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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,概 述,土的破坏主要是由于剪切引起的，剪切破坏是土体破坏的重要特点.工程时间中与土的抗剪强度有关的工程主要有以下3类: （1）土质土坝的稳定 （2）土压力 （3）地基的承载力问题,工程实例土坡稳定,工程实例土坡稳定,工程实例土压力,工程实例土压力,工程实例地基承载力问题,工程实例地基承载力问题,第一节 土的抗剪强度概述土的抗剪强度:是指土体抵抗剪切破坏的极限能力。 滑动面(破坏面):当土体受到荷载作用后,土中各点将产生剪应力,若某点的剪应力达到其抗剪强度,在剪切面两侧的土体将产生相对位移而产生滑动破坏,该剪切面称为滑动面或破坏面
2、。,一.库仑公式1）库伦公式基本形式（总应力抗剪强度公式） 式中 剪切破坏面上的剪应力，即土的抗剪强度(KPa ) 破坏面上的法向应力(KPa ) 土的粘聚力， (KPa )对于无粘性土， 土的内摩擦角() 称为抗剪强度指标，同一种土，它们与试验方法有关,无粘性土 粘性土,（2）有效应力抗剪强度公式式中 剪切破坏面上的有效法向应力(KPa ) u 土中的超静孔隙水压力(KPa ) 土的有效粘聚力(KPa ) 土的有效内摩擦角() 称为土的有效抗剪强度指标，同一种土，其值理论上与试验方法无关，应接近于常数。,问题:总应力法与有效应力法的优缺点是什么?,总应力法比有效应力法简单,因为试验时不需测量
3、孔隙水压力,进行稳定分析时也不考虑孔隙水压力,只需测量总应力即可.但是对于同一种土,施加相同的总应力,如果试验方法不同,或者说控制的排水条件不同,则所得的强度指标也就不相同.也就是说,总应力和土的抗剪强度没有唯一对应的关系,应用较多.有效应力法考虑了孔隙水压力的影响,只计入作用于粒间的有效应力,试验证明,对于同一种土,不论采用何种试验方法,只要能准确测量出孔隙水压力,则所得的有效抗剪强度指标是相同的.它们有唯一对应的关系.但测量孔隙水压力时,比较麻烦,需要精确评价地基强度和稳定性时常采用.,抗剪强度的来源：,1）无粘性土：来源于土粒间的摩擦力（内摩擦力）。包括： a.一部分由于土颗粒粗糙产生的
4、表面摩擦力； b.另一部分是粗颗粒之间互相镶嵌，联锁作用 产生的咬合力。,2）粘性土：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结物质（硅、铁物质和碳酸盐等）对土粒的胶结作用。,二.莫尔-库仑强度理论,(一)、土体中任一点的应力状态 假定土层为均匀、连续的半空间材料，研究地面以下任一深度处M点的应力状态。下面仅研究平面问题，在土体中取一微单元体，作用在该单元体上的两个主应力为 ，则作用在与大主应力作用面成 角的 平面上的正应力 和剪应力 可根据静力平衡条件求得：,(二)、土的极限平衡条件的建立,土处于极限平衡状态下时,根据极限应力圆与抗剪强度包线相切的几何关
5、系，可建立以下极限平衡条件：,粘性土：,化简后得：,破坏面与大主应力作用面间的夹角,问题:土体的最大剪应力面是否即剪切破裂面?,对于饱和软粘土,在不排水条件下,其内摩擦角为0,此时土体的最大剪应力面即为剪切破裂面.,第二节 抗剪强度的测定方法,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 直接剪切试验 三轴压缩试验 无侧向抗压强度试验 十字板剪切试验近似模拟,直接剪切试验,应变控制式直剪仪,应变控制式直剪仪的试验原理：对同一种土至少取4个平行试样，分别在不同垂直压力下剪切破坏，将试验结果绘制抗剪强度f与相应垂直压力的关系图。试验结果表明，对于粘性土f 基本上呈直线关系，
6、直线方程可用库伦公式表示；对于无粘性土， f 则是通过原点的直线。,的缺点直接剪切仪,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,构造简单,操作方便,的优点直接剪切仪,三轴压缩试验,对同一种土至少取3个平行试样，分别在不同周围压力3 和轴压1 作用下剪切破坏，将试验结果绘制为若干个极限应力圆。根据莫尔-库伦理论，这一组极限应力圆的公共切线即为土的抗剪强度包线，可近似取为一条直线，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：,c,0,三轴压缩试验原理,的优点三轴压缩仪,的缺点三轴压缩仪,能较严格地
7、控制排水条件,剪切破坏面为最薄弱面,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，与实际土体的受力状态未必相符,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条件，此时只有轴向压力，所以也称单轴压缩试验。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。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抗压强度，以qu表示,极限应力圆,应用： 代替三轴试验（当3 =0） 可用来求土的灵敏度 缺点： 无粘性土以及太软土（流塑）不可 试验快 , 水来不及排除,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
8、切仪在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，特别适用于均匀的饱和软粘土。无需钻孔取得原状土样,从而使土少受扰动,试验时土的排水条件和受力状态与实际条件十分接近.,第四节 土的抗剪强度指标,一.粘性土在不同固结和排水条件下的抗剪强度指标,1.固结不排水剪试验(又称固结快剪,以符号Cu表示),试验过程,固结不排水试验（CU试验）是在施加周围压力时充分排水（固结），而在施加轴向压力直至剪切破坏的整个试验过程中不允许排水（不排水）。,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状态。,正常固结状态的试样在剪切过程中体积有
9、减小的趋势（剪缩），但由于不允许排水，故产生正的孔隙水压力；而强超固结状态的试样在剪切过程中，先表现为剪缩（产生正的孔隙水压力），然后转为剪胀（产生负的孔隙水压力）。,试验结论,a.正常固结饱和粘土,剪切过程中不排水，根据有效应力原理可知，有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正的孔隙水压力，故有效应力圆在总应力圆的左边。总应力破坏包线和有效应力破坏包线都通过原点，说明固结压力为零的土不会具有抗剪强度。,超固结状态,正常固结状态,ccu,0,a,b,c,b.超固结饱和粘土,超固结状态土的固结不排水试验,超固结状态的饱和粘性土的固结不排水剪切试验得到的总应
10、力破坏包线是一条略平缓的曲线，可近似以直线ab代替，与正常固结状态土的固结不排水破坏包线bc相交，bc的延长线通过原点。实用上将abc折线取为一条直线。由于超固结状态的土样在剪切破坏时，产生负的孔隙水压力，有效应力圆在总应力圆的右边。,2.不固结不排水剪试验(又称快剪,以符号UU表示),试验过程,不固结不排水试验（UU试验）是在施加周围压力时不排水（不固结），且在施加轴向压力直至剪切破坏的整个试验过程中也不允许排水（不排水）。,试验结论,0,cu,饱和粘性土的不固结不排水试验,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。试验结果表明，虽然三个试件的围压
11、不同，但破坏时的主应力差相等，所以三个总应力圆的直径相同，所以破坏包线是一条水平线，可得,由于在不排水条件下，试样在试验过程中含水量不变，体积不变，改变周围压力增量只能引起孔隙水压力的变化，并不会改变试样中的有效应力，各试件在剪切前的有效应力相等，因此抗剪强度不变。由于只能得到一个有效应力圆，所以不能得到有效应力破坏包线，不固结不排水试验只用于测定饱和土的不排水强度，所以可以用无侧限抗压强度试验代替三轴压缩试验来测定饱和土的不排水抗剪强度。,不固结不排水试验的“不固结”是在保持试样原来有效应力不变的情况下，在三轴压力室的周围压力下不再排水固结。如果饱和粘性土从未固结过，则其中的有效应力为零（先
12、期固结压力也为零），表现为一种泥浆状土，其抗剪强度必然也等于零。如果在较高的剪前固结压力下进行不固结不排水试验，就会得到较大的不排水抗剪强度。,3.固结排水剪试验(又称慢剪,以符号CD表示),试验过程,固结排水试验（CD试验）是在施加周围压力时充分排水（固结），而在施加轴向压力直至剪切破坏的整个试验过程中允许排水（排水）。,试验结论,a.正常固结饱和粘土,b.超固结饱和粘土,在整个试验过程中，土样中的孔隙水压力始终为零，总应力最后完全转化为有效应力，所以总应力圆就是有效应力圆，总应力破坏包线就是有效应力破坏包线。正常固结状态的土，其破坏包线通过原点。超固结饱和粘土在固结排水剪中先剪缩后剪胀,但
13、不会排出水分,反而因剪胀而有吸水的趋势,含水量还要增加.,试验结果表明，对于同一种土，固结排水试验得到的cd、d与固结不排水试验得到的c、 很接近，由于固结排水试验所需的时间太长，故实用上用c、 代替cd、d 。,三种试验结果的强度包线,对同一种饱和粘性土，分别在三种不同的排水条件下进行剪切试验。如果用总应力表示，将得到完全不同的试验结果，而以有效应力表示，则不论采用哪种试验方法，都得到近乎同一条有效应力破坏包线。 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。,二.粘性土的残余强度指标,坚硬的超压密粘土的 曲线可出现剪应力的峰值 ,即为土的峰值抗剪强度.峰后强度随
14、剪切位移增大而降低,称为应变软化特征.当剪切位移较大时,其强度最终也降低至某一稳定值,这种终值强度称为残余强度.试验证明,粘性土的残余强度同峰值强度一样也符合库仑公式,即,粘性土的残余强度可解释为,沿剪切面两侧非定向排列的薄层微粒结构,随着剪应变的增加而逐渐转化为沿剪切方向定向排列,因而土的抗剪强度随之降低.残余强度与土的结构关系不大,而主要取决于土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.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.残余强度线为通过坐标原点的直线.,三.无粘性土的抗剪强度指标,紧砂受剪时，颗粒必须升高以离开它们原来的位置而彼此才能滑过，从而
15、导致体积膨胀，把这种因剪切而体积膨胀的现象称为剪胀性。,紧 砂,松 砂,松砂受剪时，颗粒滚落到平衡位置，排列更紧密些，所以体积缩小，把这种因剪切而体积缩小的现象称为剪缩性.,紧砂的强度达到一定值后，随着轴向应变的继续增加，强度反而减小，最后呈应变软化型.,随着轴向应变的增加，松砂的强度逐渐增加，曲线应变硬化.,体积开始时稍有减小，继而增加，超过它的初始体积.,体积逐渐减小.,对一定侧限压力下的同种砂土,紧密和松散的砂土最终的强度趋于同一数值,而最终孔隙比也大致趋向于某一稳定值,该值称为临界孔隙比.在这一孔隙比下,砂土在不排水条件下受荷至破坏时,其体积变化为零.,砂土的临界孔隙比将随周围压力的增
16、加而减小.,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砂土液化. 砂土液化从宏观上可引起喷水冒砂和地下砂层液化,原来有明显层理的土,震后层理紊乱.上述现象可导致地表沉陷和变形.,四、抗剪强度指标的选择 饱和粘性土的抗剪强度性状是很复杂的，它不仅与剪切条件有关，还与土的应力历史等因素有关。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可能地模拟实际工况来进行试验。,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：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的快剪试验结果,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.若建筑物竣工后较长时间,突遇荷载增大,如房屋加层,天然土坡上堆载.,五.影响土体抗剪强度的因素,土的组成,原始密度,孔隙比及含水量.土的结构性.土的应力历史.土的加荷条件.土的各向异性.土的应变强度软化.时间因素.,谢谢!,
