái)，有：飽和土B=1： u1=B3 = 3 u2=BA（ 13 ）=A（ 13 ）飽和土不固結(jié)不排水試驗(yàn)中： u= u1+ u2=B3 + BA（ 13 ）飽和土固結(jié)不排水試驗(yàn)中： u= u2=A（ 13 ）固結(jié)排水試驗(yàn)中： u= 0第36頁(yè)/共71頁(yè)2021年11月17日第五章 土的抗剪強(qiáng)度5-5 5-5 三軸試驗(yàn)中土的剪切性狀三軸試驗(yàn)中土的剪切性狀一、砂性土的剪切性狀（一）砂土的內(nèi)摩擦角 由于砂土的透水性強(qiáng)，它在現(xiàn)場(chǎng)的受剪過(guò)程大多相當(dāng)于固結(jié)排水剪情況，

22、由固結(jié)排水剪試驗(yàn)求得的強(qiáng)度包線一般為通過(guò)坐標(biāo)于原點(diǎn)的直線，可表達(dá)為 f f=tg=tgd d 式中：d固結(jié)排水剪求得的內(nèi)摩擦角。 砂土抗剪強(qiáng)度受密度、顆粒形狀、表面粗糙度和級(jí)配、飽和與干燥等影響 。第37頁(yè)/共71頁(yè)2021年11月17日第五章 土的抗剪強(qiáng)度5-5 5-5 三軸試驗(yàn)中土的剪切性狀三軸試驗(yàn)中土的剪切性狀一、砂性土的剪切性狀（二）砂土的應(yīng)力軸向應(yīng)變體變 砂土的初始孔隙比不同，在受剪過(guò)程中將顯示出非常不同的性狀。 松砂受剪時(shí)，顆粒滾落到平衡位置，排列得更緊密些，所以它的體積縮小，把這種因剪切而體積縮小的現(xiàn)象稱為剪縮性；反之，緊砂受剪時(shí)，顆粒必須升高以離開(kāi)它們?cè)瓉?lái)的位置而彼此才能相互滑

23、過(guò)，從而導(dǎo)致體積膨脹，把這種因剪切而體積膨脹的現(xiàn)象稱為剪脹性。第38頁(yè)/共71頁(yè)2021年11月17日第五章 土的抗剪強(qiáng)度 然而，緊砂的這種剪脹趨勢(shì)隨著周?chē)鷫毫Φ脑龃?，土粒的破碎而逐漸消失。在高周?chē)鷫毫ο?，不論砂土的松緊如何，受剪都將剪縮。 松砂的應(yīng)力軸向應(yīng)變關(guān)系呈應(yīng)變硬化型，強(qiáng)度逐漸增大，它的體積則逐漸減小。 緊砂的強(qiáng)度達(dá)一定值后，隨著軸向應(yīng)變的繼續(xù)增加強(qiáng)度反而減小，應(yīng)力軸向應(yīng)變關(guān)系最后呈隨應(yīng)變軟化型，它的體積開(kāi)始時(shí)稍有減小，繼而增加，超過(guò)了它的初始體積。第39頁(yè)/共71頁(yè)2021年11月17日第五章 土的抗剪強(qiáng)度 既然砂土在低周?chē)鷫毫ο掠捎诔跏伎紫侗鹊牟煌?，剪破時(shí)的體積可能小于初始體積，也

24、可能大于初始體積，那么，可以想象，砂土在某一初始孔隙比下受剪，它剪破時(shí)的體積將等于其初始體積，這一初始孔隙比稱為臨界孔隙比。砂土的初始孔隙比將隨周?chē)鷫毫Φ脑黾佣鴾p小。第40頁(yè)/共71頁(yè)2021年11月17日第五章 土的抗剪強(qiáng)度（三）砂土的殘余強(qiáng)度 同一種砂土在相同的周?chē)鷫毫ψ饔孟?，由于其初始孔隙比不同在剪切過(guò)程中將出現(xiàn)不同的應(yīng)力應(yīng)變特征。松砂的應(yīng)力應(yīng)變曲線沒(méi)有一個(gè)明顯的峰值，剪應(yīng)力隨著剪應(yīng)變的增加而增大，最后趨于某一恒定值；緊砂的應(yīng)力應(yīng)變曲線有一個(gè)明顯的峰值，過(guò)此峰值以后剪應(yīng)力便隨剪應(yīng)變的的增加而降低，最后趨于松砂相同的恒定值，如圖所示。 這一恒定的強(qiáng)度通常稱為殘余強(qiáng)度或最終強(qiáng)度，以f表示。第

25、41頁(yè)/共71頁(yè)2021年11月17日第五章 土的抗剪強(qiáng)度（四）砂土的液化 液化被定義為任何物質(zhì)轉(zhuǎn)化為液體的行為或過(guò)程。對(duì)于飽和疏松的粉細(xì)砂，當(dāng)受到突發(fā)的動(dòng)力荷載時(shí)，例如地震荷載，一方面由于動(dòng)剪應(yīng)力的作用有使體積縮小的趨勢(shì)，另一方面由于時(shí)間短來(lái)不及向外排水，因此就產(chǎn)生了很大的孔隙水應(yīng)力。按有效應(yīng)力原理，無(wú)粘性土的抗剪強(qiáng)度應(yīng)表達(dá)為第42頁(yè)/共71頁(yè)2021年11月17日第五章 土的抗剪強(qiáng)度二、粘性土的剪切性狀 分正常固結(jié)試樣與超固結(jié)試樣。 （一）正常固結(jié)粘土1、不固結(jié)不排水強(qiáng)度（UU）在飽和土的不固結(jié)不排水剪試驗(yàn)中，總強(qiáng)度包線為一水平線。所以 ，0u231ffufc第43頁(yè)/共71頁(yè)2021年1

26、1月17日第五章 土的抗剪強(qiáng)度如果使試樣在另一個(gè)較高的剪前固結(jié)壓力 下固結(jié)穩(wěn)定后進(jìn)行一組不固結(jié)不排水試驗(yàn)，那么，由于固結(jié)壓力增大，試樣的剪前孔隙比將減少，試樣的不排水強(qiáng)度 將增大。 與 通常呈線性關(guān)系，即 ，其中 為比例系數(shù)。如圖（a）、（b）所示。cucucccuctg（一）正常固結(jié)粘土1、不固結(jié)不排水強(qiáng)度（UU）第44頁(yè)/共71頁(yè)2021年11月17日第五章 土的抗剪強(qiáng)度2、固結(jié)不排水強(qiáng)度（CU）固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)的過(guò)程如圖所示。正常固結(jié)土的CU試驗(yàn)總強(qiáng)度線是如圖所示一條通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)的直線，傾角為 ， 。其抗剪強(qiáng)度可表示為cu0cuccuftg第45頁(yè)/共71頁(yè)2021年11月17日第五章

27、 土的抗剪強(qiáng)度若在固結(jié)不排水剪試驗(yàn)中量測(cè)孔隙水應(yīng)力，則結(jié)果可用有效應(yīng)力整理。從破壞時(shí)的總應(yīng)力中減去 ,可得到相應(yīng)破壞時(shí)的有效大主應(yīng)力 和有效小主應(yīng)力 及破壞應(yīng)力圓，繪出這些破壞應(yīng)力圓的包線，可得有效應(yīng)力強(qiáng)度包線。由于正常固結(jié)土剪破時(shí)的孔隙水應(yīng)力為正值，則剪破時(shí)的有效應(yīng)力圓總在總應(yīng)力圓的左邊。有效應(yīng)力強(qiáng)度包線也是通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)的直線，直線的傾角 大于 ， ，于是用有效應(yīng)力表示的CU試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度為 tgffuf1f3cu0 c第46頁(yè)/共71頁(yè)2021年11月17日第五章 土的抗剪強(qiáng)度3、固結(jié)排水強(qiáng)度（CD)固結(jié)排水剪切試驗(yàn)的過(guò)程如圖所示。 如右圖所示，由于試驗(yàn)過(guò)程中孔隙水應(yīng)力始終保持為零，有效應(yīng)力

28、就等于外加總應(yīng)力，極限總應(yīng)力圓就是極限有效應(yīng)力圓，因而總應(yīng)力強(qiáng)度包線即為有效應(yīng)力強(qiáng)度包線。CD試驗(yàn)中的有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)常用 ， 表示。其強(qiáng)度包線是一條通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)的直線，其傾角為 ， 。于是，CD試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度可表示為dcdd0dcdftg第47頁(yè)/共71頁(yè)2021年11月17日第五章 土的抗剪強(qiáng)度將上述三種三軸壓縮試驗(yàn)的結(jié)果匯總于下圖中。由圖可見(jiàn)，對(duì)于同一種正常固結(jié)的飽和粘土，當(dāng)采用三種不同的試驗(yàn)方法來(lái)測(cè)定其抗剪強(qiáng)度時(shí)，其強(qiáng)度包線是不同的。其中UU試驗(yàn)結(jié)果是一條水平線，CU和CD試驗(yàn)各是一條通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)的直線。 三種方法所得到的強(qiáng)度指標(biāo)間的關(guān)系是 ， 。 試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)用有效應(yīng)力表示試驗(yàn)結(jié)果

29、時(shí)，三種剪切試驗(yàn)將得到基本相同的強(qiáng)度包線及十分接近的有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)，這就意味著同一種土三種試驗(yàn)的試樣將沿著同一平面剪破。0dcuuccc0ucud第48頁(yè)/共71頁(yè)2021年11月17日第五章 土的抗剪強(qiáng)度 實(shí)測(cè)資料表明，f通常約為60，而粘性土的 一般在30左右，實(shí)測(cè)的f角接近于 ，這也是有效應(yīng)力概念下的理論剪破角。 正常固結(jié)土為應(yīng)變硬化型，體變多表現(xiàn)為剪縮。)245(第49頁(yè)/共71頁(yè)2021年11月17日第五章 土的抗剪強(qiáng)度（二）超固結(jié)粘土 超固結(jié)飽和粘性土的試驗(yàn)與正常固結(jié)土的情況完全相同。它們的試驗(yàn)結(jié)果主要不同點(diǎn)在于：對(duì)試樣施加的周?chē)鷫毫闯跏加行Ч探Y(jié)應(yīng)力c小于原位應(yīng)力（或先期固結(jié)應(yīng)

30、力）pc，即c pc，體現(xiàn)試樣剪前為超固結(jié)狀態(tài)。1、不固結(jié)不排水強(qiáng)度（UU試驗(yàn)） 在UU試驗(yàn)中，由于試樣不允許有水進(jìn)入，所以強(qiáng)超固結(jié)土破壞時(shí)的孔隙水應(yīng)力為負(fù)值；弱超固結(jié)土破壞時(shí)的孔隙水應(yīng)力雖仍為正值，但比正常固結(jié)土要小的多,如圖所示。第50頁(yè)/共71頁(yè)2021年11月17日第五章 土的抗剪強(qiáng)度 由于UU試驗(yàn)不允許試樣固結(jié)排水，所以，一組試樣在剪前的有效應(yīng)力和孔隙比均相同。因此，它們具有相同直徑的破壞應(yīng)力圓，其強(qiáng)度包線也是一條水平線，如圖所示。 如果在試驗(yàn)中測(cè)出破壞時(shí)的孔隙水應(yīng)力uf，同樣可以得到一個(gè)與總應(yīng)力圓等直徑的破壞時(shí)的有效應(yīng)力圓，如圖中虛線所示。其中A，B兩圓是強(qiáng)超固結(jié)土的總應(yīng)力圓，破壞

31、時(shí)的孔隙水應(yīng)力為負(fù)值，所以，有效應(yīng)力圓在總應(yīng)力圓的右邊；C圓為弱超固結(jié)土的總應(yīng)力圓，破壞時(shí)的孔隙水應(yīng)力為正值，所以，有效應(yīng)力圓在總應(yīng)力圓的左邊。同一固結(jié)壓力下，有效應(yīng)力圓只有一個(gè)。第51頁(yè)/共71頁(yè)2021年11月17日第五章 土的抗剪強(qiáng)度2、固結(jié)不排水剪強(qiáng)度（CU試驗(yàn)） 超固結(jié)飽和粘土CU試驗(yàn)的方法和過(guò)程也與正常固結(jié)土的情況相同。超固結(jié)飽和粘土試驗(yàn)的抗剪強(qiáng)度可表達(dá)為 tgccuf 如果在試驗(yàn)中，測(cè)出破壞時(shí)的孔隙水應(yīng)力uf，則可得到以有效應(yīng)力表示的破壞有效應(yīng)力圓及其強(qiáng)度包線，如圖中虛線所示。第52頁(yè)/共71頁(yè)2021年11月17日第五章 土的抗剪強(qiáng)度 A圓為強(qiáng)超固結(jié)的，破壞時(shí)的孔隙水應(yīng)力為負(fù)值

32、，有效應(yīng)力圓在總應(yīng)力圓的右側(cè)； B圓為弱超固結(jié)的，破壞時(shí)的孔隙水應(yīng)力為正值，有效應(yīng)力圓在總應(yīng)力圓的左側(cè)。以有效應(yīng)力表示的抗剪強(qiáng)度為 從圖中可看出，CU試驗(yàn)的總應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)與有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)的關(guān)系是： ， 。 tgcfcccucu第53頁(yè)/共71頁(yè)2021年11月17日第五章 土的抗剪強(qiáng)度3、固結(jié)排水剪強(qiáng)度（CD試驗(yàn)） 超固結(jié)飽和粘土CD試驗(yàn)方法和過(guò)程仍與正常固結(jié)土的情況一樣。由于CD試驗(yàn)允許試樣排水固結(jié)，所以，試樣體積在受剪初期稍有縮小，接著產(chǎn)生膨脹，直至試樣體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原始體積。強(qiáng)超固結(jié)飽和粘土CD試驗(yàn)時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變和體變應(yīng)變的典型關(guān)系曲線如圖所示。第54頁(yè)/共71頁(yè)2021年11月17日第五

33、章 土的抗剪強(qiáng)度3、固結(jié)排水剪強(qiáng)度（CD試驗(yàn)） 超固結(jié)飽和粘土CD試驗(yàn)時(shí)的強(qiáng)度變化規(guī)律與CU試驗(yàn)的變化規(guī)律相似。但是，由于在CD試驗(yàn)的整個(gè)過(guò)程中均允許試樣排水固結(jié)，孔隙水應(yīng)力始終為零，所以，剪切面上的總應(yīng)力全部轉(zhuǎn)化為有效應(yīng)力，CD試驗(yàn)的強(qiáng)度包線即為有效應(yīng)力強(qiáng)度包線，如圖所示。其抗剪強(qiáng)度可表示為 ddftgc第55頁(yè)/共71頁(yè)2021年11月17日第五章 土的抗剪強(qiáng)度 將上述三種試驗(yàn)結(jié)果匯總于下圖中，從圖中可以看出，對(duì)于超固結(jié)飽和粘土，當(dāng)采用三種不同的試驗(yàn)方法來(lái)測(cè)定其抗剪強(qiáng)度時(shí)，其強(qiáng)度包線是不同的；其中UU試驗(yàn)是一條水平線，CU和CD試驗(yàn)是一條不通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)的直線（實(shí)際上是微彎的曲線，但實(shí)際上可

34、用直線來(lái)代替）。它們的強(qiáng)度指標(biāo)關(guān)系是cuccu cd， d cu u 0。第56頁(yè)/共71頁(yè)2021年11月17日第五章 土的抗剪強(qiáng)度【例題】某飽和粘土曾受到先期固結(jié)應(yīng)力為800kPa。在固結(jié)不排水試驗(yàn)中測(cè)得的結(jié)果列于表（a）。試求不同超固結(jié)比OCR下，試樣剪破時(shí)的孔隙水應(yīng)力系數(shù)Af值。附圖第57頁(yè)/共71頁(yè)2021年11月17日第五章 土的抗剪強(qiáng)度【解】在固結(jié)不排水剪試驗(yàn)中，孔隙水應(yīng)力僅由主應(yīng)力差產(chǎn)生，于是，按公式剪破時(shí)的孔隙水應(yīng)力系數(shù)Af=u /(1 3)=uf /(13)f，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表(b)所示。第58頁(yè)/共71頁(yè)2021年11月17日第五章 土的抗剪強(qiáng)度（三）粘土的殘余強(qiáng)度 超固結(jié)粘土在剪切試驗(yàn)中有與緊砂相似的應(yīng)力應(yīng)變特征，當(dāng)強(qiáng)度隨著剪位移達(dá)到峰值后，如果剪切繼續(xù)進(jìn)行，隨著剪位移繼續(xù)增大，強(qiáng)度顯著降低，最后穩(wěn)定在某一數(shù)值不變，該不變的值即稱為粘土的殘余強(qiáng)度。正常固結(jié)粘土亦有此現(xiàn)象，只是降低的幅度較超固結(jié)粘土要小些。由下圖可見(jiàn)：1、粘土的殘余強(qiáng)度與它的應(yīng)力歷史無(wú)關(guān)；2、在大剪位移下超固結(jié)粘土的強(qiáng)度降低比正常固結(jié)粘土的大；第59頁(yè)/共71頁(yè)2021年11月17日第五章 土的抗剪強(qiáng)度3、殘余強(qiáng)度線為通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)的直線，即 r=tgr式中： r粘土的殘余強(qiáng)度； 剪破面上的法向應(yīng)力； r殘余內(nèi)摩擦角。必須指出，在大位移下粘土強(qiáng)度降低的機(jī)理與緊砂不同。緊砂是由于土粒間咬合作用