§2-6 土的抗剪强度
土的抗剪强度的机理教学课件
总结词
该案例探讨了基础工程中土的抗剪强度对建筑物沉降和承载力的影响，强调了合理设计基础的重要性。
详细描述
在某基础工程中，通过对土的抗剪强度进行详细分析，确保了建筑物的安全性和稳定性。首先介绍了建筑物沉降和承载力的关系，以及土的抗剪强度对沉降和承载力的影响。接着，通过实际工程数据和计算结果，展示了如何应用抗剪强度理论来优化基础设计，以减小建筑物沉降和提高承载力。最后，强调了合理设计基础的重要性，以确保建筑物的安全性和稳定性。
掌握土的抗剪强度基本概念和原理。
理解影响土的抗剪强度的因素。
学会进行土的抗剪强度试验和数据分析。
能够运用土的抗剪强度理论解决实际工程问题。
01
02
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04
土的抗剪强度基础概念
在外力作用下，土体中的剪应力达到其抗剪强度时，土体就会发生剪切破坏。
土的抗剪强度与土的种类、密度、含水量、荷重条件等因素有关。
总结词
在某边坡工程中，通过对土的抗剪强度进行详细分析，确定了边坡的稳定性。首先介绍了土的物理性质，包括颗粒大小、形状和排列等，这些因素直接影响土的抗剪强度。接着，分析了剪切面上的正应力和剪应力，以及它们如何相互作用以影响边坡的稳定性。最后，通过实际工程数据和计算结果，展示了如何应用抗剪强度理论来评估边坡工程的稳定性。
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土的抗剪强度的概念_概述说明以及解释
土的抗剪强度的概念概述说明以及解释1. 引言1.1 概述土的抗剪强度是土体工程中非常重要的一个概念。
它指的是在土体内部存在切变作用时，土体能够抵抗该切变作用并保持形状稳定的能力。
抗剪强度是评估土的力学性质、承载能力和稳定性的重要指标之一。
1.2 定义土的抗剪强度可以分为两个方面来理解：首先，从宏观角度来看，抗剪强度是指应变固结下产生切线应力所需达到最大值。
在一定条件下，当施加沿某一平面方向的剪切应变时，通过实验可以测得该平面上允许达到的最大应力值。
其次，从微观角度来看，抗剪强度是由于岩石或土壤颗粒之间产生摩擦造成接触邻近颗粒受到相互作用而形成的。
1.3 目的本文旨在全面介绍关于土的抗剪强度概念，并说明其重要性和应用。
通过详细解释土壤抗剪强度的定义和影响因素，以及传统试验方法和先进试验方法的介绍，读者可以深入了解土壤抗剪强度与土体工程应用之间的关系。
在展示几个土体加固和处理技术的工程实践案例后，我们还将讨论抗剪强度在土体设计中的重要作用。
通过这篇文章，读者将能够更好地理解土的抗剪强度的概念及其在土体工程中的意义，并对未来研究方向提出展望。
2. 土的抗剪强度概念2.1 概述土的抗剪强度是指土体在受到剪切力作用时能够抵抗变形破坏的能力。
它是土体力学中一个重要的参数，对于工程设计、施工和地质灾害预测等具有重要意义。
2.2 抗剪强度的定义土的抗剪强度可以分为有效应力状态下的抗剪强度和总应力状态下的抗剪强度。
在有效应力状态下，土体颗粒之间由于摩擦及内聚力的作用而形成一种阻止相对滑动或破坏的抵抗力。
该抵抗力即为土体的有效应力抗剪强度。
有效应力状态下，如果施加额外水平力，就会导致不可逆性变形，并可能引发失稳。
在总应力状态下，考虑了地下水对土体孔隙水压造成的影响。
总应力状态下的土壤承受着来自地表荷载及孔隙水压带来的综合作用，在这种情况下衡量土壤较为复杂。
当存在地下水流动时，因渗流带来部分应力的释放，土壤受到的总应力也会相应减小。
土的抗剪强度
dlcos A(, )
1
圆心坐标[1/2(1 +3 )，0] 2 应力圆半径r＝1/2(1－3 )
O
3
1
1/2(1 +3 )
土中某点的应 力状态可用莫 尔应力圆描述
抗剪强度的基本理论
2、极限平衡条件
三、莫尔～库仑破坏标准
1 f 3tg 2 45 2c tg 45 2 2 3 f
应力圆与强度线相离： 应力圆与强度线相切： 应力圆与强度线相割：
σ1<σ1f σ1=σ1f σ1>σ1f
弹性平衡状态
极限平衡状态
破坏状态
抗剪强度的基本理论
三、莫尔～库仑破坏标准 当3= 常数：
1,3 x z
2 z 2 x 4 xz 2
《土质学与土力学》 安徽理工大学资源与环境工程系
第六章 土的抗剪强度
★ 概述 ★抗剪强度的基本理论
★抗剪强度的试验方法
概述
剪切破坏
沉降过大 土工建筑物（如： 路堤、土坝等） 土体破坏
强度破坏
建筑物事故
研究土的强度特性，就是研究土的抗剪强度特性
概述
土的抗剪强度：土体抵抗剪切破坏的极限能力
概述
大阪的港口码头档土墙由于液化前倾
四、抗剪强度的试验方法
应变控制式
按控制方法分
应力控制式
抗剪强度的基本理论
1.直接剪切试验
四、抗剪强度的试验方法
试验仪器：直剪仪（应力控制式，应变控制式）
抗剪强度的基本理论
四、抗剪强度的试验方法
1.直接剪切试验
抗剪强度的基本理论
四、抗剪强度的试验方法
土的抗剪强度 粘聚力和内摩擦角
土的抗剪强度--粘聚力和内摩擦角内摩擦角与黏(内)聚力:土的抗剪强度由滑动面上土的黏聚力〈阻挡剪切)和土的内摩阻力两部分组成。
内摩擦角大小取决于土粒间的摩阻力和连锁作用,内摩擦角反映了土的摩阻性质。
黏聚力是黏性土的特性指标,黏聚力包括土粒间分子引力形成的原始黏聚力和土中化合物的胶结作用形成的固化黏聚力。
因而内摩擦角与黏聚力是土抗剪强度的两个力学指标。
土的抗剪强度指土对剪切破坏的极限抵抗能力，土体的强度问题实质是土的抗剪能力问题。
土的抗剪强度指标——内摩擦角φ、黏(内)聚力Cφ——土的内摩擦角（°）C——土的粘聚力（KPa）φ、C与土的性质有关，还与实验方法、实验条件有关。
因此，谈及强度指标时，应注明它的试验条件。
（直剪实验、三轴剪切试验等）土的抗剪强度第一节概述建筑物由于土的原因引起的事故中，一部分是沉降过大，或是差异沉降过大造成的；另一方面是由于土体的强度破坏而引起的。
对于土工建筑物（如：路堤、土坝等）来说，主要是后一个原因。
从事故的灾害性来说，强度问题比沉降问题要严重的多。
而土体的破坏通常都是剪切破坏；研究土的强度特性，就是研究土的抗剪强度特性。
）：是指土体抵抗抗剪切破坏的极限能力，其数值等于剪切破坏①土的抗剪强度（τf时滑动的剪应力。
②剪切面（剪切带）：土体剪切破坏是沿某一面发生与剪切方向一致的相对位移，这个面通常称为剪切面。
其物理意义：可以认为是由颗粒间的内摩阻力以及由胶结物和束缚水膜的分子引力所造成的粘聚力所组成。
无粘性土一般无连结，抗剪强度主要是由颗粒间的摩擦力组成，这与粒度、密实度和含水情况有关。
粘性土颗粒间的连结比较复杂，连结强度起主要作用，粘性土的抗剪强度主要与连结有关。
决定土的抗剪强度因素很多，主要为：土体本身的性质，土的组成、状态和结构；而这些性质又与它形成环境和应力历史等因素有关；此外，还决定于它当前所受的应力状态。
土的抗剪强度主要依靠室内经验和原位测试确定，试验中，仪器的种类和试验方法以及模拟土剪切破坏时的应力和工作条件好坏，对确定强度值有很大的影响。
土的抗剪强度试验 计算公式
土的抗剪强度试验计算公式土的抗剪强度是土体在受到剪切力作用下的抵抗能力，是土体力学性质的重要指标之一。
它描述了土体在承受剪切力时的强度和变形特性，对于土工工程的设计和施工具有重要意义。
本文将介绍土的抗剪强度试验及其计算公式，为读者提供相关知识。
1. 引言土的抗剪强度是指土体在受到剪切力作用下所能承受的最大剪切应力。
土的抗剪强度试验可以通过直剪试验来进行，该试验是一种常用的土力学试验方法。
2. 直剪试验原理直剪试验是将土样从中间切割，然后施加垂直于切割面的剪切力，通过测量土样的应力和应变关系来确定土的抗剪强度。
直剪试验可以分为无侧限直剪试验和有侧限直剪试验两种方式。
3. 无侧限直剪试验无侧限直剪试验是将土样放置在剪切箱中，施加垂直于土样截面的剪切力，使土样发生剪切变形。
通过测量应变和应力，可以计算出土的抗剪强度。
无侧限直剪试验的计算公式如下：土的抗剪强度 = 剪切力 / 土样截面积4. 有侧限直剪试验有侧限直剪试验是将土样放置在剪切箱中，通过在土样周围施加侧限力，使土样在剪切过程中保持侧限状态。
通过测量应变和应力，可以计算出土的抗剪强度。
有侧限直剪试验的计算公式如下：土的抗剪强度 = 剪切力/ 2πrh其中，r为土样的半径，h为土样的高度。
5. 直剪试验的步骤进行直剪试验时，需要按照以下步骤进行：（1）准备土样：选择代表性的土样进行试验，根据需要的剪切面积和形状，制备土样。
（2）安装土样：将土样放置在剪切箱中，确保土样的稳定和垂直。
（3）施加剪切力：通过加载装置施加垂直于土样截面的剪切力。
（4）测量应变和应力：使用应变计和应力计等仪器，测量土样的应变和应力。
（5）计算抗剪强度：根据测量数据，使用上述的计算公式，计算出土的抗剪强度。
6. 结论土的抗剪强度是土体在受到剪切力作用下的抵抗能力，直剪试验是一种常用的土力学试验方法。
通过测量土样的应变和应力，可以计算出土的抗剪强度。
无侧限直剪试验和有侧限直剪试验是两种常见的直剪试验方式。
土力学土的抗剪强
解：
（1）摩尔应力圆如图：
破坏面与最 大主应力作 用面的夹角 为：
4
（2）求出最大剪应力与方向
max
1
3
2
580 190 2
195kpa
45
4
16
（3）与最小主应力作用面成=85斜面上的正应力和剪应力
1
3
2
1
3
2
cos2
580 190 580 190 cos[2 (900 850 )] 577.6kpa
2
2
1
3
2
sin 2
580 190 sin[2 (900 2
850 )] 30.5kpa
与小主应力作
1
用面夹角： 2×85
3
与大主应力作用 面夹角： 2×（90-85 ）
xy
zy zx
yx
x
xz y
x
应力分量： x y z yx xy yz zy zx xz
10
土中任意一点的应力状态可表示为（平面问题，主应力）
应力分量： x z zx xz
（1 ， 3）
o
x
z
o
x
θ
摩尔圆作图法
b点为峰值强度 b
c
b点过后为残余强度，应变 软化阶段
②-超固结土或密实砂 ①-理想弹塑性
b ③-正常固结土或松砂
a
O
应变硬化段
应变软化段
1
弹性段
土的应力-应变关系曲线
5
（一种围压下的）
莫尔-库仑破坏理论 土的破坏理论
土的抗剪强度
第5章土的抗剪强度5.1概述土的抗剪强度是指土体对于外荷载所产生的剪应力的极限抵抗能力。
当土中某点由外力所产生的剪应力达到土的抗剪强度时,土体就会发生一部分相对于另一部分的移动，该点便发生了剪切破坏。
工程实践和室内试验都验证了建筑物地基和土工建筑物的破坏绝大多数属于剪切破。
例如堤坝、路堤边坡的坍滑(图5.1a)，挡土墙墙后填土失稳(图5.1b)建筑物地基的失稳(图 5.1c)，都是由于沿某一些面上的剪应力超过土的抗剪强度所造成。
因此土的抗剪强度是决定地基或土工建筑物稳定性的关键因素。
所以研究土的抗剪强度的规律对于工程设计、施工和管理都具有非常重要的理论和实际意义。
由于土的抗剪强度是岩土的重要力学性质之一，本章主要讲述叙述土抗剪强度的基本概念、土地抗剪强度的基本理论、土的抗剪强度的试验方法及土的抗剪强度指标的应用。
5.2土的抗剪强度的基本理论5.2.1直剪试验土的抗剪强度可以通过室内试验与现场试验测定。
直剪试验是其中最基本的室内试验方法。
直剪试验使用的仪器称直剪仪。
按加荷方式分为应变式和应力式两类。
前者是以等速推动剪切盒使土样受剪，后者则是分级施加水平剪力于剪力盒使土样受剪。
目前我国普遍应用的是应变式直剪仪如图5.2所示。
试验开始前将金属上盒和下盒的内圆腔对正，把试样置于上下盒之间。
通过传压板和滚珠对土样先施加垂直法向应力σ=p/F(F-土样的截面积)，然后再施加水平剪力T，使土样沿上下盒水平接触面发生剪切位移直至破坏。
在剪切过程中，隔固定时间间隔，测读相应的剪变形，求出施加于试样截面的剪应力值。
于是即可绘制在一定法应力条件下，土样剪变形λ与剪应力τ的对应关系(图5.3a)。
τf。
同一种土的几个不同土样分别施加不同的垂直法向应力σ做直剪试验都可得到相应的剪应力-剪切位移曲线(图5.3a)，根据这些曲线求出相应于不同的法向应力σ试样剪坏时剪切面上的剪应力τf。
在直角坐标σ-τ关系图中可以作出破坏剪应力的连线(图5.3b)。
6.土的抗剪强度
第五章土的抗剪强度在外荷载作用下，土工建筑物和地基内部会产生剪应力和相应的变形，与此同时也会引起抵抗这种剪切变形的阻力。
当土体内的剪应力和抗剪应力处于平衡状态时，土工建筑物和地基会保持稳定。
随着剪应力的增加，抗剪应力相应也会增加，但是抗剪应力增加有一个限度，达到这一限度时，土体就要发生破坏，这个限度称为土的抗剪强度。
如果土体内某一部分的剪应力达到它的抗剪强度时，该部分的土体就出现剪切破坏或产生塑性流动，最终可能导致一部分土体沿着某个面相对于另一部分土体产生滑动，发生整体破坏。
一、库仑定律与土的极限平衡条件1、库仑定律1776年库仑根据砂土剪切试验的结果提出砂土抗剪强度公式后来对粘性土进行剪切试验，得到粘性土抗剪强度公式2、土的抗剪强度影响因素摩擦力：土的原始密度、剪切面上的法向总应力、土粒的形状、土粒的表面粗糙程度、土的颗粒级配粘聚力：粘粒含量、矿物成分、含水量、土的结构3、土中某点的应力状态土体内部某点不同方位上截面上应力(正应力和剪应力)的集合。
土体内部某点的不同方位上所有截面应力组合均在莫尔应力圆上，圆心坐标[1/2(+ )，0]，应力圆半径r＝1/2(－ )。
因此土的应力状态可以用莫尔应力圆表示。
4、土的极限平衡条件把抗剪强度包线与描述土体中某点的莫尔应力圆绘在同一座标系中，根据两者的相对位置判断土体该点所处的状态。
莫尔应力圆位于抗剪强度包线的下方，该点处于弹性平衡状态。
莫尔应力圆与抗剪强度包线相切，该点处于极限平衡状态莫尔应力圆与抗剪强度包线相割，该点已经被剪破。
土体处于极限平衡状态的极限平衡条件：二、土的抗剪强度试验1、直接剪切试验2、三轴剪切试验3、无侧限抗压强度试验4、十字板剪切试验三、不同排水条件下的剪切试验成果1、总应力强度指标和有效应力强度指标土的抗剪强度并不是由剪切面上的法向总应力决定，而是取决于剪切面上的有效法向应力，可以根据有效应力表示的土体抗剪强度表达式表示有效应力强度指标确切的表示出土的抗剪强度的实质。
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3、莫尔～库仑破坏标准 1）莫尔～库仑破坏理论：以库仑公式作为抗剪强度公式。根据剪 应力是否达到抗剪强度（τ＝τf）作为破坏标准的理论就称为莫尔～ 库仑破坏理论。 2）莫尔～库仑破坏准则（标准）：研究莫尔～库仑破坏理论如何 直接用主应力表示，这就是莫尔～库仑破坏准则，也称土的极限平 tg 衡条件。 1.单元体上的应力和应力圆 任取某一单元土体 mjnk，其面积为dxdz，在单元体上任取某一截 面mn，则得公式：
一、 抗剪强度的基本理论 1、库仑定律（剪切定律） 1773年 法国学者 在法向应力变化范围不大时，抗剪强度与法向应力的关系近似为 一条直线，这就是抗剪强度的库仑定律。 无粘性土：
f tg
粘性土：
f tg
+c
库仑定律说明：（1）土的抗剪强度由土的内摩擦力和内聚力c两部分组成。 （2）内摩擦力与剪切面上的法向应力成正比，其比值为土的内摩擦系数。 （3）表征抗剪强度指标：土的内摩擦角φ和内聚力c。 无粘性土的c＝0，内摩擦角主要取决于土粒表面的粗糙程度和土粒交错排列的情况；土 粒表面越粗糙，棱角越多，密实度越大，则土的内摩擦系数大。 粘性土的内聚力c取决于土粒间的连结程度；内摩擦力较小。
2、总应力法和有效应力法 总应力法是用剪切面上的总应力来表示土的抗剪强度，即：
f tg
+c
有效应力法是用剪切面上的有效应力来表示土的抗剪强度，即：
f tg c
或
f tg c
总应力法与有效应力法的优缺点： 1．总应力法： 优点：操作简单，运用方便。（一般用直剪仪测定）； 缺点：不能反映地基土在实际固结情况下的抗剪强度。 2．有效应力法： 优点：理论上比较严格，能较好的反映抗剪强度的实质，能 检验土体处于不同固结情况下的稳定性。 缺点：孔隙水压力的正确测定比较困难。
（二）按试验仪器分 1、直接剪切试验
优点：仪器构造简单，操作方便 缺点：（1）剪切面不一定是试样抗剪能力最弱的面； （2）剪切面上的应力分布不均匀，而且受剪切面面积愈来愈小； （3）不能严格控制排水条件，测不出剪切过程中孔隙水压力的变化。
2、三轴剪切试验
优点：（1）试验中能严格控制试样排水条件及测定孔隙水压力的变化；（2 ）剪切面不固定； （3）应力状态比较明确 （4）除抗剪强度外，尚能测定其它指标。 缺点：（1）操作复杂；（2）所需试样较多； （3）主应力方向固定不变，而且是再令的轴对称情况下进行的，与实际情 况尚不能完全符合
§2-6 土的抗剪强度
建筑物由于土的原因引起的事故中，一部分是沉降过 大，或是差异沉降过大造成的；另一方面是由于土体 的强度破坏而引起的。对于土工建筑物（如：路堤、 土坝等）来说，主要是后一个原因。如路基土的边坡 滑塌，挡土墙的倾覆和滑动。从事故的灾害性来说， 强度问题比沉降问题要严重的多。而土体的破坏通常 都是剪切破坏；研究土的强度特性，就是研究土的抗 剪强度特性。
决定土的抗剪强度因素很多，主要为： 土体本身的性质，土的组成、状态和结构； 而这些性质又与它形成环境和应力历史等因素有关； 此外，还决定于它当前所受的应力状态。 土的抗剪强度主要依靠室内经验和原位测试确定，试验中，仪器 的种类和试验方法以及模拟土剪切破坏时的应力和工作条件好坏， 对确定强度值有很大的影响。
（三）按控制方法分 剪切试验控制方法分为应变控制式和应力控制式两种。
（四）直接剪切试验 1、取样要求：用环刀取，环刀面积不小于30cm2，环刀高度不小 于2cm，同一土样至少切取4个试样。 2、试验方法 （1）快剪（q）：试样在垂直压力施加后立即进行快速剪切，试 验全过程都不许有排水现象产生。 （ 2 ）固结快剪（ Cq）：试样在垂直压力下经过一定程度的排水 固结后，再进行快速剪切。 （3）慢剪（S）：试样在垂直压力排水固结后慢慢的进行剪切， 剪切过程中孔隙水可自由排出。 试验结果：一般情况下，快剪所得的值最小，慢剪所得的值最大 ，固结快剪居中。
试样在完全不排水条件下施加周围压力后，快速增大轴向 压力到试样破坏。控制方法：应变控制式。 （2）固结快剪（固结不排水剪）CU 试样先在周围压力下进行固结，然后在不排水条件下快速 增大轴向压力到试样破坏。控制方法：应变控制式。 （3）慢剪（固结排水剪）CD 试样先在周围压力下进行固结，然后继续在排水条件下缓 慢增大轴向压力到试样破坏。控制方法：应力控制式。
①土的抗剪强度（ τf）：指土体抵抗抗剪切破坏的极限能力，其 数值等于剪切破坏时滑动的剪应力。 ②剪切面（剪切带）：土体剪切破坏是沿某一面发生与剪切方向 一致的相对位移，这个面通常称为剪切面。 其物理意义：可以认为是由颗粒间的内摩阻力以及由胶结物和束 缚水膜的分子引力所造成的粘聚力所组成。 无粘性土一般无连结，抗剪强度主要是由颗粒间的摩擦力组成， 这与粒度、密实度和含水情况有关。 粘性土颗粒间的连结比较复杂，连结强度起主要作用，粘性土的 抗剪强度主要与连结有关。Fra bibliotek直剪仪
（五）三轴剪切试验 1、原理 三轴剪切试验的原理是在圆柱形试样上施加最大主应力（轴向压 力）和最小主应力（周围压力）。保护其中之一（一般是）不变， 改变另一个主应力，使试样中的剪应力逐渐增大，直至达到极限平 衡而剪坏，由此求出土的抗剪强度。
三轴压缩仪
三轴试样
2、试验方法
（1）快剪（不固结不排水剪）UU
f
1 1 ( ) ( 1 3 ) cos2 1 3 2 2 1 ( 1 3 ) sin 2 2
二、 抗剪强度的试验方法 （一）按排水条件分
快剪（不排水剪） 、 固结快剪（固结不排水剪）、慢剪（排水剪） 1、快剪（不排水剪） 这种试验方法要求在剪切过程中土的含水量不变，因此，无论加垂直压力或水 平剪力，都必须迅速进行，不让孔隙水排出。 适用范围：加荷速率快，排水条件差，如斜坡的稳定性、厚度很大的饱和粘土 地基等。 2、固结快剪（固结不排水剪） 试样在垂直压力下排水固结稳定后，迅速施加水平剪力，以保持土样的含水量 在剪切前后基本不变。 试用范围：一般建筑物地基的稳定性，施工期间具有一定的固结作用。 3、慢剪（排水剪） 土样的上、下两面均为透水石，以利排水，土样在垂直压力作用下，待充分排 水固结达稳定后，再缓慢施加水平剪力，使剪力作用也充分排水固结，直至土样 破坏。 适用范围：加荷速率慢，排水条件好，施工期长，如透水性较好的低塑性土以 及再软弱饱和土层上的高填方分层控制填筑等等。