土抗剪强度(史上最全面)
合集下载
土的抗剪强度史上最全面演示文稿
土的抗剪强度史上最全面演示 文稿
土的抗剪强度：土体抵抗剪切破坏的极限能力
工程实例－地基承载力问题
工程实例－地基承载力问题
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。 原因：地基承载力不
c f 2 f
3
1
f 1290452
cctg 1/2(1 +3 )
max 45
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。因此，土的剪切破坏并不是
由最大剪应力τmax所控制。
5.2 土的剪切试验方法
测 定 土的 抗方 剪法 强 度
直接剪切试验 三轴压缩试验 无侧限抗压强度试验
5.1.4 土的极限平衡条件
强度线
极限应 力圆
应力圆与强度线相离： 应力圆与强度线相切： 应力圆与强度线相割：
τ<τf
τ=τf
τ>τf
弹性平衡状态 极限平衡状态 破坏状态
莫尔－库仑破坏准则
A
c f 2 f
sin
121 3
ccot 121 3
3
1
cctg 1/2(1 +3 )
粘性土： 无粘性土：c=0
粘聚力和有效内摩 擦角，即土的有效 应力强度指标
有效应力原理：土的抗剪强度并不是由剪切面上的法向总
应力决定，而是取决于剪切面上的法向有效应力。
5.3.2 不同排水条件时的剪切试验方法及成果
三轴压缩试验按剪切前的固结程度和剪 切时的排水条件，可以分为三种试验方法：
土的抗剪强度：土体抵抗剪切破坏的极限能力
工程实例－地基承载力问题
工程实例－地基承载力问题
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。 原因：地基承载力不
c f 2 f
3
1
f 1290452
cctg 1/2(1 +3 )
max 45
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。因此，土的剪切破坏并不是
由最大剪应力τmax所控制。
5.2 土的剪切试验方法
测 定 土的 抗方 剪法 强 度
直接剪切试验 三轴压缩试验 无侧限抗压强度试验
5.1.4 土的极限平衡条件
强度线
极限应 力圆
应力圆与强度线相离： 应力圆与强度线相切： 应力圆与强度线相割：
τ<τf
τ=τf
τ>τf
弹性平衡状态 极限平衡状态 破坏状态
莫尔－库仑破坏准则
A
c f 2 f
sin
121 3
ccot 121 3
3
1
cctg 1/2(1 +3 )
粘性土： 无粘性土：c=0
粘聚力和有效内摩 擦角，即土的有效 应力强度指标
有效应力原理：土的抗剪强度并不是由剪切面上的法向总
应力决定，而是取决于剪切面上的法向有效应力。
5.3.2 不同排水条件时的剪切试验方法及成果
三轴压缩试验按剪切前的固结程度和剪 切时的排水条件，可以分为三种试验方法：
第七章土的抗剪强度
年4月4日星期三
c
/kPa
21/32
3.试验步骤
（1）装样 （2）施加周围压力 （3）施加竖向压力 （4）量测轴向应变、体应变（孔隙水压力）
3
3 3 3
试样应力状态
3 3
2013年8月1日星期四2012 年4月4日星期三 22/32
4.三轴试验方法分类
（1）三轴不固结不排水试验（UU试验）---指标cu、u 试样在施加周围压力和随后施加偏应力直至剪坏的整个 过程中都不允许排水，即从开始加压直至试验剪坏，土中的 含水量式中保持不变，孔隙水压力不会消散，会随着轴向应 变的增加逐渐增大。 （2）三轴固结不排水试验（CU试验）------指标ccu、cu 试样在施加周围压力时允许排水固结，随后施加偏应力 直至剪坏过程中不允许排水，在固结过程中孔隙水压力逐渐 消散，剪切过程中会随着轴向应变的增加逐渐增大。 （3）三轴固结不排水试验（CD试验）------指标cd、d 试样在施加周围压力和随后施加偏应力直至剪坏过程中 均允许排水，在固结过程中孔隙水压力逐渐消散，测定剪切 过程中的排水量。
2 (1 3 ) 2 (1 3 )cos 2f 234.2kPa 1 (1 3 )sin 2f 13.8kPa 2
摩尔库伦强度理论： f tan c 134.2kPa
2013年8月1日星期四2012 年4月4日星期三
由于： f 所以，该土体处于极限平衡状态
'33
'1 1
/kPa
饱和粘性土在三组围压下进行固结不排水试验，得到三个 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。 将总应力圆在水平轴上左移uf得到相应的有效应力圆（与 总应力圆直径相等），按有效应力圆强度包线可确定c'、'。
c
/kPa
21/32
3.试验步骤
（1）装样 （2）施加周围压力 （3）施加竖向压力 （4）量测轴向应变、体应变（孔隙水压力）
3
3 3 3
试样应力状态
3 3
2013年8月1日星期四2012 年4月4日星期三 22/32
4.三轴试验方法分类
（1）三轴不固结不排水试验（UU试验）---指标cu、u 试样在施加周围压力和随后施加偏应力直至剪坏的整个 过程中都不允许排水，即从开始加压直至试验剪坏，土中的 含水量式中保持不变，孔隙水压力不会消散，会随着轴向应 变的增加逐渐增大。 （2）三轴固结不排水试验（CU试验）------指标ccu、cu 试样在施加周围压力时允许排水固结，随后施加偏应力 直至剪坏过程中不允许排水，在固结过程中孔隙水压力逐渐 消散，剪切过程中会随着轴向应变的增加逐渐增大。 （3）三轴固结不排水试验（CD试验）------指标cd、d 试样在施加周围压力和随后施加偏应力直至剪坏过程中 均允许排水，在固结过程中孔隙水压力逐渐消散，测定剪切 过程中的排水量。
2 (1 3 ) 2 (1 3 )cos 2f 234.2kPa 1 (1 3 )sin 2f 13.8kPa 2
摩尔库伦强度理论： f tan c 134.2kPa
2013年8月1日星期四2012 年4月4日星期三
由于： f 所以，该土体处于极限平衡状态
'33
'1 1
/kPa
饱和粘性土在三组围压下进行固结不排水试验，得到三个 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。 将总应力圆在水平轴上左移uf得到相应的有效应力圆（与 总应力圆直径相等），按有效应力圆强度包线可确定c'、'。
土力学5土抗碱强度
(目前判别土体所处状态的最常用准则)
无粘性土：c=0
sin
1 2
1
3
c cot
1 2
1
3
1
3
tan2 45o
2
2c tan 45o
2
3
1
tan2 45o
2
2c tan 45o
2
1
3
tan2 45o
2
3
1
tan
2
45，破坏面与大主应力作
用面的夹角为 f
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。
=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？
解:
1.计算法 在剪切面上
f
1 90
2
45
2
55
1 2
1
3
1 2
1
3 cos 2
f
275.7kPa
1 2
1
3 sin
2 f
108.1kPa
库仑定律 f tan c 115.3kPa
M1
2
D 2
4
f
2 3
D 2
M2
DH f
D 2
f
2M max
无粘性土：c=0
sin
1 2
1
3
c cot
1 2
1
3
1
3
tan2 45o
2
2c tan 45o
2
3
1
tan2 45o
2
2c tan 45o
2
1
3
tan2 45o
2
3
1
tan
2
45，破坏面与大主应力作
用面的夹角为 f
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。
=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？
解:
1.计算法 在剪切面上
f
1 90
2
45
2
55
1 2
1
3
1 2
1
3 cos 2
f
275.7kPa
1 2
1
3 sin
2 f
108.1kPa
库仑定律 f tan c 115.3kPa
M1
2
D 2
4
f
2 3
D 2
M2
DH f
D 2
f
2M max
土力学课件第五章土的抗剪强度
岩土工程研究所
第五章 土的抗剪强度
②也可由式（5－9）计算达到极限平衡条件时所需要得大主应 力值为σ1f，此时把实际存在的大主应力σ3 =480kPa及强度指标c ，φ代入公式（5－8）中，则得
由计算结果表明， σ3＜σ3f , σ1 ＞σ1f ，所以该单元土体早已 破坏。
岩土工程研究所
第五章 土的抗剪强度
注意：给定大主应力时，小主应力越小，越接近破坏； 给定小主应力时，大主应力越大，越接近破坏；
岩土工程研究所
第五章 土的抗剪强度
【例题5－2】已知某土体单元的大主应力σ1＝480kPa，小主应力σ3 ＝210kPa。通过试验测得土的抗剪强度指标c=20kPa，φ＝18°， 问该单元土体处于什么状态？ 【解】已知σ1＝480kPa，σ3＝210kPa ，c=20kPa，
岩土工程研究所
第五章 土的抗剪强度
三轴试验步骤：
轴向附加应力q(kPa)
300 250 200 150 100
50 0 0
100kPa 300kPa
200kPa 400kPa
5
10
ห้องสมุดไป่ตู้15
20
轴向应变(%)
岩土工程研究所
第五章 土的抗剪强度
轴向附加应力q(kPa) 孔隙水应力u(kPa)
三轴试验步骤：
上式也可适用于有效应力，相应c，φ应该用c’，φ’。
3f
1f
tg
2
(45
2
)
2c
•
tg
(45
2
)
1f
3f
tg
2
(45
2
)
2c
•
tg(45
2
)
岩土工程研究所
第五章 土的抗剪强度
②也可由式（5－9）计算达到极限平衡条件时所需要得大主应 力值为σ1f，此时把实际存在的大主应力σ3 =480kPa及强度指标c ，φ代入公式（5－8）中，则得
由计算结果表明， σ3＜σ3f , σ1 ＞σ1f ，所以该单元土体早已 破坏。
岩土工程研究所
第五章 土的抗剪强度
注意：给定大主应力时，小主应力越小，越接近破坏； 给定小主应力时，大主应力越大，越接近破坏；
岩土工程研究所
第五章 土的抗剪强度
【例题5－2】已知某土体单元的大主应力σ1＝480kPa，小主应力σ3 ＝210kPa。通过试验测得土的抗剪强度指标c=20kPa，φ＝18°， 问该单元土体处于什么状态？ 【解】已知σ1＝480kPa，σ3＝210kPa ，c=20kPa，
岩土工程研究所
第五章 土的抗剪强度
三轴试验步骤：
轴向附加应力q(kPa)
300 250 200 150 100
50 0 0
100kPa 300kPa
200kPa 400kPa
5
10
ห้องสมุดไป่ตู้15
20
轴向应变(%)
岩土工程研究所
第五章 土的抗剪强度
轴向附加应力q(kPa) 孔隙水应力u(kPa)
三轴试验步骤：
上式也可适用于有效应力，相应c，φ应该用c’，φ’。
3f
1f
tg
2
(45
2
)
2c
•
tg
(45
2
)
1f
3f
tg
2
(45
2
)
2c
•
tg(45
2
)
岩土工程研究所
第5章土的抗剪强度
f c tan
A
如果 σ1 <σ1f ：不破坏； 如果 σ1 ≥σ1f ：破坏。
f c tan
A
3 3f 3
1 1
3 1
1f
1
【例题1】已知某土体单元的大主应力σ1＝480kPa，小主应力σ3＝ 210kPa。通过试验测得土的抗剪强度指标c=20kPa，φ＝18°，问该 单元土体处于什么状态？
现场试验：十字板剪切试验、现场大型直剪试验
影响土抗剪强度指标的因素 土的种类 土样的天然结构是否被扰动 应力状态和应力历史 排水条件（室内试验时的一个需要考虑的最重要影响因 素）
室内直剪仪
室内直剪仪
三轴仪
三轴仪
无恻限压缩仪
抗剪强度理论的发展
本科只介绍的部分
（1）经典强度理论(Mohr- Coulomb强度理论)
n 1
3
m
1 (ds cos ) ( cos ) ds ( sin ) ds 0
求得
1 2
(1
3)
1 2
(1
3) cos 2
1 2
(1
3)sin 2
1
2
2
2
2
1
3
2
2
ds
3 ds sin
1 ds cos
2、莫尔应力圆
正应力：压为正，拉为负； 剪应力：逆时针为正，顺时针为负。
1、不能用于反映土体的抗拉强度及破坏特性； 2、不能反映高压下土体的强度及破坏特性； 3、不能反映土体强度及破坏的中间主应力效应。
(a) 红砂岩
(b) 花岗岩
(c)破坏面方向
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 Drucker-Prager强度准则 其它
A
如果 σ1 <σ1f ：不破坏； 如果 σ1 ≥σ1f ：破坏。
f c tan
A
3 3f 3
1 1
3 1
1f
1
【例题1】已知某土体单元的大主应力σ1＝480kPa，小主应力σ3＝ 210kPa。通过试验测得土的抗剪强度指标c=20kPa，φ＝18°，问该 单元土体处于什么状态？
现场试验：十字板剪切试验、现场大型直剪试验
影响土抗剪强度指标的因素 土的种类 土样的天然结构是否被扰动 应力状态和应力历史 排水条件（室内试验时的一个需要考虑的最重要影响因 素）
室内直剪仪
室内直剪仪
三轴仪
三轴仪
无恻限压缩仪
抗剪强度理论的发展
本科只介绍的部分
（1）经典强度理论(Mohr- Coulomb强度理论)
n 1
3
m
1 (ds cos ) ( cos ) ds ( sin ) ds 0
求得
1 2
(1
3)
1 2
(1
3) cos 2
1 2
(1
3)sin 2
1
2
2
2
2
1
3
2
2
ds
3 ds sin
1 ds cos
2、莫尔应力圆
正应力：压为正，拉为负； 剪应力：逆时针为正，顺时针为负。
1、不能用于反映土体的抗拉强度及破坏特性； 2、不能反映高压下土体的强度及破坏特性； 3、不能反映土体强度及破坏的中间主应力效应。
(a) 红砂岩
(b) 花岗岩
(c)破坏面方向
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 Drucker-Prager强度准则 其它
土的抗剪强度
判定方法:
【例】已知某点σ1=420Kpa, σ3=180Kpa, c=18Kpa, φ=20° 问:1、该点破坏否？
2、是否沿剪应力最大面破坏？
解1、A
1极
3tg（2 45
）
2
2c tg(45
) 2
180tg（2 45 20） 2 18tg(45 20 ) 419Kpa
2
2
1实 420Kpa 1极 419Kpa
该点已破坏(处于剪破状态)
B
3极
420tg（2 45
20） 2 18tg(45 2
20 ) 2
180.7Kpa
3实 180Kpa 3极 180.7Kpa
该点已破坏(处于剪破状态)
解2、
max
1 2
(
1
3)
1 (420 180) 120Kpa 2
土中一点的极限平衡方程式
1 f
3tg
2
45
2
2c
tg
45
2
3f
1tg
2
45
2
2c
tg
45
2
（7-9） （7-10）
1 3
2
f c tan
c
O
3
c ctg 1 3
2
1f
第7章 土的抗剪强度 §7.2土的抗剪强度理论 7.2.2 莫尔库仑强度理论及极限平衡条件
土中一点的极限平衡方程式
• 快剪(q)
quick shear
• 固结快剪(cq) consolidated quick shear
• 慢剪(s)
slow shear
第7章 土的抗剪强度 §7.3 土的抗剪强度试验 7.3.1 直接剪切试验
土力学-5-土的抗剪强度
大阪的港口码头档土墙由于液化前倾
§5 土的抗剪强度 §5.1土的抗剪强度概述
二、工程中土体的破坏类型 1. 挡土结构物的破坏
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。
§5 土的抗剪强度 §5.1土的抗剪强度概述
二、工程中土体的破坏类型
1. 挡土结构物的破坏
滑裂面
四、摩尔-库仑强度理论
4. 莫尔—库仑强度理论 莫尔-库仑强度理论表达式－极限平衡条件
1 f
3tg
2
45
2
2c
tg
45
2
3f
1tg
2
45
2
2c
tg
45
2
1 3
2
f c tan
c
O
3f
c ctg 1 3
2
1f
§5 土的抗剪强度 §5.1土的抗剪强度概述
四、摩尔-库仑强度理论
P
1. 直剪试验
zx z
A
S T
x
xz
圆心：判断R破坏 可x 能性z
2
半径：
r
x
z
2
2
x2z
1 f
3tg
2
45
2
2c
tg
45
2
c
O
3
1 1f 1
§5 土的抗剪强度 §5.1土的抗剪强度概述
四、摩尔-库仑强度理论
5. 破坏判断方法
判别对象：土体微小单元（一点）
1= 常数：
1,3
x
z 2
x
2
z
2
4
2 xz
根据应力状态计算出 大小主应力σ1、σ3
§5 土的抗剪强度 §5.1土的抗剪强度概述
二、工程中土体的破坏类型 1. 挡土结构物的破坏
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。
§5 土的抗剪强度 §5.1土的抗剪强度概述
二、工程中土体的破坏类型
1. 挡土结构物的破坏
滑裂面
四、摩尔-库仑强度理论
4. 莫尔—库仑强度理论 莫尔-库仑强度理论表达式－极限平衡条件
1 f
3tg
2
45
2
2c
tg
45
2
3f
1tg
2
45
2
2c
tg
45
2
1 3
2
f c tan
c
O
3f
c ctg 1 3
2
1f
§5 土的抗剪强度 §5.1土的抗剪强度概述
四、摩尔-库仑强度理论
P
1. 直剪试验
zx z
A
S T
x
xz
圆心：判断R破坏 可x 能性z
2
半径：
r
x
z
2
2
x2z
1 f
3tg
2
45
2
2c
tg
45
2
c
O
3
1 1f 1
§5 土的抗剪强度 §5.1土的抗剪强度概述
四、摩尔-库仑强度理论
5. 破坏判断方法
判别对象：土体微小单元（一点）
1= 常数：
1,3
x
z 2
x
2
z
2
4
2 xz
根据应力状态计算出 大小主应力σ1、σ3
第六章-土的抗剪强度
力 ➢ 1、不固结不排水试验（UU）
➢ 2、固结不排水试验（CU）
学 ➢ 3、固结排水试验（CD）
三轴压缩实验优缺点
土 ➢ 优点：
（1）可严格控制排水条件
力 （2）可量测孔隙水压力 （3）破裂面在最软弱处 ➢ 缺点：
学 （1）2=3，轴对称 （2）实验比较复杂
三、真三轴试验
土 力 学
四、无侧限抗压强度试验
力
f
cu
1 2
1
3
13 1uf 3uf 13
学 在不排水条件土 下体 ，孔 饱隙 和水压 B力 1，系改数变周
压力增量只会水 引压 起力 孔的 隙变化引 ，起 而土 不体 会 有效应力的变样 化在 ，剪 各切 试破坏应 前力 的相 有等 效 以抗剪强度不变。
二、固结不排水抗剪强度
0点说明未受任何固结压力的土，它不具有抗
学 ③土单元体的任何一个面上τ=τf时，就会发生剪 切破坏。此时土单元体的应力状态满足极限平 衡条件。
四 极限平衡条件的应用
土 已知土内一点M的主应力σ1m和σ3m ,以及土的内 摩擦角C、φ，可以判断该点土体是否破坏。
对于无粘性土
力1
m
sin
1 1 m 1m
3m 3m
m
学
＞
m
m
＜
m
莫尔应力圆的
半径
1 2
1
3
圆心：
(1 2
1
3
,0 )
土
A
I. II. III.
c
力
莫尔圆与抗剪强度之间的关系
抗剪强度包线与莫尔应力圆之间的关系有三种：
学 •（1）整个莫尔圆位于抗剪强度包线的下方 •（2）莫尔圆与抗剪强度包线相切（切点为A） •（3）莫尔圆与抗剪强度包线相割
➢ 2、固结不排水试验（CU）
学 ➢ 3、固结排水试验（CD）
三轴压缩实验优缺点
土 ➢ 优点：
（1）可严格控制排水条件
力 （2）可量测孔隙水压力 （3）破裂面在最软弱处 ➢ 缺点：
学 （1）2=3，轴对称 （2）实验比较复杂
三、真三轴试验
土 力 学
四、无侧限抗压强度试验
力
f
cu
1 2
1
3
13 1uf 3uf 13
学 在不排水条件土 下体 ，孔 饱隙 和水压 B力 1，系改数变周
压力增量只会水 引压 起力 孔的 隙变化引 ，起 而土 不体 会 有效应力的变样 化在 ，剪 各切 试破坏应 前力 的相 有等 效 以抗剪强度不变。
二、固结不排水抗剪强度
0点说明未受任何固结压力的土，它不具有抗
学 ③土单元体的任何一个面上τ=τf时，就会发生剪 切破坏。此时土单元体的应力状态满足极限平 衡条件。
四 极限平衡条件的应用
土 已知土内一点M的主应力σ1m和σ3m ,以及土的内 摩擦角C、φ，可以判断该点土体是否破坏。
对于无粘性土
力1
m
sin
1 1 m 1m
3m 3m
m
学
＞
m
m
＜
m
莫尔应力圆的
半径
1 2
1
3
圆心：
(1 2
1
3
,0 )
土
A
I. II. III.
c
力
莫尔圆与抗剪强度之间的关系
抗剪强度包线与莫尔应力圆之间的关系有三种：
学 •（1）整个莫尔圆位于抗剪强度包线的下方 •（2）莫尔圆与抗剪强度包线相切（切点为A） •（3）莫尔圆与抗剪强度包线相割
第六章土的抗剪强度
【内容回顾】 建筑地基必须满足的两个条件？
2、土压力问题 是土作为工程构筑物环境的安全性问题。挡土墙、地下结构等 的周围土体，它的强度破坏将造成对墙体过大的侧向土压力， 以至可能导致这些工程构筑物发生滑动、倾覆等破坏事故。
3、地基承载力问题 是土作为建筑物地基，如果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，将会造成上部结 构的破坏或影响其正常使用功能。
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。
二、工程实践中与土的抗剪强度有关的 工程问题
工程实践中与土的抗剪强度有关的工程主要有以下3类：
1、稳定性问题；
2、土压力问题；
3、地基的承载力问题。
1、稳定性问题 是以土作为建造材料的土工构筑物的稳定性问题。如土坝、 路堤等填方边坡、天然土坡等的稳定性。
第六章 土的抗剪强度
主要内容
4.1 概述 4.2 土的极限平衡条件 4.3 抗剪强度指标的确定 4.4 影响抗剪强度指标的因素 4.5 地基地临塑荷载和临界荷载 4.6 地基的极限荷载
4.1 概述
一、土的抗剪强度 (shear strength)
指土体对于外荷载的抗剪强度。
《土力学》土的抗剪强度共63页文档
《土力学》土的抗剪强度
6、法律的基础有两个，而且只有两个……公平和实用。——伯克 7、有两种和平的暴力，那就是法律和礼节。——歌德
8、法律就是秩序，有好的法律才有好的秩序。——亚里士多德 9、上帝把法律和公平凑合在一起，可是人类却把它拆开。——查·科尔顿 10、一切法律都是无用的，因为好人用不着它们，而坏人又不会因为它们而加强。 ——德 谟克利 特 67、今天应做的事没有做，明天再早也 是耽误 了。——裴斯 泰洛齐 68、决定一个人的一生，以及整个命运 的，只 是一瞬 之间。 ——歌 德 69、懒人无法享受休息之乐。——拉布 克 70、浪费时间是一桩大罪过。——卢梭
6、法律的基础有两个，而且只有两个……公平和实用。——伯克 7、有两种和平的暴力，那就是法律和礼节。——歌德
8、法律就是秩序，有好的法律才有好的秩序。——亚里士多德 9、上帝把法律和公平凑合在一起，可是人类却把它拆开。——查·科尔顿 10、一切法律都是无用的，因为好人用不着它们，而坏人又不会因为它们而加强。 ——德 谟克利 特 67、今天应做的事没有做，明天再早也 是耽误 了。——裴斯 泰洛齐 68、决定一个人的一生，以及整个命运 的，只 是一瞬 之间。 ——歌 德 69、懒人无法享受休息之乐。——拉布 克 70、浪费时间是一桩大罪过。——卢梭
土力学与地基基础——土的抗剪强度
二、三轴压缩试验 三轴压缩试验是测定土抗剪强度的—种较为完善的 方法。三轴压缩仪由压力室、轴向加荷系统、施加周围 压力系统、孔隙水压力量测系统等组成，如图3-8所示
常规试验方法的主要步骤如下：将土切成圆柱体套
在橡胶膜内，放在密封的压力室中，然后向压力室内压入
水，使试件在各向受到周围压力 3 ，并使液压在整个试
3—2 库伦公式和莫尔—库伦强度理论 一、库伦公式 1776年C．A．库伦(Coulomb)根据砂土的试验，将 土的抗剪强度表达为滑动面上法向总应力的函数，即
f tan
以后又提出了适合 粘性土的更普遍的形式
f c tan
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。
长期的试验研究指出，土的抗剪强度不仅与土的性质
有关，还与试验时的排水条件、 剪切速率、应力状态和
应力历史等许多因素有关，其中最重要的是试验时的排水
条件，根据K．太沙基(Terzaghi)的有效应力概念，土体
无侧限抗压强度试验所得的极限应力圆的水平切线就是破坏包线， 由图3—10(b)得
f
cu
qu 2
四、十字板剪切试验
室内的抗剪强度测试要求取得原状土样，但由于试
样在采取、运送、保存和制备等方不可避免地受到扰动，
含水量也很难保持，特别是对于高灵敏度的软粘土，室内
试验结果的精度就受到影响。因此，发展就地测定土的性
常规试验方法的主要步骤如下：将土切成圆柱体套
在橡胶膜内，放在密封的压力室中，然后向压力室内压入
水，使试件在各向受到周围压力 3 ，并使液压在整个试
3—2 库伦公式和莫尔—库伦强度理论 一、库伦公式 1776年C．A．库伦(Coulomb)根据砂土的试验，将 土的抗剪强度表达为滑动面上法向总应力的函数，即
f tan
以后又提出了适合 粘性土的更普遍的形式
f c tan
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。
长期的试验研究指出，土的抗剪强度不仅与土的性质
有关，还与试验时的排水条件、 剪切速率、应力状态和
应力历史等许多因素有关，其中最重要的是试验时的排水
条件，根据K．太沙基(Terzaghi)的有效应力概念，土体
无侧限抗压强度试验所得的极限应力圆的水平切线就是破坏包线， 由图3—10(b)得
f
cu
qu 2
四、十字板剪切试验
室内的抗剪强度测试要求取得原状土样，但由于试
样在采取、运送、保存和制备等方不可避免地受到扰动，
含水量也很难保持，特别是对于高灵敏度的软粘土，室内
试验结果的精度就受到影响。因此，发展就地测定土的性
第5章 土的抗剪强度
第五章 土的抗剪强度
一、概述
土的抗剪强度：是指土体对于外荷载所产生的剪应力的极 限抵抗能力。 土体强度破坏的机理： 在外荷载引起的剪应力或剪应变超 过土体的抗剪强度，导致土体沿着剪应 力作用方向产生相对滑动－剪切破坏。
工程背景
p
滑裂面
边坡
滑裂面
挡土墙
p
滑裂面
地基
工程中土的破坏形式主要表现为滑动破坏面— 剪切破坏
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
c max
2 f
A
3
f
1
1 f 90 45 2 2
cctg 1/2(1 +3 )
三、 土的剪切试验方法
1. 直接剪切试验 试验仪器：直剪仪（应力控制式，应变控制式）
P
试样内的 变形分布
2. 三轴压缩试验
仪器设备：压力室，加压系统，量测系统等组成。 轴向加压杆 顶帽 有机玻璃罩
试 样
压力室
透水石 排水管
阀门
橡皮膜 压力水 进水管
△
试验加载的基本步骤: 1.施加周围压力 2.施加竖向压力 三轴试验的强度包线
3 3 3 3 △
3 3
分别作围压为100 kPa 、200 kPa， 得到破坏时相应的（1-)f 绘制两个破坏状态的应力摩尔圆， 画出它们的公切线，即强度包线
不同试验方法的剪切试验结果
（1）不固结不排水剪（UU）
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作用下破坏时的总应力圆
结 不 排 水 剪 的 剪 切 试 验 结 果
cu
一、概述
土的抗剪强度：是指土体对于外荷载所产生的剪应力的极 限抵抗能力。 土体强度破坏的机理： 在外荷载引起的剪应力或剪应变超 过土体的抗剪强度，导致土体沿着剪应 力作用方向产生相对滑动－剪切破坏。
工程背景
p
滑裂面
边坡
滑裂面
挡土墙
p
滑裂面
地基
工程中土的破坏形式主要表现为滑动破坏面— 剪切破坏
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
c max
2 f
A
3
f
1
1 f 90 45 2 2
cctg 1/2(1 +3 )
三、 土的剪切试验方法
1. 直接剪切试验 试验仪器：直剪仪（应力控制式，应变控制式）
P
试样内的 变形分布
2. 三轴压缩试验
仪器设备：压力室，加压系统，量测系统等组成。 轴向加压杆 顶帽 有机玻璃罩
试 样
压力室
透水石 排水管
阀门
橡皮膜 压力水 进水管
△
试验加载的基本步骤: 1.施加周围压力 2.施加竖向压力 三轴试验的强度包线
3 3 3 3 △
3 3
分别作围压为100 kPa 、200 kPa， 得到破坏时相应的（1-)f 绘制两个破坏状态的应力摩尔圆， 画出它们的公切线，即强度包线
不同试验方法的剪切试验结果
（1）不固结不排水剪（UU）
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作用下破坏时的总应力圆
结 不 排 水 剪 的 剪 切 试 验 结 果
cu
土的抗剪强度汇总
第七章 土的抗剪强度第一节 概述建筑物由于土的原因引起的事故中，一部分是沉降过大，或是差异沉降过大造成的；另一方面是由于土体的强度破坏而引起的。
对于土工建筑物（如：路堤、土坝等）来说，主要是后一个原因。
从事故的灾害性来说，强度问题比沉降问题要严重的多。
而土体的破坏通常都是剪切破坏；研究土的强度特性，就是研究土的抗剪强度特性。
①土的抗剪强度（τf ）：是指土体抵抗抗剪切破坏的极限能力，其数值等于剪切破坏时滑动的剪应力。
②剪切面（剪切带）：土体剪切破坏是沿某一面发生与剪切方向一致的相对位移，这个面通常称为剪切面。
其物理意义：可以认为是由颗粒间的内摩阻力以及由胶结物和束缚水膜的分子引力所造成的粘聚力所组成。
无粘性土一般无连结，抗剪强度主要是由颗粒间的摩擦力组成，这与粒度、密实度和含水情况有关。
粘性土颗粒间的连结比较复杂，连结强度起主要作用，粘性突的抗剪强度主要与连结有关。
决定土的抗剪强度因素很多，主要为：土体本身的性质，土的组成、状态和结构；而这些性质又与它形成环境和应力历史等因素有关；此外，还决定于它当前所受的应力状态。
土的抗剪强度主要依靠室内经验和原位测试确定，试验中，仪器的种类和试验方法以及模拟土剪切破坏时的应力和工作条件好坏，对确定强度值有很大的影响。
第二节 抗剪强度的基本理论一、库仑定律（剪切定律） 1773年 法国学者在法向应力变化范围不大时，抗剪强度与法向应力的关系近似为一条直线，这就是抗剪强度的库仑定律。
无粘性土：φστtg f ⋅= 粘性土：φστtg f ⋅=+c式中：f τ：土的抗剪强度，Kpa ；σ：剪切面的法向压力，Kpa ；φtg ：土的内摩擦系数；υ：土的内摩擦角，度； c ：土的内聚力，Kpa 。
σφtg ：内摩擦力。
库仑定律说明：（1）土的抗剪强度由土的内摩擦力σφtg 和内聚力c 两部分组成。
（2）内摩擦力与剪切面上的法向应力成正比，其比值为土的内摩擦系数φtg 。
土的抗剪强度
第5章土的抗剪强度5.1概述土的抗剪强度是指土体对于外荷载所产生的剪应力的极限抵抗能力。
当土中某点由外力所产生的剪应力达到土的抗剪强度时,土体就会发生一部分相对于另一部分的移动，该点便发生了剪切破坏。
工程实践和室内试验都验证了建筑物地基和土工建筑物的破坏绝大多数属于剪切破。
例如堤坝、路堤边坡的坍滑(图5.1a)，挡土墙墙后填土失稳(图5.1b)建筑物地基的失稳(图 5.1c)，都是由于沿某一些面上的剪应力超过土的抗剪强度所造成。
因此土的抗剪强度是决定地基或土工建筑物稳定性的关键因素。
所以研究土的抗剪强度的规律对于工程设计、施工和管理都具有非常重要的理论和实际意义。
由于土的抗剪强度是岩土的重要力学性质之一，本章主要讲述叙述土抗剪强度的基本概念、土地抗剪强度的基本理论、土的抗剪强度的试验方法及土的抗剪强度指标的应用。
5.2土的抗剪强度的基本理论5.2.1直剪试验土的抗剪强度可以通过室内试验与现场试验测定。
直剪试验是其中最基本的室内试验方法。
直剪试验使用的仪器称直剪仪。
按加荷方式分为应变式和应力式两类。
前者是以等速推动剪切盒使土样受剪，后者则是分级施加水平剪力于剪力盒使土样受剪。
目前我国普遍应用的是应变式直剪仪如图5.2所示。
试验开始前将金属上盒和下盒的内圆腔对正，把试样置于上下盒之间。
通过传压板和滚珠对土样先施加垂直法向应力σ=p/F(F-土样的截面积)，然后再施加水平剪力T，使土样沿上下盒水平接触面发生剪切位移直至破坏。
在剪切过程中，隔固定时间间隔，测读相应的剪变形，求出施加于试样截面的剪应力值。
于是即可绘制在一定法应力条件下，土样剪变形λ与剪应力τ的对应关系(图5.3a)。
τf。
同一种土的几个不同土样分别施加不同的垂直法向应力σ做直剪试验都可得到相应的剪应力-剪切位移曲线(图5.3a)，根据这些曲线求出相应于不同的法向应力σ试样剪坏时剪切面上的剪应力τf。
在直角坐标σ-τ关系图中可以作出破坏剪应力的连线(图5.3b)。
相关主题
- 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)。
加拿大特朗斯土康的抗谷剪强仓度(史上最全面)
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。 原因：地基承载力不 够，超载引发强度破 坏而产生滑动。
:土的内摩擦角
抗剪强度指标
f
c
土的抗剪强度(史上最全面)
土的抗剪强度一般可分为两部分：一部分 与颗粒间的法向应力有关，通常呈正比例关 系，其本质是摩擦力；另一部分是与法向应 力无关的土粒之间的粘结力，通常称为粘聚 力。
土的抗剪强度(史上最全面)
土 的影 抗响 剪因 强素 度
颗粒间的有效法向应力 内在因素
土的抗剪强度(史上最全面)
在直剪试验过程中，根据加荷速率的快慢可将试验 划分为: • 快剪 • 固结快剪 • 慢剪
土的抗剪强度(史上最全面)
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： ①剪切破坏面固定，且不一定是土样的最薄弱面。 ②不能严格控制排水条件，不能量测土样的孔隙水
土的抗剪强度(史上最全面)
无粘性土的极限平衡条件
σ1= σ3tg2(45+φ/2) σ3= σ1tg2(45－φ/2)
土的抗剪强度(史上最全面)
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＝
(45
2
)
A
max
c f 2 f
3
1
f 1 290452
cctg 1/2(1 +3 )
莫尔－库仑破坏准则
A
c f 2 f
sin
121 3 ccot 121 3
3
1
cctg 1/2(1 +3 )
粘性土： 无粘性土：c=0
1 3ta 2 4 no5 2 2 cta 4 n o5 2 31ta 2 4 no5 2 2 cta 4 n o5 2
土的孔隙比 外在因素：试验时的排水条件等因素
土的抗剪强度(史上最全面)
土 的表 抗达 剪方 强法 度
总应力法：总应力强度指标 u
有效应力法：有效应力强度指标u
土的抗剪强度(史上最全面)
5.1.2 莫尔-库伦强度理论
f
c
莫尔包线
莫尔包线表示材料在不同应力作用下达到
极限状态时，滑动面上法向应力与剪应力 f 的关系。
压力。 ③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。
土的抗剪强度(史上最全面)
5.2.2 三轴压缩试验
一、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3～4 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。
抗剪强度包线
c
土的抗剪强度(史上最全面)
1 3tan245o2
土的抗3剪强度(1史t上a最n2全面4) 5o2
τ＝τf
τ
极限平衡条件
f ctg
莫尔－库仑破坏准则
D
A
B
O
σ
剪切破坏面
土的抗剪强度(史上最全面)
极限应力圆 破坏应力圆
粘性土的极限平衡条件
σ1= σ3tg2(45+φ/2)＋2ctg (45+φ/2) σ3= σ1tg2(45－φ/2)－2ctg (45－φ/2)
5、土的抗剪强度
5.1 土的抗剪强度与极限平衡原理 5.2 土的剪切试验方法 5.3 不同排水条件时的剪切试验成果 5.4 地基破坏型式和地基承载力
土的抗剪强度(史上最全面)
土的抗剪强度：土体抵抗剪切破坏的极限能力
土的抗剪强度(史上最全面)
工程实例－地基承载力问题
土的抗剪强度(史上最全面)
工程实例－地基承载力问题
max 45
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。因此，土的剪切破坏并不是由
最大剪应力τmax所控制。
土的抗剪强度(史上最全面)
5.2 土的剪切试验方法
测 定 土的 抗方 剪法 强 度
ห้องสมุดไป่ตู้
直接剪切试验 三轴压缩试验 无侧限抗压强度试验
现场十字板剪切仪
土的抗剪强度(史上最全面)
3
1
莫尔圆可以表示土体中一点的应力状态， 莫尔圆圆周上各点的坐标就表示该点在相 应平面上的正应力和剪应力。
土的抗剪强度(史上最全面)
5.1.4 土的极限平衡条件
强度线
极限应 力圆
应力圆与强度线相离： τ<τf
应力圆与强度线相切： τ=τf
应力圆与强度线相土的割抗剪：强度(史上τ最全>面τ) f
弹性平衡状态 极限平衡状态 破坏状态
工程实例－地基承载力问题
土的抗剪强度(史上最全面)
工程实例－地基承载力问题
近代世界上最严重 的建筑物破坏之一
1940年水泥仓库装 载水泥，使粘性土 超载，引起地基土 剪切破坏而滑动。
倾斜45度，地基土 被挤出达5.18米， 23米外的办公楼也 发生倾斜。
美国纽约某水土泥的抗仓剪强库度(史上最全面)
5.2.1 直接剪切试验
试验仪器：直剪仪（应变控制式，应力控制式）
土的抗剪强度(史上最全面)
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。
土的抗剪强度(史上最全面)
土的抗剪强度(史上最全面)
剪切容器与应力环 土的抗剪强度(史上最全面)
5.1 土的抗剪强度与极限平衡原理
5.1.1 库仑定律
1776年，库仑根据砂土剪切试验得出
f 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
f tan
后来，根据粘性土剪切试验得出
f
f tanc
c
粘土
土的抗剪强度(史上最全面)
库伦公式 f c tg (无粘性土：c=0)
c:土的粘聚力
土的抗剪强度(史上最全面)
土的抗剪强度(史上最全面)
在不同的垂直压力下进行剪切试验，得相应的抗剪 强度τf，绘制τf - 曲线，得该土的抗剪强度包线
P A
f T A
土的抗剪强度(史上最全面)
在法向应力作用下，剪应力与剪切位移关系曲线。
剪应力（kPa)
a
b
1
2
4m m
剪切位移△l (0.01mm)
土的抗剪强度(史上最全面)
5.1.3 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） 1
3
3
斜面上的应力
3
1
1
1 2131 213co 2s
土的抗剪强度(史上1 2最全面1) 3 sin2
A(, )
土中某点的应 力状态可用莫 尔应力圆描述
2
O 3 1/2(1 +3 ) 1