第五章土的抗剪强度.docx

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第五章土的抗剪强度

教案表头：

第五章土的抗剪强度

课堂教学

实践教学

课时

6

2

内容提要

1．土的抗剪强度与极限平衡原理；

2．土的剪切试验方法；

3．不同排水条件时的剪切试验成果×。

能力培养要求

1．理解土的强度的定义，掌握库仑定律；

2．能够用直剪试验确定土体强度指标；

3．熟练运用土的极限平衡条件式判别土的状态；

4．了解确定抗剪强度指标的原位试验方法；

5．了解不同排水条件对强度指标的影响。

教学形式

教师主讲、课堂讨论、学生讲评、提问答疑、工程案例分析等

日期

班级

课室

时间

90min

复习旧课

第四章知识架构及反馈信息

新课题目

第一节土的抗剪强度与极限平衡原理

教学目标

1．理解土体强度之定义；

2．正确运用库仑定义求土的抗剪强度；

3．熟练借助莫尔应力圆确定土体的应力状态；

4．能够利用土的极限平衡条件式判别土的状态；

5．熟悉土体的破坏规律。

教学内容设计及安排

第一节土的抗剪强度与极限平衡原理

【基本内容】

土的抗剪强度——土体抵抗剪切破坏的极限能力。

注意：

土体受荷作用后，土中各点同时产生法向应力和剪应力，其中法向应力作用将使

土体发生压密，这是有利的因素；而剪应力作用可使土体发生剪切，这是不利的因素。

因此，

土的强度破坏通常是指剪切破坏，所谓土的强度往往指抗剪强度。

一、库仑定律

库仑（Coulomb）根据砂土的剪切试验，得到抗剪强度的表达式

粘性土的抗剪强度表达式

式中f――土的抗剪强度，kPa；

――剪切面上的法向应力，kPa；

――土的内摩擦角，o；

c――土的粘聚力，kPa。

c和称为土的抗剪强度指标

以上两式为著名的抗剪强度定律，即库仑定律，如下图：

【讨论】：

土的抗剪强度不是一个定值，而是剪切面上的法向总应力的线性函数；对于无粘性土，其抗剪强度仅仅由粒间的摩擦力（tan）构成；对于粘性土，其抗剪强度由摩擦力（tan）和粘聚力（c）两部分构成。

二、土的抗剪强度影响因素

摩擦力影响因素

粘聚力影响因素

【注意】：

c和是决定土的抗剪强度的两个重要指标，对某一土体来说，c和并不

是常数，c和的大小随试验方法、固结程度、土样的排水条件等不同而有较大的差异。

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三、土中某点的应力状态

现以平面课题为例分析土中某点的应力状态

设作用在单元体上的大、小主应力分别为1和3，在单元体上任取一截面mn，mn平面与大主应力1作用面成角，其上作用有剪应力和法向应力。

根据楔体abc静力平衡条件可得

这就是莫尔应力圆：

圆心O――[1/2（1＋3）,0]

半径——1/2（1－3）

【讨论】：

土中某点的应力状态可用莫尔应力

圆描述即莫尔应力圆上每一点都代表一个斜平面，该面与大主应力作用面的夹角为。

四、土的极限平衡条件

把莫尔应力圆与库仑抗剪强度包线绘于同一坐标系中（如下图），按其相对位置判别某点所处的应力状态。

1．应力圆Ⅰ与强度包线相离，即τ<τf，该点处于弹性平衡状态。

2．应力圆Ⅱ与强度包线在A点相切，即τ=τf，该点处于极限平衡状态；应力圆Ⅱ称为极限应力圆。

此时，该点处于濒临破坏的极限状态。

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3．应力圆Ⅲ与强度包线相割，即τ>τf，该点处于破坏状态。

实际不能绘出。

莫尔-库仑破坏准则：

把莫尔应力圆与库仑强度包线相切的应力状态作为土的破坏准则，即莫尔-库仑破坏准则。

根据土体莫尔-库仑破坏准则，建立某点大、小主应力与抗剪强度指标间的关系。

【讨论】：

上两公式是等价的。

上两公式即为土的极限平衡条件式。

对于无粘性土，c=0，有

依图可分析出：

土处于极限平衡状态时，破坏面与大主应力作用面的夹角为f为：

【讨论】：

剪破面并不产生于最大剪应力面，而与大主应力作用面成45°+/2的夹角。

【例题先自习后讲解】

【例1】地基中某一单元土体上的大主应力为430kPa，小主应力为200kPa。

通过试验测得土的抗剪强度指标c=15kPa，=20o。

试问①该单元土体处于何种状态？

②单元土体最大剪应力出现在哪个面上，是否会沿剪应力最大的面发生剪破？

【解题思路】

①利用极限平衡条件式判别。

比较1f～1，如果1>1f→土体破坏，如果1<1f→土体稳定。

见右图。

也可比较3f～3，可画应力圆与抗剪强度直线参考。

②利用定义判别，即比较与大主应力作用面成45°+/2面上的τ与τf，

③比较最大剪应力作用面（与大主应力作用面成45°面）上的τ与τf。

教学辅助资料

多媒体课件、三角板、圆规等

【提问答疑】

【本节小结】

归纳总结莫尔-库仑强度理论。

【复习思考】

1．何谓土的抗剪强度？

粘性土和砂土的抗剪强度各有什么特点？

2．为什么说土的抗剪强度不是一个定值？

影响抗剪强度的因素有哪些？

3．土体发生剪切破坏的平面是不是剪应力最大的平面？

破裂面与大主应力作用面成什

么角度？

【课后作业】

课后反馈意见

教案表头：

日期

班级

课室

时间

2学时

复习旧课

莫尔-库仑强度理论，反馈信息。

新课题目

第二节土的剪切试验方法

第三节不同排水条件时的剪切试验成果

教学目标

1．领会直接剪切试验原理与试验方法；

2．了解三轴剪切试验原理；

3．了解无侧限抗压强度试验的适用范围、试验方法，灵敏度的概念；

4．了解十字板剪切试验应用。

5．了解总应力强度指标与有效应力强度指标之间的关系；

6．了解不同排水条件时的剪切试验方法及成果表达。

教学内容设计及安排

第二节土的剪切试验方法

一、直接剪切试验

适用范围：

室内测定土的抗剪强度，是最常用和最简便的方法

仪器：

直剪仪

直剪仪分类：

分应变控制式和应力控制式两种

应变控制式直剪仪的试验方法简介：

通过杠杆对土样施加垂直压力p后，由推动座匀速推进对下盒施加剪应力，使试样沿上下盒水平接触面产生剪切变形，直至剪破。

通常取四个试样，分别在不同下进行剪切，求得相应的τf。

绘制τf-曲线。

【讨论】直剪试验为何要取四个原状土样？

破坏强度τf的判定：

较密实的粘土及密砂土的τ-△l曲线具有明显峰值，如图中曲线1，其峰值即为破坏强度τf；对软粘土和松砂，其τ-△l曲线常不出现峰值，如图中曲线2，此时可按以剪切位移相对稳定值b点的剪应力作为抗剪强度τf。

直剪仪特点：

构造简单，试样的制备和安装方便，且操作容易掌握，至今仍被工程单

位广泛采用，。

【讨论】直剪仪的不足：

①剪切破坏面固定为上下盒之间的水平面不符合实际情况；

②试验中不能严格控制排水条件，不能量测土样的孔隙水压力；

③由于上下盒的错动，剪切面上的剪应力分布不均匀。

二、三轴剪切试验

适用范围：

室内测定土的抗剪强度，是最常用和最简便的方法

仪器：

三轴剪力仪

三轴剪力仪分类：

应变控制式和应力控制式两种

三轴剪力仪组成：

主要由压力室、加压系统和量测系统三大部分组成

试验原理：

先对土样施加周围压力，达到所需的3；逐渐施加轴向压力增量△，直至试样剪破。

轴向为大主应力方向，试样剪破面方向与大主应力作用平面的夹角为f：

1=3+△，f=45o+/2；

按试样剪破时的1和3作极限应力圆，它必与强度包线相切；

三轴试验至少需要3～4个土样，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，由此求得抗剪强度指标c、值。

三轴试验特点：

①能够严格控制试样排水条件，量测孔隙水压力，从而获得土中有效应力变化情况；

②试样中的应力分布比较均匀；

③仪器复杂，操作技术要求高，试样制备较麻烦。

此外，试验在2=3的轴对称条件下进行，这与土体实际受力情况可能不符。

三、无侧限抗压强度试验

适用范围：

测定饱和软粘土的不排水强度

仪器：

应变控制式无侧限压缩仪

试验原理：

通过转轮对圆柱形试样施加垂直轴向压力，直至土样产生剪切破坏；

作出一个极限应力圆，3=0，1=qu；

【讨论】对于饱和软粘土，其强度包线近似于一水平线；

u=0

试验特点：

①仪器构造简单，操作方便；

②可代替三轴试验测定饱和软粘土的不排水强度。

饱和粘性土的强度与土的结构有关，当土的结构遭受破坏时，其强度会迅速降低，工程上常用灵敏度St来反映土的结构受挠动对强度的影响程度。

式中qu――原状土的无侧限抗压强度，kPa；

qu――重塑土（指在含水量和密度不变的条件下，使土的天然结构彻底破坏再重新制备的土）的无侧限抗压强度，kPa。

根据灵敏度可将饱和粘性土分为三类：

低灵敏度土1

中灵敏度土2

高灵敏度土St>4

土的灵敏度愈高，其结构性愈强，受挠动后土的强度就降低愈多。

四、十字板剪切试验

适用范围：

现场测定饱和粘性土的不排水强度和灵敏度

仪器：

十字板剪切仪

试验特点：

仪器结构简单、操作方便、挠动少等特点

第三节不同排水条件时的剪切试验成果＊

【基本内容】

一、总应力强度指标和有效应力强度指标

τf=tan+c

若垂直法向应力为总应力，计算出的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。

根据土的有效应力原理和固结理论，抗剪强度取决于剪切面上的法向有效应力

式中c、――土的有效应力强度指标。

有效应力强度指标确切地表达出了土的抗剪强度的实质，是比较合理的表达方法。

二、不同排水条件时的剪切试验方法及成果表达

1．不固结不排水剪（UU）

三轴试验中：

施加3、△直至剪破的整个过程不允许试样排水固结，使土样含水量不变，称为不固结不排水剪（UU），简称不排水剪。

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直剪试验通过试验加荷的快慢来实现是否排水。

施加垂直压力之后，立即施加水平剪力，并在3～5min之内剪破，称之为快剪（Q）。

如果有一组饱和粘性土试样进行不排水剪试验，分别在不同3下剪切至破坏，破坏时的主应力差相等，强度包线是一条水平线。

即

u=0

2．固结不排水剪（CU）

三轴试验中：

在施加3时打开排水阀门，使试样完全排水固结。

然后关闭排水阀门，再施加△，使试样在不排水条件下剪切破坏，称为固结不排水剪（CU）。

直剪试验中：

剪前使试样在垂直荷载下充分固结，剪切时速率较快，尽量使土样在剪切过程中不再排水，这种剪切方法为称固结快剪（CQ）。

将总应力圆在水平轴上左移uf即得有效应力圆，如图。

总应力强度线可表示为

有效应力强度线可表达为

3．固结排水剪（CD）

三轴试验中：

使试样在3作用下排水固结，再缓慢施加轴向压力增量△，直至剪破，始终保持试样的孔隙水压力为零，称为固结排水剪（CD），简称排水剪。

直剪试验中：

施加垂直压力后待试样固结稳定，再以缓慢的速率施加水平剪力，直至剪破，即整个试验过程中尽量使土样排水。

该试验方法称为慢剪（S）。

排水剪试验，总应力圆就是有效应力圆，总应力强度线就是有效应力强度线。

表5-1剪切试验成果表达

直接剪切

三轴剪切

试验方法

成果表达

试验方法

成果表达

快剪

固结快剪

慢剪

cq、q

ccq、cq

cs、s

不排水剪

固结不排水剪

排水剪

cu、u

ccu、cu

cd、d

【讨论】对于同一种土，分别在UU、CU或CD三种不同的排水条件下进行试验，如

果以总应力表示，将得到完全不同的试验结果；但无论何种排水条件，都可获得相同的c、，它们不随试验方法而变。

三、抗剪强度指标的选用

首先根据工程问题的性质确定分析方法