1、第五章第五章 土的抗剪强度和地基承载力土的抗剪强度和地基承载力v土的抗剪强度v土的极限平衡条件v抗剪强度指标的确定(直剪，三轴，十字板）v地基的临塑荷载和极限荷载v地基承载力的确定第一节、土的抗剪强度土的抗剪强度：土的抗剪强度：是指土体对于外荷载所产生的剪应力的极是指土体对于外荷载所产生的剪应力的极 限抵抗能力。限抵抗能力。 变形破坏变形破坏 沉降、位移、不均匀沉降等超过规定限值沉降、位移、不均匀沉降等超过规定限值(已学已学)地基破坏地基破坏 强度破坏强度破坏 地基整体或局部滑移、隆起，地基整体或局部滑移、隆起， 土工构筑物失稳、土工构筑物失稳、 滑坡滑坡土体强度破坏的机理：土体强度破坏的机理
2、： 在外荷载作用下，土体中将产生剪应力和剪切变形，当土在外荷载作用下，土体中将产生剪应力和剪切变形，当土中某点由外力所产生的剪应力达到土的抗剪强度时，土就沿着中某点由外力所产生的剪应力达到土的抗剪强度时，土就沿着剪应力作用方向产生相对滑动，该点便发生剪应力作用方向产生相对滑动，该点便发生剪切破坏。剪切破坏。F 土体强度及其特点土体强度及其特点F 工程中土的强度问题工程中土的强度问题 土的抗剪强度土的抗剪强度 土的强度的特点土的强度的特点 各种类型的滑坡各种类型的滑坡(sliding) 挡土和支护结构的破坏挡土和支护结构的破坏 地基的破坏地基的破坏 砂土的液化砂土的液化(liquefaction
3、) 1. 建筑物地基承载力问题建筑物地基承载力问题 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形 甚至倾覆。甚至倾覆。 1.建筑物地基承载力问题(图1)地基地基P滑裂面滑裂面地基的破坏地基的破坏 建筑物地基承载力问题(图2)某谷仓地基的破坏某谷仓地基的破坏锚固破坏锚固破坏整体滑动整体滑动底部破坏底部破坏土体下沉土体下沉墙体折断墙体折断挡土支护结构的破坏挡土支护结构的破坏2. 构筑物环境的安全性问题即土压力问题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，导致挡
4、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，导致墙体滑动、倾覆或支护结构破坏事故墙体滑动、倾覆或支护结构破坏事故 。 2.构构筑筑物物环环境境的的安安全全性性问问题题即即土土压压力力问问题题广州京光广场基坑塌方使基坑旁办公室、民工宿舍使基坑旁办公室、民工宿舍和仓库倒塌，死和仓库倒塌，死3人，伤人，伤17人人各种类型的滑坡各种类型的滑坡崩塌崩塌平移滑动平移滑动旋转滑动旋转滑动流滑流滑滑裂面滑裂面3. 土工构筑物的稳定性问题土工构筑物的稳定性问题 土坝、路堤等填方边坡以及天然土坡等，在超载、渗流乃至暴雨作用下引起土体强土坝、路堤等填方边坡以及天然土坡等，在超载、渗流乃至暴雨作用下引
5、起土体强度破坏后将产生整体失稳边坡滑坡等事故。度破坏后将产生整体失稳边坡滑坡等事故。u19941994年年4 4月月3030日日u崩塌体积崩塌体积400400万方，万方，1010万方万方进入乌江进入乌江u死死4 4人，伤人，伤5 5人，失踪人，失踪1212人；人；击沉多艘船只击沉多艘船只u19941994年年7 7月月2-32-3日降雨引起再日降雨引起再次滑坡次滑坡u滑坡体崩入乌江近百万方；滑坡体崩入乌江近百万方；江水位差数米，无法通航。江水位差数米，无法通航。乌江武隆鸡冠乌江武隆鸡冠岭岭山体崩塌山体崩塌大阪的港口码头挡土墙由于液化前倾大阪的港口码头挡土墙由于液化前倾4. 砂土的液化问题砂土的
6、液化问题砂土的液化砂土的液化(liquefaction)日本新泻日本新泻1964年地震引起大面积液化年地震引起大面积液化F 土压力土压力F 边坡稳定性边坡稳定性F 地基承载力地基承载力F 振动液化特性振动液化特性n 挡土结构物破坏挡土结构物破坏n 各种类型的滑坡各种类型的滑坡n 地基的破坏地基的破坏n 砂土的液化砂土的液化核心问题核心问题:土体的强度理论土体的强度理论土的破坏准则土的破坏准则:土体在发生剪切破坏时应力组合关系土体在发生剪切破坏时应力组合关系称为土的破坏准则。称为土的破坏准则。第二节、土的极限平衡条件土的抗剪强度理论摩尔库仑破坏理论土的抗剪强度理论摩尔库仑破坏理论土的极限平衡状态
7、土的极限平衡状态：当土体剪应力等于土的抗剪强度时的临界：当土体剪应力等于土的抗剪强度时的临界状态状态土的极限平衡条件：土的极限平衡条件：土体处于极限平衡状态时土的应力状态和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。土的抗剪强度指标之间的关系式。1、库仑定律、库仑定律土的抗剪强度：土的抗剪强度：土体破坏时剪切面上的剪应力称为土的抗剪强度土体破坏时剪切面上的剪应力称为土的抗剪强度库仑库仑（C. A. CoulombC. A. Coulomb）(1736-1806)(1736-1806)法国军事工程师，在摩擦、电磁方法国军事工程师，在摩擦、电磁方面做出了奠基性的贡献。面做出了
8、奠基性的贡献。17731773年发年发表了关于土压力方面论文，成为土表了关于土压力方面论文，成为土压力的经典理论压力的经典理论剪切试验模拟剪切试验模拟17761776年，库仑根据年，库仑根据砂土砂土剪切试验剪切试验 f = tan 砂土砂土后来，根据后来，根据粘性土粘性土剪切试验剪切试验 f =c+ tan 粘土粘土c 库仑定律：库仑定律：在一般应力水平下，在一般应力水平下，土的抗剪强度与滑动面上的法向应土的抗剪强度与滑动面上的法向应力力 之间呈直线关系之间呈直线关系tanfcftan f f Ocn 库仑公式库仑公式：（：（17761776） f ： 土的抗剪强度（剪切破裂土的抗剪强度（剪切
9、破裂 面上的剪应力）面上的剪应力） tg ： 摩擦强度摩擦强度-正比于压力正比于压力 ： 土的内摩擦角土的内摩擦角 c： 粘聚强度粘聚强度-与所受压力无关与所受压力无关 tgcf土体抗剪强度来源与影响因素土体抗剪强度来源与影响因素摩擦力来源：摩擦力来源：滑动摩擦滑动摩擦-剪切面土粒间表面的粗糙所产生的摩擦剪切面土粒间表面的粗糙所产生的摩擦 咬合摩擦咬合摩擦-土粒间互相嵌入所产生的咬合力土粒间互相嵌入所产生的咬合力 粘聚力来源：粘聚力来源： 由土粒之间的胶结作用和电分子引力等因素形成由土粒之间的胶结作用和电分子引力等因素形成 抗剪强度影响因素：抗剪强度影响因素：摩擦力：摩擦力：剪切面上的法向总应
10、力、土的初始密度、土剪切面上的法向总应力、土的初始密度、土粒级配、土粒形状以及表面粗糙程度粒级配、土粒形状以及表面粗糙程度粘聚力：粘聚力：土中矿物成分、粘粒含量、含水量以及土的土中矿物成分、粘粒含量、含水量以及土的结构结构 上述法向应力采用总应力上述法向应力采用总应力 表示，称为抗剪强度的总应力表表示，称为抗剪强度的总应力表达式。达式。 当法向应力采用有效应力当法向应力采用有效应力 表示时，则称为抗剪强度的有效表示时，则称为抗剪强度的有效应力表达式。应力表达式。 根据根据有效应力原理有效应力原理，土中某点的总应力，土中某点的总应力 等于有效应力等于有效应力 和和孔隙水压力孔隙水压力u 之和，即
11、之和，即 而抗剪强度的有效应力表达式为：而抗剪强度的有效应力表达式为： 或或 式中式中 、 分别为分别为有效粘聚力有效粘聚力和和有效内摩擦角有效内摩擦角utanf ctan)(fuc c抗剪强度的第二种表达式：抗剪强度的第二种表达式： 抗抗剪剪强强度度的的第第二二种种表表达达式式土的抗剪强度指标土的抗剪强度指标Fc和和 是决定土的抗剪强度的两个指标，称是决定土的抗剪强度的两个指标，称为抗剪强度指标为抗剪强度指标当当 采用总应力时，称为采用总应力时，称为总应力抗剪强度指标总应力抗剪强度指标当当 采用有效应力时，称为采用有效应力时，称为有效应力抗剪强度指标有效应力抗剪强度指标对无粘性土通常认为，粘
12、聚力对无粘性土通常认为，粘聚力C=0n 库仑公式库仑公式: : tgcf土体抗剪强度来源与影响因素土体抗剪强度来源与影响因素摩擦力来源：摩擦力来源：滑动摩擦滑动摩擦-剪切面土粒间表面的粗糙所产生的摩擦剪切面土粒间表面的粗糙所产生的摩擦 咬合摩擦咬合摩擦-土粒间互相嵌入所产生的咬合力土粒间互相嵌入所产生的咬合力 粘聚力来源：粘聚力来源： 由土粒之间的胶结作用和电分子引力等因素形成由土粒之间的胶结作用和电分子引力等因素形成 抗剪强度影响因素：抗剪强度影响因素：摩擦力：摩擦力：剪切面上的法向总应力、土的初始密度、土剪切面上的法向总应力、土的初始密度、土粒级配、土粒形状以及表面粗糙程度粒级配、土粒形状
13、以及表面粗糙程度粘聚力：粘聚力：土中矿物成分、粘粒含量、含水量以及土的土中矿物成分、粘粒含量、含水量以及土的结构结构摩摩 擦擦 强强 度度n 摩擦强度：摩擦强度：决定于剪切面上的正应力决定于剪切面上的正应力和土的内摩擦角和土的内摩擦角 由颗粒之间发生滑动时颗粒接触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，级配等因素有关状，矿物组成，级配等因素有关0.02 0.06 0.2 0.6 230 20 颗粒直径颗粒直径 (mm)滑动摩擦角滑动摩擦角 u粗粉粗粉 细砂细砂 中砂中砂 粗砂粗砂 滑动摩擦滑动摩擦 咬合摩擦咬合摩擦 包括如下两个包括如下
14、两个组成部分组成部分 ： 滑动摩擦滑动摩擦n 摩擦强度：摩擦强度：决定于剪切面上的正应力决定于剪切面上的正应力和土的内摩擦角和土的内摩擦角 滑动摩擦滑动摩擦 咬合摩擦咬合摩擦 包括如下两个包括如下两个组成部分组成部分 ：是指相邻颗粒对于相对移动的约束作用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，跨越相邻颗粒必须抬起，跨越相邻颗粒B，或在尖角处，或在尖角处被剪断（被剪断（C），才能移动），才能移动 土体中的颗粒重新排列，也会消耗能量土体中的颗粒重新排列，也会消耗能量 咬合摩擦咬合摩擦CABCAB剪切面剪切面摩摩 擦擦 强强
15、度度摩摩 擦擦 强强 度度F密度密度F粒径级配粒径级配F颗粒的矿物成分颗粒的矿物成分F粒径的形状粒径的形状F粘土颗粒表面的吸附水膜粘土颗粒表面的吸附水膜n 影响土的摩擦强度的主要因素影响土的摩擦强度的主要因素: :凝凝 聚聚 强强 度度n 细粒土：细粒土：粘聚力粘聚力c取决于土粒间的各种物理化学作用力取决于土粒间的各种物理化学作用力F作用机理：库伦力（静电力）、范德华力、作用机理：库伦力（静电力）、范德华力、 胶结作用力和毛细力等胶结作用力和毛细力等F影响因素：地质历史、粘土颗粒矿物成分、影响因素：地质历史、粘土颗粒矿物成分、 密度与离子浓度密度与离子浓度n 粗粒土：粗粒土：一般认为是无粘性土
16、，不具有粘聚强度：一般认为是无粘性土，不具有粘聚强度：F 当粗间有胶结物质存在时可具有一定的粘聚强度当粗间有胶结物质存在时可具有一定的粘聚强度F 非饱和砂土，粒间受毛细压力，具有假粘聚力非饱和砂土，粒间受毛细压力，具有假粘聚力2。莫尔破坏包线（抗剪强度包线）。莫尔破坏包线（抗剪强度包线）土体破坏时剪切破坏，土体破裂面上的抗剪强度土体破坏时剪切破坏，土体破裂面上的抗剪强度 f f是该面上作是该面上作用的法向应力用的法向应力 的单值函数的单值函数 f f=f(=f( ) ,) ,该函数所定义的曲线，该函数所定义的曲线，称为莫尔破坏包线称为莫尔破坏包线（莫尔：（莫尔：1900年），年），某土单元的任
17、一个平面上某土单元的任一个平面上 = = f f ，该单元就达到了极限平衡应，该单元就达到了极限平衡应力状态力状态莫尔库仑破坏理论：莫尔库仑破坏理论：在一定的应力范围内，可以用库仑强度公式近似表示在一定的应力范围内，可以用库仑强度公式近似表示摩尔破坏包线，即土的抗剪强度与法向应力呈线性函数关系摩尔破坏包线，即土的抗剪强度与法向应力呈线性函数关系 f=c+ tg 。这种以。这种以库仑公式作为抗剪强度公式、根据剪应力是否达到抗剪强度作为破坏标准的理库仑公式作为抗剪强度公式、根据剪应力是否达到抗剪强度作为破坏标准的理论称为摩尔库仑破坏理论论称为摩尔库仑破坏理论f f=f(=f() )f fB BC
18、CA A3、莫尔库仑破坏准则极限平衡条件、莫尔库仑破坏准则极限平衡条件（1）、土体中任一点的应力状态）、土体中任一点的应力状态F 应力状态与莫尔圆应力状态与莫尔圆F 极限平衡应力状态极限平衡应力状态F 莫尔莫尔- -库仑强度理论库仑强度理论F 破坏判断方法破坏判断方法F 滑裂面的位置滑裂面的位置v土体内一点处土体内一点处不同方位不同方位的截面上应力的集合的截面上应力的集合（剪应（剪应力力 和法向应力和法向应力 ） 莫尔圆应力分析符号规定莫尔圆应力分析符号规定z x xz zx n 材料力学材料力学+-正应力正应力剪应力剪应力拉为正拉为正压为负压为负顺时针为正顺时针为正逆时针为负逆时针为负z x
19、 xz zx +-n 土力学土力学压为正压为正拉为负拉为负逆时针为正逆时针为正顺时针为负顺时针为负 3 3 1 1 3 1 dsdscos dssin 楔体静楔体静力平衡力平衡0cossinsin3dsdsds0sincoscos1 dsdsds2cos212131312sin213123122312121 3 1 dsdscos dssin 斜面上的应力斜面上的应力莫尔应力圆方程莫尔应力圆方程 O 1 3 ( 1 + 3 /2) 2 A( , )圆心坐标圆心坐标(1 +3 ) /2，0应力圆半径应力圆半径r(13 ) /2土中某点的土中某点的应力状态应力状态可用可用莫尔应力圆描述莫尔应力圆描
20、述 莫尔应力圆莫尔圆：单元的应力状态莫尔圆：单元的应力状态圆上点：一个面上的圆上点：一个面上的 与与 莫尔圆转角莫尔圆转角2 ：作用面转角：作用面转角 强度包线强度包线应力圆与强度线应力圆与强度线相切相切（与破坏包线相切）：与破坏包线相切）：有一个面上的应力达到破坏有一个面上的应力达到破坏应力圆与强度线应力圆与强度线相割相割（与破坏包线相交）与破坏包线相交）：有一些平面上的应力超过强度有一些平面上的应力超过强度极限应极限应力圆力圆f 破坏状态破坏状态 应力圆与强度线应力圆与强度线相离相离（强度包线以下）：强度包线以下）：任何一个面上的一对应力任何一个面上的一对应力 与与 都没有达到破坏包线，都
21、没有达到破坏包线，不破坏不破坏(2).土的极限平衡条件土的极限平衡条件 不可能发生不可能发生 莫尔库仑破坏准则莫尔库仑破坏准则 强度包强度包线线 v莫尔应力圆与库仑强度线相切的应力状态作为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土的破坏准则(目前判别土体所处状态的最常用准则目前判别土体所处状态的最常用准则) 莫尔库仑破坏准则莫尔库仑破坏准则 3 1c f2 fA c.cot ( 1 + 3 )/2313121cot21sinc245tan2245tan231ooc245tan2245tan213ooc无粘性土：无粘性土：c=0245tan231o245tan213oRDO 3131
22、sin f2 f 3 1c A cctg 1/2( 1 + 3 )2459021f45max说明：说明：剪破面并不产生于最大剪应力面，而与最大剪破面并不产生于最大剪应力面，而与最大剪应力面成剪应力面成 / 2的夹角，可知，土的剪切破坏并不是的夹角，可知，土的剪切破坏并不是由最大剪应力由最大剪应力max所控制所控制。 maxv土体处于极限平衡状态时，破坏面与大主应力作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用面的夹角为 f 破坏面土单元是否破坏的判别土单元是否破坏的判别n根据极限平衡条件可以用来判别一点土体是否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已发生剪切破坏F
23、计算主应力计算主应力 1, 3：F 确定土单元体的应力状态（确定土单元体的应力状态（ x， z， xz）2xz2zxzx3, 1)2(2 F判别是否剪判别是否剪切破坏：切破坏： 由由 3 1f，比较，比较 1和和 1f 由由 1 3f，比较，比较 3和和 3f 由由 1 , 3 m，比较，比较 和和 m c f=c+ tg O土单元是否破坏的判别土单元是否破坏的判别)245(tgc2)245(tg23f1 F 1= 1f 极限平衡状态极限平衡状态 （破坏）（破坏）F 1 1f 不可能状态不可能状态 （破坏）（破坏） 1f 3n 方法一：方法一： 由由 3 1f，比较，比较 1和和 1f O c
24、 f=c+ tg 土单元是否破坏的判别土单元是否破坏的判别n 方法二：方法二： 由由 1 3f，比较，比较 3和和 3fF 3= 3f 极限平衡状态极限平衡状态 （破坏）（破坏）F 3 3f 安全状态安全状态F 3 3f 不可能状态不可能状态 （破坏）（破坏） 1 3f)245(tgc2)245(tg21f3 OO c m土单元是否破坏的判别土单元是否破坏的判别n 方法三：方法三： 由由 1 , 3 m，比较，比较 和和 mF m 不可能状态不可能状态 （破坏）（破坏） ctgc2sin3131mF处于极限平衡状态处于极限平衡状态所需的内摩擦角所需的内摩擦角 【例题例题】设砂土地基中某点的大主
25、应力设砂土地基中某点的大主应力1 1为为300kN/m300kN/m2 2，小主应力，小主应力3 3为为150kN/m150kN/m2 2，砂土的内摩擦角，砂土的内摩擦角为为25250 0，粘结力，粘结力c c为为0 0，问该点处于什么应，问该点处于什么应力状态？力状态？【解解】根据已知条件：根据已知条件：33. 015030050300sin3131m00255 .19)33. 0arcsin(m说明该点处于稳定状态说明该点处于稳定状态【例题例题】某土样内摩擦角某土样内摩擦角为为26260 0，黏结力，黏结力c c为为20kPa20kPa，承受，承受1为为448448kN/m2， 3为为15
26、0150kN/m2的应力的应力. .试判断该土样是否达到极限平衡。试判断该土样是否达到极限平衡。【解解】根据已知条件：根据已知条件：说明该点达到极限状态。说明该点达到极限状态。)245tan(2)245(tan00231 cfkPa448)58tan(202)58(tan150002【解答解答】已知已知 1=450kPa=450kPa， 3=150kPa=150kPa，c=20kPa=20kPa， =26=26o o 方法方法1 1：kPa1 .448245tan2245tan231oofc计算结果表明：计算结果表明： 1f接近该单元土体实际大主应力接近该单元土体实际大主应力 1，所以，该单元
27、土体处于极限平衡状态。所以，该单元土体处于极限平衡状态。 问题解答：问题解答：v【例】地基中某一单元土体上的大主应力为地基中某一单元土体上的大主应力为450kPa450kPa，小，小主应力为主应力为150kPa150kPa。通过试验测得土的抗剪强度指标。通过试验测得土的抗剪强度指标c c=20 =20 kPakPa， =26=26o o。试问该单元土体处于何种状态？单元。试问该单元土体处于何种状态？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？面发生剪破？七、例题分析1（方法1）kPa5 .150245tan2245tan2
28、13oofc计算结果表明：计算结果表明： 3f接近该单元土体实际小主应接近该单元土体实际小主应力力 3，该单元土体处于极限平衡状态，该单元土体处于极限平衡状态 。在剪切面上在剪切面上 582459021fkPa2.2342cos21213131fkPa8 .1342sin2131f库仑定律库仑定律 kPa2 .134tancf 由于由于f ，所以，该单元土体处于弹性平衡状态，所以，该单元土体处于弹性平衡状态 方法方法2 2： 例题分析1（方法2）方法方法3 3：作图法作图法 c 1 1f 3f实际应力圆实际应力圆极限应力圆极限应力圆最大剪应力与主应力作用面成最大剪应力与主应力作用面成4545o
29、 okPa15090sin2131max最大剪应力面上的法向应力最大剪应力面上的法向应力kPa30090cos21213131库仑定律库仑定律 kPa3 .166tancf最大剪应力面上最大剪应力面上f ，所以，不会沿剪应力最大的面发生破，所以，不会沿剪应力最大的面发生破坏坏 max问题解答：问题解答： 例题分析1（方法3）第三节、第三节、 抗剪强度指标的确定抗剪强度指标的确定测定仪器：测定仪器：直接剪切仪、三轴压缩仪、无侧限压力仪、十字直接剪切仪、三轴压缩仪、无侧限压力仪、十字 板剪切仪板剪切仪 v1. 1. 直接剪切试验直接剪切试验试验仪器：试验仪器：直剪仪（应力控制式，应变控制式）直剪仪
30、（应力控制式，应变控制式）抗剪强度指标：抗剪强度指标：c c、 直剪仪(图1) 直剪仪(图2) 直直剪剪切切试试验验模模拟拟v直剪切试验模拟直剪切试验模拟直剪试验直剪试验原理原理剪切前施加在试样顶面上的竖向剪切前施加在试样顶面上的竖向压力为剪破面上的法向应力压力为剪破面上的法向应力 ，剪应力为剪切力剪应力为剪切力T除以试样面积除以试样面积A在法向应力在法向应力 作用下，剪应力与剪切位移关系曲线，作用下，剪应力与剪切位移关系曲线，根据曲线得到该根据曲线得到该 作用下作用下，土的抗剪强度土的抗剪强度APATf2mm2mm a a b b 剪切位移剪切位移l (0.01mm)(0.01mm) 剪应力
31、剪应力 （kPa)kPa) 1 1 2 2 直直剪剪试试验验原原理理 土土的的抗抗剪剪强强度度包包线线v在不同的垂直压力在不同的垂直压力 下进行剪切试验，得相应的抗剪下进行剪切试验，得相应的抗剪强度强度f，绘制，绘制f - 曲线，得该土的抗剪强度包线曲线，得该土的抗剪强度包线 土的抗剪强度是与土受力后的排水固结状况有关。土的抗剪强度是与土受力后的排水固结状况有关。 直剪试验中采用不同加荷速率的试验方法来近似模直剪试验中采用不同加荷速率的试验方法来近似模拟土体在受剪时的不同排水条件，由此产生了三种不同的拟土体在受剪时的不同排水条件，由此产生了三种不同的直剪试验方法：直剪试验方法： 快剪快剪 固结
32、快剪固结快剪 慢剪慢剪 直剪试验方法分类直剪试验方法分类 直剪试验优缺点直剪试验优缺点v优点：优点：仪器构造简单，试样的制备和安装方便，仪器构造简单，试样的制备和安装方便，易于操作易于操作 v缺点：缺点：剪切破坏面固定为上下盒之间的水平面不符合剪切破坏面固定为上下盒之间的水平面不符合实际情况，不一定是土样的最薄弱面。实际情况，不一定是土样的最薄弱面。试验中不能严格控制排水条件，对透水性强的试验中不能严格控制排水条件，对透水性强的土尤为突出，不能量测土样的孔隙水压力。土尤为突出，不能量测土样的孔隙水压力。 上下盒的错动，剪切过程中试样剪切面积逐渐上下盒的错动，剪切过程中试样剪切面积逐渐减小，剪切
33、面上的剪应力分布不均匀减小，剪切面上的剪应力分布不均匀2. 2. 三轴压缩试验三轴压缩试验v仪器设备：压力室，加压系统，量测系统等组成。仪器设备：压力室，加压系统，量测系统等组成。 三轴压缩仪(图1) 三轴压缩仪(图2) 3 3 3 3 3 3 2.2.施加周围压力施加周围压力3.3.施加竖向压力施加竖向压力1.1.装样装样应力状态应力状态 试验基本步骤试验基本步骤: :（1）三轴不固结不排水试验（）三轴不固结不排水试验（UU试验）试验） 试样在试样在施加周围压力施加周围压力和随后和随后施加偏应力施加偏应力直至剪坏的整个试验过程中都直至剪坏的整个试验过程中都不不允许排水允许排水，即从开始加压直
34、至试样剪坏，土中的含水量始终保持不变，孔隙，即从开始加压直至试样剪坏，土中的含水量始终保持不变，孔隙水压力也不会消散。水压力也不会消散。 试验指标：试验指标：cu、三轴试验方法三轴试验方法: :u（2）三轴固结不排水试验（）三轴固结不排水试验（CU试验）试验） 试样先试样先施加周围压力排水固结，施加周围压力排水固结，随后随后施加偏应力施加偏应力直至剪坏的整个试验过直至剪坏的整个试验过程中程中不允许排水不允许排水。 试验指标：试验指标：ccu、cu（3）三轴固结排水试验（）三轴固结排水试验（CD试验）试验） 试样在试样在施加周围压力施加周围压力和随后和随后施加偏应力施加偏应力直至剪坏的整个试验过
35、程中均直至剪坏的整个试验过程中均允允许排水许排水。 试验指标：试验指标：cd、d 三三轴轴试试验验方方法法 三轴试验结果三轴试验结果抗剪强度包线抗剪强度包线抗剪强度包线抗剪强度包线 c v分别在不同的周围压力分别在不同的周围压力 3作用下进行剪切，得作用下进行剪切，得到到3 34 4 个不同的破坏应力圆，绘出各应力圆的个不同的破坏应力圆，绘出各应力圆的公切线公切线即为土的抗剪强度包线即为土的抗剪强度包线 有效应力圆有效应力圆总应力圆总应力圆 u u=0=0BCcu uAA 3A 1A饱和粘性土饱和粘性土在三组在三组 3 3下的不排水剪试验得到下的不排水剪试验得到A、B、C三个三个不同不同 3
36、3作用下破坏时的总应力圆作用下破坏时的总应力圆试验表明：试验表明：三个试样的周围压力三个试样的周围压力 3 3不同，但破坏时的主不同，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线是一条水平线三个试样只能得到三个试样只能得到一个有效应力圆一个有效应力圆 （1）不固结不排水剪（）不固结不排水剪（UU）v不同试验方法的剪切试验结果不同试验方法的剪切试验结果 （1）不不固固结结不不排排水水剪剪的的剪剪切切试试验验结结果果将总应力圆在水平轴上左移将总应力圆在水平轴上左移u uf f得到相应的有效应力得到相应的有效应力圆，按有
37、效应力圆强度包线可确定圆，按有效应力圆强度包线可确定c 、 ccuc cucu 饱和粘性土饱和粘性土在三组在三组 3 3下进行固结不排水剪试验得到下进行固结不排水剪试验得到A、B、C三个不同三个不同 3 3作用下破坏时的总应力圆，由总应力圆强度作用下破坏时的总应力圆，由总应力圆强度包线确定固结不排水剪总应力强度指标包线确定固结不排水剪总应力强度指标ccu、 cuABC（2）固结不排水剪（）固结不排水剪（CU） （2）固固结结不不排排水水剪剪的的剪剪切切试试验验结结果果在整个排水剪试验过程中，在整个排水剪试验过程中， uf 0 0，总应力全部转化为有，总应力全部转化为有效应力，所以总应力圆即是有
38、效应力圆，总应力强度线即效应力，所以总应力圆即是有效应力圆，总应力强度线即是有效应力强度线。强度指标为是有效应力强度线。强度指标为cd、 d d cd d d总结总结: :对于同一种土，在不同的排水条件下进行试验，总应力强度对于同一种土，在不同的排水条件下进行试验，总应力强度指标完全不同指标完全不同有效应力强度指标不随试验方法的改变而不同，抗剪强度与有效应力强度指标不随试验方法的改变而不同，抗剪强度与有效应力有唯一的对应关系有效应力有唯一的对应关系（3）固结排水剪（）固结排水剪（CD） （3）固固结结排排水水剪剪的的剪剪切切试试验验结结果果 三轴试验优缺点三轴试验优缺点v优点：优点：试验中能严
39、格控制试样排水条件，量测孔隙水压试验中能严格控制试样排水条件，量测孔隙水压力，了解土中有效应力变化情况力，了解土中有效应力变化情况试样中的应力分布比较均匀试样中的应力分布比较均匀 v缺点：缺点：试验仪器复杂，操作技术要求高，试样制备较复试验仪器复杂，操作技术要求高，试样制备较复杂杂 试验在试验在 2 2= = 3 3的轴对称条件下进行，与土体实际受的轴对称条件下进行，与土体实际受力情况可能不符力情况可能不符 3 3、无侧限抗压强度试验、无侧限抗压强度试验ququ加压加压框架框架量表量表量力环量力环升降升降螺杆螺杆无侧限压缩仪无侧限压缩仪无侧限抗压强度试验是三轴剪切试验的特例，对试样不无侧限抗压
40、强度试验是三轴剪切试验的特例，对试样不施加周围压力，即施加周围压力，即 3=0，只施加轴向压力直至发生破坏，只施加轴向压力直至发生破坏，试样在无侧限压力条件下，剪切破坏时试样承受的最大试样在无侧限压力条件下，剪切破坏时试样承受的最大轴向压力轴向压力qu，称为，称为无侧限抗压强度无侧限抗压强度 试试样样试验模拟试验模拟 无侧限压缩仪无侧限压缩仪根据试验结果只能作出一个极限应力圆（根据试验结果只能作出一个极限应力圆（ 3 3=0=0， 1 1= =qu）。因此对一般粘性土，无法作出强度包线）。因此对一般粘性土，无法作出强度包线 说明：说明：对于饱和软粘土，根据对于饱和软粘土，根据三轴不排水剪试验成
41、果，其强三轴不排水剪试验成果，其强度包线近似于一水平线，即度包线近似于一水平线，即 u u=0=0，因此无侧限抗压强度试，因此无侧限抗压强度试验适用于测定饱和软粘土的不验适用于测定饱和软粘土的不排水强度排水强度qucu u=02uufqc 无侧限抗压强度试验仪器构造简单，操作方便，无侧限抗压强度试验仪器构造简单，操作方便，可代替三轴试验测定饱和软粘土的不排水强度可代替三轴试验测定饱和软粘土的不排水强度 无无侧侧限限抗抗压压强强度度的的应应用用 灵敏度灵敏度uutqqS 反映土的结构反映土的结构受挠动对强度受挠动对强度的影响程度的影响程度 根据灵敏度将饱和粘性土分类：根据灵敏度将饱和粘性土分类：
42、低灵敏度土低灵敏度土 1St2中灵敏度土中灵敏度土 24v粘性土的原状土无侧限抗压强度与原土结构完全破粘性土的原状土无侧限抗压强度与原土结构完全破坏的重塑土的无侧限抗压强度的比值坏的重塑土的无侧限抗压强度的比值4 4、现场试验、现场试验十字板剪切试验十字板剪切试验 适用于现场测定饱和粘适用于现场测定饱和粘性土的不排水强度，性土的不排水强度，尤其适用于均匀的饱尤其适用于均匀的饱和软粘土和软粘土21maxMMM2324221DDMf22DDHMf322maxDHDMf柱体上下平面的柱体上下平面的抗剪强度产生的抗剪强度产生的抗扭力矩抗扭力矩柱体侧面剪应力柱体侧面剪应力产生的抗扭力矩产生的抗扭力矩假设
43、条件：剪应力均匀分布假设条件：剪应力均匀分布 fHv 抗剪强度计算方法抗剪强度计算方法土的强度指标的工程应用土的强度指标的工程应用F 有效应力指标还是总应力指标？有效应力指标还是总应力指标？F 三轴试验指标还是直剪试验指标？三轴试验指标还是直剪试验指标？土的强度指标的工程应用土的强度指标的工程应用n 有效应力指标与总应力指标有效应力指标与总应力指标F凡是可以确定（测量、计算）孔隙水压力凡是可以确定（测量、计算）孔隙水压力u u的情况，都应当使用有效应力指标的情况，都应当使用有效应力指标c c ， F采用总应力指标时，应根据现场土体可能采用总应力指标时，应根据现场土体可能的固结排水情况，选用不同
44、的总应力强度的固结排水情况，选用不同的总应力强度指标指标n 三轴试验指标与直剪试验指标三轴试验指标与直剪试验指标F应优先采用三轴试验指标应优先采用三轴试验指标F应按照不同土类和不同的固结排水条件，合理选用应按照不同土类和不同的固结排水条件，合理选用直剪试验指标直剪试验指标 土的强度指标的工程应用土的强度指标的工程应用 土的抗剪强度指标随试验方法、排水条件的不同而土的抗剪强度指标随试验方法、排水条件的不同而异，对于具体工程问题，应该尽可能根据现场条件决定异，对于具体工程问题，应该尽可能根据现场条件决定采用实验室的试验方法，以获得合适的抗剪强度指标采用实验室的试验方法，以获得合适的抗剪强度指标 试
45、验方法试验方法适用条件适用条件不排水剪或不排水剪或快剪快剪地基土的透水性和排水条件不良，建筑物地基土的透水性和排水条件不良，建筑物施工速度较快施工速度较快排水剪或慢排水剪或慢剪剪地基土的透水性好，排水条件较佳，建筑地基土的透水性好，排水条件较佳，建筑物加荷速率较慢物加荷速率较慢固结不排水固结不排水剪或固结快剪或固结快剪剪建筑物竣工以后较久，荷载又突然增大，建筑物竣工以后较久，荷载又突然增大，或地基条件等介于上述两种情况之间或地基条件等介于上述两种情况之间抗剪强度指标的选用抗剪强度指标的选用 周围压力周围压力 3/ kPa 1/ kPauf / kPa6060100100150150143143
46、220220313313232340406767 例题分析2v【例2】对某种饱和粘性土做固结不排水试验，三个对某种饱和粘性土做固结不排水试验，三个试样破坏时的大、小主应力和孔隙水压力列于表中，试样破坏时的大、小主应力和孔隙水压力列于表中，试用作图法确定土的强度指标试用作图法确定土的强度指标c ccucu、 cucu和和c c 、 【解答解答】按比例绘出三个总应力极限应力圆，如图所示，再绘按比例绘出三个总应力极限应力圆，如图所示，再绘出总应力强度包线出总应力强度包线 按由按由 1 1= 1 1- - u uf， 3 3= 3 3- - u uf ，将总应力圆在水，将总应力圆在水平轴上左移相应的平
47、轴上左移相应的u uf即得即得3 3个有效应力极限莫尔圆，个有效应力极限莫尔圆，如图中虚线圆，再绘出有效应力强度包线如图中虚线圆，再绘出有效应力强度包线 c ccu根据强度包线得到：根据强度包线得到：ccu= 10 kPa， c u=18o c = 6 kPa，、 =27o cucu (kPa)100 (kPa)100300200400 解答第四节、地基的临塑荷载和极限荷第四节、地基的临塑荷载和极限荷载载一、地基破坏的类型一、地基破坏的类型地基破坏地基破坏承载力不足引起的剪切破坏承载力不足引起的剪切破坏剪切破坏形式剪切破坏形式整体剪切破坏、局部剪切破坏、冲剪破坏整体剪切破坏、局部剪切破坏、冲剪
48、破坏1.整体剪切破坏整体剪切破坏（土质坚实，基础埋深浅）（土质坚实，基础埋深浅）：（1）p-s曲线有明显直线段、曲线段与陡降段；曲线有明显直线段、曲线段与陡降段；（2）破坏从基础边缘开始，滑动面贯通到地表）破坏从基础边缘开始，滑动面贯通到地表（3）基础两侧土体有明显隆起）基础两侧土体有明显隆起（4）破坏时，基础急剧下沉或向一边倾倒。）破坏时，基础急剧下沉或向一边倾倒。2.2.局部剪切破坏局部剪切破坏（松软地基，埋深较大）（松软地基，埋深较大）：介于整体剪切破坏与冲剪破坏之间介于整体剪切破坏与冲剪破坏之间1 1）p-sp-s曲线一开始就呈非线性关系曲线一开始就呈非线性关系2 2）地基破坏也是从基
49、础边缘开始，但滑动面未延伸到地）地基破坏也是从基础边缘开始，但滑动面未延伸到地 表，而是中止在地基内部某一位置表，而是中止在地基内部某一位置3 3）基础两侧土体有微微隆起，不如整体剪切破坏时明显）基础两侧土体有微微隆起，不如整体剪切破坏时明显4 4）基础一般不会发生倒塌或倾斜破坏。）基础一般不会发生倒塌或倾斜破坏。3.3.冲剪破坏冲剪破坏（土质软弱，埋深较大，基础刚度大）（土质软弱，埋深较大，基础刚度大） ：破坏时形态接近于沿基础边缘的垂直剪切破坏，好像基础破坏时形态接近于沿基础边缘的垂直剪切破坏，好像基础“切切入入”土中土中1 1）基础发生垂直剪切破坏，地基内部不形成连续的滑动面）基础发生垂
50、直剪切破坏，地基内部不形成连续的滑动面2 2）基础两侧土体不但没有隆起现象，还随基础切入微微下沉）基础两侧土体不但没有隆起现象，还随基础切入微微下沉3 3）基础破坏时只伴随过大沉降，没有倾斜的发生）基础破坏时只伴随过大沉降，没有倾斜的发生地基破坏形式的影响因素地基破坏形式的影响因素1 1）土的压缩性：）土的压缩性：2 2）基础埋深及加荷速率）基础埋深及加荷速率地基承载力：地基承受荷载的能力地基承载力：地基承受荷载的能力现场荷载试验表明：地基从开始发生变形到失去稳定的发展过程，典型现场荷载试验表明：地基从开始发生变形到失去稳定的发展过程，典型的的S SP P曲线可以分成顺序发生的三个阶段，即压密
