1、第五章,土的抗剪强度,土力学体系第一、土的三相理论第二、土的渗透理论第三、土的变形理论第四、土的强度理论,一、土的强度特点二、工程中与土体强度有关的问题三、土的强度的机理四、摩尔-库仑强度理论,5 土的抗剪强度,5.1 土体破坏与土的强度理论,一、土的强度特点：碎散性：强度不是颗粒矿物本身的强度，而是颗粒间相互作用主要是抗剪强度与剪切破坏，颗粒间粘聚力与摩擦力；2.三相体系：三相承受与传递荷载有效应力原理；3.自然变异性：土的强度的结构性与复杂性。,5 土的抗剪强度,5.1 土体破坏与土的强度理论,土压力边坡稳定地基承载力,挡土结构物破坏各种类型的滑坡地基的破坏,5 土的抗剪强度,二、工程中土
2、体的破坏类型,5.1 土体破坏与土的强度理论,三、土的强度的机理,5 土的抗剪强度,5.1 土体破坏与土的强度理论,直剪试验库仑（1776）试验原理,施加（=P/A），S量测（=T/A）,直剪仪,直剪试验库仑（1776）试验原理试验结果,=100KPa,S,=200KPa,=300KPa,三、土的强度的机理,5 土的抗剪强度,5.1 土体破坏与土的强度理论,c 粘聚力 内摩擦角,直剪试验库仑（1776）试验原理试验结果,三、土的强度的机理,5 土的抗剪强度,5.1 土体破坏与土的强度理论,库仑公式：,f：土的抗剪强度tg：摩擦强度-正比于压力c：粘聚强度-与所受压力无关,滑动摩擦,三、土的强度
3、的机理,5 土的抗剪强度,5.1 土体破坏与土的强度理论,1.摩擦强度 tg,（1）滑动摩擦,密度（e,粒径级配（Cu,Cc）颗粒的矿物成分 对于：砂土粘性土；高岭石伊里石蒙特石粒径的形状（颗粒的棱角与长宽比）在其他条件相同时：对于砂土，颗粒的棱角提高了内摩擦角 对于碎石土，颗粒的棱角可能降低其内摩擦角,影响土的摩擦强度的主要因素：,三、土的强度的机理,5 土的抗剪强度,5.1 土体破坏与土的强度理论,1.摩擦强度 tg,粘聚强度机理颗粒间的电分子引力（库仑力）化学分子之间的引力颗粒间胶结假粘聚力（毛细力等）,粘聚强度影响因素地质历史粘土颗粒矿物成分密度离子价与离子浓度,三、土的强度的机理,5
4、 土的抗剪强度,5.1 土体破坏与土的强度理论,2.凝聚强度,一、土的强度特点二、工程中土体的破坏类型三、土的强度的机理四、摩尔-库仑强度理论,5 土的抗剪强度,5.1 土体破坏与土的强度理论,5 土的抗剪强度,5.1 土体破坏与土的强度理论,四、摩尔-库仑强度理论,1.库仑公式2.应力状态与摩尔圆3.极限平衡应力状态4.摩尔-库仑强度理论5.破坏判断方法6.滑裂面的位置,二、莫尔应力圆,只要该面上的剪应力达到其抗剪强度,土体内部的滑动可沿任何一个面发生，为此，通常需要研究土体内任一微小单元体的应力状态。,1,3,莫尔应力圆,三、莫尔库仑准则,（一）土的抗剪强度规律库仑抗剪强度定律：对于砂土
5、f=tg 对于粘性土 f=c+tg,摩尔圆与强度线的位置关系：,相离,相切,相交（实际上不存在）,（二）土的极限平衡条件莫尔库仑破坏准则：把莫尔应力圆与库仑抗剪强度线相切时的应力状态，即=f 时的极限平衡状态作为土的破坏准则。是目前判别土体所处状态的最常用或最基本的准则。根据这一准则，当土处于极限平衡状态即应理解为破坏状态，此时的莫尔应力圆即称为极限应力圆或破坏应力圆，相应的一对平面即称为剪切破坏面（简称剪破面）。,土的极限平衡条件：根据莫尔库仑破坏准则来研究某一土体单元处于极限平衡状态时的应力条件及其大、小主应力之间的关系，称该关系为土的极限平衡条件。根据莫尔库仑破坏准则，当单元土体达到极限
6、平衡状态时，莫尔应力圆恰好与库仑抗剪强度线相切。,根据图中的几何关系并经过三角公式的变换，可得,上式即为土的极限平衡条件。当土的强度指标c，为已知，若土中某点的大小主应力1和3满足上列关系式时，则该土体正好处于极限平衡或破坏状态。,从图中还可以看出，按照莫尔库仑破坏准则，当土处于极限平衡状态时，其极限应力圆与抗剪强度线相切与D点，这说明此时土体中已出现了一对剪破面。剪破面与大主应力面的夹角f 称为破坏角，从图中的几何关系可得到理论剪破角为：f=45+/2,【例题52】,已知某土体单元的大主应力1480kPa，小主应力3210kPa。通过试验测得土的抗剪强度指标c=20kPa，18，问该单元土体
7、处于什么状态？【解】已知1480kPa，3210kPa，c=20kPa，18,由式（52）和（53）分别求出剪破面上的法向应力和剪应力为,由式（56）求相应面上的抗剪强度f为,由于 f，说明该单元体早已破坏。,（1）直接用与f的关系来判别,（2）利用公式（58）或式（59）的极限平衡条件来判别由式（58）设达到极限平衡条件所需要的小主应力值为3f，此时把实际存在的大主应力1=480kPa及强度指标c，代入公式（58）中，则得,也可由式（59）计算达到极限平衡条件时所需要得大主应力值为1f，此时把实际存在的大主应力3=210kPa及强度指标c，代入公式（58）中，则得,由计算结果表明，33f,1
8、 1f，所以该单元土体早已破坏。,第3节 确定强度指标的试验,测定土抗剪强度指标的试验称为剪切试验，剪切试验可以在试验室内进行，也可在现场原位条件下进行。按常用的试验仪器可将剪切试验分为直接剪切试验、三轴压缩试验、无侧限抗压强度试验和十字板剪切试验四种。,一、直接剪切试验,用直接剪切仪（简称直剪仪）来测定土的抗剪强度的试验称为直接剪切试验。直接剪切试验是测定预定剪破面上抗剪强度的最简便和最常用的方法。直剪仪分应变控制式和应力控制式两种，前者以等应变速率使试样产生剪切位移直至剪破，后者是分级施加水平剪应力并测定相应的剪切位移。目前我国使用较多的是应变控制式直剪仪。,直剪仪的示意图如图所示：,（一
9、）快剪（Q）试验时在试样上施加垂直压力后，拔去固定销钉，立即以0.8mm/min的剪切速度进行剪切，使试样在3min5min内剪破。该试验所得的强度称为快剪强度，相应的指标称为快剪强度指标，以cQ，Q表示。,为了考虑固结程度和排水条件对抗剪强度的影响，根据加荷速率的快慢将直剪试验划分为快剪、固结快剪和慢剪三种试验类型。,（二）固结快剪（R）试验时对试样施加垂直压力后，每小时测读垂直变形一次，直至变形稳定。变形稳定标准为变形量每小时不大于0.005mm，在拔去固定销，剪切过程同快剪试验。所得强度称为固结快剪强度，相应指标称为固结快剪强度指标，以cR，R表示。,（三）慢剪（S）慢剪试验是对试样施加
10、垂直压力后，待固结稳定后，再拔去固定销，以小于0.02mm/min的剪切速度使试样在充分排水的条件下进行剪切，这样得到的强度称为慢剪强度，其相应的指标称为慢剪强度指标，以cS，S表示。,上述三种方法的试验结果如图510所示。从图中可以看出，cQ cR cS，而Q R S。,直剪试验的设备简单，试样的制备和安装方便，且操作容易掌握，至今仍为工程单位广泛采用。,二、三轴压缩试验,1.定义,一、试验系统,2.基本组成 三轴压缩仪主要由压力室、加压系统以及量测系统三部分组成。,图1 三轴压缩仪试验系统,三轴压缩试验又称三轴剪切试验，是测定土的应力与应变关系和强度的一种常用的室内试验方法。,（1）压力室
11、 压力室一般由金属上盖、活塞、有机玻璃圆筒、底座、围压管、测压管、橡皮膜、透水石、试样、试样冒和排水管等组成。,图2 压力室图,（2）加压系统 由压力泵、调压阀和压力表等组成。（3）量测系统 由排水系统、体变管和孔隙水压力量测装置等组成。,二、试验原理,假设本实验是对地基土中某点的应力状态的模拟，图3表示的是在荷载q作用下地基土中任意一点M的应力状态。,q,图3 M的应力状态,1.土中应力状态,用三轴压缩试验模拟M点的应力状态时需将M点的应力进行分解。,1,1,3,3,M,3,3,3,3,M,1-3,M,1-3,（a）,（b）,情况a：各向等压状态，通过施加围压实现；,情况b：偏压状态，通过施
12、加轴向压力实现。,令1-3,，则被称为偏差应力。,2.应力圆与强度包线 莫尔应力圆：若1为大主应力，3为小主应力，在-直角坐标系统中以1/2(1+3),0为圆心坐标，1/2(1-3)为半径作出的圆即为莫尔应力圆。,图5 强度包线,极限应力圆是指根据土体极限状态下的大小主应力作出的莫尔应力圆。,根据此包线可以得到土的抗剪强度指标c，值,抗剪强度包线：过不同应力状态下的一组极限应力圆作一条共切线即为土的抗剪强度包线。,固结排水试验（CD试验）试样先在围压作用下排水固结，然后允许试样在充分排水的条件下增加轴向压力直至破坏。,固结不排水试验（CU试验）土样在施加围压时，允许试样充分排水，待固结稳定后，
13、再在不排水的条件下施加轴向压力，直至试样剪切破坏。,不固结不排水试验（UU试验）试样在施加围压和随后施加偏应力直至破坏的整个试验过程中都不允许排水，这样从开始加压直至试样剪坏，土中的含水量始终保持不变，孔隙水压力也不消散。,cd、d,ccu、cu,cu、u,三、试验类型,（1）试验种类,粘土地基上分层慢速施工的填方,稳定渗流期的土坝,天然粘土坡或在粘土中的开挖,固结排水试验适用于排水条件好，施工慢，在施工期不产生孔隙水压力的情况。ccd cd,(2)试验的应用,固结不排水试验适用于在一定应力条件下，已经固结排水的土体，应力增加后不排水的情况。ccu cu,在1层土固结后，施工2层的填方,库水位
14、从1骤降到2,在天然土坡上快速填方,(2)试验的应用,不固结不排水试验适用于渗透系数小，施工进度快，在施工期无排水固结的情况。cu,软土地基上快速施工的填方,土坝快速施工，心墙未固结,粘土地基上快速施工的建筑物,(2)试验的应用,四、试验操作,1、试验步骤（1）对仪器各部分进行全面检查，检查围压系统、反压力系统、孔隙水压力系统、轴向压力系统是否能正常工作，排水管路是否畅通，管路阀门连接处有无漏水漏气现象。橡胶膜是否有漏水漏气现象。（2）制作试样。将试验土体做成直径为3850mm，高75100mm的圆柱体。（3）将试样饱和。,土 柱,（4）拆开压力室的有机玻璃罩，将试样放在试样底座的不透水圆板上
15、，在试样的顶部放置不透水试样帽。（5）将橡皮膜套在承膜筒上，两端翻过来，用洗耳球吸气，使橡皮膜贴紧承膜筒内壁，然后套在试样外放气，翻起橡皮膜，取出承膜筒，用橡皮圈将橡皮膜分别扎紧在试样底座和试样帽上。,承膜筒,装好的试样,（6）装上有机玻璃罩，安装时应先将活塞提高，以防碰撞试样，然后将活塞对准试样帽中心，并旋紧压力室密封螺帽，再将测力环对准活塞。（7）向压力室充水，当压力室快注满水时，降低进水速度，当水从排水孔溢出时，关闭排水孔。（8）根据选定的试验类型控制排水阀开关，然后向压力室内施加气压或液压3。加围压需控制围压的速度,(9)根据选定的试验类型调整排水阀开关，然后通过轴向加荷系统对试件施加
16、竖向偏差应力。(10)读取并记录数据。(11)试验结束后，关闭电动机，关围压阀，拔开离合器，倒转手轮，然后打开排气孔，排去压力室内的水，拆去压力室外罩，取出试验，描述试样破坏的形状，并测得试验后的密度和含水量。(12)整理数据并撰写试验报告。,2.试样的制取（1）原状土试样制备 用先用钢丝锯或削土刀将土样切取一稍大于规定尺寸的土柱，然后放在切土盘削成规定直径的土柱，最后按试样高度要求削平上下两端。,（2）扰动土试样制备（a）将土样风干、碾碎，测出其风干含水率，并根据含水率算出所需加水量。（b）将水加入风干的土样中，拌匀。（c）将拌匀的土样装入塑料袋置于密闭容器内至少20h使其含水率均匀。（d）
17、根据要求的干密度称取所需土质量放入内径与试样直径相同的击样筒分层击实，直至试样规定高度。,3.试样饱和（1）抽气饱和。将装有试样的饱和器置于无水的抽气缸内进行抽气,当真空度接近当地1个大气压后应继续抽气,继续抽气时间宜符合下列要求：,粉质土 大于0.5h粘质土 大于1h密实的粘质土 大于2h,当抽气时间达到上述要求后徐徐注入清水并保持真空度稳定，待饱和器完全被水淹没就停止抽气并释放抽气缸的真空，最后将试样在水下静置，时间应大于10h。,(2)水头饱和 试样装入压力室后施加20kPa的围压,然后提高压力室底部量管的水面和降低顶部固结排水管的水面，使两管水面差在1m左右，再打开量管的孔隙压力阀和排水管的排水阀让水自下而上通过试样直至同一时间间隔内量管流出的水量与固结排水管内的水量相等为止。,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，使超静孔隙水压力完全消散；2 打开排水阀门，慢慢施加轴向偏差应力，充分排水，避免产生超静孔压,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，使超静孔隙水压力完全消散；2关闭排水阀门，施加轴向偏差应力使试样很快被剪切破坏，在施加过程中不排水,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，施加轴向偏差应力使试样很快被剪切破坏，在施加轴向偏差应力过程中不排水,