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1、第五章 土的抗剪強度(shear strength),, 5.1 概述,土的抗剪強度：是指土體對于外荷載所產(chǎn)生的剪應力的極限抵抗能力。,土體強度破壞的機理： 在外荷載作用下，土體中將產(chǎn)生剪應力和剪切變形，當土中某點由外力所產(chǎn)生的剪應力達到土的抗剪強度時，土就沿著剪應力作用方向產(chǎn)生相對滑動，該點便發(fā)生剪切破壞。,土體的強度破壞破壞主要是剪切破壞，土體的強度問題實質是土的抗剪強度問題，,,,土的抗剪強度問題見于：,（1）地基承載力與地基穩(wěn)定性 （2）土坡穩(wěn)定性 （3）支擋結構的土壓力,(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,基礎下的地基土體產(chǎn)生整體滑動或因局

2、部剪切破壞而導致過大的地基變形 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度破壞后將產(chǎn)生整體失穩(wěn)邊坡滑坡等事故。,（3）支擋結構的土壓力,擋土墻、基坑等工程中，墻后土體強度破壞將造成過大的側向土壓力，導致墻體滑動、傾覆或支護結構破壞事故 。,土的強度一般以應力的函數(shù)形式來表達，由于函數(shù)形式不同，從而形成了不同的強度理論。目前比較簡單而又比較符合實際的是摩爾庫倫強度理論 。, 5.2 摩爾庫侖強度理論 (Mohr-Coulomb strength theory),一、庫侖定律(Coulomb Law),庫侖定律：在一般應力水平下，土的抗

3、剪強度與滑動面上的法向應力之間呈直線關系。,1776年，庫侖根據(jù)砂土剪切試驗,后來，根據(jù)粘性土剪切試驗,c:土的粘聚力 :土的內(nèi)摩擦角,抗剪強度指標：,,常數(shù)參數(shù)C和，取決于土的性質，與土中應力狀態(tài)無關。,（1）如果設剪切面上的剪應力為，那么不可能超過 f，只能有 f ，為什么？ （2）土的抗剪強度是否為定值？ （3）抗剪強度的來源？ 無粘性土：內(nèi)摩擦力、咬合力 粘性土：內(nèi)摩擦力、粘聚力,討論,抗剪強度影響因素： 摩擦力：剪切面上的法向總應力、土的初始密度、土粒級配、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、含水量以及土的結構,二、土中一點應力極限平衡(limit e

4、quilibrium),,,靜力平衡,土體內(nèi)一點處不同方位的截面上應力的集合（剪應力 和法向應力）,,斜面上的應力,莫爾應力圓方程,圓心坐標 (1 +3 ) /2，0,應力圓半徑 r(13 ) /2,土中某點的應力狀態(tài)可用莫爾應力圓描述,莫爾應力圓,三、土的極限平衡條件,應力圓與強度線相切：,應力圓與強度線相割：,

5、的夾角為 f,破壞面, 5.3 抗剪強度(shear strength)試驗,室內(nèi)測定抗剪 強度指標常用方法,直接剪切試驗,單軸壓力試驗,三軸壓力試驗,,一、直接剪切試驗(direct shear test),1. 試驗儀器： 直剪儀、兩個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力，剪應力為剪切力T除以試樣面積A,在法向應力作用下，剪應力與剪切位移關系曲線，根據(jù)曲線得到該作用下，土的抗剪強度。,,在不同的垂直壓力下進行剪切試驗，得相應的抗剪強度f，繪制f - 曲線，得該土的抗剪強度包線,優(yōu)點： 儀器簡單，

6、操作方便；能用于土樣的大剪切應變；如果把剪切盒尺存放大，就可用于大土樣。 缺點： （1）剪切面上的應力非常復雜，并非想象的那樣均勻； （2）剪切過程中，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. 直剪試驗優(yōu)缺點,,二、單軸壓力試驗,,單軸壓力試驗又稱為無側限抗壓強度試驗，是三軸剪切試驗的特例，對試樣不施加周圍壓力，即2=3=0，只施加軸向壓力直至發(fā)生破壞，試樣在無側限壓力條件下，剪切破壞時試樣承受的最大軸向壓力qu，稱為無側限抗壓強度。,根據(jù)試驗結果只能作出一個極限應力圓（ 2= 3=0，1=qu）。因此對一般粘性土，無法作出強度包線。,,,說明：對于飽和軟粘土，根據(jù)

7、三軸不排水剪試驗成果，其強度包線近似于一水平線，即u=0，因此無側限抗壓強度試驗適用于測定飽和軟粘土的不排水強度,qu,cu,u=0,注：對于干硬粘性土，可測得試樣破壞時破裂面與垂直線的夾角a，由a=45-/2，求得，即可作出強度包線。,無側限抗壓強度試驗儀器構造簡單，操作方便，可代替三軸試驗測定飽和軟粘土的不排水強度。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,1、儀器簡介,三軸剪切儀（也稱三軸壓縮儀），核心部分為三軸壓力室，還配備有： （1）軸壓系統(tǒng)，對試樣施加軸向壓力； （2）側壓系統(tǒng)，施加圍壓； （3）孔隙水壓力測讀系統(tǒng)。,,,（2）.施加周圍壓力,（3）.施加豎向

8、壓力,（1）.裝樣,應力狀態(tài),,2. 試驗基本步驟,,應力控制式,應變控制式,（1）三軸不固結不排水試驗（UU試驗） 試樣在施加周圍壓力和隨后施加偏應力直至剪壞的整個試驗過程中都不允許排水，即從開始加壓直至試樣剪壞，土中的含水量始終保持不變，孔隙水壓力也不會消散。 試驗指標：cu、,3. 三軸試驗方法,（2）三軸固結不排水試驗（CU試驗） 試樣在施加周圍壓力排水固結后和隨后施加偏應力直至剪壞的整個試驗過程中不允許排水。 試驗指標：ccu、,（3）三軸固結排水試驗（CD試驗） 試樣在施加周圍壓力和隨后施加偏應力直至剪壞的整個試驗過程中均允許排水。 試驗指標：cd、,4.

9、三軸試驗結果抗剪強度包線,分別在不同的周圍壓力3作用下進行剪切，得到34 個不同的破壞應力圓，繪出各應力圓的公切線即為土的抗剪強度包線。,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力圓,試驗表明：三個試樣的周圍壓力3不同，但破壞時的主應力差相等，三個極限應力圓的直徑相等，因而強度包線是一條水平線,三個試樣只能得到一個有效應力圓,（1）不固結不排水剪（UU）,5. 不同試驗方法的剪切試驗結果,（1）不固結不排水剪的剪切試驗結果,將總應力圓在水平軸上左移uf得到相應的有效應力圓，按有效應力圓強度包線可確定c 、 ,飽和粘性土在三組3下進行固結不排水剪試驗得到A、B

10、、C三個不同3作用下破壞時的總應力圓，由總應力圓強度包線確定固結不排水剪總應力強度指標ccu、 cu,（2）固結不排水剪（CU）,在整個排水剪試驗過程中， uf 0，總應力全部轉化為有效應力，所以總應力圓即是有效應力圓，總應力強度線即是有效應力強度線。強度指標為cd、d,總結:,1.對于同一種土，在不同的排水條件下進行試驗，總應力強度指標完全不同,2.有效應力強度指標不隨試驗方法的改變而不同，抗剪強度與有效應力有唯一的對應關系,（3）固結排水剪（CD）,（3）固結排水剪的剪切試驗結果,優(yōu)點： 試驗中能嚴格控制試樣排水條件，量測孔隙水壓力，了解土中有效應力變化情況 試樣中的應力分布比較均勻 缺點： 試驗儀器復雜，操作技術要求高，試樣制備較復雜 試驗在2=3的軸對稱條件下進行，與土體實際受力情況可能不符,6. 三軸試驗優(yōu)缺點,