1、土木060304,1,基本概念,土體剪切破壞是沿某一面發(fā)生與剪切方向一致的相對位移，這個(gè)面通常稱為剪切面(剪切帶) 。 土的抗剪強(qiáng)度指土體抵抗剪切破壞的極限能力，其數(shù)值等于剪切破壞時(shí)滑動面上的剪應(yīng)力。 土體破壞時(shí)的應(yīng)力組合關(guān)系稱為破壞準(zhǔn)則。,土木060304,2,7.1 土的抗剪強(qiáng)度和極限平衡條件,7.2.1 庫侖公式 庫侖（Coulomb）于1776年根據(jù)剪切試驗(yàn)，提出土的抗剪強(qiáng)度的表達(dá)式為,無粘性土：,粘性土：,有效應(yīng)力法：,土木060304,3,土的抗剪強(qiáng)度機(jī)理,1、摩擦強(qiáng)度（摩擦力）包括滑動摩擦和咬合摩擦 滑動摩擦由顆粒間接觸面粗糙不平所引起。 咬合摩擦是由相鄰顆粒凹凸面間的鑲嵌作用所

2、產(chǎn)生的。 摩擦強(qiáng)度的影響因素有： 顆粒表面的粗糙程度、密 實(shí)度、粒徑、顆粒級配等。 2、粘聚強(qiáng)度（粘聚力） 由土粒間的膠結(jié)作用 和靜電引力效應(yīng)等引起。,土木060304,4,7.2.2 莫爾-庫侖強(qiáng)度理論,莫爾(Mohr)認(rèn)為材料的破壞是剪切破壞，當(dāng)任一平面上的剪應(yīng)力等于材料的抗剪強(qiáng)度時(shí)該點(diǎn)破壞，并提出破壞面上的剪應(yīng)力是該面上法向應(yīng)力的函數(shù)，即： f=f(),這個(gè)函數(shù)在f-坐標(biāo)中是一條曲線，稱為莫爾包線。通常用直線近似代替，即用庫侖公式表示。由庫侖公式表示莫爾包線的強(qiáng)度理論稱為莫爾-庫侖強(qiáng)度理論。,圖7-3 莫爾包線,土木060304,5,土的極限平衡條件,當(dāng)土體中任意點(diǎn)在某一平面上剪應(yīng)力達(dá)到

3、土的抗剪強(qiáng)度時(shí)，該點(diǎn)即處于極限平衡狀態(tài)。 極限平衡條件： 土體中某點(diǎn)處于極限 平衡狀態(tài)時(shí)的應(yīng)力條 件。（=f ，土的 剪切破壞條件）,土木060304,6,土木060304,7,莫爾圓與抗剪強(qiáng)度線間的位置關(guān)系： 1. 莫爾圓位于抗剪強(qiáng)度線的下方； 2. 抗剪強(qiáng)度線與莫爾圓在A點(diǎn)相切(極限平衡狀態(tài))； 3. 抗剪強(qiáng)度線與莫爾圓相割。,土木060304,8,極限平衡條件的建立,根據(jù)Mohr-Coulomb破壞理論，破壞時(shí)的Mohr應(yīng)力圓必定與破壞包線相切。切點(diǎn)所代表的平面滿足=f的條件，該點(diǎn)處于極限平衡狀態(tài)。,化簡得：,土木060304,9,對于無粘性土：c=0,（7-9）,（7-10）,（7-1

4、1）,（7-11）,土木060304,10,根據(jù)極限平衡條件，可以很方便地判斷土體一點(diǎn)是否達(dá)到剪切破壞。其方法是：在已知土中某一點(diǎn)的主應(yīng)力及強(qiáng)度指標(biāo)分別為 1、 3 、c、條件下： 如果用式（7-9）或式（7-11）來判斷，可將已知的參數(shù)代入公式右邊，求得1計(jì)，若 11計(jì) 剪切破壞狀態(tài)。 如果用式（7-10）或式（7-12）來判斷，同樣將已知的參數(shù)代入公式右邊，求得3計(jì)，若 33計(jì) 穩(wěn)定平衡狀態(tài)； 3=3計(jì) 極限平衡狀態(tài)； 33計(jì) 剪切破壞狀態(tài)。,極限平衡條件的應(yīng)用,土木060304,11,例題,某土樣=26，c=20kPa，承受1 =480kPa，3 =150kPa的應(yīng)力。試根據(jù)極限平衡條件

5、判斷該土樣所處的狀態(tài)。,解： 根據(jù)極限平衡條件，由已知3求1計(jì),因此，該土樣已破壞。,土木060304,12,【例】地基中某一單元土體上的大主應(yīng)力為430kPa，小主應(yīng)力為200kPa。通過試驗(yàn)測得土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c=15 kPa， =20o。試問該單元土體處于何種狀態(tài)？單元土體最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在哪個(gè)面上，是否會沿剪應(yīng)力最大的面發(fā)生剪破？,【解答】,已知1=430kPa，3=200kPa，c=15kPa， =20o,1.計(jì)算法,計(jì)算結(jié)果表明：1f大于該單元土體實(shí)際大主應(yīng)力1，實(shí)際應(yīng)力圓半徑小于極限應(yīng)力圓半徑，所以，該單元土體處于彈性平衡狀態(tài),土木060304,13,計(jì)算結(jié)果表明： 3f小于該單元

6、土體實(shí)際小主應(yīng)力 3，實(shí)際應(yīng)力圓半徑小于極限應(yīng)力圓半徑 ，所以，該單元土體處于彈性平衡狀態(tài),在剪切面上,庫侖定律,由于f ，所以，該單元土體處于彈性平衡狀態(tài),土木060304,14,2.圖解法,最大剪應(yīng)力與主應(yīng)力作用面成45o,最大剪應(yīng)力面上的法向應(yīng)力,庫侖定律,最大剪應(yīng)力面上f 所以，不會沿剪應(yīng)力最大的面發(fā)生破壞,土木060304,15,7.3 土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn),土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)可由多種方法測定，包括室內(nèi)試驗(yàn)和原位測試。 室內(nèi)試驗(yàn)有直接剪切試驗(yàn)、三軸壓縮試驗(yàn)以及無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)等。 原位測試有十字板剪切試驗(yàn)、大型直接剪切試驗(yàn)等。,土木060304,16,7.3.1 直接剪切試驗(yàn),直接剪切儀

7、： 應(yīng)變控制式對試樣采用等速剪應(yīng)變測定相應(yīng)的剪應(yīng)力； 應(yīng)力控制式對試樣分級施加剪應(yīng)力測定相應(yīng)的剪切位移。 我國普遍采用的應(yīng)變控制 式直剪儀,土木060304,17,土木060304,18,土木060304,19,土木060304,20,土木060304,21,剪切試驗(yàn),剪前施加在試樣頂面上的豎向壓力為： 剪破面上的法向應(yīng)力，剪應(yīng)力由剪切力除以試樣面積,在法向應(yīng)力作用下，可作出剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線，根據(jù)曲線得到該作用下，土的抗剪強(qiáng)度,土木060304,22,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f，繪制f - 曲線，得該土的抗剪強(qiáng)度包線,土木060304,23,用直剪試驗(yàn)近似模擬土

8、體在現(xiàn)場的狀況，根據(jù)排水條件可分為： 快剪、固結(jié)快剪和慢剪,快剪是在試樣施加豎向壓力后，立即快速施加水平剪應(yīng)力使試樣剪切破壞； 固結(jié)快剪是允許試樣在豎向壓力下充分排水，待固結(jié)穩(wěn)定后，再快速施加水平剪應(yīng)力使試樣剪切破壞； 慢剪是允許試樣在豎向壓力下排水，待固結(jié)穩(wěn)定后，以緩慢的速率施加水平剪應(yīng)力使試樣破壞。,上述三種方法與實(shí)際工程的關(guān)系： 快剪適用于施工速度快、地基排水不良的情況； 慢剪適用于施工速度慢、地基土排水良好的情況； 固結(jié)快剪適用于介于以上兩種情況間的實(shí)際工程。,土木060304,24,直接剪切試驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn),優(yōu)點(diǎn)：直接剪切儀構(gòu)造簡單，操作方便等 缺點(diǎn)： 限定的剪切面，不一定是土樣最薄弱面

9、； 剪切面上剪應(yīng)力分布不均勻； 在剪切過程中，試樣剪切面逐漸減小，而在計(jì)算抗剪強(qiáng)度時(shí)，卻是按原截面積計(jì)算的。 試驗(yàn)時(shí)不能嚴(yán)格控制排水條 件，不能量測試驗(yàn)過程中試樣 的孔隙水壓力。,土木060304,25,4.2.2 三軸壓縮試驗(yàn),圖7-9 三軸壓縮儀 1 量力環(huán)；2 注水孔；3試樣；4 排水管；5 排水閥；6圍壓系統(tǒng)；7 傳力桿；8 排氣孔；9 壓力室；10 孔隙壓力閥；11 零位指示器；12 孔隙水壓力；13 量管；14 手輪；15 調(diào)壓筒,土木060304,26,土木060304,27,土木060304,28,土木060304,29,三軸試驗(yàn)原理,土木060304,30,三軸試驗(yàn)類型,按剪

10、切前的固結(jié)程度和剪切過程中的排水條件三軸試驗(yàn)可分為三種類型： 1、不固結(jié)不排水試驗(yàn)（UU）：cu 、u 2、固結(jié)不排水試驗(yàn)（CU）: ccu 、cu 3、固結(jié)排水試驗(yàn)（CD） : cd 、d,不固結(jié)不排水剪(UU)：在三軸剪切試驗(yàn)中自始至終不讓試樣排水固結(jié)，即施加周圍壓力和隨后施加軸向應(yīng)力增量直至土樣剪損的整個(gè)過程都關(guān)閉排水閥，使土樣的含水量不變。,土木060304,31,固結(jié)不排水剪(CU)：三軸試驗(yàn)中使試樣先在圍壓作用下完全排水固結(jié)，即讓試樣中的孔隙水壓力為0，然后關(guān)閉排水閥門，再施加軸向應(yīng)力增量，使試樣在不排水條件下剪切破壞。 固結(jié)排水剪(CD)：試驗(yàn)時(shí)，先使試樣在圍壓作用下排水固結(jié)，再

11、讓試樣在能充分排水情況下，緩慢施加軸向壓力增量，直至剪破，即整個(gè)試驗(yàn)過程中，試樣的孔隙水壓力始終為0。,土木060304,32,三軸壓縮實(shí)驗(yàn)優(yōu)缺點(diǎn),優(yōu)點(diǎn)： （1）可嚴(yán)格控制排水條件 （2）可量測孔隙水壓力 （3）破裂面在最軟弱處 缺點(diǎn)： （1）主應(yīng)力方向固定，且為2=3的軸對稱情況 （2）實(shí)驗(yàn)比較復(fù)雜,土木060304,33,7.3.3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),試驗(yàn)時(shí)圍壓3=0（無側(cè)限），試樣在軸向壓力下產(chǎn)生剪 切破壞。 破壞時(shí)的軸向壓力稱為無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，以 qu 表示。,土木060304,34,土木060304,35,對試樣不加周圍壓力，僅對它施加垂直軸向壓力； 試驗(yàn)主要用于粘性土，尤其適用于

12、飽和軟粘土； 可用于測定軟粘土的靈敏度St,低靈敏土：14,土木060304,36,7.3.4 十字板剪切試驗(yàn),適用于飽和軟粘土 優(yōu)點(diǎn)：構(gòu)造簡單，操作方便， 對土體擾動小,土木060304,37,7.5 不同排水條件時(shí)剪切試驗(yàn),一、總應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)與有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo),庫侖定律,說明：施加于試樣上的垂直法向應(yīng)力為總應(yīng)力，c、為總應(yīng)力意義上的土的粘聚力和內(nèi)摩擦角，稱之為總應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo),根據(jù)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,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),有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)確切地表達(dá)出了土的抗剪強(qiáng)度的實(shí)質(zhì)，是比較

13、合理的表達(dá)方法,土木060304,38,二、不同排水條件時(shí)的剪切試驗(yàn)方法及成果表達(dá),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),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35min之內(nèi)剪破，稱之為快剪,土木060304,39,有效應(yīng)力圓,總應(yīng)力圓,u=0,cu,uA,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,試驗(yàn)表明：雖然三個(gè)試樣的周圍壓力3不同，但破壞時(shí)的主應(yīng)力差相等，三個(gè)極限應(yīng)力圓的直徑相等，因而強(qiáng)度包線是一條水平線,三個(gè)試樣只能得到一個(gè)有效應(yīng)力圓,土木060304,4

14、0,2. 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,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,土木060304,41,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 、 ,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、 cu,土木060304,42,3. 固結(jié)排水剪（CD）,

15、三軸試驗(yàn)：試樣在周圍壓力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,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,土木060304,43,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,總 結(jié):,對于同一種土，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)力有唯一的對應(yīng)關(guān)系,土木060304,44,三、抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的選用,土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨試驗(yàn)方法、排水條件的不同而異，對于具體工程問題，應(yīng)該盡可能根據(jù)現(xiàn)場條件決定采用實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)方法，以獲得合適的抗剪強(qiáng)度指標(biāo),土木060304,45,土木060304,