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1、5土的抗剪强度,5.1 土的抗剪强度概述5.2 抗剪强度的测定方法5.3 孔隙压力系数5.4 抗剪强度指标5.5 应力路径,5.1 土的抗剪强度概述,土的抗剪强度：土体抵抗剪切破坏的极限能力,加拿大特朗斯康谷仓：1911年动工1913年完工谷仓自重20000吨1913年10月17日发现1小时内竖向沉降达30.5厘米，结构物向西倾斜，并在24小时内倾倒，谷仓西端下沉7.32米，东端上抬1.52米产生原因：地基承载力不够，超载引发强度破坏而产生滑动。,一、库仑定律,1776年，库仑根据砂土剪切试验,f=tan,砂土,库仑定律：土的抗剪强度是剪切面上的法向总应力 的线性函数，用f表示。,:土的内摩擦
2、角,后来，根据粘性土剪切试验,f=c+tan,粘土,c,c:土的粘聚力:土的内摩擦角,土体强度破坏的机理：在外荷载作用下，土体中将产生剪应力和剪切变形，当土中某点由外力所产生的剪应力达到土的抗剪强度时，土就沿着剪应力作用方向产生相对滑动，该点便发生剪切破坏。,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 u 土中的超静孔隙水压力 土的有效粘聚力 土的有效内摩擦角 土的有效抗剪强度指标，对于同一种土，其值理论上与试验方法无关，应接近于常数。,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
3、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（eg.硅、铁物质和碳酸盐等）对土粒的胶结作用。,二、土体抗剪强度影响因素,三、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。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，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。,楔体静力平衡,斜面上的应力,莫尔应力圆方程,A(,),圆心坐标1/2(1+3)，0,应力圆半径r1/2(13),土中某点的应力状态可用莫尔应力圆描述,应力圆与强度线相离：,应力圆与强度线相切：,应力圆与强度线相
4、割：,f,=f,f,破坏状态,弹性平衡状态,极限平衡状态,极限应力圆,四、土的极限平衡条件,莫尔库仑破坏准则,莫尔应力圆与库仑强度线相切的应力状态作为土的破坏准则(目前判别土体所处状态的最常用准则),无粘性土：c=0,土体处于极限平衡状态时，破坏面与大主应力作用面的夹角为 f,说明：剪破面并不产生于最大剪应力面，而与最大剪应力面成/2的夹角，可知，土的剪切破坏并不是由最大剪应力max所控制,五、例题分析,【例】地基中某一单元土体上的大主应力为430kPa，小主应力为200kPa。通过试验测得土的抗剪强度指标c=15 kPa，=20o。试问该单元土体处于何种状态？单元土体最大剪应力出现在哪个面上
5、，是否会沿剪应力最大的面发生剪破？,在剪切面上,库仑定律,由于f，所以，该单元土体处于弹性平衡状态,解:,1.计算法,2.图解法,最大剪应力与主应力作用面成45o,最大剪应力面上的法向应力,库仑定律,最大剪应力面上f，所以，不会沿剪应力最大的面发生破坏,一、直接剪切试验,试验仪器：直剪仪（应力控制式，应变控制式）,5.2 土的剪切试验方法,剪切试验,剪前施加在试样顶面上的竖向压力为剪破面上的法向应力，剪应力由剪切力除以试样面积。,在法向应力 作用下，剪应力与剪切位移关系曲线，根据曲线得到该 作用下土的抗剪强度。,在不同的垂直压力下进行剪切试验，得相应的抗剪强度f，绘制f-曲线，得该土的抗剪强度
6、包线。,直剪试验优缺点,优点：仪器构造简单，试样的制备和安装方便，易于操作。缺点：剪切破坏面固定为上下盒之间的水平面不符合实际情况，不一定是土样的最薄弱面。试验中不能严格控制排水条件，对透水性强的土尤为突出，不能量测土样的孔隙水压力。上下盒的错动，剪切过程中试样剪切面积逐渐减小，剪切面上的剪应力分布不均匀。,二、三轴剪切试验,应变控制式三轴仪：压力室，加压系统，量测系统组成 应力控制式三轴仪,试验步骤:,1.装样,2.施加周围压力,3.施加竖向压力,抗剪强度包线,分别在不同的周围压力3作用下进行剪切，得到34 个不同的破坏应力圆，绘出各应力圆的公切线即为土的抗剪强度包线,三轴试验优缺点,优点：
7、试验中能严格控制试样排水条件，量测孔隙水压力，了解土中有效应力变化情况；试样中的应力分布比较均匀。缺点：试验仪器复杂，操作技术要求高，试样制备较复杂；试验在2=3的轴对称条件下进行，与土体实际受力情况可能不符。,三、无侧限抗压强度试验,无侧限抗压强度试验是三轴剪切试验的特例，对试样不施加周围压力，即3=0，只施加轴向压力直至发生破坏，试样在无侧限压力条件下，剪切破坏时试样承受的最大轴向压力qu，称为无侧限抗压强度。,根据试验结果只能作出一个极限应力圆（3=0，1=qu）。因此对一般粘性土，无法作出强度包线。,说明：对于饱和软粘土，根据三轴不排水剪试验成果，其强度包线近似于一水平线，即u=0，因
8、此无侧限抗压强度试验适用于测定饱和软粘土的不排水强度。,无侧限抗压强度试验仪器构造简单，操作方便，可代替三轴试验测定饱和软粘土的不排水强度。,灵敏度,粘性土的原状土无侧限抗压强度与原土结构完全破坏的重塑土的无侧限抗压强度的比值。,反映土的结构受挠动对强度的影响程度,根据灵敏度将饱和粘性土分类：,低灵敏度土 1St2,中灵敏度土 2 St4,高灵敏度土 St4,四、十字板剪切试验,适用于现场测定饱和粘性土的不排水强度，尤其适用于均匀的饱和软粘土,柱体上下平面的抗剪强度产生的抗扭力矩,柱体侧面剪应力产生的抗扭力矩,5.3 孔隙应力系数,斯肯普顿1954年根据三轴压缩试验的结果，首先提出孔隙压力系数
9、的概念，并用以表示土中孔隙压力的大小。,不排水剪试验中的孔隙水压力,孔隙应力系数B,定义：当试样在不排水条件下受到各向相等压力增量时，产生的孔隙应力增量与压力增量之比定义为孔隙应力系数。,B反映土体在各向相等压力作用下，孔隙应力变化情况的指标，也是反映土体饱和程度的指标。,B=1 饱和土的不固结不排水试验试验中，试样在周围压力增量下将不发生竖向和侧向变形，这时的周围压力增量完全由孔隙水承担。B=0 土完全干燥，周围压力增量完全由土骨架承担。0B1 非饱和土，孔隙中流体的压缩性与土骨架的压缩性为一个量级，饱和度越大，B越接近于1。,定义：当试样在轴向应力增量作用时，产生的孔隙水应力为为u2,A为
10、偏应力增量作用下的孔隙压力系数。,综合反映主应力差作用下孔隙水应力变化的一个指标,孔隙应力系数A,三轴试验根据试样的固结和排水条件不同，可分为不固结不排水剪（UU）、固结不排水剪（CU）、固结排水剪（CD）。分别对应于直剪试验的快剪、固结快剪、和慢剪试验。,5.4 土的抗剪强度指标,一、不同固结和排水条件下的抗剪强度指标,1.不固结不排水剪（UU）,三轴试验：施加周围压力3、轴向压力直至剪破的整个过程都关闭排水阀门，不允许试样排水固结。,直剪试验：通过试验加荷的快慢来实现是否排水。使试样在35min之内剪破，称之为快剪。,饱和粘性土在三组3下的不排水剪试验得到A、B、C三个不同3作用下破坏时的
11、总应力圆。,试验表明：虽然三个试样的周围压力3不同，但破坏时的主应力差相等，三个极限应力圆的直径相等，因而强度包线是一条水平线。三个试样只能得到一个有效应力圆。,抗剪强度指标为cu、u,2.固结不排水剪（CU）,三轴试验：施加周围压力3时打开排水阀门，试样完全排水固结，孔隙水压力完全消散。然后关闭排水阀门，再施加轴向压力增量，使试样在不排水条件下剪切破坏。,直剪试验：剪切前试样在垂直荷载下充分固结，剪切时速率较快，使土样在剪切过程中不排水，这种剪切方法为称固结快剪。,固结不排水剪试验得到A、B、C三个不同3作用下破坏时的总应力圆，由总应力圆强度包线确定固结不排水剪总应力强度指标ccu、cu,将
12、总应力圆在水平轴上左移uf得到相应的有效应力圆，按有效应力圆强度包线可确定c、,3.固结排水剪（CD）,三轴试验：试样在周围压力3作用下排水固结，再缓慢施加轴向压力增量，直至剪破，整个试验过程中打开排水阀门，始终保持试样的孔隙水压力为零。,直剪试验：试样在垂直压力下固结稳定，再以缓慢的速率施加水平剪力，直至剪破，整个试验过程中尽量使土样排水，试验方法称为慢剪。,在整个排水剪试验过程中，uf 0，总应力全部转化为有效应力，所以总应力圆即是有效应力圆，总应力强度线即是有效应力强度线。强度指标为cd、d,对于饱和土的不固结不排水试验：,固结不排水试验：,固结排水试验：,总结:,对于同一种土，在不同的
13、排水条件下进行试验，总应力强度指标完全不同。,有效应力强度指标不随试验方法的改变而不同，抗剪强度与有效应力有唯一的对应关系。,二、抗剪强度指标的选用,土的抗剪强度指标随试验方法、排水条件的不同而异，对于具体工程问题，应该尽可能根据现场条件决定采用实验室的试验方法，以获得合适的抗剪强度指标。,5.5 应力路径,应力路径：试样或土单元在受剪过程中的应力状态变化可用某个特定平面上的应力状态的轨迹即应力路径来反映，这种轨迹称作应力路径。,剪破面上的应力路径：如下图AB、DE所示 最大剪应力面上的应力路径：如下图AC、DF所示,在一坐标图上，应力圆顶点的坐标为，若将、作为纵横坐标，并在坐标图上，分别点绘常规三轴压缩试验过程中各个莫尔圆应力顶点的坐标值，各点的连线即为三轴试验在-坐标上的应力路径表达形式。,总应力点的横坐标减去相应的孔隙水压力值，就可获得有效应力路径。由于试样在不排水剪切过程中的孔隙水压力随轴向偏应力的增加呈非线性变化，因此，有效应力路径是曲线。,
