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1、第五章 土的抗剪強(qiáng)度(shear strength),, 5.1 概述,土的抗剪強(qiáng)度：是指土體對(duì)于外荷載所產(chǎn)生的剪應(yīng)力的極限抵抗能力。,土體強(qiáng)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(diǎn)由外力所產(chǎn)生的剪應(yīng)力達(dá)到土的抗剪強(qiáng)度時(shí)，土就沿著剪應(yīng)力作用方向產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，該點(diǎn)便發(fā)生剪切破壞。,土體的強(qiáng)度破壞破壞主要是剪切破壞，土體的強(qiáng)度問(wèn)題實(shí)質(zhì)是土的抗剪強(qiáng)度問(wèn)題，,,,土的抗剪強(qiáng)度問(wèn)題見(jiàn)于：,（1）地基承載力與地基穩(wěn)定性 （2）土坡穩(wěn)定性 （3）支擋結(jié)構(gòu)的土壓力,(a)土體滑坡,(b) 擋土墻,(c)地基失穩(wěn),（1）地基承載力與地基穩(wěn)定性,基礎(chǔ)下的地基土體產(chǎn)生整體滑動(dòng)或因局

2、部剪切破壞而導(dǎo)致過(guò)大的地基變形 甚至傾覆。,（2）土坡穩(wěn)定性,土壩、路堤等填方邊坡以及天然土坡等，在超載、滲流乃至暴雨作用下引起土體強(qiáng)度破壞后將產(chǎn)生整體失穩(wěn)邊坡滑坡等事故。,（3）支擋結(jié)構(gòu)的土壓力,擋土墻、基坑等工程中，墻后土體強(qiáng)度破壞將造成過(guò)大的側(cè)向土壓力，導(dǎo)致墻體滑動(dòng)、傾覆或支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞事故 。,土的強(qiáng)度一般以應(yīng)力的函數(shù)形式來(lái)表達(dá)，由于函數(shù)形式不同，從而形成了不同的強(qiáng)度理論。目前比較簡(jiǎn)單而又比較符合實(shí)際的是摩爾庫(kù)倫強(qiáng)度理論 。, 5.2 摩爾庫(kù)侖強(qiáng)度理論 (Mohr-Coulomb strength theory),一、庫(kù)侖定律(Coulomb Law),庫(kù)侖定律：在一般應(yīng)力水平下，土的抗

3、剪強(qiáng)度與滑動(dòng)面上的法向應(yīng)力之間呈直線關(guān)系。,1776年，庫(kù)侖根據(jù)砂土剪切試驗(yàn),后來(lái)，根據(jù)粘性土剪切試驗(yàn),c:土的粘聚力 :土的內(nèi)摩擦角,抗剪強(qiáng)度指標(biāo)：,,常數(shù)參數(shù)C和，取決于土的性質(zhì)，與土中應(yīng)力狀態(tài)無(wú)關(guān)。,（1）如果設(shè)剪切面上的剪應(yīng)力為，那么不可能超過(guò) f，只能有 f ，為什么？ （2）土的抗剪強(qiáng)度是否為定值？ （3）抗剪強(qiáng)度的來(lái)源？ 無(wú)粘性土：內(nèi)摩擦力、咬合力 粘性土：內(nèi)摩擦力、粘聚力,討論,抗剪強(qiáng)度影響因素： 摩擦力：剪切面上的法向總應(yīng)力、土的初始密度、土粒級(jí)配、土粒形狀以及表面粗糙程度 粘聚力：土中礦物成分、粘粒含量、含水量以及土的結(jié)構(gòu),二、土中一點(diǎn)應(yīng)力極限平衡(limit e

4、quilibrium),,,靜力平衡,土體內(nèi)一點(diǎn)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）,,斜面上的應(yīng)力,莫爾應(yīng)力圓方程,圓心坐標(biāo) (1 +3 ) /2，0,應(yīng)力圓半徑 r(13 ) /2,土中某點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)可用莫爾應(yīng)力圓描述,莫爾應(yīng)力圓,三、土的極限平衡條件,應(yīng)力圓與強(qiáng)度線相切：,應(yīng)力圓與強(qiáng)度線相割：,

5、的夾角為 f,破壞面, 5.3 抗剪強(qiáng)度(shear strength)試驗(yàn),室內(nèi)測(cè)定抗剪 強(qiáng)度指標(biāo)常用方法,直接剪切試驗(yàn),單軸壓力試驗(yàn),三軸壓力試驗(yàn),,一、直接剪切試驗(yàn)(direct shear test),1. 試驗(yàn)儀器： 直剪儀、兩個(gè)重疊在一起的剪切盒、透水石、鋼壓板、量力環(huán)、加壓砝碼。,,2.直剪試驗(yàn)原理,剪切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)力為剪切力T除以試樣面積A,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(qiáng)度。,,在不同的垂直壓力下進(jìn)行剪切試驗(yàn)，得相應(yīng)的抗剪強(qiáng)度f(wàn)，繪制f - 曲線，得該土的抗剪強(qiáng)度包線,優(yōu)點(diǎn)： 儀器簡(jiǎn)單，

6、操作方便；能用于土樣的大剪切應(yīng)變；如果把剪切盒尺存放大，就可用于大土樣。 缺點(diǎn)： （1）剪切面上的應(yīng)力非常復(fù)雜，并非想象的那樣均勻； （2）剪切過(guò)程中，剪切面不斷減小，與假定的定值不符； （3）不能控制孔隙水壓力。,3. 直剪試驗(yàn)優(yōu)缺點(diǎn),,二、單軸壓力試驗(yàn),,單軸壓力試驗(yàn)又稱(chēng)為無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，是三軸剪切試驗(yàn)的特例，對(duì)試樣不施加周?chē)鷫毫?，?=3=0，只施加軸向壓力直至發(fā)生破壞，試樣在無(wú)側(cè)限壓力條件下，剪切破壞時(shí)試樣承受的最大軸向壓力qu，稱(chēng)為無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。,根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果只能作出一個(gè)極限應(yīng)力圓（ 2= 3=0，1=qu）。因此對(duì)一般粘性土，無(wú)法作出強(qiáng)度包線。,,,說(shuō)明：對(duì)于飽和軟粘土，根據(jù)

7、三軸不排水剪試驗(yàn)成果，其強(qiáng)度包線近似于一水平線，即u=0，因此無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)適用于測(cè)定飽和軟粘土的不排水強(qiáng)度,qu,cu,u=0,注：對(duì)于干硬粘性土，可測(cè)得試樣破壞時(shí)破裂面與垂直線的夾角a，由a=45-/2，求得，即可作出強(qiáng)度包線。,無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)儀器構(gòu)造簡(jiǎn)單，操作方便，可代替三軸試驗(yàn)測(cè)定飽和軟粘土的不排水強(qiáng)度。不能用于非飽和的粘性土和難于制備土樣的砂土。,三、三軸壓縮試驗(yàn),1、儀器簡(jiǎn)介,三軸剪切儀（也稱(chēng)三軸壓縮儀），核心部分為三軸壓力室，還配備有： （1）軸壓系統(tǒng)，對(duì)試樣施加軸向壓力； （2）側(cè)壓系統(tǒng)，施加圍壓； （3）孔隙水壓力測(cè)讀系統(tǒng)。,,,（2）.施加周?chē)鷫毫?（3）.施加豎向

8、壓力,（1）.裝樣,應(yīng)力狀態(tài),,2. 試驗(yàn)基本步驟,,應(yīng)力控制式,應(yīng)變控制式,（1）三軸不固結(jié)不排水試驗(yàn)（UU試驗(yàn)） 試樣在施加周?chē)鷫毫碗S后施加偏應(yīng)力直至剪壞的整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中都不允許排水，即從開(kāi)始加壓直至試樣剪壞，土中的含水量始終保持不變，孔隙水壓力也不會(huì)消散。 試驗(yàn)指標(biāo)：cu、,3. 三軸試驗(yàn)方法,（2）三軸固結(jié)不排水試驗(yàn)（CU試驗(yàn)） 試樣在施加周?chē)鷫毫ε潘探Y(jié)后和隨后施加偏應(yīng)力直至剪壞的整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中不允許排水。 試驗(yàn)指標(biāo)：ccu、,（3）三軸固結(jié)排水試驗(yàn)（CD試驗(yàn)） 試樣在施加周?chē)鷫毫碗S后施加偏應(yīng)力直至剪壞的整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中均允許排水。 試驗(yàn)指標(biāo)：cd、,4.

9、三軸試驗(yàn)結(jié)果抗剪強(qiáng)度包線,分別在不同的周?chē)鷫毫?作用下進(jìn)行剪切，得到34 個(gè)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(qiáng)度包線。,飽和粘性土在三組3下的不排水剪試驗(yàn)得到A、B、C三個(gè)不同3作用下破壞時(shí)的總應(yīng)力圓,試驗(yàn)表明：三個(gè)試樣的周?chē)鷫毫?不同，但破壞時(shí)的主應(yīng)力差相等，三個(gè)極限應(yīng)力圓的直徑相等，因而強(qiáng)度包線是一條水平線,三個(gè)試樣只能得到一個(gè)有效應(yīng)力圓,（1）不固結(jié)不排水剪（UU）,5. 不同試驗(yàn)方法的剪切試驗(yàn)結(jié)果,（1）不固結(jié)不排水剪的剪切試驗(yàn)結(jié)果,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(qiáng)度包線可確定c 、 ,飽和粘性土在三組3下進(jìn)行固結(jié)不排水剪試驗(yàn)得到A、B

10、、C三個(gè)不同3作用下破壞時(shí)的總應(yīng)力圓，由總應(yīng)力圓強(qiáng)度包線確定固結(jié)不排水剪總應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)ccu、 cu,（2）固結(jié)不排水剪（CU）,在整個(gè)排水剪試驗(yàn)過(guò)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(qiáng)度線即是有效應(yīng)力強(qiáng)度線。強(qiáng)度指標(biāo)為cd、d,總結(jié):,1.對(duì)于同一種土，在不同的排水條件下進(jìn)行試驗(yàn)，總應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)完全不同,2.有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)不隨試驗(yàn)方法的改變而不同，抗剪強(qiáng)度與有效應(yīng)力有唯一的對(duì)應(yīng)關(guān)系,（3）固結(jié)排水剪（CD）,（3）固結(jié)排水剪的剪切試驗(yàn)結(jié)果,優(yōu)點(diǎn)： 試驗(yàn)中能?chē)?yán)格控制試樣排水條件，量測(cè)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(diǎn)： 試驗(yàn)儀器復(fù)雜，操作技術(shù)要求高，試樣制備較復(fù)雜 試驗(yàn)在2=3的軸對(duì)稱(chēng)條件下進(jìn)行，與土體實(shí)際受力情況可能不符,6. 三軸試驗(yàn)優(yōu)缺點(diǎn),