土力學(xué)與基礎(chǔ)工程5土的抗剪強度課件

給土的抗剪強度下定義：土體抵抗剪切破壞的極限能力

給土的抗剪強度下定義：土體抵抗剪切破壞的極限能力15.1

土的抗剪強度與極限平衡原理5.1.1

庫侖定律

f=c+tan粘土c

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)

f

f=tan砂土

f5.1土的抗剪強度與極限平衡原理5.1.1庫侖定律f2庫倫公式兩大抗剪強度指標(biāo)c:土的粘聚力

:土的內(nèi)摩擦角注：對于無粘性土而言c=0)庫倫公式兩大抗剪強度指標(biāo)c:土的粘聚力注：對于無粘性土而言c3土的抗剪強度一般可分為兩部分：第一部分與顆粒間的法向應(yīng)力有關(guān)，通常呈正比例關(guān)系，其本質(zhì)是摩擦力；另一部分是與法向應(yīng)力無關(guān)的土粒之間的粘結(jié)力，通常稱為粘聚力。土的抗剪強度一般可分為兩部分：4影響因素土的抗剪強度內(nèi)在因素外在因素：試驗時的排水條件等因素顆粒間的有效法向應(yīng)力土的孔隙比影響因素內(nèi)在因素外在因素：試驗時的排水條件等因素顆粒間的有效5表達(dá)方法土的抗剪強度總應(yīng)力法：總應(yīng)力強度指標(biāo)有效應(yīng)力法：有效應(yīng)力強度指標(biāo)表達(dá)方法總應(yīng)力法：總應(yīng)力強度指標(biāo)有效應(yīng)力法：有效應(yīng)力強度指標(biāo)6

莫爾包線表示材料在不同應(yīng)力作用下達(dá)到極限狀態(tài)時，滑動面上法向應(yīng)力

與剪應(yīng)力

f的關(guān)系。莫爾包線

f=c+tan5.1.2莫爾-庫倫強度理論莫爾包線表示材料在不同應(yīng)力作用下達(dá)到極限狀態(tài)時，滑動7土體內(nèi)一點處不同方位的截面上應(yīng)力的集合（剪應(yīng)力

和法向應(yīng)力

）

3

3

1

1

3

1

斜面上的應(yīng)力5.1.3土中一點的應(yīng)力狀態(tài)土體內(nèi)一點處不同方位的截面上應(yīng)力的集合（剪應(yīng)力3318

O

1

31/2(1+3)

2A(,)

3

1

莫爾圓可以表示土體中任何一點的應(yīng)力狀態(tài)，莫爾圓圓周上各點的坐標(biāo)就表示該點在相應(yīng)平面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力。O131/2(1+3)2A(,)9當(dāng)應(yīng)力圓與強度線相離時：

強度包線當(dāng)應(yīng)力圓與強度線相切時：當(dāng)應(yīng)力圓與強度線相割時：極限應(yīng)力摩爾圓τ<τf

（處于彈性平衡狀態(tài)）

τ=τf

（處于極限平衡狀態(tài)）

τ>τf

（處于破壞狀態(tài)）

5.1.4土的極限平衡條件當(dāng)應(yīng)力圓與強度線相離時：強度包線當(dāng)應(yīng)力圓與強度線相切10莫爾－庫侖破壞的準(zhǔn)則：

3

1c

f2

fA

cctg1/2(1+3)無粘性土：c=0粘性土：莫爾－庫侖破壞的準(zhǔn)則：31cf2fAcct11ABDOτστ＝τf極限平衡條件莫爾－庫侖破壞準(zhǔn)則極限應(yīng)力圓破壞應(yīng)力圓剪切破壞面ABDOτστ＝τf極限應(yīng)力圓剪切破壞面12粘性土的極限平衡條件：σ1=σ3tg2(45+φ/2)＋2ctg(45+φ/2)σ3=σ1tg2(45－φ/2)－2ctg(45－φ/2)無粘性土的極限平衡條件：σ1=σ3tg2(45+φ/2)σ3=σ1tg2(45－φ/2)粘性土的極限平衡條件：無粘性土的極限平衡條件：σ1=σ3t13

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＝

f2

f

3

1c

A

cctg1/2(1+3)

max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f14的方法測定土抗剪強度直接剪切試驗三軸壓縮試驗無側(cè)限抗壓強度試驗現(xiàn)場十字板剪切儀5.2

土的剪切試驗方法的方法直接剪切試驗三軸壓縮試驗無側(cè)限抗壓強度試驗現(xiàn)場十字板剪15試驗儀器：直剪儀（應(yīng)變控制式，應(yīng)力控制式）5.2.1直接剪切試驗試驗儀器：直剪儀（應(yīng)變控制式，應(yīng)力控制式）5.2.1直接16應(yīng)變控制式直剪儀的試驗原理：

對同一種土至少取4個平行試樣，分別在不同垂直壓力

下剪切破壞，將試驗結(jié)果繪制抗剪強度

f與相應(yīng)垂直壓力

的關(guān)系圖。應(yīng)變控制式直剪儀的試驗原理：17剪切容器與應(yīng)力環(huán)剪切容器與應(yīng)力環(huán)18土力學(xué)與基礎(chǔ)工程5土的抗剪強度課件19土力學(xué)與基礎(chǔ)工程5土的抗剪強度課件20在不同的垂直壓力

下進(jìn)行剪切試驗，得相應(yīng)的抗剪強度τf，繪制τf-

曲線，得該土的抗剪強度包線在不同的垂直壓力下進(jìn)行剪切試驗，得相應(yīng)的抗剪強度τ21在法向應(yīng)力

作用下，剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線。4mm

a

b

剪切位移△l(0.01mm)

剪應(yīng)力

（kPa)

1

2

在法向應(yīng)力作用下，剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線。4mmab22快剪固結(jié)快剪慢剪根據(jù)加荷速率的快慢分類：根據(jù)加荷速率23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：①剪切破壞面固定，且不一定是土樣的最薄弱面。②不能嚴(yán)格控制排水條件，不能量測土樣的孔隙水壓力。③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。直剪試驗優(yōu)缺點：優(yōu)點：24一、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3～4個不同的破壞應(yīng)力圓，繪出各應(yīng)力圓的公切線即為土的抗剪強度包線。

抗剪強度包線

c

5.2.2三軸壓縮試驗一、抗剪強度包線分別在不同的周圍壓力3作用下進(jìn)行剪25二、三軸剪切試驗試驗儀器組成：

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)力控制式三軸儀二、三軸剪切試驗試驗儀器組成：26試驗步驟:

3

3

3

3

3

3△△第二步：施加周圍壓力第三步：施加豎向壓力第一步：裝土樣試驗步驟:333333△△第二步27三軸壓縮儀三軸壓縮儀28軸向加荷系統(tǒng)軸向加荷系統(tǒng)29加壓和量測系統(tǒng)加壓和量測系統(tǒng)30三軸試驗優(yōu)缺點：

優(yōu)點：①能控制排水條件，量測孔隙水壓力。②試樣的應(yīng)力分布比較均勻，剪切破壞面為最薄弱面。

缺點：①試驗儀器復(fù)雜，操作技術(shù)要求高，試樣制備較復(fù)雜。②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。

三軸試驗優(yōu)缺點：優(yōu)點：315.3

不同排水條件時的剪切試驗5.3.1

總應(yīng)力強度指標(biāo)與有效應(yīng)力強度指標(biāo)c

、

為土的有效粘聚力和有效內(nèi)摩擦角，即土的有效應(yīng)力強度指標(biāo)c、

為土的總應(yīng)力強度指標(biāo)有效應(yīng)力原理：土的抗剪強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。

5.3不同排水條件時的剪切試驗5.3.1總應(yīng)力強度指標(biāo)與32

三軸壓縮試驗可以分為三種試驗方法：

1.不固結(jié)不排水試驗(UU試驗)

2.固結(jié)不排水試驗(CU試驗)

3.固結(jié)排水試驗(CD試驗)5.3.2不同排水條件時的剪切試驗方法三軸壓縮試驗可以分為三種試驗方法：5.3.2331.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)。

3

3

3

3

3

3△△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3～5min內(nèi)剪破，稱之為快剪。關(guān)閉排水閥1.不固結(jié)不排水剪（UU）三軸試驗：施加周圍壓力3、軸向34

3

3

3

3

3

3△△有效應(yīng)力圓總應(yīng)力圓

u=0BCcu

A

3A

1A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，但只能得到一個有效應(yīng)力圓。為什么強度包線是一條水平線333333△△有效應(yīng)力圓總應(yīng)力352.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。

3

3

3

3

3

3△△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。關(guān)閉排水閥2.固結(jié)不排水剪（CU）三軸試驗：施加周圍壓力3時打開36

3

3

3

3

3

3△△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

、

ccuc

cu

飽和粘性土在三組

3下進(jìn)行固結(jié)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，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、

cuABC333333△△將總應(yīng)力圓在水平373.固結(jié)排水剪（CD）

三軸試驗：試樣在圍壓

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。

3

3

3

3

3

3△△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。打開排水閥3.固結(jié)排水剪（CD）三軸試驗：試樣在圍壓3作用下排水38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。

cd

d總結(jié):

3

3

3

3

3＋△

3＋△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。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39ququ加壓框架量表量力環(huán)升降螺桿無側(cè)限壓縮儀

3=0試樣5.3.3無側(cè)限抗壓強度試驗ququ加壓框架量表量力環(huán)升降螺桿無側(cè)限壓縮儀3=0試樣540無側(cè)限壓縮儀無410cu無側(cè)限抗壓強度試驗qu無側(cè)限抗壓強度試驗所得的極限應(yīng)力圓的水平切線就是破壞包線0cu無側(cè)限抗壓強度試驗qu無側(cè)限抗壓強度試驗所得的極限應(yīng)力42加壓框架量表量力環(huán)升降螺桿無側(cè)限壓縮儀試樣無側(cè)限抗壓強度試驗加壓框架量表量力環(huán)升降螺桿無側(cè)限壓縮儀試樣無側(cè)限抗壓強度試驗43無側(cè)限壓縮儀無440cu無側(cè)限抗壓強度試驗qu無側(cè)限抗壓強度試驗所得的極限應(yīng)力圓的水平切線