岩土力学课件--土的抗剪强度-第9章

应力圆与强度线相离： τ<τf 应力圆与强度线相切： τ=τf
应力圆与强度线相割： τ>τf
弹性平衡状态 极限平衡状态 破坏状态 14
莫尔－库仑破坏准则
强度线
• 莫尔应力圆与库仑强度线相切的应力状态作为 土的破坏准则
(目前判别土体所处状态的最常用准则) 15
莫尔-库仑强度理论表达式－极限平衡条件
1 3 3
3
3
33
3、试验类型 ❖ 固结排水试验（CD试验） cd 、d 1 打开排水阀门，施加围压后充分固结，
超静孔隙水压力完全消散； 2 打开排水阀门，慢慢施加轴向应力差
以便充分排水，避免产生超静孔压
❖ 固结不排水试验（CU试验） ccu 、cu 1 打开排水阀门，施加围压后充分固结，超静孔隙水压力完全消散；
1.不固结不排水剪（UU）
三轴试验：施加周围压力
3、轴向压力△直至剪破
的整个过程都关闭排水阀
门，不允许试样排水固结
关闭排 水阀
3
直剪试验：通过试验加荷 的快慢来实现是否排水。
3
使试样在3～5min之内剪破，
称之为快剪
△ 3
3 3
3 △
41
△
3
有效应力圆
总应力圆
u=0
3
3 3
cu
A
B
C
3
uA
3A
滑动摩擦
滑动摩擦角 u
粗粉 细砂 中砂 粗砂
30
20 0.02 0.06
0.2 0.6
2
颗粒直径 (mm)
由颗粒之间发生滑动时 颗粒接触面粗糙不平所 引起，与颗粒大小，矿 物组成等因素有关
7
（2）咬合摩擦
AC B
剪切面
AC B
• 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A
1A
3 △
饱和粘性土在三组3下的不排水剪 试验得到A、B、C三个不同3作用下
破坏时的总应力圆
试验表明：虽然三个试样的周围压力3不同，但破
坏时的主应力差相等，三个极限应力圆的直径相等， 因而强度包线是一条水平线
三个试样只能得到一个有效应力圆
42
2. 固结不排水剪（CU）
三轴试验：施加周围压力3时
半径：
r
(
x
z
)
/
22
2 xz
莫 尔 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与
p (1 3 ) / 2
q (1 3 ) / 2 r
12
+zx
O
2
1
1 2
(1
3)
1 2
(1
3) cos 2
1 2
(1
3 ) sin
2
13
四、土的极限平衡条件
强度线
极限应 力圆
•真三轴仪
•空心圆柱扭剪
仪
37
三、无侧限抗压强度试验
量表
量力环
qu
试 样 升降
加压 框架
螺杆
qu
无侧限压缩仪
无侧限抗压强度试验是三轴剪切试验的特例，对试样不
施加周围压力，即3=0，只施加轴向压力直至发生破坏，
试样在无侧限压力条件下，剪切破坏时试样承受的最大 38
轴向压力q ，称为无侧限抗压强度
三、十字板剪切试验
26
试验结果
f ：
土的抗剪强度
tg：
摩擦强度-正比于压力 c：
粘聚强度
库仑公式
f c tan
c： 粘聚力
：内摩擦角
c O
σ = 300KPa σ = 200KPa σ = 100KPa
S
27
1.什么是传统机械按键设计？
传统的机械按键设计是需要手动按压按键触动 PCBA上的开关按键来实现功能的一种设计方式。
❖ 一般适用于测定软粘土的不 排水强度指标；
❖ 钻孔到指定的土层，插入十 字形的探头；
❖ 通过施加的扭矩计算土的抗 剪强度
39
§9.3 排水条件与试验成果的关系
• 一、总应力强度指标与有效应力强度指标
库仑定律
f tan c
说明：施加于试样上的垂直法向应力为总应力，c、为总应
力意义上的土的粘聚力和内摩擦角，称之为总应力强度指标
3.不固结不排水试验 （UU）
固结 Consolidated
固结 Consolidated
不固结 Unconsolidated
排水 Drained
不排水 Undrained
不排水 Undrained
35
2、强度包线
1- 3
❖ 分别作围压为100 kPa 、200 kPa 、300 kPa的三轴试验，得到 破坏时相应的（1-)f
应力状态
20
例1:一饱和粘性土试样在三轴仪中进行固结不排水
试验,施加周围压力 3 2,试00件kP破a 坏时主应力
差 1 ,测3 得28孔0kP隙a 水压力
,有效u内摩18擦0k角Pa ,
有效粘聚力 ,试2求40 破坏面上的法向应c力 和80剪kP应a
力及试件中的最大剪应力.
21
例2:试说明为什么上例中试样发生在57°的平面,而 不是发生在最大剪应力的作用面.
十字板扭剪试验、旁压试验等 原位试验 缺点：应力条件不易掌握 优点：原状土的原位强度
24
二、土的抗剪强度指标测定
1、直剪试验（库仑 1776）
试验方法
施加 σ（=P/A）
施加 S
量测 （=T/A）
P
上盒 下盒
A
S T
σ = 300KPa σ = 200KPa σ = 100KPa
S
25
试验仪器：直剪仪（应力控制式，应变控制式）
xz
x
正应力
拉为正 压为负
土力学
- zx
z
+
xz
x
压为正 拉为负
剪应力 顺时针为正 逆时针为负
逆时针为正 顺时针为负
11
+zx z
1
x
-xz
+zx
O
-xz
r
x
3p
2
z 1
大主应力： 1 p r
σz按顺时针方向旋转α
小主应力: 3 p r
σx按顺时针方向旋转α
圆心： p ( x z ) / 2
一般，对于粗粒土，颗粒的棱角提高了内摩擦角
9
3、粘聚强度 粘聚强度机理
静电引力（库仑力） 范德华力 颗粒间胶结 假粘聚力（毛细力等）
粘聚强度影响因素
地质历史 粘土颗粒矿物成分 密度 离子价与离子浓度
10
莫尔-库伦强度理论(极限平衡条件)
莫尔圆应力分析符号规定
- zx
z
+
材料力学
第九章 土的抗剪强度
1
工程中土体的破坏类型
土压力 边坡稳定 地基承载力
挡土结构物破坏 各种类型的滑坡 地基的破坏
2
工程中的强度问题概述
土的抗剪强度：土体抵抗剪切破坏的极限能力
3
§9.1土的抗剪强度与极限平衡条件
• 一、库仑定律
1776年，库仑根据砂土剪切试验
f
砂土
后来，根据粘性土剪切试验
3作用下排水固结，再缓慢 施加轴向压力增量△，直至
❖ 绘制三个破坏状态的应力莫尔圆， 画出它们的公切线——强度包线， 得到强度指标 c 与
1 =15% 1
强度包线
c
(1-)f
(1-)f
36
4、优点和缺点
❖ 优点：
1 应力状态和应力路径明确； 2 排水条件清楚，可控制； 3 破坏面不是人为固定的
❖ 缺点：
设备相对复杂，现场难以试验
说明： 3＝0 即为无侧限抗压强度试验
☹缺点
试样应力状态复杂 应变不均匀 不易控制排水条件 剪切面固定
30
三轴试验 1、试样应力特点与试验方法 2、强度包线 3、试验类型 4、优缺点
有机玻璃罩
橡皮膜 压力水
轴向加压杆
顶帽
压力室
试
样
透水石
排水管 阀门
量测体变或孔压
31
二、三轴剪切试验
• 应变控制式三轴仪：压力室，加压系统，量测系统 组成
2.咬合摩擦：土粒间互相嵌入所产生的咬合力
▪ 粘聚力：由土粒之间的胶结作用和电分子引力等因 素形成
▪ 抗剪强度影响因素
摩擦力：剪切面上的法向总应力、土的初始密度、土 粒级配、土粒形状以及表面粗糙程度
粘聚力：土中矿物成分、粘粒含量、含水量以及土的
结构
6
2、摩擦强度 tg
（1）滑动摩擦
N T
T= Ntgφu
• 应力控制式三轴仪
试验步骤: 1.装样 2.施加周围压力 3.施加竖向压力
3 3
△ 3
3 3
3
△
32
1、试样应力特点与试验方法
特点： 试样是轴对称应力状态。垂直应力z 一般是大主应力；径向与切向应力总 是相等r=，亦即1=z；2=3=r
方法： 首先试样施加静水压力—室压（围压） 1=2=3 ； 然后通过活塞杆施加的是应力差 Δ1= 1-3 。
必须抬起，跨越相邻颗粒B，或在尖角处 被剪断（C），才能移动 • 土体中的颗粒重新排列，也会消耗能量
8
影响土的摩擦强度的主要因素：
• 密度（e, • 粒径级配（Cu, Cc） • 颗粒的矿物成分
对于：砂土>粘性土；
高岭石>伊里石>蒙特石 • 粒径的形状（颗粒的棱角与长宽比） 在其他条件相同时：
传统机械按键结构
层图：
按