1、5.1 5.1 概述概述5.2 5.2 抗剪强度的测定方法抗剪强度的测定方法5.3 5.3 孔隙压力系数孔隙压力系数5.4 5.4 土的抗剪强度指标土的抗剪强度指标5.5 5.5 应力路径应力路径 第五章：第五章：土的抗剪强度土的抗剪强度5.1 5.1 概述概述 -土体强度及其特点土体强度及其特点概概 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)
2、土的强度及其特点土的强度及其特点NTtgNtgT n 天然状态下的砂天然状态下的砂沿坡方向的平衡：沿坡方向的平衡：F 天然休止角，也是最天然休止角，也是最松状态下的砂内摩擦角松状态下的砂内摩擦角 砂堆砂堆 TWN5.1 5.1 概述概述 -土体强度及其特点土体强度及其特点土的强度及其特点土的强度及其特点静止砂丘静止砂丘 移动砂丘移动砂丘3035 n 天然状态下的沙丘天然状态下的沙丘F固定沙丘背风坡角度接近天然休止角，一般固定沙丘背风坡角度接近天然休止角，一般为为=30-35，大于矿物滑动摩擦角，大于矿物滑动摩擦角颗粒间存在一定的咬合作用颗粒间存在一定的咬合作用5.1 5.1 概述概述 -土体强
3、度及其特点土体强度及其特点土体强度的特点土体强度的特点F碎散性：碎散性：强度不是颗粒矿物本身的强度，强度不是颗粒矿物本身的强度，而是颗粒间相互作用而是颗粒间相互作用-主要是抗剪强度与主要是抗剪强度与剪切破坏，颗粒间粘聚力与摩擦力剪切破坏，颗粒间粘聚力与摩擦力F三相体系：三相体系：三相承受与传递荷载三相承受与传递荷载-有效应有效应力原理力原理 F自然变异性：自然变异性：土的强度的结构性与复杂性土的强度的结构性与复杂性5.1 5.1 概述概述 -土体强度及其特点土体强度及其特点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5.1 5.1 概述概述 -土体强
4、度及其特点土体强度及其特点土坝快速施工，心墙未固结m 不可能状态 （破坏）4 土的抗剪强度指标 工程应用十字板剪切试验 -本节完粘性土的抗剪强度指标的变化范围很大，它与土的种类有关，并且与土的天然结构是否破坏、试样在法向压力下的排水固结程度及试验方法等因素有关。消去上式中，则可得到：当采用有效应力时，称为有效应力抗剪强度指标强度包线与破坏主应力线由3-1和3-2相加得到轴对称三维应力状态下的孔隙水压力1 概述-土体强度及其特点4 土的抗剪强度指标 指标类型松砂或正常固结粘土：剪缩 A1/3破坏时的莫尔圆与强度包线相切莫尔圆与抗剪强度之间的关系式中 剪切滑动面上的法向有效应力，kPau19941
5、994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5.1 5.1 概述概述 -土体强度及其特点土体强度及其特点f=c tan强度包线以下：任何一个面上的一对应力与都没有达到破坏包线，不破坏粘聚力则可从小于10 kPa变化到200 kPa
6、以上。式中 剪切滑动面上的法向有效应力，kPa一般适用于测定软粘土的不排水强度指标三轴试验的有效应力路径4 土的抗剪强度指标 工程应用对于饱和土试样：孔压系数B=1.破坏时的莫尔圆与强度包线相切土的动强度-动三轴试验日本阪神地震引起的地面下沉房屋脱离地面理论分析和实验都证明，莫尔理论对土比较合适，土的莫尔包线通常近似地用直线代替，该直线方程一般认为式（3-4）定义的孔压系数除了能反映中主应力影响外，更能反映剪应力所产生的孔隙压力变化的本质，具有更普遍的适用性。5 土的动强度与砂土的振动液化滑坡堰塞湖滑坡堰塞湖易贡湖易贡湖湖水每天上涨湖水每天上涨50cm！天然坝天然坝 坝高坝高290 m滑坡堰塞
7、湖滑坡堰塞湖 库容库容15亿方亿方20002000年西藏易贡巨型滑坡年西藏易贡巨型滑坡5.1 5.1 概述概述 -土体强度及其特点土体强度及其特点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5.1 5.1 概述概述 -土体强度及其特点土体强度及其特点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5.1 5.1 概述概述 -土体强度及其特点土体强度及其特点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5.1 5.1 概述概述 -土体强度
8、及其特点土体强度及其特点地基的破坏地基的破坏地基地基P滑裂面滑裂面5.1 5.1 概述概述 -土体强度及其特点土体强度及其特点某谷仓地基的破坏某谷仓地基的破坏5.1 5.1 概述概述 -土体强度及其特点土体强度及其特点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5.1 5.1 概述概述 -土体强度及其特点土体强度及其特点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
9、题核心问题:土体的强度理论土体的强度理论5.1 5.1 概述概述 -土体强度及其特点土体强度及其特点法国军事工程师，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)5.1 5.1 概述概述-库伦公式及莫尔库伦公式及莫尔-库仑强度理论库仑强度理论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
10、置滑裂面的位置莫尔莫尔-库仑强度理论库仑强度理论5.1 5.1 概述概述-库伦公式及莫尔库伦公式及莫尔-库仑强度理论库仑强度理论应力状态应力状态 y yz xy zx x z zzyzxyzyyxxzxyxij zzxxzxij三维应力状态三维应力状态二维应力状态二维应力状态 zx z xz x5.1 5.1 概述概述-库伦公式及莫尔库伦公式及莫尔-库仑强度理论库仑强度理论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 xz zx+-n 土力学土力学压为正压为
11、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5.1 5.1 概述概述-库伦公式及莫尔库伦公式及莫尔-库仑强度理论库仑强度理论 剪切滑动面上法向总应力，kPa应力路径：土体中一点应力状态连续变化，在应力空间（平面）中的轨迹最大剪应力处不发生破坏？3=0 1 0 u 0剪切：施加应力差1=1-3振中颗粒悬浮，有效应力为零三轴试验指标还是直剪试验指标？三轴试验的总应力路径与有效应力路径u2=A()总应力抗剪强度指标：cu u（cuu uu）孔隙流体的体积压缩系数为Cf，单位孔隙压力作用引起的体应变大量试验表明，土的抗剪强度不仅与土的性质有关，还与试验时的排水条件、剪切速率、应力状态和应力历
12、史等许多因素有关。式中a称为亨开尔孔压系数。4 土的抗剪强度指标 指标类型正常固结粘土试验曲线与强度包线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，粘聚力对无粘性土通常认为，粘聚力C=0n 库仑公式库仑公式:tgcf5.1 5.1 概述概述-库伦公式及莫尔库伦公式及莫尔-库仑强度理论库仑强度理论5.1 5.1 土体强度理论土体强度理论一、库仑公式一、库仑公
13、式 1773年CA库仑(Coulomb)根据砂土砂土的试验，将土的抗剪强度表达为滑动面上法向总应力的函数，即 f=tan 以后（1776年）又提出了适合粘性土的更普遍的形式：f=c tan 式中f 土的抗剪强度，kPa 剪切滑动面上法向总应力，kPa c 土的粘聚力(内聚力)，kPa 土的内摩擦角，度。以上两式统称为库仑公式库仑公式或库仑库仑 定律定律，c、称为抗剪强度指标指标或抗 剪强度参数参数。由库伦公式可知：无粘性土的抗剪强度无粘性土的抗剪强度与剪切面上的法向应力成正比，其本质是由于土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，其大小决定于土粒表面的粗糙度、密实度、土颗粒的大小
14、以及颗粒级配等因素。粘性土的抗剪强度粘性土的抗剪强度由两部分组成，一部分是摩擦力(与法向应力成正比)，另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。大量试验表明，土的抗剪强度不仅与土的性质性质有关，还与试验时的排水排水条件、剪切速率速率、应力状态状态和应力历史历史等许多因素有关。其中最重要的是试验时的排水排水条件根据K太沙基(Terzaghi)的有效应力概念，土体内的剪应力仅能由土的骨架承担，由此，土的抗剪强度应表示为剪切破坏面上法向有效应力的函数库伦公式应修改为：无粘性土:f=tan=(-u)tan 粘性土:f=ctan=c(-u)tan 式中 剪切滑
15、动面上的法向有效应力，kPa u 孔隙水压力，kPa；c 土的有效粘聚力(内聚力)，kPa 土的有效内摩擦角，度。土的抗剪强度的两种表示方法二二.土的抗剪强度的构成土的抗剪强度的构成由土的抗剪强度表达式可以看出，砂土的抗剪强度是由内摩阻力构成，而粘性土的抗剪强度则由内摩阻力内摩阻力和粘聚力粘聚力两个部分所构成。内摩阻力内摩阻力包括土粒之间的表面摩擦力和由于土粒之间的连锁作用而产生的咬合力。咬合力是指当土体相对滑动时，将嵌在其它颗粒之间的土粒拔出所需的力，土越密实。连锁作用则越强。粘聚力粘聚力包括原始粘聚力、固化粘聚力和毛细粘聚力。原始粘聚力是由于土粒间水膜受到相邻土粒之间的电分子引力而形成的，
16、当土天然结构被破坏时，原始粘聚力将丧失一些，但会随着时间而恢复其中的一部分或全部。固化粘聚力是由于土中化合物的胶结作用而形成的，当土的天然结构被破坏时，则固化粘聚力随之丧失，不能恢复。毛细粘聚力是由于毛细压力所引起的，一般可忽略不计。土的抗剪强度指标的工程数值工程数值：砂土的内摩擦角 变化范围不是很大，中砂、粗砂、砾砂一般为 =3240；粉砂、细砂一般为 2836。e愈小，愈大，但含水饱和粉砂、细砂很容易失稳，因此对其内摩擦角的取值宜慎重，规定取 =20左右。砂土有时也有很小的粘聚力（约10 kPa以内），这是由于砂土中夹有一些粘土颗粒，也可能是由于毛细粘聚力的缘故。粘性土的抗剪强度指标的变化
17、范围很大，它与土的种类有关，并且与土的天然结构是否破坏、试样在法向压力下的排水固结程度及试验方法等因素有关。内摩擦角的变化范围大致为 030；粘聚力则可从小于10 kPa变化到200 kPa以上。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
18、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两个组成部分组成部分：滑动摩擦滑动摩擦5.2 5.2 土的抗剪强度理论土的抗剪强度理论 土的抗剪强度机理土的抗剪强度机理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（
19、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5.2 5.2 土的抗剪强度理论土的抗剪强度理论 土的抗剪强度机理土的抗剪强度机理摩摩 擦擦 强强 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:5.2 5.2 土的抗剪强度理论土的抗剪强度理论 土的抗剪强度机理土的抗剪强度机理凝凝 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
20、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，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5.2 5.2 土的抗剪强度理论土的抗剪强度理论 土的抗剪强度
21、机理土的抗剪强度机理应力莫尔圆应力莫尔圆 O2 1 3rp22()/2xzxzr()/2xzp1pr3pr大主应力：大主应力：小主应力小主应力:圆心：圆心：半径：半径：zx z xz x 1(z,zx)(x,xz)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 5.1 5.1 概述概述-库伦公式及莫尔库伦公式及莫尔-库仑强度理论库仑强度理论 三、莫尔三、莫尔库仑强度理论库仑强度理论 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
22、剪应力f 是该面上法向应力 的函数，即f f()这个函数在f 坐标中是一条曲线，称为莫尔包线(或称为抗剪强度包线)，莫尔包线表示材料受到不同应力作用达到极限状态时、滑动面上法向应力与剪应力f的关系。理论分析和实验都证明，莫尔理论对土比较合适，土的莫尔包线通常近似地用直线代替，该直线方程就是库仑公式库仑公式。由库伦公式表示莫尔包线的强度理论称为莫尔莫尔库仑库仑强度理论强度理论。极限平衡应力状态极限平衡应力状态F极限平衡应力状态：当极限平衡应力状态：当一面上的应力状态达到一面上的应力状态达到=fF土的强度包线：所有达到极限平衡状态的莫尔圆的公切线土的强度包线：所有达到极限平衡状态的莫尔圆的公切线
23、tgcf切点切点=破坏面破坏面5.1 5.1 概述概述-库伦公式及莫尔库伦公式及莫尔-库仑强度理论库仑强度理论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。即土体处于极限平衡状态，根据莫尔库伦理论、和莫尔应力圆可得到土体中一点的剪切破坏条件，即土的极限平衡条件土的极限平衡条件。极限平衡状态时，大、小主应力之间的关系，称为莫尔莫尔库仑破坏准则库仑破坏准则。将抗剪强度包线与莫尔应力圆画在同一张坐标图上。它们之间的关系有以下三种情况。稳定状态极限平衡状态不可能状态抗剪强度抗剪强度剪应力剪应力莫尔圆与抗剪强度之间的关系f 四、四、莫尔莫尔库仑破坏准则库仑破坏准则 极限平衡条
24、件 土体中任意点的应力土体中任意点的应力（莫尔应力圆）土体内部的滑动可沿任何一个面发生，只要该面上的剪应力剪应力等于它的抗剪强抗剪强度度。所以，必须研究土体内任一微小单元的应力状态应力状态。在平面问题或轴对称问题中。取某一土体单元，若其大主应力 1和小主应力3的大小和方向已知，则与大主应力而成角的任一平面上的法向应力 和剪应力可由力的平衡条件求得。方向的静力平衡条件可得：方向的静力平衡条件可得：消去上式中，则可得到：可见在 坐标平面上，土单元的应力状态的轨迹将是一个圆，该圆就称为莫尔应力圆。莫尔圆就表示土体中一点的应力状态，莫尔圆圆周上各点的坐标就表示该点在相应平面上的正应力正应力和剪剪应力应
25、力。2cos2231312sin2312312231)2()2(土中一点应力（微元体、隔离体、应力圆）0sincos0cossinsin13dsdscondsdsdsds无粘性土（c=0）的极限平衡条件为：根据极限应力圆与抗剪强度包线相切的几何关系，可建立以下极限平衡条件极限平衡条件。在土体中取一单元微体。mn为破裂面，它与大主应力的作用面成f角。破裂面位于极限平衡状态莫尔圆的A点。将抗剪强度线延长与 轴相交于R点、由三角形ARD可知：因 故 化简后得粘性土的极限平衡条件为：)(21cot)(21sin3131cRDADRDADsin)(21cot)(213131csin1sin12sin1s
26、in131c)245(tan)245(tan213231oo)245tan(2)245(tan)245tan(2)245(tan213231oooocc破裂角破裂角 说明破坏面与最大主应力 1的作用面的夹角为（450/2)。如前所述，土的抗剪强度f 实际上取决于有效应力，所以，取有效摩擦角时才代表实际的破裂角。245of最大剪应力处不发生破坏？3131sin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：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
27、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5.1 5.1 概述概述-库伦公式及莫尔库伦公式及莫尔-库仑强度理论库仑强度理论1.1.土单元的某一个平面上的抗剪强度土单元的某一个平面上的抗剪强度 f f是该面是该面上作用的法向应力上作用的法向应力 的单值函数的单值函数,f f=f(=f()（莫尔：（莫尔：19001900年）年）2.2.在一定的应力范围内，可以用线性函数近似在一定的应力范围内，可以用线性函数近似 f f=c+=c+tgtg 3.3.某土单元的任一个平面上某土单元的任一个平面上=f f ，该单元就达
28、，该单元就达到了极限平衡应力状态到了极限平衡应力状态莫尔莫尔库仑强度理论库仑强度理论5.1 5.1 概述概述-库伦公式及莫尔库伦公式及莫尔-库仑强度理论库仑强度理论 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5.1 5.
29、1 概述概述-库伦公式及莫尔库伦公式及莫尔-库仑强度理论库仑强度理论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 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）2xz2zxzx3,14)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 m5.1 5.1 概述概述-库伦公式及莫尔库伦公式及莫尔-库仑强度理论库仑强度理论 c f
30、=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 1f5.1 5.1 概述概述-库伦公式及莫尔库伦公式及莫尔-库仑强度理论库仑强度理论 O c 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 （
31、破坏）（破坏）1 3f)245(tgc2)245(tg21f3 5.1 5.1 概述概述-库伦公式及莫尔库伦公式及莫尔-库仑强度理论库仑强度理论 O f=c+tg O c 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5.1 5.1 概述概述-库伦公式及莫尔库伦公式及莫尔-库仑强度理论库仑强度理论剪切破坏面的位置剪切破坏面的位置 -本节完本节完 3 1f2 2=90+=45+/2 O 1f 32/45 F可见土
32、体破坏的剪切破可见土体破坏的剪切破坏不在坏不在45最大剪应力面最大剪应力面上，为什么？上，为什么？n 与大主应力面夹角与大主应力面夹角:2 5.1 5.1 概述概述-库伦公式及莫尔库伦公式及莫尔-库仑强度理论库仑强度理论n 室内试验：室内试验：直剪试验直剪试验三轴试验等三轴试验等 无侧限抗压强度试验无侧限抗压强度试验n 野外试验：野外试验：十字板扭剪试验十字板扭剪试验旁压试验等旁压试验等抗剪强度测定试验抗剪强度测定试验F重塑土制样或现场取样重塑土制样或现场取样F缺点：扰动缺点：扰动F优点：应力和边界条件优点：应力和边界条件 清楚，易重复清楚，易重复F缺点：应力和边界条缺点：应力和边界条 件不易
33、掌握件不易掌握F优点：原状土的原位优点：原状土的原位 强度强度5.2 5.2 土的抗剪强度的测定方法土的抗剪强度的测定方法直直 剪剪 试试 验验PT土样土样下盒下盒上盒上盒S面积面积A Oc 1 S23 f1 f2 f3直剪仪直剪仪(direct shear test apparatus)5.2 5.2 土的抗剪强度的测定方法土的抗剪强度的测定方法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/1/31/3A A0u1f0有效应有效应力力K f线线u1f0u1/3剪胀：剪胀：A1/3 (甚至可能甚至可能
34、A0，u 0，cuc,cu 与超固结度有关（剪涨）与超固结度有关（剪涨）O=13 23n 超固结粘土试验曲线与强度包线cu f fccuu1fu2fu1fu2f f fc 5.4 5.4 土的抗剪强度指标土的抗剪强度指标 三轴试验指标三轴试验指标固结不排水试验小结F 剪切过程中的超静孔压：剪切过程中的超静孔压：u=A()F 试验确定的强度指标：试验确定的强度指标：cu，ccu 和和 ，c F 正常固结粘土：正常固结粘土：cu 0F 超固结粘土：超固结粘土：cu；ccuc 0 u0，故有效应力圆在总应力圆左边；，故有效应力圆在总应力圆左边；超固结粘土在剪切超固结粘土在剪切破坏时产生破坏时产生u0
35、，故有效应力圆在总应力圆右边。，故有效应力圆在总应力圆右边。5.4 5.4 土的抗剪强度指标土的抗剪强度指标 三轴试验指标三轴试验指标不固结不排水试验n强度指标：强度指标：cuu(cu),uu(u)F试验条件试验条件F饱和试样的不排水强度指标饱和试样的不排水强度指标cuF不排水试验与固结不排水试验不排水试验与固结不排水试验F无侧限压缩试验：无侧限压缩试验：3=0的不排水试验的不排水试验F不饱和试样的不排水强度不饱和试样的不排水强度5.4 5.4 土的抗剪强度指标土的抗剪强度指标 三轴试验指标三轴试验指标试样试样围压围压力力 3阀门阀门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
36、孔压孔压量测量测不固结不排水试验F排水阀门关闭，排水阀门关闭，施加施加围压围压 ，产生孔隙水，产生孔隙水压力压力 u1=B F施加施加(1 1-)时，时，排排水阀门关闭，水阀门关闭，量测剪量测剪切过程中产生的超静切过程中产生的超静孔隙水压力孔隙水压力 u2=BA ()n 试验条件5.4 5.4 土的抗剪强度指标土的抗剪强度指标 三轴试验指标三轴试验指标n 饱和试样的不排饱和试样的不排水强度指标水强度指标c cu u不固结不排水试验O=13 u=0 fcu 23 fc B=1 u1=u2=A ()试验过程中不排水，试样密度不变，不论周围压力试验过程中不排水，试样密度不变，不论周围压力 3多大，抗
37、剪强度和破坏时的有效应力状态相同多大，抗剪强度和破坏时的有效应力状态相同 总应力抗剪强度包线水平总应力抗剪强度包线水平 u=0，cu=(1-3)f/2()A=()B =()C=()破坏时不同破坏时不同 3试验的有效应力莫尔圆相同试验的有效应力莫尔圆相同u1fu2f有效应力有效应力莫尔圆莫尔圆总应力总应力莫尔圆莫尔圆5.4 5.4 土的抗剪强度指标土的抗剪强度指标 三轴试验指标三轴试验指标思考题思考题1 1：不排水试验的破裂面的方向？：不排水试验的破裂面的方向？思考题思考题2 2：u u=0=0是否意味着土体不具有摩擦强度？是否意味着土体不具有摩擦强度？思考题思考题3 3：可否由：可否由UUUU
38、试验确定有效应力强度指标？试验确定有效应力强度指标？O=13 u=0 fcu 23 fc 有效应力有效应力莫尔圆莫尔圆总应力总应力莫尔圆莫尔圆不固结不排水试验5.4 5.4 土的抗剪强度指标土的抗剪强度指标 三轴试验指标三轴试验指标O=cu f正常固结粘土层正常固结粘土层 p1先期固先期固结压力结压力 p2 p3cu1cu2cu3 p1 p2 p3n 不排水试验与固结不排水试验不排水试验与固结不排水试验不固结不排水试验固结不排水试验强度包线上的每一点对应于一固结不排水试验强度包线上的每一点对应于一个具有相同先期固结压力的不排水强度指标个具有相同先期固结压力的不排水强度指标5.4 5.4 土的抗
39、剪强度指标土的抗剪强度指标 三轴试验指标三轴试验指标n 无侧限压缩试验不固结不排水试验O=u=0 fcu 3=0qu=F 3 3=0 0的不排水试验的不排水试验F f f=c=cu u=q=qu u/2/2F由于土样扰动等的由于土样扰动等的影响，一般稍低于影响，一般稍低于原位不排水强度原位不排水强度5.4 5.4 土的抗剪强度指标土的抗剪强度指标 三轴试验指标三轴试验指标n 不饱和试样的不排水强度不固结不排水试验=fF开始段非饱和，有效开始段非饱和，有效应力随围压增加增加，应力随围压增加增加，试样密度增加，强度试样密度增加，强度增高增高F围压较大时，孔隙气围压较大时，孔隙气被压缩或溶解于水，被
40、压缩或溶解于水，试样饱和，强度包线试样饱和，强度包线趋于水平线趋于水平线不饱和区不饱和区饱和区饱和区5.4 5.4 土的抗剪强度指标土的抗剪强度指标 三轴试验指标三轴试验指标F饱和试样的不排水强度指标饱和试样的不排水强度指标:u u =0,=0,c cu uF饱和饱和CDCD与与CUCU强度指标强度指标:有关联有关联F无侧限压缩试验：无侧限压缩试验：3 3=0,=0,是特殊的是特殊的UUUU试验试验F不饱和试样的不饱和试样的UUUU强度指标强度指标:随随 3 3增加而增加增加而增加 并趋于稳定并趋于稳定不固结不排水试验小结5.4 5.4 土的抗剪强度指标土的抗剪强度指标 三轴试验指标三轴试验指
41、标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直剪试验类型和强度指标直剪试验类型和强度指标5.4 5.4 土的抗剪强度指标土的抗剪强度指标 直剪试验强度指标直剪试验强度指标n 排水条件不
42、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 qu5.4 5.4 土的抗剪强度指标土的抗剪强度指标 直剪试验强度指标直剪试验强度指标5.1 5.1 概述概述 5.2 5.2 土的抗剪强度理论土的抗剪强度理论 5.3 5.3 土的抗剪强度的测定试验土的抗剪
43、强度的测定试验 5.4 5.4 应力路径与破坏主应力线应力路径与破坏主应力线 5.5 5.5 土的抗剪强度指标土的抗剪强度指标 5.6 5.6 土的动强度与砂土的振动液化土的动强度与砂土的振动液化第五章：第五章：土的抗剪强度土的抗剪强度5.6 5.6 土的动强度与砂土的振动液化土的动强度与砂土的振动液化土的动强度土的动强度 -动三轴试验动三轴试验tsindod 3 3 1 1静力固结静力固结 动载试验动载试验 典型试验结果典型试验结果 rdN总应变总应变 dN动应变动应变uN孔压孔压 dN动荷载动荷载 3 3 1 1固结比固结比Kc=1/35.6 5.6 土的动强度与砂土的振动液化土的动强度与
44、砂土的振动液化 rdN总应变总应变N d动应变动应变uN孔压孔压土的动强度土的动强度 破坏标准破坏标准F 极限平衡、液化和应变破坏振次极限平衡、液化和应变破坏振次N Nf fu=3液化液化Nf d=5%动应变动应变Nf rd=10%总应变总应变NfO 3 1ucr do临界孔隙水压力临界孔隙水压力ucr极限平衡极限平衡Nfucr5.6 5.6 土的动强度与砂土的振动液化土的动强度与砂土的振动液化土的动强度土的动强度n动强度曲线：试件动强度曲线：试件4545面上的动剪应力面上的动剪应力 d d（即动应（即动应力幅力幅 dodo的一半）或动应力比的一半）或动应力比 dodo/2/2 3 3与破坏振
45、次与破坏振次N Nf f间的曲线间的曲线破坏振破坏振次次 lgNf动剪应力动剪应力 dKc=3Kc=1Kc=25.6 5.6 土的动强度与砂土的振动液化土的动强度与砂土的振动液化饱和松砂的振动液化饱和松砂的振动液化n 液化现象液化现象时间时间 T T孔压孔压u uF饱和松砂在振动情况饱和松砂在振动情况下孔压急剧升高下孔压急剧升高F在瞬间砂土呈液态在瞬间砂土呈液态振动台振动台松砂松砂5.6 5.6 土的动强度与砂土的振动液化土的动强度与砂土的振动液化饱和松砂的振动液化饱和松砂的振动液化n 液化机理液化机理（1 1）初始处于疏松状态）初始处于疏松状态（3 3）振后处于密实状态）振后处于密实状态（2
46、 2）振动过程中处于悬浮状态）振动过程中处于悬浮状态 -孔压升高（液化）孔压升高（液化）5.6 5.6 土的动强度与砂土的振动液化土的动强度与砂土的振动液化振前松砂振前松砂的结构的结构振中颗粒悬浮，振中颗粒悬浮，有效应力为零有效应力为零振后砂土振后砂土变密实变密实饱和松砂的振动液化饱和松砂的振动液化n 液化机理液化机理排出的剩排出的剩余孔隙水余孔隙水5.6 5.6 土的动强度与砂土的振动液化土的动强度与砂土的振动液化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
47、地基的液化建筑物地基的液化5.6 5.6 土的动强度与砂土的振动液化土的动强度与砂土的振动液化喷砂遗井喷砂遗井5.5 5.5 土的动强度与砂土的振动液化土的动强度与砂土的振动液化日本阪神地震引起的路面塌陷日本阪神地震引起的路面塌陷5.5 5.5 土的动强度与砂土的振动液化土的动强度与砂土的振动液化地基液化引起的储油罐倾斜地基液化引起的储油罐倾斜 日本神户日本神户5.5 5.5 土的动强度与砂土的振动液化土的动强度与砂土的振动液化阪神地震中新干线的倾覆阪神地震中新干线的倾覆5.5 5.5 土的动强度与砂土的振动液化土的动强度与砂土的振动液化日本阪神地震引起的地面下沉房屋脱离地面日本阪神地震引起的
48、地面下沉房屋脱离地面5.5 5.5 土的动强度与砂土的振动液化土的动强度与砂土的振动液化桩基础（房屋基础露出地面）桩基础（房屋基础露出地面）5.5 5.5 土的动强度与砂土的振动液化土的动强度与砂土的振动液化n 液化定义液化定义F在饱和砂土中，由于振动引起颗粒的在饱和砂土中，由于振动引起颗粒的悬浮，超静孔隙水压力急剧升高，直悬浮，超静孔隙水压力急剧升高，直到其孔隙水压力等于总应力时，有效到其孔隙水压力等于总应力时，有效应力为零，砂土的强度丧失，砂土呈应力为零，砂土的强度丧失，砂土呈液体流动状态，称为液化现象液体流动状态，称为液化现象5.5 5.5 土的动强度与砂土的振动液化土的动强度与砂土的振
49、动液化F饱和度饱和度F组成组成F状态状态F结构结构F其他其他砂土液化的影响因素砂土液化的影响因素 粉细砂：粉细砂：d50=0.07mm-1.0mm 砾类土：砾类土：粒径大于粒径大于5mm60%粉土：粉土：Ip=（3-10）Il=0.75-1.0 排水条件排水条件 应力状态及历史应力状态及历史 地震特性地震特性.相对密度相对密度Dr1/3F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A0u1f0有效应有效应力力K f线线u1f0u05.4 5.4 土的抗剪强度指标土的抗剪强度指标 指标类型指标类型sintgAOAO
50、Rsintg1tgtgcaOOcos cossinsintgtgccca图5-15预压固结的加载速率预压固结的加载速率 快加载快加载不排水不排水破坏破坏 分级慢分级慢排水排水达到密实固结达到密实固结K0Kf降水降水qp p总应力路径总应力路径不排水不排水pt预压固结的加载速率预压固结的加载速率 快加载快加载不排水不排水破坏破坏 分级慢分级慢排水排水达到密实固结达到密实固结K0Kf降水降水qp ppt总应力路径总应力路径预压固结的加载速率预压固结的加载速率快加载快加载不排水不排水破坏破坏分级慢分级慢排水排水达到密达到密实固结实固结K0Kf降水降水qp p总应力路径总应力路径不排水不排水ptF 应
