五、土的抗剪强度.
土力学第五章

τ σ1
c
σ3
= (σ 1 − σ 3 ) cos θ sin θ =
σ1 − σ 3
2
sin 2θ
b
5-2
强度概念与莫尔——库仑理论 库仑理论 强度概念与莫尔
二、莫尔应力圆
σ
τ
θ
c
σ3
a
σ1
2
b
2 σ1 + σ 3 σ1 − σ 3 σ= + cos 2θ 2 2
2 2
τ=
σ1 − σ 3
sin 2θ
5-2
强度概念与莫尔——库仑理论 库仑理论 强度概念与莫尔
τ f = c +σ tanϕ
三、莫尔—库仑破坏准则 莫尔 库仑破坏准则
(二)土的极限平衡条件
τ
(σ1 −σ3 ) f
2
ϕ
σ
c O
σ3f
σ1f
c ⋅ ctgϕ
(σ1 +σ3 ) f
2
(σ1 −σ3 ) f
sinϕ =
(σ1 +σ3 ) f
2
1. 挡土结构物的破坏
概述
广州京光广场基坑塌方
使基坑旁办公室、 使基坑旁办公室、 民工宿舍和仓库 倒塌, 倒塌,死3人,伤 17人 17人。
5-1
1. 挡土结构物的破坏
概述
滑裂面
挡土墙
基坑支护
5-1
2. 各种类型的滑坡
概述
崩塌
平移滑动
旋转滑动
流滑
5-1
2. 各种类型的滑坡 乌江武隆县兴顺乡 鸡冠岭山体崩塌 1994年4月30日上午 时 年 月 日上午 日上午11时 45分 分 崩塌体积530万m3,30万 崩塌体积 万 万 m3堆入乌江,形成长 堆入乌江,形成长110m、 、 宽100m、高100m的碎石 、 的碎石 坝,阻碍乌江通航达数月 之久。 之久。 死4人,伤5人,失踪 人 人 人 失踪12人
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

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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
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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
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§ 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。
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概述
崩塌
平移滑动
旋转滑动
流滑
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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
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一、直接剪切试验
6.土的抗剪强度

第五章土的抗剪强度在外荷载作用下,土工建筑物和地基内部会产生剪应力和相应的变形,与此同时也会引起抵抗这种剪切变形的阻力。
当土体内的剪应力和抗剪应力处于平衡状态时,土工建筑物和地基会保持稳定。
随着剪应力的增加,抗剪应力相应也会增加,但是抗剪应力增加有一个限度,达到这一限度时,土体就要发生破坏,这个限度称为土的抗剪强度。
如果土体内某一部分的剪应力达到它的抗剪强度时,该部分的土体就出现剪切破坏或产生塑性流动,最终可能导致一部分土体沿着某个面相对于另一部分土体产生滑动,发生整体破坏。
一、库仑定律与土的极限平衡条件1、库仑定律1776年库仑根据砂土剪切试验的结果提出砂土抗剪强度公式后来对粘性土进行剪切试验,得到粘性土抗剪强度公式2、土的抗剪强度影响因素摩擦力:土的原始密度、剪切面上的法向总应力、土粒的形状、土粒的表面粗糙程度、土的颗粒级配粘聚力:粘粒含量、矿物成分、含水量、土的结构3、土中某点的应力状态土体内部某点不同方位上截面上应力(正应力和剪应力)的集合。
土体内部某点的不同方位上所有截面应力组合均在莫尔应力圆上,圆心坐标[1/2(+ ),0],应力圆半径r=1/2(- )。
因此土的应力状态可以用莫尔应力圆表示。
4、土的极限平衡条件把抗剪强度包线与描述土体中某点的莫尔应力圆绘在同一座标系中,根据两者的相对位置判断土体该点所处的状态。
莫尔应力圆位于抗剪强度包线的下方,该点处于弹性平衡状态。
莫尔应力圆与抗剪强度包线相切,该点处于极限平衡状态莫尔应力圆与抗剪强度包线相割,该点已经被剪破。
土体处于极限平衡状态的极限平衡条件:二、土的抗剪强度试验1、直接剪切试验2、三轴剪切试验3、无侧限抗压强度试验4、十字板剪切试验三、不同排水条件下的剪切试验成果1、总应力强度指标和有效应力强度指标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有效法向应力,可以根据有效应力表示的土体抗剪强度表达式表示有效应力强度指标确切的表示出土的抗剪强度的实质。
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;
第5章土的抗剪强度

第5章土的抗剪强度第五章土的抗剪强度名词解释1、抗剪强度:指土体抵抗剪切破坏的极限能力。
2、库仑定律:将土的抗剪强度ιf 表示为剪切面上法向应力σ的函数,即φστtan +=c f ,式中c 、Ф分别为土粘聚力和内摩擦角,该关系式即为库仑定律。
3、莫尔一库仑强度理论:由库仑公式表示莫尔包线的强度理论。
填空:1.根据莫尔一库仑破坏准则,土的抗剪强度指标包括和。
2.莫尔抗剪强度包线的函数表达式是。
3.土的抗剪强度有两种表达方法:一种是以表示的抗剪强度总应力法,另一种是以表示的抗剪强度有效应力法。
4.应力历史相同的一种土,密度变大时,抗剪强度的变化是;有效应力增大时,抗剪强度的变化是。
5.直接剪切仪分为控制式和控制式两种,前者是等速推动试样产生位移,测定相应的剪应力,后者则是对试件分级施加水平剪应力测定相应的位移。
6.排水条件对土的抗剪强度有很大影响,实验中模拟土体在现场受到的排水条件,通过控制加荷和剪坏的速度,将直接剪切试验分为快剪、和。
7.对于孔隙中充满水的完全饱和土,各向等压条件下的孔隙压力系数等于,表明施加的各向等压等于;对于干土,各向等压条件下的孔隙压力系数等于。
8.对于非饱和土,土的饱和度越大,各向等压条件下的孔隙压力系数越。
参考答案1.粘聚力,内摩擦角;2.φστtan +=c f ;3.总应力,有效应力; 4.增大,增大;5.应变,应力;6.固结快剪,慢剪;7.1,孔隙水压力,o ;8.大选择题1、建立土的极限平衡条件依据的是( 1 )。
(1)极限应力圆与抗剪强度包线相切的几何关系;(2)极限应力圆与抗剪强度包线相割的几何关系;(3)整个莫尔圆位于抗剪强度包线的下方的几何关系(4)静力平衡条件2、根据有效应力原理,只要( 2 )发生变化,土体强度就发生变化(1)总应力;(2)有效应力;(3)附加应力;(4)自重应力。
3.无侧限抗压强度试验可用来测定土的( 4 )。
(1)有效应力抗剪强度指标; (2)固结度; (3)压缩系数; (4)灵敏度。
第五章土的抗剪强度

龙观嘴 黄崖沟
乌江
2. 各种类型的滑坡
2000年西藏易贡巨型滑坡
平面示意图
5520m
2210m
2264m
滑坡堆积体 滑坡堆积区
2340m 2165m
2. 各种类型的滑坡
滑裂面
边坡
3. 地基的破坏
粘土地基上的某谷仓地基破坏
3. 地基的破坏
p
滑裂面
地基
5.1.1 莫尔—库仑破坏准则 总应力法
0 0 199tan38 155kPa
由于τ=162> τf=155,说明A点破坏。
判断A点方法二:σ1f σ 3tan 2 (45 0 ) 2ctan(45 0 )
0
σ1>σ1f
σ3>σ1f
504.45kPa σ1f σ1 530 土体破坏 σ1<σ1f 土体不破坏
2
3 1 tan2 45o
2
强度包络线
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圆的公切线。
f
【例题】已知某土体单元的大主应力σ1=380kPa,小主 应力σ3=210kPa。通过试验测得土的抗剪强度指标 c=20kPa,υ=19°,问该单元土体处于什么状态? 解 (1)直接用τ与τf的关系来判别
轴向加压杆 顶帽 有机玻璃罩
试 样
1
压力室
3 3
3
透水石 排水管
阀门
3
1
橡皮膜 压力水
三轴试验的试验类型
1.不固结不排水试验(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 施工测定cu 、u 接近不固结不排水剪切条件
5.土的抗剪强度

§5.2
土的抗剪强度试验
一、直接剪切试验
试验仪器:直剪仪(应力控制式,应变控制式)
剪切试验
剪前施加在试样顶面上 P A 的竖向压力为剪破面上 T A 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
总应力强度指标与有效应力强度指标
库仑定律
f
tan c
说明:施加于试样上的垂直法向应力为总应力,c、为总
应力意义上的土的黏聚力和内摩擦角,称之为总应力强度指标
根据有效应力原理: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
f tan c = u tan c
3 f
2 o o 1 tan 45 2 c tan 45 189 . 8 kPa 2 2
计算结果表明: 3f小于该单元土体实际小主应 力 3,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 。
5.4.2
砂土临界孔隙比的概念
由不同初始空隙比的试样在同一压力下进行剪切试验,可以得 出初始孔隙比e0与体积变化⊿V/V之间的关系,如下图所示, 相应于体积变化为零的初始孔隙比称为临界孔隙比ecr。在三轴 试验中,临界孔隙比与侧压力3有关,不同的3可以得出不同 的值。 如果饱和砂土的初始孔隙比e0大 于临界孔隙比ecr,在剪应力作 用下由于剪缩必然使孔隙水压力 增高,而有效应力降低,致使砂 土的抗剪能力降低。
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。
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-土的抗剪强度指标3 土的动强度与砂土的振动液化1 张丙印

Kc=3 Kc=2 Kc=1
破坏振 次 lgNf
土的动强度 19
§5.6 土的动强度与砂土的振动液化
液化现象
孔压u
智者乐水 仁者乐山
松砂 振动台
时间 T
饱和松砂在振动情况
下孔压急剧升高
在瞬间砂土呈液态
饱和松砂的振动液化 20
§5.6 土的动强度与砂土的振动液化
液化机理
(1)初始处于疏松状态
智者乐水 仁者乐山
(2)振动过程中处于悬浮状态 - 孔压升高(液化)
(3)振后处于密实状态
饱和松砂的振动液化 21
§5.6 土的动强度与砂土的振动液化
液化机理
智者乐水 仁者乐山
排出的剩 余孔隙水
振前松砂 的结构
振中颗粒悬浮, 有效应力为零
振后砂土 变密实
饱和松砂的振动液化 22
§5.6 土的动强度与砂土的振动液化
不固结不排水试验 1
§5.5 土的抗剪强度指标 – 三轴试验指标
智者乐水 仁者乐山
无侧限压缩试验
cu
u=0
f
o 3=0
qu=
3=0的不排水试验
f = cu = qu/2
由于土样扰动等的
影响,一般稍低于 原位不排水强度
特别说明:十字板剪切试验所得到的抗剪强度
f 相当于土的不排水强度cu
不固结不排水
智者乐水 仁者乐山
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
§5.6 土的动强度与砂土的振动液化
固结比
Kc=1/3
第五章 土的抗剪强度

②土中天然胶结物质对土粒的胶结作用。 3.抗剪强度的影响因素 ①土的物理化学性质的影响(土的矿物成分、颗粒形状与级配;土
的原始密度;土的含水量;土的结构等);
②孔隙水压力的影响(工程上,根据实际地质情况和孔隙水压力消 散的程度,采用不同的排水方法测定土的抗剪强度)
达到极限平衡状态时,土体的应力与抗剪强度指标之 间的关系,称为土的极限平衡条件.
1、土中某点的应力状态
下面仅研究平面问题,在土体中取一微单元体[下图 (a)],取微棱柱体abc为隔离体 [下图(b)],将各力分别在 水平和垂直方向投影,根据静力平衡条件可得:
sds sin ds sin ds cos 0 1ds cos ds cos ds sin 0
1.试验仪器:直剪仪 直接剪切仪分为应变控制式和应力控制式两种.
对同一种土至少取4个试样,分别在不同垂直压 力下剪切破坏,一般可取垂直压力为100、200、300、 400kPa.
2.试验结果 垂直压力σ~百分表读数~剪应力τ,将试验结果
绘制成抗剪强度τf和垂直压力σ之间关系线。
试验结果表明: 对于粘性土基本上呈与y轴有一截距的直线,该直 线与横轴的夹角为内摩擦角φ,在纵轴上的截距为粘 聚力c;
三、土的极限平衡理论(莫尔—库伦强度理论)
1910年,莫尔(Mohr)提出材料的破坏是剪切破坏, 当任一平面上的剪应力等于材料的抗剪强度时该点就发生 破坏,并提出在破坏面上的剪应力,是该面上法向应力的
函数,即: f f
土的强度破坏通常是指剪切破坏,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,该点即处于 极限平衡状态;
应力圆画在同一坐标系里。它们之间的关系有以下三种情 况:
第5章土的抗剪强度

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
第5章土的抗剪强度试题及答案

第 5 章土的抗剪强度试题及答案、简答题1. 土的抗剪强度指标实质上是抗剪强度参数,也就是土的强度指标,为什么?2. 同一种土所测定的抗剪强度指标是有变化的,为什么?3. 何谓土的极限平衡条件?粘性土和粉土与无粘性土的表达式有何不同?4. 为什么土中某点剪应力最大的平面不是剪切破坏面?如何确定剪切破坏面与小主应力作用方向夹角?5. 试比较直剪试验和三轴压缩试验的土样的应力状态有什么不同?并指出直剪试验土样的大主应力方向。
6. 试比较直剪试验三种方法和三轴压缩试验三种方法的异同点和适用性。
7. 根据孔隙压力系数A、B的物理意义,说明三轴UU和CU试验中求A、B两系数的区别。
8. 同钢材、混凝土等建筑材料相比,土的抗剪强度有何特点?同一种土其强度值是否为一个定值?为什么?9. 影响土的抗剪强度的因素有哪些?10. 土体的最大剪应力面是否就是剪切破裂面?二者何时一致?11. 如何理解不同的试验方法会有不同的土的强度,工程上如何选用?12. 砂土与粘性土的抗剪强度表达式有何不同?同一土样的抗剪强度是不是一个定值?为什么?13. 土的抗剪强度指标是什么?通常通过哪些室内试验、原位测试测定14. 三轴压缩试验按排水条件的不同,可分为哪几种试验方法?工程应用时,如何根据地基土排水条件的不同,选择土的抗剪强度指标?15. 简述直剪仪的优缺点。
【三峡大学2006年研究生入学考试试题】二、填空题1. 土抵抗剪切破坏的极限能力称为土的—_ 。
2. 无粘性土的抗剪强度来源于_ ―。
3. 粘性土处于应力极限平衡状态时,剪裂面与最大主应力作用面的夹角为4 . 粘性土抗剪强度库仑定律的总应力的表达式_______________________________________________________________ ,有效应力的表达式5 . 粘性土抗剪强度指标包括、。
6. 一种土的含水量越大,其内摩擦角越_________________________ 。
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。
第五章 土的抗剪强度

土的抗剪强度
5.1 概述
土的抗剪强度
是指土体对外荷载所产生的剪应力的 极限抵抗能力。剪切破坏是土体破坏的重 要特征。 砂土:其抗剪强度由内摩擦阻力构成, 其大小取决于土粒表面的粗糙度、密实度、 凸颗粒大小及级配等因素。 粘性土:其抗剪强度由粘结力和内摩 擦阻力两部分组成。
与土的抗剪强度有关的工程问题
u B 3 A( 1 3 )
式中:A、B-分别为不同应力条件下的孔隙压力系数。
1、试样在各向均等的初始应力作用下固结完毕
u0 0
2、试样受到各向均等的周围压力作用,试样体积变化主 要是孔隙空间的压缩所致(固体颗粒和水体积视为不可压 缩)。 孔隙体积 VV VV 压缩系数 CV u1
f
2M
D 2 ( H
D ) 3
5.3 孔隙压力系数A、B
英国斯肯普顿(Skempton) 等于1954年根据三轴压缩试验的 结果,首先提出孔隙压力系数的 概念,并用以表示土中孔隙压力 (饱和土体的孔隙压力即为孔隙 水压力)的大小。他们在三轴试 验的基础上提出了复杂压力状态 下的孔隙压力表达式为:
原理:土体剪切破坏时所施加的扭矩,与剪切破坏圆柱 面(侧面和上下面)上土的抗剪强度所产生的抵抗力矩相 等。即:
M M1 2M 2
(1)圆柱体侧面上的抗扭力矩: D M 1 DH f 2 (2)圆柱体上、下表面上的抗扭力矩: D D 2 M2 ( ) f 3 4 (3)土的抗剪强度:
中灵敏度土:2 < St ≤4
高灵敏度土: St > 4 土的灵敏度越高,其结构性越强,受扰动后土的强度降低就越多。粘 性土受扰动而强度降低的性质,一般而言对工程建设是不利的。
四、十字板剪切验
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五、土的抗剪强度5-1 直剪固结快剪试验数据如表5-1所示,已知手轮转一转用时10秒,水平位移为0.2mm ,量力环系数C=6.5kPa/0.01mm ,剪应力R C ·=τ。
1) 1) 绘剪变形与剪切历时关系曲线; 2) 2) 求出各级荷重下的抗剪强度; 3) 3) 求出内摩擦角ϕ和粘结力c 。
表5-15-2 直剪试验结果如表5-2。
1) 1) 求摩擦角与粘结力;2) 2) 当p=280kPa ,τ=80kPa 时,判断是否达到极限平衡?安全系数多大? 3) 3) 求土样达破坏时大主应力面与小主应力面的方向。
5-3 砂土抗剪强度试验数据如表5-3,求土的摩擦角。
表5-35-4 自然堆积的砂坡,其坡角称自然坡角或休止角。
求证此自然坡角必等于土的内摩擦角。
(提示:取坡角α>ϕ,如图5-1。
证明大于ϕ的部分土体(重量为W )必沿ϕ的坡角下滑。
)5-5 某竖直土柱由两层土组成,有关数据见图5-2。
试求土柱重量W 沿m-m 斜面(与水平面夹角为150)的法向力N ,切向力T 和抗滑力T f 。
土层1:3/20,12,22m kN kPa c o===ρϕ土层2:3/18,8,15m kN kPa c o ===ρϕ5-6 某沉箱(一有底无盖方形混凝土箱)底面积10m ×10m ,自重4Mpa ,置于粗砂层上,若箱底与砂层间的摩擦系数tan ϕ=0.67。
1) 1) 求沉箱底面与砂层的摩擦力;2) 2) 当箱内无水,求箱外水深分别为2m 、4m 时的摩擦力;3) 3) 已知箱壁厚40cm ,底板厚1m ,混凝土密度25kN/m 3;求箱内水位与上述箱外水位齐平时的摩擦力;4) 4) 若箱内箱外水位相同,分别为2m 、4m ,但箱中填砂分别与两水位平齐,砂的65.2,/5.153==s d m kN ρρ,求箱底的摩擦力。
5-7 已知土的0,28==c Oϕ,若承受kPa kPa 150,35031==σσ。
1) 1) 绘应力圆与抗剪强度线; 2) 2) 绘f τ、τ与△τττ-=f 随2α变化的关系曲线;3) 3) 从图中求出△τ最小值及其作用面与最大主应力面的夹角。
5-8 某砂土的内摩擦角o34=ϕ,若kPa 1003=σ,求: 1) 1) 达极限平衡时的1σ;2) 2) 极限平衡面与大主应力面的夹角;3) 3) 当kPa 3001=σ时哪个平面最危险,该面上的τ与f τ各为多大?5-9 某土样0,32==c oϕ。
当1σ与3σ作用达极限平衡时的一组滑动面如图5-3a)所示。
现取dfe 和efh 为脱离体,如图5-3b)、c)所示。
1) 1) 求出1θ、2θ的数值;2) 2) 绘出图b)和c)中四个斜面上的合力,并标明其方向。
5-10 试证明对于c=0的土,过一点的一组极限平衡面上的合力必平行于另一组极限平衡面。
5-11 证明对于c=0的土,极限平衡面上的合应力σ等于 或 。
5-12 已知某土样0,28==c oϕ,当kPa 1003=σ和kPa 2301=σ时; 1) 1) 求max θ等于多少?2) 2) 求 值。
5-13 某土样kPa c o10,28==ϕ。
求当kPa 1503=σ和kPa 3001=σ时max θ和K 。
5-14 某土样kPa c o20,29==ϕ。
绘制kPa 1003=σ时的极限应力圆,从圆上量出31σσ-的数值。
5-15某正常固结粘土的0',34'==c oϕ。
今取两个试样同在kPa 3003=σ的室压力下进行固结,然后分别进行三轴压缩(321σσσ=>)和三轴伸长(321σσσ>=)试验。
试问:1)当进行三轴压缩实验时,需加多大的t 'σ才能使土样剪坏?剪坏时破坏面上的正应力和剪应力各为多少?2)当进行三轴伸长试验时,3σ需减小到多大才能使土样剪坏?剪坏时破坏面上的正应力各为多少?5-16 某砂土的直剪试验测得当kPa p 250=时kPa 1001=τ。
绘制极限应力圆求f 1σ、f 3σ。
并求出大主应力面的方向。
5-17 某扰动饱和粘土(c=0)的三轴试验结果如表5-4。
表5-41) 1) 求及cu;2) 2) 求固结不排水试验的孔隙水压力系数A f 。
⎪⎭⎫ ⎝⎛-2451ϕσo tg ⎪⎭⎫ ⎝⎛+2453ϕσo tg maxθϕtg tg K =5-18 某土样三轴有效剪试验数据如表5-5。
表5-51) 1) 用数解法求及c ’; 2) 2) 若kPa f 1503=σ时,kPa f 3501=σ,求土样在破坏时的孔隙水应力f u及孔隙水应力系数A f 。
5-19 试证明,对饱和粘土()0=ϕ进行无侧限抗压强度试验时,其无侧限抗压强度可按下式计算:q u =式中A 0及h 0分别为加荷开始时试样的面积和高度。
P 为试样破坏时的垂直荷载。
(提示:假设试样体积在试验过程中不变,同时假设试样横向均匀变形。
)5-20 若已知某土样无侧限抗压强度q u =200kPa ,试求: 若0=ϕ,求土的不排水强度c u 及破坏面的方向; 若o32=ϕ,求c cu 及破坏面的方向。
5-21 饱和粘性土的三轴固结不排水剪试验数据如表5-6。
求cu ϕ、cu c 和'ϕ、'c 。
5-22 比较直剪仪与三轴仪的优缺点。
5-23 比较抗剪强度的总应力表示法与有效应力表示法的优缺点。
5-24 三轴试验数据如表5-7。
在)(3121σσ-与)(3121σσ+坐标中,绘出抗剪强度线并求ϕ、c 值。
5-25 某软土土层厚度很大。
若在其上快速修建建筑物,问可采用什么试验方法确定其抗剪强度?5-26 已知某土样o30'=ϕ,0'=c ,kPa 2003=σ,破坏时土中孔隙水应力k P a u f 150=。
求达极限平衡时f 1σ等于多少?h/h)1(A p △-5-27 上题中其他条件不变,若kPa c 20=,求达极限平衡时f 1σ等于若干?5-28 某地基土的渗透系数很小(s cm k /1088-⨯<)若在其上修建水闸,需验算不同时期的稳定性,试问:1)若采用快速施工,则竣工时应采用什么方法确定抗剪强度? 2)若慢速施工,则竣工时应采用什么方法确定抗剪强度?3)水闸建成后经较长时间才投入使用,应采用什么方法确定抗剪强度? 5-29 某软粘土试样,试验得无限抗压强度kPa q u 30=,扰动后kPa q u 5.7=,求土的灵敏度,并判别其灵敏程度。
5-30 某土样扰动后的无限抗压强度kPa q u 6=,已知土样灵敏度为 5.3,试反求原状土的u q 值。
5-31 同一种土,重塑后使含水量等于液限。
取a 、b 两组土样进行试验:a 组土样在200kPa垂直压力下固结后卸荷,然后侧得p <200kPa 的慢剪抗剪强度指标oa 5.25=ϕ,kPa c a 20=;b 组土样直接在各级压力下固结后进行慢剪试验,测得抗剪强度指标o b 30=ϕ,0=b c 。
试求出两个土样当p=100,200和300kPa 时的抗剪强度。
5-32 从某粘土层中取原状土样,固结快剪试验结果如表5-8,抗剪强度线具有两段直线的特征。
1)按两直线绘抗剪强度线,分别求出二直线的、c 值。
2)示意绘出与抗剪强度线相应的压缩曲线。
5-33 一砂土养置入直接剪力盒中,剪力盒断面积为30cm 2,砂土样上作用一垂直压力N=45kg ,然后进行水平剪切,当水平推力T=15kg 时,砂土样开始破坏;试求当压力N ’=90kg 时,应该用多大的水平推力,才能将砂土样剪坏?该砂土样的内摩擦角为多大?5-34 对某饱和粘土作三轴固结不排水试验,测得四个试样在破坏时的最大主应力1σ,最小主应力3σ和孔隙水压力u 值,均列于表5-9。
试分别用总应力法和有效应力法确定相应的强度指标。
表5-95-35 在均布条形荷载作用下,土体重M 点的大主应KPa 4001=σ,小主应力KPa 1503=σ,土的抗剪强度指标o c 30,0==φ,试求:(1)与最大主应力面承夹角oa 30=、45o、60o倾斜面上的正应力σ和剪应力τ。
(2)M 点处土是否达到极限平衡状态?(3)最危险的剪应力面与最大主应力面成多大角度? 5-36 三轴试验数据如表5-10:表5-10在坐标中绘出 与 关系线,并换算土样的,c 值。
5-37 圆柱形粘土式样 03=σ,破坏时无侧限抗压强度2/0.2cm kg q u =。
若0=φ,求粘结力C 及剪切破坏面方向;若o32=ϕ。
求C 等于若干?剪切面方向有何变化?5-38 某砂土试样在法向应力kPa 100=σ作用下进行直剪试验,测得其抗剪强度kPa f 60=τ。
求:(a )用作图方法确定该土样的抗剪强度指标ϕ值;(b )如果试样的法向应力增至kPa 250=σ,则土样的抗剪强度是多少?5-39 对饱和粘土试样进行无侧限抗压试验,测得其无侧限抗压强度q u =120kPa 。
求:(a )该土样的不排水抗剪强度;(b )与圆柱形试样轴成60o交角面上的法向应力σ和剪应力τ。
5-40 对两个相同的重塑饱和粘土试样,分别进行两种固结不排水三轴压缩试验。
一个试样先在kPa 1703=σ的围压下固结,试样破坏时的轴向偏应力kPa f 124)(31=-σσ另一个试样施加的周围压力kPa 4273=σ,破坏时的孔隙水压力kPa u f 270=。
试求该土样的cu ϕ和'ϕ值。
(提示:重塑饱和粘土试样的0'==c c cu 。
)5-41 对内摩擦角o30=ϕ的饱和砂土试样进行三轴压缩试验。
首先施加kPa 2003=σ围压,然后使最大主应力1σ与最小主应力3σ同时增加,且使1σ的增量1σ∆始终为3σ的增量3σ∆的4倍,试验在排水条件下进行。
试求该土样破坏时的1σ值。
231σσ-231σσ+。