吉大13春《土质学与土力学》第七章土的抗剪强度课程笔记
吉大13春《土质学与土力学》第七章土的抗剪强度课程笔记 主要知识点掌握程度
掌握土的抗剪强度定义；土的抗剪强度理论；土的极限平衡条件；重点掌握抗剪强度指标的测定方法；影响抗剪强度的主要因素；无粘性土的抗剪强度；饱和粘性土的抗剪强度。
知识点整理
一、概述
土的抗剪强度
土体在外力作用和自重荷载下必然产生（剪）切应力和剪切变形，当剪应力达到土体的极限抵抗力时必然发生剪切破坏，而土体抵抗剪切破坏的极限能力就是土的抗剪强度。
工程实践中强度破坏多数都与土的抗剪强度有关。
与强度破坏有关的工程问题
（a）边坡稳定（b）挡土墙土压力（c）地基承载力
二、土的抗剪强度理论
1776年，库仑根据砂土剪切试验得到如下表达式
后推到粘性土中
库仑定律：土的抗剪强度是剪切面上的法向总应力s 的线性函数
库仑定律说明：
（1）土的抗剪强度由土的内摩擦力和内聚力两部分组成；
（2）表征抗剪强度指标：土的内摩擦角φ和内聚力c。
有效应力表示法：
无粘性土
粘性土
式中， 为土的有效粘聚力和有效内摩擦角； 为剪切面上的法向有效应力。
土体中某一点是否达到破坏的判定
试验表明，土的抗剪强度取决于土粒间的有效应力。
有效应力
粘性土抗剪强度指标的选择
孔隙水压力能准确测定或计算出
地基或边坡的长期稳定性
总应力
孔饱和粘土的短期稳定性
隙水压力难以测定或计算出
三、土的极限平衡条件
（一）、土体中任一点的应力状态
空间问题，土体内某点应力状态如图
土体中任一点应力状态
解上面方程可以得到m—m平面上的应力
——〉
——〉
上面两式相加
上式显然为一圆方程，圆心坐标为 半径为 这就是莫尔圆方程。
（二）、莫尔圆的物理意义
判断土体内某点的应力状态；
确定剪切破坏的极限状态
（三）、土的极限平衡状态
土体达到极限平衡状态时，库仑强度线与摩尔圆相切。如图，可得如下关系
利用三角函数关系，可得到处于极限平衡状态下某点主应力之间的关系
对于无粘性土
根据三角形的几何关系，剪切破坏面与主应力面之间夹角
剪切破坏发生在与大主应力面成45°+φ/2夹角的平面上。因此可以判断土体中一点是否处于剪切破坏。
四、抗剪强度指标的测定方法
（一）、土的抗剪强度试验—直接剪切试验
试验仪器：直剪仪（应力控制式，应变控制式）
（二）、直剪试验类型
快剪，固结快剪，慢剪。
（三）、三轴压缩试验
1、仪器构成
主要部分构成：压力室；轴向加荷系统；施加周围压力系统；孔隙水压力测量系统
三轴压缩试验
2、三轴试验原理
将试样置于压力室中，土样受三向压力，通过控制三向压力大小组合关系，研究土样产生斜向或沿弱面破裂的特征。试样破坏的本质是压—剪型。
3、根据受压力大小的组合关系，可分为
真三轴试验
常规三轴试验 三轴压缩
三轴挤长
三轴压缩试验，抗剪强度包线
分别在不同的周围压力s3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 。
当可测定试样中孔隙水压力变化时，可算出试验过程中的有效大小主应力，并有下式
其中
——试样剪切破坏时的有效大主应力
——试验剪切破坏时的有效小主应力
——试验剪切破坏时的孔隙水压力
显然据此可以绘制剪切破坏时的有效应力圆。
总应力圆与有效应力圆
对一组三轴压缩试验结果整理，以轴向应变为横坐标，以大小主应力差为纵坐标，可绘制如右图所示的关系曲线。
4、不同排水条件下的三轴试验方法
不固结不排水剪试验
UU试验，或快剪试验
固结不排水剪试验
CU试验，或称固结快剪。
固结排水剪试验
也称CD试验，整个试验过程中是排水的。
无侧限抗压强度试验
圆形试样在不受任何侧向压力条件下承受垂直压力，抵抗破坏的最大强度（轴向压力）称为土的无侧限抗压强度。
无侧限抗压强度试验相当于三轴试验中周围压力为0时的不排水试验，适用于饱和粘性土。
5、土的灵敏度
定义：一种土其原状试样与重塑试样无侧限抗压强度的比值，称为土的灵敏度。
式中：
土的灵敏度反映了土的结构对强度的影响。
（四）、十字板剪切试验
属于一种工地现场进行的原位测试方法，以弥补室内无法进行高灵敏度土的原状样试验的缺陷。
适合于饱和粘性土。
设剪切破坏时所施加的扭矩为M，则
式中
M——剪切破坏时的扭矩
D——十字板的直径
H——十字板的高度
假定土体侧面和上下的抗剪强度相等。
十字板剪切仪
（五）、抗剪强度指标的选用
有效应力法
孔隙水压力能准确测定或计算出
地基或边坡的长期稳定性
总应力法
孔隙饱和粘土的短期稳定性
水压力难以测定或计算出
施工场地排水条件好，加荷速度慢 ——〉 CD试验
突发事件引发的稳定问题，如暴风、地震 ——〉CU或UU试验
施工场地排水条件差，加荷速度快，工期短——〉UU试验
五、饱和粘性土的抗剪强度
（一）、不固结不排水抗剪强度
UU试验，或快剪试验
总应力圆有无数多个，而有效应力圆则只有一个，故无法确定有效应力指标
显然，总应力莫尔圆半径相等，故是一条平行于横轴的直线，即
因此
饱和粘性土的应力应变关系
饱和粘性土的不固结不排水剪切试验结果
（二）、固结不排水抗剪强度
按总应力表示抗剪强度的方程式
按有效应力表示抗剪强度的方程式
正常固结饱和粘性土的CU试验结果
超固结饱和粘性土的CU试验结果
（三）、固结排水抗剪强度
CD试验或简称排水剪，过程中，u=0
正常固结土（NC）剪缩
超固结土(OC)刚开始剪缩，接着剪胀
CD试验NC土的抗剪强度包络线通过坐标原点，即cd=0，抗剪强度方程为
OC土的抗剪强度包络线为微弯曲线，可近似为一条直线，抗剪强度方程为
CD试验中应力应变关系和体积变化图
六、无粘性土的抗剪强度
松砂表现为剪缩性-体积缩小；
密砂表现为剪胀性-体积膨胀。
同一种砂土在相同应力下剪切变形的最后孔隙比趋于相同，该孔隙比称为临界孔隙比。
砂土膨胀性示意图 砂土孔隙比随剪切变形变化图
砂土受剪切应力——应变——体变关系曲线
七、影响抗剪强度的主要因素
土的粘聚力和内摩擦角
土的应力和应力历史
土的应力路径
C和φ值来源于土颗粒之间的分子引力、土中化合物的胶结及土粒间的摩擦力和嵌合作用。
而土的应力及应力历史对抗剪强度的影响既取决于有效法向应力的大小，也取决于固结过程。
土中应力历史对其强度的影响
（一）、应力路径
概念：
土体加荷过程中，某特定平面上应力状态的变化过程或者轨迹就称为应力路径；
如果反映在坐标中，则以特征应力点在坐标中的移动轨迹。
各种不同类型的应力路径
1.直剪试验中的应力路径
2.三轴UU试验中的应力路径
3.三轴CU试验中的应力路径
4.三轴CD试验中的应力路径
5.边坡稳定的应力路径
6.分期加载时的应力路径
不同的试验方法或不同的加荷方式对同一种土来说其应力变化过程是不一样的。这种不同的应力变化过程对土的力学性质将产生影响。
直剪试验是先施加法向应然后在力不变的条件下逐渐施加并增大剪应力直至试样剪切破坏的，所以受剪面上的应力路径先是一条水平线，到达以后开始变为一条竖直线，直至强度破坏而终止。
直剪试验的应力路径
剪切破坏面和最大剪应力面上的总应力路径
三轴压缩固结不排水剪切中的应力路径
（a）正常固结土；（b）超固结土
（二）、软土地基在荷载作用下的强度变化规律
天然的软土在外荷作用t时间后其强度会增强，即
若加荷时间足够长，软土达到完全饱和时
而任一时刻t的实际抗剪强度可由下式得到—与总应力的关系
实际工程中，如能通过实测得到土中孔隙压力，然后运用有效强度指标计算强度增长，是比较可靠的方法。
正常固结土的强度变化曲线 强度增长与固结度的关系
页:
[1]