土的抗剪强度演示文稿课件.ppt

1、土的抗剪强度王英浩内蒙古科技大学建筑与土木工程学院岩土教研组1概概 述述土的破坏主要是由于剪切土的破坏主要是由于剪切引起的，剪切破坏是土体破引起的，剪切破坏是土体破坏的重要特点坏的重要特点.工程时间中与土的抗剪强工程时间中与土的抗剪强度有关的工程主要有以下度有关的工程主要有以下3 3类类:（1 1）土质土坝的稳定）土质土坝的稳定 （2 2）土压力）土压力 （3 3）地基的承载力问题）地基的承载力问题2工程实例土坡稳定3工程实例土坡稳定4工程实例土压力5工程实例土压力6工程实例地基承载力问题7工程实例地基承载力问题89一一.库仑公式库仑公式tgcffc,c0c10 无粘性土无粘性土 粘性土粘性土

2、11tg)(uctgcf c c问题问题:总应力法与有效应力法的优缺点是什么总应力法与有效应力法的优缺点是什么?12总应力法总应力法比有效应力法简单比有效应力法简单,因为试验时不需测量孔因为试验时不需测量孔隙水压力隙水压力,进行稳定分析时也不考虑孔隙水压力进行稳定分析时也不考虑孔隙水压力,只只需测量总应力即可需测量总应力即可.但是对于同一种土但是对于同一种土,施加相同的施加相同的总应力总应力,如果试验方法不同如果试验方法不同,或者说控制的排水条件或者说控制的排水条件不同不同,则所得的强度指标也就不相同则所得的强度指标也就不相同.也就是说也就是说,总应总应力和土的抗剪强度没有唯一对应的关系力和土

3、的抗剪强度没有唯一对应的关系,应用较多应用较多.有效应力法有效应力法考虑了孔隙水压力的影响考虑了孔隙水压力的影响,只计入作用于只计入作用于粒间的有效应力粒间的有效应力,试验证明试验证明,对于同一种土对于同一种土,不论采用不论采用何种试验方法何种试验方法,只要能准确测量出孔隙水压力只要能准确测量出孔隙水压力,则所则所得的有效抗剪强度指标是相同的得的有效抗剪强度指标是相同的.它们有唯一对应的它们有唯一对应的关系关系.但测量孔隙水压力时但测量孔隙水压力时,比较麻烦比较麻烦,需要精确评价需要精确评价地基强度和稳定性时常采用地基强度和稳定性时常采用.13来源于土粒间的摩擦力（内摩擦力）。来源于土粒间的摩

4、擦力（内摩擦力）。包括：包括：a.a.一部分由于土颗粒粗糙产生的表面摩擦力；一部分由于土颗粒粗糙产生的表面摩擦力；b.b.另一部分是粗颗粒之间互相镶嵌，联锁作用另一部分是粗颗粒之间互相镶嵌，联锁作用 产生的咬合力。产生的咬合力。除内摩擦力外，还有内聚力。除内摩擦力外，还有内聚力。内聚力主要来源于：土颗粒之间的电分子吸引力和土中胶内聚力主要来源于：土颗粒之间的电分子吸引力和土中胶结物质（硅、铁物质和碳酸盐等）对土粒的胶结作用。结物质（硅、铁物质和碳酸盐等）对土粒的胶结作用。14二二.莫尔莫尔-库仑强度理论库仑强度理论 假定土层为均匀、连续的半空间材料，研究地面以下任一假定土层为均匀、连续的半空间

5、材料，研究地面以下任一深度处深度处M点的应力状态。点的应力状态。下面仅研究平面问题，下面仅研究平面问题，在土体中取一微单元体，在土体中取一微单元体，作用在该单元体上的两个作用在该单元体上的两个主应力为主应力为 ，则作用在与大主应力作用面成则作用在与大主应力作用面成 角的角的 平面上的正应力平面上的正应力 和剪应力和剪应力 可根据静力平衡条件求得：可根据静力平衡条件求得：3131,mn0sincoscos0cossinsin13dsdsdsdsdsds15如下图如下图。31,与2sin212cos2121313131以上以上可用可用莫尔圆莫尔圆表示，表示，16 如果给定了土的抗剪强度参数如果给定

6、了土的抗剪强度参数 和和c以及土中某点的应力以及土中某点的应力状态，则可将抗剪强度包线与莫尔应力圆画在同一张坐标图上。状态，则可将抗剪强度包线与莫尔应力圆画在同一张坐标图上。它们之间的关系有三种情况：它们之间的关系有三种情况：（1）莫尔圆位于抗剪强度包线下方（圆）莫尔圆位于抗剪强度包线下方（圆1），说明该点在任何），说明该点在任何平面上的剪应力都小于土所能发挥的抗剪强度平面上的剪应力都小于土所能发挥的抗剪强度 ，因此不会发生剪切破坏；因此不会发生剪切破坏；（2）圆）圆3实际上不存在；实际上不存在；（3）圆）圆2，说明在，说明在A点所代点所代表的平面上剪应力正好等于表的平面上剪应力正好等于抗剪强

7、度抗剪强度 ，该点，该点处于极限平衡状态。处于极限平衡状态。ffc1718土处于极限平衡状态下时土处于极限平衡状态下时根据极限应力圆与根据极限应力圆与抗剪强度包线相切抗剪强度包线相切的几何关系，可建的几何关系，可建立以下极限立以下极限平衡条平衡条件件：sin21cot213131c19245tan2245tan245tan2245tan213231cc粘性土：粘性土：化简后得：化简后得：无粘性土：无粘性土：245tan245tan21323120破裂面破裂面245902ff破裂角：破裂角：破坏面与大主应力作用面间的夹角破坏面与大主应力作用面间的夹角问题问题:土体的最大剪应力面是否即剪切破裂面土

8、体的最大剪应力面是否即剪切破裂面?对于饱和软粘土对于饱和软粘土,在不排水条件下在不排水条件下,其内摩擦角为其内摩擦角为0,0,此时土体的最大剪应力面即为剪切破裂面此时土体的最大剪应力面即为剪切破裂面.21测定土抗剪强度指标的试验称为剪切试验测定土抗剪强度指标的试验称为剪切试验按照常用的试验仪器将剪切试验分为按照常用的试验仪器将剪切试验分为 直接剪切试验直接剪切试验 三轴压缩试验三轴压缩试验 无侧向抗压强度试验无侧向抗压强度试验 十字板剪切试验十字板剪切试验近似模拟近似模拟22直接剪切试验应变控制式直剪仪应变控制式直剪仪232425262728应变控制式直剪仪的试验原理：应变控制式直剪仪的试验原

9、理：对同一种土至少取对同一种土至少取4个平行试样，分别在不同垂直压个平行试样，分别在不同垂直压力力 下剪切破坏，将试验结果绘制抗剪强度下剪切破坏，将试验结果绘制抗剪强度 f与相应与相应垂直压力垂直压力 的关系图。试验结果表明，对于粘性土的关系图。试验结果表明，对于粘性土 f 基本上呈直线关系，直线方程可用库伦公式表示；基本上呈直线关系，直线方程可用库伦公式表示；对于无粘性土，对于无粘性土，f 则是通过原点的直线。则是通过原点的直线。29 30的的缺点缺点直接剪切仪直接剪切仪限定剪切面不一定是最薄弱面限定剪切面不一定是最薄弱面剪切面上剪应力分布不均匀剪切面上剪应力分布不均匀剪切面在剪切过程中是逐

10、渐缩小的剪切面在剪切过程中是逐渐缩小的不能严格控制排水条件，不能量测孔隙水压力不能严格控制排水条件，不能量测孔隙水压力构造简单构造简单操作方便操作方便的的优点优点直接剪切仪直接剪切仪31三轴压缩试验 对同一种土至少取对同一种土至少取3个平行试样，分别在个平行试样，分别在不同周围压力不同周围压力 3 和轴压和轴压 1 作用下剪切破坏，将作用下剪切破坏，将试验结果绘制为若干个试验结果绘制为若干个极限应力圆极限应力圆。根据莫尔。根据莫尔-库伦理论，这一组极限应力圆的库伦理论，这一组极限应力圆的公共切线公共切线即即为土的为土的抗剪强度包线抗剪强度包线，可近似取为一条直线，可近似取为一条直线，直线的方程

11、即为库伦公式所表示的方程。直线的方程即为库伦公式所表示的方程。三轴压缩仪的试验原理：三轴压缩仪的试验原理：32 c0三轴压缩试验原理三轴压缩试验原理33的的优点优点三轴压缩仪三轴压缩仪的的缺点缺点三轴压缩仪三轴压缩仪能较严格地控制排水条件能较严格地控制排水条件剪切破坏面为最薄弱面剪切破坏面为最薄弱面试验设备、试验过程相对复杂试验设备、试验过程相对复杂试样的受力状态为轴对称情况，试样的受力状态为轴对称情况，与实际土体的受力状态未必相符与实际土体的受力状态未必相符34353637无侧限抗压强度试验三轴压缩试验当周围压力为零时即为无侧限试验三轴压缩试验当周围压力为零时即为无侧限试验条件，此时只有轴向

12、压力，所以也称单轴压缩试条件，此时只有轴向压力，所以也称单轴压缩试验。验。由于试样的侧向力为零，在轴向受压时，其侧向由于试样的侧向力为零，在轴向受压时，其侧向变形不受限制，故又称无侧限压缩试验。变形不受限制，故又称无侧限压缩试验。由于试样是在轴向压缩的条件下破坏的，因此把由于试样是在轴向压缩的条件下破坏的，因此把这种情况下土能承受的最大轴向压力称为无侧限这种情况下土能承受的最大轴向压力称为无侧限抗压强度，以抗压强度，以q qu u表示表示3839极限应力圆40 3uutqqS41十字板剪切试验原位十字板剪切试验是一种利用十字板剪切仪在原位十字板剪切试验是一种利用十字板剪切仪在现场测定土的抗剪强

13、度的方法。这种方法适用于现场测定土的抗剪强度的方法。这种方法适用于在现场测定饱和粘性土的原位不排水强度，特别在现场测定饱和粘性土的原位不排水强度，特别适用于均匀的饱和软粘土。适用于均匀的饱和软粘土。无需钻孔取得原状土样无需钻孔取得原状土样,从而使土少受扰动从而使土少受扰动,试验试验时土的排水条件和受力状态与实际条件十分接近时土的排水条件和受力状态与实际条件十分接近.424344一一.粘性土在不同固结和排水条件下的抗剪强度指标粘性土在不同固结和排水条件下的抗剪强度指标3333333331101u02 uu固结不排水试验（固结不排水试验（CU试验试验）是在）是在施加周围压力时充分施加周围压力时充分

14、排水（固结）排水（固结），而在施加轴向压力直至剪切破坏的整个，而在施加轴向压力直至剪切破坏的整个试验过程中试验过程中不允许排水（不排水）不允许排水（不排水）。45 饱和粘性土的固结不排水抗剪强度受应力历史饱和粘性土的固结不排水抗剪强度受应力历史的影响，所以首先要区分试样是处于什么样的固结的影响，所以首先要区分试样是处于什么样的固结状态。状态。正常固结正常固结状态的试样在剪切过程中体积有减小状态的试样在剪切过程中体积有减小的趋势（的趋势（剪缩剪缩），但由于不允许排水，故产生），但由于不允许排水，故产生正的正的孔隙水压力孔隙水压力；而；而强超固结强超固结状态的试样在剪切过程中，状态的试样在剪切过程

15、中，先表现为先表现为剪缩剪缩（产生（产生正的孔隙水压力正的孔隙水压力），然后转为），然后转为剪胀（产生剪胀（产生负的孔隙水压力负的孔隙水压力）。）。46a.正常固结饱和粘土正常固结饱和粘土47 剪切过程中剪切过程中不排水不排水，根据有效应力原理可知，根据有效应力原理可知，有有效应力圆与总应力圆直径相等，位置不同。效应力圆与总应力圆直径相等，位置不同。因为正常固结状态的试样在剪切破坏时产生因为正常固结状态的试样在剪切破坏时产生正的正的孔隙水压力孔隙水压力，故有效应力圆在总应力圆的，故有效应力圆在总应力圆的左边左边。总应力破坏包线和有效应力破坏包线都通过总应力破坏包线和有效应力破坏包线都通过原点原

16、点，说明说明固结压力为零的土不会具有抗剪强度。固结压力为零的土不会具有抗剪强度。48超固结状态超固结状态正常固结状态正常固结状态ccu0 abcb.超固结饱和粘土超固结饱和粘土超固结状态土的固结不排水试验超固结状态土的固结不排水试验49超固结状态的饱和粘性土的固结不排水剪切试验超固结状态的饱和粘性土的固结不排水剪切试验得到的总应力得到的总应力破坏包线是一条略平缓的曲线破坏包线是一条略平缓的曲线，可近，可近似以直线似以直线abab代替，与正常固结状态土的固结不排水代替，与正常固结状态土的固结不排水破坏包线破坏包线bcbc相交，相交，bcbc的延长线通过原点。实用上将的延长线通过原点。实用上将ab

17、cabc折线取为一条直线。折线取为一条直线。由于超固结状态的土样在剪切破坏时，产生由于超固结状态的土样在剪切破坏时，产生负的负的孔隙水压力孔隙水压力，有效应力圆在总应力圆的，有效应力圆在总应力圆的右边右边。503333333331101u021uuu不固结不排水试验（不固结不排水试验（UU试验）试验）是在施加周围压力时是在施加周围压力时不排水不排水（不固结）（不固结），且在施加轴向压力直至剪切破坏的整个试验过，且在施加轴向压力直至剪切破坏的整个试验过程中也程中也不允许排水（不排水）不允许排水（不排水）。51 0 u 0cu饱和粘性土的不固结不排水试验饱和粘性土的不固结不排水试验52 图中三个实

18、线圆分别表示三个试件在不同的围图中三个实线圆分别表示三个试件在不同的围压作用下破坏时的总应力圆，虚线表示有效应力圆。压作用下破坏时的总应力圆，虚线表示有效应力圆。试验结果表明，虽然三个试件的试验结果表明，虽然三个试件的围压不同围压不同，但破坏，但破坏时的时的主应力差相等主应力差相等，所以三，所以三个总应力圆的直径相同个总应力圆的直径相同，所以所以破坏包线是一条水平线破坏包线是一条水平线，可得，可得0 u)(2131 ufc53由于在不排水条件下，试样在试验过程中由于在不排水条件下，试样在试验过程中含水量含水量不变，体积不变不变，体积不变，改变周围压力增量只能引起孔隙，改变周围压力增量只能引起孔

19、隙水压力的变化，水压力的变化，并不会改变试样中的有效应力并不会改变试样中的有效应力，各，各试件在剪切前的有效应力相等，因此试件在剪切前的有效应力相等，因此抗剪强度不变抗剪强度不变。由于只能得到由于只能得到一个有效应力圆一个有效应力圆，所以，所以不能得到有不能得到有效应力破坏包线效应力破坏包线，不固结不排水试验只用于测定饱，不固结不排水试验只用于测定饱和土的不排水强度，所以可以用和土的不排水强度，所以可以用无侧限抗压强度试无侧限抗压强度试验验代替三轴压缩试验来测定饱和土的不排水抗剪强代替三轴压缩试验来测定饱和土的不排水抗剪强度。度。54不固结不排水试验的不固结不排水试验的“不固结不固结”是在保持

20、试样是在保持试样原原来有效应力不变来有效应力不变的情况下，在三轴压力室的周围的情况下，在三轴压力室的周围压力下不再排水固结。如果饱和粘性土压力下不再排水固结。如果饱和粘性土从未固结从未固结过，则其中的过，则其中的有效应力为零（先期固结压力也为有效应力为零（先期固结压力也为零零），表现为一种泥浆状土，其抗），表现为一种泥浆状土，其抗剪强度必然也剪强度必然也等于零。等于零。如果在如果在较高的剪前固结压力较高的剪前固结压力下进行不固结不排水下进行不固结不排水试验，就会得到试验，就会得到较大的不排水抗剪强度较大的不排水抗剪强度。553333333331101u02 uu固结排水试验（固结排水试验（CD

21、试验）试验）是在是在施加周围压力时充分排水施加周围压力时充分排水（固结）（固结），而在，而在施加轴向压力直至剪切破坏施加轴向压力直至剪切破坏的整个试验过的整个试验过程中程中允许排水（排水）允许排水（排水）。56a.正常固结饱和粘土正常固结饱和粘土57b.超固结饱和粘土超固结饱和粘土58在整个试验过程中，土样中的在整个试验过程中，土样中的孔隙水压力始终孔隙水压力始终为零为零，总应力最后完全转化为有效应力总应力最后完全转化为有效应力，所以，所以总总应力圆就是有效应力圆应力圆就是有效应力圆，总应力破坏包线就是有，总应力破坏包线就是有效应力破坏包线。效应力破坏包线。正常固结状态的土，其正常固结状态的土

22、，其破坏包线通过原点破坏包线通过原点。超固结饱和粘土在固结排水剪中超固结饱和粘土在固结排水剪中先剪缩后剪胀先剪缩后剪胀,但但不会排出水分不会排出水分,反而因剪胀而有反而因剪胀而有吸水吸水的趋势的趋势,含含水量还要增加水量还要增加.59试验结果表明，对于同一种土，固结排水试验得试验结果表明，对于同一种土，固结排水试验得到的到的cd、d与固结不排水试验得到的与固结不排水试验得到的c、很很接近接近，由于固结排水试验所需的时间太长，故由于固结排水试验所需的时间太长，故实用上用实用上用c、代替代替cd、d。60三种试验结果的强度包线三种试验结果的强度包线61 对同一种饱和粘性土，分别在三种不同的排对同一

23、种饱和粘性土，分别在三种不同的排水条件下进行剪切试验。如果用水条件下进行剪切试验。如果用总应力表示，总应力表示，将得将得到到完全不同的试验结果完全不同的试验结果，而以，而以有效应力表示有效应力表示，则不，则不论采用哪种试验方法，都得到论采用哪种试验方法，都得到近乎同一条有效应力近乎同一条有效应力破坏包线。破坏包线。所以说，抗剪强度与总应力没有唯一的对应关所以说，抗剪强度与总应力没有唯一的对应关系，而与有效应力有唯一的对应关系系，而与有效应力有唯一的对应关系。62二二.粘性土的残余强度指标粘性土的残余强度指标 坚硬的超压密粘土的坚硬的超压密粘土的 曲线可出现剪应力的峰曲线可出现剪应力的峰值值 ,

24、即为土的即为土的峰值抗剪强度峰值抗剪强度.峰后强度随剪切位移峰后强度随剪切位移增大而降低增大而降低,称为应变软化特征称为应变软化特征.当剪切位移较大时当剪切位移较大时,其强度最终也降低至某一稳定值其强度最终也降低至某一稳定值,这种终值强度称为这种终值强度称为残余强度残余强度.试验证明试验证明,粘性土的残余强度同峰值强度粘性土的残余强度同峰值强度一样也符合库仑公式一样也符合库仑公式,即即lfprrfrtgc6364粘性土的残余强度可解释为粘性土的残余强度可解释为,沿剪切面两侧沿剪切面两侧非定非定向排列向排列的薄层微粒结构的薄层微粒结构,随着剪应变的增加而逐随着剪应变的增加而逐渐转化为沿剪切方向渐

25、转化为沿剪切方向定向排列定向排列,因而土的抗剪强因而土的抗剪强度随之降低度随之降低.残余强度与土的结构关系不大残余强度与土的结构关系不大,而主要取决于土而主要取决于土的矿物成分和有效法向应力的影响的矿物成分和有效法向应力的影响.粘土的残余强度与它的应力历史无关粘土的残余强度与它的应力历史无关.在大剪位移下超固结粘土的强度降低幅度比正常在大剪位移下超固结粘土的强度降低幅度比正常固结粘土的大固结粘土的大.残余强度线为通过坐标原点的直线残余强度线为通过坐标原点的直线.65三三.无粘性土的抗剪强度指标无粘性土的抗剪强度指标紧砂受剪时，颗粒必紧砂受剪时，颗粒必须升高以离开它们原须升高以离开它们原来的位置

26、而彼此才能来的位置而彼此才能滑过，从而导致体积滑过，从而导致体积膨胀，把这种因剪切膨胀，把这种因剪切而体积膨胀的现象称而体积膨胀的现象称为剪胀性。为剪胀性。紧 砂66松松 砂砂松砂受剪时，颗粒滚松砂受剪时，颗粒滚落到平衡位置，排列落到平衡位置，排列更紧密些，所以体积更紧密些，所以体积缩小，把这种因剪切缩小，把这种因剪切而体积缩小的现象称而体积缩小的现象称为剪缩性为剪缩性.67紧砂的强度达到一定值后，紧砂的强度达到一定值后，随着轴向应变的继续增加，随着轴向应变的继续增加，强度反而减小，最后呈应强度反而减小，最后呈应变软化型变软化型.随着轴向应变的增随着轴向应变的增加，松砂的强度逐渐增加，松砂的强

27、度逐渐增加，曲线应变硬化加，曲线应变硬化.体积开始时稍有体积开始时稍有减小，继而增加，减小，继而增加，超过它的初始体积超过它的初始体积.体积逐渐减小体积逐渐减小.68 对一定侧限压力下的同种砂土对一定侧限压力下的同种砂土,紧密和松散紧密和松散的砂土最终的强度趋于同一数值的砂土最终的强度趋于同一数值,而最终孔隙比而最终孔隙比也大致趋向于某一稳定值也大致趋向于某一稳定值,该值称为该值称为临界孔隙比临界孔隙比.在这一孔隙比下在这一孔隙比下,砂土在不排水条件下受荷至破砂土在不排水条件下受荷至破坏时坏时,其体积变化为零其体积变化为零.砂土的临砂土的临界孔隙比将随周围界孔隙比将随周围压力的增加而减小压力的

28、增加而减小.69 砂土在突发的动荷载作用下，不能在短时间排砂土在突发的动荷载作用下，不能在短时间排水固结，为抵抗剪力引起的体积缩小的趋势，将产水固结，为抵抗剪力引起的体积缩小的趋势，将产生很大的孔隙水压力，从而导致土体的抗剪能力完生很大的孔隙水压力，从而导致土体的抗剪能力完全丧失的现象称为全丧失的现象称为砂土液化砂土液化.砂土液化从宏观上可引起砂土液化从宏观上可引起喷水冒砂喷水冒砂和和地下砂层地下砂层液化液化,原来有明显层理的土原来有明显层理的土,震后层理紊乱震后层理紊乱.上述现上述现象可导致地表沉陷和变形象可导致地表沉陷和变形.70四、抗剪强度指标的选择四、抗剪强度指标的选择 饱和粘性土的抗

29、剪强度性状是很复杂的，它不饱和粘性土的抗剪强度性状是很复杂的，它不仅与仅与剪切条件剪切条件有关，还与土的有关，还与土的应力历史应力历史等因素有关。等因素有关。由于实际工程条件的复杂性，用实验室的试验条件由于实际工程条件的复杂性，用实验室的试验条件去完全模拟现场条件是不可能的。所以针对具体的去完全模拟现场条件是不可能的。所以针对具体的工程问题，确定土的抗剪强度指标的方法只能是尽工程问题，确定土的抗剪强度指标的方法只能是尽可能地模拟实际工况来进行试验。可能地模拟实际工况来进行试验。71 对于一般的工程问题多采用总应力分析法，其对于一般的工程问题多采用总应力分析法，其指标和测试方法的选择原则如下：指

30、标和测试方法的选择原则如下：若建筑物施工速度较快，而地基土的透水性和排水若建筑物施工速度较快，而地基土的透水性和排水条件不良时，可采用三轴不固结不排水试验或直剪条件不良时，可采用三轴不固结不排水试验或直剪的快剪试验结果的快剪试验结果,常用于施工期的强度与稳定验算常用于施工期的强度与稳定验算.若地基上荷载的增加速率较慢，而地基土的透水性若地基上荷载的增加速率较慢，而地基土的透水性较高且排水条件较佳时，则可以采用固结排水或慢较高且排水条件较佳时，则可以采用固结排水或慢剪试验的结果剪试验的结果.若建筑物竣工后较长时间若建筑物竣工后较长时间,突遇荷载增大突遇荷载增大,如房屋加如房屋加层层,天然土坡上堆载天然土坡上堆载.72五五.影响土体抗剪强度的因素影响土体抗剪强度的因素土的土的组成组成,原始密度原始密度,孔隙比及含水量孔隙比及含水量.土的结构性土的结构性.土的应力历史土的应力历史.土的加荷条件土的加荷条件.土的各向异性土的各向异性.土的应变强度软化土的应变强度软化.时间因素时间因素.7374