第6章 土的抗剪强度1

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第六章 土的抗剪强度,6.1,概述,6.2,土的抗剪 强度理论,6.3,土的抗剪强度试验,6.4,三轴压缩试验中的孔隙压力系数,6.5,饱和粘性土的抗剪强度,6.6,应力路径在强度问题中的应用,6.7,无粘性土的抗剪强度,6.1,概述,学习目标,掌握土的抗剪强度表示方法和抗剪强度指标的测定方法，学会利用土的极限平衡条件分析土中平衡状态的方法。,学习基本要求,1.,掌握抗剪强度公式，熟悉抗剪强度的影响因素,2,掌握摩尔,-,库仑抗剪强度理论和极限平衡理论,3,掌握抗剪强度指标的测定方法,4,掌握不同固结和排水条件下土的抗剪强度指标的意义及应用,5,了解孔隙压力系数和应力路径的概念,土的抗剪强度：,是指土体对于外荷载所产生的剪应力的极限抵抗能力。在外荷载作用下，土体中将产生剪应力和剪切变形，当土中某点由外力所产生的剪应力达到土的抗剪强度时，土就沿着剪应力作用方向产生相对滑动，该点便发生剪切破坏。,工程实践和室内试验都证实了土是由于受剪而产生破坏，剪切破坏是土体强度破坏的重要特点，因此，土的强度问题实质上就是土的抗剪强度问题。,在工程实践中与土的抗剪强度有关的工程问题主要有三类：,第一类：是以土作为建造材料的土工构筑物的稳定性问题，如土坝、路堤等填方边坡以及天然土坡等的稳定性问题（图,6,-1,（,b,）；,第二类：是土作为工程构筑物环境的安全性问题，即土压力问题，如挡土墙、地下结构等的周围土体，它的强度破坏将造成对墙体过大的侧向土压力，以至可能导致这些工程构筑物发生滑动、倾覆等破坏事故（图,6,-1,（,c,d）；,第三类：是土作为建筑物地基的承载力问题，如果基础下的地基土体产生整体滑动或因局部剪切破坏而导致过大的地基变形，将会造成上部结构的破坏或影响其正常使用功能（图,6,-1,（,a）。,本章主要介绍土的抗剪强度公式，室内和现场抗剪强度试验，不同固结和排水条件下土的抗剪强度指标的意义，并简要介绍了孔隙压力系数和应力路径等问题。,6.2,土的抗剪强度理论,A,P,F,6.2.1,库仑公式及抗剪强度指标,1,、库仑公式,1773,年库仑根据砂土试验，得到土抗剪强度的表达式，,后来又提出了粘性土的更普遍的表达式：,（总应力法）,j,s,t,j,s,t,tan,tan,+,=,=,c,f,f,c,土的粘聚力，,kpa,j-,土的内摩擦角，度,抗剪 强度指标,无粘性土 粘性土,2,、抗剪强度的来源：,1）,无粘性土：,来源于土粒间的摩擦力（内摩擦力）。,包括：,a.,一部分由于土颗粒粗糙产生的表面摩擦力；,b.,另一部分是粗颗粒之间互相镶嵌，联锁作用,产生的咬合力。,3,、抗剪强度的影响因素,2,）粘性土：,除内摩擦力外，还有粘聚力。,粘聚力主要来源于：土颗粒之间的电分子吸引力,和土中胶结物质对土粒的胶结作用。,1,）土的物理化学性质的影响,决定土的抗剪强度因素很多，主要为：土体本身的性质，土的组成、状态和结构；而这些性质又与它形成环境和应力历史等因素有关；此外，还决定于它当前所受的应力状态。,最重要的是试验时的排水条件。,2,）孔隙水压力的影响,根据有效应力原理，土体内的剪应力只能由土体骨架承担，土的抗剪强度受孔隙水压力的影响。即排水条件。,4,、土的抗剪强度有效应力法,饱和土的抗剪强度与土受剪前在法向应力作用下的固结度有关。而土只有在有效应力作用下才能固结。有效应力逐渐增加的过程，就是土的抗剪强度逐渐增加的过程,。,土的抗剪强度有两种表达方法，一种是以总应力表示剪切破坏面上的法向应力，抗剪强度表达式即为库伦公式，称为抗剪强度总应力法，相应的 称为,总应力强度指标,（参数）；,另一种则以有效应力表示剪切破坏面上的法向应力，称为抗剪强度有效应力法，称为有效应力强度指标（参数）。,试验研究表明，土的抗剪强度取决于土粒间的有效应力，然而，由库伦公式建立的概念在应用上比较方便，许多土工问题的分析方法都还建立在这种概念的基础上，故在工程上仍沿用至今。,粘性土的抗剪强度指标的变化范围很大，土的摩擦角从,0”到30”,，上的粘聚力从,10,到,200,kPa。,1,、莫尔,库伦强度理论,莫尔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剪应力 是该面上法向应力 的函数，即：,是一条曲线，称为莫尔包线（抗剪强度包线），如右图实线，理论和试验表明莫尔强度理论对土体比较合适。通常用一直线代替，该直线方程就是库伦公式表示的方程。由库伦公式表示莫尔包线的强度理论称为,莫尔,库伦强度理论,。,6.2.2,莫尔,-,库伦强度理论及极限平衡条件,2,、土体中任一点的应力状态,假定土层为均匀、连续的半空间材料，研究地面以下任一深度处,M,点的应力状态。,下面仅研究平面问题，在土体中取一微单元体，作用在该单元体上的两个主应力为 ，则作用在与大主应力作用面成 角的 平面上的正应力 和剪应力 可根据静力平衡条件求得：,如下图。,以上,可用莫尔圆表示，,如果给定了土的抗剪强度参数,和,c,以及土中某点的应力状态，则可将抗剪强度包线与莫尔应力圆画在同一张坐标图上。它们之间的关系有三种情况：,（,1,）莫尔圆位于抗剪强度包线下方（圆,1,），说明该点在任何平面上的剪应力都小于土所能发挥的抗剪强度 ，因此不会发生剪切破坏；,（,2,）圆,3,实际上不存在；,（,3,）圆,2,，说明在,A,点所代,表的平面上剪应力正好等于,抗剪强度 ，该点,处于极限平衡状态。圆,2,称为,极限应力圆。,c,3,、土的极限平衡条件,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,：,对无粘性土：,破裂面,破裂角：,化简后得：,4,、土的极限平衡条件的应用,土的极限平衡条件常用来评判土中某点的平衡状态，具体方法是根据实际最小主应力,s,3,及土的极限平衡条件式,（6-9）,可推求土体处于极限平衡状态时所能承受的最大主应力,s,1f,或根据实际最小主应力,s,1,及土的极限平衡条件式,（6-10）,推求出土体处于极限平衡状态时所能承受的最小主应力,s,3f,，,再通过比较计算值与实际值即可评判该点的平衡状态：（,1,）当,s,1,s,3f,时，土体中该点处于稳定平衡状态；（,2,）当,s,1,=,s,1f,或,s,3,=,s,3f,时，土体中该点处于极限平衡状态；（,3,）当,s,1,s,1f,或,s,3,s,3f,，,可判定该土样处于稳定平衡状态。上述计算也可以根据实际最小主应力,s,3,计算,s,1f,的方法进行。,6.3,土的抗剪强度试验,抗剪强度的试验方法有多种，,室内试验,常用的有：直接剪切试验、三轴压缩试验和无侧限抗压强度试验；,现场原位测试,的有十字板剪切试验、大型直接剪切试验等。,6.3.1,、直接剪切试验装置,直接剪切试验是测定土的抗剪强度的最简单的方法，它所测定的是土样预定剪切面上的抗剪强度。直剪试验所使用的仪器称为直剪仪，按加荷方式的不同，直剪仪可分为,应变控制式和应力控制式,两种。,前者是以等速水平推动试样产生位移并测定相应的剪应力；后者则是对试样分级施加水平剪应力，同时测定相应的位移。我国目前普遍采用的是,应变控制式直剪仪,，该仪器的主要部件由固定的上盒和活动的下盒组成，试样放在盒内上下两块透水石之间，如图,6-7,所示。试验时，由杠杆系统通过加压活塞和透水石对试样施加某一法向应力，然后等速推动下盒，使试样在沿上下盒之间的水平面上受剪直至破坏，剪应力,t,的大小可借助与上盒接触的量力环测定。,试验中通常对同一种土取,34,个试样，分别在不同的法向应力下剪切破坏，可将试验结果绘制成抗剪强度,t,f,与法向应力,之间的关系，,如图,6-8,所示,。试验结果表明，对于砂性土，抗剪强度与法向应力之间的关系是一条通过原点的直线，直线方程可用库仑公式（,6-1,）表示；对于粘性土，抗剪强度与法向应力之间也基本成直线关系，该直线与横轴的夹角为内摩擦角,，,在纵轴上的截距为粘聚力,c,，,直线方程可用库仑公式（,6-2,）表示。,图6-8,切应力,与剪切位移,关系曲线,（2,）直剪试验强度取值,试验结果表明，不同土性的土样在剪切试验时的剪应力,t,与剪切位移,关系曲线形态时有较大差异的。土样的抗剪强度应根据其,t,-,曲线形态分别确定：对密实砂土、坚硬粘土等，其,t,-,曲线将出现峰值,(图6-8中3,4,曲线,),，可取峰值切应力作为该级法向应力,下的抗剪强度,t,f,；,对松砂、软土等，,t,曲线一般无峰值出现（图,68中1,2,曲线），可取剪切位移,4 mm,时所对应的切应力作为该级法向应力,下的抗剪强度,t,f,。,（3,）直剪试验方法分类,大量的试验和工程实践都表明，土的抗剪强度是与土受力后的排水固结状况有关，故测定强度指标的试验方法应与现场的施工加荷条件一致。直剪试验由于其仪器构造的局限无法做到任意控制试样的排水条件，为了在直剪试验中能尽量考虑实际工程中存在的不同固结排水条件，通常采用不同加荷速率的试验方法来近似模拟土体在受剪时的不同排水条件，由此产生了三种不同的直剪试验方法，即快剪、固结快剪和慢剪。,（,1,）快剪。快剪试验是在对试样施加竖向压力后，立即快速施加水剪应力使试样剪切破坏。一般从加荷到土样剪坏只用,35,min。,由于剪切速率较快，可认为对于渗透系数小于,106,cm/s,的粘性土在剪切过程中试样没有排水固结，近似模拟了“不排水剪切”过程。,（2,）固结快剪。固结快剪是在对试样施加竖向压力后，让试样充分排水固结，待沉降稳定后，再快速施加水平剪应力使试样剪切破坏。固结快剪试验近似模拟了“固结不排水剪切”过程，它也只适用于渗透系数小于,106,cm/s,的粘性土。,（,3,）慢剪。慢剪试样是在对试样施加竖向压力后，让试样充分排水固结，待沉降稳定后，以小于,0.02,mm/min,的剪切速率施加水平剪应力直至试样剪切破坏，使试样在受剪过程中一直充分排水和产生体积变形，模拟了“固结排水剪切”过程。,（4,）直剪试验的优缺点,直接剪切仪的优点：,构造简单、操作方便；,直接剪切仪的缺点：,剪切面限定在上下盒之间的平面，而不是沿土样最薄弱的剪切面破坏；,剪切面上剪应力分布不均，在边缘发生应力集中现象；,在剪切过程中，剪切面逐渐缩小，而计算抗剪强度时却按圆截面计算；,试验时不能严格控制排水条件，不能量测孔隙水压力。,6.3.2,、三轴压缩试验,（,1,）三轴压缩试验仪器,三轴压缩试验所使用的仪器是,三轴压缩仪,（也称三轴剪切仪），主要组成：,压力室、轴向加荷系统、围压系统以及量测系统,。压力室是三轴仪的主要组成部分，它是一个由金属上盖、底座以及透明有机玻璃圆筒组成的密闭容器，压力室底座通常有,3,个小孔分别与围压系统以及体积变形和孔隙水压力量测系统相连。,围压调压系统由压力泵、调压阀和压力表等组成。试验时通过压力室对试样施加周围压力，并在试验过程中根据不同的试验要求对压力予以控制或调节，如保持恒压或变化压力等。,量测系统由排水管、体变管和孔隙水压力量测装置等组成。试验时分别测出试样受力后土中排出的水量变化以及土中孔隙水压力的变化。对于试样的竖向变形，则利用置于压力室上方的测微表或位移传感器测读。,（2,）三轴试验的基本原理,常规三轴试验一般按如下步骤进行：,1,）将土样切制成圆柱体套在橡胶膜内，放在密闭的压力室中，根据试验排水要求启闭有关的阀门开关。,2,）向压力室内注入气压或液压，使试样承受周围压力,3,作用，并使该周围压力在整个试验过程中保持不变，图,610,。,3,）通过活塞杆对试样加竖向压力，随着竖向压力逐渐增大，试样最终将因受剪而破坏，图,610,。,设剪切破坏时轴向加荷系统加在试样上的竖向压应力（称为偏应力）为,1，,则试样上的大主应力为,1=,3+,1，,而小主应力为,3，,据此可作出一个极限应力圆。,图6-10,三轴试验基本原理,用同一种土样的若干个试件（一般,34,个）分别在不同的周围