1、第六章第六章 土壤的剪力強度土壤的剪力強度土壤力學導論土壤力學導論沈國瑞沈國瑞 編著編著6-1土壤的應力土壤的應力應變曲線應變曲線l緊砂或硬粘土呈A曲線形態。l鬆砂或軟粘土呈B曲線形態。強度相關定義 l剪力強度剪力強度（Shear strength）：為土壤內部形成破壞滑動面時，對滑動面剪應力之抵抗能力。l尖峰強度尖峰強度（Peak strength）：土壤應力應變曲線上尖峰點處之剪力強度。l殘餘強度殘餘強度（Residual strength）：土壤在形成大應變後仍保有之剪力強度。6-2-1 摩爾摩爾庫倫破壞準則庫倫破壞準則lc為內聚力（cohesion）l為摩擦角（friction ang
2、le）tanffffc土壤的極限平衡狀態下主應力關係土壤的極限平衡狀態下主應力關係 6-3剪力強度的室內試驗剪力強度的室內試驗l6-3-1直接剪力試驗直接剪力試驗6-12直剪排水及不排水破壞包絡線比較直剪排水及不排水破壞包絡線比較 例題例題6-3-2l直接剪力試驗結果如下表(a)，試求C、值。依以上所得試驗結果判斷以下表(b)所示三組應力，何組會造成破壞 例題例題6-3-2例題例題6-3-3l砂進行直剪試驗，於破壞時正向應力 6400psf，剪應力4200psf求(a)內摩擦角(b)破壞時之主應力(c)主應力平面方向。例題例題6-3-36-3-2 三軸三軸壓縮壓縮試驗試驗1.壓密排水試驗壓密排
3、水試驗(CD試驗試驗)壓密排水壓密排水試驗結果試驗結果 壓密排水壓密排水試驗結果試驗結果壓密排水壓密排水試驗結果試驗結果l應力軌跡 壓密排水壓密排水（CD）試驗結果之應用）試驗結果之應用 l土石壩水庫滲流為定常狀態（Steady seepage）l自然邊坡穩定問題 l砂性土壤因其透水性高，除地震或爆破等動力作用情況外，以排水試驗之結果，使用有效應力分析法 例題例題6-3-11l某一正常壓密性粘土承受某一高樓興建工程，其施工期間甚長，當該高樓興建快至完工時，該粘土層發生剪力破壞若已知該粘土層之平均有效圍壓為270kN/m2而導致該粘土層發生剪力破壞，所增加之垂直應力經核算270kN/m2式求該土
4、層之凝聚力C與抗剪角=?該土層之剪力破壞面與最大主應力之夾角=?該剪力破壞面之有效正應力與剪應力f=?例題例題6-3-11例題例題6-3-11壓密不排水試驗壓密不排水試驗(CU試驗試驗)壓密不排水壓密不排水CU試驗結果試驗結果 壓密不排水壓密不排水CU試驗結果試驗結果壓密不排水壓密不排水CU試驗結果試驗結果壓密不排水（壓密不排水（CU）試驗結果之應用）試驗結果之應用 l不透水性滾壓填土於急速洩降之穩定性分析。l粘土之自然斜坡於急速洩降之穩定性分析。l粘土之坑或溝於急速洩降之穩定性分析。例題例題6-3-18l某正常壓密粘土之cu=25，=30，若此粘土試體進行三軸壓密不排水壓縮試驗(CU tes
5、t)，在 200 kN/m2之有效應力壓密完成後，進行軸向加壓之不排水試驗，求試體破壞時之最大軸向應力及超額孔隙壓力各為多少?若此粘土試體在200 kN/m2有效應力壓密完成後，進行軸向解壓密之伸張試驗，則試體破壞時之軸向應力及超額孔隙水壓各為多少?例題例題6-3-18例題例題6-3-21l已知有二個飽和正常壓密粘土之不擾動土樣，分別用來進行三軸壓密不排水試驗及壓密排水試驗。已知壓密不排水試驗的圍壓為4.0 kg/cm2，破壞時的軸向應力為8.0 kg/cm2，破壞時的超額孔隙水壓力為 2.0 kg/cm2。試問進行壓密排水試驗時，當圍壓為3.0 kg/cm2，試體破壞時之軸壓應為多少?例題例
6、題6-3-21孔隙水壓力參數孔隙水壓力參數 飽和不壓密不排水試驗飽和不壓密不排水試驗(SUU試驗試驗)飽和不壓密不排水試驗結果飽和不壓密不排水試驗結果 飽和不壓密不排水試驗結果飽和不壓密不排水試驗結果飽和不壓密不排水（飽和不壓密不排水（SUU）結果之應用）結果之應用 l飽和黏上上其承載之構造物，如房屋或壩剛完成時，其承載力之狀況；l開挖底面隆起之穩定性；l短期之開挖面及土壓力問題。例題例題6-3-31l飽和砂在圍壓60lb/in2下進行壓密，隨後在不排水情況下增加軸向應力，當軸差應力達到50lb/in2時土樣破壞，在破壞時孔隙水壓為41.351b/in2求cu若砂壓密完成後，不令其排水增加圍壓
7、至100lb/in2，再加軸向應力，亦不讓其排水，則砂破壞時之總應力1，3與孔隙水壓各為若干?例題例題6-3-31例題例題6-3-31例題例題6-3-31有效覆土應力與不排水強度之關係有效覆土應力與不排水強度之關係 l經驗公式 例題例題6-3-36l如圖所示某工址土層分佈情形:茲從地表下7m處取黏土試樣，於實驗室進行壓密試驗並測得其預壓密壓力Pc約85 kN/m2，試估算此深度黏土之不排水剪力強度。例題例題6-3-36例題例題6-3-44l圖示一土壤剪力強度試驗結果，以試驗時之總應力表示其強度關係(a)A、B、C 三種關係各為伺種試驗結果?(b)此土壤是否屬於正常壓密土壤?為什麼?(c)一骰考
8、慮工程剛完成時之設計應使用那種強度?為什麼?6-3-3單軸壓縮試驗單軸壓縮試驗(無圍壓縮試驗無圍壓縮試驗)l在理論上，相似飽和粘土試樣的無圍壓縮試驗與不壓密-不排水三軸試驗應得相同的Cu值。但實際上，飽和粘土在無圍壓縮試驗所得的Cu值，略小於UU試驗所得值。例題例題6-3-50l對一泥質黏土(silty clay)進行不排水直接剪力試驗，得到數據如下:(一)試求此泥貿黏土之凝聚力及內摩擦角。(二)若以相同土壤進行無圍壓縮試驗，試求其剪力強度。(三)若以相同土壤，在圍壓250kN/m2作用下，進行不排水三軸壓縮試驗，試求破壞時之軸向總應力例題例題6-3-506-4-1動力現地貫入試驗動力現地貫入
9、試驗-標準貫入試驗標準貫入試驗 l標準貫入試驗以 140 1b 之重錘，以30吋之自由落高，垂直的將附於鑽桿上之劈管打入土中18吋，計算其打擊12吋總共的打擊數，即N值，同時再取出劈管可提供試料，供行簡單的試驗。6-4-2靜力現地貫入試驗靜力現地貫入試驗-荷式錐貫入試驗荷式錐貫入試驗 l靜力貫入試驗，係量測土壤內某點受靜力，或緩慢施加外力作用下之阻抗。多數之試驗端部為30至90角錐，徑直在3.6至5公分之譜。圖6-35為吾人所熟知的荷式錐貫入試驗(Dutch Cone penetrometer)(CPT)6-4-4 十字片剪試驗十字片剪試驗l十字剪力試驗(Van Shear Test)(VST
10、)適用於試驗室或現地之軟弱至硬實黏土 例題例題6-4-2l使用兩套直徑相同而長度不同的十字片剪作同深度粘土層水平與垂直剪力試驗，結果如下:lA片剪 50mm直徑，150mm長，T1=478 kg-mlB片剪50mm直徑，50mm長，T2=239 kg-m求粘土層水平與垂直面上的Cu值。例題例題6-4-26-5應力軌跡線應力軌跡線kf與強度包絡線之關係與強度包絡線之關係t ansi ncosca 6-6 土壤液化土壤液化(S0il Liquefaction)l鬆砂受反復載重時，孔隙水壓上升，使砂土逐漸成為液態，剩餘剪力強度降到某一值，稱為液化。l影響土壤液化潛能之因素(A)外力因素:地震規模 地
11、震延時 地表加速度。(B)現地土壤特性:土壤種類土壤顆粒特性地下水位等。6-6-2液化潛能分析液化潛能分析-Seed法法l計算可能液化深度之總覆土壓力0與有效覆土壓力0。l選擇現地之地表最大加速度Amax。l決定應力折減係數rd avgAgdr0000 65.()()m ax液化潛能分析液化潛能分析-Seed法法l決定修正標準貫入試驗值Nl 液化潛能分析液化潛能分析-Seed法法l決定發生初始液化時之剪應力比/0 l計算安全係數FSFsavg006-6-4 砂土液化之防止方法砂土液化之防止方法lA.置換法置換法lB.降低地下水位法降低地下水位法lC.增加有效覆土壓力增加有效覆土壓力lD.夯實法夯實法 lE.礫石椿礫石椿lF.化學固結化學固結lG.基礎設計基礎設計
