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1、第六章第六章土的抗剪强度土的抗剪强度q6.1 6.1 土体强度的工程应用土体强度的工程应用q6.2 6.2 摩尔摩尔库仑强度理论库仑强度理论q6.3 6.3 土的极限平衡条件土的极限平衡条件q6.4 6.4 抗剪强度指标的确定抗剪强度指标的确定q6.5 6.5 孔隙压力系数孔隙压力系数q6.6 6.6 砂性土的剪切性状砂性土的剪切性状q6.7 6.7 黏性土的剪切性状黏性土的剪切性状主要内容重点内容6.1 土体土体强度的工程度的工程应用用 大量的工程实践和室内试验表明：建筑物地基和土工建大量的工程实践和室内试验表明：建筑物地基和土工建筑物的破坏，绝大多数是属于筑物的破坏，绝大多数是属于剪切破坏
2、剪切破坏，即沿着，即沿着某一滑动面某一滑动面产生破坏。产生破坏。基坑基坑坑壁滑动破坏坑壁滑动破坏坑壁支坑壁支护6.1 土体土体强度的工程度的工程应用用边坡边坡滑坡滑坡滑裂面6.1 土体土体强度的工程度的工程应用用因此，因此，剪切破坏剪切破坏是是土体破坏土体破坏的的主要主要形式。形式。土的抗剪土的抗剪强度度：土体土体抵抗抵抗剪切破坏剪切破坏的的极限极限能力。能力。土的重要力学性土的重要力学性质指指标aa6.2 摩摩尔库仑强度理度理论前面我前面我们从从太沙基太沙基的土的土有效有效应力原理力原理已已经知道：土体承知道：土体承受的上覆荷受的上覆荷载主要由土主要由土颗粒的粒的有效有效应力力承担。承担。而
3、而有效有效应力力是由是由土土颗粒粒之之间的的黏黏结作用作用和相互之和相互之间的的咬合咬合作用作用组成。成。黏黏结作用作用产生的力称生的力称为土的土的黏聚力黏聚力（内聚力内聚力），），咬合作用咬合作用产生的生的咬合与摩擦咬合与摩擦称称为土的土的内摩擦角内摩擦角。土中一点的土中一点的应力状力状态土体内某一点的土体内某一点的应力状力状态如下：如下：1竖向向应力力(最大主最大主应力力)3侧向向应力力(最小主最小主应力力)剪切面剪切面上上为 法向法向应力力 剪剪应力力 3 3 1 1 3 1 一、库仑定律在一定载荷范围内，土的在一定载荷范围内，土的抗剪强度抗剪强度与与法向应力法向应力之间之间呈呈直线关系
4、直线关系。其中其中C C、被称为土的被称为土的抗剪强度指标抗剪强度指标。为为剪切破裂面剪切破裂面与与大主应力的作用面大主应力的作用面成夹角，其成夹角，其值等于值等于（45+/245+/2）的。的。3 1 库仑经过试验，得出以下关系式库仑经过试验，得出以下关系式：砂土：砂土：黏性土黏性土：黏性土黏性土cC=0砂土砂土 f f库仑库仑定律的定律的总应力总应力表达式表达式库仑库仑定律的定律的有效应力有效应力表达式表达式CC称为土的称为土的有效有效黏聚力黏聚力 称为土的称为土的有效有效内摩擦角内摩擦角饱和土饱和土有效应力：有效应力：一、库仑定律二、摩尔库仑强度理论莫尔莫尔认为土中认为土中某点某点 达到
5、达到该点的抗剪强度该点的抗剪强度时，时，土土即即发生发生破坏破坏。莫尔把莫尔把 f f=f=f（）的）的曲线曲线，称为，称为摩尔破坏包线摩尔破坏包线。f f=f(=f()可可用用直线直线（库仑定律（库仑定律 ）代替，故）代替，故称为称为莫尔莫尔库仑强度理论库仑强度理论。f1、安全（、安全（弹性平衡弹性平衡状态）状态）2、临界状态（、临界状态（极限平衡极限平衡状态）状态）3、破坏、破坏摩尔摩尔库仑强度库仑强度判断土单元的判断土单元的状态状态 某一单元土体上的作用力如下右图所示，将作用于某一单元土体上的作用力如下右图所示，将作用于ABCABC的的各力分别在各力分别在水平水平和和垂直垂直方向投影（方
6、向投影（合力为零合力为零），根据），根据静力平衡条静力平衡条件件可得：可得：3 3 1 1 3 1 dldlcos dlsin 6.3 土的极限平衡条件土的极限平衡条件一、摩尔应力圆一、摩尔应力圆水平方向合力水平方向合力垂直方向合力垂直方向合力ABC 由上述两式得：由上述两式得：6.3 土的极限平衡条件土的极限平衡条件一、摩尔应力圆一、摩尔应力圆解上述联立二元一次方程式得：解上述联立二元一次方程式得：法向应力法向应力剪应力剪应力AO16.3 土的极限平衡条件土的极限平衡条件 3 1 在在-坐坐标中，以中，以1/2(1+3)，0为圆心心、1/2(1 3)为半径半径作作圆则则A点的坐标（点的坐标（
7、a，a）即）即为为ABC斜面斜面AB上的上的法向法向应力应力和和剪应力剪应力。摩尔摩尔应力圆应力圆OABCcAOO16.3 土的极限平衡条件土的极限平衡条件 我我们把把库仑公式公式强度度线绘制于同一坐制于同一坐标系系中，中，则该强度度线为摩摩尔圆的的切切线。B f1、安全（、安全（弹性平衡弹性平衡状态）状态）2、临界状态（、临界状态（极限平衡极限平衡状态）状态）3、破坏、破坏摩尔摩尔库仑强度库仑强度判断土单元的判断土单元的状态状态摩尔摩尔库仑强度库仑强度判断土单元的判断土单元的状态状态f f时，弹性平衡状态时，弹性平衡状态，整个摩尔圆整个摩尔圆位于抗剪强度线位于抗剪强度线的的下方下方，说明该点
8、在，说明该点在任何平任何平面上的剪应力面上的剪应力都都小于小于土所能土所能发挥的发挥的抗剪强度抗剪强度，因此，因此不会不会发生剪切破坏。发生剪切破坏。二、土的极限平衡应力状态二、土的极限平衡应力状态=f f时，极限平衡状态时，极限平衡状态，摩尔圆与抗剪强度线，摩尔圆与抗剪强度线相切于相切于A A点点，表明表明通过通过A A点的任意平面上的剪应力点的任意平面上的剪应力都都等于抗剪强度等于抗剪强度，该点就，该点就处于处于极限平衡极限平衡状态。状态。f f时，剪切破坏状态时，剪切破坏状态，抗剪强度线是摩尔圆的，抗剪强度线是摩尔圆的一条割一条割线线，该点的，该点的任意平面上的剪应力任意平面上的剪应力已
9、已超过了土的抗剪强度超过了土的抗剪强度，实，实际上这种情况是际上这种情况是不可能存在不可能存在的。的。cAOO1 下下图是土体是土体处于于极限平衡极限平衡条件（即条件（即破坏破坏临界界状状态）的关系的关系图。B三、土的三、土的极限平衡极限平衡条件条件 由由图直角直角ABO1可知：可知：整理下面公式：整理下面公式：三、土的极限平衡条件 得出以下三式：得出以下三式：此三式均可用于此三式均可用于判断判断土体土体是否是否处处于于极限平衡极限平衡状态状态教材教材P114式式(6-15)更正更正cAOO1B三、土的极限平衡条件三、土的极限平衡条件 由由图直角直角ABO1外角外角与与内角内角的关系可知：的关
10、系可知：即：即：由此可由此可见：剪切破裂剪切破裂面面与与大主大主应力的作用力的作用面面成（成（45+/2）的）的夹角。角。四、土的极限平衡条件的应用四、土的极限平衡条件的应用 根据上述三式，分根据上述三式，分别计算出算出极限平衡所能承受极限平衡所能承受的的1f与与当当时所施加的所施加的1来作来作比比较，即可判断出土体，即可判断出土体是是处于何种状于何种状态：（1）当）当11f，土体，土体处于于破坏破坏状状态；四、土的极限平衡条件的应用四、土的极限平衡条件的应用 根据上述三式，分根据上述三式，分别计算出算出极限平衡所能承受极限平衡所能承受的的3f与与当当时所施加的所施加的3来作比来作比较，即可判
11、断出土体，即可判断出土体是是处于何种状于何种状态：（1）当）当33f，土体，土体处于于稳定平衡定平衡状状态；（2）当）当3=3f，土体，土体处于于极限平衡极限平衡状状态；（3）当）当33f，土体，土体处于于破坏破坏状状态；四、土的极限平衡条件的应用四、土的极限平衡条件的应用 根据上述三式，根据上述三式，计算出算出达到极达到极限平衡所需要的限平衡所需要的m与与当前土体的当前土体的来作比来作比较，即可判断出土体是，即可判断出土体是处于何种状于何种状态：（1）当）当m，土体，土体处于于破坏破坏状状态；四、土的极限平衡条件的应用四、土的极限平衡条件的应用 总结，分，分别比比较m、1f、3f，与与、1、
12、3，即可判断出土体是即可判断出土体是处于何种状于何种状态：（1）当）当m、13f，土体，土体处于于稳定定平衡平衡状状态；（2）当）当m=、1=1f、3=3f，土体，土体处于于极限极限平衡平衡状状态；（3）当）当m、11f、33f，土体，土体处于于破坏破坏状状态；3，处于稳定状态实际应用用1、当、当计算算A点点时：1=？、？、3=？黏土C、A2、当、当计算算B点点时：1=？、？、3=？B1=h1、3=k01h1h21=h2、3=0k0为为静静止止土土压压力力系系数数，可可查查47页表页表4-1确定确定3、开挖多深不会失、开挖多深不会失稳？即？即C C点的深度点的深度为多大？多大？当当3=0时，认
13、为此此处为剪剪切滑切滑动面面的的最底端最底端,此此时Ch测定土测定土抗剪强度指标抗剪强度指标的试验称为的试验称为剪切试验剪切试验十字板剪切十字板剪切试验试验 (适用适用:饱和软粘土饱和软粘土)大型直接剪切大型直接剪切试验试验直接剪切直接剪切试验试验三轴压缩三轴压缩试验试验 无侧限抗压无侧限抗压试验试验抗抗剪剪强强度度试试验验室内室内室外室外6.4 抗剪抗剪强度指度指标的确定的确定直剪仪直剪仪一、直剪试验6.4 抗剪抗剪强度指度指标的确定的确定剪切力计剪切力计量仪表量仪表剪切盒剪切盒PSTA一、直剪试验水平推力水平推力垂直压力垂直压力p 应力环水平力应力环水平力T一、直剪试验水平推力水平推力垂直
14、压力垂直压力P6.4 抗剪抗剪强度指度指标的确定的确定应力环水平力应力环水平力T一、直剪试验水平推力水平推力6.4 抗剪抗剪强度指度指标的确定的确定应力环水平力应力环水平力T垂直压力垂直压力P一、直剪试验水平推力水平推力6.4 抗剪抗剪强度指度指标的确定的确定应力环水平力应力环水平力T垂直压力垂直压力P一、直剪试验水平推力水平推力6.4 抗剪抗剪强度指度指标的确定的确定应力环水平力应力环水平力T垂直压力垂直压力P一、直剪试验水平推力水平推力6.4 抗剪抗剪强度指度指标的确定的确定应力环水平力应力环水平力T垂直压力垂直压力P一、直剪试验水平推力水平推力应力环水平力应力环水平力T垂直压力垂直压力P
15、A一、直剪试验A土样面积土样面积应力环水平力应力环水平力T垂直压力垂直压力P正应力：剪应力：A一、直剪试验应力环水平力应力环水平力T垂直压力垂直压力P施加施加P，量，量测 T，然后计算然后计算fOc一、直剪试验三组试样三组试样正应力：剪应力：最后画点，连直线，求出最后画点，连直线，求出抗剪强度指标抗剪强度指标直剪三种试验类型直剪三种试验类型直剪仪的优点直剪仪的优点:设备简单设备简单设备简单设备简单,价格便宜价格便宜价格便宜价格便宜,操作方便操作方便操作方便操作方便,易于掌握易于掌握易于掌握易于掌握直直剪剪仪仪的的缺缺点点试验时试验时不能不能严格严格控制排水控制排水条件，不能量测条件，不能量测孔
16、隙水压力。孔隙水压力。限定的限定的剪切面剪切面不是不是土样土样最薄弱最薄弱面；面；应力应变应力应变分布不均匀分布不均匀，且垂直荷载发生，且垂直荷载发生偏转偏转，使主应力大小方向都发生偏转；使主应力大小方向都发生偏转；受剪面积逐渐缩小受剪面积逐渐缩小，而在计算抗剪强度时仍，而在计算抗剪强度时仍按土样的按土样的原截面积原截面积计算；计算；直剪试验的优缺点直剪试验的优缺点 二、三轴压缩（剪切）试验压力室压力室加压设备加压设备电脑采集电脑采集三轴剪切试验试验装置试验装置压力室；压力室；压力室；压力室；围压系统；围压系统；围压系统；围压系统；轴压系统；轴压系统；轴压系统；轴压系统；孔隙水压力量测系统；孔
17、隙水压力量测系统；孔隙水压力量测系统；孔隙水压力量测系统；排水系统排水系统排水系统排水系统主要组成主要组成：试样压力室压力室压力水压力水排水管排水管阀门阀门轴向加压杆轴向加压杆有机玻璃罩有机玻璃罩橡皮膜橡皮膜透水石透水石顶帽顶帽压力室分解压力室分解1Pc二、三轴剪切试验 31Pc 3二、三轴剪切试验1Pc 3二、三轴剪切试验31总应力表示法总应力表示法有效应力表示法有效应力表示法三组试样三组试样三轴剪切三种试验类型三轴剪切三种试验类型三三轴试验优缺点缺点优点点：试验中能中能严格格控制控制试样排水排水条件，量条件，量测孔隙水孔隙水压力力，了解土中，了解土中有效有效应力力变化情况；化情况；试样中的
18、中的应力分布比力分布比较均匀均匀，剪切面剪切面在在试样的的最最薄弱薄弱处，结果比直剪果比直剪试验可靠可靠。缺点：缺点：试验仪器器复复杂，操作技，操作技术要求高，要求高，试样制制备较复复杂；试验在在 2=3的的轴对称称条件下条件下进行，与土体行，与土体实际受受力情况力情况可能不符可能不符。ququ加加压框架框架量表量表量力量力环升降升降螺杆螺杆无无侧限限压缩仪无无侧限抗限抗压强度度试验，与，与岩石岩石单轴抗抗压强度度试验类似，是似，是三三轴压缩试验的的特例特例，对试样不施加周不施加周围压力，力，即即 3=0，只施加，只施加轴向向压力力直至直至发生破坏，生破坏，试样在无在无侧限限压力条件下，剪切破
19、坏力条件下，剪切破坏时试样承受的承受的最大最大轴向向压力力qu，称称为无无侧限抗限抗压强度度。试样三、无侧限抗压试验无无侧限限压缩仪根据根据试验结果果只能只能作出作出一个极限一个极限应力力圆（3 3=0=0，1 1=qu）。）。因此因此对一般黏性土一般黏性土，无法无法作出作出强度包度包络线。qucu u=0无无侧限抗限抗压强度度试验仪器构造器构造简单，操作方便，操作方便，可可代替代替三三轴试验测定定饱和和软黏土黏土的的不排水不排水强度度。u=0灵敏度灵敏度 黏性土黏性土的的原状土原状土无无侧限抗限抗压强度与原土度与原土结构完全构完全破坏的重塑土破坏的重塑土的无的无侧限抗限抗压强度的比度的比值：
20、根据灵敏度将根据灵敏度将饱和黏性土分和黏性土分类：低灵敏度土低灵敏度土1St2中灵敏度土中灵敏度土24 适适用用于于现场测定定饱和和黏黏性性土土的的不不排排水水强度度，尤尤其其适适用用于于均均匀匀的的饱和和软黏土黏土。四、十字板剪切试验M剪切破坏时的剪切破坏时的扭矩，扭矩，kNm。土的抗剪强度：土的抗剪强度：土的原位测试技术的土的原位测试技术的土的原位测试技术的土的原位测试技术的优点优点优点优点：1 1 1 1可在可在可在可在现场现场现场现场进行，进行，进行，进行，避免取样避免取样避免取样避免取样；2 2 2 2涉及的涉及的涉及的涉及的土体积土体积土体积土体积比室内试验样品比室内试验样品比室内
21、试验样品比室内试验样品大很多大很多大很多大很多；3 3 3 3可可可可连续连续连续连续进行，可得到进行，可得到进行，可得到进行，可得到完整的土层剖面完整的土层剖面完整的土层剖面完整的土层剖面及物理力学指标；及物理力学指标；及物理力学指标；及物理力学指标；4 4 4 4具有具有具有具有快速经济快速经济快速经济快速经济的优点。的优点。的优点。的优点。土的原位测试技术的土的原位测试技术的土的原位测试技术的土的原位测试技术的缺点缺点缺点缺点：1 1 1 1难于控制难于控制难于控制难于控制测试中的测试中的测试中的测试中的边界条件边界条件边界条件边界条件，如，如，如，如排水条件排水条件排水条件排水条件和和
22、和和应力条件应力条件应力条件应力条件；2 2 2 2测试测试测试测试设备设备设备设备进入土层对土层也进入土层对土层也进入土层对土层也进入土层对土层也有一定扰动有一定扰动有一定扰动有一定扰动；3 3 3 3试验试验试验试验应力路径应力路径应力路径应力路径无法很好控制无法很好控制无法很好控制无法很好控制，试验时的主应力方向，试验时的主应力方向，试验时的主应力方向，试验时的主应力方向与与与与 实际工程往往不一致实际工程往往不一致实际工程往往不一致实际工程往往不一致；4 4 4 4应变场不均匀应变场不均匀应变场不均匀应变场不均匀，应变速率，应变速率，应变速率，应变速率大于大于大于大于实际工程的实际工程的实际工程的实际工程的正常固结正常固结正常固结正常固结。小 结一、库仑定律二、土的极限平衡条件（摩尔库仑强度理论）此三式均可用于此三式均可用于判断判断土体土体是否是否处处于于极限平衡极限平衡状态状态谢谢 谢！谢！其它内容自学。