土的抗剪強(qiáng)度(課堂)課件

土的抗剪強(qiáng)度王英浩內(nèi)蒙古科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院巖土教研組1.土的抗剪強(qiáng)度王英浩內(nèi)蒙古科技大學(xué)1.概述土的破壞主要是由于剪切引起的，剪切破壞是土體破壞的重要特點(diǎn).工程時間中與土的抗剪強(qiáng)度有關(guān)的工程主要有以下3類:（1）土質(zhì)土壩的穩(wěn)定（2）土壓力（3）地基的承載力問題2.概述土的破壞主要是由于剪切引起的，剪切破壞是土體破壞的重工程實例－土坡穩(wěn)定3.工程實例－土坡穩(wěn)定3.工程實例－土坡穩(wěn)定4.工程實例－土坡穩(wěn)定4.工程實例－土壓力5.工程實例－土壓力5.工程實例－土壓力6.工程實例－土壓力6.工程實例－地基承載力問題7.工程實例－地基承載力問題7.工程實例－地基承載力問題8.工程實例－地基承載力問題8.第一節(jié)土的抗剪強(qiáng)度概述土的抗剪強(qiáng)度:是指土體抵抗剪切破壞的極限能力。

滑動面(破壞面):當(dāng)土體受到荷載作用后,土中各點(diǎn)將產(chǎn)生剪應(yīng)力,若某點(diǎn)的剪應(yīng)力達(dá)到其抗剪強(qiáng)度,在剪切面兩側(cè)的土體將產(chǎn)生相對位移而產(chǎn)生滑動破壞,該剪切面稱為滑動面或破壞面。9.第一節(jié)土的抗剪強(qiáng)度概述9.一.庫侖公式1）庫倫公式基本形式（總應(yīng)力抗剪強(qiáng)度公式）式中——剪切破壞面上的剪應(yīng)力，即土的抗剪強(qiáng)度(KPa)

——破壞面上的法向應(yīng)力(KPa)

——土的粘聚力，(KPa)對于無粘性土，

——土的內(nèi)摩擦角(o) 稱為抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，同一種土，它們與試驗方法有關(guān)10.一.庫侖公式10.

無粘性土粘性土11.無粘性土（2）有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度公式式中——剪切破壞面上的有效法向應(yīng)力(KPa)

u——土中的超靜孔隙水壓力(KPa)——土的有效粘聚力(KPa)——土的有效內(nèi)摩擦角(o)稱為土的有效抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，同一種土，其值理論上與試驗方法無關(guān)，應(yīng)接近于常數(shù)。問題:總應(yīng)力法與有效應(yīng)力法的優(yōu)缺點(diǎn)是什么?12.（2）有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度公式問題:總應(yīng)力法與有效應(yīng)力法的優(yōu)缺點(diǎn)總應(yīng)力法比有效應(yīng)力法簡單,因為試驗時不需測量孔隙水壓力,進(jìn)行穩(wěn)定分析時也不考慮孔隙水壓力,只需測量總應(yīng)力即可.但是對于同一種土,施加相同的總應(yīng)力,如果試驗方法不同,或者說控制的排水條件不同,則所得的強(qiáng)度指標(biāo)也就不相同.也就是說,總應(yīng)力和土的抗剪強(qiáng)度沒有唯一對應(yīng)的關(guān)系,應(yīng)用較多.有效應(yīng)力法考慮了孔隙水壓力的影響,只計入作用于粒間的有效應(yīng)力,試驗證明,對于同一種土,不論采用何種試驗方法,只要能準(zhǔn)確測量出孔隙水壓力,則所得的有效抗剪強(qiáng)度指標(biāo)是相同的.它們有唯一對應(yīng)的關(guān)系.但測量孔隙水壓力時,比較麻煩,需要精確評價地基強(qiáng)度和穩(wěn)定性時常采用.13.總應(yīng)力法比有效應(yīng)力法簡單,因為試驗時不需測量孔隙水壓力,進(jìn)行抗剪強(qiáng)度的來源：1）無粘性土：來源于土粒間的摩擦力（內(nèi)摩擦力）。包括：a.一部分由于土顆粒粗糙產(chǎn)生的表面摩擦力；

b.另一部分是粗顆粒之間互相鑲嵌，聯(lián)鎖作用產(chǎn)生的咬合力。2）粘性土：除內(nèi)摩擦力外，還有內(nèi)聚力。內(nèi)聚力主要來源于：土顆粒之間的電分子吸引力和土中膠結(jié)物質(zhì)（硅、鐵物質(zhì)和碳酸鹽等）對土粒的膠結(jié)作用。14.抗剪強(qiáng)度的來源：1）無粘性土：來源于土粒間的摩擦力（內(nèi)摩擦力二.莫爾-庫侖強(qiáng)度理論(一)、土體中任一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)假定土層為均勻、連續(xù)的半空間材料，研究地面以下任一深度處M點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)。下面僅研究平面問題，在土體中取一微單元體，作用在該單元體上的兩個主應(yīng)力為，則作用在與大主應(yīng)力作用面成角的平面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力可根據(jù)靜力平衡條件求得：15.二.莫爾-庫侖強(qiáng)度理論(一)、土體中任一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)15.如下圖。以上可用莫爾圓表示，16.如下圖。以上可用莫爾圓表示，16.(二)、土的極限平衡條件的建立

如果給定了土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)和c以及土中某點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)，則可將抗剪強(qiáng)度包線與莫爾應(yīng)力圓畫在同一張坐標(biāo)圖上。它們之間的關(guān)系有三種情況：（1）莫爾圓位于抗剪強(qiáng)度包線下方（圓1），說明該點(diǎn)在任何平面上的剪應(yīng)力都小于土所能發(fā)揮的抗剪強(qiáng)度，因此不會發(fā)生剪切破壞；（2）圓3實際上不存在；（3）圓2，說明在A點(diǎn)所代表的平面上剪應(yīng)力正好等于抗剪強(qiáng)度，該點(diǎn)處于極限平衡狀態(tài)。c

17.(二)、土的極限平衡條件的建立如果給定18.18.土處于極限平衡狀態(tài)下時根據(jù)極限應(yīng)力圓與抗剪強(qiáng)度包線相切的幾何關(guān)系，可建立以下極限平衡條件：19.土處于極限平衡狀態(tài)下時根據(jù)極限應(yīng)力圓與抗剪強(qiáng)度包線相切的幾何粘性土：化簡后得：無粘性土：20.粘性土：化簡后得：無粘性土：20.破裂面破裂角：破壞面與大主應(yīng)力作用面間的夾角問題:土體的最大剪應(yīng)力面是否即剪切破裂面?對于飽和軟粘土,在不排水條件下,其內(nèi)摩擦角為0,此時土體的最大剪應(yīng)力面即為剪切破裂面.21.破裂面破裂角：破壞面與大主應(yīng)力作用面間的夾角問題:土體的最大第二節(jié)抗剪強(qiáng)度的測定方法測定土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的試驗稱為剪切試驗按照常用的試驗儀器將剪切試驗分為

直接剪切試驗三軸壓縮試驗無側(cè)向抗壓強(qiáng)度試驗十字板剪切試驗近似模擬22.第二節(jié)抗剪強(qiáng)度的測定方法測定土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的試驗稱為剪切試直接剪切試驗應(yīng)變控制式直剪儀23.直接剪切試驗應(yīng)變控制式直剪儀23.24.24.25.25.26.26.27.27.28.28.應(yīng)變控制式直剪儀的試驗原理：對同一種土至少取4個平行試樣，分別在不同垂直壓力下剪切破壞，將試驗結(jié)果繪制抗剪強(qiáng)度f與相應(yīng)垂直壓力的關(guān)系圖。試驗結(jié)果表明，對于粘性土f~基本上呈直線關(guān)系，直線方程可用庫倫公式表示；對于無粘性土，f~則是通過原點(diǎn)的直線。29.應(yīng)變控制式直剪儀的試驗原理：29.

30.30.的缺點(diǎn)直接剪切儀限定剪切面不一定是最薄弱面剪切面上剪應(yīng)力分布不均勻剪切面在剪切過程中是逐漸縮小的不能嚴(yán)格控制排水條件，不能量測孔隙水壓力構(gòu)造簡單操作方便的優(yōu)點(diǎn)直接剪切儀31.的缺點(diǎn)限定剪切面不一定是最薄弱面剪切面上剪應(yīng)力分布不均勻剪切三軸壓縮試驗

對同一種土至少取3個平行試樣，分別在不同周圍壓力3和軸壓1作用下剪切破壞，將試驗結(jié)果繪制為若干個極限應(yīng)力圓。根據(jù)莫爾-庫倫理論，這一組極限應(yīng)力圓的公共切線即為土的抗剪強(qiáng)度包線，可近似取為一條直線，直線的方程即為庫倫公式所表示的方程。三軸壓縮儀的試驗原理：32.三軸壓縮試驗對同一種土至少取3個平行試樣，c0三軸壓縮試驗原理33.c0三軸壓縮試驗原理33.的優(yōu)點(diǎn)三軸壓縮儀的缺點(diǎn)三軸壓縮儀能較嚴(yán)格地控制排水條件剪切破壞面為最薄弱面試驗設(shè)備、試驗過程相對復(fù)雜試樣的受力狀態(tài)為軸對稱情況，與實際土體的受力狀態(tài)未必相符34.的優(yōu)點(diǎn)的缺點(diǎn)能較嚴(yán)格地控制排水條件剪切破壞面為最薄弱面試驗設(shè)35.35.36.36.37.37.無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗三軸壓縮試驗當(dāng)周圍壓力為零時即為無側(cè)限試驗條件，此時只有軸向壓力，所以也稱單軸壓縮試驗。由于試樣的側(cè)向力為零，在軸向受壓時，其側(cè)向變形不受限制，故又稱無側(cè)限壓縮試驗。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能承受的最大軸向壓力稱為無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，以qu表示38.無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗三軸壓縮試驗當(dāng)周圍壓力為零時即為無側(cè)限試驗39.39.極限應(yīng)力圓40.極限應(yīng)力圓40.應(yīng)用：代替三軸試驗（當(dāng)3=0）可用來求土的靈敏度缺點(diǎn)：無粘性土以及太軟土（流塑）不可試驗快,水來不及排除41.應(yīng)用：41.十字板剪切試驗原位十字板剪切試驗是一種利用十字板剪切儀在現(xiàn)場測定土的抗剪強(qiáng)度的方法。這種方法適用于在現(xiàn)場測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軟粘土。無需鉆孔取得原狀土樣,從而使土少受擾動,試驗時土的排水條件和受力狀態(tài)與實際條件十分接近.42.十字板剪切試驗原位十字板剪切試驗是一種利用十字板剪切儀在現(xiàn)場43.43.44.44.第四節(jié)土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)一.粘性土在不同固結(jié)和排水條件下的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)1.固結(jié)不排水剪試驗(又稱固結(jié)快剪,以符號Cu表示)試驗過程土樣固結(jié)不排水試驗（CU試驗）是在施加周圍壓力時充分排水（固結(jié)），而在施加軸向壓力直至剪切破壞的整個試驗過程中不允許排水（不排水）。45.第四節(jié)土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)一.粘性土在不同固結(jié)和排水條件下的抗飽和粘性土的固結(jié)不排水抗剪強(qiáng)度受應(yīng)力歷史的影響，所以首先要區(qū)分試樣是處于什么樣的固結(jié)狀態(tài)。

正常固結(jié)狀態(tài)的試樣在剪切過程中體積有減小的趨勢（剪縮），但由于不允許排水，故產(chǎn)生正的孔隙水壓力；而強(qiáng)超固結(jié)狀態(tài)的試樣在剪切過程中，先表現(xiàn)為剪縮（產(chǎn)生正的孔隙水壓力），然后轉(zhuǎn)為剪脹（產(chǎn)生負(fù)的孔隙水壓力）。46.飽和粘性土的固結(jié)不排水抗剪強(qiáng)度受應(yīng)力歷史的影試驗結(jié)論a.正常固結(jié)飽和粘土47.試驗結(jié)論a.正常固結(jié)飽和粘土47.剪切過程中不排水，根據(jù)有效應(yīng)力原理可知，有效應(yīng)力圓與總應(yīng)力圓直徑相等，位置不同。因為正常固結(jié)狀態(tài)的試樣在剪切破壞時產(chǎn)生正的孔隙水壓力，故有效應(yīng)力圓在總應(yīng)力圓的左邊?？倯?yīng)力破壞包線和有效應(yīng)力破壞包線都通過原點(diǎn)，說明固結(jié)壓力為零的土不會具有抗剪強(qiáng)度。

48.剪切過程中不排水，根據(jù)有效應(yīng)力原理可知，有效應(yīng)力圓與總應(yīng)力超固結(jié)狀態(tài)正常固結(jié)狀態(tài)ccu0abcb.超固結(jié)飽和粘土超固結(jié)狀態(tài)土的固結(jié)不排水試驗49.超固結(jié)狀態(tài)正常固結(jié)狀態(tài)ccu0abcb.超固結(jié)飽和粘土超固結(jié)超固結(jié)狀態(tài)的飽和粘性土的固結(jié)不排水剪切試驗得到的總應(yīng)力破壞包線是一條略平緩的曲線，可近似以直線ab代替，與正常固結(jié)狀態(tài)土的固結(jié)不排水破壞包線bc相交，bc的延長線通過原點(diǎn)。實用上將abc折線取為一條直線。由于超固結(jié)狀態(tài)的土樣在剪切破壞時，產(chǎn)生負(fù)的孔隙水壓力，有效應(yīng)力圓在總應(yīng)力圓的右邊。

50.超固結(jié)狀態(tài)的飽和粘性土的固結(jié)不排水剪切試驗得到的總應(yīng)力破壞包2.不固結(jié)不排水剪試驗(又稱快剪,以符號UU表示)土樣試驗過程不固結(jié)不排水試驗（UU試驗）是在施加周圍壓力時不排水（不固結(jié)），且在施加軸向壓力直至剪切破壞的整個試驗過程中也不允許排水（不排水）。51.2.不固結(jié)不排水剪試驗(又稱快剪,以符號UU表示)土樣試驗過試驗結(jié)論0cu飽和粘性土的不固結(jié)不排水試驗52.試驗結(jié)論0cu飽和粘性土的不固結(jié)不排水試驗52.

圖中三個實線圓分別表示三個試件在不同的圍壓作用下破壞時的總應(yīng)力圓，虛線表示有效應(yīng)力圓。試驗結(jié)果表明，雖然三個試件的圍壓不同，但破壞時的主應(yīng)力差相等，所以三個總應(yīng)力圓的直徑相同，所以破壞包線是一條水平線，可得53.圖中三個實線圓分別表示三個試件在不同的圍壓作用下破壞由于在不排水條件下，試樣在試驗過程中含水量不變，體積不變，改變周圍壓力增量只能引起孔隙水壓力的變化，并不會改變試樣中的有效應(yīng)力，各試件在剪切前的有效應(yīng)力相等，因此抗剪強(qiáng)度不變。由于只能得到一個有效應(yīng)力圓，所以不能得到有效應(yīng)力破壞包線，不固結(jié)不排水試驗只用于測定飽和土的不排水強(qiáng)度，所以可以用無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗代替三軸壓縮試驗來測定飽和土的不排水抗剪強(qiáng)度。

54.由于在不排水條件下，試樣在試驗過程中含水量不變，體積不變，改不固結(jié)不排水試驗的“不固結(jié)”是在保持試樣原來有效應(yīng)力不變的情況下，在三軸壓力室的周圍壓力下不再排水固結(jié)。如果飽和粘性土從未固結(jié)過，則其中的有效應(yīng)力為零（先期固結(jié)壓力也為零），表現(xiàn)為一種泥漿狀土，其抗剪強(qiáng)度必然也等于零。如果在較高的剪前固結(jié)壓力下進(jìn)行不固結(jié)不排水試驗，就會得到較大的不排水抗剪強(qiáng)度。55.不固結(jié)不排水試驗的“不固結(jié)”是在保持試樣原來有效應(yīng)力不變的情3.固結(jié)排水剪試驗(又稱慢剪,以符號CD表示)土樣試驗過程固結(jié)排水試驗（CD試驗）是在施加周圍壓力時充分排水（固結(jié)），而在施加軸向壓力直至剪切破壞的整個試驗過程中允許排水（排水）。56.3.固結(jié)排水剪試驗(又稱慢剪,以符號CD表示)土樣試驗過程固試驗結(jié)論a.正常固結(jié)飽和粘土57.試驗結(jié)論a.正常固結(jié)飽和粘土57.b.超固結(jié)飽和粘土58.b.超固結(jié)飽和粘土58.在整個試驗過程中，土樣中的孔隙水壓力始終為零，總應(yīng)力最后完全轉(zhuǎn)化為有效應(yīng)力，所以總應(yīng)力圓就是有效應(yīng)力圓，總應(yīng)力破壞包線就是有效應(yīng)力破壞包線。正常固結(jié)狀態(tài)的土，其破壞包線通過原點(diǎn)。超固結(jié)飽和粘土在固結(jié)排水剪中先剪縮后剪脹,但不會排出水分,反而因剪脹而有吸水的趨勢,含水量還要增加.59.在整個試驗過程中，土樣中的孔隙水壓力始終為零，總應(yīng)力最后完全試驗結(jié)果表明，對于同一種土，固結(jié)排水試驗得到的cd、d與固結(jié)不排水試驗得到的c'、'很接近，由于固結(jié)排水試驗所需的時間太長，故實用上用c'、'代替cd、d。60.試驗結(jié)果表明，對于同一種土，固結(jié)排水試驗得到的cd、d與固三種試驗結(jié)果的強(qiáng)度包線61.三種試驗結(jié)果的強(qiáng)度包線61.

對同一種飽和粘性土，分別在三種不同的排水條件下進(jìn)行剪切試驗。如果用總應(yīng)力表示，將得到完全不同的試驗結(jié)果，而以有效應(yīng)力表示，則不論采用哪種試驗方法，都得到近乎同一條有效應(yīng)力破壞包線。

所以說，抗剪強(qiáng)度與總應(yīng)力沒有唯一的對應(yīng)關(guān)系，而與有效應(yīng)力有唯一的對應(yīng)關(guān)系。62.對同一種飽和粘性土，分別在三種不同的排水條件下進(jìn)行剪二.粘性土的殘余強(qiáng)度指標(biāo)堅硬的超壓密粘土的曲線可出現(xiàn)剪應(yīng)力的峰值,即為土的峰值抗剪強(qiáng)度.峰后強(qiáng)度隨剪切位移增大而降低,稱為應(yīng)變軟化特征.當(dāng)剪切位移較大時,其強(qiáng)度最終也降低至某一穩(wěn)定值,這種終值強(qiáng)度稱為殘余強(qiáng)度.試驗證明,粘性土的殘余強(qiáng)度同峰值強(qiáng)度一樣也符合庫侖公式,即63.二.粘性土的殘余強(qiáng)度指標(biāo)堅硬的超壓密粘土的曲線64.64.粘性土的殘余強(qiáng)度可解釋為,沿剪切面兩側(cè)非定向排列的薄層微粒結(jié)構(gòu),隨著剪應(yīng)變的增加而逐漸轉(zhuǎn)化為沿剪切方向定向排列,因而土的抗剪強(qiáng)度隨之降低.殘余強(qiáng)度與土的結(jié)構(gòu)關(guān)系不大,而主要取決于土的礦物成分和有效法向應(yīng)力的影響.粘土的殘余強(qiáng)度與它的應(yīng)力歷史無關(guān).在大剪位移下超固結(jié)粘土的強(qiáng)度降低幅度比正常固結(jié)粘土的大.殘余強(qiáng)度線為通過坐標(biāo)原點(diǎn)的直線.

65.粘性土的殘余強(qiáng)度可解釋為,沿剪切面兩側(cè)非定向排列的薄層微粒結(jié)三.無粘性土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)緊砂受剪時，顆粒必須升高以離開它們原來的位置而彼此才能滑過，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。緊砂66.三.無粘性土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)緊砂受剪時，顆粒必須升高以離開它們松砂松砂受剪時，顆粒滾落到平衡位置，排列更緊密些，所以體積縮小，把這種因剪切而體積縮小的現(xiàn)象稱為剪縮性.67.松砂松砂受剪時，顆粒滾落到平衡位置，排列更緊密些，所以體緊砂的強(qiáng)度達(dá)到一定值后，隨著軸向應(yīng)變的繼續(xù)增加，強(qiáng)度反而減小，最后呈應(yīng)變軟化型.

隨著軸向應(yīng)變的增加，松砂的強(qiáng)度逐漸增加，曲線應(yīng)變硬化.

體積開始時稍有減小，繼而增加，超過它的初始體積.體積逐漸減小.68.緊砂的強(qiáng)度達(dá)到一定值后，隨著軸向應(yīng)變的繼續(xù)增加，強(qiáng)度反而減小對一定側(cè)限壓力下的同種砂土,緊密和松散的砂土最終的強(qiáng)度趨于同一數(shù)值,而最終孔隙比也大致趨向于某一穩(wěn)定值,該值稱為臨界孔隙比.在這一孔隙比下,砂土在不排水條件下受荷至破壞時,其體積變化為零.砂土的臨界孔隙比將隨周圍壓力的增加而減小.69.對一定側(cè)限壓力下的同種砂土,緊密和松散的砂土最終的強(qiáng)砂土在突發(fā)的動荷載作用下，不能在短時間排水固結(jié)，為抵抗剪力引起的體積縮小的趨勢，將產(chǎn)生很大的孔隙水壓力，從而導(dǎo)致土體的抗剪能力完全喪失的現(xiàn)象稱為砂土液化.砂土液化從宏觀上可引起噴水冒砂和地下砂層液化,原來有明顯層理的土,震后層理紊亂.上述現(xiàn)象可導(dǎo)致地表沉陷和變形.70.砂土在突發(fā)的動荷載作用下，不能在短時間排70.四、抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的選擇

飽和粘性土的抗剪強(qiáng)度性狀是很復(fù)雜的，它不僅與剪切條件有關(guān)，還與土的應(yīng)力歷史等因素有關(guān)。由于實際工程條件的復(fù)雜性，用實驗室的試驗條件去完全模擬現(xiàn)場條件是不可能的。所以針對具體的工程問題，確定土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的方法只能是盡可能地模擬實際工況來進(jìn)行試驗。71.四、抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的選擇71.對于一般的工程問題多采用總應(yīng)力分析法，其指標(biāo)和測試方法的選擇原則如下：若建筑物施工速度較快，而地基土的透水性和排水條件不良時，可采用三軸不固結(jié)不排水試驗或直剪的快剪試驗結(jié)果,常用于施工期的強(qiáng)度與穩(wěn)定驗算.若地基上荷載的增加速率較慢，而地基土的透水性較高且排水條件較佳時，則可以采用固結(jié)排水或慢剪試驗的結(jié)果.若建筑物竣工后較長時間,突遇荷載增大,如房屋加層,天然土坡上堆載.72.對于一般的工程問題多采用總應(yīng)力分析法，其指標(biāo)和測試方五.影響土體抗剪強(qiáng)度的因素土的組成,原始密度,孔隙比及含水量.土的結(jié)構(gòu)性.土的應(yīng)力歷史.土的加荷條件.土的各向異性.土的應(yīng)變強(qiáng)度軟化.時間因素.73.五.影響土體抗剪強(qiáng)度的因素土的組成,原始密度,孔隙比及含水量謝謝!74.謝謝!74.土的抗剪強(qiáng)度王英浩內(nèi)蒙古科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院巖土教研組75.土的抗剪強(qiáng)度王英浩內(nèi)蒙古科技大學(xué)1.概述土的破壞主要是由于剪切引起的，剪切破壞是土體破壞的重要特點(diǎn).工程時間中與土的抗剪強(qiáng)度有關(guān)的工程主要有以下3類:（1）土質(zhì)土壩的穩(wěn)定（2）土壓力（3）地基的承載力問題76.概述土的破壞主要是由于剪切引起的，剪切破壞是土體破壞的重工程實例－土坡穩(wěn)定77.工程實例－土坡穩(wěn)定3.工程實例－土坡穩(wěn)定78.工程實例－土坡穩(wěn)定4.工程實例－土壓力79.工程實例－土壓力5.工程實例－土壓力80.工程實例－土壓力6.工程實例－地基承載力問題81.工程實例－地基承載力問題7.工程實例－地基承載力問題82.工程實例－地基承載力問題8.第一節(jié)土的抗剪強(qiáng)度概述土的抗剪強(qiáng)度:是指土體抵抗剪切破壞的極限能力。

滑動面(破壞面):當(dāng)土體受到荷載作用后,土中各點(diǎn)將產(chǎn)生剪應(yīng)力,若某點(diǎn)的剪應(yīng)力達(dá)到其抗剪強(qiáng)度,在剪切面兩側(cè)的土體將產(chǎn)生相對位移而產(chǎn)生滑動破壞,該剪切面稱為滑動面或破壞面。83.第一節(jié)土的抗剪強(qiáng)度概述9.一.庫侖公式1）庫倫公式基本形式（總應(yīng)力抗剪強(qiáng)度公式）式中——剪切破壞面上的剪應(yīng)力，即土的抗剪強(qiáng)度(KPa)

——破壞面上的法向應(yīng)力(KPa)

——土的粘聚力，(KPa)對于無粘性土，

——土的內(nèi)摩擦角(o) 稱為抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，同一種土，它們與試驗方法有關(guān)84.一.庫侖公式10.

無粘性土粘性土85.無粘性土（2）有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度公式式中——剪切破壞面上的有效法向應(yīng)力(KPa)

u——土中的超靜孔隙水壓力(KPa)——土的有效粘聚力(KPa)——土的有效內(nèi)摩擦角(o)稱為土的有效抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，同一種土，其值理論上與試驗方法無關(guān)，應(yīng)接近于常數(shù)。問題:總應(yīng)力法與有效應(yīng)力法的優(yōu)缺點(diǎn)是什么?86.（2）有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度公式問題:總應(yīng)力法與有效應(yīng)力法的優(yōu)缺點(diǎn)總應(yīng)力法比有效應(yīng)力法簡單,因為試驗時不需測量孔隙水壓力,進(jìn)行穩(wěn)定分析時也不考慮孔隙水壓力,只需測量總應(yīng)力即可.但是對于同一種土,施加相同的總應(yīng)力,如果試驗方法不同,或者說控制的排水條件不同,則所得的強(qiáng)度指標(biāo)也就不相同.也就是說,總應(yīng)力和土的抗剪強(qiáng)度沒有唯一對應(yīng)的關(guān)系,應(yīng)用較多.有效應(yīng)力法考慮了孔隙水壓力的影響,只計入作用于粒間的有效應(yīng)力,試驗證明,對于同一種土,不論采用何種試驗方法,只要能準(zhǔn)確測量出孔隙水壓力,則所得的有效抗剪強(qiáng)度指標(biāo)是相同的.它們有唯一對應(yīng)的關(guān)系.但測量孔隙水壓力時,比較麻煩,需要精確評價地基強(qiáng)度和穩(wěn)定性時常采用.87.總應(yīng)力法比有效應(yīng)力法簡單,因為試驗時不需測量孔隙水壓力,進(jìn)行抗剪強(qiáng)度的來源：1）無粘性土：來源于土粒間的摩擦力（內(nèi)摩擦力）。包括：a.一部分由于土顆粒粗糙產(chǎn)生的表面摩擦力；

b.另一部分是粗顆粒之間互相鑲嵌，聯(lián)鎖作用產(chǎn)生的咬合力。2）粘性土：除內(nèi)摩擦力外，還有內(nèi)聚力。內(nèi)聚力主要來源于：土顆粒之間的電分子吸引力和土中膠結(jié)物質(zhì)（硅、鐵物質(zhì)和碳酸鹽等）對土粒的膠結(jié)作用。88.抗剪強(qiáng)度的來源：1）無粘性土：來源于土粒間的摩擦力（內(nèi)摩擦力二.莫爾-庫侖強(qiáng)度理論(一)、土體中任一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)假定土層為均勻、連續(xù)的半空間材料，研究地面以下任一深度處M點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)。下面僅研究平面問題，在土體中取一微單元體，作用在該單元體上的兩個主應(yīng)力為，則作用在與大主應(yīng)力作用面成角的平面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力可根據(jù)靜力平衡條件求得：89.二.莫爾-庫侖強(qiáng)度理論(一)、土體中任一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)15.如下圖。以上可用莫爾圓表示，90.如下圖。以上可用莫爾圓表示，16.(二)、土的極限平衡條件的建立

如果給定了土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)和c以及土中某點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)，則可將抗剪強(qiáng)度包線與莫爾應(yīng)力圓畫在同一張坐標(biāo)圖上。它們之間的關(guān)系有三種情況：（1）莫爾圓位于抗剪強(qiáng)度包線下方（圓1），說明該點(diǎn)在任何平面上的剪應(yīng)力都小于土所能發(fā)揮的抗剪強(qiáng)度，因此不會發(fā)生剪切破壞；（2）圓3實際上不存在；（3）圓2，說明在A點(diǎn)所代表的平面上剪應(yīng)力正好等于抗剪強(qiáng)度，該點(diǎn)處于極限平衡狀態(tài)。c

91.(二)、土的極限平衡條件的建立如果給定92.18.土處于極限平衡狀態(tài)下時根據(jù)極限應(yīng)力圓與抗剪強(qiáng)度包線相切的幾何關(guān)系，可建立以下極限平衡條件：93.土處于極限平衡狀態(tài)下時根據(jù)極限應(yīng)力圓與抗剪強(qiáng)度包線相切的幾何粘性土：化簡后得：無粘性土：94.粘性土：化簡后得：無粘性土：20.破裂面破裂角：破壞面與大主應(yīng)力作用面間的夾角問題:土體的最大剪應(yīng)力面是否即剪切破裂面?對于飽和軟粘土,在不排水條件下,其內(nèi)摩擦角為0,此時土體的最大剪應(yīng)力面即為剪切破裂面.95.破裂面破裂角：破壞面與大主應(yīng)力作用面間的夾角問題:土體的最大第二節(jié)抗剪強(qiáng)度的測定方法測定土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的試驗稱為剪切試驗按照常用的試驗儀器將剪切試驗分為

直接剪切試驗三軸壓縮試驗無側(cè)向抗壓強(qiáng)度試驗十字板剪切試驗近似模擬96.第二節(jié)抗剪強(qiáng)度的測定方法測定土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的試驗稱為剪切試直接剪切試驗應(yīng)變控制式直剪儀97.直接剪切試驗應(yīng)變控制式直剪儀23.98.24.99.25.100.26.101.27.102.28.應(yīng)變控制式直剪儀的試驗原理：對同一種土至少取4個平行試樣，分別在不同垂直壓力下剪切破壞，將試驗結(jié)果繪制抗剪強(qiáng)度f與相應(yīng)垂直壓力的關(guān)系圖。試驗結(jié)果表明，對于粘性土f~基本上呈直線關(guān)系，直線方程可用庫倫公式表示；對于無粘性土，f~則是通過原點(diǎn)的直線。103.應(yīng)變控制式直剪儀的試驗原理：29.

104.30.的缺點(diǎn)直接剪切儀限定剪切面不一定是最薄弱面剪切面上剪應(yīng)力分布不均勻剪切面在剪切過程中是逐漸縮小的不能嚴(yán)格控制排水條件，不能量測孔隙水壓力構(gòu)造簡單操作方便的優(yōu)點(diǎn)直接剪切儀105.的缺點(diǎn)限定剪切面不一定是最薄弱面剪切面上剪應(yīng)力分布不均勻剪切三軸壓縮試驗

對同一種土至少取3個平行試樣，分別在不同周圍壓力3和軸壓1作用下剪切破壞，將試驗結(jié)果繪制為若干個極限應(yīng)力圓。根據(jù)莫爾-庫倫理論，這一組極限應(yīng)力圓的公共切線即為土的抗剪強(qiáng)度包線，可近似取為一條直線，直線的方程即為庫倫公式所表示的方程。三軸壓縮儀的試驗原理：106.三軸壓縮試驗對同一種土至少取3個平行試樣，c0三軸壓縮試驗原理107.c0三軸壓縮試驗原理33.的優(yōu)點(diǎn)三軸壓縮儀的缺點(diǎn)三軸壓縮儀能較嚴(yán)格地控制排水條件剪切破壞面為最薄弱面試驗設(shè)備、試驗過程相對復(fù)雜試樣的受力狀態(tài)為軸對稱情況，與實際土體的受力狀態(tài)未必相符108.的優(yōu)點(diǎn)的缺點(diǎn)能較嚴(yán)格地控制排水條件剪切破壞面為最薄弱面試驗設(shè)109.35.110.36.111.37.無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗三軸壓縮試驗當(dāng)周圍壓力為零時即為無側(cè)限試驗條件，此時只有軸向壓力，所以也稱單軸壓縮試驗。由于試樣的側(cè)向力為零，在軸向受壓時，其側(cè)向變形不受限制，故又稱無側(cè)限壓縮試驗。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能承受的最大軸向壓力稱為無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，以qu表示112.無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗三軸壓縮試驗當(dāng)周圍壓力為零時即為無側(cè)限試驗113.39.極限應(yīng)力圓114.極限應(yīng)力圓40.應(yīng)用：代替三軸試驗（當(dāng)3=0）可用來求土的靈敏度缺點(diǎn)：無粘性土以及太軟土（流塑）不可試驗快,水來不及排除115.應(yīng)用：41.十字板剪切試驗原位十字板剪切試驗是一種利用十字板剪切儀在現(xiàn)場測定土的抗剪強(qiáng)度的方法。這種方法適用于在現(xiàn)場測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軟粘土。無需鉆孔取得原狀土樣,從而使土少受擾動,試驗時土的排水條件和受力狀態(tài)與實際條件十分接近.116.十字板剪切試驗原位十字板剪切試驗是一種利用十字板剪切儀在現(xiàn)場117.43.118.44.第四節(jié)土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)一.粘性土在不同固結(jié)和排水條件下的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)1.固結(jié)不排水剪試驗(又稱固結(jié)快剪,以符號Cu表示)試驗過程土樣固結(jié)不排水試驗（CU試驗）是在施加周圍壓力時充分排水（固結(jié)），而在施加軸向壓力直至剪切破壞的整個試驗過程中不允許排水（不排水）。119.第四節(jié)土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)一.粘性土在不同固結(jié)和排水條件下的抗飽和粘性土的固結(jié)不排水抗剪強(qiáng)度受應(yīng)力歷史的影響，所以首先要區(qū)分試樣是處于什么樣的固結(jié)狀態(tài)。

正常固結(jié)狀態(tài)的試樣在剪切過程中體積有減小的趨勢（剪縮），但由于不允許排水，故產(chǎn)生正的孔隙水壓力；而強(qiáng)超固結(jié)狀態(tài)的試樣在剪切過程中，先表現(xiàn)為剪縮（產(chǎn)生正的孔隙水壓力），然后轉(zhuǎn)為剪脹（產(chǎn)生負(fù)的孔隙水壓力）。120.飽和粘性土的固結(jié)不排水抗剪強(qiáng)度受應(yīng)力歷史的影試驗結(jié)論a.正常固結(jié)飽和粘土121.試驗結(jié)論a.正常固結(jié)飽和粘土47.剪切過程中不排水，根據(jù)有效應(yīng)力原理可知，有效應(yīng)力圓與總應(yīng)力圓直徑相等，位置不同。因為正常固結(jié)狀態(tài)的試樣在剪切破壞時產(chǎn)生正的孔隙水壓力，故有效應(yīng)力圓在總應(yīng)力圓的左邊?？倯?yīng)力破壞包線和有效應(yīng)力破壞包線都通過原點(diǎn)，說明固結(jié)壓力為零的土不會具有抗剪強(qiáng)度。

122.剪切過程中不排水，根據(jù)有效應(yīng)力原理可知，有效應(yīng)力圓與總應(yīng)力超固結(jié)狀態(tài)正常固結(jié)狀態(tài)ccu0abcb.超固結(jié)飽和粘土超固結(jié)狀態(tài)土的固結(jié)不排水試驗123.超固結(jié)狀態(tài)正常固結(jié)狀態(tài)ccu0abcb.超固結(jié)飽和粘土超固結(jié)超固結(jié)狀態(tài)的飽和粘性土的固結(jié)不排水剪切試驗得到的總應(yīng)力破壞包線是一條略平緩的曲線，可近似以直線ab代替，與正常固結(jié)狀態(tài)土的固結(jié)不排水破壞包線bc相交，bc的延長線通過原點(diǎn)。實用上將abc折線取為一條直線。由于超固結(jié)狀態(tài)的土樣在剪切破壞時，產(chǎn)生負(fù)的孔隙水壓力，有效應(yīng)力圓在總應(yīng)力圓的右邊。

124.超固結(jié)狀態(tài)的飽和粘性土的固結(jié)不排水剪切試驗得到的總應(yīng)力破壞包2.不固結(jié)不排水剪試驗(又稱快剪,以符號UU表示)土樣試驗過程不固結(jié)不排水試驗（UU試驗）是在施加周圍壓力時不排水（不固結(jié)），且在施加軸向壓力直至剪切破壞的整個試驗過程中也不允許排水（不排水）。125.2.不固結(jié)不排水剪試驗(又稱快剪,以符號UU表示)土樣試驗過試驗結(jié)論0cu飽和粘性土的不固結(jié)不排水試驗126.試驗結(jié)論0cu飽和粘性土的不固結(jié)不排水試驗52.

圖中三個實線圓分別表示三個試件在不同的圍壓作用下破壞時的總應(yīng)力圓，虛線表示有效應(yīng)力圓。試驗結(jié)果表明，雖然三個試件的圍壓不同，但破壞時的主應(yīng)力差相等，所以三個總應(yīng)力圓的直徑相同，所以破壞包線是一條水平線，可得127.圖中三個實線圓分別表示三個試件在不同的圍壓作用下破壞由于在不排水條件下，試樣在試驗過程中含水量不變，體積不變，改變周圍壓力增量只能引起孔隙水壓力的變化，并不會改變試樣中的有效應(yīng)力，各試件在剪切前的有效應(yīng)力相等，因此抗剪強(qiáng)度不變。由于只能得到一個有效應(yīng)力圓，所以不能得到有效應(yīng)力破壞包線，不固結(jié)不排水試驗只用于測定飽和土的不排水強(qiáng)度，所以可以用無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗代替三軸壓縮試驗來測定飽和土的不排水抗剪強(qiáng)度。

128.由于在不排水條件下，試樣在試驗過程中含水量不變，體積不變，改不固結(jié)不排水試驗的“不固結(jié)”是在保持試樣原來有效應(yīng)力不變的情況下，在三軸壓力室的周圍壓力下不再排水固結(jié)。如果飽和粘性土從未固結(jié)過，則其中的有效應(yīng)力為零（先期固結(jié)壓力也為零），表現(xiàn)為一種泥漿狀土，其抗剪強(qiáng)度必然也等于零。如果在較高的剪前固結(jié)壓力下進(jìn)行不固結(jié)不排水試驗，就會得到較大的不排水抗剪強(qiáng)度。129.不固結(jié)不排水試驗的“不固結(jié)”是在保持試樣原來有效應(yīng)力不變的情3.固結(jié)排水剪試驗(又稱慢剪,以符號CD表示)土樣試驗過程固結(jié)排水試驗（CD試驗）是在施加周圍壓力時充分排水（固結(jié)），而在施加軸向壓力直至剪切破壞的整個試驗過程中允許排水（排水）。130.3.固結(jié)排水剪試驗(又稱慢剪,以符號CD表示)土樣試驗過程固試驗結(jié)論a.正常固結(jié)飽和粘土131.試驗結(jié)論a.正常固結(jié)飽和粘土57.b.超固結(jié)飽和粘土132.b.超固結(jié)飽和粘土58.在整個試驗過程中，土樣中的孔隙水壓力始終為零，總應(yīng)力最后完全轉(zhuǎn)化為有效應(yīng)力，所以總應(yīng)力圓就是有效應(yīng)力圓，總應(yīng)力破壞包線就是有效應(yīng)力破壞包線。正常固結(jié)狀態(tài)的土，其破壞包線通過原點(diǎn)。超固結(jié)飽和粘土在固結(jié)排水剪中先剪縮后剪脹,但不會排出水分,反而因剪脹而有吸水的趨勢,含水量還要增加.133.在整個試驗過程中，土樣中的孔隙水壓力始終為零，總應(yīng)力最后完全試驗結(jié)果表明，對于同一種土，固結(jié)排水試驗得到的cd、d與固結(jié)不排水試驗得到的c'、'很接近，由于固結(jié)排水試驗所需的時間太長，故實用上用c'、'代替cd、d。134.試驗結(jié)果表明，對于同一種土，固結(jié)排水試驗得到的cd、d與固三種試驗結(jié)果的強(qiáng)度包線135.三種試驗結(jié)果的強(qiáng)度包線61.

對同一種飽和粘性土，分別在三種不同的排水條件下進(jìn)行剪切試驗。如果用總應(yīng)力表示，將得到完全不同的試驗結(jié)果，而以有效應(yīng)力表示，則不論采用哪種試驗方法，都得到近乎同一條有效應(yīng)力破壞包線。

所以說，抗剪強(qiáng)度與總應(yīng)力沒有唯一的對應(yīng)關(guān)系，而與有效應(yīng)力有唯一的對應(yīng)關(guān)系。136.對同一種飽和粘性土，分別在三種不同的排水條件下進(jìn)行剪二.粘性土的殘余強(qiáng)度指標(biāo)堅硬的超壓密粘土的曲線可出現(xiàn)剪應(yīng)力的峰值,即為土的峰值抗剪強(qiáng)度.峰后強(qiáng)