巖土教研組土的抗剪強度講義課件

土的抗剪強度王英浩內(nèi)蒙古科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院巖土教研組概述土的破壞主要是由于剪切引起的，剪切破壞是土體破壞的重要特點.工程時間中與土的抗剪強度有關(guān)的工程主要有以下3類:（1）土質(zhì)土壩的穩(wěn)定（2）土壓力（3）地基的承載力問題工程實例－土坡穩(wěn)定工程實例－土坡穩(wěn)定工程實例－土壓力工程實例－土壓力工程實例－地基承載力問題工程實例－地基承載力問題第一節(jié)土的抗剪強度概述土的抗剪強度:是指土體抵抗剪切破壞的極限能力。

滑動面(破壞面):當(dāng)土體受到荷載作用后,土中各點將產(chǎn)生剪應(yīng)力,若某點的剪應(yīng)力達到其抗剪強度,在剪切面兩側(cè)的土體將產(chǎn)生相對位移而產(chǎn)生滑動破壞,該剪切面稱為滑動面或破壞面。一.庫侖公式1）庫倫公式基本形式（總應(yīng)力抗剪強度公式）式中——剪切破壞面上的剪應(yīng)力，即土的抗剪強度(KPa)

——破壞面上的法向應(yīng)力(KPa)

——土的粘聚力，(KPa)對于無粘性土，

——土的內(nèi)摩擦角(o) 稱為抗剪強度指標(biāo)，同一種土，它們與試驗方法有關(guān)

無粘性土粘性土（2）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(KPa)

u——土中的超靜孔隙水壓力(KPa)——土的有效粘聚力(KPa)——土的有效內(nèi)摩擦角(o)稱為土的有效抗剪強度指標(biāo)，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)。問題:總應(yīng)力法與有效應(yīng)力法的優(yōu)缺點是什么?總應(yīng)力法比有效應(yīng)力法簡單,因為試驗時不需測量孔隙水壓力,進行穩(wěn)定分析時也不考慮孔隙水壓力,只需測量總應(yīng)力即可.但是對于同一種土,施加相同的總應(yīng)力,如果試驗方法不同,或者說控制的排水條件不同,則所得的強度指標(biāo)也就不相同.也就是說,總應(yīng)力和土的抗剪強度沒有唯一對應(yīng)的關(guān)系,應(yīng)用較多.有效應(yīng)力法考慮了孔隙水壓力的影響,只計入作用于粒間的有效應(yīng)力,試驗證明,對于同一種土,不論采用何種試驗方法,只要能準(zhǔn)確測量出孔隙水壓力,則所得的有效抗剪強度指標(biāo)是相同的.它們有唯一對應(yīng)的關(guān)系.但測量孔隙水壓力時,比較麻煩,需要精確評價地基強度和穩(wěn)定性時常采用.抗剪強度的來源：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)（硅、鐵物質(zhì)和碳酸鹽等）對土粒的膠結(jié)作用。砂土的內(nèi)摩擦角變化范圍不是很大，中砂、粗砂、礫砂一般為32°～40°；粉砂、細砂一般為28°～36°。e愈小，內(nèi)摩擦角愈大，但含水飽和粉砂、細砂很容易失穩(wěn)，因此對其內(nèi)摩擦角的取值宜慎重，規(guī)定取20°左右。砂土有時也有很小的粘聚力（約10kPa以內(nèi)），這是由于砂土中夾有一些粘土顆粒，也可能是由于毛細粘聚力的緣故。粘性土的抗剪強度指標(biāo)的變化范圍很大，它與土的種類有關(guān)，并且與土的天然結(jié)構(gòu)是否破壞、試樣在法向壓力下的排水固結(jié)程度及試驗方法等因素有關(guān)。內(nèi)摩擦角的變化范圍大致為0°～30°；粘聚力則可從小于10kPa變化到200kPa以上。土的抗剪強度指標(biāo)的工程數(shù)值：二.莫爾-庫侖強度理論(一)、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)。下面僅研究平面問題，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，則作用在與大主應(yīng)力作用面成角的平面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力可根據(jù)靜力平衡條件求得：如下圖。以上可用莫爾圓表示，(二座)、瞇土的萌極限秩平衡裕條件垃的建獅立

如果給定了土的抗剪強度參數(shù)和c以及土中某點的應(yīng)力狀態(tài)，則可將抗剪強度包線與莫爾應(yīng)力圓畫在同一張坐標(biāo)圖上。它們之間的關(guān)系有三種情況：（1）莫爾圓位于抗剪強度包線下方（圓1），說明該點在任何平面上的剪應(yīng)力都小于土所能發(fā)揮的抗剪強度，因此不會發(fā)生剪切破壞；（2）圓3實際上不存在；（3）圓2，說明在A點所代表的平面上剪應(yīng)力正好等于抗剪強度，該點處于極限平衡狀態(tài)。c

土處于杜極限平司衡狀態(tài)臂下時根據(jù)標(biāo)極限幅應(yīng)力蟲圓與鹽抗剪健強度原包線贏相切總的幾科何關(guān)怎系，批可建忽立以議下極自限平衡條穩(wěn)件：粘性土紗：化簡蓄后得像：無粘性土：破裂面破裂角：破壞遣面與拋大主裳應(yīng)力國作用夢面間寶的夾者角問題清:土滾體的膨最大潤剪應(yīng)店力面沃是否覺即剪爸切破魚裂面皂?對于飽銅和軟粘抗土,在很不排水臭條件下酬,其內(nèi)次摩擦角榮為0,符此時土隆體的最舞大剪應(yīng)理力面即頑為剪切必破裂面鞭.第二糟節(jié)掉抗剪與強度掌的測爹定方透法測定吉土抗誓剪強觸度指浙標(biāo)的嘩試驗飄稱為常剪切宿試驗按照常個用的試朝驗儀器脫將剪切歡試驗分勇為直接皇剪切他試驗三軸器壓縮孩試驗無側(cè)向擊抗壓強乓度試驗十字板淋剪切試呆驗近似模穴擬直接剪暖切試驗應(yīng)變控制式直剪儀應(yīng)變脂控制濾式直晚剪儀咬的試?yán)昨炘炖恚簩ν粢环N王土至競少取留4個播平行雜試樣嫁，分棚別在噴不同也垂直硬壓力下剪制切破遙壞，尿?qū)⒃囎矧灲Y(jié)打果繪登制抗愿剪強燃度f與相應(yīng)新垂直壓帝力的關(guān)系貸圖。試狀驗結(jié)果壺表明，咸對于粘撓性土f~基本汗上呈接直線偉關(guān)系友，直瘋線方換程可拼用庫壞倫公嶄式表怎示；向?qū)τ谙禑o粘御性土溪，f~則是通傲過原點個的直線穴。的缺點直接剪照切儀限定答剪切選面不鋪一定和是最枕薄弱安面剪切永面上肌剪應(yīng)跟力分擋布不錦均勻剪切礙面在湊剪切雙過程賭中是用逐漸瀉縮小鮮的不能跟嚴(yán)格虎控制喜排水畢條件呀，不任能量爐測孔宴隙水傘壓力構(gòu)造簡悼單操作掠方便的優(yōu)點直接剪針切儀三軸饒壓縮暖試驗對同缺一種寬土至齡少取針3個曲平行延試樣郵，分賞別在仍不同掉周圍壓壓力3和軸報壓1作用下眉剪切破驚壞，將斷試驗結(jié)資果繪制勸為若干迫個極限胡應(yīng)力遵圓。根拔據(jù)莫憂爾-貼庫倫棕理論蹲，這災(zāi)一組刮極限榨應(yīng)力除圓的公共策切線即為土益的抗剪強扒度包線，可近謙似取為行一條直宋線，直掘線的方旁程即為笨庫倫公臨式所表葬示的方賠程。三軸謹(jǐn)壓縮觸儀的危試驗刃原理胞：c0三軸壓屋縮試驗溫原理的優(yōu)點三軸壓?？s儀的缺點三軸壓趣縮儀能較鑰嚴(yán)格跨地控偷制排酒水條糧件剪切破膽壞面為蔥最薄弱歡面試驗設(shè)羽備、試喂驗過程絡(luò)相對復(fù)殼雜試樣的際受力狀綢態(tài)為軸暈對稱情按況，與汪實際土毫體的受速力狀態(tài)徹未必相菊符無側(cè)限掙抗壓強姑度試驗三軸壓餐縮試驗踏當(dāng)周圍拌壓力為送零時即項為無側(cè)飄限試驗傲條件，軟此時只違有軸向雷壓力，裂所以也扁稱單軸綁壓縮試腿驗。由于信試樣聾的側(cè)逆向力雅為零朱，在辰軸向柔受壓瞧時，型其側(cè)兵向變?nèi)f形不思受限屬制，庫故又品稱無舒?zhèn)认迗詨嚎s游試驗羨。由于米試樣冤是在木軸向策壓縮彈的條耳件下霜破壞臂的，我因此貨把這藝種情愧況下娘土能怎承受溉的最爪大軸趣向壓證力稱甘為無剛側(cè)限調(diào)抗壓什強度籠，以qu表示極限應(yīng)場力圓應(yīng)用胞：代替赤三軸馳試驗造（當(dāng)3=0）可用臣來求獅土的著靈敏強度缺點：無粘性賀土以及榴太軟土挖（流塑續(xù)）不可試驗快行,欺水來先不及排敵除十字招板剪臉切試行驗原位十叼字板剪年切試驗向是一種梳利用十故字板剪藥切儀在旦現(xiàn)場測曠定土的持抗剪強掩度的方擇法。這意種方法薦適用于棋在現(xiàn)場當(dāng)測定飽遇和粘性滲土的原陵位不排莫水強度岔，特別淡適用于濤均勻的扎飽和軟互粘土。無需存鉆孔啟取得浙原狀姻土樣售,從積而使麥土少閣受擾衣動,嶼試驗牌時土番的排脹水條葵件和勞受力愁狀態(tài)父與實開際條皂件十蠟分接宴近.第四憲節(jié)帥土的狹抗剪鴉強度障指標(biāo)一.粘滲性土在擊不同固竿結(jié)和排飽水條件炕下的抗舒剪強度緊指標(biāo)1.固結(jié)圖不排勇水剪試驗(教又稱固結(jié)快晝剪,以這符號Cu表示)試驗過碧程土樣固結(jié)介不排里水試剃驗（CU試驗）是盒在施加臂周圍弱壓力閘時充稻分排紹水（境固結(jié)湯），而襖在施搜加軸么向壓反力直瀉至剪熄切破日壞的辭整個拖試驗查過程傷中不允挑許排敞水（感不排陽水）。飽和齊粘性敞土的烏固結(jié)降不排塌水抗貫剪強軍度受尼應(yīng)力睛歷史爭的影那響，靜所以翅首先白要區(qū)胡分試傭樣是蟻處于誘什么坊樣的由固結(jié)設(shè)狀態(tài)螺。正常盾固結(jié)狀態(tài)督的試規(guī)樣在曠剪切便過程趴中體命積有圣減小殼的趨輩勢（剪縮），但術(shù)由于不矛允許排鍛水，故倡產(chǎn)生正的朗孔隙芬水壓般力；而強超固藍結(jié)狀態(tài)班的試此樣在奪剪切睡過程放中，肚先表何現(xiàn)為剪縮（產(chǎn)生正的治孔隙知水壓唯力），然喝后轉(zhuǎn)為劣剪脹（錯產(chǎn)生負的孔披隙水壓桂力）。試驗結(jié)炭論a.正常什固結(jié)機飽和供粘土剪切過刪程中不排沖水，根遮據(jù)有滑效應(yīng)兩力原媽理可刺知，有效應(yīng)浪力圓與腐總應(yīng)力雷圓直徑侮相等，捉位置不竊同。因為正揀常固結(jié)圓狀態(tài)的盤試樣在猶剪切破簡壞時產(chǎn)饅生正的孔貸隙水壓甜力，故有溪效應(yīng)力介圓在總系應(yīng)力圓婚的左邊。總應(yīng)力朱破壞包狼線和有橋效應(yīng)力魔破壞包賊線都通累過原點，說丘明固結(jié)壓柱力為零麻的土不獨會具有勸抗剪強街度。超固冠結(jié)狀叢態(tài)正常固值結(jié)狀態(tài)ccu0abcb.超固結(jié)敵飽和粘霞土超固伸結(jié)狀麗態(tài)土廚的固亮結(jié)不刊排水畢試驗超固醬結(jié)狀帳態(tài)的呢飽和尿粘性森土的六固結(jié)爭不排樸水剪賊切試軍驗得植到的纖總應(yīng)沃力破壞炕包線融是一蹈條略圖平緩避的曲姐線，可近賺似以直蟲線ab代替，泡與正常依固結(jié)狀寄態(tài)土的舍固結(jié)不杠排水破尿壞包線bc相交，bc的延長蓮線通過餃原點。師實用上阻將ab腔c折線綁取為戚一條挖直線湖。由于超碼固結(jié)狀拆態(tài)的土均樣在剪姥切破壞貼時，產(chǎn)趟生負的孔五隙水壓置力，有椅效應(yīng)市力圓埋在總襲應(yīng)力燃圓的右邊。2.不固結(jié)詞不排水苦剪試驗(交又稱快剪,以都符號UU表示傘)土樣試驗過侍程不固銜結(jié)不爛排水好試驗蹄（UU試驗）是在鳥施加什周圍透壓力口時不排綁水（殘不固便結(jié)），且在塞施加軸閥向壓力膜直至剪松切破壞歌的整個圖試驗過味程中也不允許功排水（危不排水竿）。試驗攝結(jié)論0cu飽和粘迷性土的奶不固結(jié)溜不排水久試驗圖中蚊三個薯實線挪圓分芬別表壓示三域個試個件在隸不同搜的圍妄壓作宅用下劑破壞零時的碗總應(yīng)某力圓醫(yī)，虛鄭線表準(zhǔn)示有館效應(yīng)守力圓明。試礦驗結(jié)旨果表冬明，蛛雖然叨三個屢試件課的圍壓雨不同，但破嫩壞時的主應(yīng)豈力差馳相等，所繭以三個總應(yīng)它力圓的易直徑相敞同，所刑以破壞恰包線憶是一兵條水惠平線，可愉得由于仿在不彎排水貨條件袖下，似試樣癥在試葬驗過攀程中含水量允不變，扛體積不凡變，改變暴周圍壓忽力增量艦只能引肌起孔隙墊水壓力貧的變化摘，并不除會改允變試捉樣中終的有蘭效應(yīng)府力，各試營件在剪泉切前的爛有效應(yīng)該力相等耍，因此抗剪掀強度旅不變。由于守只能宰得到一個有鋪效應(yīng)力閃圓，所以不能得欲到有效巷應(yīng)力破蒸壞包線，不勸固結(jié)故不排廊水試燈驗只絹用于歇測定甲飽和濟土的銅不排笛水強陶度，度所以濱可以犯用無側(cè)限復(fù)抗壓強銜度試驗代替三無軸壓縮標(biāo)試驗來六測定飽饅和土的蝴不排水鐘抗剪強芒度。不固結(jié)垃不排水豬試驗的“不固結(jié)”是在杰保持牽試樣原來繼有效悅應(yīng)力分不變的情答況下律，在車三軸算壓力割室的茅周圍但壓力愧下不燒再排掉水固春結(jié)。搭如果居飽和園粘性用土從未港固結(jié)過，則宰其中的有效賢應(yīng)力嚷為零惱（先道期固繭結(jié)壓紗力也顏為零），表遲現(xiàn)為一傭種泥漿死狀土，情其抗剪強鋼度必搖然也暢等于憑零。如果在較高循的剪折前固員結(jié)壓楚力下進行厚不固結(jié)攪不排水粱試驗，救就會得集到較大的跑不排水驢抗剪強丈度。3.固結(jié)頁排水墾剪試驗(燃又稱慢剪,以符偶號CD表示骨)土樣試驗過啄程固結(jié)怪排水建試驗雙（CD試驗）是在施加歡周圍票壓力跑時充主分排積水（懶固結(jié)標(biāo)），而在施加夕軸向蜜壓力第直至葛剪切巴破壞的整個破試驗過歪程中允許排乖水（排潛水）。試驗衡結(jié)論a.正常固沸結(jié)飽和仙粘土b.超固結(jié)扶飽和粘駁土在整徹個試描驗過圈程中余，土汪樣中雁的孔隙經(jīng)水壓腫力始爽終為射零，總應(yīng)盛力最秩后完瘋?cè)D(zhuǎn)噴化為跳有效做應(yīng)力，所以總應(yīng)力盛圓就是是有效應(yīng)惹力圓，總應(yīng)逃力破壞定包線就哭是有效原應(yīng)力破脊壞包線勉。正常固桂結(jié)狀態(tài)爽的土，截其破壞包舌線通過未原點。超固蜜結(jié)飽晃和粘托土在子固結(jié)幫排水嗽剪中先剪雨縮后奇剪脹,但不會跪排出棕水分,反而倒因剪脹更而有吸水的趨勢溪,含水量冬還要增吹加.試驗結(jié)捕果表明瘦，對于首同一種雙土，固竿結(jié)排水斗試驗得哈到的cd、d與固虎結(jié)不典排水活試驗幫得到堆的c'、歡'很接近，由死于固碎結(jié)排靈水試濃驗所隱需的萍時間端太長尤，故實用上突用c'沙、聾'代替cd、d。三種試丸驗結(jié)果金的強度杰包線對同嫁一種悶飽和遭粘性洽土，笑分別飾在三桶種不參同的傲排水污條件唉下進耐行剪榆切試引驗。茶如果框用總應(yīng)力屬表示，將得絹到完全不囑同的試隆驗結(jié)果，而以有效縮慧應(yīng)力農(nóng)表示，則暖不論犧采用俘哪種守試驗酒方法聯(lián)，都嗽得到近乎同甘一條有蓬效應(yīng)力瘋破壞包貿(mào)線。所以說貓，抗剪蘇強度與周總應(yīng)力奧沒有唯郊一的對辭應(yīng)關(guān)系兇，而與諒有效應(yīng)筍力有唯涼一的對孩應(yīng)關(guān)系。二.西粘性菜土的植殘余淹強度培指標(biāo)堅硬渠的超況壓密脂粘土脂的蠅曲慘線可階出現(xiàn)扎剪應(yīng)最力的親峰值冷,即該為土泉的峰值尼抗剪退強度.峰后缸強度隨右剪切位送移增大炭而降低蔑,稱為割應(yīng)變軟畝化特征朵.當(dāng)剪繁切位移識較大時份,其強雪度最終轉(zhuǎn)也降低椒至某一犯穩(wěn)定值申,這種茂終值強正度稱為票殘余強桿度.試鑄驗證明姥,粘性煤土的殘穿余強度癥同峰值爺強度一輸樣也符矩合庫侖屈公式,禁即粘性土我的殘余漏強度可酬解釋為誕,沿剪鈴切面兩稀側(cè)非定向辨排列的薄滿層微扣粒結(jié)臟構(gòu),尤隨著剃剪應(yīng)體變的飲增加件而逐來漸轉(zhuǎn)斜化為寬沿剪捎切方伍向定向排桃列,因物而土剩的抗沖剪強診度隨兆之降受低.殘余呆強度餐與土掛的結(jié)湯構(gòu)關(guān)齒系不種大,北而主惠要取縫決于修土的谷礦物餓成分偉和有談效法證向應(yīng)易力的令影響各.粘土的鴨殘余強垃度與它立的應(yīng)力猶歷史無坐關(guān).在大剪洲位移下見超固結(jié)輸粘土的壟強度降神低幅度柄比正常倒固結(jié)粘避土的大昌.殘余聚強度窄線為照通過搞坐標(biāo)森原點算的直鋸線.三.土無粘墨性土真的抗村剪強桿度指勸標(biāo)緊砂受康剪時，誦顆粒必岔須升高薪以離開圖它們原繡來的位喬置而彼婆此才能具滑過，鄉(xiāng)豐從而導(dǎo)關(guān)致體積趴膨脹，孫把這種錯因剪切庫而體積喪膨脹的修現(xiàn)象稱滲為剪脹重性。緊功砂松贊砂松砂受礙剪時，支顆粒滾否落到平鋸衡位置遼，排列稀更緊密繁些，所獻以體積仗縮小，滔把這種景因剪切墻而體積輩縮小的耀現(xiàn)象稱止為剪縮霞性.緊砂的爪強度達纏到一定蔽值后，齊隨著軸您向應(yīng)變?nèi)睦^續(xù)項增加，汪強度反戰(zhàn)而減小跟，最后窯呈應(yīng)變建軟化型煉.隨著渾軸向陡應(yīng)變尚的增從加，驢松砂咳的強難度逐框漸增婦加，炎曲線窗應(yīng)變停硬化舒.體積問開始支時稍均有減師小，鹿繼而堡增加辱，超樂過它累的初竟始體慎積.體積逐熟漸減小狐.對一定禍側(cè)限壓紛力下的柿同種砂傾土,緊投密和松誦散的砂仰土最終開的強度岔趨于同宗一數(shù)值麗,而最斥終孔隙薄比也大識致趨向照于某一判穩(wěn)定值蠅,該值符稱為臨界堪孔隙救比.在這錫一孔隙登比下,蕩砂土在秘不排水瘦條件下牌受荷至業(yè)破壞時兔,其體易積變化片為零.砂土燦的臨雪界孔咬隙比留將隨瀉周圍仆壓力眨的增日加而暫減小楊.砂土在云突發(fā)的懼動荷載壺作用下傅，不能狹在短時石間排水固薪結(jié)，悼為抵催抗剪往力引赴起的警體積太縮小弄的趨稠勢，詢將產(chǎn)生很常大的妙孔隙