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1、第一节第一节 概述概述土的抗剪强度（Shear strength）：土体抵抗剪切破坏的极限能力 第1页/共52页一、土中一点的应力状态一、土中一点的应力状态土体内一点处不同方位的截面上应力的集合（剪应力 和法向应力）331131dldlcosdlsin楔体静力平衡第二节 库伦公式第2页/共52页斜面上的应力斜面上的应力31dldlcosdlsin莫尔应力圆方程O131/2(1+3)2A(,)圆心坐标1/2(1+3)，0应力圆半径r1/2(13)土中某点的应力状态可用莫尔应力圆描述 第3页/共52页二、库仑公式1776年，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
2、 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(cohesion):土的内摩擦角(angle of internal friction)ff总应力强度指标第4页/共52页土体抗剪强度影响因素土体抗剪强度影响因素摩擦力的两个来源 1.滑动摩擦：剪切面土粒间表面的粗糙所产生的摩擦 2.咬合摩擦：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因素形成 抗剪强度影响因素摩擦力：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粘聚力：土中矿物成分、粘粒含量、含水量以及土的结构第5页/共52页有效应力强度表达式有效应力强度表
3、达式饱和粘性土的渗透固结过程，实际上是孔隙水压力饱和粘性土的渗透固结过程，实际上是孔隙水压力消散和有效应力增长的过程。因此抗剪强度随着固消散和有效应力增长的过程。因此抗剪强度随着固结压密而不断增长。结压密而不断增长。总应力强度指标只是表述总应力强度指标只是表述s s-t tf关系试验成果的两个数关系试验成果的两个数学参数，并非常数，因实验方法和土样的试验条件学参数，并非常数，因实验方法和土样的试验条件的不同而不同。而有效应力强度指标是唯一的。的不同而不同。而有效应力强度指标是唯一的。线性库伦公式仅适用于法向应力不大的情况。应力线性库伦公式仅适用于法向应力不大的情况。应力范围较大时，抗剪强度线为
4、上凸的曲线。范围较大时，抗剪强度线为上凸的曲线。有效应力强度指标第6页/共52页三、土的极限平衡条件三、土的极限平衡条件应力圆与强度线相离：强度线应力圆与强度线相切：应力圆与强度线相割：极限应力圆f 破坏状态 第7页/共52页四、莫尔库仑破坏准则四、莫尔库仑破坏准则(Mohr-Coulomb failure criterion)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(目前判别土体所处状态的最常用准则)强度线 第8页/共52页莫尔库仑破坏准则莫尔库仑破坏准则31c f2 fAccot1/2(1+3)无粘性土：c=0第9页/共52页土体处于极限平衡状态时，破坏面与大主应土体处于极限平
5、衡状态时，破坏面与大主应力作用面的夹角为力作用面的夹角为 f f2 f31cAccotg1/2(1+3)说明：剪破面并不产生于最大剪应力面，而与最大剪应力面成/2的夹角，可知，土的剪切破坏并不是由最大剪应力max所控制 max第10页/共52页五、例题分析五、例题分析【例】地基中某一单元土体上的大主应力为430kPa，小主应力为200kPa。通过试验测得土的抗剪强度指标c=15 kPa，=20o。试问该单元土体处于何种状态？单元土体最大剪应力出现在哪个面上，是否会沿剪应力最大的面发生剪破？【解答】已知1=430kPa，3=200kPa，c=15kPa，=20o 1.计算法计算结果表明：1f大于
6、该单元土体实际大主应力1，实际应力圆半径小于极限应力圆半径，所以，该单元土体处于弹性平衡状态 第11页/共52页计算结果表明：3f小于该单元土体实际小主应力 3，实际应力圆半径小于极限应力圆半径，所以，该单元土体处于弹性平衡状态 在剪切面上 库仑定律 由于f，所以，该单元土体处于弹性平衡状态 第12页/共52页2.图解法 c11f3f实际应力圆极限应力圆最大剪应力与主应力作用面成45o最大剪应力面上的法向应力库仑定律 最大剪应力面上f，所以，不会沿剪应力最大的面发生破坏 max第13页/共52页第三节第三节 剪切强度的测定方法剪切强度的测定方法一、直接剪切试验(Direct shear tes
7、t)试验仪器：直剪仪（应力控制式，应变控制式）第14页/共52页第15页/共52页第16页/共52页剪切试验剪切试验剪前施加在试样顶面上的竖向压力为剪破面上的法向应力，剪应力由剪切力除以试样面积在法向应力作用下，剪应力与剪切位移关系曲线，根据曲线得到该作用下，土的抗剪强度4mm a b 剪切位移l(0.01mm)剪应力（kPa)1 2 第17页/共52页在不同的垂直压力在不同的垂直压力 下进行剪切试验，得相应的下进行剪切试验，得相应的抗剪强度抗剪强度f，绘制，绘制f-曲线，得该土的抗剪强曲线，得该土的抗剪强度包线度包线第18页/共52页按加载速率分三种试验方法n快剪：通过试验加荷的快慢来实现是
8、否排水。使试样在35min之内剪破，称之为快剪n固结快剪：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n慢剪：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，试验方法称为慢剪第19页/共52页直剪试验优缺点直剪试验优缺点优点：仪器构造简单，试样的制备和安装方便，易于操作 缺点：剪切破坏面固定为上下盒之间的水平面不符合实际情况，不一定是土样的最薄弱面。试验中不能严格控制排水条件，对透水性强的土尤为突出，不能量测土样的孔隙水压力。上下盒的错动，剪切过程中试样剪切面积逐渐减小，剪切面上的剪应力分布不均
9、匀第20页/共52页二、三轴剪切试验二、三轴剪切试验(Triaxial compression test)应变控制式三轴仪：压力室，加压系统，量测系统组成应力控制式三轴仪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21页/共52页第22页/共52页应变控制式三轴应变控制式三轴仪：压力室，量仪：压力室，量测系统测系统第23页/共52页抗剪强度包线抗剪强度包线分别在不同的周围压力3作用下进行剪切，得到34 个不同的破坏应力圆，绘出各应力圆的公切线即为土的抗剪强度包线 抗剪强度包线 c第24页/共52页三种试验方法三种试验方法1.不固结不排水剪（UU）n三轴试验：施加
10、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 3关闭排水阀第25页/共52页强度曲线总应力指标：cu，u对饱和土得不到c，第26页/共52页2.2.固结不排水剪（固结不排水剪（CUCU）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切破坏 3 3 3 3 3 3打开排水阀关闭排水阀第27页/共52页强度曲线总应力指标：ccu，cu 可得有效应力指标c，第28页/共52页3.3.固结排水剪（固结排水剪（CDCD）n三轴试验：试样在周围压力3作用下排水固结，
11、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门，始终保持试样的孔隙水压力为零 3 3 3 3 3 3打开排水阀第29页/共52页强度曲线总应力指标：cd，d 饱和土有效应力指标c，即为总应力指标第30页/共52页三轴试验优缺点三轴试验优缺点优点：试验中能严格控制试样排水条件，量测孔隙水压力，了解土中有效应力变化情况试样中的应力分布比较均匀 缺点：试验仪器复杂，操作技术要求高，试样制备较复杂 试验在2=3的轴对称条件下进行，与土体实际受力情况可能不符 第31页/共52页三、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
12、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32页/共52页无侧限压无侧限压缩仪缩仪第33页/共52页根据试验结果只能作出一个极限应力圆（根据试验结果只能作出一个极限应力圆（3 3=0=0，1 1=qu）。因此对一般粘性土，无法作出强度）。因此对一般粘性土，无法作出强度包线包线说明：对于饱和软粘土，根据三轴不排水剪试验成果，其强度包线近似于一水平线，即u=0，因此无侧限抗压强度试验适用于测定饱和软粘土的不排水强度qucuu=0无侧限抗压强度试验仪器构造简单，操作方便，可代替三
13、轴试验测定饱和软粘土的不排水强度 第34页/共52页四、十字板剪切试验（四、十字板剪切试验（Vane shear test）适用于现场测定饱和粘性土的不排水强度，尤其适用于均匀的饱和软粘土柱体上下平面的抗剪强度产生的抗扭力矩柱体侧面剪应力产生的抗扭力矩第35页/共52页第四节第四节 砂性土的抗剪强度特征砂性土的抗剪强度特征无粘性土多采用排水剪强度指标，不排水剪对研究饱和砂土受动荷载时的土动力学问题时有意义lO松砂密砂l+V-V松砂密砂应变硬化应变软化剪胀剪缩存在临界孔隙比ecr：体积变化为零，但与正应力有关第36页/共52页第五节第五节 饱和粘性土强度指标饱和粘性土强度指标土样所处的固结状态：
14、3pc，正常固结状态固结状态不同，剪切过程中的孔压变化和体积变化完全不同第37页/共52页 3 3 3 3 3 3有效应力圆总应力圆u=0IIIIIcuuAI 3A 1A饱和粘性土在三组3下的不排水剪试验得到I、II、III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，u=0三个试样只能得到一个有效应力圆 1.不固结不排水剪强度指标不固结不排水剪强度指标cu反映的是试样原始有效固结应力作用所产生的强度，随深度大致线性增加第38页/共52页2.2.固结不排水剪强度指标固结不排水剪强度指标Oc超固
15、结正常固结BCAADccucuIIuIIIIIuIIc为了得到有效应力指标，需测量孔隙水压。在正常固结阶段，孔隙水压为正，所以有效应力圆（I）在总应力圆（I）的左边。在超固结阶段，孔隙压力为负，所以有效应力圆（II）在总应力圆（II）的右边。虚线圆的公切线为有效抗剪强度包线,有：ccu第39页/共52页试验结果分析试验结果分析Oc超固结正常固结BCBC线为正常固结土的实验结果。如土样从未固结，则BC线过原点若3cuu=0超固结土：cuccucd同一种粘性土在UU、CU和CD试验中的总应力强度包线和强度指标各不相同，但都可得到近乎同一条有效应力强度包线。因而，不同试验方法下的有效应力强度存在着唯
16、一性关系的特征。第42页/共52页5.例题【例5.1】一饱和粘土试样在三轴压缩仪中进行固结不排水剪试验，施加的的周围压力3=200 kPa，试样破坏时的轴向偏应力(1-3)f=280 kPa，测得孔隙水压力uf=180 kPa，有效应力强度指标c=80 kPa,=24，试求破坏面上的法向应力和剪应力，以及该面与水平面的夹角f。如果该试样在同样周围压力下进行固结排水剪试验，问破坏时的大主应力值1是多少？【解】根据试验结果 1f=280+200=480kPa,3f=200kPa由于水平面为大主应力作用面所以破坏面与水平面的夹角为第43页/共52页破坏面上的法向应力和剪应力为固结排水剪时的孔隙水压力
17、恒为零，所以试样破坏时固结排水剪时试样刚好破坏时的大主应力为第44页/共52页5.抗剪强度指标的选择抗剪强度指标的选择 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固结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固结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52页第六节第六节 孔隙压力系数孔隙压力系数一、一、Skempton孔隙压力系数孔隙压力
18、系数A、BDu1=BD3B各向均压的孔压系数干土B=0；饱和土B=1Du2=BA(Ds1 Ds3)A偏应力增量的孔压系数注意：A、B并非常数0000u0=0D3D3D3D3Du1D1-Ds3Du2D1-Ds30+D1Du=Du1+Du20+D10+D30+D3+=第46页/共52页二、二、Henkel孔压系数孔压系数、八面体正应力增量八面体剪应力增量A与之间的关系第47页/共52页第八节第八节 应力路径应力路径在应力坐标图中用应力点的移动轨迹来描述土体在在应力坐标图中用应力点的移动轨迹来描述土体在加荷过程中的应力变化，这种应力点的轨迹称为加荷过程中的应力变化，这种应力点的轨迹称为应应力路径（力路径（Stress path）。Of线cABKf线a一般在p、q（应力圆顶点坐标）坐标系中表示分总应力路径(TSP)和有效应力(ESP)路径两种第48页/共52页三轴试验中几种典型情况的应力路径三轴试验中几种典型情况的应力路径1没有孔隙水压力的情况没有孔隙水压力的情况（1）同步增加围压，直线a。（2）（13）增加，3不变，直线b。（3）增加1，相应减少3，p不变，直线c。第49页/共52页2有超静孔隙水压力的情况有超静孔隙水压力的情况三轴固结不排水试验中的应力路径 第50页/共52页三轴固结不排水剪试验与固结排水剪试验中的有效应力路径比较 第51页/共52页感谢您的观看！第52页/共52页