土力學土的抗剪強度

土力學土的抗剪強度第1頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六土的抗剪強度：土體抵抗剪切破壞的極限能力

第2頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六工程實例－地基承載力問題第3頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六工程實例－地基承載力問題1911年動工1913年完工谷倉自重20000噸1913年10月17日發(fā)現1小時內豎向沉降達30.5厘米，結構物向西傾斜，并在24小時內傾倒，谷倉西端下沉7.32米，東端上抬1.52米。原因：地基承載力不夠，超載引發(fā)強度破壞而產生滑動。加拿大特朗斯康谷倉第4頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六工程實例－地基承載力問題第5頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六工程實例－地基承載力問題近代世界上最嚴重的建筑物破壞之一1940年水泥倉庫裝載水泥，使粘性土超載，引起地基土剪切破壞而滑動。傾斜45度，地基土被擠出達5.18米，23米外的辦公樓也發(fā)生傾斜。美國紐約某水泥倉庫第6頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六5.1

土的抗剪強度與極限平衡原理5.1.1

庫侖定律1776年，庫侖根據砂土剪切試驗得出f=tan砂土后來，根據粘性土剪切試驗得出f=c+tan粘土c庫侖定律：土的抗剪強度是剪切面上的法向總應力

的線性函數

ff第7頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六庫倫公式抗剪強度指標c:土的粘聚力:土的內摩擦角(無粘性土：c=0)第8頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六

土的抗剪強度一般可分為兩部分：一部分與顆粒間的法向應力有關，通常呈正比例關系，其本質是摩擦力；另一部分是與法向應力無關的土粒之間的粘結力，通常稱為粘聚力。第9頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六影響因素土的抗剪強度內在因素外在因素：試驗時的排水條件等因素顆粒間的有效法向應力土的孔隙比第10頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六表達方法土的抗剪強度總應力法：總應力強度指標有效應力法：有效應力強度指標第11頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六

莫爾包線表示材料在不同應力作用下達到極限狀態(tài)時，滑動面上法向應力與剪應力f的關系。莫爾包線f=c+tan5.1.2莫爾-庫倫強度理論第12頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六土體內一點處不同方位的截面上應力的集合（剪應力和法向應力）

331131斜面上的應力5.1.3土中一點的應力狀態(tài)第13頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六O131/2(1+3)2A(,)土中某點的應力狀態(tài)可用莫爾應力圓描述

31莫爾圓可以表示土體中一點的應力狀態(tài)，莫爾圓圓周上各點的坐標就表示該點在相應平面上的正應力和剪應力。第14頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六應力圓與強度線相離：

強度線應力圓與強度線相切：應力圓與強度線相割：極限應力圓τ<τf

彈性平衡狀態(tài)

τ=τf

極限平衡狀態(tài)

τ>τf

破壞狀態(tài)

5.1.4土的極限平衡條件第15頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六莫爾－庫侖破壞準則31c

f2

fAcctg1/2(1+3)無粘性土：c=0粘性土：第16頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六ABDOτστ＝τf極限平衡條件莫爾－庫侖破壞準則極限應力圓破壞應力圓剪切破壞面第17頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六粘性土的極限平衡條件σ1=σ3tg2(45+φ/2)＋2ctg(45+φ/2)σ3=σ1tg2(45－φ/2)－2ctg(45－φ/2)第18頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六無粘性土的極限平衡條件σ1=σ3tg2(45+φ/2)σ3=σ1tg2(45－φ/2)第19頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六

土體處于極限平衡狀態(tài)時，破壞面與大主應力作用面的夾角為

f＝

f2

f31cAcctg1/2(1+3)說明：剪破面并不產生于最大剪應力面，而與最大剪應力面成/2的夾角。因此，土的剪切破壞并不是由最大剪應力τmax所控制。

max第20頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六的方法測定土抗剪強度直接剪切試驗三軸壓縮試驗無側限抗壓強度試驗現場十字板剪切儀5.2

土的剪切試驗方法第21頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六試驗儀器：直剪儀（應變控制式，應力控制式）5.2.1直接剪切試驗第22頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六應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，將試驗結果繪制抗剪強度f與相應垂直壓力的關系圖。第23頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六第24頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六剪切容器與應力環(huán)第25頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六第26頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六第27頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六在不同的垂直壓力下進行剪切試驗，得相應的抗剪強度τf，繪制τf-

曲線，得該土的抗剪強度包線第28頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六在法向應力作用下，剪應力與剪切位移關系曲線。4mm

a

b

剪切位移△l(0.01mm)

剪應力（kPa)

1

2

第29頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六快剪固結快剪慢剪在直剪試驗過程中，根據加荷速率的快慢可將試驗劃分為:第30頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六直剪試驗優(yōu)缺點優(yōu)點：儀器構造簡單，試樣的制備和安裝方便，易于操作。缺點：①剪切破壞面固定，且不一定是土樣的最薄弱面。②不能嚴格控制排水條件，不能量測土樣的孔隙水壓力。③剪切過程中試樣剪切面積逐漸減小，剪切面上的剪應力分布不均勻。第31頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六一、抗剪強度包線

分別在不同的周圍壓力3作用下進行剪切，得到3～4個不同的破壞應力圓，繪出各應力圓的公切線即為土的抗剪強度包線。

抗剪強度包線

c5.2.2三軸壓縮試驗第32頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六二、三軸剪切試驗試驗儀器：應變控制式三軸儀：壓力室，加壓系統(tǒng)，量測系統(tǒng)組成(常用）應力控制式三軸儀第33頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六試驗步驟:

3

3

3

3

3

3△△2.施加周圍壓力3.施加豎向壓力1.裝樣第34頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六三軸壓縮儀第35頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六應變控制式三軸儀：壓力室加壓系統(tǒng)量測系統(tǒng)軸向加荷系統(tǒng)第36頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六加壓和量測系統(tǒng)第37頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六三軸試驗優(yōu)缺點

優(yōu)點：

①能控制排水條件，量測孔隙水壓力。②試樣的應力分布比較均勻，剪切破壞面為最薄弱面。

缺點：

①試驗儀器復雜，操作技術要求高，試樣制備較復雜。②試驗在2=3的軸對稱條件下進行，與土體實際受力情況可能不符。

第38頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六5.3

不同排水條件時的剪切試驗成果5.3.1

總應力強度指標與有效應力強度指標c、

為土的有效粘聚力和有效內摩擦角，即土的有效應力強度指標c、

為土的總應力強度指標有效應力原理：土的抗剪強度并不是由剪切面上的法向總應力決定，而是取決于剪切面上的法向有效應力。

第39頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六三軸壓縮試驗按剪切前的固結程度和剪切時的排水條件，可以分為三種試驗方法：

1.不固結不排水試驗(UU試驗)

2.固結不排水試驗(CU試驗)

3.固結排水試驗(CD試驗)5.3.2不同排水條件時的剪切試驗方法及成果第40頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六1.不固結不排水剪（UU）

三軸試驗：施加周圍壓力3、軸向壓力△直至剪破的整個過程都關閉排水閥門，不允許試樣排水固結。

3

3

3

3

3

3△△直剪試驗：通過試驗加荷的快慢來實現是否排水。使試樣在3～5min內剪破，稱之為快剪。關閉排水閥第41頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六

3

3

3

3

3

3△△有效應力圓總應力圓u=0BCcuuAA

3A

1A飽和粘性土在三組3下的不排水剪試驗得到A、B、C三個不同3作用下破壞時的總應力圓，但只能得到一個有效應力圓。試驗表明：雖然三個試樣的周圍壓力3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。第42頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六2.固結不排水剪（CU）

三軸試驗：施加周圍壓力3時打開排水閥門，試樣完全排水固結，孔隙水壓力完全消散。然后關閉排水閥門，再施加軸向壓力增量△，使試樣在不排水條件下剪切破壞。

3

3

3

3

3

3△△直剪試驗：剪切前試樣在垂直荷載下充分固結，剪切時速率較快，使土樣在剪切過程中不排水，這種剪切方法為稱固結快剪。打開排水閥關閉排水閥第43頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六

3

3

3

3

3

3△△將總應力圓在水平軸上左移uf得到相應的有效應力圓，按有效應力圓強度包線可確定c、

ccuc

cu飽和粘性土在三組3下進行固結不排水剪試驗得到A、B、C三個不同3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ccu、

cuABC第44頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六3.固結排水剪（CD）

三軸試驗：試樣在圍壓3作用下排水固結，再緩慢施加軸向壓力增量△，直至剪破，整個試驗過程中打開排水閥門，始終保持試樣的孔隙水壓力為零。

3

3

3

3

3

3△△直剪試驗：試樣在垂直壓力下固結穩(wěn)定，再以緩慢的速率施加水平剪力，直至剪破，整個試驗過程中盡量使土樣排水，試驗方法稱為慢剪。打開排水閥第45頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六在整個排水剪試驗過程中，uf

＝0，總應力全部轉化為有效應力，所以總應力圓即是有效應力圓，總應力強度線即是有效應力強度線，強度指標為cd、d。cdd總結:

3

3

3

3

3＋△

3＋△對于同一種土，在不同的排水條件下進行試驗，總應力強度指標完全不同。有效應力強度指標不隨試驗方法的改變而不同，抗剪強度與有效應力有唯一的對應關系。第46頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六ququ加壓框架量表量力環(huán)升降螺桿無側限壓縮儀3=0試樣5.3.3無側限抗壓強度試驗第47頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六無側限壓縮儀第48頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六0cu無側限抗壓強度試驗qu無側限抗壓強度試驗所得的極限應力圓的水平切線就是破壞包線第49頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六5.4

地基破壞型式和地基承載力整體剪切