土力学第四章-土的抗剪强度与地基承载力课件.pptx

土工结构物或地基土渗透问题渗透问题变形问题变形问题强度问题强度问题渗透特性渗透特性变形特性变形特性强度特性强度特性5-1 5-1 概述概述与土体强度有关的工程问题：与土体强度有关的工程问题：建筑物地基稳定性、填建筑物地基稳定性、填方或挖方边坡、挡土墙土压力方或挖方边坡、挡土墙土压力等。等。土体强度表现为土体强度表现为：一部分土体相对与另一部分土体的一部分土体相对与另一部分土体的滑动，滑动面上剪应力超过了极限抵抗能力滑动，滑动面上剪应力超过了极限抵抗能力抗剪强抗剪强度度；土的土的抗剪强度抗剪强度是指土体对于外荷载所产生的剪应力的是指土体对于外荷载所产生的剪应力的极限抵抗能力。极限抵抗能力。5-1 5-1 概述概述5-1 5-1 概述概述5-1 5-1 概述概述p土压力土压力p边坡稳定边坡稳定p地基承载力地基承载力p挡土结构物破坏挡土结构物破坏p各种类型的滑坡各种类型的滑坡p地基的破坏地基的破坏核心核心强度理论强度理论工程中土体的破坏类型工程中土体的破坏类型在外荷载的作用下，土体中任一截面将同时产生法向在外荷载的作用下，土体中任一截面将同时产生法向应力和剪应力，其中应力和剪应力，其中法向应力作用将使土体发生压密法向应力作用将使土体发生压密，而而剪应力作用可使土体发生剪切变形剪应力作用可使土体发生剪切变形。当土中一点某一截面上由外力所产生的剪应力达到土当土中一点某一截面上由外力所产生的剪应力达到土的抗剪强度时，它将沿着剪应力作用方向产生相对滑的抗剪强度时，它将沿着剪应力作用方向产生相对滑动，该点便发生剪切破坏。动，该点便发生剪切破坏。土的破坏主要是由于剪切所引起的土的破坏主要是由于剪切所引起的，剪切破坏是土体，剪切破坏是土体破坏的主要特点。破坏的主要特点。5-1 5-1 概述概述1.1.碎散性：碎散性：强度不是颗粒矿物本身的强度，而是颗粒间强度不是颗粒矿物本身的强度，而是颗粒间相互作用相互作用主要是抗剪强度（剪切破坏），颗粒间主要是抗剪强度（剪切破坏），颗粒间粘聚力与摩擦力；粘聚力与摩擦力；2.2.三相体系三相体系：三相承受与传递荷载三相承受与传递荷载有效应力原理；有效应力原理；3.3.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。首先需要了解土的强度特点首先需要了解土的强度特点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一一 、库伦公式及库伦公式及抗剪强度抗剪强度指标指标 库伦库伦(CoulombCoulomb,17731773)根据砂土的试验，将土的抗剪强度根据砂土的试验，将土的抗剪强度 ，表表达为滑动面上法向总应力达为滑动面上法向总应力 的函数，即的函数，即 (5(5 1)1)PSTA O =100KPa S=200KPa=300KPa摩擦强度摩擦强度=100KPa S=200KPa=300KPa直剪试验结果直剪试验结果以后又提出了适合粘性土的更普遍的以后又提出了适合粘性土的更普遍的表达式：表达式：（5 5 2 2）式中式中：c c 土的粘聚力土的粘聚力(内聚力内聚力)，kPakPa；土的内摩擦角，度土的内摩擦角，度；式式(5-1)(5-1)和和(5-2)(5-2)统称为库伦公式，统称为库伦公式，或库伦定律，或库伦定律，c c 、称为抗剪强度指标称为抗剪强度指标 (抗剪强度参数抗剪强度参数)。Oc 粘聚强度粘聚强度摩擦强度摩擦强度+PSTA5-2 5-2 土的抗剪强度理论土的抗剪强度理论NT=Ntgu uT滑动摩擦 土的强度机理土的强度机理摩擦强度粘聚强度摩擦强度粘聚强度（1 1）滑动摩擦）滑动摩擦摩擦强度 tg由颗粒之间发生滑动时由颗粒之间发生滑动时颗粒接触面粗糙不平所颗粒接触面粗糙不平所引起，与颗粒大小，矿引起，与颗粒大小，矿物组成等因素有关物组成等因素有关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 细砂细砂 中砂中砂 粗砂粗砂（2 2）咬合摩擦咬合摩擦摩擦强度摩擦强度 tgtg CABCAB剪切面剪切面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（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 5-2 5-2 土的抗剪强度理论土的抗剪强度理论密度（密度（e,粒径级配（粒径级配（Cu,Cc）颗粒的矿物成分颗粒的矿物成分 对于对于：砂土：砂土粘性土；粘性土；高岭石高岭石伊里石伊里石蒙特石蒙特石粒径的形状（颗粒的棱角与长宽比）粒径的形状（颗粒的棱角与长宽比）在其他条件相同时：在其他条件相同时：一般，对于粗粒土，颗粒的棱角提高了内摩擦角一般，对于粗粒土，颗粒的棱角提高了内摩擦角 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：摩擦强度摩擦强度 tgtg 5-2 5-2 土的抗剪强度理论土的抗剪强度理论5-2 5-2 土的抗剪强度理论土的抗剪强度理论p粘聚强度机理n静电引力（库仑力）静电引力（库仑力）n范德华力范德华力n颗粒间胶结颗粒间胶结n假粘聚力（毛细力等）假粘聚力（毛细力等）p粘聚强度影响因素n地质历史地质历史n粘土颗粒矿物成分粘土颗粒矿物成分n密度密度n离子价与离子浓度离子价与离子浓度-+粘聚强度粘聚强度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有两种表达方法，一种是以总应力表示剪切破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，称为抗剪强度抗剪强度总应力法总应力法，相应的，相应的 c 、称为总应力强度指标称为总应力强度指标 (参数参数)；另一种则以有效应力表示剪切破坏面上的法；另一种则以有效应力表示剪切破坏面上的法向应力，称为抗剪强度向应力，称为抗剪强度有效应力法有效应力法，c、称为有效应称为有效应力强度指标力强度指标(参数参数)。试验研究表明，土的抗剪强度取。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，决于土粒间的有效应力，然而，由库伦公式建立的概念在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种概念的基础上，故在工程上仍沿用至今。抗剪强度有效应力表达式抗剪强度有效应力表达式：对于砂土对于砂土 对于粘性土对于粘性土 二、莫尔二、莫尔库伦强度理论库伦强度理论5-2 5-2 土的抗剪强度理论土的抗剪强度理论（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是该面上作用的法向应是该面上作用的法向应力力 的单值函数的单值函数,f=f()（莫尔：莫尔：1900年）年）（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=c+tg（3）某土单元的任一个平面上某土单元的任一个平面上 =f，该单元就达到了极限平衡应该单元就达到了极限平衡应力状态力状态二、莫尔二、莫尔库伦强度理论库伦强度理论5-2 5-2 土的抗剪强度理论土的抗剪强度理论一、莫尔应力圆一、莫尔应力圆5-3 5-3 土中一点的应力极限平衡条件土中一点的应力极限平衡条件莫尔圆应力分析符号规定莫尔圆应力分析符号规定材料力学材料力学+-+-土力学土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压为正压为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一、莫尔应力圆一、莫尔应力圆5-3 5-3 土中一点的应力极限平衡条件土中一点的应力极限平衡条件 O x2 1 3 31 3 1 O由材料力学知识，已知大小主应力，可以求得与大主应力作用由材料力学知识，已知大小主应力，可以求得与大主应力作用平面成平面成 角的平面上的法向应力和剪应力。角的平面上的法向应力和剪应力。土单元应力状态的轨迹是一个圆。圆心离圆点距离土单元应力状态的轨迹是一个圆。圆心离圆点距离圆半径圆半径 一、莫尔应力圆一、莫尔应力圆5-3 5-3 土中一点的应力极限平衡条件土中一点的应力极限平衡条件对于一般应力状态，即不知道大、小主应力对于一般应力状态，即不知道大、小主应力 O z+zx-xz x2 1 3rpx+-1 大主应力：大主应力：小主应力小主应力:圆心：圆心：半径：半径：z按顺时针方向旋转按顺时针方向旋转x x按顺时针方向旋转按顺时针方向旋转莫莫 尔尔 圆：代表一个土单元的应力状态；圆：代表一个土单元的应力状态；圆上一点：代表一个面上的两个应力圆上一点：代表一个面上的两个应力 与与 极点的概念极点的概念 极点的应用极点的应用二、极限平衡条件二、极限平衡条件5-3 5-3 土中一点的应力极限平衡条件土中一点的应力极限平衡条件如果已知土的抗剪强度指标，同时土中某点的应力状态已经确如果已知土的抗剪强度指标，同时土中某点的应力状态已经确定，就可将抗剪强度线与莫尔应力圆画在同一坐标纸上，从而定，就可将抗剪强度线与莫尔应力圆画在同一坐标纸上，从而判别该点是否达到极限平衡状态。判别该点是否达到极限平衡状态。f强度包线以内：强度包线以内：任何一个面上任何一个面上的一对应力的一对应力 与与 都没有达到都没有达到破坏包线，不破坏；破坏包线，不破坏；与破坏包线相切：与破坏包线相切：该面上的应该面上的应力达到破坏状态；力达到破坏状态；与破坏包线相交：与破坏包线相交：有一些平面有一些平面上的应力超过强度；不可能发上的应力超过强度；不可能发生。生。极限平衡应力状态极限平衡应力状态：极限平衡应力状态：有一对面上的应力状态达到有一对面上的应力状态达到 =f f土的强度包线：土的强度包线：所有达到极限平衡状态的莫尔园的公切线。所有达到极限平衡状态的莫尔园的公切线。f5-3 5-3 土中一点的应力极限平衡条件土中一点的应力极限平衡条件二、极限平衡条件二、极限平衡条件莫尔莫尔-库仑强度理论表达式极限平衡条件库仑强度理论表达式极限平衡条件 1 3 O c5-3 5-3 土中一点的应力极限平衡条件土中一点的应力极限平衡条件二、极限平衡条件二、极限平衡条件剪破面与大主应力作用平面的剪破面与大主应力作用平面的夹角夹角 称为称为破坏角破坏角，从图中，从图中几何关系可得理论剪破角为：几何关系可得理论剪破角为：=45+/2 cr cr2 cr注意：剪破面并不是剪应力最大平面注意：剪破面并不是剪应力最大平面5-3 5-3 土中一点的应力极限平衡条件土中一点的应力极限平衡条件二、极限平衡条件二、极限平衡条件上式即为土的极限平衡条件。当土的强度指标上式即为土的极限平衡条件。当土的强度指标c，为已知，若土为已知，若土中某点的大小主应力中某点的大小主应力1和和3满足上列关系式时，则该土体正好处于满足上列关系式时，则该土体正好处于极限平衡或破坏状态极限平衡或破坏状态。变换得到极限平衡状态时大小主应力之间的关系满足：变换得到极限平衡状态时大小主应力之间的关系满足：上式也可适用于有效应力，相应上式也可适用于有效应力，相应c，应该用应该用c，。【例题【例题51】已知某土体单元的大主应力】已知某土体单元的大主应力1480kPa，小主小主应力应力3220kPa。通过试验测得土的抗剪强度指标通过试验测得土的抗剪强度指标c=20kPa，18，问该单元土体处于什么状态？问该单元土体处于什么状态？【解】已知【解】已知1480kPa,3220kPa,c=20kPa,18 （1）直接用）直接用与与f的关系来判别的关系来判别5-3 5-3 土中一点的应力极限平衡条件土中一点的应力极限平衡条件注意：剪破面注意：剪破面并不是剪应力并不是剪应力最大平面，先最大平面，先画莫尔圆画莫尔圆 1 3 O c90+分别求出剪破面上的法向应力分别求出剪破面上的法向应力和剪应力和剪应力为为求相应面上的抗剪强度求相应面上的抗剪强度f为为由于由于 f，说明该单元体早已破坏。说明该单元体早已破坏。5-3 5-3 土中一点的应力极限平衡条件土中一点的应力极限平衡条件220220220309.83kPa123.64kPa=20+309.83tan18=120.67kPa（2）利用极限平衡条件来判别）利用极限平衡条件来判别由达到极限平衡条件所需要的小主应力值为由达到极限平衡条件所需要的小主应力值为3f，此此时把实际存在的大主应力时把实际存在的大主应力3=480kPa及强度指标及强度指标c，代入下式中，则得代入下式中，则得5-3 5-3 土中一点的应力极限平衡条件土中一点的应力极限平衡条件也可由计算达到极限平衡条件时所需要得大主应力也可由计算达到极限平衡条件时所需要得大主应力值为值为1f，此时把实际存在的大主应力此时把实际存在的大主应力3=480kPa及及强度指标强度指标c，代入下式中，则得代入下式中，则得由计算结果表明，虽然由计算结果表明，虽然 33f,但但1 1f ，所所以该单元土体早已破坏。以该单元土体早已破坏。5-3 5-3 土中一点的应力极限平衡条件土中一点的应力极限平衡条件220220471.83kPa5-3 5-3 土中一点的应力极限平衡条件土中一点的应力极限平衡条件问：此例题中最大剪应力平面上，是否也达到破坏？问：此例题中最大剪应力平面上，是否也达到破坏？1 3 O c90 最大剪应力平面与大主应力平面成最大剪应力平面与大主应力平面成45 角，正应力角，正应力=(1+3)/2=345kPa,f=133.72kPa剪应力剪应力=(1-3)/2=130kPa由于由于 ；c c a a用若干点的最小二乘法用若干点的最小二乘法确定确定a 和和 然后计算强度指标然后计算强度指标c和和 确定强度指标确定强度指标oqpa5-6 5-6 应力路径的概念及其在强度问题中的应用应力路径的概念及其在强度问题中的应用三、三、K Kf f线线强度包线与破坏主应力线的关系强度包线与破坏主应力线的关系5-6 5-6 应力路径的概念及其在强度问题中的应用应力路径的概念及其在强度问题中的应用四、几种典型条件下的应力路径四、几种典型条件下的应力路径三轴试验中的应力路径：三轴试验中的应力路径：ABAB、ACAC表示表示 不变，增加不变，增加 ，即常，即常规三轴；规三轴；ADAD、AEAE为保持为保持 ，减小，减小 ，即伸长破坏。，即伸长破坏。实验室伸长破坏的强度要比压缩破坏的强度低实验室伸长破坏的强度要比压缩破坏的强度低15%15%20%20%。5-6 5-6 应力路径的概念及其在强度问题中的应用应力路径的概念及其在强度问题中的应用四、几种典型条件下的应力路径四、几种典型条件下的应力路径三轴固结排水剪应力路径三轴固结排水剪应力路径ABAB，是斜率为是斜率为1 1的直线；伸长试验应力的直线；伸长试验应力路径是斜率为路径是斜率为-1-1的直线。有效应力路径与总应力路径相同。的直线。有效应力路径与总应力路径相同。p(p)quKfKf正常固结土CU试验TSPESPpqKf三轴伸长三轴伸长正常固结土CD试验三轴压缩三轴压缩三轴固结不排水剪，总应力路径三轴固结不排水剪，总应力路径AMAM斜率为斜率为1 1；有效应力路径；有效应力路径ANAN上上每一点的每一点的p p值均与总应力值均与总应力p p对应的点相差孔隙水压力对应的点相差孔隙水压力u u，正常固正常固结粘土剪切破坏时孔压为正，结粘土剪切破坏时孔压为正，ESPESP在在TSPTSP左边。左边。5-6 5-6 应力路径的概念及其在强度问题中的应用应力路径的概念及其在强度问题中的应用四、几种典型条件下的应力路径四、几种典型条件下的应力路径几种典型工程的应力路径几种典型工程的应力路径5-7 5-7 三轴试验中土的剪切性状三轴试验中土的剪切性状一、一、无粘性土无粘性土的剪切性状的剪切性状1.无粘性土无粘性土的的内摩擦角内摩擦角由于由于无粘性无粘性土的透水性强，它在现场的受剪过程大多相当于土的透水性强，它在现场的受剪过程大多相当于固结排水剪情况，由固结排水剪试验求得的强度包线一般为固结排水剪情况，由固结排水剪试验求得的强度包线一般为通过坐标于原点的直线，可表达为通过坐标于原点的直线，可表达为f=tand 式中：式中：d固结排水剪求得的内摩擦角。固结排水剪求得的内摩擦角。抗剪强度抗剪强度取决于有效法向应力和内摩擦角。内摩擦角与初始取决于有效法向应力和内摩擦角。内摩擦角与初始孔隙比孔隙比、颗粒形状、表面粗糙度和级配、颗粒形状、表面粗糙度和级配有关有关；松砂内摩擦角松砂内摩擦角大致等于天然休止角。大致等于天然休止角。一、一、无粘性无粘性土的剪切性状土的剪切性状2.无粘性土的应力应变特性无粘性土的应力应变特性 剪缩性剪缩性、剪胀性剪胀性无粘性无粘性土的土的密实度密实度不同，在受剪过程中将显示出不同的性状。松砂受剪时，颗不同，在受剪过程中将显示出不同的性状。松砂受剪时，颗粒滚落到平衡位置，排列得更紧密些，所以它的体积缩小，把这种因剪切而体粒滚落到平衡位置，排列得更紧密些，所以它的体积缩小，把这种因剪切而体积缩小的现象称为剪缩性；反之，紧砂受剪时，颗粒必须升高以离开它们原来积缩小的现象称为剪缩性；反之，紧砂受剪时，颗粒必须升高以离开它们原来的位置而彼此才能相互滑过，从而导致体积膨胀，把这种现象称为剪胀性。的位置而彼此才能相互滑过，从而导致体积膨胀，把这种现象称为剪胀性。然而，紧砂的这种剪胀趋势随围压的增大然而，紧砂的这种剪胀趋势随围压的增大、土粒的破碎而逐渐消失。在高土粒的破碎而逐渐消失。在高周围压力下，不论砂土的松紧如何周围压力下，不论砂土的松紧如何,受剪都将剪缩。受剪都将剪缩。5-7 5-7 三轴试验中土的剪切性状三轴试验中土的剪切性状一、一、无粘性无粘性土的剪切性状土的剪切性状应变硬化型应变硬化型、应变软化型应变软化型松砂的强度逐渐增大，应力轴松砂的强度逐渐增大，应力轴向应变关系呈应变硬化型，它的向应变关系呈应变硬化型，它的体积则逐渐减小。体积则逐渐减小。紧砂的强度达一定值后，随着轴紧砂的强度达一定值后，随着轴向应变的继续增加强度反而减小，向应变的继续增加强度反而减小，应力轴向应变关系最后呈随应应力轴向应变关系最后呈随应变软化型，它的体积开始时稍有变软化型，它的体积开始时稍有减小，继而增加，超过了它的初减小，继而增加，超过了它的初始体积。始体积。5-7 5-7 三轴试验中土的剪切性状三轴试验中土的剪切性状一、一、无粘性无粘性土的剪切性状土的剪切性状残余强度残余强度紧砂的强度达一定值后，随着轴紧砂的强度达一定值后，随着轴向应变的继续增加强度减小，向应变的继续增加强度减小，最最后趋于与松砂相同的恒定值，这后趋于与松砂相同的恒定值，这一恒定的强度称为一恒定的强度称为应力轴向应应力轴向应残余强度。残余强度。密砂的这种强度减小被认为是剪密砂的这种强度减小被认为是剪应变克服了土粒间的咬合作用之应变克服了土粒间的咬合作用之后，无粘性土结构崩解变松的结后，无粘性土结构崩解变松的结果。果。5-7 5-7 三轴试验中土的剪切性状三轴试验中土的剪切性状一、砂性土的剪切性状一、砂性土的剪切性状4.砂土的砂土的 振动振动液化液化液化液化被定义为任何物质转化为液体的行为或过程。对于饱和被定义为任何物质转化为液体的行为或过程。对于饱和疏松的粉细砂，当受到突发的动力荷载时，例如地震荷载，疏松的粉细砂，当受到突发的动力荷载时，例如地震荷载，一方面由于动剪应力的作用有使体积缩小的趋势，另一方面一方面由于动剪应力的作用有使体积缩小的趋势，另一方面由于时间短来不及向外排水，因此就产生了很大的孔隙水应由于时间短来不及向外排水，因此就产生了很大的孔隙水应力。按有效应力原理，无粘性土的抗剪强度应表达为力。按有效应力原理，无粘性土的抗剪强度应表达为5-7 5-7 三轴试验中土的剪切性状三轴试验中土的剪切性状当动荷载引起的超孔隙水压力当动荷载引起的超孔隙水压力u达到达到时，则有效应力为零，时，则有效应力为零，抗剪强度为零，此时无粘性土地基丧失承载力。抗剪强度为零，此时无粘性土地基丧失承载力。此外，振动液化也可能发生在低塑性粘性土、粉土之中。此外，振动液化也可能发生在低塑性粘性土、粉土之中。振前松砂的振前松砂的结构结构振中颗粒悬浮，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4.砂土的砂土的 振动振动液化液化 液化机理及危害液化机理及危害5-7 5-7 三轴试验中土的剪切性状三轴试验中土的剪切性状松砂层松砂层地下水位地下水位地震荷载地震荷载建建筑筑物物喷喷 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二、粘性土的剪切性状二、粘性土的剪切性状1、正常固结粘土正常固结粘土5-7 5-7 三轴试验中土的剪切性状三轴试验中土的剪切性状在饱和土的不固结不排水剪试验中，总强度包线为一水平线。在饱和土的不固结不排水剪试验中，总强度包线为一水平线。所以所以 ，不固结不排水强度（不固结不排水强度（不固结不排水强度（不固结不排水强度（UUUU）1、正常固结粘土正常固结粘土 固结不排水强度（固结不排水强度（CU）固结不排水剪切试验的过程如图所示。固结不排水剪切试验的过程如图所示。正常固结土的正常固结土的CU试验总强度线是如图所示一条通过坐试验总强度线是如图所示一条通过坐标原点的直线，倾角为标原点的直线，倾角为 ，。其抗剪强度可表其抗剪强度可表示为示为5-7 5-7 三轴试验中土的剪切性状三轴试验中土的剪切性状固结不排水强度（固结不排水强度（CU）若在固结不排水剪试验中量测孔隙水应力，则结果可用有效应力若在固结不排水剪试验中量测孔隙水应力，则结果可用有效应力整理。从破坏时的总应力中减去整理。从破坏时的总应力中减去 ,可得到相应破坏时的有效大主可得到相应破坏时的有效大主应力应力 和有效小主应力和有效小主应力 及破坏应力圆，绘出这些破坏应力圆及破坏应力圆，绘出这些破坏应力圆的包线，可得有效应力强度包线。由于正常固结土剪破时的孔隙的包线，可得有效应力强度包线。由于正常固结土剪破时的孔隙水应力为正值，则剪破时的有效应力圆总在总应力圆的左边。有水应力为正值，则剪破时的有效应力圆总在总应力圆的左边。有效应力强度包线也是通过坐标原点的直线，直线的倾角效应力强度包线也是通过坐标原点的直线，直线的倾角 大于大于 ，于是用有效应力表示的于是用有效应力表示的CU试验抗剪强度为试验抗剪强度为5-7 5-7 三轴试验中土的剪切性状三轴试验中土的剪切性状1、正常固结粘土正常固结粘土 固结排水强度（固结排水强度（CD)固结排水剪切试验的过程如图所示。固结排水剪切试验的过程如图所示。如图所示，由于试验过程中孔隙水应力始终保持为零，有效应如图所示，由于试验过程中孔隙水应力始终保持为零，有效应力就等于外加总应力，极限总应力圆就是极限有效应力圆，因力就等于外加总应力，极限总应力圆就是极限有效应力圆，因而总应力强度包线即为有效应力强度包线。而总应力强度包线即为有效应力强度包线。CD试验中的有效试验中的有效应力强度指标常用应力强度指标常用 ，表示。其强度包线是一条通过坐标表示。其强度包线是一条通过坐标原点的直线，其倾角为原点的直线，其倾角为 ，。于是，于是，CD试验抗剪强试验抗剪强度可表示为度可表示为5-7 5-7 三轴试验中土的剪切性状三轴试验中土的剪切性状1、正常固结粘土正常固结粘土三种结果比较三种结果比较将上述三种三轴压缩试验的结果汇总将上述三种三轴压缩试验的结果汇总于图中。由图可见，对于同一种正常于图中。由图可见，对于同一种正常固结的饱和粘土，当采用三种不同的固结的饱和粘土，当采用三种不同的试验方法来测定其抗剪强度时，其强试验方法来测定其抗剪强度时，其强度包线是不同的。其中度包线是不同的。其中UU试验结果是试验结果是一条水平线，一条水平线，CU和和CD试验各是一条试验各是一条通过坐标原点的直线通过坐标原点的直线。三种方法所得。三种方法所得到的强度指标间的关系是到的强度指标间的关系是 ，5-7 5-7 三轴试验中土的剪切性状三轴试验中土的剪切性状1、正常固结粘土正常固结粘土 三种试验结果比较三种试验结果比较试验结果表明，当用有效应力表示试验结果时，三种剪试验结果表明，当用有效应力表示试验结果时，三种剪切试验将得到基本相同的强度包线及十分接近的有效应切试验将得到基本相同的强度包线及十分接近的有效应力强度指标，这就意味着同一种土三种试验的试样将沿力强度指标，这就意味着同一种土三种试验的试样将沿着同一平面剪破。着同一平面剪破。实测资料表明，实测资料表明，f通常约为通常约为60，而粘性土的，而粘性土的 一般在一般在30左右，实测的左右，实测的f角接近于角接近于 ，这也是有效应这也是有效应力概念下的理论剪破角。力概念下的理论剪破角。正常固结土为应变硬化型，体变多表现为剪缩正常固结土为应变硬化型，体变多表现为剪缩。5-5 5-5 三轴试验中土的剪切性状三轴试验中土的剪切性状2、超超固结粘土固结粘土三轴试验应力应变特性三轴试验应力应变特性超固结粘土三轴试验指对试样施加的围压即初始有效固结超固结粘土三轴试验指对试样施加的围压即初始有效固结应力小于先期固结压力。其三轴应力小于先期固结压力。其三轴试验结果试验结果出现类似于密砂出现类似于密砂的剪涨特性的剪涨特性。CD试验试样破坏时的体积增大（膨胀）。试验试样破坏时的体积增大（膨胀）。5-7 5-7 三轴试验中土的剪切性状三轴试验中土的剪切性状超固结土超固结土正常固结土正常固结土超固结土超固结土正常固结土正常固结土应力应变应力应变曲线曲线 CD试验试验体变应变体变应变曲线曲线2、超超固结粘土固结粘土三轴试验应力应变特性三轴试验应力应变特性在在UU、CU试验中，试样体积不变，试样内先出现正的孔压，试验中，试样体积不变，试样内先出现正的孔压，随后减小。弱固结土破坏时的孔压小于正常固结土，强超固随后减小。弱固结土破坏时的孔压小于正常固结土，强超固结粘土破坏时的孔压可能为负。结粘土破坏时的孔压可能为负。5-7 5-7 三轴试验中土的剪切性状三轴试验中土的剪切性状UU试验试验孔压应变孔压应变曲线曲线 CU试验试验孔压应变孔压应变曲线曲线强超固结强超固结超固结土超固结土正常固结土正常固结土弱超固结弱超固结2、超超固结粘土固结粘土三轴试验三轴试验 UU试验试验在在UU试验中，一组试样具有相同直径的破坏应力圆，强度试验中，一组试样具有相同直径的破坏应力圆，强度包线是一条水平线，有效应力圆与总应力圆等直径。包线是一条水平线，有效应力圆与总应力圆等直径。A、B为强超固结总应力圆，为强超固结总应力圆，C为弱超固结总应力圆。为弱超固结总应力圆。5-7 5-7 三轴试验中土的剪切性状三轴试验中土的剪切性状有效应力圆有效应力圆2、超超固结粘土固结粘土三轴试验三轴试验 CU试验试验超固结粘土超固结粘土CU试验的强度包线（试验的强度包线（）是一条不通过圆点的）是一条不通过圆点的直线。直线。A为强超固结总应力圆（破坏时孔隙水压力为负），为强超固结总应力圆（破坏时孔隙水压力为负），B为为弱超固结总应力圆（破坏时孔压为正）。弱超固结总应力圆（破坏时孔压为正）。5-7 5-7 三轴试验中土的剪切性状三轴试验中土的剪切性状有效应力强度包线有效应力强度包线总应力强度包线总应力强度包线2、超超固结粘土固结粘土三轴试验三轴试验 CD试验试验CD试验过程中总应力等于有效应力，所以总应力强度包线即有试验过程中总应力等于有效应力，所以总应力强度包线即有效应力强度包线。是一条不过圆点的微弯曲线，简化为直线。效应力强度包线。是一条不过圆点的微弯曲线，简化为直线。5-7 5-7 三轴试验中土的剪切性状三轴试验中土的剪切性状强度包线强度包线2、超超固结粘土固结粘土三轴试验三轴试验 UU、CU、CD试验比较试验比较 时，超固结粘土时，超固结粘土CU、CD强度包线简化为一条不通过圆强度包线简化为一条不通过圆点的直线，点的直线，时，与正常固结粘土强度包线重合，为过圆点时，与正常固结粘土强度包线重合，为过圆点的直线。强度指标关系的直线。强度指标关系 ，5-7 5-7 三轴试验中土的剪切性状三轴试验中土的剪切性状超固结超固结 正常固结正常固结有效应力圆有效应力圆总应力圆总应力圆【例题例题52】从某一饱和黏土样中切取三个试样进行固结从某一饱和黏土样中切取三个试样进行固结不排水剪试验。三个试样所受围压、剪破时大主应力及剪不排水剪试验。三个试样所受围压、剪破时大主应力及剪破时孔隙水压力见附表。试求总应力强度指标破时孔隙水压力见附表。试求总应力强度指标 ，和有和有效应力强度指标效应力强度指标 ，。5-7 5-7 三轴试验中土的剪切性状三轴试验中土的剪切性状试样编号 (kPa)(kPa)(kPa)50149.812.5100244.537.2200433.986.6【解】【解】解法解法1：按照应力圆绘图求解：按照应力圆绘图求解5-7 5-7 三轴试验中土的剪切性状三轴试验中土的剪切性状【解】【解】解法解法2：按照应力路径的线求解：按照应力路径的线求解5-7 5-7 三轴试验中土的剪切性状三轴试验中土的剪切性状试样编号(kPa)(kPa)(kPa)p(kPa)q(kPa)50149.812.599.949.9100244.537.2172.2572.25200433.986.6316.95116.95解法解法2：按照应力路径的线求解：按照应力路径的线求解5-7 5-7 三轴试验中土的剪切性状三轴试验中土的剪切性状同理，计算得到有效应力表示的强度参数同理，计算得到有效应力表示的强度参数解法解法3：按照极限平衡条件求解：按照极限平衡条件求解 5-7 5-7 三轴试验中土的剪切性状三轴试验中土的剪切性状同理，计算得到有效应力表示的强度参数同理，计算得到有效应力表示的强度参数3、粘土粘土的残余强度的残余强度5-7 5-7 三轴试验中土的剪切性状三轴试验中土的剪切性状超固结土峰值超固结土峰值竖向压力竖向压力=正常固结土峰值正常固结土峰值重塑土重塑土残余强度残余强度超固结土超固结土正常固结土正常固结土粘土的残余强度与它的应力历史有关；粘土的残余强度与它的应力历史有关；在大剪切位移下超固结粘土的强度降低幅度比正常固结粘土大；在大剪切位移下超固结粘土的强度降低幅度比正常固结粘土大；残余强度为通过坐标原点的直线。残余强度为通过坐标原点的直线。4.粘土的结构性与灵敏度粘土的结构性与灵敏度土的强度同土的强度同土的结构土的结构有着密切的关系。有着密切的关系。粘土的强度（或其它性质）随着其结构的改变而发生变化的特性称为粘土的强度（或其它性质）随着其结构的改变而发生变化的特性称为土的结构性土的结构性。某些在含水率不变的条件下使其原有结构受彻底扰动的粘土，称为某些在含水率不变的条件下使其原有结构受彻底扰动的粘土，称为重重塑土塑土。粘土对结构扰动的敏感程度可用。粘土对结构扰动的敏感程度可用灵敏度灵敏度表示。表示。灵敏度定义为原灵敏度定义为原状试样的无侧限抗压强度与相同含水率下重塑试样的无侧限抗压强度状试样的无侧限抗压强度与相同含水率下重塑试样的无侧限抗压强度之比之比式中：式中：St粘土的灵敏度；粘土的灵敏度；qu原状试样的无侧限抗压强度；原状试样的无侧限抗压强度；qu重塑试样的无侧限抗压强度。重塑试样的无侧限抗压强度。5-7 5-7 三轴试验中土的剪切性状三轴试验中土的剪切性状粘土的粘土的触变性触变性对于灵敏度高的粘土，经重塑后停止扰动，静置一段时对于灵敏度高的粘土，经重塑后停止扰动，静置一段时间后其强度又会部分恢复。在含水率不变的条件下粘土间后其强度又会部分恢复。在含水率不变的条件下粘土因重塑而软化（强度降低），软化后又随静置时间的延因重塑而软化（强度降低），软化后又随静置时间的延长而硬化（强度增长）的这种性质称为长而硬化（强度增长）的这种性质称为粘土的触变性粘土的触变性。5-7 5-7 三轴试验中土的剪切性状三轴试验中土的剪切性状5.粘土的蠕变粘土的蠕变 在剪切过程中土的在剪切过程中土的蠕变蠕变是指在恒定剪应力作用下应变随是指在恒定剪应力作用下应变随时间而增长的现象。时间而增长的现象。如图为如图为三轴不排水试验中在不同（三轴不排水试验中在不同（1-3)作用下轴向应变变化过程线，即作用下轴向应变变化过程线，即蠕变曲线蠕变曲线。由图可见，当主应力差很由图可见，当主应力差很小时，轴向应变几乎在瞬间发小时，轴向应变几乎在瞬间发生，之后蠕变缓慢发展，轴向生，之后蠕变缓慢发展，轴向应变时间关系曲线最后呈水应变时间关系曲线最后呈水平线，土不会发生蠕变破坏。平线，土不会发生蠕变破坏。当主应力差较大时，蠕变速率会相应增大。当主应力差达当主应力差较大时，蠕变速率会相应增大。当主应力差达到某一值后，轴向应变不断发展，应变速率增大，最终导到某一值后，轴向应变不断发展，应变速率增大，最终导致蠕变破坏。致蠕变破坏。5-7 5-7 三轴试验中土的剪切性状三轴试验中土的剪切性状如图所示，蠕变破坏的过程包括以下几个阶段：如图所示，蠕变破坏的过程包括以下几个阶段：（1）弹性应变阶段弹性应变阶段：图中：图中OA段，对土而言，此阶段的应变值很小；段，对土而言，此阶段的应变值很小；（2）初始蠕变阶段初始蠕变阶段：图中：图中AB段，在这一阶段，蠕变速率由大变小，如果这时段，在这一阶段，蠕变速率由大变小，如果这时卸除主应力差，则先恢复瞬时弹性应变，继而恢复初期蠕变；卸除主应力差，则先恢复瞬时弹性应变，继而恢复初期蠕变；（3）稳定蠕变阶段稳定蠕变阶段：图中：图中BC段，这一阶段的蠕变速率为常数，这时若卸除主段，这一阶段的蠕变速率为常数，这时若卸除主应力差，土也将存在永久变形；应力差，土也将存在永久变形；（4）加速蠕变阶段加速蠕变阶段：在这一阶段，蠕变速率迅速增长，最后达到破坏。：在这一阶段，蠕变速率迅速增长，最后达到破坏。5-7 5-7 三轴试验中土的剪切性状三轴试验中土的剪切性状End of Chapter 5结束