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1、会计学1岩土力学课件土的抗剪强度岩土力学课件土的抗剪强度2p土压力p边坡稳定p地基承载力p挡土结构物破坏p各种类型的滑坡p地基的破坏工程中土体的破坏类型第1页/共54页3工程中的强度问题概述工程中的强度问题概述工程中的强度问题概述工程中的强度问题概述土的抗剪强度：土的抗剪强度：土的抗剪强度：土的抗剪强度：土体抵抗剪切破坏的极限能力土体抵抗剪切破坏的极限能力土体抵抗剪切破坏的极限能力土体抵抗剪切破坏的极限能力 第2页/共54页49.19.19.19.1土的抗剪强度与极限平衡条件土的抗剪强度与极限平衡条件土的抗剪强度与极限平衡条件土的抗剪强度与极限平衡条件n n一、库仑一、库仑定律定律1776年，
2、库仑根据砂土剪切试验f=tan 砂土后来，根据粘性土剪切试验f=c+tan 粘土c库仑定律：土的抗剪强度是剪切面上的法向总应力 的线性函数 c:土的粘聚力:土的内摩擦角ff第3页/共54页5Occ：粘聚力 ：内摩擦角 库仑公式土的抗剪强度的计算第4页/共54页6二、土体抗剪强度影响因素二、土体抗剪强度影响因素二、土体抗剪强度影响因素二、土体抗剪强度影响因素 摩擦力的两个来源摩擦力的两个来源摩擦力的两个来源摩擦力的两个来源 1.1.1.1.滑动摩擦：滑动摩擦：滑动摩擦：滑动摩擦：剪切面土粒间表面的粗糙所产生的剪切面土粒间表面的粗糙所产生的剪切面土粒间表面的粗糙所产生的剪切面土粒间表面的粗糙所产生
3、的摩擦摩擦摩擦摩擦 2.2.2.2.咬合摩擦：咬合摩擦：咬合摩擦：咬合摩擦：土粒间互相嵌入所产生的咬合力土粒间互相嵌入所产生的咬合力土粒间互相嵌入所产生的咬合力土粒间互相嵌入所产生的咬合力 粘聚力：由土粒之间的胶结作用和电分子引力等粘聚力：由土粒之间的胶结作用和电分子引力等粘聚力：由土粒之间的胶结作用和电分子引力等粘聚力：由土粒之间的胶结作用和电分子引力等因素形成因素形成因素形成因素形成 抗剪强度影响因素抗剪强度影响因素抗剪强度影响因素抗剪强度影响因素摩擦力：摩擦力：摩擦力：摩擦力：剪切面上的法向总应力、土的初始密度、土剪切面上的法向总应力、土的初始密度、土剪切面上的法向总应力、土的初始密度、
4、土剪切面上的法向总应力、土的初始密度、土粒级配、土粒形状以及表面粗糙程度粒级配、土粒形状以及表面粗糙程度粒级配、土粒形状以及表面粗糙程度粒级配、土粒形状以及表面粗糙程度粘聚力：粘聚力：粘聚力：粘聚力：土中矿物成分、粘粒含量、含水量以及土的土中矿物成分、粘粒含量、含水量以及土的土中矿物成分、粘粒含量、含水量以及土的土中矿物成分、粘粒含量、含水量以及土的结构结构结构结构第5页/共54页7NT=NtguT滑动摩擦（1）滑动摩擦2、摩擦强度 tg由颗粒之间发生滑动时颗粒接触面粗糙不平所引起，与颗粒大小，矿物组成等因素有关0.02 0.06 0.2 0.6 23020颗粒直径 (mm)滑动摩擦角 u粗粉
5、 细砂 中砂 粗砂第6页/共54页8（2）咬合摩擦CABCAB剪切面是指相邻颗粒对于相对移动的约束作用当发生剪切破坏时，相互咬合着的颗粒A必须抬起，跨越相邻颗粒B，或在尖角处被剪断（C），才能移动 土体中的颗粒重新排列，也会消耗能量 第7页/共54页9n n密度（密度（密度（密度（e,e,e,e,n n粒径级配（粒径级配（粒径级配（粒径级配（C C C Cu u u u,C,C,C,Cc c c c）n n颗粒的矿物成分颗粒的矿物成分颗粒的矿物成分颗粒的矿物成分 对于对于对于对于 ：砂土：砂土：砂土：砂土 粘性土；粘性土；粘性土；粘性土；高岭石高岭石高岭石高岭石 伊里石伊里石伊里石伊里石 蒙特
6、石蒙特石蒙特石蒙特石n n粒径的形状（颗粒的棱角与长宽比）粒径的形状（颗粒的棱角与长宽比）粒径的形状（颗粒的棱角与长宽比）粒径的形状（颗粒的棱角与长宽比）在其他条件相同时：在其他条件相同时：在其他条件相同时：在其他条件相同时：一般，对于粗粒土，颗粒的棱角提高了内摩擦角一般，对于粗粒土，颗粒的棱角提高了内摩擦角一般，对于粗粒土，颗粒的棱角提高了内摩擦角一般，对于粗粒土，颗粒的棱角提高了内摩擦角 影响土的摩擦强度的主要因素：第8页/共54页10p粘聚强度机理n静电引力（库仑力）n范德华力n颗粒间胶结n假粘聚力（毛细力等）p粘聚强度影响因素n地质历史n粘土颗粒矿物成分n密度n离子价与离子浓度3、粘聚
7、强度第9页/共54页11莫尔圆应力分析符号规定材料力学+-+-土力学正应力剪应力拉为正压为负顺时针为正逆时针为负压为正拉为负逆时针为正顺时针为负莫尔-库伦强度理论(极限平衡条件)第10页/共54页123+-1大主应力：小主应力:圆心：半径：z按顺时针方向旋转x按顺时针方向旋转莫 尔 圆：代表一个土单元的应力状态；圆上一点：代表一个面上的两个应力与Oz+zx-xzx21rp第11页/共54页13O+zx21第12页/共54页14四、土的极限平衡条件四、土的极限平衡条件四、土的极限平衡条件四、土的极限平衡条件应力圆与强度线应力圆与强度线应力圆与强度线应力圆与强度线相离：相离：相离：相离：强度线应力
8、圆与强度线相切：应力圆与强度线相割：极限应力圆f 破坏状态 第13页/共54页15莫尔库仑破坏准则莫尔库仑破坏准则莫尔库仑破坏准则莫尔库仑破坏准则n n莫尔应力圆与库仑强度线相切的应力状态作莫尔应力圆与库仑强度线相切的应力状态作莫尔应力圆与库仑强度线相切的应力状态作莫尔应力圆与库仑强度线相切的应力状态作为土的破坏准则为土的破坏准则为土的破坏准则为土的破坏准则(目前判别土体所处状态的最常用准则目前判别土体所处状态的最常用准则目前判别土体所处状态的最常用准则目前判别土体所处状态的最常用准则)强度线第14页/共54页16莫尔-库仑强度理论表达式极限平衡条件13Oc第15页/共54页17根据应力状态计
9、算出大小主应力1、3判断破坏可能性11f 不可能状态Oc1f311判别对象：土体微小单元（一点）3=常数：第16页/共54页18根据应力状态计算出大小主应力1、3判断破坏可能性33f 安全状态3=3f 极限平衡状态33f 不可能状态Oc 13f331=常数：第17页/共54页19f强度包线以内：任何一个面上的一对应力与 都没有达到破坏包线，不破坏；与破坏包线相切：该面上的应力达到破坏状态；与破坏包线相交：有一些平面上的应力超过强度；不可能发生。第18页/共54页20（1）土单元的某一个平面上的抗剪强度f是该面上作用的法向应力的单值函数,f=f()（莫尔：1900年）（2）在一定的应力范围内，可
10、以用线性函数近似：f=c+tg（3）某土单元的任一个平面上=f，该单元就达到了极限平衡应力状态3.莫尔库仑强度理论第19页/共54页21例1:一饱和粘性土试样在三轴仪中进行固结不排水试验,施加周围压力 ,试件破坏时主应力差 ,测得孔隙水压力 ,有效内摩擦角 ,有效粘聚力 ,试求破坏面上的法向应力和剪应力及试件中的最大剪应力.第20页/共54页22例2:试说明为什么上例中试样发生在57的平面,而不是发生在最大剪应力的作用面.第21页/共54页23231f45/2破裂面Oc1f325.滑裂面的位置 与大主应力面夹角：=45+/2破坏面为什么不在最大剪应力作用面上？第22页/共54页24室内试验室内
11、试验室内试验室内试验野外试验野外试验野外试验野外试验9.2 抗剪强度测定试验三轴试验、直剪试验等 制样（重塑土）或现场取样 缺点：扰动 优点：应力条件清楚，易重复十字板扭剪试验、旁压试验等 原位试验 缺点：应力条件不易掌握 优点：原状土的原位强度第23页/共54页25二、土的抗剪强度指标测定施加 （=P/A）施加 S量测 （=T/A）上盒下盒PSTA1、直剪试验（库仑 1776）试验方法=100KPaS=200KPa=300KPa第24页/共54页26试验仪器：直剪仪（应力控制式，应变控制式）第25页/共54页27Occ：粘聚力 ：内摩擦角 =100KPaS=200KPa=300KPa库仑公式
12、f：土的抗剪强度tg：摩擦强度-正比于压力c：粘聚强度试验结果第26页/共54页28通过控制剪切速率来近似模拟排水条件二、直剪试验PSTA(1)固结慢剪 施加正应力-充分固结 慢慢施加剪应力-小于0.02mm/分，以保证无超静孔压(2)固结快剪 施加正应力-充分固结 在3-5分钟内剪切破坏(3)快剪 施加正应力后 立即剪切3-5分钟内剪切破坏第27页/共54页29l 设备简单，操作方便l 结果便于整理l 测试时间短优点l 试样应力状态复杂l 应变不均匀l 不易控制排水条件l 剪切面固定缺点PSTA类似试验：环剪试验单剪试验二、直剪试验TP试样内的变形分布第28页/共54页301、试样应力特点与
13、试验方法2、强度包线3、试验类型4、优缺点试样压力室压力水排水管阀门轴向加压杆有机玻璃罩橡皮膜透水石顶帽量测体变或孔压三轴试验第29页/共54页31二、三轴剪切试验二、三轴剪切试验二、三轴剪切试验二、三轴剪切试验n n应变控制式三轴仪：压力室，加压系统，量测系统应变控制式三轴仪：压力室，加压系统，量测系统应变控制式三轴仪：压力室，加压系统，量测系统应变控制式三轴仪：压力室，加压系统，量测系统组成组成组成组成n n应力控制式三轴仪应力控制式三轴仪应力控制式三轴仪应力控制式三轴仪n试验步骤:3 3 3 3 3 32.施加周围压力3.施加竖向压力1.装样第30页/共54页32方法：首先试样施加静水压
14、力室压（围压）1=2=3；然后通过活塞杆施加的是应力差1=1-3。1、试样应力特点与试验方法特点：试样是轴对称应力状态。垂直应力z一般是大主应力；径向与切向应力总是相等r=，亦即1=z；2=3=r第31页/共54页33v固结排水试验（CD试验）1 打开排水阀门，施加围压后充分固结，超静孔隙水压力完全消散；2 打开排水阀门，慢慢施加轴向应力差以便充分排水，避免产生超静孔压v固结不排水试验（CU试验）1 打开排水阀门，施加围压后充分固结，超静孔隙水压力完全消散；2 关闭排水阀门，很快剪切破坏，在施加轴向应力差过程中不排水v不固结不排水试验（UU试验）1 关闭排水阀门，围压下不固结；2 关闭排水阀门
15、，很快剪切破坏，在施加轴向应力差过程中不排水cd、d ccu、cu cu、u 3、试验类型第32页/共54页34二二二二.三轴试验强度指标三轴试验强度指标三轴试验强度指标三轴试验强度指标剪切前固结条件剪切中排水条件固结Consolidated排水Drained1.固结排水试验（CD）2.固结不排水试验（CU）固结Consolidated不排水Undrained不固结Unconsolidated不排水Undrained三种试验3.不固结不排水试验（UU）第33页/共54页35强度包线(1-)fc(1-)f11-31=15%v分别作围压为100 kPa、200 kPa、300 kPa的三轴试验，得
16、到破坏时相应的（1-)fv绘制三个破坏状态的应力莫尔圆，画出它们的公切线强度包线，得到强度指标 c 与 2、强度包线第34页/共54页36v优点：1 应力状态和应力路径明确；2 排水条件清楚，可控制；3 破坏面不是人为固定的v缺点：设备相对复杂，现场难以试验说明：30 即为无侧限抗压强度试验4、优点和缺点真三轴仪空心圆柱扭剪仪第35页/共54页37三、无侧限抗压强度试验三、无侧限抗压强度试验三、无侧限抗压强度试验三、无侧限抗压强度试验ququ加压框架量表量力环升降螺杆无侧限压缩仪无侧限抗压强度试验是三轴剪切试验的特例，对试样不施加周围压力，即3=0，只施加轴向压力直至发生破坏，试样在无侧限压力
17、条件下，剪切破坏时试样承受的最大轴向压力qu，称为无侧限抗压强度 试样第36页/共54页38v一般适用于测定软粘土的不排水强度指标；v钻孔到指定的土层，插入十字形的探头；v通过施加的扭矩计算土的抗剪强度三、十字板剪切试验第37页/共54页399.3 9.3 9.3 9.3 排水条件与试验成果的关系排水条件与试验成果的关系排水条件与试验成果的关系排水条件与试验成果的关系n n一、总应力强度指标与有效应力强度指标一、总应力强度指标与有效应力强度指标一、总应力强度指标与有效应力强度指标一、总应力强度指标与有效应力强度指标库仑定律说明：施加于试样上的垂直法向应力为总应力，c、为总应力意义上的土的粘聚力
18、和内摩擦角，称之为总应力强度指标 根据有效应力原理：土的抗剪强度并不是由剪切面上的法向总应力决定，而是取决于剪切面上的法向有效应力 c、为土的有效粘聚力和有效内摩擦角，即土的有效应力强度指标 有效应力强度指标确切地表达出了土的抗剪强度的实质，是比较合理的表达方法 第38页/共54页40n n二、不同排水条件时的剪切试验方法及成果表达二、不同排水条件时的剪切试验方法及成果表达二、不同排水条件时的剪切试验方法及成果表达二、不同排水条件时的剪切试验方法及成果表达1.不固结不排水剪（UU）n三轴试验：施加周围压力3、轴向压力直至剪破的整个过程都关闭排水阀门，不允许试样排水固结 3 3 3 3 3 3n
19、直剪试验：通过试验加荷的快慢来实现是否排水。使试样在35min之内剪破，称之为快剪关闭排水阀第39页/共54页41 3 3 3 3 3 3有效应力圆总应力圆u=0BCcuuAA 3A 1A饱和粘性土在三组3下的不排水剪试验得到A、B、C三个不同3作用下破坏时的总应力圆试验表明：虽然三个试样的周围压力3不同，但破坏时的主应力差相等，三个极限应力圆的直径相等，因而强度包线是一条水平线三个试样只能得到一个有效应力圆 第40页/共54页422.固结不排水剪（CU）n三轴试验：施加周围压力3时打开排水阀门，试样完全排水固结，孔隙水压力完全消散。然后关闭排水阀门，再施加轴向压力增量，使试样在不排水条件下剪
20、切破坏 3 3 3 3 3 3n直剪试验：剪切前试样在垂直荷载下充分固结，剪切时速率较快，使土样在剪切过程中不排水，这种剪切方法为称固结快剪打开排水阀关闭排水阀第41页/共54页43 3 3 3 3 3 3将总应力圆在水平轴上左移uf得到相应的有效应力圆，按有效应力圆强度包线可确定c、ccuc cu饱和粘性土在三组3下进行固结不排水剪试验得到A、B、C三个不同3作用下破坏时的总应力圆，由总应力圆强度包线确定固结不排水剪总应力强度指标ccu、cuABC第42页/共54页443.固结排水剪（CD）n三轴试验：试样在周围压力3作用下排水固结，再缓慢施加轴向压力增量，直至剪破，整个试验过程中打开排水阀
21、门，始终保持试样的孔隙水压力为零 3 3 3 3 3 3n直剪试验：试样在垂直压力下固结稳定，再以缓慢的速率施加水平剪力，直至剪破，整个试验过程中尽量使土样排水，试验方法称为慢剪打开排水阀第43页/共54页45在整个排水剪试验过程中，uf 0，总应力全部转化为有效应力，所以总应力圆即是有效应力圆，总应力强度线即是有效应力强度线。强度指标为cd、dcdd总结:3 3 3 3 3 3对于同一种土，在不同的排水条件下进行试验，总应力强度指标完全不同有效应力强度指标不随试验方法的改变而不同，抗剪强度与有效应力有唯一的对应关系第44页/共54页46n n三、抗剪强度指标的选用三、抗剪强度指标的选用三、抗
22、剪强度指标的选用三、抗剪强度指标的选用 土的抗剪强度指标随试验方法、排水条件的不同而异，对于具体工程问题，应该尽可能根据现场条件决定采用实验室的试验方法，以获得合适的抗剪强度指标 试验方法适用条件不排水剪或快剪地基土的透水性和排水条件不良，建筑物施工速度较快排水剪或慢剪地基土的透水性好，排水条件较佳，建筑物加荷速率较慢固结不排水剪或固结快剪建筑物竣工以后较久，荷载又突然增大，或地基条件等介于上述两种情况之间第45页/共54页47cu=qu/2cuqu=(4)无侧限压缩试验：3=0的不排水试验第46页/共54页48例:某饱和粘性土无侧限抗压强度试验得到不排水抗剪强度 ，如果对同一土样进行三轴不固
23、结不排水试验，施加周围压力 ，问试件将在多大的轴向压力作用下发生破坏？第47页/共54页49例:某饱和粘土的强度指标 ,取该土样作固结不排水剪切试验,测得破坏时 ,求该土样破坏时的孔隙水压力第48页/共54页50四.土的强度指标的工程应用u 有效应力指标还是总应力指标？u 三轴试验指标还是直剪试验指标？u 峰值强度指标还是残余强度指标？第49页/共54页51 四.土的强度指标的工程应用有效应力指标与总应力指标凡是可以确定（测量、计算）孔隙水压力u的情况，都应当使用有效应力指标c，第50页/共54页52四.土的强度指标的工程应用三轴试验指标与直剪试验指标砂土：c,三轴排水试验指标与直剪试验指标
24、（直剪试验得到的指标偏大）粘土：有效应力指标：固结排水、固结不排水 总应力指标：三轴固结不排水、不排水;直剪固结快剪、快剪第51页/共54页53四.土的强度指标的工程应用 峰值强度指标与残余强度指标F 峰值强度：一般问题F 残余强度古旧滑坡断层夹泥大变形问题第52页/共54页54名称名称指标指标应用应用不排水剪不排水剪(快剪快剪)c cu u、u uc cq q、q q软土地基软土地基快速施工快速施工固结不排水剪固结不排水剪(固结快剪固结快剪)c ccucu、cucuc ccqcq、cqcq固结完成后固结完成后受突然荷载受突然荷载固结排水剪固结排水剪(慢剪慢剪)c cd d、d dc cs s、s s地基透水性强地基透水性强施工较慢或正常运行期施工较慢或正常运行期四.土的强度指标的工程应用第53页/共54页