土力學(xué)東南大學(xué)等72土的抗剪強(qiáng)度

第7章土的抗剪強(qiáng)度Shearstrengthofsoil§7.1概述§7.2土的抗剪強(qiáng)度理論§7.3土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)§7.4三軸壓縮試驗(yàn)中的孔隙水壓力系數(shù)§7.5飽和黏性土的抗剪強(qiáng)度§7.6應(yīng)力路徑在強(qiáng)度問(wèn)題中的應(yīng)用§7.7無(wú)黏性土的抗剪強(qiáng)度知識(shí)回顧一、抗剪強(qiáng)度二、研究抗剪強(qiáng)度的意義三、抗剪強(qiáng)度定律------庫(kù)侖定律四、莫爾理論一、抗剪強(qiáng)度土是以固體顆粒為主的散體，顆粒是巖塊或巖屑，本身強(qiáng)度很高，但粒間聯(lián)結(jié)較弱。因此，土的強(qiáng)度問(wèn)題表現(xiàn)為土粒間的錯(cuò)動(dòng)、剪切、以致于破壞。所以，研究土的強(qiáng)度主要是研究土的抗剪強(qiáng)度。一、抗剪強(qiáng)度在土體自重和外荷載作用下，土體內(nèi)部將產(chǎn)生剪應(yīng)力和剪切變形。隨著剪應(yīng)力的增加，剪切變形也越來(lái)越大。當(dāng)剪應(yīng)力增大到極限值時(shí)，土就處于剪切破壞的極限狀態(tài)，這個(gè)極限值就是土的抗剪強(qiáng)度。若土體內(nèi)某一部分的剪應(yīng)力達(dá)到土的抗剪強(qiáng)度，在該部分就開(kāi)始出現(xiàn)剪切破壞。隨著荷載的增加，剪切破壞的范圍逐漸擴(kuò)大，最終在土體中形成連續(xù)的滑動(dòng)面，導(dǎo)致土體發(fā)生整體剪切破壞而喪失穩(wěn)定性。二、研究抗剪強(qiáng)度的意義目前與抗剪強(qiáng)度有關(guān)的工程問(wèn)題主要有三方面：（1）土工構(gòu)筑物的穩(wěn)定問(wèn)題，如土壩、路堤等填方邊坡的穩(wěn)定性問(wèn)題，天然土坡的穩(wěn)定性問(wèn)題等。（2）土壓力問(wèn)題，如擋土墻、地下結(jié)構(gòu)等的周圍土體，它的強(qiáng)度破壞將造成過(guò)大的對(duì)墻體的側(cè)向壓力，以致可能導(dǎo)致構(gòu)造物發(fā)生滑動(dòng)、傾覆等破壞事故。（3）土的承載力問(wèn)題。土作為建筑物的地基，其承載力的確定是十分關(guān)鍵的。如果上部結(jié)構(gòu)傳下的荷載引起的基底壓力超過(guò)地基土的極限承載力，地基土發(fā)生剪切破壞，將造成上部結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重破壞或倒塌，或影響正常使用，這些都是工程上所不允許的，而確定地基土的承載力，首先要研究土的抗剪強(qiáng)度問(wèn)題。三、抗剪強(qiáng)度定律------庫(kù)侖定律無(wú)粘性土粘性土四、莫爾理論斜面上的應(yīng)力莫爾應(yīng)力圓方程【例】已知某點(diǎn)σ1=420Kpa,σ3=180Kpa,c=18Kpa,φ=20°問(wèn):1、該點(diǎn)破壞否？

2、是否沿剪應(yīng)力最大面破壞？解1、AB解2、最大剪應(yīng)力作用平面上的σ圓心坐標(biāo)45°面上的τmax=120Kpa<τf=127KPa；∴不會(huì)沿該面破壞1.用莫爾理論研究土的強(qiáng)度忽略了中主應(yīng)力σ2的影響。（平面問(wèn)題）2.土的破壞是土中某斜截面上的τ＞τf所致。3.抗剪強(qiáng)度τf不是常數(shù)，它與剪切面上的法向應(yīng)力成正比。4.破壞面不一定是最大剪應(yīng)力作用平面（45°面）而是在σ、τ的最不利組合的45°+φ/2面上。5.同一種土可以在不同的應(yīng)力狀態(tài)下被剪破，這樣一組土樣的極限應(yīng)力圓的公切線是強(qiáng)度包線，它一般為曲線，但可以近似地用庫(kù)侖公式所表達(dá)的直線代替，即τf=σtgφ+c土的強(qiáng)度理論概括如下：§7.3土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)定土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的試驗(yàn)稱為剪切試驗(yàn)十字板剪切試驗(yàn)(適用:飽和軟粘土)大型直接剪切試驗(yàn)直接剪切試驗(yàn)三軸壓縮試驗(yàn)(無(wú)側(cè)向抗壓強(qiáng)度試驗(yàn))抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)室內(nèi)室外第7章土的抗剪強(qiáng)度7.3.1直接剪切試驗(yàn)1.試驗(yàn)儀器§7.3土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)第7章土的抗剪強(qiáng)度PSTA7.3.1直接剪切試驗(yàn)§7.3土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)第7章土的抗剪強(qiáng)度直剪儀直剪儀直剪儀直剪儀直剪儀直剪儀的優(yōu)點(diǎn):設(shè)備簡(jiǎn)單,價(jià)格便宜,操作方便,易于掌握直剪儀的缺點(diǎn):④試驗(yàn)時(shí)不能嚴(yán)格控制排水條件，不能量測(cè)孔隙水壓力。①限定的剪切面不是土樣最薄弱面；②應(yīng)力應(yīng)變分布不均勻,且垂直荷載發(fā)生偏轉(zhuǎn),使主應(yīng)力大小方向都發(fā)生偏轉(zhuǎn);③受剪面積逐漸縮小,而在計(jì)算抗剪強(qiáng)度時(shí)仍按土樣的原截面積計(jì)算；7.3.1直接剪切試驗(yàn)§7.3土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)第7章土的抗剪強(qiáng)度7.3.1直接剪切試驗(yàn)§7.3土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)第7章土的抗剪強(qiáng)度PSTAσ

=100KPa位移σ

=200KPaσ

=300KPaOc2.試驗(yàn)步驟：7.3.1直接剪切試驗(yàn)§7.3土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)第7章土的抗剪強(qiáng)度2.試驗(yàn)步驟：①取峰值或穩(wěn)定值②取剪切位移4mm對(duì)應(yīng)的τ作為τf有關(guān)破壞標(biāo)準(zhǔn)直接剪切試驗(yàn)在直剪試驗(yàn)過(guò)程中，不能量測(cè)孔隙水應(yīng)力，也不能控制排水，所以只能以總應(yīng)力法來(lái)表示土的抗剪強(qiáng)度。根據(jù)加垂直荷載后固結(jié)程度和剪切速率的快慢可將直剪試驗(yàn)劃分為:快剪(q)

quickshear固結(jié)快剪(cq)

consolidatedquickshear慢剪(s)

slowshear3.試驗(yàn)方法及結(jié)果：7.3.1直接剪切試驗(yàn)§7.3土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)第7章土的抗剪強(qiáng)度直剪試驗(yàn)類型試驗(yàn)類型加垂直荷載時(shí)剪切時(shí)（水平）綜合速度快剪

q不固結(jié)（u1＞0）快快（u2＞0）0.8mm/min快+快u=u1+u2＞0固結(jié)快剪

cq固結(jié)（u1=0）慢同上慢+快u=u1+u2=u2＞0慢剪

s同上慢（u2=0）0.02mm/min慢+慢u=u1+u2=0注：手輪一圈0.01mm7.3.1直接剪切試驗(yàn)§7.3土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)第7章土的抗剪強(qiáng)度φcqφqcqccqC值差不多,但φs

＞

φcq＞φq∴慢剪的抗剪強(qiáng)度τf最大。粘性土粘性土三種直剪試驗(yàn)結(jié)果7.3.1直接剪切試驗(yàn)§7.3土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)第7章土的抗剪強(qiáng)度無(wú)粘性土三種直剪試驗(yàn)結(jié)果但非常接近。實(shí)際上砂土只有慢剪，垂直加荷半小時(shí)，剪切速率0.04mm/min（4轉(zhuǎn)/分）結(jié)果與慢剪相似。無(wú)粘性土7.3.1直接剪切試驗(yàn)§7.3土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)第7章土的抗剪強(qiáng)度7.3.2三軸壓縮試驗(yàn)三軸壓縮試驗(yàn)實(shí)質(zhì)就是三軸剪切試驗(yàn)。它是進(jìn)行土的抗剪強(qiáng)度的精密試驗(yàn)。因此，重大工程和科學(xué)研究都常做三軸試驗(yàn)。優(yōu)點(diǎn)：（1）可嚴(yán)格控制排水條件；（2）可量測(cè)土樣中的孔隙水壓力；（3）破裂面在最軟弱處；（4）是一種多用途的試驗(yàn)設(shè)備，如測(cè)孔隙水壓力系數(shù)，側(cè)壓力系數(shù)，變形模量等。缺點(diǎn)：（1）2=3，軸對(duì)稱。（擬三軸，假三軸）（2）應(yīng)力應(yīng)變?nèi)圆粔蚓鶆?，端部影響較大。§7.3土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)第7章土的抗剪強(qiáng)度三軸壓縮試驗(yàn)三軸壓縮試驗(yàn)三軸壓縮試驗(yàn)

1.試驗(yàn)裝置①壓力室；②圍壓系統(tǒng)；③軸壓系統(tǒng)；④孔隙水壓力量測(cè)系統(tǒng)；⑤排水系統(tǒng)主要組成：2.試驗(yàn)步驟：①制樣3-4個(gè)。尺寸d35-101mm，高≈2d②飽和（抽氣，水頭，反壓）③安裝④施加σ3⑤施加σ1至破壞試樣壓力室壓力水排水管閥門軸向加壓桿有機(jī)玻璃罩橡皮膜透水石頂帽7.3.2三軸壓縮試驗(yàn)§7.3土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)第7章土的抗剪強(qiáng)度7.3.2三軸壓縮試驗(yàn)§7.3土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)第7章土的抗剪強(qiáng)度強(qiáng)度包線(1-)f

(1-)f3.試驗(yàn)方法：按排水固結(jié)條件分①不排水剪（不固結(jié)不排水剪）UU

UnconsolidatedUndriaindTest②固結(jié)不排水剪

CU

ConsolidatedUndriaindTest③排水剪（固結(jié)排水剪）CD

ConsolidatedDriaindTest7.3.2三軸壓縮試驗(yàn)§7.3土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)第7章土的抗剪強(qiáng)度ccu

、cu

三種試驗(yàn)方法的試驗(yàn)條件試驗(yàn)類型加圍壓時(shí)（σ3）加軸壓時(shí)（σ1）全過(guò)程不排水剪UU不排水（不固結(jié)）u3＞0不排水u1＞0u=u3+u1＞0固結(jié)不排水剪CU排水（固結(jié)）u3=0不排水u1＞0u=u3+u1=u1＞0排水剪CD排水（固結(jié)）u3=0排水u1=0u=u3+u1=07.3.2三軸壓縮試驗(yàn)§7.3土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)第7章土的抗剪強(qiáng)度cd

、d

cu、u

7.3.3無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)是三軸試驗(yàn)的一個(gè)特例，即σ3=0時(shí)的不排水剪。適用條件：只能用于粘性土。尤其是高塑性飽和粘性土即φ=0。試驗(yàn)方法：在σ3=0施加σ1至破壞。破壞時(shí)的σ1以qu表示ququ加壓框架量表量力環(huán)升降螺桿無(wú)側(cè)限壓縮儀試樣§7.3土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)第7章土的抗剪強(qiáng)度無(wú)側(cè)限壓縮儀7.3.3無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)§7.3土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)第7章土的抗剪強(qiáng)度極限應(yīng)力圓不排水強(qiáng)度飽和粘性土φu=0飽和粘性土7.3.3無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)§7.3土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)第7