1、土的抗剪強(qiáng)度華北水利水電學(xué)院土力學(xué)課程組土的抗剪強(qiáng)度 概 述土的破壞主要是由于剪切引起的，剪切破壞是土體破壞的重要特點(diǎn)工程時(shí)間中與土的抗剪強(qiáng)度有關(guān)的工程主要有以下3類 （1）土質(zhì)土壩的穩(wěn)定 （2）土壓力 （3）地基的承載力問(wèn)題 概 述土的破壞主要是由于剪切引起的，剪切破壞是土體破工程實(shí)例土坡穩(wěn)定This photo shows a failure of a tailings dam retaining gypsum tailings in Florida. It can be seen that the wet gypsum tailings flowed like a viscous liq

2、uid when the dam failed. 工程實(shí)例土坡穩(wěn)定This photo shows a fa工程實(shí)例土坡穩(wěn)定This tailings dam in South Africa retained tailings from a platinum mine. Note the very flat slope formed by the tailings as they came to rest, indicating their very low shear strength. 工程實(shí)例土坡穩(wěn)定This tailings dam in 工程實(shí)例土坡穩(wěn)定The slide exten

3、ded for about 1100 feet along the embankment. At the north end, near the inlet-outlet structure visible in this photo, the scarp at the top of the slide was about 30 feet high. At the bottom of the slope the toe of the slide moved horizontally about 30 feet out into the reservoir. 工程實(shí)例土坡穩(wěn)定The slide

4、extended fo工程實(shí)例土坡穩(wěn)定The slide in the upstream shell is shown here with the reservoir emptied. The paved road surface identifies the former crest of the dam. 工程實(shí)例土坡穩(wěn)定The slide in the upst工程實(shí)例土坡穩(wěn)定工程實(shí)例土坡穩(wěn)定工程實(shí)例土坡穩(wěn)定工程實(shí)例土坡穩(wěn)定工程實(shí)例地基承載力問(wèn)題工程實(shí)例地基承載力問(wèn)題工程實(shí)例地基承載力問(wèn)題工程實(shí)例地基承載力問(wèn)題工程實(shí)例地基承載力問(wèn)題加拿大特朗斯康谷倉(cāng)：1911年動(dòng)工1913年完工谷倉(cāng)自重

5、20000噸1913年10月17日發(fā)現(xiàn)1小時(shí)內(nèi)豎向沉降達(dá)30.5厘米，結(jié)構(gòu)物向西傾斜，并在24小時(shí)內(nèi)傾倒，谷倉(cāng)西端下沉7.32米，東端上抬1.52米產(chǎn)生原因：地基承載力不夠，超載引發(fā)強(qiáng)度破壞而產(chǎn)生滑動(dòng)。工程實(shí)例地基承載力問(wèn)題加拿大特朗斯康谷倉(cāng)：工程實(shí)例地基承載力問(wèn)題美國(guó)紐約某水泥倉(cāng)庫(kù)：是近代世界上最嚴(yán)重的建筑物破壞之一位于紐約漢森河旁1940年水泥倉(cāng)庫(kù)裝載水泥，使粘性土超載，引起地基土剪切破壞而滑動(dòng)。傾斜45度，地基土被擠出達(dá)5.18米，23米外的辦公樓也發(fā)生傾斜。工程實(shí)例地基承載力問(wèn)題美國(guó)紐約某水泥倉(cāng)庫(kù)：工程實(shí)例地基承載力問(wèn)題工程實(shí)例地基承載力問(wèn)題強(qiáng)度的概念與莫爾庫(kù)侖理論固體間的摩擦力直接取

6、決于接觸面上的法向力和接觸材料的摩擦角強(qiáng)度的概念與莫爾庫(kù)侖理論固體間的摩擦力直接取決于接觸面上的強(qiáng)度的概念與莫爾庫(kù)侖理論材料力學(xué)理論強(qiáng)度的概念與莫爾庫(kù)侖理論材料力學(xué)理論強(qiáng)度的概念與莫爾庫(kù)侖理論強(qiáng)度的概念與莫爾庫(kù)侖理論強(qiáng)度的概念與莫爾庫(kù)侖理論（13）/2ooo（13）/2強(qiáng)度的概念與莫爾庫(kù)侖理論（13）/2ooo（1強(qiáng)度的概念與莫爾庫(kù)侖理論強(qiáng)度的概念與莫爾庫(kù)侖理論強(qiáng)度的概念與莫爾庫(kù)侖理論強(qiáng)度的概念與莫爾庫(kù)侖理論土的極限平衡條件ABDOf極限平衡條件莫爾庫(kù)侖破壞準(zhǔn)則極限應(yīng)力圓破壞應(yīng)力圓剪切破壞面土的極限平衡條件ABDOf極限應(yīng)力圓剪切破壞面土的極限平衡條件土的極限平衡條件土的極限平衡條件土的極限平

7、衡條件土的極限平衡條件土的極限平衡條件確定強(qiáng)度指標(biāo)的試驗(yàn)測(cè)定土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的試驗(yàn)稱為剪切試驗(yàn)按照常用的試驗(yàn)儀器將剪切試驗(yàn)分為 直接剪切試驗(yàn) 三軸壓縮試驗(yàn) 無(wú)側(cè)向抗壓強(qiáng)度試驗(yàn) 十字板剪切試驗(yàn)近似模擬確定強(qiáng)度指標(biāo)的試驗(yàn)測(cè)定土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的試驗(yàn)稱為剪切試驗(yàn)直接剪切試驗(yàn)直接剪切試驗(yàn)直接剪切試驗(yàn)直接剪切試驗(yàn)直接剪切試驗(yàn)直接剪切試驗(yàn)直接剪切試驗(yàn)直接剪切試驗(yàn)直接剪切試驗(yàn)直接剪切試驗(yàn)直接剪切試驗(yàn)直接剪切試驗(yàn)直接剪切試驗(yàn)直接剪切試驗(yàn)直接剪切試驗(yàn)直接剪切試驗(yàn)直接剪切試驗(yàn)在直剪試驗(yàn)過(guò)程中，不能量測(cè)孔隙水應(yīng)力，也不能控制排水，所以只能以總應(yīng)力法來(lái)表示土的抗剪強(qiáng)度。但是為了考慮固結(jié)程度和排水條件對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響，根據(jù)加

8、荷速率的快慢可將之間試驗(yàn)劃分為快剪固結(jié)快剪慢剪直接剪切試驗(yàn)在直剪試驗(yàn)過(guò)程中，不能量測(cè)孔隙水應(yīng)力，也不能控制直接剪切試驗(yàn)直接剪切試驗(yàn)直接剪切試驗(yàn)直剪試驗(yàn)的缺點(diǎn)剪切破壞面固定為上下盒之間的水平面試驗(yàn)中試驗(yàn)的排水程度靠試驗(yàn)速的快慢控制由于上下土盒的錯(cuò)動(dòng)，剪切過(guò)程中試樣的有效面積減小，使試樣中的應(yīng)力分布不均勻，主應(yīng)力方向發(fā)生變化，當(dāng)剪切變形較大時(shí)這一缺陷表現(xiàn)更為突出直接剪切試驗(yàn)直剪試驗(yàn)的缺點(diǎn)三軸壓縮試驗(yàn)三軸壓縮試驗(yàn)直接量測(cè)的是試樣在不同恒定周圍壓力下的抗壓強(qiáng)度，然后利用莫爾庫(kù)侖破壞理論間接推求土的抗剪強(qiáng)度。三軸壓縮試驗(yàn)三軸壓縮試驗(yàn)直接量測(cè)的是試樣在不同恒定周圍壓力下三軸壓縮試驗(yàn)三軸壓縮試驗(yàn)三軸壓縮試驗(yàn)

9、三軸壓縮試驗(yàn)三軸壓縮試驗(yàn)三軸壓縮試驗(yàn)三軸壓縮試驗(yàn)演示三軸壓縮試驗(yàn)演示三軸壓縮試驗(yàn)三軸壓縮試驗(yàn)三軸壓縮試驗(yàn)三軸試驗(yàn)根據(jù)試樣的固結(jié)和排水條件不同，可分為不固結(jié)不排水剪（UU）、固結(jié)不排水剪（CU）、固結(jié)排水剪（CD）。分別對(duì)應(yīng)于直剪試驗(yàn)的快剪、固結(jié)快剪、和慢剪試驗(yàn)。三軸壓縮試驗(yàn)三軸試驗(yàn)根據(jù)試樣的固結(jié)和排水條件不同，可分為不固三軸壓縮試驗(yàn)剪破有效應(yīng)力 有效應(yīng)力圓與總應(yīng)力圓大小相同，只是當(dāng)剪破時(shí)的孔隙水應(yīng)力為正值時(shí)，有效應(yīng)力圓在總應(yīng)力圓的左邊；而當(dāng)剪破時(shí)的孔隙水應(yīng)力為負(fù)值時(shí)，有效應(yīng)力圓在總應(yīng)力圓的右邊。三軸壓縮試驗(yàn)剪破有效應(yīng)力 有效應(yīng)力圓與總應(yīng)力圓大無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)三軸壓縮試驗(yàn)當(dāng)周圍壓力為零時(shí)即為無(wú)

10、側(cè)限試驗(yàn)條件，此時(shí)只有軸向壓力，所以也稱單軸壓縮試驗(yàn)。由于試樣的側(cè)向力為零，在軸向受壓時(shí)，其側(cè)向變形不受限制，故又稱無(wú)側(cè)限壓縮試驗(yàn)。由于試樣是在軸向壓縮的條件下破壞的，因此把這種情況下土能承受的最大軸向壓力稱為無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，以qu表示無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)三軸壓縮試驗(yàn)當(dāng)周圍壓力為零時(shí)即為無(wú)側(cè)限試驗(yàn)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)極限應(yīng)力圓不排水強(qiáng)度無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)極限應(yīng)力圓不排水強(qiáng)度原位十字板剪切試驗(yàn)原位十字板剪切試驗(yàn)是一種利用十字板剪切儀在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定土的抗剪強(qiáng)度的方法。這種方法適用于在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定飽和粘性土的原位不排水強(qiáng)度，特別適用于均勻的飽和軟粘土。原位十字板剪切試驗(yàn)原位十

11、字板剪切試驗(yàn)是一種利用十字板剪切儀在原位十字板剪切試驗(yàn)原位十字板剪切試驗(yàn)原位十字板剪切試驗(yàn)原位十字板剪切試驗(yàn)三軸壓縮試驗(yàn)中的孔隙應(yīng)力系數(shù)u0=0ccu133u231 3三軸壓縮試驗(yàn)中的孔隙應(yīng)力系數(shù)u0=0ccu13三軸壓縮試驗(yàn)中的孔隙應(yīng)力系數(shù)uc+ 3c+ 1三軸壓縮試驗(yàn)中的孔隙應(yīng)力系數(shù)uc+ 3c+ 孔隙應(yīng)力系數(shù)B定義：當(dāng)試樣在不排水條件下受到各向相等壓力增量時(shí)，產(chǎn)生的孔隙應(yīng)力增量與壓力增量之比定義為孔隙應(yīng)力系數(shù)B反映土體在各向相等壓力作用下，孔隙應(yīng)力變化情況的指標(biāo)，也是反映土體飽和程度的指標(biāo)孔隙應(yīng)力系數(shù)B定義：當(dāng)試樣在不排水條件下受到各向相等壓力增量孔隙應(yīng)力系數(shù)BB=1 飽和土的不固結(jié)不排

12、水試驗(yàn)試驗(yàn)中，試樣在周圍壓力增量下將不發(fā)生豎向和側(cè)向變形，這時(shí)的周圍壓力增量完全由孔隙水承擔(dān)B=0 土完全干燥，周圍壓力增量完全由土骨架承擔(dān)0B1 非飽和土，孔隙中流體的壓縮性與土骨架的壓縮性為一個(gè)量級(jí)，飽和度越大，B越接近于1孔隙應(yīng)力系數(shù)BB=1孔隙應(yīng)力系數(shù)A定義：當(dāng)試樣在軸向應(yīng)力增量q作用時(shí)，產(chǎn)生的孔隙水應(yīng)力為為u2,我們定義另一孔壓系數(shù)A為綜合反映主應(yīng)力差作用下孔隙水應(yīng)力變化的一個(gè)指標(biāo)孔隙應(yīng)力系數(shù)A定義：當(dāng)試樣在軸向應(yīng)力增量q作用時(shí)，產(chǎn)生的孔隙孔隙應(yīng)力系數(shù)A將B代入得：改寫(xiě)表示一定周圍壓力增量作用下，由主應(yīng)力增量所引起的孔隙應(yīng)力變化孔隙應(yīng)力系數(shù)A將B代入得：改寫(xiě)表示一定周圍壓力增量作用下

13、，由孔隙應(yīng)力系數(shù)A對(duì)于飽和土的不固結(jié)不排水試驗(yàn)：固結(jié)不排水試驗(yàn)：固結(jié)排水試驗(yàn)：孔隙應(yīng)力系數(shù)A對(duì)于飽和土的不固結(jié)不排水試驗(yàn)：固結(jié)不排水試驗(yàn)：三軸試驗(yàn)中土的剪切性狀前面介紹了測(cè)定土抗剪強(qiáng)度的試驗(yàn)儀器及其試驗(yàn)的一般原理和方法，并討論了土的抗剪強(qiáng)度的一般規(guī)律。但對(duì)土在剪切試驗(yàn)中某些性狀，影響土抗剪強(qiáng)度的某些因素，如密度、應(yīng)力歷史等都未涉及到。本節(jié)將就土在剪切試驗(yàn)中表現(xiàn)出的抗剪強(qiáng)度特性進(jìn)行進(jìn)一步的討論。三軸試驗(yàn)中土的剪切性狀前面介紹了測(cè)定土抗剪強(qiáng)度的試驗(yàn)儀器及其砂性土的剪切性狀砂土的抗剪強(qiáng)度受密度、顆粒形狀、表面粗糙度和級(jí)配的影響。對(duì)于一般砂土來(lái)講，影響抗剪強(qiáng)度的主要因素是其初始孔隙比（或初始干密度）。

14、初始孔隙比越小，抗剪強(qiáng)度越高同一種砂土在相同的孔隙比下飽和時(shí)的內(nèi)摩擦角比干燥時(shí)小砂性土的剪切性狀砂土的抗剪強(qiáng)度受密度、顆粒形狀、表面粗糙度和砂性土的剪切性狀砂性土的剪切性狀砂土的應(yīng)力軸向應(yīng)變體變松砂受剪時(shí)，顆粒滾落到平衡位置，排列更緊密些，所以體積縮小，把這種因剪切而體積縮小的現(xiàn)象稱為剪縮性松 砂砂土的應(yīng)力軸向應(yīng)變體變松砂受剪時(shí)，顆粒滾落到平衡位置，排砂土的應(yīng)力軸向應(yīng)變體變緊砂受剪時(shí)，顆粒必須升高以離開(kāi)它們?cè)瓉?lái)的位置而彼此才能滑過(guò)，從而導(dǎo)致體積膨脹，把這種因剪切而體積膨脹的現(xiàn)象稱為剪脹性。緊 砂砂土的應(yīng)力軸向應(yīng)變體變緊砂受剪時(shí)，顆粒必須升高以離開(kāi)它們砂土的應(yīng)力軸向應(yīng)變體變砂土的應(yīng)力軸向應(yīng)變體變

15、砂土的應(yīng)力軸向應(yīng)變體變 隨著軸向應(yīng)變的增加，松砂的強(qiáng)度逐漸增加，曲線應(yīng)變硬化。體積逐漸減小緊砂的強(qiáng)度達(dá)到一定值后，隨著軸向應(yīng)變的繼續(xù)增加，強(qiáng)度反而減小，最后呈應(yīng)變軟化型 體積開(kāi)始時(shí)稍有減小，繼而增加，超過(guò)它的初始體積砂土的應(yīng)力軸向應(yīng)變體變 隨著軸向應(yīng)變的增加砂土的應(yīng)力軸向應(yīng)變體變砂土在低周圍壓力下由于初始孔隙比的不同，剪破時(shí)的體積可能小于初始體積，也可能大于初始體積，則可以想象，砂土在某一初始孔隙比下受剪，它剪破時(shí)的體積將等于其初始體積，這一初始孔隙比稱為臨界孔隙比。 砂土的臨界孔隙比將隨周圍壓力的增加而減小砂土的應(yīng)力軸向應(yīng)變體變砂土在低周圍壓力下由于初始孔隙比的砂土的應(yīng)力軸向應(yīng)變體變飽和砂土

16、在低周圍壓力下受剪時(shí)，如果不允許它得體積發(fā)生變化，則緊砂為抵抗剪脹的趨勢(shì)，將通過(guò)調(diào)整土體內(nèi)部應(yīng)力，產(chǎn)生負(fù)孔隙水壓力，使周圍壓力增加，以保持體積不變松砂為抵抗體積縮小的趨勢(shì)，將產(chǎn)生正孔隙水壓力，是周圍壓力減小，以保持體積不變。砂土的應(yīng)力軸向應(yīng)變體變飽和砂土在低周圍壓力下受剪時(shí)，如果砂土的殘余強(qiáng)度砂土的殘余強(qiáng)度砂土的液化液化：任何物質(zhì)轉(zhuǎn)化為液體的行為或過(guò)程砂土液化：砂土在突發(fā)的動(dòng)荷載作用下，不能在短時(shí)間排水固結(jié)，為抵抗剪力引起的體積縮小的趨勢(shì)，將產(chǎn)生很大的孔隙水壓力，從而導(dǎo)致土體的抗剪能力完全喪失的現(xiàn)象。砂土的液化液化：任何物質(zhì)轉(zhuǎn)化為液體的行為或過(guò)程粘性土的剪切性狀飽和重塑土飽和粘性土試樣的抗剪強(qiáng)

17、度除受固結(jié)程度和排水條件影響外，在一定程度上還受它的應(yīng)力歷史的影響粘性土的剪切性狀飽和重塑土正常固結(jié)土UU試驗(yàn)u0=0ccu133u2q=1 3正常固結(jié)土UU試驗(yàn)u0=0ccu133u2正常固結(jié)土UU試驗(yàn)u3=c+ 31 =c+ 3+q正常固結(jié)土UU試驗(yàn)u3=c+ 31 =c+正常固結(jié)土UU試驗(yàn)正常固結(jié)土UU試驗(yàn)正常固結(jié)土UU試驗(yàn)正常固結(jié)土UU試驗(yàn)正常固結(jié)土CU試驗(yàn)正常固結(jié)土CU試驗(yàn)正常固結(jié)土CU試驗(yàn)正常固結(jié)土CU試驗(yàn)正常固結(jié)土CD試驗(yàn)正常固結(jié)土CD試驗(yàn)正常固結(jié)土CD試驗(yàn)正常固結(jié)土CD試驗(yàn)三種試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比三種試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比超固結(jié)粘土UU試驗(yàn)超固結(jié)飽和粘土的試驗(yàn)方法與正常固結(jié)土的情況完全相同。它們的試驗(yàn)結(jié)果主要不同點(diǎn)在于：對(duì)試驗(yàn)施加的周圍壓力即初始有效固結(jié)應(yīng)力小于原位應(yīng)力，體現(xiàn)試驗(yàn)剪前為超固結(jié)狀態(tài)。超固結(jié)飽和粘土在受剪過(guò)程中表現(xiàn)出類似緊砂的特征，即開(kāi)始稍有剪縮，接著體積膨脹。因而便在試樣內(nèi)部先出現(xiàn)正的孔隙水應(yīng)力，繼而減小。超固結(jié)粘土UU試驗(yàn)超固結(jié)飽和粘土的試驗(yàn)方法與正常固結(jié)土的情超固結(jié)粘土UU試驗(yàn)超固結(jié)粘土UU試驗(yàn)超固結(jié)粘土UU試驗(yàn)超固結(jié)粘土UU試驗(yàn)超固結(jié)粘土CU試驗(yàn)超固結(jié)粘土CU試驗(yàn)超固結(jié)粘土CU試驗(yàn)超固結(jié)粘土CU試驗(yàn)超固結(jié)粘土CD試驗(yàn)超固結(jié)粘土CD試驗(yàn)超固結(jié)粘土CD試驗(yàn)超固結(jié)粘土CD試驗(yàn)三種試