土的抗剪強(qiáng)度-同濟(jì)

1、第五章第五章 土的抗剪強(qiáng)度土的抗剪強(qiáng)度一、概述土的抗剪強(qiáng)度：土的抗剪強(qiáng)度：是指土體對(duì)于外荷載所產(chǎn)生的剪應(yīng)力的極是指土體對(duì)于外荷載所產(chǎn)生的剪應(yīng)力的極 限抵抗能力。限抵抗能力。土體強(qiáng)度破壞的機(jī)理：土體強(qiáng)度破壞的機(jī)理： 在外荷載引起的剪應(yīng)力或剪應(yīng)變超在外荷載引起的剪應(yīng)力或剪應(yīng)變超過土體的抗剪強(qiáng)度，導(dǎo)致土體沿著剪應(yīng)過土體的抗剪強(qiáng)度，導(dǎo)致土體沿著剪應(yīng)力作用方向產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)力作用方向產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)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(dòng)破壞面工程中土的破壞形式主要表現(xiàn)為滑動(dòng)破壞面剪切破壞剪切破壞二、土的抗剪強(qiáng)度與極限平衡

2、條件v1. 庫(kù)侖定律庫(kù)侖定律tanfcftan抗剪強(qiáng)度指標(biāo)：抗剪強(qiáng)度指標(biāo)： 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(yīng)力法：總應(yīng)力法：tan)(tanfucctanf c抗剪強(qiáng)度的兩種表達(dá)方法抗剪強(qiáng)度的兩種表達(dá)方法: 抗抗剪剪強(qiáng)強(qiáng)度度的的第第二二種種表表達(dá)達(dá)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(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)稱為有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo).有效應(yīng)力法：有效應(yīng)力法：法向應(yīng)力采用總應(yīng)力法向應(yīng)力采用總應(yīng)力 表示的抗剪強(qiáng)度表示的抗剪強(qiáng)度.當(dāng)法向應(yīng)力采用有效應(yīng)力當(dāng)法向應(yīng)力采用有效應(yīng)力 表示時(shí)，則稱為抗表示時(shí)，

3、則稱為抗剪強(qiáng)度的。剪強(qiáng)度的。三、三、 土的剪切試驗(yàn)方法土的剪切試驗(yàn)方法 v1. 直接剪切試驗(yàn)直接剪切試驗(yàn)試驗(yàn)儀器：試驗(yàn)儀器：直剪儀（應(yīng)力控制式，應(yīng)變控制式）直剪儀（應(yīng)力控制式，應(yīng)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(yīng)力壓力為剪破面上的法向應(yīng)力 ，剪應(yīng)力為剪切力剪應(yīng)力為剪切力T除以試樣面積除以試樣面積A在法向應(yīng)力在法向應(yīng)力 作用下，剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線，作用下，剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)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(qiáng)度土的抗剪強(qiáng)度APATf6m

4、m a b 剪切位移剪切位移l (0.01mm) 剪應(yīng)力剪應(yīng)力 （kPa) 1 2 直直剪剪試試驗(yàn)驗(yàn)原原理理直剪試驗(yàn)原理直剪試驗(yàn)原理 直剪試驗(yàn)方法分類直剪試驗(yàn)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(yīng)力后施加正應(yīng)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(jié)快剪固結(jié)快剪施加正應(yīng)力施加正應(yīng)力-充分固結(jié)充分固結(jié)在在3-5分鐘內(nèi)剪切破壞分鐘內(nèi)剪切破壞3. 固結(jié)慢剪固結(jié)慢剪施加正應(yīng)力施加正應(yīng)力-充分固結(jié)充分固結(jié)慢慢施加剪應(yīng)力慢慢施加剪應(yīng)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(yàn)三軸壓縮試驗(yàn)v儀器設(shè)備：壓力室，加壓系統(tǒng)，量測(cè)系統(tǒng)等組成。儀器設(shè)備：壓力室，加壓系統(tǒng)，量測(cè)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(jī)玻璃罩有機(jī)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(yàn)加載的基本步驟試驗(yàn)加載的基本步驟:三軸試驗(yàn)的強(qiáng)度包線三軸試驗(yàn)的強(qiáng)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(shí)相應(yīng)的（得到破壞時(shí)相應(yīng)的（ 1- )fv繪制兩個(gè)破壞狀態(tài)的應(yīng)力摩爾圓，繪制兩個(gè)破壞狀態(tài)的應(yīng)力摩爾圓，畫出它們的

6、公切線，即強(qiáng)度包線畫出它們的公切線，即強(qiáng)度包線 1 1- 3 1 =15%強(qiáng)度包線強(qiáng)度包線( 1- )fc ( 1- )f 100 kPa 200 kPa 三三軸軸試試驗(yàn)驗(yàn)方方法法三軸試驗(yàn)方法三軸試驗(yàn)方法v固結(jié)排水試驗(yàn)（CD試驗(yàn)）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(jié)，超靜孔隙水壓力完全消散；后充分固結(jié)，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(yīng)力差打開排水閥門，慢慢施加軸向應(yīng)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(jié)不排水試驗(yàn)（CU試驗(yàn)）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(jié)，超靜孔隙水壓力完全消散；后充

7、分固結(jié)，超靜孔隙水壓力完全消散；2 關(guān)閉排水閥門，很快剪切破壞，在施加軸向應(yīng)力差關(guān)閉排水閥門，很快剪切破壞，在施加軸向應(yīng)力差 過程中不排水過程中不排水v不固結(jié)不排水試驗(yàn)（UU試驗(yàn)）1 關(guān)閉排水閥門，關(guān)閉排水閥門，圍壓圍壓 下不固結(jié)；下不固結(jié)；2 關(guān)閉排水閥門，很快剪切破壞，在施加軸向應(yīng)力差關(guān)閉排水閥門，很快剪切破壞，在施加軸向應(yīng)力差 過程中不排水過程中不排水cd 、 d ccu 、 cu cu 、 u 有效應(yīng)力圓有效應(yīng)力圓總應(yīng)力圓總應(yīng)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(yàn)得到下的不排水剪試驗(yàn)得到A、B、C三個(gè)三個(gè)不同不同 3作用下破壞時(shí)的總

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

9、效應(yīng)力圓強(qiáng)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(jìn)行固結(jié)不排水剪試驗(yàn)得到下進(jìn)行固結(jié)不排水剪試驗(yàn)得到A、B、C三個(gè)不同三個(gè)不同 3作用下破壞時(shí)的總應(yīng)力圓，由總應(yīng)力圓強(qiáng)度作用下破壞時(shí)的總應(yīng)力圓，由總應(yīng)力圓強(qiáng)度包線確定固結(jié)不排水剪總應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)包線確定固結(jié)不排水剪總應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)ccu、 cuABC（2）固結(jié)不排水剪（）固結(jié)不排水剪（CU） （2）固固結(jié)結(jié)不不排排水水剪剪的的剪剪切切試試驗(yàn)驗(yàn)結(jié)結(jié)果果實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)室的UU試驗(yàn)：試驗(yàn)：在有效固結(jié)壓力在有效固結(jié)壓力 c c 條件下的條件下的CU強(qiáng)度值。強(qiáng)度值。地基中的正常固結(jié)粘土：地基中的正常固結(jié)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(jié)土。不再是正常固結(jié)土。 f“正常固結(jié)粘土正常固結(jié)粘土”UUUU與與CUCU強(qiáng)度指標(biāo)的相關(guān)性強(qiáng)度指標(biāo)的相關(guān)性抗剪強(qiáng)度指標(biāo)有時(shí)失去其物理意義，而變成計(jì)算參數(shù)的含義 z z固結(jié)壓力為固結(jié)壓力為0 0的正常固結(jié)粘土（如的正常固結(jié)粘土（如地表土地表土）: :亦即其歷史上的最大固結(jié)壓力是亦即其歷史上的最大固結(jié)壓力是0 0，則室內(nèi)，則室內(nèi)UUUU試驗(yàn)的試驗(yàn)的抗剪強(qiáng)度為抗剪強(qiáng)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(jié)粘土無粘聚力是否意味著正常固結(jié)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(jié)粘土層正常固結(jié)粘土層固結(jié)不排水試驗(yàn)強(qiáng)度包線固結(jié)不排水試驗(yàn)強(qiáng)度包線( (破壞主應(yīng)力破壞主應(yīng)力線線) )上的每一點(diǎn)對(duì)應(yīng)于一個(gè)具有相同先上的每一點(diǎn)對(duì)應(yīng)于一個(gè)具有相同先期固結(jié)壓力的不排水強(qiáng)度指標(biāo)，數(shù)值上期固結(jié)壓力的不排水強(qiáng)度指標(biāo)，數(shù)值上等于相應(yīng)莫爾圓的半徑等于相應(yīng)莫爾圓的半徑 cu在整個(gè)排水剪試驗(yàn)過程中，在整個(gè)排水剪試驗(yàn)過程中， uf 0，總應(yīng)力全部轉(zhuǎn)化為有，總應(yīng)力全部轉(zhuǎn)化為有效應(yīng)力，所以總應(yīng)力圓即是有效應(yīng)力圓，總應(yīng)力強(qiáng)度線即效應(yīng)力，所以總應(yīng)力圓即是有效應(yīng)力圓，總應(yīng)力強(qiáng)度線即是有效應(yīng)力強(qiáng)度線。強(qiáng)度指標(biāo)為是有效應(yīng)力強(qiáng)度線。強(qiáng)度指標(biāo)為cd、 d cd d（3）固結(jié)排水剪（）固結(jié)排

12、水剪（CD） （3）固固結(jié)結(jié)排排水水剪剪的的剪剪切切試試驗(yàn)驗(yàn)結(jié)結(jié)果果四、工程中抗剪強(qiáng)度指標(biāo)選用四、工程中抗剪強(qiáng)度指標(biāo)選用 名稱名稱指標(biāo)指標(biāo)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(jié)心墻未固結(jié)固結(jié)不排水固結(jié)不排水剪剪(固結(jié)快剪固結(jié)快剪)ccu、 cuccq、 cq固結(jié)完成后固結(jié)完成后受突然荷載受突然荷載水位驟降水位驟降固結(jié)排水剪固結(jié)排水剪(慢剪慢剪)cd、 dcs、 s地基透水性強(qiáng)地基透水性強(qiáng)施工較慢施工較慢穩(wěn)定滲流期穩(wěn)定滲流期或正常運(yùn)行期或正常運(yùn)行期 不固結(jié)不排水剪（快剪）不

13、固結(jié)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(jié)土壩快速施工，心墻未固結(jié) 固結(jié)不排水剪（固結(jié)快剪）固結(jié)不排水剪（固結(jié)快剪） ccu、 cu（ccq、 cq）水位驟降水位驟降在在1層固結(jié)后，施工層固結(jié)后，施工2層層12粘土地基預(yù)壓固結(jié)后，粘土地基預(yù)壓固結(jié)后，快速施工建筑物快速施工建筑物 固結(jié)排水剪（慢剪）固結(jié)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(jié)排水三軸試驗(yàn)為例以固結(jié)排水三軸試驗(yàn)為例五、強(qiáng)度包線與破壞主應(yīng)力線五、強(qiáng)度包線與破壞主應(yīng)力線強(qiáng)度包線強(qiáng)度包線 f ：在在 坐標(biāo)系中坐標(biāo)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(yīng)力線破壞主應(yīng)力線 Kf在在p q 坐標(biāo)系中所有處于極限平衡應(yīng)力狀態(tài)對(duì)應(yīng)點(diǎn)的集合坐標(biāo)系中所有處于極限平衡應(yīng)力狀態(tài)對(duì)應(yīng)點(diǎn)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(yīng)力強(qiáng)度破壞線與有效應(yīng)力強(qiáng)度破壞線總應(yīng)力強(qiáng)度破壞線與有效應(yīng)力強(qiáng)度破壞

15、線以正常固結(jié)土（或松砂）以正常固結(jié)土（或松砂）CU試驗(yàn)為例試驗(yàn)為例五、有效固結(jié)應(yīng)力法五、有效固結(jié)應(yīng)力法有效應(yīng)力法局限性有效應(yīng)力法局限性 n (有效法向應(yīng)力有效法向應(yīng)力) 原位應(yīng)力tantannfnf兩種試驗(yàn)得到相同的兩種試驗(yàn)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(guān)系一性關(guān)系 A點(diǎn)：點(diǎn)： ef=ef和試驗(yàn)的類型及應(yīng)力路徑和試驗(yàn)的類型及應(yīng)力路徑等無關(guān)等無關(guān)ef p f - qf 唯一性關(guān)系唯一性關(guān)系 粘土的粘土的p f qf ef唯一性關(guān)系唯一性關(guān)系p OqK f線線固結(jié)排水試驗(yàn)固結(jié)排水試驗(yàn)固結(jié)不排水試驗(yàn)固結(jié)不排水試驗(yàn)ef=efAe0=efpctanfcunf

16、1313sincuf總應(yīng)力法（總應(yīng)力法（固結(jié)不排水強(qiáng)度為例固結(jié)不排水強(qiáng)度為例）p(p )Oqcu f 3 = 3 1452cu45cucufcsin1sin2/tan3313有效固結(jié)應(yīng)力法有效固結(jié)應(yīng)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(qiáng)度增長(zhǎng)軟粘土在荷載作用下的強(qiáng)度增長(zhǎng)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(jié)，土的抗剪強(qiáng)度也將會(huì)隨之增長(zhǎng)。 CU應(yīng)力路徑3(1 -3)/2 f11Ksincoscos1ffsin1sincossin1sincos111tfUKsin1sincos1tfU利用有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)估算利用有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)估算 利用固結(jié)不排水剪總應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)估算利用固結(jié)不排水剪總應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)估算 45p(p)Oqcu f 3 = 3 1c破壞面方向破壞面方向cccucucftansin1sin33