土的抗剪强度土力学.ppt

第三章 土的抗剪强度,加拿大Transcona谷仓的地基事故,在绪论中叙述的加拿大大型谷仓的严重事故，就是地基强度破坏的典型工程实例。其原因是当仓库满载时超过地基强度的极限荷载，从而引起地基整体滑动破坏。这是设计师的失误。,平移滑动,各种类型的滑坡或崩塌,崩塌,旋转滑动,流滑,土主要是由土颗粒组成的，土粒之间的联接强度远小于土粒本身的强度。因此，土在外荷载作用下的破坏现象，主要表现为土粒间的互相错动，导致土体之间相对滑动而出现剪切破坏。土的抗剪强度是土的重要力学性质之一。在工程实践中与土的抗剪强度有关的工程问题主要有三类：建筑物地基和路基的承载力；挡土墙和地下结构的土压力；堤坝、基坑、路堑以及各类边坡的稳定性。在土木工程建设工作中，对于土体稳定性的计算分析而言，抗剪强度是其中最重要的计算参数。,本章主要内容有土的强度理论、抗剪强度的主要测定方法、土的抗剪强度指标及其影响因素，并对孔隙压力系数和应力路径的概念和应用作简要介绍。要求：牢固掌握库仑公式和摩尔库仑强度理论、土的抗剪强度指标的测定方法、掌握不同固结和排水条件下土的抗剪强度指标的意义及其应用，熟悉抗剪强度指标的影响因素，了解孔隙压力系数和应力路径的基本概念及应用，能利用抗剪强度的基本理论和试验方法，解决实际工程中土的强度和稳定问题。,问题1：土的强度指的是什么？问题2：土的强度如何表达？其参数是什么？问题3：土的强度参数如何获得？,土的抗剪强度,为了建立土的抗剪强度的概念，先来考察一静止物体与其下方粗糙平面之间的摩擦现象。当物体仅受到竖直力P作用时，接触面对物体的反力R竖直向上，此时物体没有滑动的趋势。,P,R,如加上一个水平推力Q，物体就有滑动趋势。这时反力R与接触面的法向成某一角度。当水平推力逐渐增大，一旦达到接触面的摩擦力时，物体便处于即将滑动的状态。称为极限平衡状态。,P,R,Q,F,N,水平推力再稍有增加，物体就会产生滑动。从普通物理学中 知道：两物体之间的摩擦力，取决于接触面上的法向压力N和接触面的粗糙程度。粗糙程度可用摩擦系数表示。土体内部的相对滑动，与上述概念有相似之处，即土中一点的抗剪强度与正应力有关。,P,R,Q,F,N,问题1：土的强度指的是什么？土的强度就是指的土的抗剪强度。土的抗剪强度可以由室内剪切试验来确定。首先，在横截面积为A的土样上施加一竖向力P，使土样受到法向应力P/A，然后再对土样施加一水平力T，使土样受到剪切而破坏，此时土样的抗剪强度为f=T/A。试验表明f随增大而增大，f与成直线关系。,土的抗剪强度,库 仑 公 式,库仑于1776年根据对土体的剪切试验，提出了土体抗剪强度的表达式为：对无粘性土：对粘性土：式中,问题2：土的强度如何表达？其参数是什么？,这两个公式可分别用下面的图中曲线来表示：,抗剪强度,法向应力,抗剪强度,法向应力,C,无粘性土,粘性土,库仑公式由库仑公式可以看出：土的抗剪强度是由土的内摩擦阻力tan及粘聚力c两部分组成。存在于土体内部的摩擦力来源于两方面：一是剪切面上颗粒与颗粒粗糙面产生的滑动摩擦阻力，二是由于颗粒之间的嵌入和联锁作用而产生的咬合力。粘聚力c是由于土粒之间的胶结作用、结合水膜以及水分子引力作用等形成的。土的抗剪强度与金属、混凝土等材料一般所指的抗剪强度不同，它与剪切面上的法向应力成正比。即土的抗剪强度随剪切面上法向应力大小而变，而不是一个定值；土的强度由两个强度指标c、来表示。对同一土样，在同一种试验方法及试验条件下，其c、值是个常数。,土体受剪面的三种状态及判断在力的作用下，会使土体受剪面上产生法向应力和剪应力。受剪面是否破坏，取决于该面上的剪应力与该面上的抗剪强度f之间的大小关系。与f相比较，有三种不同的情况，分别说明受剪面所处的三种不同状态：f,例题：通过试验已测得土体的抗剪强度指标30,c=10kPa，该土体某一截面上作用有法向应力=300kPa，剪应力=160kPa，问该截面处于何种状态？当为多少时，截面将发生破坏？,解：（1）已知=300kPa，30,c=10kPa，则该截面的抗剪强度为f=tg+c=300tg30+10=183.2kPa,而现在截面实际所受的剪应力=160kPa f=183.2kPa，所以该截面处于稳定平衡状态。,（2）当该截面上的剪应力超过抗剪强度f时，即 f=183.2kPa时，该截面发生破坏。,在测出土的抗剪强度指标后，可以在坐标中绘出库仑强度曲线。当土体中某受力面上的法向应力与剪应力已知时，可以分别以为横坐标，为纵坐标，在同一坐标系中绘出一点M(,)，M点与库仑强度曲线的相互位置可有三种关系，如图所示：,利用库仑强度曲线，用图解法来判断土体受剪面所处的状态,抗剪强度,法向应力,C,M点在曲线的下方，f，说明 处于稳定平衡状态；,M点恰好落在库仑强度曲线上，=f，说明 处于极限平衡状态；,M点在曲线的上方，说明 f，说明 已经破坏。,M,M,M,前已说明，土的强度特指抗剪强度，土体的破坏为剪切破坏。关于材料强度理论有多种，不同的理论适用于不同的材料。通常认为，摩尔库仑理论最适合土体的情况。摩尔强度理论认为材料受荷载发生破坏是剪切破坏，在破坏面上的剪应力f是法向应力的函数：f=f()由此函数关系所确定的曲线称为摩尔强度包线。库仑通过一系列土的强度试验，总结出了库仑定律（公式）：f=f()c+tan这种以库仑定律表示摩尔破坏包线的理论称为摩尔库仑强度理论，此理论在世界各国得到了广泛的应用。,摩尔库仑强度理论,为了研究土中一点是否破坏，需要先了解土中一点的应力状态。看一个平面问题：某点土单元两个相互垂直的面上分别作用着大主应力1和小主应力3。,土中一点应力状态,1,1,3,3,n,m,3,dssin,1,dscos,ds,根据静力平衡条件，可得：Fx=0,3dssin-dssin+dscos=0Fy=0,1dscos-dscos+dssin=0,土中一点应力状态,1,1,3,3,n,m,3,dssin,1,dscos,ds,根据静力平衡条件，可得：Fx=0,3dssin-dssin+dscos=0Fy=0,1dscos-dscos+dssin=0,土中一点应力状态,联立求解以上方程便得到斜面mn上的正应力和剪应力：=(1+3)/2+(1-3)cos2/2=(1+3)sin2/2,由材料力学应力状态分析可知，以上、与1、3的关系也可以用摩尔应力圆表示。其圆周上各点的坐标即表示该点在相应平面上的法向应力和剪应力。,土中一点应力状态,=(1+3)/2+(1-3)cos2/2=(1+3)sin2/2,A(,),2,O,1,3,土中某点是否破坏，可将摩尔应力圆与土的抗剪强度包线绘在同一坐标图上并作相对位置比较。它们的关系存在三种情况：摩尔应力圆整体在抗剪强度包线的下方。f,抗剪强度,C,法向应力,1,2,3,摩尔圆与强度包线相割。f,摩尔圆与强度包线相切。=f,当土中任意点在某一平面上的剪应力达到抗剪强度时，称该点处于极限平衡状态。极限平衡状态的应力条件称为极限平衡条件。,土的极限平衡条件,抗剪强度,C,法向应力,1,2,3,极限平衡条件,当土体处于极限平衡状态时，从摩尔圆与强度包线的几何关系可推得粘性土的极限平衡条件。,=c+tan,2f,O,1,3,A(,),(1+2)/2,c cot,c,R,D,化简、移项，经三角函数关系转换后得：,由图中几何关系，可得破坏面与大主应力作用面的夹角f为：,极限平衡条件,应当指出，上述土的极限平衡条件是反映土的强度的重要公式，并非纯理论性的研究，而具有工程设计时的实用意义。如前所述，土的抗剪强度f 实际上取决于有效应力，所以公式中的 取有效摩擦角 时才代表实际的破裂角。,例题：某砂土地基30，c=0。某点应力1=100kPa,3=30kPa，问该点是否剪破？,解1：把1=100kPa,30，c=0代入公式，得,3=1tan2(45-/2)=33kPa(此为极限平衡状态下的3),实际的3=30kPa，小于算得的3=33kPa，,故可判断该点已剪破。,例题：某砂土地基30，c=0。某点应力1=100kPa,3=30kPa，问该点是否剪破？,解2：把3=30kPa,30，c=0代入公式，得,1=3tan2(45+/2)=90kPa(此为极限平衡状态下的1),实际的1=100kPa，大于算得的1=90kPa，故可判断该点已剪破。,例题：某砂土地基30，c=0。某点应力1=100kPa,3=30kPa，问该点是否剪破？,解3：对c=0的无粘性土，有sin=(1-3)/(1+3),把1、3、c代入上式，得,=sin-1(1-3)/(1+3)=32 41(此为极限平衡状态下的),计算的大于强度指标，仍可判断该点已剪破。,例题：某砂土地基30，c=0。某点应力1=100kPa,3=30kPa，问该点是否剪破？,解4：先计算出破裂面上的正应力和剪应力：f=45+/2=60=(1+3)/2+(1-3)cos2f/2=47.5kPa=(1+3)sin2f/2=30.31kPa,而破裂面上的抗剪强度：,f=c+tan=0+47.5tan30=27.42kPa=30.31kPa,故也可判断该点已剪破。,土的抗剪强度是土的一个重要力学性质，其大小表现为c、值，在确定地基承载力、挡土墙的土压力以及验算土坡的稳定性时，都要用到土的抗剪强度指标。因此，正确地测定和选择土的抗剪强度指标是土工计算十分重要的问题。确定土的抗剪强度指标的试验称为剪切试验。测定土的抗剪强度仪器经过不断发展和改造，目前已有多种类型的室内试验仪器和野外测试设备。其中室内试验常用的有直剪仪、三轴压缩仪、无侧限压缩仪等；在现场常用的有十字板剪切仪和大型直剪仪等。,第二节 抗剪强度的测定方法,第二节 抗剪强度的测定方法,直接剪切(直剪)试验,装置：1、可装土样的上、下盒2、竖直及水平加荷部分3、量测剪切和竖直变形装置试验方法：1、用环刀切取土样然后推入上、下盒中；2、由杠杆系统通过活塞对试样施加垂直压力；3、轮轴匀速推进下盒（应变控制式），使试样沿上、下盒水平接触面产生剪切位移；4、按一定时间间隔读取量力环上的百分表读数，直至最大数出现；,第二节 抗剪强度的测定方法,直剪仪(图2),直接剪切(直剪)试验,抗剪强度,法向应力,C,剪应力大小根据量力环上的百分表由测定的量力环变形值经换算确定；取3个以上试样，在不同的垂直压力作用下测得相应的最大剪应力值；根据一组垂直压力及对应的剪应力，可绘出库仑强度包线。p1fp2f2 p3f3p4f4,绘图时必须使纵横坐标的比例尺完全一致。,第二节 抗剪强度的测定方法,通过控制剪切速率来近似模拟排水条件,3.快剪 施加正应力后立即剪切3-5分钟内剪切破坏,不固结不排水,1.固结慢剪：施加正应力-充分固结慢慢施加剪应力-小于0.02mm/分，以保证无超静孔压,2.固结快剪施加正应力-充分固结在3-5分钟内剪切破坏,优点：直剪仪构造简单，操作简便，并符合某些特定条件，至今仍是试验室常用的一种试验仪器。缺点：剪切过程中试验内的剪应变和剪应力分布不均匀；剪切面被人为地限制在上下盒的接触面上，而该平面未必是试样最弱的剪切面；剪切过程中试样面积逐渐减小；不能严格控制排水条件，不能量测试样中的孔隙水压力。,第二节 抗剪强度的测定方法,直剪试验的优缺点,三轴压缩（剪切）试验,两个特点：对圆柱形的试样造成三个轴向受力的条件，使试样在一定的应力条件下，沿某一斜截面是发生剪破，其应力条件比较明确；可以控制排水条件，并可以量测试样的孔隙水压力。,1,2,3=2,对试样施加均布的周围压力3，再在垂直方向施加压力增量1，使轴向压力1（=3+1）逐渐增大。当达到某一数值时，试样剪破。,第二节 抗剪强度的测定方法,第二节 抗剪强度的测定方法,三轴压缩仪试验装置,第二节 抗剪强度的测定方法,三轴压缩仪试验装置,固结排水试验（CD试验）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）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 关闭排水阀门，很快剪切破坏，在施加轴向应力差过程中不排水,不固结不排水试验（UU试验）1 关闭排水阀门，围压下不固结；2 关闭排水阀门，很快剪切破坏，在施加轴向应力差过程中不排水,cd、d,ccu、cu,cu、u,（3）试验类型,抗剪强度,C,法向应力,试验结果,取一组试样，分别取3 100，200，300kPa，然后施加垂直压力1，直至破坏。这样可得到一组极限应力圆；做这一组极限应力圆的公切线，可得其强度指标。,1,3,3,1,第二节 抗剪强度的测定方法,3,1,1,3,f,三种标准试验方法,直剪试验快剪固结快剪慢剪,三轴试验不固结不排水剪固结不排水剪固结排水剪,第二节 抗剪强度的测定方法,能严格控制试样的排水条件，能测孔隙水压力，从而可获得土中有效应力的变化情况；与直剪试验对比，试样中的应力状态较为明确和均匀，破裂面为f=45+/2；除抗剪强度指标外，还可测定土的灵敏度、侧压力系数、孔隙水压力系数等力学指标。,第二节 抗剪强度的测定方法,三轴试验的特点：,无侧限抗压强度试验,特点：圆柱形试样；只施加垂直压力，直至剪破,1,试样所能承受的最大轴向压力qu称为无侧限抗压强度。,1,3=0,2=0,第二节 抗剪强度的测定方法,无侧限抗压强度试验,根据试验结果，只能作一个极限应力圆(1=qu，3=0)，因此对于一般粘性土就难以作出破坏包线。而对于饱和粘性土，根据在三轴不固结不排水试验的结果，其破坏包线近似于一条水平线，即u=0。这样，若仅为了测定饱和粘性土的不排水抗剪强度，就可以利用构造比较简单的无侧限抗压试验仪代替三轴仪。,1,1,3=0,2=0,第二节 抗剪强度的测定方法,无侧限抗压强度试验,此时，取u=0，则由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，即 f=cu=qu/2,1,无侧限抗压强度试验还可以用来测定土的灵敏度。其方法是将同一种土的原状和重塑试样分别进行无侧限抗压强度试验，灵敏度St为原状土与重塑土无侧限抗压强度的比值：St=qu/qu,1,3=0,2=0,第二节 抗剪强度的测定方法,一、十字板剪切试验原理及特点十字板剪切试验是用插入软粘土中的标准十字板探头，以一定速率扭转，在土层中形成圆柱形破坏面，通过量测土破坏时的抵抗力矩，然后换算成土的抗剪强度。,十字板剪切试验,第二节 抗剪强度的测定方法,第二节 抗剪强度的测定方法,三轴压缩仪试验装置,十字板剪切试验的适用范围，大部分国家规定限于饱和软粘土（=0），我国的工程经验也限于软粘土，对于其他的土，十字板剪切试验会有相当大的误差。所测得的抗剪强度值为天然压力下固结的不排水抗剪强度，在理论上它相当于三轴不排水剪总强度，或无侧限抗压强度的一半。,优点：不用取样，结果可靠；测试设备轻便，容易操作；测试速度快，效率高，成果整理简单。缺点：只用于在软粘土中。其它土不行。,二、电测式十字板剪切试验仪器压入主机十字板头扭力传感器量测扭力仪表施加扭力装置,三、测试要点安装及调平机架，用地锚固定；安装传感器，连接电缆；将十字板头垂直压入土中至预定深度，仪器调零；测试开始，匀速转动手摇柄，每转动一圈测计应变读数一次，至破坏；可用于测试重塑土的抗剪强度可做不同深度的抗剪强度,四、测试资料的整理：由十字板原位测定的原状土的抗剪强度为：,对饱和粘性土来说，与室内无侧限抗压强度试验一样，十字板剪切试验所得成果即为不排水抗剪强度cu。十字板试验结果理论上与无侧限强度试验相当，但事实上十字板剪切试验结果往往比无侧限强度试验值偏高，这可能与土样扰动较少有关。,五、试验成果的应用用于估算地基允许承载力；用于地基抗滑稳定性分析；用于估算桩的端阻力和侧阻力；通过加固前后土的强度变化，可检验地基的加固效果；根据Cuh曲线，可判定软土的固结历史：若 Cuh曲线大致呈一通过地面原点的直线，可判定为正常固结土；若Cuh直线不通过原点，而与纵坐标的向上延长线相交，则可判定为超固结土。,一、不固结不排水抗剪强度,第四节 土的抗剪强度指标,饱和粘性土的抗剪强度,在施加周围压力和轴向压力直至剪切破坏的整个试验过程中都不允许排水。取一组饱和粘性土试样，分别施加不同的周围压力和轴向压力直至剪切破坏。试样结果如图示。,试验结果表明，虽然三个试样的周围压力不同，但破坏时的主应力差相等，在图上表现出三个总应力圆直径相同，因而破坏包线是一条水平线。,一、不固结不排水抗剪强度,饱和粘性土的抗剪强度,即u=0 f=cu=(1-3)/2,在试验中如果分别量测试样破坏时的孔隙水压力uf，试验结果可以用有效应力整理。结果表明，三个试样只能得到同一个有效应力圆，即,第四节 土的抗剪强度指标,一、不固结不排水抗剪强度,饱和粘性土的抗剪强度,试验结论：在不排水条件下，试样在试验过程中的含水量和体积均保持不变，改变3数值只能引起孔隙水压力同等数值变化，试样受剪前的有效固结应力却不发生改变，因而抗剪强度也就始终不变。无论是超固结土还是正常固结土，其UU试验的抗剪强度包线均是一条水平线，即u=0。,由于一组试样试验的结果，有效应力圆是同一个，因而就不能得到有效应力破坏包线，即不能得到有效应力强度指标c、值。,第四节 土的抗剪强度指标,一、不固结不排水抗剪强度,饱和粘性土的抗剪强度,不固结不排水试验的不固结是在三轴压力室压力下不再固结，而保持试样原来的有效应力不变，如果饱和粘性土从未固结过，就是一种泥浆状土，抗剪强度也必然等于零，一般从天然土层中取出的试样，相对于在某一压力下已经固结，总具有一定的天然强度。天然土层的有效固结压力随深度变化，所以不排水抗剪强度也随深度变化，均质的正常固结不排水强度大致随有效固结压力线性增大。超固结土因其先期固结压力大于现场有效固结压力，它的cu值比正常固结土大。,第四节 土的抗剪强度指标,二、固结不排水抗剪强度,饱和粘性土的抗剪强度,饱和粘性土的固结不排水抗剪强度在一定程度上受应力历史的影响。因此，在研究粘性土的固结不排水强度时，要区别试样是正常固结还是超固结。两种不同固结状态的试样，在剪切试验中的孔隙水压力和体积变化规律完全不同，其抗剪强度特性亦各不一样。,饱和粘性土固结不排水试验时，试样在3作用下充分排水固结，使u3=0。然后关闭排水阀，在不排水条件下施加偏应力，直至破坏。,第四节 土的抗剪强度指标,二、固结不排水抗剪强度,饱和粘性土的抗剪强度,应力应变曲线正常固结试样的应力应变曲线表现为硬化型（无峰值）；而超固结试样的应力应变曲线则表现为软化型（有峰值）。,第四节 土的抗剪强度指标,二、固结不排水抗剪强度,饱和粘性土的抗剪强度,第四节 土的抗剪强度指标,孔隙水压力对正常固结试样剪切时体积有减少的趋势（剪缩），但由于不允许排水，故孔隙水压力逐渐增大；而超固结试样在剪切时体积有增加的趋势（剪胀），超强固结试样在剪切过程中，开始产生正的孔隙水压力，以后转为负值。,二、固结不排水抗剪强度,饱和粘性土的抗剪强度,强度对正常固结试样：因为在剪切破坏时产生正的孔隙水压力，故有效应力圆在总应力圆的左方。总应力破坏包线和有效应力破坏包线都通过原点，说明未受任何固结压力的土（如泥浆状土）不会具有抗剪强度。,总应力破坏包线的倾角以cu表示，一般在1020之间，有效应力破坏包线的倾角 称为有效内摩擦角，比cu大一倍左右。,第四节 土的抗剪强度指标,二、固结不排水抗剪强度,饱和粘性土的抗剪强度,超固结土的固结不排水应力破坏包线是一条略平缓的曲线。一般ccu不等于零。由于超固结试样破坏时产生负的孔隙水压力，有效应力圆在总应力圆的右方。CU试验的有效应力强度指标与总应力强度指标相比，通常c cu,第四节 土的抗剪强度指标,三、固结排水抗剪强度,饱和粘性土的抗剪强度,固结排水试验在整个试验过程中，孔隙水压力始终为零，总应力最后全部转化为有效应力，所以总应力圆就是有效应力圆，总应力破坏包线就是有效应力破坏包线。,第四节 土的抗剪强度指标,三、固结排水抗剪强度,饱和粘性土的抗剪强度,应力应变和体积变化在剪切过程中，正常固结粘土发生剪缩，而超固结土则是先压缩，后继而主要呈现剪胀的特性。,第四节 土的抗剪强度指标,三、固结排水抗剪强度,饱和粘性土的抗剪强度,强度正常固结土的破坏包线通过原点，粘聚力cd=0，内摩擦角 d约在2040之间；超固结土的破坏包线略弯曲，实用上近似取为一条直线代替，cd 约为525kPa，d 比正常固结土的内摩擦角要小。,第四节 土的抗剪强度指标,饱和粘性土的抗剪强度,试验证明，cd、d与固结不排水试验得到的c、很接近，由于固结排水试验所需的时间很长，故实用上用c、代替cd 和d。但两者的试验条件是有差别的，固结不排水试验在剪切过程中试样的体积保持不变，而固结排水试验在剪切过程中试样的体积一般要发生变化，cd、d 略大于c、。,第四节 土的抗剪强度指标,饱和粘性土的抗剪强度,图5.25表示同一种粘性土分别在三种不同排水条件下的试验结果，由图可见，如果以总应力表示，将得出完全不同的试验结果，而以有效应力表示，则不论采用哪种试验方法，都得到近乎同一条有效应力破坏包线。由此可见，抗剪强度与有效应力有唯一的对应关系。,第四节 土的抗剪强度指标,无粘性土的抗剪强度,应力应变体变关系试验表明，松砂在剪切过程中，随应变的增加，体积不断压密，剪应力也不断增长，最后在大应变下达到最大值，其应力应变关系呈硬化型；,第四节 土的抗剪强度指标,无粘性土的抗剪强度,应力应变体变关系而密砂在剪切时，其剪应力在小应变下就到达峰值，超过峰值后，随应变的增加应力逐步降低，呈应变软化型。其体积变化是开始稍有减小，继而增加（剪胀），这是砂粒之间相对滚动，重新排列的结果；,第四节 土的抗剪强度指标,无粘性土的抗剪强度,应力应变体变关系对同一种砂，密砂和松砂的强度最终趋于同一值；在高压下，不论密砂和松砂，受剪时都将剪缩，其应力应变关系表现为同在低压下松砂一样。,第四节 土的抗剪强度指标,无粘性土的抗剪强度,临界孔隙比由于密砂在剪切过程中体积增加，而松砂体积减小，这样就有理由推断，有一个密度使剪切变形不随体积变化。在该孔隙比下，试样的剪切可以无限连续下去，但体积不再变化。相应于这种条件下的孔隙比称为临界孔隙比。,第四节 土的抗剪强度指标,无粘性土的抗剪强度,临界孔隙比临界孔隙比不是常数，它随侧压力的增加而减小。利用临界孔隙比可以作为砂土是否发生液化的标准之一。当饱和松砂受到动荷载作用（如地震）时，由于孔隙水来不及排出，孔压不断增加，就有可能使有效应力降低到零，因而使砂土象流体一样失去抗剪强度，这种现象称为砂土的液化。,第四节 土的抗剪强度指标,无粘性土的抗剪强度,其它土粒较大、表面粗糙、级配良好的砂土，其内摩擦角较大；由于砂土透水性好，无论剪切速率如何，实际上都是排水剪，所得指标接近于；松砂的内摩擦角大致与与干砂的天然休止角相等；可根据标贯击数按经验公式求：=(20N)1/2+15 或=0.3N+27,第四节 土的抗剪强度指标,饱和的粉、细砂在动荷载作用下易发生砂土液化，使地基失去承载力。上图为1964年6月16日日本新瀉发生7.5级地震后，因地基土发生液化所造成的破坏，注意到虽然因地基破坏而使得建筑物严重倾斜甚至倒下，但结构本身并未破坏。,上图为1995年1月17日发生在神户的里氏7.2级地震造成的桥梁地基及结构的破坏。,抗剪强度指标的选择,从前面分析可看出，总应力强度指标的三种试验结果各不相同，一般ucud，所得的c值亦不相同。对于同一种土，强度指标与试验方法以及试验条件都有关，实际工程问题的情况又是千变万化的，用试验室的试验条件去模拟现场条件毕竟还会有差别。所以，土的抗剪强度指标的取值，应力求试验条件与实际工程条件一致或接近。,第四节 土的抗剪强度指标,抗剪强度指标的选择,例如：当建筑地基为薄层粘性土、粉土或粘性土与砂土互层，施工速度慢，应采用三轴固结排水试验或直接剪切的慢剪试验；若建筑地基为饱和状态原层粘土，快速施工，则可进行三轴不固结不排水试验，或直接剪切快剪试验。如果介于以上两种情况之间，可用固结不排水或固结快剪试验结果。由于实际加荷情况和土的性质是复杂的，而且在建筑物施工和使用过程中都要经历不同的固结状态，因此，在确定强度指标时还应结合工程经验。,第四节 土的抗剪强度指标,第五节 应力路径,对加荷过程中的土体某点，其应力状态的变化可在应力坐标中以应力点的移动轨迹表示，这种轨迹称为应力路径。它是描述土体在外力作用下应力变化情况的一种方法。对同一种土，采用不同的试验手段和不同的加荷方法使之剪破，其应力变化过程是不相同的，为了分析应力变化过程对土的力学性质的影响，可以用应力路径来描述土体在外荷作用下的应力变化。,第五节 应力路径,第五节 应力路径,以三轴试验为例，如果保持3不变，逐渐增加1，这个应力变化过程可以用一系列应力圆表示。为避免在一张图上画很多应力圆使图面很不清晰，可在圆上适当选择一个特征应力点来代表整个应力圆。常用的特征点是应力圆的顶点（剪应力为最大），其坐标为p=(1+3)/2和q=(1-3)/2。按应力变化过程顺序把这些点连接起来就是应力路径，并以箭头指明应力状态的发展方向。,第五节 应力路径,三轴固结不排水剪试验的加荷程序是先施加围压3，固结稳定后，再施加并逐渐增大竖向应力增量(1-3)，直至破坏。其最大剪应力面的总应力路径见下图。总应力路径的倾角是45。由于是等向固结，有效应力路径与总应力路径出发于同一点，但有效应力路径是曲线。两者之间的距离为孔压 u。,第五节 应力路径,三轴固结不排水剪试验的应力路径(正常固结土),正常固结饱和土在受剪过程中产生正的孔压，所以有效应力路径在总应力路径的左边。图中Kf线和Kf线分别代表以总应力和有效应力表示的极限应力圆顶点的连线。,右图表示一强超固结试样的应力路径，由于强超固结试样开始出现正的孔压，以后逐渐转为负值，故有效应力路径开始在总应力路径的左边，后来逐渐转移到右边。,第五节 应力路径,三轴固结不排水剪试验的应力路径(超固结土),从土的有效应力路径形状可以判断土的类别、初始物理状态（松紧、软硬）、初始固结条件（正常固结或超固结情况）、土的排水条件等。土的应力路径可以模拟土体实际的应力历史，全面地研究应力变化过程，可以探讨土的应力应变及强度的关系。,第五节 应力路径,应力路径分析的目的,利用CU试验的有效应力路径确定的Kf线，可求得有效应力强度参数c和。试验表明，在试样发生剪切破坏时，应力路径发生转折，因此可以认为这个转折点作为试样破坏的标准，由此得到Kf线。通过几何关系可得出：,第五节 应力路径,应力路径分析的目的,下图表示同一种土分别用CD试验和CU试验所得的不同的有效应力路径。可以看出排水剪的破坏剪应力大大高于CU试验的破坏剪应力。,第五节 应力路径,几个例子：,下图表示5条不同的加荷条件的CD有效应力路径,第五节 应力路径,几个例子：,A,F,H,G,E,L,O,q,p,Kf,AF线为各向等向压缩试验的应力路径，它不会与Kf相交，因此不会发生剪切破坏；AG是p为常数（p=(1+3)/2）的应力路径；AH为常规三轴试验；,AE为周压卸载试验（保持1不变，减小3）；AL为各向等压退压的应力路径。,kf 线,q,p,假如荷载是一次性施加，则有效应力路径将从a点沿曲线至b，土体很快就失稳破坏。若采用间歇式加载方式，第一级荷载从a点到b点，在加载停歇的时间里，随着土的排水固结，土体的有效应力不断增加，而剪应力却不发生变化，也就是此时的应力路径是一条水平线，排水固结完毕时抵达c点。如此循环下去，该点的应力路径就将沿着abcdefg各点曲折地延伸发展，最终抵达k点。显然，土在k点的强度比之b点有了较大的增长。,a,b,b,c,d,e,f,g,h,i,j,k,通过控制应力路径合理安排施工进度的例子：,课后作业：,