土力学-第五章土的抗剪强度1
土力学-土的抗剪强度
液化时的冒砂现象
台中地震（1999）砂土液化造成的破坏
五、黏性土的抗剪强度
1. 主要特点和影响因素
（1）黏性土的抗剪强度主要来源于内摩擦力和黏聚力。 （2）峰值强度：超固结土>正常固结土>重塑土。残余强度：相同（与土 的受力历史无关）。 无论是黏性土还是砂土，残余强度对应于土体发生较大的剪切变形时， 此时，对黏性土：土粒间的联结破坏，黏聚力丧失，故其强度线通过原点； 对砂土：咬合作用丧失，以摩擦作用为主，内摩擦角降低。
1. 砂土抗剪强度的特点及主要影响因素
（1）颗粒较粗，相互之间为机械作用而无黏聚力：c =0。内摩擦 角 =29o~42o（大于休止角）。 颗粒表面的滑动摩擦 （2）砂土抗剪强度的主要来源于
剪切方向
颗粒之间的咬合作用 剪切过程中颗粒的重新排列
颗粒移动方向 摩擦
剪切面
咬合
剪切方向
（3）主要影响因素：颗粒矿物成分、形状和级配、沉积条件等。
土压力
滑移面 挡土墙
（3）挡土结构：确定墙后土体处于极 限状态时，作用在挡土结构上的土压力。
二、土的抗剪强度shear strength和破坏理论
1. 直接剪切试验和Coulomb定律
（1）直接剪切试验 取多个土样，分别施加不同竖向应力，剪切至破坏。结果表明， 破坏时的剪应力f与法向应力 呈线性关系。
σ
( 1f )i
n pi2 ( pi )2
土样数
c
1 i pi sin cos n n
pi
( 1f )i ( 3f )i 2
i
( 1f )i ( 3f )i 2
土样破坏时的大、小主应力
四、砂土的抗剪强度
土力学——土的强度理论
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)
根据极限平衡条件可以用来判别一点土体是否
已发生剪切破坏
确定土单元体的应力状态（x，z，xz）
计算主应力1, 3： 1,3x 2z (x 2z)24x 2z
判别是否剪
切破坏：
• 由3 1f，比较1和1f • 由1 3f，比较3和3f
土单元是否破坏的判别
方法一： 由3 1f，比较1和
1f
1 f 3t2 g (4 5 2)2 ct(g 4 5 2)
f=c+tg
c
O 3
1f
1= 1f 极限平衡状态
f
c
粘土
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
f tan f tanc
c:土的粘聚力
:土的内摩擦角
二、土体抗剪强度影响因素
摩擦力的两个来源 1.滑动摩擦：土粒间表面的粗糙所产生的摩擦 2.咬合摩擦：土粒间互相嵌入所产生的咬合力
粘聚力：由土粒间的胶结作用和分子引力等因素形成 抗剪强度影响因素 摩擦力：颗粒大小、土的初始密度、土粒级配、土粒形
所以，该单元土体处于弹性平衡状态
在剪切面上 f 1 290 45 255
1 2 13 1 2 13 co 2fs 2.7 k5 Pa
1 213si2 n f 10.1k8Pa
库仑定律
f
tanc11 .3k5Pa
第五章 土的强度理论
土的抗剪强度 1.库仑定律 2.土体抗剪强度影响因素 3.土中一点的应力状态 4.土的极限平衡条件
剪切试验方法(直剪，三轴，无侧限，十字板） 不同排水条件下剪切试验成果*
土的抗剪强度
Charles Augustin de Coulomb (1736 - 1806)
Christian Otto Mohr (1835-1918)
第五章 土的抗剪强度
§5.1 概述
高等土力学内容
三、抗剪强度理论的发展
（2）现代强度理论(考虑了中间主应力效应的强度理论) Lade-Duncan强度准则 Matsuoka-Nakai（SMP）强度准则 俞茂宏双剪应力强度准则
作用机理：库伦力（静电力）、范德华力、 胶结作用力和毛细力等 影响因素：地质历史、黏土颗粒矿物成分、 密度与离子浓度
粗粒土：一般认为是无黏性土，不具有黏聚强度：
当粗间有胶结物质存在时可具有一定的粘聚强度 非饱和砂土，粒间受毛细压力，具有假粘聚力
凝聚强度
第五章 土的抗剪强度
一、库仑定律 （2）有效应力法
摩擦强度
第五章 土的抗剪强度
§5.2 土的抗剪强度及强度理论
摩擦强度：决定于剪切面上的正应力σ和土的内摩擦角
A B B C 剪切面
A
C
包括如下两个 组成部分 ： 滑动摩擦
• 是指相邻颗粒对于相对移动的约束作用 • 当发生剪切破坏时，相互咬合着的颗粒A 必须抬起，跨越相邻颗粒B，或在尖角处 被剪断（C），才能移动 • 土体中的颗粒重新排列，也会消耗能量
§5.2 土的抗剪强度及强度理论
2、库仑定律
τ f σ tg c
二、摩尔-库仑强度理论 极限平衡状态：在荷载作用下，地基内任一点都将产生应力， 当通过该点某一方向的平面上的剪应力等于土的抗剪强度时， 称该点处于极限平衡状态。 极限平衡条件（剪切破坏条件）：
f
第五章 土的抗剪强度
乌江武隆县兴顺乡鸡冠岭山体崩塌
土力学第五章土的抗剪强度
编辑ppt
本章主要内容
5.1 抗剪强度概述 5.2 土的抗剪强度试验 5.3 土的抗剪强度及破坏理论 5.4 砂类土的抗剪强度特征 5.5 粘性土的抗剪强度特征 5.6 特殊粘性土的抗剪强度特征 5.7 粘性土的流变特性 5.8 土的动力强度特性
编辑ppt
土工结构物或地基
土
▪渗透问题 ▪变形问题 ▪强度问题
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
编辑ppt
§ 5.5 粘性土的抗剪强度特征
一.不排水试验（UU试验）
在不排水条件下，施加周围压力增量σ3 ， 然后在不允许水进出的条件下，逐渐施加附 加轴向压力q，直至试样剪破 工程背景：应用与饱和粘土、软粘土快速
土的破坏主要是由于剪切所引起的，剪切破坏是土体破坏的 主要特点。
与土体强度有关的工程问题：建筑物地基稳定性、填方或挖 方边坡、挡土墙土压力等。
编辑ppt
概述
崩塌
平移滑动
旋转滑动
流滑
编辑ppt
概述
乌江武隆县兴顺乡 鸡冠岭山体崩塌
• 1994年4月30日上午11时 45分
• 崩塌体积530万m3，30万 m3堆入乌江，形成长110m、 宽100m、高100m的碎石 坝，阻碍乌江通航达数月 之久。
剪应力τ= (σ1- σ3 )/2=130kPa 由于τ< τf，说明土单元中此编点辑p尚pt 未达到破坏状态。
§ 5.3 抗剪强度实验
按常用的试验仪器可将剪切试验分：
直接剪切试验 三轴压缩试验 无侧限抗压强度试验 十字板剪切试验四种
编辑ppt
一、直接剪切试验
工程地质及土力学第5章土的抗剪强度
一、不固结不排水抗剪强度
1. 三轴仪不排水强度UU
土 的 抗 剪 强 度
u 0 f
1 c u 1 3 2
1 u f 3 u f 1 3 1 3 3 ) f ( 1 3 ) fA ( 1 3 ) fB ( 1 在不排水条件下，饱和土体孔隙水压力系数B 1，改变周围 压力增量只会引起孔隙水压力的变化，而不会引起土体中的 有效应力的变化，各试样在剪切破坏前的有效应力相等，所 以抗剪强度不变。
（二）摩尔库伦极限平衡条件
土 的 抗 剪 强 度
根 据 Mohr-Coulomb 破坏理论，破坏时 的 Mohr 应力圆必定 与破坏包线相切。 切点所代表的平面 满足τ=τf的条件，该 点处于极限平衡状 态。
f 45
2
AD RD sin
即：
1 1 （ 1 3） [c ctg ( 1 3 )]sin 2 2 2 1 3tg 45 2c tg 45 2 2
• 砂土: τf=σtg • 粘性土: τf=c+σtg • 式中：c 和为抗剪强度指标(抗剪强度参数) • c-土的粘聚力 -土的内摩擦角
土的抗剪强度机理
土 的 抗 剪 强 度
1、摩擦强度（摩擦力）包括滑动摩擦和咬合摩擦 滑动摩擦由颗粒间接触面粗糙不平所引起。 咬合摩擦是指相邻颗粒对于相对移动的约束作用。 • 摩擦强度的影响因素有： • 颗粒形状、矿物成分、 粒径级配、密度等。 2、粘聚强度（粘聚力） • 取决于土粒间的各种 胶结作用和静电引力。 •用有效应力表达
土 的 抗 剪 强 度
土力学第五章土的抗剪强度
1 2
1
3
1 2
1
3 cos 2
1 2
1
3 sin 2
2
1
3
2
2
sin2
2
1
3
2
2
1
3
2
2
cos2
2
1
3
2
2
2
1
3
2
2
1 3
2 2
3
1 3
2
1
三、摩尔-库仑强度理论
土的强度破坏是剪切破坏，当土体中任意一点在某一平面上的剪应力达到土的抗剪 强度时，就发生剪切破坏，该点即处于极限平衡状态。相应的应力圆为摩尔极限应 力圆。 土体处于极限平衡状态时土的应力状态和土的抗剪强度指标之间的关系式，即为土 的极限平衡条件。
式中 S—代表抗剪强度； —c土的粘聚力； —土的内摩擦角； —作用在剪切面上的有效法向应力。
上式称为抗剪强度的库仑定律（强度理论）， S 间的关系如下图所示。
k
k
图5.1.1 土的强度线
由库伦公式可以看出:无粘性土的抗剪强度与剪切面上的法向应力 成正比，其本质是由于颗粒之间的滑动摩擦以及凹凸面间的镶嵌 作用所产生的摩阻力，其大小决定于颗粒表面的粗糙度、密实度、 土颗粒的大小以及颗粒级配等因素。粘性土的抗剪强度由两部分 组成：一部分是摩擦力，另一部分是土粒之间的粘结力，它是由 于粘性土颗粒之间的胶结作用和静电引力效应等因素引起的。 式中两个常数 c和 ， 取决于土的性质（与土中应力状态无关）， 称为土的强度指标，可由室内或现场试验确定。 讨 论：
1 —试样轴向应变值， %；
Aa —试样校正断面积，cm2; A0 -试样的初始断面积，cm2;
土力学1第五章
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
3
3
3
3
2.施加周围压力
3
3.施加竖向压力
3
△
应 变 控 制 式 三 轴 仪
应变控制式三轴 仪：压力室，量 测系统
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
三、土中一点的应力状态
土体内一点处不同方位的截面上应力的集合（剪应
力 和法向应力）
dlsin
1
3
3
3
1
楔体静 力平衡
1 dlcos 3dl sin dl sin dl cos 0
1dl cos dl cos dl sin 0
砂土的液化(liquefaction)
第五章 土的强度理论
§5.1 概述 √ §5.2 土体破坏与土的强度理论 §5.3 土的抗剪强度的测定试验 §5.4 土的抗剪强度指标
§5.2 土的抗剪强度理论
库仑
（C. A. Coulomb） (1736-1806)
法国军事工程师，在摩 擦、电磁方面做出了奠 基性的贡献。1773年发 表了关于土压力方面论 文，成为土压力的经典 理论
斜面上的应力
3
dlsin
1 2
1
3
1 2
1
3
c
os2
1 2
1
3
sin
2
1 dlcos
莫尔应力圆方程
土力学与地基基础(土的抗剪强度及地基承载力)
土的抗剪强度： 的极限能力， 土的抗剪强度：指土体抵抗剪切破坏的极限能力，数值上 等于剪切破坏时滑动面上的 等于剪切破坏时滑动面上的剪应力。土体的破坏通常都是 剪切破坏。 剪切破坏。 土体破坏过程： 土体破坏过程： 如果土体内某一部分的剪应力达到土的抗剪强度， 某一部分的剪应力达到土的抗剪强度 如果土体内某一部分的剪应力达到土的抗剪强度，在该部 分就开始出现剪切破坏，随着荷载的增加，剪切破坏的范 分就开始出现剪切破坏，随着荷载的增加，剪切破坏的范 围逐渐扩大，最终在土体中形成连续的滑动面 连续的滑动面， 围逐渐扩大，最终在土体中形成连续的滑动面，地基发生 整体剪切破坏而丧失稳定性。以下是滑坡和地基破坏 滑坡和地基破坏示意 整体剪切破坏而丧失稳定性。以下是滑坡和地基破坏示意 图。
△σ σ3 σ3 σ3 σ3 σ3 △σ σ3
τ ϕ c σ
(σ1-σ3)f σ σ
(σ1-σ3)f σ σ
试验类型 不固结不排水试验（UU UU试验） UU
抗剪强度线为水平线
τ
f
cu 、ϕu
适于排水不良的土
= cu =
1 (σ 1 − σ 3 ) 2
ϕu = 0
ccu 、ϕcu
固结不排水试验（CU CU试验） CU
由三角函数关系, 由三角函数关系,经化简后得 粘性土极限平衡条件如下： 粘性土极限平衡条件如下：
1 1 (σ 1 − σ 3 ) = c ⋅ ctgϕ + (σ 1 + σ 3 ) sin ϕ 2 2 无粘性土（ 无粘性土（c=0）极限平衡条件： ）极限平衡条件：
σ1 = σ3 tan2 (45o + ) + 2c ⋅ tan(45o + )
第五章土的抗剪强度
第五章土的抗剪强度第一节概述土是固相、液相和气相组成的散体材料。
一般而言，在外部荷载作用下，土体中的应力将发生变化。
当土体中的剪应力超过土体本身的抗剪强度时，土体将产生沿着其中某一滑裂面的滑动,而使土体丧失整体稳定性。
所以，土体的破坏通常都是剪切破坏。
在工程建设实践中，道路的边坡、路基、土石坝、建筑物的地基等丧失稳定性的例子是很多的(图5-1)。
为了保证土木工程建设中建(构)筑物的安全和稳定，就必须详细研究土的抗剪强度和土的极限平衡等问题。
图5-1 土坝、基槽和建筑物地基失稳示意图(a)土坝(b)基槽(c)建筑物地基土的抗剪强度是指土体抵抗剪切破坏的能力，其数值等于土体产生剪切破坏时滑动面上的剪应力。
抗剪强度是土的主要力学性质之一，也是土力学的重要组成部分。
土体是否达到剪切破坏状态，除了取决于其本身的性质之外，还与它所受到的应力组合密切相关。
不同的应力组合会使土体产生不同的力学性质。
土体破坏时的应力组合关系称为土体破坏准则。
土体的破坏准则是一个十分复杂的问题。
到目前为止，还没有一个被人们普遍认为能完全适用于土体的理想的破坏准则。
本章主要介绍目前被认为比较能拟合试验结果，因而为生产实践所广泛采用的土体破坏准则，即摩尔—库伦破坏准则。
土的抗剪强度，首先取决于其自身的性质，即土的物质组成、土的结构和土所处于的状态等。
土的性质又与它所形成的环境和应力历史等因素有关。
其次，土的性质还取决于土当前所受的应力状态。
因此，只有深入进行对土的微观结构的详细研究，才能认识到土的抗剪强度的实质。
目前，人们已能通过采用电子显微镜、X射线的透视和衍射、差热分析等等新技术和新方法来研究土的物质成分、颗粒形状、排列、接触和连结方式等，以便阐明土的抗剪强度的实质。
这是近代土力学研究的新领域之一。
有关这方面的研究，可参132133 见相关的资料和文献。
土的抗剪强度主要由粘聚力c 和内摩擦角ϕ来表示，土的粘聚力c 和内摩擦角ϕ称为土的抗剪强度指标。
土力学-第五章-土的抗剪强度测定试验1 应力路径与破坏主应力线 张丙印
fh
M2
πDH
D 2
τfv
假定土体为各向同性，fh=fv=f：
Mmax
M1
M2
πD3 6
τf
πD 2 H 2
τf
τf
Mmax πD2 ( D H )
23
M
M1 fh
fv
H
M2
D
十字板剪切试验
2
第五章： 土的抗剪强度
§5.1 概述 §5.2 土的抗剪强度理论 §5.3 土的抗剪强度的测定试验 §5.4 应力路径与破坏主应力线 §5.5 土的抗剪强度指标 §5.6 土的动强度与砂土的振动液化
固结过程：
p 0 p0 = 3
剪切过程：
3=0 1 0 u 0
p p u q q u A(σ1 - σ3 )
饱和土固结不排水试验
q q
有效 应力
Kf线 uf Kf线
u 总应力
p
O
p0=3 p
当A是常数时，有效应力路径为直线，
一般情况下A不为常数，有效应力路径为曲线
三轴试验的有效应力路径
§5.3 土的抗剪强度的测定试验 –十字板剪切试验
智者乐水 仁者乐山
一般适用于测定软黏
土的不排水强度指标
钻孔到指定的土层，
插入十字形的探头
通过施加的扭矩计算
土的抗剪强度
十字板剪切试验
1
§5.3 土的抗剪强度的测定试验 –十字板剪切试验
智者乐水 仁者乐山
M1
D/2
2 τfh
0
2πr
rdr
πD3 6
智者乐水 仁者乐山
有效应力原理： + u 或 - u
孔隙水压力： u =B3+AB(1-3)
《土力学》5 土的抗剪强度
土力学5土的抗剪强度《土力学》第五章 土的抗剪强度 第一节 土的抗剪强度及其破坏准则一、土的强度与破坏形式概念：土的抗剪强度指土对剪切破坏的极限抵抗能力，土体的强度问题实质是土的抗剪能力问题。
二、土的抗剪强度规律——库仑定律（Coulomb ） （二）库仑定律表达式：C f +=φστtan式中各项含义：f τ-------------土的抗剪强度，KPaσ-------------剪切面上的法向应力，KPa ； φ--------------土的内摩擦角， C--------------土的粘聚力，KP（三）土的抗剪强度指标——φ、C φ——土的内摩擦角（°）C ——土的粘聚力（KPa ） C=0 Cφ、C 与土的性质有关，还与实验方法、实验条件有关。
因此，谈及强度指标时，应注明它的试验条件。
三、受剪面的破坏准则1、f ττ<时，土体受剪面是稳定的，处于弹性平衡状态；2、f ττ>时，土体受剪面已经破坏；3、f ττ=时，受剪面正好处于将要破坏的临界状态，称受剪面为极限平衡状态直剪试验的理论依据：土体受剪面在破坏时测得的τ和δ应在库仑直线上，测定若干个τ 和δ ，可绘制直线求出 φ和 C 值。
第二节 土的极限平衡条件一、土中一点的应力状态：与第一应力平面成α角的任一平面上，其应力ασ 、ατ 分别为：ασσσσσα2cos 223131-++=ασστα2sin 231-=摩尔应力圆：以231σσ+ 为圆心，以231σσ-为半径的圆的方程，即单位体上个截面的应力可绘成一应力圆。
单位体与摩尔应力圆关系：圆上一点，单元体上一面，转角2倍，转向相同。
二、摩尔——库仑准则（ 准则） （一） 应力圆与库仑直线的关系（1）应力圆与库仑直线相离， f ττ< ，稳定状态（2）应力圆与库仑直线相切，单位体上有一个截面的剪应力刚好等于抗剪强度，处于极限平衡状态。
其余截面 f ττ<（3）应力圆与库仑直线相割：该单元体面剪切破坏。
黄志全土力学课后习题答案第五章土的抗剪强度
习题5-1解：[作图法] 由题意得，试验结果中已知法向应力 和抗剪强度f ，画出法向应力 和抗剪强度f 关系如下图：由库仑公式f c+tan 可得，a c 50.5kP tan =0.52127.5 ，，即， 于是该土样的内摩擦角27.5 ，黏聚力a c 50.5kP 。
[数学法] 利用最小二乘法做线性回归分析，将抗剪强度看作因变量，法向应力看作自变量，从而2fi 2fi tan 0tan 0tan i i c c c经整理得，fi fi tan 0tan 0i i i c cfi2fi tan tan i i i inc c 最终，τ=50.5+ 0.521σ0501001502002503000100200300400τσfi fi 22fi 1tan 111tan i i i i in n c n n得，tan =0.52127.5 ，即a c 50.5kP 习题5-2解：由题意得，a 1a 3a =26c 20kP 450kP 100kP ，，， 。
代入公式23f 1tan 452c tan 4522，得到处于极限平衡状态时的小主应力：23f 12a 3atan 452c tan 45222626 450tan 45220tan 4522 150.7kP 100kP≥ 所以该土样处于破坏状态。
习题5-3解：（1）由题意得:30 ,1313a13a +400+150400150+cos 2+cos 60337.5kP 2222400150sin 2sin 60108.3kP 22所以与最大主应力面成夹角30 倾斜面上的正应力a 337.5kP ，剪应力a 108.3kP 。
（2）由题已知A 点大主应力1a 400kP ，小主应力3a 150kP ，土的抗剪强度指标c 0 30 ，，代入公式223f 1a 3a30tan 452c tan 45400tan 450222 133.3kP 150kP≤所以A 点土处于稳定状态。
第五章土的抗剪强度及其参数确定
第五章土的抗剪强度及其参数确定土的抗剪强度是土体在受到剪切力作用下抵抗破坏的能力。
土的抗剪强度是土力学中的重要参数，用于设计土体的承载力及稳定性。
土的抗剪强度与土体的力学性质有关，主要包括土粒间的摩擦力和粘聚力。
土粒间的摩擦力是由于土粒之间的接触而产生的阻力，而粘聚力是吸附在土粒表面的水膜力量。
土的抗剪强度可通过劈裂强度和摩擦强度来表示，即抗剪强度=粘聚力+摩擦力。
土体的抗剪强度可通过室内试验测定。
常见的试验方法有直剪试验、三轴剪切试验和扭转试验等。
其中，直剪试验是最简单的一种试验方法，适用于研究土体的剪切特性及其参数的确定。
直剪试验是将土样切割成一定形状的试件，然后施加垂直于剪切面的正压力和平行于剪切面的剪切力，观察土样的破坏模式及其抗剪强度。
试验可以得到剪切应力-剪切应变曲线，从而确定土体的抗剪强度及其参数。
直剪试验中，土样的形状和尺寸对试验结果有一定影响。
常见的土样形状有圆形、方形、矩形等。
土样尺寸的选择要符合土体的工程实际，并考虑统计性。
在试验过程中，还需控制剪切速率、正压力等试验条件。
直剪试验得到的剪切应力-剪切应变曲线常表现为线性段和非线性段。
线性段表征土体的弹性特性，非线性段表征土体的塑性特性。
通过拟合这两个段的曲线，可以确定土体的抗剪强度及其参数。
土体的抗剪强度参数主要包括内摩擦角和粘聚力。
内摩擦角是土体摩擦力大小的一种表征，可通过试验结果计算得到。
粘聚力是土体粘聚力大小的一种表征，需要通过试验得到。
根据试验结果，可以进一步确定土体的抗剪强度参数。
土的抗剪强度及其参数对土体的工程设计和稳定性分析具有重要的意义。
确定准确的抗剪强度参数可以保证土体工程的安全可靠性，也有助于优化土体的设计和施工方案。
因此，在土力学和岩土工程中，研究土的抗剪强度及其参数的确定是一个重要的课题。
土力学与地基基础——第章土强度理论
承
工程背景 1. 建筑物地基承载力问题
载
力 基础下的地基土体产生整体滑动或因局部剪切破坏而导致过大的地基变
形 甚至倾覆。
P
问
题
(
图
滑裂面
1 地基 )
地基的破坏
建 筑 物 地 基 承
某 谷 仓 地 基 的 破 坏
2. 构筑物环境的安全性问题即土压力问题 挡土墙、基坑等工程中，墙后土体强度破坏将造成过大的侧向土压力，导致
2
45 2
cctg 1/2(1 +3 )
max 45
破
坏
面
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τmax所控制。
根据极限平衡条件可以用来判别一点土体是否
已发生剪切破坏
确定土单元体的应力状态（x，z，xz）
咬合摩擦
滑动摩擦角 u
粗粉
30
细砂 中砂 粗砂
20 0.02 0.06
0.2 0.6
2
颗粒直径 (mm)
由颗粒之间发生滑动时颗粒接触
面粗糙不平所引起，与颗粒的形
状，矿物组成，级配等因素有关
摩擦强度
摩擦强度：决定于剪切面上的正应力σ和土的内摩擦角
包括如下两个 组成部分 ：
A
C 剪切面
1
1 3 3 2c ctg
处于极限平衡状态
所需的内摩擦角
m c O O
m< 安全状态 m= 极限平衡状态
（破坏）
m> 不可能状态
（破坏）
土单元是否破坏的判别
【例题】设砂土地基中某点的大主应力σ1为300kN/m2，小主应力σ3为 150kN/m2，砂土的内摩擦角φ为250，粘结力c为0，问该点处于什么应
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
1
主要内容
第一节 莫尔－库仑强度理论
第二节 土中一点应力极限平衡
第三节 抗剪强度试验
第四节 砂土抗剪强度 第五节 粘性土抗剪强度 第六节 土的主要物理力学参数汇总（自学） 第七节 应力路径及其影响（自学） 第八节 土的屈服条件和破坏准则（自学） 第九节 土的本构关系（自学）
组成部分 ： 滑动摩擦 咬合摩擦
30
20 0.02
0.06
0.2 0.6 2 颗粒直径 (mm)
由颗粒之间发生滑动时颗粒接触 面粗糙不平所引起，与颗粒的形 状，矿物组成，级配等因素有关
25
A
C
剪切面
A
C
包括如下两个
B B
组成部分 ：
滑动摩擦
是指相邻颗粒对于相对移动的约束作用
咬合摩擦
45
破坏面与小主应力面的夹角
c tan
c
3
2
2 90
1
σ
小
直剪试验与库仑公式
结
• 直剪试验 • 库仑公式 • 土的抗剪强度指标c和
土的抗剪强度机理
• 摩擦强度：滑动、咬合摩擦 • 凝聚强度 • 应力状态与莫尔圆
莫尔-库仑强度理论
• 极限平衡应力状态
31
r
O 3
2
(z,zx)
1
圆心： 半径：
p ( x z ) / 2
r
( x z ) / 2
2
2 xz
(x,xz)
p
大主应力： 小主应力:
1 p r
3 p r
2
莫尔圆：单元体的应力状态 圆上任一点：一个面上的与 莫尔圆转角2：作用面转角
44
【解答】 已知1=430kPa，3=200kPa，c=15kPa， =20o
1
o o 3 tan 45 2c tan 45 450.8kPa 2 2
2
计算结果表明：1*大于该单元土体实际大主应力 1，实际应力圆半径小于极限应力圆半径，所以， 该单元土体处于弹性平衡状态
σ
未破坏 破 坏
39
1 1 （ 1 - 3 ）< （ 1 + 3 ） sin + c cos 2 2 1 1 （ 1 - 3 ） （ 1 + 3 ） sin + c cos 2 2
τ
方法3
c tan
c
* 3
* 1 2
3
c
③
3 3
②
1
σ
② 1 1 ）sin + c cos （ 1 3 ）= （ 1 3 2 ④ 2 ① ③
36
• Mohr-Coulomb 强度理论的破坏准则 （极限平衡条件）
1 1 （ 1 - 3 ）= （ 1 + 3 ） sin + c cos 2 2
f
max
剪应力最大面
c
f
f
3
1
1 3
sin
σ
1 3
2 2 问题：剪切破坏是否发生在剪应力最大的面上？ 否
f ＝ （ 1－ 3 ） cos
1 2
41
⑤ 剪切破坏面的方向
τ
f
3
1
f
破坏面
2 破坏面与大主应力面的夹角 45 2
天然坝 坝高290 m 滑坡堰塞湖 库容15亿方
15
3、挡土结构物的破坏
各种挡土结构物，由于支挡结构后土体的剪切破坏而发生的破坏。
土压力 滑移面
根据支挡结构后土体的破坏特点，估计滑移面的位置，来计算结 构物上的土压力，进而来进行挡土结构物的设计计算。
16
常见的挡土结构物类型
钢筋混凝土挡土墙
基坑挖孔桩支护
1 x z x z 2 xz 3 2 2
32
② 极限平衡应力状态
极限平衡应力状态：当一面上的应力状态达到=f 土的强度包线：所有达到极限平衡状态的莫尔圆的公切 线
切点=破坏面
f c tg
2
1
= 3 tan (45 ) 2c tan(45 )
2
1*
σ
1 1*
* 3 3
破 坏
= 1 tan (45 ) 2c tan(45 )
* 3 2
2
2
破 坏
40
• 剪切破坏面上的应力
τ
破坏面
c tan
4
土的破坏和强度理论
一、土体强度的特点 二、工程中土体剪切破坏的类型 三、土的抗剪强度理论
5
一、土体强度的特点
压应力
土体
剪应力 拉应力
土体的破坏是剪切破坏shear failure，土的强度称为抗剪强度。
1. 土体剪切破坏的表现形式
(1) 形成明显的剪切滑移面 紧密砂土和干硬粘土
(2) 位移不断增大
法国军事工程师，在摩擦、 电磁方面做出了奠基性的 贡献。1773年发表了关于 土压力方面论文，成为土 压力的经典理论
21
P
直剪试验
• 法向应力：
P A
T
σ
τ
T • 剪应力： A
• 剪切变形S
22
f3 f2 f1
3 2 1 S
c O
库仑公式（1776）：
或
1 3 tan (45 ) 2c tan(45 )
2
2
2
问：砂性土 的强度准则 如何来表达？
3 = 1 tan (45 ) 2c tan(45 )
2
2
2
（1）当土中一点的应力满足上述条件时，土体在该点发生破坏。 （2）后两式分别是被动、主动土压力的计算公式。
2
本章提要
土是如何破坏的？ 如何评价土的强度？ 如何测定土的强度？ 如何应用土的强度指标？ 土的抗剪强度理论及本质 土的抗剪强度指标及测试方法 土的抗剪强度指标的种类及选取
学习难点
3
土力学的研究内容 与工程有关的土力学问题
渗透问题 变形问题 强度问题
土 渗透特性 变形特性 强度特性
钢板桩
边坡抗滑桩
17
广州京光广场基坑塌方
使基坑旁办公室、民工宿舍和仓库倒塌，死3人，伤17人
18
喷锚挡土结构发生破坏
福建建瓯城区中山路.2006年
19
三、土的抗剪强度理论
1、直剪试验和库仑公式
2、土的抗剪强度机理
3、莫尔－库仑强度理论
20
1、直剪试验和库仑公式
库仑
（C. A. Coulomb） (1736-1806)
当发生剪切破坏时，相互咬合着的颗粒A
必须抬起，跨越相邻颗粒B，或在尖角处
被剪断（C），才能移动 土体中的颗粒重新排列，也会消耗能量
26
粘聚强度：由粘聚力C产生的强度，通常与正应力无关。
细粒土：粘聚力c取决于土粒间的各种物理化学作用力
作用机理：库伦力（静电力）、范德华力、胶结作用力和毛细力等 影响因素：地质历史、粘土颗粒矿物成分、密度与离子浓度。
1 ij 0 0
xy yy zy
0
xz yz zz
0 0 3
z
x
y
2
0
我们称σ1， σ2， σ3为主应力，并假设σ1> σ2>σ3, 主应力的作用面称为主应力面。
30
莫尔应力圆
平面应变条件 z
O
r 2
(z,zx)
• 莫尔-库仑强度理论 • 土体破坏判断方法
• 滑裂面的位置
43
算例分析
【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①该单元土体处于何种状态？②单元 土体最大剪应力出现在哪个面上，是否会沿剪应力最大 的面发生剪破？
12
黄茨滑坡
1983年3月7日发生。总体积约3100万m3。在不到一分钟 内急剧滑动1000m，瞬间摧毁了四个村，死亡220人，重伤22 人，造成毁灭性灾害。
13
2000年西藏易贡巨型滑坡
龙
2210m
2264m
滑坡堆积体 滑坡堆积区
2340m 2165m
τ 无粘性土 粘性 土 内摩擦角
f c tg
f ：土的抗剪强度
粘聚力 cohesion
tg：摩擦强度-正比于压力
：土的内摩擦角 c：粘聚强度-与所受压力无关
c
σ
注意：土的抗剪强度不是常数，与作用面上的法向应力有关。 23
库仑公式:
f c tg
c和是决定土的抗剪强度的两个指标，称为抗剪 强度指标
37
④ 判断一点是否发生剪切破坏
τ
3
方法1
1
c tan
c
相离：未破坏 相割：破坏 相切：破坏
(通过应力调整变成相切)
σ
38
τ
方法2
c tan
1 （ 1 + 3 ） sin + c cos 2
c
3
1
1 （ 1 - 3 ） 2