土质学与土力学第七章土的抗剪强度

一. 直剪试验
P
S
T
A
O
n
K0n
P
S
T
A
一. 直剪试验
设备简单，操作方便 结果便于整理 测试时间短
优点
试样应力状态复杂 应变不均匀 不能控制排水条件 剪切面固定
缺点
一. 直剪试验
P
S
T
A
类似试验： 环剪试验 单剪试验
试样
压力室
压力水
排水管
阀门
轴向加压杆
有机玻璃罩
橡皮膜
透水石
顶帽
二. 三轴压缩（剪切）试验
二、工程中土体的破坏类型
土压力 边坡稳定 地基承载力
挡土结构物破坏 各种类型的滑坡 地基的破坏
核心
二、工程中土体的破坏类型
7.2 土的抗剪强度理论
库仑公式
01
应力状态与摩尔圆
02
极限平衡应力状态
03
摩尔-库仑强度理论
04
破坏判断方法
05
滑裂面的位置
06
P
S
T
A
c 粘聚力 内摩擦角
f ： 土的抗剪强度 tg： 摩擦强度-正比于压力 c： 粘聚强度-与所受压力无关
粘聚强度机理 静电引力（库仑力） 范德华力 颗粒间胶结 假粘聚力（毛细力等）
粘聚强度影响因素 地质历史 粘土颗粒矿物成分 密度 离子价与离子浓度
-
-
-
-
+
2. 凝聚强度
通过控制剪切速率来近似模拟排水条件
1. （固结）慢剪： 施加正应力-充分固结 慢慢施加剪应力-小于 0.02mm/分，以保证无超静孔压 2. 固结快剪 施加正应力-充分固结 在3-5分钟内剪切破坏 3. 快剪 施加正应力后立即剪切， 3-5分钟内剪切破坏
土的抗剪强度
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1
土工结构物或地基
2
土
3
渗透问题 变形问题 强度问题
4
渗透特性 变形特性 强度特性
7 土的抗剪强度
7.1 概述
7.2 土的抗剪强度理论 7.3 土的抗剪强度试验 7.4 三轴压缩试验中的孔隙压力系数 7.5 饱和粘性土的土的抗剪强度 7.6 应力路径与破坏主应力线简介
2.各种类型的滑坡
龙观嘴
黄崖沟
乌江
03
工程中土体的破坏类型 2000年西藏易贡巨型滑坡
04
高程（m）
滑距（m）
5530
2200
4000
扎 木 弄 沟
滑坡堆积体
0
8000
4000
2000
6000
立面示意图
坡高 3330 m 堆积体宽 约2500m 总方量 约3亿方
2. 各种类型的滑坡
固结排水试验（CD试验） 1 打开排水阀门，施加围压后充分固结，超静孔隙水压力完全消散； 2 打开排水阀门，慢慢施加轴向应力差以便充分排水，避免产生超静孔压
固结不排水试验（CU试验） 1 打开排水阀门，施加围压后充分固结，超静孔隙水压力完全消散； 2 关闭排水阀门，很快剪切破坏，在施加轴向应力差过程中不排水
二、工程中土体的破坏类型
§7.1 土的抗剪强度概述
7.1 土的抗剪强度概述
平移滑动
01
各种类型的滑坡
02
崩塌
03
旋转滑动
04
流滑
05
工程中土体的破坏类型
06
乌江武隆县兴顺乡鸡冠岭山体崩塌
2. 各种类型的滑坡
二、工程中土体的破坏类型
1994年4月30日 崩塌体积400万方 10万方进入乌江 死4人，伤5人，失踪12人 击沉拖轮、驳轮各一艘，渔船2只 1994年7月2-3日降雨引起再次滑坡 崩塌体巨大石块滚入江内，无法通航 滑坡体崩入乌江近百万方；江水位差数米。
1.试样应力特点与试验方法：
强度包线
(1-)f
c
(1-)f
1
1- 3
1 =15%
分别作围压为100 kPa 、200 kPa 、300 kPa的三轴试验，得到破坏时相应的（1-)f
绘制三个破坏状态的应力摩尔圆，画出它们的公切线——强度包线，得到强度指标 c 与
二. 三轴压缩试验
2.强度包线
固结排水试验（CD试验）
Consolidated Undrained Triaxial test (CU) 抗剪强度指标：ccu cu
固结不排水试验（CU试验）
Unconsolidated Undrained Triaxial test (UU) 抗剪强度指标： cu u （ cuu uu ）
1= 常数：
根据应力状态计算出大小主应力σ1、σ3
判断破坏可能性
由σ1、σ3计算与比较
< 安全状态 = 极限平衡状态 〉 不可能状态
O
c
五. 破坏判断方法
判别对象：土体微小单元（一点）
(1 + 3)/2 = 常数：圆心保持不变
O
c
1f
3
2
3
1f
45°＋/2
破裂面
2
六. 滑裂面的位置
与大主应力面夹角： α=45 + /2
添加标题
正应力
添加标题
剪应力
添加标题
拉为正 压为负
添加标题
顺时针为正 逆时针为负
添加标题
O
z
+zx
-xz
x
2
1
3
r
R
+
-
1
二. 应力莫尔圆
大主应力：
小主应力:
圆心：
半径：
σz按顺时针方向旋转α
σx按顺时针方向旋转α
莫尔圆：代表一个土单元的应力状态；圆周上一点代表一个面上的两个应力与
三. 极限平衡应力状态
7 土的抗剪强度
土的强度特点 工程中土体的破坏类型 7.1 土的抗剪强度概述
7.1 土的抗剪强度概述
一、土的强度特点：
碎散性：强度不是颗粒矿物本身的强度，而是颗粒间相互作用——主要是抗剪强度与剪切破坏，颗粒间粘聚力与摩擦力； 三相体系：三相承受与传递荷载——有效应力原理； 自然变异性：土的强度的结构性与复杂性。
二、工程中土体的破坏类型
2000年西藏易贡巨型滑坡
易贡滑坡堰塞湖
滑 坡 堆 积 区
扎 木 弄 沟
2264m
2210m
2165m
2340m
平面示意图
5520m
滑坡堆积体
2. 各种类型的滑坡
二、工程中土体的破坏类型
2000年西藏易贡巨型滑坡
天然坝 坝高290 m 滑坡堰塞湖 库容15亿方
湖水每天上涨约50cm?
滑动摩擦
N
T
颗粒破碎与重排列
1. 摩擦强度 tg
咬合摩擦引起的剪胀
影响土的摩擦强度的主要因素：
1. 摩擦强度 tg
密度（e, 粒径级配（Cu, Cc） 颗粒的矿物成分 对于：砂土>粘性土； 高岭石>伊里石>蒙脱石 粒径的形状（颗粒的棱角与长宽比） 在其他条件相同时： 对于砂土，颗粒的棱角提高了内摩擦角 对于碎石土，颗粒的棱角可能降低其内摩擦角
不固结不排水试验（UU试验）
三轴压缩试验
优点： 1 应力状态和应力路径明确； 2 排水条件清楚，可控制； 3 破坏面不是人为固定的； 4 试验单元体试验
缺点： 设备相对复杂，现场无法试验
说明： 3＝0 即为无侧限抗压强度试验
4.优点和缺点
二. 三轴压缩试验
无侧限抗压强度试验
无侧限抗压强度试验如同三轴压缩试验中σ3 =0时的特殊情况。试验时，将圆柱形试样置于无侧限压缩仪中，对试样不加周围压力，仅对它施加垂直轴向压力σ1（见右图），剪切破坏时试样所承受的轴向压力称为无侧限抗压强度。无粘性土在无侧限条件下试样难以成型，故该试验主要用于粘性土，尤其适用于饱和软粘土。
极限平衡应力状态： 有一对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园的公切线。
f
莫尔—库仑强度理论
土单元的某一个平面上的抗剪强度f是该面上作用的法向应力的单值函数, f =f() （莫尔：1900年） 在一定的应力范围内，可以用线性函数近似f = c +tg 某土单元的任一个平面上 = f ，该单元就达到了极限平衡应力状态
1.试样应力特点与试验方法 2.强度包线 3.试验类型 4.优缺点
特点： 试样是轴对称应力状态。垂直应力z一般是大主应力；径向与切向应力总是相等r=，亦即1=z；2=3=r
方法： 首先试样施加静水压力—室压（围压） 1=2=3 ； 然后通过活塞杆施加的是应力差 Δ1= 1-3 。
二. 三轴压缩试验
固定滑裂面
一般应力状态如何？判断是否破坏？
借助于莫尔圆
库仑公式及抗剪强度指标 （总应力法与有效应力法）
=
=
三维应力状态
二. 应力莫尔圆
二维应力状态
莫尔圆应力分析符号规定
添加标题
压为正 拉为负
添加标题
逆时针为正 顺时针为负
添加标题
应力莫尔圆
添加标题
材料力学
添加标题
+
添加标题
+
添加标题
土力学
对于饱和软粘土，在不固结不排水条件下进行剪切试验，可认为φ=0，其抗剪强度包线与σ轴平行。因而，由无侧限抗压强度试验所得的极限应力圆的水平切线即为饱和软粘土的不排水抗剪强度包线（水平线）。 由图可知，其不排水抗剪强度cu为： cu=qu/2
真三轴仪 空心圆柱扭剪仪
其它室内试验
一般适用于测定软粘土的不排水强度指标；
上盒
下盒
P
S
T
பைடு நூலகம்
σ = 100KPa
S
A
§7.3 土的抗剪强度试验
直剪试验 库仑（1776） 试验原理 试验结果
σ = 100KPa
S
σ = 200KPa
σ = 300KPa
P
S
T
A
§7.3 土的抗剪强度试验
O
c
c 粘聚力 内摩擦角
σ = 100KPa
S
σ = 200KPa
σ = 300KPa
各种类型的滑坡
1
2
3
4
5
2000年西藏易贡巨型滑坡
工程中土体的破坏类型
二、工程中土体的破坏类型
2. 各种类型的滑坡
滑裂面
边坡
添加标题
粘土地基上的某谷仓地基破坏
添加标题
地基的破坏
添加标题
工程中土体的破坏类型
3.地基的破坏
工程中土体的破坏类型
日本新泻1964年地震引起大面积液化
地基
p
滑裂面
3. 地基的破坏
不固结不排水试验（UU试验） 1 关闭排水阀门，围压下不固结； 2 关闭排水阀门，很快剪切破坏，在施加轴向应力差过程中不排水
cd 、d
ccu 、cu
cu 、u
3.试验类型
二. 三轴压缩试验
试验类型汇总
Consolidated Drained Triaxial test (CD) 抗剪强度指标： cd d （c ）
四. 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
1f
3
O
c
四. 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
1f
3
O
c
根据应力状态计算出大小主应力σ1、σ3
判断破坏可能性
由σ3计算σ1f 比较σ1与σ1f
σ1<σ1f 弹性平衡状态 σ1=σ1f 极限平衡状态 σ1>σ1f 破坏状态
7 土的抗剪强度
掌握库仑公式、莫尔—库仑强度理论； 掌握土的抗剪强度指标的测定方法； 掌握不同固结和排水条件下土的抗剪强度指标的意义及其应用；
本章需要重点掌握内容：
孔隙压力系数A和B 应力路径概念 抗剪强度的影响因素。 能利用抗剪强度的基本理论和试验方法解决实际工程土中的强度和稳定问题。
本章需要了解内容：
7.3 土的抗剪强度试验
室内试验 野外试验
十字板扭剪试验、旁压试验等
原位试验 缺点：应力条件不易掌握 优点：原状土的原位强度 直剪试验、三轴试验等 制样（重塑土）或现场取样 缺点：扰动 优点：应力条件清楚，易重复
一、直接剪切试验（直剪试验） 库仑（1776） 试验原理
施加 σ（=P/A），S 量测 （=T/A）
7.1 土的抗剪强度概述
挡土结构物的破坏 大阪的港口码头挡土墙由于液化前倾
工程中土体的破坏类型
7.1 土的抗剪强度概述
添加标题
添加标题
添加标题
添加标题
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。
工程中土体的破坏类型
挡土墙
滑裂面
基坑支护
1. 挡土结构物的破坏
直剪试验 库仑（1776） 试验原理 试验结果
库仑公式：
f ： 土的抗剪强度 tg： 摩擦强度-正比于压力 c： 粘聚强度-与所受压力无关
N
T= N
T
滑动摩擦
1. 摩擦强度 tg
（1）滑动摩擦
1
滑动摩擦
2
5
咬合摩擦引起的剪胀 咬合摩擦引起的剪胀
4
摩擦强度 tg
3
（3）颗粒的破碎与重排列
O
c
1f
3
1
1
五. 破坏判断方法
判别对象：土体微小单元（一点）
3= 常数：
根据应力状态计算出大小主应力σ1、σ3
判断破坏可能性
由σ1计算σ3f 比较σ3与σ3f
σ3>σ3f 弹性平衡状态 σ3=σ3f 极限平衡状态 σ3<σ3f 破坏状态
O
c
1
3f
3
3
五. 破坏判断方法
判别对象：土体微小单元（一点）
单击此处添加小标题
通过施加的扭矩计算土的抗剪强度
单击此处添加小标题
钻孔到指定的土层，插入十字形的探头；
单击此处添加小标题
§7.3 土的抗剪强度试验
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四.十字板剪切试验
时：
M1
H
D
M2
四、十字板剪切试验
7.4 三轴压缩试验中的孔隙压力系数