第五章土的强度

5、土的抗剪强度5.1库伦定律及摩尔-库伦强度理论5.2土的剪切试验方法5.1概述变形破坏沉降、位移、不均匀沉降等超过规定限值(已学)地基破坏强度破坏地基整体或局部滑移、隆起，土工构筑物失稳、滑坡土体强度破坏的机理：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。土的抗剪强度：土体抵抗剪切破坏的极限能力工程背景1.建筑物地基承载力问题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甚至倾覆。建筑物地基承载力问题(图4)2.构筑物环境的安全性问题即土压力问题挡土墙、基坑等工程中，墙后土体强度破坏将造成过大的侧向土压力，导致墙体滑动、倾覆或支护结构破坏事故。3.土工构筑物的稳定性问题3.土工构筑物的稳定性问题土坝、路堤等填方边坡以及天然土坡等，在超载、渗流乃至暴雨作用下引起土体强度破坏后将产生整体失稳边坡滑坡等事故。5.1.1库仑定律1776年，库仑根据砂土剪切试验得出砂土后来，根据粘性土剪切试验得出粘土c库仑定律：土的抗剪强度是剪切面上的法向总应力的线性函数tanfcftanffPTA土样库伦公式tgcfcf抗剪强度指标c:土的粘聚力:土的内摩擦角(无粘性土：c=0)土的抗剪强度一般可分为两部分：一部分与颗粒间的法向应力有关，通常呈正比例关系，其本质是摩擦力；另一部分是与法向应力无关的土粒之间的粘结力，通常称为粘聚力。表达方法土的抗剪强度总应力法：总应力强度指标有效应力法：有效应力强度指标uu5.1.2莫尔-库伦强度理论当土体中某点任意平面上的剪应力等于土的抗剪强度时，该点处于临界破坏状态，这种状态称为“极限平衡状态”。表征该状态下各种应力之间的关系称为“极限平衡条件”τ=τf极限平衡状态如何判断土中某点是否破坏，有二种方法：应力圆与强度线相离：强度线应力圆与强度线相切：应力圆与强度线相割：极限应力圆ττf弹性平衡状态τ=τf极限平衡状态ττf破坏状态1、通过绘图判断土体某点是否破坏2、通过极限平衡条件（莫尔－库仑破坏准则）判断31cf2fAcctg1/2(1+3)313121cot21sinc土体某点是否破坏σ1f=σ3tg2(45+φ/2)＋2ctg(45+φ/2)σ3f=σ1tg2(45－φ/2)－2ctg(45－φ/2)土体处于极限平衡状态所能承受最大或最小主应力：由σ3计算σ1f比较σ1与σ1fσ1σ1f弹性平衡状态σ1=σ1f极限平衡状态σ1σ1f破坏状态213452tg4522ftgc213452tg4522ftgc假设已知某点的大小主应力σ1、σ3判断破坏可能性由σ3计算σ1f比较σ1与σ1fσ1σ1f弹性平衡状态σ1=σ1f极限平衡状态σ1σ1f破坏状态Oc1f311破坏判断方法判别对象：土体微小单元（一点）的方法测定土抗剪强度直接剪切试验三轴压缩试验无侧限抗压强度试验现场十字板剪切仪5.2土的剪切试验方法试验仪器：直剪仪（应变控制式，应力控制式）5.2.1直接剪切试验应变控制式直剪仪的试验原理：对同一种土至少取4个平行试样，分别在不同垂直压力下剪切破坏，将试验结果绘制抗剪强度f与相应垂直压力的关系图。剪切容器与应力环在不同的垂直压力下进行剪切试验，得相应的抗剪强度τf，绘制τf-曲线，得该土的抗剪强度包线APATf在法向应力作用下，剪应力与剪切位移关系曲线。4mmab剪切位移△l(0.01mm)剪应力（kPa)12快剪固结快剪慢剪在直剪试验过程中，根据加荷速率的快慢可将试验划分为:直剪试验优缺点优点：仪器构造简单，试样的制备和安装方便，易于操作。缺点：①剪切破坏面固定，且不一定是土样的最薄弱面。②不能严格控制排水条件，不能量测土样的孔隙水压力。③剪切过程中试样剪切面积逐渐减小，剪切面上的剪应力分布不均匀。一、抗剪强度包线分别在不同的周围压力3作用下进行剪切，得到3～4个不同的破坏应力圆，绘出各应力圆的公切线即为土的抗剪强度包线。抗剪强度包线c5.2.2三轴压缩试验33333131二、三轴剪切试验试验仪器：应变控制式三轴仪：压力室，加压系统，量测系统组成(常用）应力控制式三轴仪试验步骤:2.施加周围压力3.施加竖向压力1.装样三轴压缩仪应变控制式三轴仪：压力室加压系统量测系统轴向加荷系统加压和量测系统三轴压缩试验按排水条件的不同，可分为不固结不排水剪(UU剪)、固结不排水剪(CU剪)和固结排水剪(CD剪)三种试验方法。工程应用时，当地基土的透水性和排水条件不良而施工速度较快时，可选用UU剪切试验指标；当地基土的透水性和排水条件较好而施工速度较慢时，可选用CD剪切试验指标；当建筑物停工或竣工较久后又突然加层，可选用CU剪切试验指标。三轴试验根据排水条件不同可分为三种试验方法及每种试验方法所得指标的适用性：三轴试验优缺点优点：①能控制排水条件，量测孔隙水压力。②试样的应力分布比较均匀，剪切破坏面为最薄弱面。缺点：①试验仪器复杂，操作技术要求高，试样制备较复杂。②试验在2=3的轴对称条件下进行，与土体实际受力情况可能不符。ququ加压框架量表量力环升降螺杆无侧限压缩仪3=0试样5.3.3无侧限抗压强度试验无侧限压缩仪0cu0u无侧限抗压强度试验qu无侧限抗压强度试验所得的极限应力圆的水平切线就是破坏包线2uufqc饱和软粘土，在不固结不排水条件下进行剪切试验，可认为0u