土力學(xué)與基礎(chǔ)工程土的抗剪強(qiáng)度

土力學(xué)與基礎(chǔ)工程土的抗剪強(qiáng)度第一頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二給土的抗剪強(qiáng)度下定義：土體抵抗剪切破壞的極限能力

第二頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二5.1

土的抗剪強(qiáng)度與極限平衡原理5.1.1

庫侖定律f=c+tan粘土c庫侖定律：土的抗剪強(qiáng)度是剪切面上的法向總應(yīng)力

的線性函數(shù)

ff=tan砂土f第三頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二庫倫公式兩大抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c:土的粘聚力:土的內(nèi)摩擦角注：對(duì)于無粘性土而言c=0)第四頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二土的抗剪強(qiáng)度一般可分為兩部分：第一部分與顆粒間的法向應(yīng)力有關(guān)，通常呈正比例關(guān)系，其本質(zhì)是摩擦力；另一部分是與法向應(yīng)力無關(guān)的土粒之間的粘結(jié)力，通常稱為粘聚力。第五頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二影響因素土的抗剪強(qiáng)度內(nèi)在因素外在因素：試驗(yàn)時(shí)的排水條件等因素顆粒間的有效法向應(yīng)力土的孔隙比第六頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二表達(dá)方法土的抗剪強(qiáng)度總應(yīng)力法：總應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)有效應(yīng)力法：有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)第七頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二

莫爾包線表示材料在不同應(yīng)力作用下達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)，滑動(dòng)面上法向應(yīng)力與剪應(yīng)力f的關(guān)系。莫爾包線f=c+tan5.1.2莫爾-庫倫強(qiáng)度理論第八頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二土體內(nèi)一點(diǎn)處不同方位的截面上應(yīng)力的集合（剪應(yīng)力和法向應(yīng)力）

331131斜面上的應(yīng)力5.1.3土中一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)第九頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二O131/2(1+3)2A(,)31莫爾圓可以表示土體中任何一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)，莫爾圓圓周上各點(diǎn)的坐標(biāo)就表示該點(diǎn)在相應(yīng)平面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力。第十頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二當(dāng)應(yīng)力圓與強(qiáng)度線相離時(shí)：

強(qiáng)度包線當(dāng)應(yīng)力圓與強(qiáng)度線相切時(shí)：當(dāng)應(yīng)力圓與強(qiáng)度線相割時(shí)：極限應(yīng)力摩爾圓τ<τf

（處于彈性平衡狀態(tài)）

τ=τf

（處于極限平衡狀態(tài)）

τ>τf

（處于破壞狀態(tài)）

5.1.4土的極限平衡條件第十一頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二莫爾－庫侖破壞的準(zhǔn)則：31c

f2

fAcctg1/2(1+3)無粘性土：c=0粘性土：第十二頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二ABDOτστ＝τf極限平衡條件莫爾－庫侖破壞準(zhǔn)則極限應(yīng)力圓破壞應(yīng)力圓剪切破壞面第十三頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二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)無粘性土的極限平衡條件：σ1=σ3tg2(45+φ/2)σ3=σ1tg2(45－φ/2)第十四頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二

土體處于極限平衡狀態(tài)時(shí)，破壞面與大主應(yīng)力作用面的夾角為

f＝

f2

f31cAcctg1/2(1+3)max第十五頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二的方法測(cè)定土抗剪強(qiáng)度直接剪切試驗(yàn)三軸壓縮試驗(yàn)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)十字板剪切儀5.2

土的剪切試驗(yàn)方法第十六頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二試驗(yàn)儀器：直剪儀（應(yīng)變控制式，應(yīng)力控制式）5.2.1直接剪切試驗(yàn)第十七頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二應(yīng)變控制式直剪儀的試驗(yàn)原理：

對(duì)同一種土至少取4個(gè)平行試樣，分別在不同垂直壓力下剪切破壞，將試驗(yàn)結(jié)果繪制抗剪強(qiáng)度f與相應(yīng)垂直壓力的關(guān)系圖。第十八頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二剪切容器與應(yīng)力環(huán)第十九頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二第二十頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二第二十一頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二在不同的垂直壓力下進(jìn)行剪切試驗(yàn)，得相應(yīng)的抗剪強(qiáng)度τf，繪制τf-

曲線，得該土的抗剪強(qiáng)度包線第二十二頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二在法向應(yīng)力作用下，剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線。4mm

a

b

剪切位移△l(0.01mm)

剪應(yīng)力（kPa)

1

2

第二十三頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二快剪固結(jié)快剪慢剪根據(jù)加荷速率的快慢分類：第二十四頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二直剪試驗(yàn)優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：儀器構(gòu)造簡(jiǎn)單，試樣的制備和安裝方便，易于操作。缺點(diǎn)：①剪切破壞面固定，且不一定是土樣的最薄弱面。②不能嚴(yán)格控制排水條件，不能量測(cè)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(yīng)力分布不均勻。第二十五頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二一、抗剪強(qiáng)度包線

分別在不同的周圍壓力3作用下進(jìn)行剪切，得到3～4個(gè)不同的破壞應(yīng)力圓，繪出各應(yīng)力圓的公切線即為土的抗剪強(qiáng)度包線。

抗剪強(qiáng)度包線

c5.2.2三軸壓縮試驗(yàn)第二十六頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二二、三軸剪切試驗(yàn)試驗(yàn)儀器組成：

應(yīng)變控制式三軸儀：壓力室，加壓系統(tǒng)，量測(cè)系統(tǒng)組成應(yīng)力控制式三軸儀第二十七頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二試驗(yàn)步驟:

3

3

3

3

3

3△△第二步：施加周圍壓力第三步：施加豎向壓力第一步：裝土樣第二十八頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二三軸壓縮儀第二十九頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二軸向加荷系統(tǒng)第三十頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二加壓和量測(cè)系統(tǒng)第三十一頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二三軸試驗(yàn)優(yōu)缺點(diǎn)：

優(yōu)點(diǎn)：①能控制排水條件，量測(cè)孔隙水壓力。②試樣的應(yīng)力分布比較均勻，剪切破壞面為最薄弱面。

缺點(diǎn)：①試驗(yàn)儀器復(fù)雜，操作技術(shù)要求高，試樣制備較復(fù)雜。②試驗(yàn)在2=3的軸對(duì)稱條件下進(jìn)行，與土體實(shí)際受力情況可能不符。

第三十二頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二5.3

不同排水條件時(shí)的剪切試驗(yàn)5.3.1

總應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)與有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)c、

為土的有效粘聚力和有效內(nèi)摩擦角，即土的有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)c、

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

第三十三頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二

三軸壓縮試驗(yàn)可以分為三種試驗(yàn)方法：

1.不固結(jié)不排水試驗(yàn)(UU試驗(yàn))

2.固結(jié)不排水試驗(yàn)(CU試驗(yàn))

3.固結(jié)排水試驗(yàn)(CD試驗(yàn))5.3.2不同排水條件時(shí)的剪切試驗(yàn)方法第三十四頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二1.不固結(jié)不排水剪（UU）

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

3

3

3

3

3

3△△直剪試驗(yàn)：通過試驗(yàn)加荷的快慢來實(shí)現(xiàn)是否排水。使試樣在3～5min內(nèi)剪破，稱之為快剪。關(guān)閉排水閥第三十五頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二

3

3

3

3

3

3△△有效應(yīng)力圓總應(yīng)力圓u=0BCcuA

3A

1A飽和粘性土在三組3下的不排水剪試驗(yàn)得到A、B、C三個(gè)不同3作用下破壞時(shí)的總應(yīng)力圓，但只能得到一個(gè)有效應(yīng)力圓。為什么強(qiáng)度包線是一條水平線第三十六頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二2.固結(jié)不排水剪（CU）

三軸試驗(yàn)：施加周圍壓力3時(shí)打開排水閥門，試樣完全排水固結(jié)，孔隙水壓力完全消散。然后關(guān)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(yàn)：剪切前試樣在垂直荷載下充分固結(jié)，剪切時(shí)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(jié)快剪。關(guān)閉排水閥第三十七頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二

3

3

3

3

3

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

ccuc

cu飽和粘性土在三組3下進(jìn)行固結(jié)不排水剪試驗(yàn)得到A、B、C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)度包線確定固結(jié)不排水剪總應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)ccu、

cuABC第三十八頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二3.固結(jié)排水剪（CD）

三軸試驗(yàn)：試樣在圍壓3作用下排水固結(jié)，再緩慢施加軸向壓力增量△，直至剪破，整個(gè)試驗(yàn)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(yàn)：試樣在垂直壓力下固結(jié)穩(wěn)定，再以緩慢的速率施加水平剪力，直至剪破，整個(gè)試驗(yàn)過程中盡量使土樣排水，試驗(yàn)方法稱為慢剪。打開排水閥第三十九頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二在整個(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cd、d。cdd總結(jié):

3

3

3

3

3＋△

3＋△對(duì)于同一種土，在不同的排水條件下進(jìn)行試驗(yàn)，總應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)完全不同。有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)不隨試驗(yàn)方法的改變而不同，抗剪強(qiáng)度與有效應(yīng)力有唯一的對(duì)應(yīng)關(guān)系。第四十頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二ququ加壓框架量表量力環(huán)升降螺桿無側(cè)限壓縮儀3=0試樣5.3.3無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)第四十一頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二無側(cè)限壓縮儀第四十二頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二0cu無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)qu無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)所得的極限應(yīng)力圓的水平切線就是破壞包線第四十三頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二加壓框架量表量力環(huán)升降螺桿無側(cè)限壓縮儀試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)第四十四頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二無側(cè)限壓縮儀第四十五頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二