1、概概 述述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)挡土墙挡土墙滑裂面滑裂面基坑支基坑支护护边坡边坡滑裂面滑裂面加拿大特朗斯康谷仓地基整体破坏 地基地基p滑裂面滑裂面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
2、坏挡土支护结构的破坏地基的破坏地基的破坏地基地基P滑裂面滑裂面喷砂遗井喷砂遗井松砂层松砂层地下水位地下水位地震荷载地震荷载建筑物建筑物喷喷 砂砂地面下沉地面下沉喷砂喷砂遗井遗井排出的剩排出的剩余孔隙水余孔隙水地震前地震前 液化时液化时 液化后液化后n 建筑物地基的液化建筑物地基的液化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6.1 概概 述述Section 1 Introduction1.
3、1.土体的破坏形式土体的破坏形式剪切破坏剪切破坏Failure mode of soilsshear failure（图（图6-1）Ts=ATf=f A2.2.土的土的抗剪强度抗剪强度 Shear strength of soils土体破坏时其破坏面上能够土体破坏时其破坏面上能够承受的最大剪应力承受的最大剪应力图6-2，6-33.3.水工建筑物中常见的土体和地基的失稳形式水工建筑物中常见的土体和地基的失稳形式（图（图6-2）Common stability loss mode of soil and foundation in hydraulic structures4.4.土的应力应变关系土
4、的应力应变关系本构关系本构关系 Relationship between stress and strain Constitutive relationship（图（图6-3）6.2 莫尔一库伦强度理论莫尔一库伦强度理论Section 2 Mohr-Coulomb strength theory 6.2.1 土的抗剪强度定律（土的抗剪强度定律（Law of shear strength）1.1.库伦抗剪强度公式库伦抗剪强度公式(Coulomb shear strength formula)（1）砂土）砂土 f tg（2）粘性土）粘性土 f tg+c 式中，式中，c 为粘聚力为粘聚力(Cohes
5、ion)为内摩擦角为内摩擦角 (Angle of internal friction)2.2.有效应力形式有效应力形式(Effective stress form)（1）砂土）砂土 f tg （2）粘性土）粘性土 f tg+c(6-1)(6-2)(6-3)法国军事工程师，在摩法国军事工程师，在摩擦、电磁方面做出了奠擦、电磁方面做出了奠基性的贡献。基性的贡献。17731773年发年发表了关于土压力方面论表了关于土压力方面论文，成为土压力的经典文，成为土压力的经典理论理论库仑（C.A.Coulomb）(1736-1806)6.2.2莫尔莫尔库伦强度理论库伦强度理论 Mohr-Coulomb str
6、ength theory1.1.莫尔应力圆与库伦强度包线莫尔应力圆与库伦强度包线（图（图6-4）Mohr stress circle and Coulomb strength envelope(6-4)sin)(21cos)(213131c2.2.中主应力中主应力2 2 对强度的影响对强度的影响 Effect of intermediate principal stress on strength 对排水剪几乎无影响，但对不排水剪有较大的影响对排水剪几乎无影响，但对不排水剪有较大的影响 Nearly no effect for CD test,but has effect for UU tes
7、t粘性土粘聚力的存在是客观的。在正常固结情粘性土粘聚力的存在是客观的。在正常固结情况下，粘聚力况下，粘聚力c c随随 增加而增加，从而使其增加而增加，从而使其隐含隐含在摩擦强度之内在摩擦强度之内c c和和 在物理意义上并不严格在物理意义上并不严格“真实真实”地反映粘地反映粘聚和摩擦两个抗剪强度分量，而通常是聚和摩擦两个抗剪强度分量，而通常是“你中你中有我，我中有你有我，我中有你”，从而，从而失去其物理意义，变失去其物理意义，变成仅为计算参数的含义成仅为计算参数的含义思考题：思考题：c=0是否意味着正常固结粘土无粘聚力是否意味着正常固结粘土无粘聚力?6.3 一点的极限平衡条件一点的极限平衡条件S
8、ection 3 Limit equilibrium condition at random point6.3.1 土体中一点的应力状态（图土体中一点的应力状态（图6-5）Stress state at random point in soil1.1.任一截面上的法向应力和剪应力任一截面上的法向应力和剪应力 Normal stress and shear stress on random section2.2.用莫尔应力圆表示（图用莫尔应力圆表示（图6-66-6）Stress state denoted by Mohr stress circle(6-5)2sin)(212cos)(21)(2
9、1313131(6-5)Limit equilibrium condition 1.土体中某点的强度状态土体中某点的强度状态(图图6-7)Strength state at random point in soil（1）f，土体已剪坏，土体已剪坏相割相割(Secant)（3）f，土体处于极限平衡状态，土体处于极限平衡状态 相切相切(Tangent)2.极限平衡状态的条件式极限平衡状态的条件式 Conditional expression of limit equilibrium state f c+tg(6-6)极限平衡条件极限平衡条件应力莫尔圆与强度包线应力莫尔圆与强度包线 f 强度包线以下
10、：强度包线以下：任何一个面任何一个面上的一对应力上的一对应力 与与 都没有达都没有达到破坏包线，不破坏到破坏包线，不破坏 与破坏包线相切：与破坏包线相切：有一个面有一个面上的应力达到破坏上的应力达到破坏 与破坏包线相交：与破坏包线相交：有一些平有一些平面上的应力超过强度面上的应力超过强度 不可能发生不可能发生 O c f=c+tg 1 3莫尔莫尔-库仑强度理论的破坏准则库仑强度理论的破坏准则 ctgc22)(ctgc2)(sin31313131)245(tgc2)245(tg213 )245(tgc2)245(tg231 2ctgc31 231 n 土的极限平衡条件：土的极限平衡条件：处于极限
11、平衡状态时，处于极限平衡状态时，1和和 3之间应满足的关系之间应满足的关系)245(tg213 )245(tg231 无粘性土无粘性土3.极限平衡条件的主应力表达式极限平衡条件的主应力表达式（图（图6-8）Principal stress expressions of limit equilibrium由几何关系，得由几何关系，得(6-7)(6-8)oaooabaoabsinctgcooctgcctgc222sin31313131cos2sin)(3131csin1cos2sin1sin131c图6-8132tanfc13ctg2c对无粘性土对无粘性土(For cohesionless soi
12、l)破坏角破坏角(Failure angle)(6-15)(6-11)(6-12)(6-13)(6-14)3131sinsin1sin131)245(231tg)245(213tg245)90(21f(6-9)(6-10)245(2)245(231tgctg)245(2)245(213tgctgf 线线Kf 线线由两线方程比较，得由两线方程比较，得(6-16)cossin223131cfffctgdtg223131ffdtg223131sinftgcos cdf4.4.Kf 线与线与f 线的关系线的关系(图图6-9)Application of limit equilibrium condit
13、ion（1）利用内摩擦角）利用内摩擦角(Angle of internal friction)，由式（由式（6-7）或（）或（6-11），得），得 ，则土体破坏，则土体破坏（2）利用大主应力）利用大主应力(Maximum principal stress)1 1，即式即式（6-9）或（）或（6-13），则土体破坏，则土体破坏（3）利用小主应力）利用小主应力(Minimum principal stress)3 3，即式即式（6-10）或（）或（6-14），则土体破坏，则土体破坏极限平衡条件的应用极限平衡条件的应用ctgcmmmmm2sin31311mm11m336.4 土的剪切试验土的剪切试验
14、Section 4 Shear test of soil6.4.1 直接剪切试验直接剪切试验(Direct shear test)1.1.直剪仪直剪仪(Direct shear apparatus)(图图6-11)2.2.试验步骤试验步骤(Test procedure)(图图6-12)上盒上盒下盒下盒PSTA1 S23直剪试验的类型直剪试验的类型(1)(1)固结慢剪固结慢剪 施加正应力施加正应力-充分固结充分固结 剪切速率很慢，剪切速率很慢，0.02mm/0.02mm/分，分，以保证无超静孔压以保证无超静孔压(2)(2)固结快剪固结快剪 施加正应力施加正应力-充分固结充分固结 在在3-53-5
15、分钟内剪切破坏分钟内剪切破坏(3)(3)快剪快剪 施加正应力后立即剪切施加正应力后立即剪切 3-5 3-5分钟内剪切破坏分钟内剪切破坏通过控制通过控制剪切速率剪切速率近似模拟近似模拟排水条件排水条件3.3.试验成果试验成果(Test results)(图图6-13)4.4.直剪仪的优缺点直剪仪的优缺点 Merit and demerit of direct shear apparatus S123 Oc f1 f2 f3 S O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5.
16、5.直剪试验分类直剪试验分类(Classification of direct shear test)（1）快剪）快剪(Quick direct shear test)(q)（2）固结快剪）固结快剪(Consolidated quick direct shear test)(cq)（3）慢剪）慢剪(Consolidated slow direct shear test)(s)6.6.应力历史对抗剪强度的影响应力历史对抗剪强度的影响（图（图6-14）（1）正常固结粘土：）正常固结粘土：qcqs（2）超固结粘土：）超固结粘土：qs 6.4.2 三轴剪切试验三轴剪切试验(Triaxial shear
17、 test)1.1.三轴剪切仪三轴剪切仪 Triaxial shear apparatus(图图6-15)(6-17)(6-18)试样试样压力室压力室压力水压力水排水管排水管阀门阀门轴向加压杆轴向加压杆有机玻璃罩有机玻璃罩橡皮膜橡皮膜透水石透水石顶帽顶帽量测体变或孔压量测体变或孔压三轴试验三轴试验试样试样围压围压力力 3阀门阀门始终打开始终打开阀门阀门马达马达横梁横梁量力环量力环百分表百分表量水管量水管2.2.试验原理试验原理 (test principle)（图图6-16）3.3.三轴剪切试验的优点三轴剪切试验的优点 Merit of the triaxial shear test 4.4.
18、试验方法试验方法 (Test principle)（图图6-16）b=0，压缩试验，压缩试验 b=1.0，伸长试验，伸长试验3132b3 333q333qDetermination of strength parameters（1）在不同的围压下的应力应变关系曲线上求得破坏应力）在不同的围压下的应力应变关系曲线上求得破坏应力（2）作）作34个试样的破坏莫尔圆个试样的破坏莫尔圆（3）作所有圆的公切线，得到）作所有圆的公切线，得到c、值值5.5.强度参数的确定强度参数的确定(图图6-17)333qf1qf2qf3q(kPa)ea(%)OpOq(kPa)当当 采用总应力时，称为采用总应力时，称为总应
19、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（1）不固结不排水试验）不固结不排水试验(UU)(图图6-18)Unconsolidated undrained triaxial test6.6.三轴试验分类三轴试验分类(Classification of triaxial shear test)（2）固结不排水试验）固结不排水试验(CU)(图图6-19)Consolidated undrained triaxial test（3）固结排水试验）固结排水试验(CD)(图图6-20)Consolidated drained t
20、riaxial test试验过程中，孔隙水压力试验过程中，孔隙水压力 u 及含水量及含水量 w 变化情况见变化情况见P136表表6-17.7.三轴试验中的孔隙压力系数三轴试验中的孔隙压力系数A A和和B B Pore water pressure coefficient A and B in triaxial test（1 1）孔隙水压力的表达式）孔隙水压力的表达式 1.0 饱和土饱和土 B=01.0 非饱和土非饱和土 0 干土干土（2 2）饱和土孔隙水压力的表达式）饱和土孔隙水压力的表达式 Expression of pore water pressure for saturated soi
21、l A1/3 剪缩性土剪缩性土 A1/3F密砂或超固结粘土：密砂或超固结粘土：剪胀剪胀 A1/3 p Oq p0=3A=0(u=0)饱和土固结排水试验饱和土固结排水试验A圆砾圆砾（P145表表6-5）Particle shape2.2.级配级配(Grading)良好的良好的 均匀的均匀的3.3.矿物成份矿物成份含云母含云母较小较小 Mineral component土的孔隙比及剪胀性土的孔隙比及剪胀性 Void ratio and shear dilation of soil1.1.e0对对的影响的影响随随e0的减小而增大的减小而增大2.2.砂土在剪切过程中体积和强度的变化砂土在剪切过程中体积
22、和强度的变化（图图6-39）（1）体积）体积(Volume)剪缩和剪胀剪缩和剪胀 Shear contraction and shear dilation（2）应力应力(Stress)硬化和软化硬化和软化(Hardening and softening)（3）剪胀性（）剪胀性（Shear dilatancy）3.3.临界孔隙比临界孔隙比ek随围压的增大而减小随围压的增大而减小 Critical void ratiodecrease with the increasing of confining pressure（1）e ek，松散，松散(Loose)，剪缩，剪缩(Shear contract
23、ion)（2）e cu uu 密度密度有效应力有效应力抗剪强度唯一对应抗剪强度唯一对应6.7.3 非饱和土的抗剪强度（非饱和土的抗剪强度（自学自学）图图6-436.8 土的抗剪强度指标的选用土的抗剪强度指标的选用Section 8 Selection of shear strength parameters 1.1.直剪和三轴试验的六种方法直剪和三轴试验的六种方法(P149表表6-7)Six methods of direct shear and triaxial shear test2.2.抗剪强度指标的选择依据抗剪强度指标的选择依据 Choice basis of shear streng
24、th parameters（1）土的性质）土的性质(Soil properties)（2）地质条件）地质条件(Geological conditions)（3）工程的具体情况（建筑物等级、建筑物场地、施工快慢等）工程的具体情况（建筑物等级、建筑物场地、施工快慢等）Detail cases of project(Structure grade,construction field,construction speed,etc.)抗剪强度指标的类型抗剪强度指标的类型F峰值强度与残余强峰值强度与残余强度指标度指标F总应力强度与有效总应力强度与有效应力强度指标应力强度指标F直剪强度与三轴试直剪强度与三
25、轴试验指标验指标n 三种强度指标：三种强度指标：根据应力变根据应力变形特性分形特性分根据应力分根据应力分析方法分析方法分根据试验方根据试验方法分法分n 峰值强度峰值强度 残余强度指标残余强度指标直剪和三轴试验中应变软化时直剪和三轴试验中应变软化时:f f 峰值强度指标峰值强度指标 r r 残余强度指标残余强度指标F大变形完全破坏了土的结大变形完全破坏了土的结构强度和咬合作用，残余构强度和咬合作用，残余强度破坏包线通过原点，强度破坏包线通过原点，其内摩擦角其内摩擦角 r只决定于土只决定于土的矿物成分，与其所受的的矿物成分，与其所受的应力历史等因素无关应力历史等因素无关 q=()f rqfqr总应
26、力指标与有效应力指标总应力指标与有效应力指标u抗剪强度的有效应力指抗剪强度的有效应力指标标c，u c+tg =-u符合土的破坏的机理，符合土的破坏的机理，但有时孔隙水压力但有时孔隙水压力u无法确定无法确定u抗剪强度的总应力指抗剪强度的总应力指标标c，u c+tg u是一种是一种“全额生产率全额生产率”的概念，因的概念，因u不能产不能产生抗剪强度，不符合生抗剪强度，不符合强度机理。在无法确强度机理。在无法确定定u时便于应用，但要时便于应用，但要符合工程条件符合工程条件抗剪强度抗剪强度 u抗剪强度的总应力指标抗剪强度的总应力指标c tg 我叫我叫 u郭郭处士，充处士，充数而已！数而已！F在难以确定
27、孔隙水在难以确定孔隙水压力的情况下使用压力的情况下使用F注意正确使用的方注意正确使用的方法：确定法：确定c c，的的试验中，应能大致试验中，应能大致模拟工程现场孔隙模拟工程现场孔隙水压力的特性水压力的特性正常固结土的有效和总应力指标正常固结土的有效和总应力指标F思考题思考题1：实际破裂面的方向？实际破裂面的方向？F思考题思考题2：如果破坏时孔隙水压力如果破坏时孔隙水压力u(负孔压负孔压)，有效应力，有效应力莫尔圆在总应力莫尔圆哪边？莫尔圆在总应力莫尔圆哪边？还还是是？是是245245 O 11uf有效应有效应力力 fpp Oq q p0=3总应力总应力Kf线线uf有效应有效应力力K f线线 总
28、应力总应力 f 超固结粘土的有效应力超固结粘土的有效应力与总应力指标与总应力指标u2f0u1f0有效应有效应力力K f线线u1f0u0试验类型试验类型试验方法试验方法强度指标强度指标慢剪慢剪Slow Shear 施加正应力施加正应力-充分固结充分固结 慢剪，保证无超静孔压慢剪，保证无超静孔压 cs，s固结快剪固结快剪Consolidated Quick Shear 施加正应力施加正应力-充分固结充分固结 快剪，在快剪，在3-5分钟内剪切坏分钟内剪切坏ccq，cq快剪快剪Quick Shear 施加正应力后不固结，施加正应力后不固结，立即快剪，立即快剪，3-5分钟内剪坏分钟内剪坏cq，q直剪试验
29、类型和强度指标直剪试验类型和强度指标n 试验类型与强度指标试验类型与强度指标常规三轴压缩试验常规三轴压缩试验 类型类型施加施加 3 3施加施加 1 1-3 3量测量测强度指标强度指标固结排水固结排水CD固结固结排水排水体变体变cd,d=(c,)固结不排水固结不排水CU固结固结不排水不排水孔隙水压孔隙水压力力ccu,cuc,不固结不排水不固结不排水UU不固结不固结不排水不排水孔隙水压孔隙水压力力cu,un 试验类型与强度指标试验类型与强度指标固结排水试验n强度指标：强度指标：c cd d,d d =c=c ,F试验条件试验条件F松砂与正常固结粘土试验曲线与强度包线松砂与正常固结粘土试验曲线与强度
30、包线F密砂与超固结粘土试验曲线与强度包线密砂与超固结粘土试验曲线与强度包线F超固结粘土与正常固结粘土的强度包线超固结粘土与正常固结粘土的强度包线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 F砂土：砂土：c,三轴三轴CD试验与直剪试验（直剪偏大）试验与直剪试验（直剪偏大）F粘土：有效应力指标：三轴粘土：有效应力指标：三轴CD或或CU试验试验 总应力指标：三轴总应力指标：三轴CU、UU试验试验 或直剪或直剪cq、q试验试验 土
31、的强度指标的工程应用土的强度指标的工程应用n 排水条件不明确，但可以模拟实际工程问题排水条件不明确，但可以模拟实际工程问题直剪试验强度指标直剪试验强度指标F 对于砂土，三种试验结果都接近于对于砂土，三种试验结果都接近于c F 对于粘性土，对于粘性土，慢剪：慢剪：cs c ，s，一般强度指标稍大，常乘系数一般强度指标稍大，常乘系数0.9固结快剪：固结快剪：ccq ccu cqcu 快剪：快剪：对于对于 k10-7cm/s的粘土的粘土 cq cu qu（4）剪切方法使用的经验）剪切方法使用的经验 Application experience of shear test methods3.3.强度指
32、标的应用举例强度指标的应用举例(P150表表6-8)Application cases of shear strength parameters 不固结不排水剪（快剪）不固结不排水剪（快剪）c cu u、u u（c cq q、q q）粘土地基上快速粘土地基上快速施工的建筑物施工的建筑物软土地基上的快速填方软土地基上的快速填方土坝快速施工，心墙未固结土坝快速施工，心墙未固结固结不排水剪（固结快剪）固结不排水剪（固结快剪）ccu、cu（ccq、cq）在天然土坡在天然土坡上快速填方上快速填方水位骤降水位骤降在在1层固结后，施工层固结后，施工2层层12 固结排水剪（慢剪）固结排水剪（慢剪）c ccdc
33、d、cdcd（c cs s、s s）粘土地基上慢速粘土地基上慢速施工的建筑物施工的建筑物粘土地基上的分层粘土地基上的分层慢速填方慢速填方稳定渗流期的土坝稳定渗流期的土坝n 峰值强度指标与残余强度指标峰值强度指标与残余强度指标土的强度指标的工程应用土的强度指标的工程应用F 峰值强度峰值强度 ：一般问题：一般问题F 残余强度残余强度古旧滑坡古旧滑坡断层夹泥断层夹泥大变形问题大变形问题土的强度指标的工程应用土的强度指标的工程应用名称名称指标指标应用应用不排水剪不排水剪(快剪快剪)c cu u、u uc cq q、q q软土地基软土地基快速施工快速施工固结不排水剪固结不排水剪(固结快剪固结快剪)c ccucu、cucuc ccqcq、cqcq固结完成后固结完成后受突然荷载受突然荷载固结排水剪固结排水剪(慢剪慢剪)c cd d、d dc cs s、s s地基透水性强地基透水性强施工较慢或正常运行期施工较慢或正常运行期
