1、5土的抗剪強度,5.1 土的抗剪強度概述 5.2 抗剪強度的測定方法 5.3 孔隙壓力系數(shù) 5.4 抗剪強度指標(biāo) 5.5 應(yīng)力路徑,5.1 土的抗剪強度概述,土的抗剪強度：土體抵抗剪切破壞的極限能力,加拿大特朗斯康谷倉： 1911年動工 1913年完工 谷倉自重20000噸 1913年10月17日發(fā)現(xiàn)1小時內(nèi)豎向沉降達(dá)30.5厘米，結(jié)構(gòu)物向西傾斜，并在24小時內(nèi)傾倒，谷倉西端下沉7.32米，東端上抬1.52米 產(chǎn)生原因：地基承載力不夠，超載引發(fā)強度破壞而產(chǎn)生滑動。,一、庫侖定律,1776年，庫侖根據(jù)砂土剪切試驗,f = tan,砂土,庫侖定律：土的抗剪強度是剪切面上的法向總應(yīng)力 的線性函數(shù)，用

2、f表示。,:土的內(nèi)摩擦角,后來，根據(jù)粘性土剪切試驗,f =c+ tan,粘土,c,c:土的粘聚力 :土的內(nèi)摩擦角,土體強度破壞的機(jī)理： 在外荷載作用下，土體中將產(chǎn)生剪應(yīng)力和剪切變形，當(dāng)土中某點由外力所產(chǎn)生的剪應(yīng)力達(dá)到土的抗剪強度時，土就沿著剪應(yīng)力作用方向產(chǎn)生相對滑動，該點便發(fā)生剪切破壞。,有效應(yīng)力抗剪強度公式 式中 剪切破壞面上的有效法向應(yīng)力 u 土中的超靜孔隙水壓力 土的有效粘聚力 土的有效內(nèi)摩擦角 土的有效抗剪強度指標(biāo)，對于同一種土，其值理論上與試驗方法無關(guān)，應(yīng)接近于常數(shù)。,1）無粘性土：來源于土粒間的摩擦力（內(nèi)摩擦力）。 包括：a.一部分由于土顆粒粗糙產(chǎn)生的表面摩擦力； b.另一部分是粗

3、顆粒之間互相鑲嵌，聯(lián)鎖作用產(chǎn)生的咬合力。,2）粘性土：除內(nèi)摩擦力外，還有內(nèi)聚力。 內(nèi)聚力主要來源于：土顆粒之間的電分子吸引力和土中膠結(jié)物質(zhì)（eg.硅、鐵物質(zhì)和碳酸鹽等）對土粒的膠結(jié)作用。,二、土體抗剪強度影響因素,三、土體中任一點的應(yīng)力狀態(tài),假定土層為均勻、連續(xù)的半空間材料，研究地面以下任一深度處M點的應(yīng)力狀態(tài)。在土體中取一微單元體，作用在該單元體上的兩個主應(yīng)力為 ，作用在與大主應(yīng)力作用面成 角的 平面上的正應(yīng)力 和剪應(yīng)力 。,楔體靜力平衡,斜面上的應(yīng)力,莫爾應(yīng)力圓方程,A(, ),圓心坐標(biāo)1/2(1 +3 )，0,應(yīng)力圓半徑r1/2(13 ),土中某點的應(yīng)力狀態(tài)可用莫爾應(yīng)力圓描述,應(yīng)力圓與強

4、度線相離：,應(yīng)力圓與強度線相切：,應(yīng)力圓與強度線相割：,f,=f,f,破壞狀態(tài),彈性平衡狀態(tài),極限平衡狀態(tài),極限應(yīng)力圓,四、土的極限平衡條件,莫爾庫侖破壞準(zhǔn)則,莫爾應(yīng)力圓與庫侖強度線相切的應(yīng)力狀態(tài)作為土的破壞準(zhǔn)則 (目前判別土體所處狀態(tài)的最常用準(zhǔn)則),無粘性土：c=0,土體處于極限平衡狀態(tài)時，破壞面與大主應(yīng)力作用面的夾角為 f,說明：剪破面并不產(chǎn)生于最大剪應(yīng)力面，而與最大剪應(yīng)力面成 / 2的夾角，可知，土的剪切破壞并不是由最大剪應(yīng)力max所控制,五、例題分析,【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。通過試驗測得土的抗剪強度指標(biāo)c=15 kPa， =20o。試

5、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)在哪個面上，是否會沿剪應(yīng)力最大的面發(fā)生剪破？,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),解:,1.計算法,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,一、直接剪切試驗,試驗儀器：直剪儀（應(yīng)力控制式，應(yīng)變控制式）,5.2 土的剪切試驗方法,剪切試驗,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，剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線，根據(jù)曲線得到該 作用下土的抗剪強度。,在不同的垂直壓力下進(jìn)

6、行剪切試驗，得相應(yīng)的抗剪強度f ，繪制f - 曲線，得該土的抗剪強度包線。,直剪試驗優(yōu)缺點,優(yōu)點：儀器構(gòu)造簡單，試樣的制備和安裝方便，易于操作。 缺點： 剪切破壞面固定為上下盒之間的水平面不符合實際情況，不一定是土樣的最薄弱面。 試驗中不能嚴(yán)格控制排水條件，對透水性強的土尤為突出，不能量測土樣的孔隙水壓力。 上下盒的錯動，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。,二、三軸剪切試驗,應(yīng)變控制式三軸儀：壓力室，加壓系統(tǒng)，量測系統(tǒng)組成 應(yīng)力控制式三軸儀,試驗步驟:,1.裝樣,2.施加周圍壓力,3.施加豎向壓力,抗剪強度包線,分別在不同的周圍壓力3作用下進(jìn)行剪切，得到34 個不同的

7、破壞應(yīng)力圓，繪出各應(yīng)力圓的公切線即為土的抗剪強度包線,三軸試驗優(yōu)缺點,優(yōu)點： 試驗中能嚴(yán)格控制試樣排水條件，量測孔隙水壓力，了解土中有效應(yīng)力變化情況； 試樣中的應(yīng)力分布比較均勻。 缺點： 試驗儀器復(fù)雜，操作技術(shù)要求高，試樣制備較復(fù)雜 ； 試驗在2=3的軸對稱條件下進(jìn)行，與土體實際受力情況可能不符。,三、無側(cè)限抗壓強度試驗,無側(cè)限抗壓強度試驗是三軸剪切試驗的特例，對試樣不施加周圍壓力，即3=0，只施加軸向壓力直至發(fā)生破壞，試樣在無側(cè)限壓力條件下，剪切破壞時試樣承受的最大軸向壓力qu，稱為無側(cè)限抗壓強度。,根據(jù)試驗結(jié)果只能作出一個極限應(yīng)力圓（3=0，1=qu）。因此對一般粘性土，無法作出強度包線。

8、,說明：對于飽和軟粘土，根據(jù)三軸不排水剪試驗成果，其強度包線近似于一水平線，即u=0，因此無側(cè)限抗壓強度試驗適用于測定飽和軟粘土的不排水強度。,無側(cè)限抗壓強度試驗儀器構(gòu)造簡單，操作方便，可代替三軸試驗測定飽和軟粘土的不排水強度。,靈敏度,粘性土的原狀土無側(cè)限抗壓強度與原土結(jié)構(gòu)完全破壞的重塑土的無側(cè)限抗壓強度的比值。,反映土的結(jié)構(gòu)受撓動對強度的影響程度,根據(jù)靈敏度將飽和粘性土分類：,低靈敏度土 1St2,中靈敏度土 2 St4,高靈敏度土 St4,四、十字板剪切試驗,適用于現(xiàn)場測定飽和粘性土的不排水強度，尤其適用于均勻的飽和軟粘土,柱體上下平面的抗剪強度產(chǎn)生的抗扭力矩,柱體側(cè)面剪應(yīng)力產(chǎn)生的抗扭力

9、矩,5.3 孔隙應(yīng)力系數(shù),斯肯普頓1954年根據(jù)三軸壓縮試驗的結(jié)果，首先提出孔隙壓力系數(shù)的概念，并用以表示土中孔隙壓力的大小。,不排水剪試驗中的孔隙水壓力,孔隙應(yīng)力系數(shù)B,定義：當(dāng)試樣在不排水條件下受到各向相等壓力增量時，產(chǎn)生的孔隙應(yīng)力增量與壓力增量之比定義為孔隙應(yīng)力系數(shù)。,B反映土體在各向相等壓力作用下，孔隙應(yīng)力變化情況的指標(biāo)，也是反映土體飽和程度的指標(biāo)。,B=1 飽和土的不固結(jié)不排水試驗試驗中，試樣在周圍壓力增量下將不發(fā)生豎向和側(cè)向變形，這時的周圍壓力增量完全由孔隙水承擔(dān)。 B=0 土完全干燥，周圍壓力增量完全由土骨架承擔(dān)。 0B1 非飽和土，孔隙中流體的壓縮性與土骨架的壓縮性為一個量級，

10、飽和度越大，B越接近于1。,定義：當(dāng)試樣在軸向應(yīng)力增量作用時，產(chǎn)生的孔隙水應(yīng)力為為u2 ,A為偏應(yīng)力增量作用下的孔隙壓力系數(shù)。,綜合反映主應(yīng)力差作用下孔隙水應(yīng)力變化的一個指標(biāo),孔隙應(yīng)力系數(shù)A,三軸試驗根據(jù)試樣的固結(jié)和排水條件不同，可分為不固結(jié)不排水剪（UU）、固結(jié)不排水剪（CU）、固結(jié)排水剪（CD）。分別對應(yīng)于直剪試驗的快剪、固結(jié)快剪、和慢剪試驗。,5.4 土的抗剪強度指標(biāo),一、不同固結(jié)和排水條件下的抗剪強度指標(biāo),1.不固結(jié)不排水剪（UU）,三軸試驗：施加周圍壓力3、軸向壓力直至剪破的整個過程都關(guān)閉排水閥門，不允許試樣排水固結(jié) 。,直剪試驗：通過試驗加荷的快慢來實現(xiàn)是否排水。使試樣在35min

11、之內(nèi)剪破，稱之為快剪。,飽和粘性土在三組3下的不排水剪試驗得到A、B、C三個不同3作用下破壞時的總應(yīng)力圓。,試驗表明：雖然三個試樣的周圍壓力3不同，但破壞時的主應(yīng)力差相等，三個極限應(yīng)力圓的直徑相等，因而強度包線是一條水平線。三個試樣只能得到一個有效應(yīng)力圓 。,抗剪強度指標(biāo)為cu、u,2. 固結(jié)不排水剪（CU）,三軸試驗：施加周圍壓力3時打開排水閥門，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：剪切前試樣在垂直荷載下充分固結(jié)，剪切時速率較快，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。,固結(jié)不排水剪試驗得到A、B、

12、C三個不同3作用下破壞時的總應(yīng)力圓，由總應(yīng)力圓強度包線確定固結(jié)不排水剪總應(yīng)力強度指標(biāo)ccu、 cu,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)力圓強度包線可確定c 、 ,3. 固結(jié)排水剪（CD）,三軸試驗：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，整個試驗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：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，整個試驗過程中盡量使土樣排水，試驗方法稱為慢剪。,在整個排水剪試驗過程中， 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)力強度線即是有效應(yīng)力強度線。強度指標(biāo)為cd、d,對于飽和土的不固結(jié)不排水試驗：,固結(jié)不排水試驗：,固結(jié)排水試驗：,總結(jié):,對于同一種土，在不同的排水條件下進(jìn)行試驗，總應(yīng)力強度指標(biāo)完全不同。,有效應(yīng)力強度指標(biāo)不隨試驗方法的改變而不同，抗剪強度與有效應(yīng)力有唯一的對應(yīng)關(guān)系。,二、抗剪強度指標(biāo)的選用,土的抗剪強度指標(biāo)隨試驗方法、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)場條件決定采用實驗室的試驗方法，以獲得合適的抗剪強度指標(biāo) 。,5.5 應(yīng)力路徑,應(yīng)力路徑：試樣或土單元在受剪過程中的應(yīng)力狀態(tài)變化可用某個特定平面上的應(yīng)力狀態(tài)的軌跡即應(yīng)力路徑來反映，這種軌跡稱作應(yīng)力路徑。,剪破面上的應(yīng)力路徑：如下圖AB、