土土 的的 抗抗 剪剪 强强 度度土力学土力学与地基基础与地基基础第五章第五章第五章第五章 土的抗剪强度土的抗剪强度二、土的抗剪强度理论二、土的抗剪强度理论三、抗剪强度指标的测定三、抗剪强度指标的测定一、抗剪强度研究的工程意义一、抗剪强度研究的工程意义 土的抗剪强度：土抵抗剪切破坏的极限能土的抗剪强度：土抵抗剪切破坏的极限能力。其数值等于剪切破坏时滑动面上的剪应力。力。其数值等于剪切破坏时滑动面上的剪应力。滑裂滑裂面面 抗剪力相应于剪应力的增加而逐渐发挥。抗剪力相应于剪应力的增加而逐渐发挥。 抗剪力完全发挥时抗剪力完全发挥时, ,土就处于极限状态。土就处于极限状态。1. 土中某点的应力状态土中某点的应力状态平面课题平面课题地面地面 zx z xz x 3 3 1 12. 单元体稳定性分析单元体稳定性分析 3 3 1 1 3 1 根据静力平衡根据静力平衡ds根据库伦定律，可得根据库伦定律，可得斜截面上的抗剪强度斜截面上的抗剪强度f 比较斜截面上的抗剪强度比较斜截面上的抗剪强度f与剪应力与剪应力大小大小 可知单元体能否沿斜截面剪切破坏。可知单元体能否沿斜截面剪切破坏。单元体斜截面数量无限；单元体斜截面数量无限；单元体稳定必须满足单元体稳定必须满足 所有斜截面：所有斜截面：摩尔应力摩尔应力圆方程圆方程应力圆半径应力圆半径 r1(13 ) /2应力圆圆心应力圆圆心 0、 (1+3 ) /23. 摩尔摩尔库伦强度准则库伦强度准则 O 1 3( 1 + 3 ) /22 A( 、 ) 3 1 单元体所有斜截面上的应力状态单元体所有斜截面上的应力状态（、）均可用应力圆圆周上某点的坐标表示。均可用应力圆圆周上某点的坐标表示。180 3. 摩尔摩尔库伦强度准则库伦强度准则 抗剪强度线抗剪强度线极限应极限应力圆力圆 f 应力圆与强度线应力圆与强度线相离：相离：f 破坏状态破坏状态 应力圆与强度线应力圆与强度线的相对位置反映的相对位置反映单元体的稳定性单元体的稳定性4. 极限平衡条件极限平衡条件c 2 fA 3 1 cctg ( 1 + 3 ) /2 该式表明，单元体在小主应力该式表明，单元体在小主应力3作用下作用下，处处于极限平衡时的大主应力必须为于极限平衡时的大主应力必须为1f； 3 3 1f 1fc 3f 3f 1 1c 根据极限平衡条件判别单元体的稳定性根据极限平衡条件判别单元体的稳定性计算主应力计算主应力 1、 3：确定单元体的应力状态确定单元体的应力状态（ x、 z、 xz）判别方法：判别方法：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. 破坏面位置破坏面位置2 f 3 1c A cctg ( 1+ 3 ) /2 max 剪破面并不在最大剪应力面，而与最大剪剪破面并不在最大剪应力面，而与最大剪应力面成应力面成 /2夹角。因此，土的剪切破坏并不夹角。因此，土的剪切破坏并不是由最大剪应力是由最大剪应力max所控制。所控制。 5.3 强度指标的测定强度指标的测定直接剪切试验直接剪切试验三轴压缩试验三轴压缩试验无侧限抗压强度试验无侧限抗压强度试验现场十字板剪切仪现场十字板剪切仪室内试验室内试验现场试验现场试验 对同一种土至少取对同一种土至少取4个平行试样，分个平行试样，分别在不同垂直压力别在不同垂直压力 下剪切破坏，绘制抗下剪切破坏，绘制抗剪强度剪强度 f与相应垂直压力与相应垂直压力 的关系曲线的关系曲线。一、直接剪切试验一、直接剪切试验基本原理基本原理试样形状试样形状h=2cmA=30cm2试验方法试验方法T土样土样P下盒下盒上盒上盒S试样沿给定面剪切试样沿给定面剪切 试验记录，试样产生某一剪切位移试验记录，试样产生某一剪切位移时施加的水平推力（剪应力）。时施加的水平推力（剪应力）。抗剪强度抗剪强度f 的确定的确定 S4mm f f（、 f ）4组组应力位移曲线应力位移曲线fcc、 值的确定值的确定试验类型试验类型控制控制剪切剪切速率速率近似近似模拟模拟排水排水条件条件快剪快剪施加正应力后立即剪切施加正应力后立即剪切固结固结快剪快剪施加正应力施加正应力- -充分固结充分固结固结固结慢剪慢剪以保证无超静孔压以保证无超静孔压3-5分钟内剪切破坏分钟内剪切破坏在在3-5分钟内剪切破坏分钟内剪切破坏施加正应力施加正应力- -充分固结充分固结剪切速率剪切速率0.02mm/分分设备和操作简单设备和操作简单人为固定剪切面人为固定剪切面剪切面应力状态复杂剪切面应力状态复杂应力、应变不均匀应力、应变不均匀主应力方向旋转主应力方向旋转剪切面积逐渐减小剪切面积逐渐减小排水条件不明确排水条件不明确直剪试验的优缺点直剪试验的优缺点PPT二、三轴压缩试验二、三轴压缩试验 对同一种土至少取对同一种土至少取3个平行试样，分个平行试样，分别在不同周围压力别在不同周围压力 3下剪切破坏，绘制下剪切破坏，绘制各应力圆的公切线，即为土的抗剪强度各应力圆的公切线，即为土的抗剪强度曲线曲线。基本原理基本原理试试样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试样形状试样形状高度高度/ /直径直径=22.5压力室的组成压力室的组成试验方法试验方法 3 3 3 3先施加静水压力先施加静水压力围压围压 1= 2= 3 ；再施加应力差再施加应力差 1= 1- 3 。 3 3 3 3 1= 3+1+1+1破坏主应力差的确定破坏主应力差的确定 1- 3 1( 1- 3)f( 1- 3)f松砂松砂密砂密砂15%测得三个试测得三个试样破坏时的样破坏时的主应力：主应力：1i、3i 试验记录，试样产生某一轴向应变时试验记录，试样产生某一轴向应变时施加的应力差。施加的应力差。c、 值的确定值的确定强度包线强度包线( 1- )fc ( 1- )f 类型类型施加施加 3施加施加 1- 3量测量测固结排水（固结排水（CD）固结固结排水排水体变体变固结不排水（固结不排水（CU）固结固结不排水不排水孔隙水压力孔隙水压力不固结不排水（不固结不排水（UU）不固结不固结不排水不排水孔隙水压力孔隙水压力试验类型试验类型 三轴压缩试验按剪切前的三轴压缩试验按剪切前的固结程度固结程度和剪和剪切时的切时的排水条件排水条件，可分为三种：，可分为三种：不固结不排水试验（不固结不排水试验（UU试验）试验）关闭排水阀门，关闭排水阀门，围压围压 下不固结；下不固结； 关闭排水阀门，很快剪切破坏，在施关闭排水阀门，很快剪切破坏，在施加轴向应力差加轴向应力差 过程中不排水。过程中不排水。固结不排水试验（固结不排水试验（CU试验）试验） 打开排水阀门，打开排水阀门，施加围压施加围压 后充分固后充分固结，超静孔隙水压力完全消散；结，超静孔隙水压力完全消散； 关闭排水阀门，很快剪切破坏，在施关闭排水阀门，很快剪切破坏，在施加轴向应力差加轴向应力差 过程中不排水。过程中不排水。固结排水试验固结排水试验（CD试验试验） 打开排水阀门，打开排水阀门，施加围压施加围压 后充分固后充分固结，超静孔隙水压力完全消散；结，超静孔隙水压力完全消散； 打开排水阀门，慢慢施加轴向应力差打开排水阀门，慢慢施加轴向应力差 以便充分排水，避免产生超静孔隙以便充分排水，避免产生超静孔隙水压力。水压力。试验方法与现场条件试验方法与现场条件的对应关系的对应关系粘土地基上的分层粘土地基上的分层慢速填方慢速填方在在1层固结后层固结后快速施工快速施工2层层12软土地基上的快速填方软土地基上的快速填方固结排水试验固结排水试验固结不排水试验固结不排水试验不固结不排水试验不固结不排水试验三轴试验的优缺点三轴试验的优缺点优点：优点：1 应力状态和应力路径明确；应力状态和应力路径明确；2 排水条件清楚，可控制；排水条件清楚，可控制；3 破坏面不是人为固定的。破坏面不是人为固定的。缺点：缺点：设备相对复杂，现场难以试验。设备相对复杂，现场难以试验。三、无侧限抗压强度试验三、无侧限抗压强度试验 无侧限抗压强度无侧限抗压强度试验实际上是周围压试验实际上是周围压力力30的三轴压缩的三轴压缩试验试验。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试试样样ququ 3=00cuqu 无侧限抗压强度试验只能测得一组破无侧限抗压强度试验只能测得一组破坏主应力坏主应力。极限应力圆的水平极限应力圆的水平切线就是破坏包线切线就是破坏包线四、十字板剪切试验四、十字板剪切试验 原位十字板剪切试验是一种利用十字板原位十字板剪切试验是一种利用十字板剪切仪在现场测定土的抗剪强度的方法。剪切仪在现场测定土的抗剪强度的方法。 适用于测定饱和粘性土的原位不排水强适用于测定饱和粘性土的原位不排水强度，特别适用于均匀的饱和软粘土。度，特别适用于均匀的饱和软粘土。 钻孔到指定的土层，钻孔到指定的土层，插入十字形的探头。插入十字形的探头。 通过施加的扭矩通过施加的扭矩计算土的抗剪强度。计算土的抗剪强度。