1、5、土的抗剪強度土的抗剪強度E5.1 5.1 土的抗剪強度與極限平衡原理土的抗剪強度與極限平衡原理E5.2 5.2 土的剪切試驗方法土的剪切試驗方法 E5.3 5.3 不同排水條件時的剪切試驗成果不同排水條件時的剪切試驗成果E5.4 5.4 地基破壞型式和地基承載力地基破壞型式和地基承載力土的抗剪強度：土的抗剪強度：土體抵抗剪切破壞的極限能力土體抵抗剪切破壞的極限能力 工程實例地基承載力問題工程實例地基承載力問題1911年動工1913年完工谷倉自重20000噸1913年10月17日發現1小時內豎向沉降達30.5厘米，結構物向西傾斜，并在24小時內傾倒，谷倉西端下沉7.32米，東端上抬1.52米

2、。原因：地基承載力不夠，超載引發強度破壞而產生滑動。加拿大特朗斯康谷倉工程實例地基承載力問題工程實例地基承載力問題近代世界上最嚴重的建筑物破壞之一1940年水泥倉庫裝載水泥，使粘性土超載，引起地基土剪切破壞而滑動。傾斜45度，地基土被擠出達5.18米，23米外的辦公樓也發生傾斜。美國紐約某水泥倉庫5.1 土的抗剪強度與極限平衡原理土的抗剪強度與極限平衡原理5.1.1 庫侖定律庫侖定律17761776年，庫侖根據年，庫侖根據砂土砂土剪切試驗得出剪切試驗得出 f = tan 砂土砂土后來，根據后來，根據粘性土粘性土剪切試驗剪切試驗得出得出 f =c+ tan 粘土粘土c 庫侖定律：庫侖定律：土的抗

3、剪強土的抗剪強度是剪切面上的法向總應度是剪切面上的法向總應力力 的線性函數的線性函數 tanfcftan f f庫倫公式庫倫公式 tgcf cf 抗剪強度指標抗剪強度指標c: :土的粘聚力土的粘聚力 : :土的內摩擦角土的內摩擦角( (無粘性土：無粘性土：c=0) 土的抗剪強度一般可分為兩部分：一部土的抗剪強度一般可分為兩部分：一部分與顆粒間的法向應力有關，通常呈正比例分與顆粒間的法向應力有關，通常呈正比例關系，其本質是關系，其本質是摩擦力摩擦力；另一部分是與法向；另一部分是與法向應力無關的土粒之間的粘結力，通常稱為應力無關的土粒之間的粘結力，通常稱為粘粘聚力聚力。影響因素影響因素土的抗剪強度

4、土的抗剪強度內在因素內在因素外在因素：外在因素：試驗時的排水條件等因素試驗時的排水條件等因素顆粒間的有效法向應力顆粒間的有效法向應力土的孔隙比土的孔隙比表達方法表達方法土的抗剪強度土的抗剪強度總應力法：總應力法：總應力強度指標總應力強度指標有效應力法：有效應力法：有效應力強度指標有效應力強度指標uu cf 莫爾包線表示材料在不同應力作用下達莫爾包線表示材料在不同應力作用下達到到極限狀態極限狀態時，滑動面上法向應力時，滑動面上法向應力 與剪應與剪應力力 f 的關系。的關系。莫爾包線莫爾包線 f =c+ tan 5.1.2 莫爾莫爾- -庫倫強度理論庫倫強度理論土體內一點處土體內一點處不同方位不同

5、方位的截面上應力的集合的截面上應力的集合（剪應力（剪應力 和法向應力和法向應力 ） 3 3 1 1 3 1 斜面上的應力斜面上的應力2cos212131312sin21315.1.3 土中一點的應力狀態土中一點的應力狀態 O 1 31/2( 1 + 3 ) 2 A( , )土中某點的土中某點的應應力狀態力狀態可用莫可用莫爾應力圓描述爾應力圓描述 3 1 莫爾圓可以表示土體中一點的應力狀態，莫爾圓可以表示土體中一點的應力狀態，莫爾圓圓周上各點的坐標就表示該點在相莫爾圓圓周上各點的坐標就表示該點在相應平面上的應平面上的正應力正應力和和剪應力剪應力。應力圓應力圓與強度線與強度線相離：相離： 強度線強

6、度線應力圓應力圓與強度線與強度線相切：相切：應力圓應力圓與強度線與強度線相割：相割：極限應極限應力圓力圓f 破壞狀態破壞狀態 5.1.4 土的極限平衡條件土的極限平衡條件莫爾庫侖破壞準則莫爾庫侖破壞準則 3 1c f2 fA cctg 1/2( 1 + 3 )313121cot21sinc245tan2245tan231ooc245tan2245tan213ooc無粘性土：無粘性土：c=0245tan231o245tan213o粘性土：粘性土：tg cfABDOf極限平衡條件莫爾庫侖破壞準則極限應力圓破壞應力圓剪切破壞面粘性土的極限平衡條件1= 3tg2(45+/2)2ctg (45+/2)3

7、= 1tg2(45/2)2ctg (45/2)無粘性土的極限平衡條件1 1= = 3 3tgtg2 2(45+/2)(45+/2)3 3= = 1 1tgtg2 2(45(45/2)/2) )245( 土體處于極限平衡狀態時，破壞面與大主應力作土體處于極限平衡狀態時，破壞面與大主應力作用面的夾角為用面的夾角為 f f2 f 3 1c A cctg 1/2( 1 + 3 )2459021f45max說明：說明：剪破面并不產生于最大剪應力面，而與最大剪破面并不產生于最大剪應力面，而與最大剪應力面成剪應力面成 / 2的夾角。因此，土的剪切破壞并不是的夾角。因此，土的剪切破壞并不是由最大剪應力由最大剪

8、應力max所控制。所控制。 max的方法的方法測定土抗剪強度測定土抗剪強度直接剪切試驗直接剪切試驗三軸壓縮試驗三軸壓縮試驗無側限抗壓強度試驗無側限抗壓強度試驗現場十字板剪切儀現場十字板剪切儀5.2 土的剪切試驗方法土的剪切試驗方法試驗儀器：試驗儀器：直剪儀（直剪儀（應變控制式應變控制式，應力控制式），應力控制式）5.2.1 直接剪切試驗直接剪切試驗應變控制式直剪儀的試驗原理：應變控制式直剪儀的試驗原理： 對同一種土至少取對同一種土至少取4個平行試樣，分別個平行試樣，分別在不同垂直壓力在不同垂直壓力 下剪切破壞，將試驗結果下剪切破壞，將試驗結果繪制抗剪強度繪制抗剪強度 f與相應垂直壓力與相應垂直

9、壓力 的關系圖。的關系圖。剪切容器與應力環 在不同的垂直壓力在不同的垂直壓力 下進行剪切試驗，得相應的抗剪下進行剪切試驗，得相應的抗剪強度強度f，繪制繪制f - 曲線，得該土的抗剪強度包線曲線，得該土的抗剪強度包線APATf在法向應力在法向應力 作用下，剪應力與剪切位移關系曲線。作用下，剪應力與剪切位移關系曲線。4 4mmmm a a b b 剪切位移剪切位移l (0.01mm)(0.01mm) 剪應力剪應力 （kPakPa) ) 1 1 2 2 快剪快剪 固結快剪固結快剪 慢剪慢剪在直剪試驗過程中，根據加荷速率的快慢可將試驗 劃分為:直剪試驗優缺點直剪試驗優缺點n優點：優點：儀器構造簡單，試

10、樣的制備和安裝方便，儀器構造簡單，試樣的制備和安裝方便，易于操作。易于操作。 n缺點：缺點： 剪切破壞面固定，且不一定是土樣的最薄弱面。剪切破壞面固定，且不一定是土樣的最薄弱面。 不能嚴格控制排水條件，不能量測土樣的孔隙水不能嚴格控制排水條件，不能量測土樣的孔隙水壓力。壓力。 剪切過程中試樣剪切面積逐漸減小，剪切面上的剪切過程中試樣剪切面積逐漸減小，剪切面上的剪應力分布不均勻。剪應力分布不均勻。一、抗剪強度包線一、抗剪強度包線 分別在不同的周圍壓力分別在不同的周圍壓力 3作用下進行剪切，得作用下進行剪切，得到到3 34 4 個不同的破壞應力圓，繪出各應力圓的公切個不同的破壞應力圓，繪出各應力圓

11、的公切線即為土的抗剪強度包線。線即為土的抗剪強度包線。 抗剪強度包線抗剪強度包線 c 5.2.2 三軸壓縮試驗三軸壓縮試驗二、三軸剪切試驗二、三軸剪切試驗n試驗儀器：試驗儀器： 應變控制式應變控制式三軸儀：三軸儀：壓力室壓力室，加壓系統加壓系統，量測系量測系 統統組成組成 ( (常用常用） 應力控制式三軸儀應力控制式三軸儀n試驗步驟試驗步驟: : 3 3 3 3 3 3 2.2.施加周圍壓力施加周圍壓力3.3.施加豎向壓力施加豎向壓力1.1.裝樣裝樣三軸壓縮儀三軸壓縮儀應變控制式三軸儀：應變控制式三軸儀：n壓力室壓力室n加壓系統加壓系統n量測系統量測系統軸向加荷系統加壓和量測系統三軸試驗優缺點

12、三軸試驗優缺點 優點：優點： 能控制排水條件，量測孔隙水壓力。能控制排水條件，量測孔隙水壓力。試樣的應力分布比較均勻，試樣的應力分布比較均勻，剪切破壞面為最薄弱面。剪切破壞面為最薄弱面。 缺點：缺點： 試驗儀器復雜，操作技術要求高，試樣制備較復雜。試驗儀器復雜，操作技術要求高，試樣制備較復雜。 試驗在試驗在 2 2= = 3 3的軸對稱條件下進行，與土體實際受力情的軸對稱條件下進行，與土體實際受力情況可能不符。況可能不符。 5.3 不同排水條件時的剪切試驗成果不同排水條件時的剪切試驗成果5.3.1 總應力強度指標與有效應力強度指標總應力強度指標與有效應力強度指標cftancucftantanc

13、 、 為土的有效為土的有效粘聚力和有效內摩粘聚力和有效內摩擦角，即土的有效擦角，即土的有效應力強度指標應力強度指標 c 、 為土的總應為土的總應力強度指標力強度指標 有效應力原理：有效應力原理：土的抗剪強度并不是由剪切面上的法向總土的抗剪強度并不是由剪切面上的法向總應力決定，而是取決于剪切面上的應力決定，而是取決于剪切面上的法向有效應力。法向有效應力。 三軸壓縮試驗三軸壓縮試驗按剪切前的按剪切前的固結程度固結程度和剪和剪切時的切時的排水條件排水條件，可以分為三種試驗方法：，可以分為三種試驗方法： 1.不固結不排水試驗不固結不排水試驗 (UUUU試驗試驗) 2.固結不排水試驗固結不排水試驗 (C

14、UCU試驗試驗) 3.固結排水試驗固結排水試驗 (CDCD試驗試驗)5.3.2 不同排水條件時的剪切試驗方法及成果不同排水條件時的剪切試驗方法及成果1.1.不固結不排水剪（不固結不排水剪（UUUU） n三軸試驗：三軸試驗：施加周圍壓力施加周圍壓力 3、軸向壓力、軸向壓力 直至剪直至剪破的整個過程都關閉排水破的整個過程都關閉排水閥門，不允許試樣排水固閥門，不允許試樣排水固結。結。 3 3 3 3 3 3 n直剪試驗：直剪試驗：通過試驗加荷通過試驗加荷的快慢來實現是否排水。的快慢來實現是否排水。使試樣在使試樣在3 35 5minmin內剪破，內剪破，稱之為快剪。稱之為快剪。關閉排關閉排水閥水閥 3

15、 3 3 3 3 3 有效應力圓有效應力圓總應力圓總應力圓 u u=0=0BCcu uAA 3A 1A飽和粘性土在三組飽和粘性土在三組 3 3下的不排水剪下的不排水剪試驗得到試驗得到A、B、C三個不同三個不同 3 3作用作用下破壞時的總應力圓，但只能得到下破壞時的總應力圓，但只能得到一個有效應力圓一個有效應力圓。試驗表明：試驗表明：雖然三個試樣的周圍壓力雖然三個試樣的周圍壓力 3 3不同，但破壞不同，但破壞時的主應力差相等，三個極限應力圓的直徑相等，因時的主應力差相等，三個極限應力圓的直徑相等，因而強度包線是一條水平線。而強度包線是一條水平線。2. 2. 固結不排水剪（固結不排水剪（CUCU）

16、 n三軸試驗：三軸試驗：施加周圍壓力施加周圍壓力 3 3時打開排水閥門，試樣完全時打開排水閥門，試樣完全排水固結，孔隙水壓力完全排水固結，孔隙水壓力完全消散。然后關閉排水閥門，消散。然后關閉排水閥門，再施加軸向壓力增量再施加軸向壓力增量 ，使，使試樣在不排水條件下剪切破試樣在不排水條件下剪切破壞。壞。 3 3 3 3 3 3 n直剪試驗：直剪試驗：剪切前試樣在垂剪切前試樣在垂直荷載下充分固結，剪切時直荷載下充分固結，剪切時速率較快，使土樣在剪切過速率較快，使土樣在剪切過程中不排水，這種剪切方法程中不排水，這種剪切方法為稱固結快剪。為稱固結快剪。打開打開排排水閥水閥關閉關閉排排水閥水閥 3 3

17、3 3 3 3 將總應力圓在水平軸上左移將總應力圓在水平軸上左移u uf f得到相應的有效應力得到相應的有效應力圓，按有效應力圓強度包線可確定圓，按有效應力圓強度包線可確定c 、 ccuc cucu 飽和粘性土在三組飽和粘性土在三組 3 3下進行固結不排水剪下進行固結不排水剪試驗得到試驗得到A、B、C三個不同三個不同 3 3作用下破壞作用下破壞時的總應力圓，由總應力圓強度包線確定時的總應力圓，由總應力圓強度包線確定固結不排水剪總應力強度指標固結不排水剪總應力強度指標ccu、 cuABC3. 3. 固結排水剪（固結排水剪（CDCD） n三軸試驗：三軸試驗：試樣在圍壓試樣在圍壓 3 3作用下排水固

18、結，再緩慢作用下排水固結，再緩慢施加軸向壓力增量施加軸向壓力增量 ，直，直至剪破，整個試驗過程中至剪破，整個試驗過程中打開排水閥門，始終保持打開排水閥門，始終保持試樣的孔隙水壓力為零。試樣的孔隙水壓力為零。 3 3 3 3 3 3 n直剪試驗：直剪試驗：試樣在垂直壓力試樣在垂直壓力下固結穩定，再以緩慢的速下固結穩定，再以緩慢的速率施加水平剪力，直至剪破，率施加水平剪力，直至剪破，整個試驗過程中盡量使土樣整個試驗過程中盡量使土樣排水，試驗方法稱為慢剪。排水，試驗方法稱為慢剪。打開打開排排水閥水閥在整個排水剪試驗過程中，在整個排水剪試驗過程中，uf 0 0，總應力全部轉化為總應力全部轉化為有效應力

19、，所以總應力圓即是有效應力圓，總應力強有效應力，所以總應力圓即是有效應力圓，總應力強度線即是有效應力強度線，強度指標為度線即是有效應力強度線，強度指標為cd、 d d。 cd d d總結總結: : 3 3 3 3 3 3 對于同一種土，在不同的排水條件下進行試驗，總應力對于同一種土，在不同的排水條件下進行試驗，總應力強度指標完全不同。強度指標完全不同。有效應力強度指標不隨試驗方法的改變而不同，抗剪強有效應力強度指標不隨試驗方法的改變而不同，抗剪強度與有效應力有唯一的對應關系。度與有效應力有唯一的對應關系。ququ加壓加壓框架框架量表量表量力環量力環升降升降螺桿螺桿無側限壓縮儀無側限壓縮儀 3=0試試樣樣5.3.3 無側限抗壓強度試驗無側限抗壓強度試驗無側限無側限壓縮儀壓縮儀 0cu0 u 無側