土的抗剪强度及其工程问题(高大钊)课件

1、土的抗剪强度及其工程问题(高大 钊) 1 同济大学同济大学 高大钊高大钊 二六年四月二六年四月 土的抗剪强度及其工程问题(高大 钊) 2 l土的抗剪强度试验土的抗剪强度试验 l工程中的抗剪强度问题工程中的抗剪强度问题 土的抗剪强度及其工程问题(高大 钊) 3 l土的抗剪强度试验土的抗剪强度试验 土的抗剪强度及其工程问题(高大 钊) 4 l这是两个不同的概念，但经常被人们这是两个不同的概念，但经常被人们 混淆，看一个土坡的最简单的例子：混淆，看一个土坡的最简单的例子： l平行滑动面的力是滑动力平行滑动面的力是滑动力T l抵抗滑动的是滑动面上的抗剪强度抵抗滑动的是滑动面上的抗剪强度 滑动面上的力系

2、滑动面上的力系 T N G A-滑动面的面积滑动面的面积 土的抗剪强度及其工程问题(高大 钊) 5 l 滑动面上的抗剪强度滑动面上的抗剪强度 由两部分组成，由两部分组成， 一部分与滑动面上的法向应力成正比，另一部分与滑动面上的法向应力成正比，另 一部分与法向应力无关，可以写成如下的一部分与法向应力无关，可以写成如下的 表达式，式中的表达式，式中的c 称为内聚力，称为内聚力， 称为内称为内 摩擦角，内聚力和内摩擦角就是这两个抗摩擦角，内聚力和内摩擦角就是这两个抗 剪强度指标。剪强度指标。 l 这个表达式被称为库仑强度准则：这个表达式被称为库仑强度准则： l cptan lp=N/A 土的抗剪强度

3、及其工程问题(高大 钊) 6 l 从整个土坡滑动面从整个土坡滑动面A上平均地看：上平均地看： l当当T A时，土坡不会滑动，时，土坡不会滑动， l当当T A时，土坡就失稳了，时，土坡就失稳了， l当当T A时，称为极限平衡。时，称为极限平衡。 l 抗剪强度指标是土体的固有性质，抗剪强度指标是土体的固有性质， 是描述土体中的抗剪强度随法向应力变是描述土体中的抗剪强度随法向应力变 化规律的参数；化规律的参数； l 抗剪强度是在一定的应力条件下，抗剪强度是在一定的应力条件下， 土体滑动面上抵抗滑动的总强度。土体滑动面上抵抗滑动的总强度。 土的抗剪强度及其工程问题(高大 钊) 7 l抗剪强度指标的物理

4、概念抗剪强度指标的物理概念 l直剪试验指标的测定直剪试验指标的测定 l三轴试验指标的测定与资料分析三轴试验指标的测定与资料分析 土的抗剪强度及其工程问题(高大 钊) 8 l 土的抗剪强度是指土体抵抗剪切破土的抗剪强度是指土体抵抗剪切破 坏的能力。在土力学中，采用摩尔坏的能力。在土力学中，采用摩尔库库 仑强度准则，用内摩擦角和内聚力两个仑强度准则，用内摩擦角和内聚力两个 指标描述土的抗剪强度规律，即在土的指标描述土的抗剪强度规律，即在土的 破裂面上，抗剪强度随法向应力增长的破裂面上，抗剪强度随法向应力增长的 规律。摩尔规律。摩尔库仑强度准则是土力学的库仑强度准则是土力学的 三大定律之一。三大定律

5、之一。 土的抗剪强度及其工程问题(高大 钊) 9 l = = c p tan l 对于对于c0的土，称为纯摩擦材料，的土，称为纯摩擦材料， 内摩阻力内摩阻力包括土粒之间的包括土粒之间的表面摩擦力表面摩擦力和和 由于土粒之间的联锁作用而产生的由于土粒之间的联锁作用而产生的咬合咬合 力力。咬合力是指当土体相对滑动时，将。咬合力是指当土体相对滑动时，将 嵌在其它颗粒之间的土粒拔出所需的力，嵌在其它颗粒之间的土粒拔出所需的力， 土越密实，联锁作用则越强。土越密实，联锁作用则越强。 土的抗剪强度及其工程问题(高大 钊) 10 l = = c p tan l 对于对于 0的土，称为凝聚性材料，的土，称为凝

6、聚性材料， 构成内聚力的物理原因是土的细颗粒表构成内聚力的物理原因是土的细颗粒表 面作用，是一种物理化学作用。面作用，是一种物理化学作用。 土的抗剪强度及其工程问题(高大 钊) 11 l 原始粘聚力原始粘聚力主要是由于土粒间水膜受主要是由于土粒间水膜受 到相邻土粒之间的电分子引力而形成的，到相邻土粒之间的电分子引力而形成的， 当土被压密时，土粒间的距离减小，原始当土被压密时，土粒间的距离减小，原始 粘聚力随之增大。当土的天然结构被破坏粘聚力随之增大。当土的天然结构被破坏 时，原始粘聚力将丧失一些，但会随着时时，原始粘聚力将丧失一些，但会随着时 间而恢复其中的一部分或全部。间而恢复其中的一部分或

7、全部。 l 固化粘聚力固化粘聚力是由于土中化合物的胶结是由于土中化合物的胶结 作用而形成的，当土的天然结构被破坏时，作用而形成的，当土的天然结构被破坏时， 则固化粘聚力随之丧失，而且不能恢复。则固化粘聚力随之丧失，而且不能恢复。 土的抗剪强度及其工程问题(高大 钊) 12 l 在室内试验中，可以用直剪试验或在室内试验中，可以用直剪试验或 三轴试验来测定土的抗剪强度指标。三轴试验来测定土的抗剪强度指标。 l 对粗粒土应当用大尺寸的仪器或现对粗粒土应当用大尺寸的仪器或现 场大型直剪试验测定。场大型直剪试验测定。 l 对软土，也可以用原位测试十字对软土，也可以用原位测试十字 板试验测定。板试验测定。

8、 土的抗剪强度及其工程问题(高大 钊) 13 l 土的抗剪强度指标和土的原始土的抗剪强度指标和土的原始 状态、应力路径、应力历史、排水状态、应力路径、应力历史、排水 条件等因素有关，考虑不同因素影条件等因素有关，考虑不同因素影 响时，应采用不同的试验方法。响时，应采用不同的试验方法。 l 考虑上述复杂因素的试验只能考虑上述复杂因素的试验只能 用三轴仪才能模拟。三轴试验分为用三轴仪才能模拟。三轴试验分为 常规的试验和特殊的试验两类。常规的试验和特殊的试验两类。 土的抗剪强度及其工程问题(高大 钊) 14 A T = A N p = 土的抗剪强度及其工程问题(高大 钊) 15 l f = = c

9、p tan l第一级荷载必须大于上覆有效压力第一级荷载必须大于上覆有效压力 土的抗剪强度及其工程问题(高大 钊) 16 快剪试验快剪试验 l 在土样上下两面安置不透水的铜板在土样上下两面安置不透水的铜板 或塑料膜，并在施加竖向压力后立即施或塑料膜，并在施加竖向压力后立即施 加水平剪力进行剪切，而且剪切的速率加水平剪力进行剪切，而且剪切的速率 也很快，一般只也很快，一般只3 5min 。采取这些措采取这些措 施的目的是为了控制土样在试验时不固施的目的是为了控制土样在试验时不固 结排水，以便测定天然状态的强度指标。结排水，以便测定天然状态的强度指标。 快剪试验得到的指标用快剪试验得到的指标用 cq

10、 、 q表示。表示。 土的抗剪强度及其工程问题(高大 钊) 17 l 由于直剪仪固有的缺点，尽管采取由于直剪仪固有的缺点，尽管采取 了上述措施，土样和环刀之间仍有渗水了上述措施，土样和环刀之间仍有渗水 通道，不能保证土样处于完全不排水的通道，不能保证土样处于完全不排水的 状态，特别是对透水性比较大的土影响状态，特别是对透水性比较大的土影响 更大。更大。 土的抗剪强度及其工程问题(高大 钊) 18 固结快剪试验固结快剪试验 l 在土样上下两面安置透水石，在施在土样上下两面安置透水石，在施 加竖向压力以后给以充分时间使土样固加竖向压力以后给以充分时间使土样固 结排水。固结排水终了后再施加水平剪结排

11、水。固结排水终了后再施加水平剪 力，快速地将土样剪坏。力，快速地将土样剪坏。 土的抗剪强度及其工程问题(高大 钊) 19 l 这种试验方法模拟在法向应力作用这种试验方法模拟在法向应力作用 下固结完成但在剪应力作用下不排水的下固结完成但在剪应力作用下不排水的 工况，由于放置了透水板，更不能保证工况，由于放置了透水板，更不能保证 在剪切时处于完全不排水的状态，对于在剪切时处于完全不排水的状态，对于 透水性比较大的土样将会得到过大的抗透水性比较大的土样将会得到过大的抗 剪强度值。固结快剪试验得到的指标用剪强度值。固结快剪试验得到的指标用 ccq 、 cq表示。表示。 土的抗剪强度及其工程问题(高大

12、钊) 20 慢剪试验慢剪试验 l 施加竖向压力后土样固结排水的要求施加竖向压力后土样固结排水的要求 与固结快剪试验相同，在固结终了后以与固结快剪试验相同，在固结终了后以 相当慢的速度施加水平剪力，剪切速率相当慢的速度施加水平剪力，剪切速率 控制在小于控制在小于0.02mm /min以使土样在剪切以使土样在剪切 过程中有充分时间排水和产生体积变形，过程中有充分时间排水和产生体积变形， 得到的指标模拟完全排水的工况。慢剪得到的指标模拟完全排水的工况。慢剪 试验指标用试验指标用 cs 、 s 。 土的抗剪强度及其工程问题(高大 钊) 21 竖向压力竖向压力剪应力剪应力结果结果 快剪快剪不用透水板不用

13、透水板 立即剪切立即剪切 快速快速 固结快剪固结快剪用透水板用透水板快速快速剪切时透水剪切时透水 途径通畅途径通畅 慢剪慢剪用透水板用透水板慢速慢速 土的抗剪强度及其工程问题(高大 钊) 22 l 直剪仪中的土样无法封闭，无论土直剪仪中的土样无法封闭，无论土 样承受法向应力或剪应力，无论剪切速样承受法向应力或剪应力，无论剪切速 度多快，孔隙水总会沿着土样和环刀之度多快，孔隙水总会沿着土样和环刀之 间的缝隙流失，无法测定不排水条件下间的缝隙流失，无法测定不排水条件下 的强度，使快剪试验的结果特别离散，的强度，使快剪试验的结果特别离散， 而且而且内摩擦角往往偏大，用于工程是偏内摩擦角往往偏大，用于

14、工程是偏 于危险的；于危险的；在在固结快剪试验中，剪切时固结快剪试验中，剪切时 的排水也使内摩擦角偏大的排水也使内摩擦角偏大。 土的抗剪强度及其工程问题(高大 钊) 23 l 曾有文献报道，对于塑性指数小于曾有文献报道，对于塑性指数小于11的的 土，固结快剪试验的内摩擦角与慢剪试验的土，固结快剪试验的内摩擦角与慢剪试验的 内摩擦角很接近，内摩擦角很接近， 一般只比慢剪试验的内一般只比慢剪试验的内 摩擦角小摩擦角小1 2 ，但在塑性指数为，但在塑性指数为11 18的的 土中，两者的数值相差很大，一般为土中，两者的数值相差很大，一般为10 左左 右。这是由于低塑性土的渗透系数比较大，右。这是由于低

15、塑性土的渗透系数比较大， 在固结快剪试验中孔隙水消散很快，剪切时在固结快剪试验中孔隙水消散很快，剪切时 土的固结状态已接近于慢剪试验，因此两者土的固结状态已接近于慢剪试验，因此两者 的结果相近。的结果相近。由此可见，直剪试验不适用于由此可见，直剪试验不适用于 低塑性土。低塑性土。 土的抗剪强度及其工程问题(高大 钊) 24 l直剪仪上下盒之间的缝隙直剪仪上下盒之间的缝隙 l为了避免上下盒之间的摩擦，为了避免上下盒之间的摩擦，在上下盒之在上下盒之 间留有一定的缝隙间留有一定的缝隙。对软土作快剪试验时，由。对软土作快剪试验时，由 于竖向荷载对土样的挤压作用，软土侧面挤入于竖向荷载对土样的挤压作用，

16、软土侧面挤入 缝隙中，既破坏了土的结构，又影响了试验的缝隙中，既破坏了土的结构，又影响了试验的 结果。试验砂土时，细小的砂粒嵌进上下盒之结果。试验砂土时，细小的砂粒嵌进上下盒之 间的缝隙中使摩阻力增大，使试验结果失真。间的缝隙中使摩阻力增大，使试验结果失真。 可见可见直剪仪也不适用于砂土和软土直剪仪也不适用于砂土和软土。 土的抗剪强度及其工程问题(高大 钊) 25 l 直剪试验时土样的直剪试验时土样的剪切面是人为规定的剪切面是人为规定的 。 由于剪切总是发生在上下盒之间，剪切面人为规由于剪切总是发生在上下盒之间，剪切面人为规 定为水平方向，这与实际工程中发生在土体内的定为水平方向，这与实际工程

17、中发生在土体内的 剪切面方向是不一致的。实际工程中，剪切面方向是不一致的。实际工程中，剪切总是剪切总是 沿着最薄弱的方向发展，而水平方向往往并不是沿着最薄弱的方向发展，而水平方向往往并不是 最薄弱的最薄弱的。特别在夹薄层粉砂的粘性土层中，如。特别在夹薄层粉砂的粘性土层中，如 果硬性规定的剪切面正好在粉砂薄层中，就会得果硬性规定的剪切面正好在粉砂薄层中，就会得 到过大的抗剪强度值。到过大的抗剪强度值。 土的抗剪强度及其工程问题(高大 钊) 26 l 剪切面积随剪切位移的增加而减小剪切面积随剪切位移的增加而减小 且土样应力条件非常复杂且土样应力条件非常复杂 这一缺点限制这一缺点限制 了直剪仪在研究

18、方面的应用，但在工程了直剪仪在研究方面的应用，但在工程 实用方面引起的误差是可以容许的。实用方面引起的误差是可以容许的。 土的抗剪强度及其工程问题(高大 钊) 27 l1. 直剪仪存在许多致命的缺陷，国外已直剪仪存在许多致命的缺陷，国外已 经被淘汰，但我国还是常规武器；经被淘汰，但我国还是常规武器； l2. 我国地基设计规范对直剪仪的态度，我国地基设计规范对直剪仪的态度， 经历了从限制使用条件到企图完全淘汰经历了从限制使用条件到企图完全淘汰 的过程，但还没有具备淘汰的条件；的过程，但还没有具备淘汰的条件； l3. 在过渡的时间内，正确认识直剪仪的在过渡的时间内，正确认识直剪仪的 问题，不致发生

19、滥用是至关重要的；问题，不致发生滥用是至关重要的； 土的抗剪强度及其工程问题(高大 钊) 28 l直剪试验不适用于低塑性土。直剪试验不适用于低塑性土。 l直剪试验也不适用于砂土和软土。直剪试验也不适用于砂土和软土。 l如如8989版建筑地基基础设计规范规定版建筑地基基础设计规范规定 直剪试验只适用于二级及三级建筑物的直剪试验只适用于二级及三级建筑物的 可塑状粘性土和饱和度不大于可塑状粘性土和饱和度不大于0.5的粉土的粉土。 土的抗剪强度及其工程问题(高大 钊) 29 l 三轴试验的土样是在轴对称应力条三轴试验的土样是在轴对称应力条 件下剪切的，圆柱形土样侧面作用着小件下剪切的，圆柱形土样侧面作

20、用着小 主应力主应力 3 3 ，顶面和底面作用着大主应力顶面和底面作用着大主应力 1 1 ，大、小主应力可以根据试验要求控大、小主应力可以根据试验要求控 制其大小和变化。土样包在不透水的橡制其大小和变化。土样包在不透水的橡 皮膜中，在土样的底面和顶面都设置了皮膜中，在土样的底面和顶面都设置了 可以控制的排水管道，通过阀门可以改可以控制的排水管道，通过阀门可以改 变土样的排水条件，并可通过管道量测变土样的排水条件，并可通过管道量测 土样顶部或内部的孔隙水压力土样顶部或内部的孔隙水压力 。 土的抗剪强度及其工程问题(高大 钊) 30 l三轴试验原理三轴试验原理 : l以材料力学的摩尔圆表示一点的应

21、力状以材料力学的摩尔圆表示一点的应力状 态为基础，以库仑强度理论为准则。态为基础，以库仑强度理论为准则。 l三轴试验方法三轴试验方法: : l利用三轴仪的设备条件，用各种方法模利用三轴仪的设备条件，用各种方法模 拟土的各种应力条件和物理状态。拟土的各种应力条件和物理状态。 l三轴试验结果的资料整理三轴试验结果的资料整理 ： l试验资料的分析计算：试验资料的分析计算： 土的抗剪强度及其工程问题(高大 钊) 31 l 三轴试验是建立在轴对称极限平衡三轴试验是建立在轴对称极限平衡 理论基础上的一种土工试验，与直剪试理论基础上的一种土工试验，与直剪试 验相比，应力条件明确，分析原理严密，验相比，应力条

22、件明确，分析原理严密， 可以模拟各种排水条件和应力条件。可以模拟各种排水条件和应力条件。 土的抗剪强度及其工程问题(高大 钊) 32 土的抗剪强度及其工程问题(高大 钊) 33 l破坏圆是破坏时的应力圆破坏圆是破坏时的应力圆 l破坏圆的公切线即为强度包线破坏圆的公切线即为强度包线 土的抗剪强度及其工程问题(高大 钊) 34 l l从从0点到圆心的距离等于半径除以点到圆心的距离等于半径除以sin ； l移项以后就得到极限平衡条件的表达式移项以后就得到极限平衡条件的表达式 1313 22 = sincosc sin 1 22 3131 = ctgc 土的抗剪强度及其工程问题(高大 钊) 35 l

23、化简并通过三角函数间的变换关系，化简并通过三角函数间的变换关系， 从而可得到常用的土的极限平衡条件：从而可得到常用的土的极限平衡条件： = 2 45tg2 2 45tg 2 31 c = 2 45tg2 2 45tg 2 13 c 土的抗剪强度及其工程问题(高大 钊) 36 l例题例题土样内摩擦角为土样内摩擦角为 =26，粘聚力为，粘聚力为20kPa， 承受大主应力和小主应力分别为承受大主应力和小主应力分别为450kPa和和 150kPa，试判断该土样是否达到极限平衡状态？试判断该土样是否达到极限平衡状态？ l 解解 已知小主应力，现将其余已知的有关数据代已知小主应力，现将其余已知的有关数据代

24、 入到式入到式(6-6)的右侧，得小主应力的计算值为：的右侧，得小主应力的计算值为： l计算结果可以认为的计算值与已知值相等，所以计算结果可以认为的计算值与已知值相等，所以 该土样处于极限平衡状态。该土样处于极限平衡状态。 kPa5 .150tg3220232tg450 2 45tg2 2 45tg 2 2 13 = = c 土的抗剪强度及其工程问题(高大 钊) 37 l 对上述问题：内摩擦角为对上述问题：内摩擦角为 =26， 粘聚力为粘聚力为20kPa，承受大主应力和小主应承受大主应力和小主应 力分别为力分别为450kPa和和150kPa l 如果用图解法，则同样会得到摩尔如果用图解法，则同

25、样会得到摩尔 应力圆与抗剪强度线相切的结果。应力圆与抗剪强度线相切的结果。 土的抗剪强度及其工程问题(高大 钊) 38 l1. 1 3时，摩尔圆为一个点；时，摩尔圆为一个点； l2. 在在 1逐渐增大的过程中，达到破坏以逐渐增大的过程中，达到破坏以 前，土体都处于弹性状态；前，土体都处于弹性状态； l3. K0圆处于弹性状态。当土体处于圆处于弹性状态。当土体处于K0条条 件时，如图中的件时，如图中的K0圆，此时的土体处于圆，此时的土体处于 弹性平衡状态，不会发生破坏。弹性平衡状态，不会发生破坏。 土的抗剪强度及其工程问题(高大 钊) 39 l4. 从从K0圆到破坏圆的过程，就是土体剪圆到破坏圆

26、的过程，就是土体剪 切破坏的发生过程，是从弹性状态向塑切破坏的发生过程，是从弹性状态向塑 性状态发展的过程。在破坏圆上，有两性状态发展的过程。在破坏圆上，有两 个特征点，一个的最大剪应力，将每个个特征点，一个的最大剪应力，将每个 破坏圆是的最大剪应力点连成破坏圆是的最大剪应力点连成Kf线，线，Kf 线不是强度包线。线不是强度包线。 土的抗剪强度及其工程问题(高大 钊) 40 l5. 一系列破坏圆的公切线才是摩尔强度一系列破坏圆的公切线才是摩尔强度 包线，摩尔强度包线的参数才是抗剪强包线，摩尔强度包线的参数才是抗剪强 度指标。度指标。 土的抗剪强度及其工程问题(高大 钊) 41 土的抗剪强度及其

27、工程问题(高大 钊) 42 l 三轴剪力仪由主机、稳压系统和量测系统三轴剪力仪由主机、稳压系统和量测系统 三个部分组成。三个部分组成。 l 主机包括压力室、周围压力系统和轴向加主机包括压力室、周围压力系统和轴向加 压设备。圆柱形的土样用橡皮膜包裹密封后置压设备。圆柱形的土样用橡皮膜包裹密封后置 于压力室内，由周围压力系统通过压力水对土于压力室内，由周围压力系统通过压力水对土 样施加周围压力样施加周围压力 3，由轴向加压设备通过量力，由轴向加压设备通过量力 环、活塞杆对土样施加轴向的偏应力（环、活塞杆对土样施加轴向的偏应力（ 1- 3），）， 在忽略土样帽与土样之间摩擦力的条件下，周在忽略土样帽

28、与土样之间摩擦力的条件下，周 围压力围压力 3即为小主应力，偏应力与周围压力之即为小主应力，偏应力与周围压力之 和和 3 +( 1- 3)即为大主应力即为大主应力 1 。 土的抗剪强度及其工程问题(高大 钊) 43 土的抗剪强度及其工程问题(高大 钊) 44 l 稳压系统包括压力源、调压筒和压稳压系统包括压力源、调压筒和压 力表等，用以调节和保持周围压力的稳力表等，用以调节和保持周围压力的稳 定，以保证使用结果的准确性。定，以保证使用结果的准确性。 l 对于剪切时不排水的试验，采用量对于剪切时不排水的试验，采用量 测稳压系统中补充给压力室的水量来测测稳压系统中补充给压力室的水量来测 定土样的体

29、积变形，此时稳压系统具有定土样的体积变形，此时稳压系统具有 量测的作用，但对压力水去除气泡的要量测的作用，但对压力水去除气泡的要 求很高。求很高。 土的抗剪强度及其工程问题(高大 钊) 45 l 量测系统用以量测从土样中排出孔量测系统用以量测从土样中排出孔 隙水的体积，测定孔隙水压力的变化以隙水的体积，测定孔隙水压力的变化以 及对土样施加应力的大小。及对土样施加应力的大小。 l 三轴仪的控制系统可以分别控制土三轴仪的控制系统可以分别控制土 样在周围压力和偏应力作用时的排水条样在周围压力和偏应力作用时的排水条 件，可以克服直剪仪无法控制排水条件件，可以克服直剪仪无法控制排水条件 的缺点，因此能够

30、测定在不同固结排水的缺点，因此能够测定在不同固结排水 条件下的抗剪强度指标。条件下的抗剪强度指标。 土的抗剪强度及其工程问题(高大 钊) 46 l试验方法：试验方法： l不固结不排水剪不固结不排水剪 l固结不排水剪固结不排水剪 l固结排水剪固结排水剪 l分析方法：分析方法： l总应力法总应力法 l有效应力法有效应力法 土的抗剪强度及其工程问题(高大 钊) 47 试验方法试验方法施加施加 周围压力周围压力 施加施加 偏差压力偏差压力 孔隙水压力孔隙水压力 不固结不排不固结不排 水剪水剪UU 关排水阀门关排水阀门 关排水阀门关排水阀门不测孔隙水不测孔隙水 压力压力 固结不排水固结不排水 剪剪CU

31、开排水阀门开排水阀门 关排水阀门关排水阀门测孔隙水压测孔隙水压 力力 排水剪排水剪CD开排水阀门开排水阀门 开排水阀门开排水阀门保持为零保持为零 土的抗剪强度及其工程问题(高大 钊) 48 l 在施加周围压力时关闭排水阀门，在施加周围压力时关闭排水阀门， 此时土样内的孔隙水压力等于周围压力，此时土样内的孔隙水压力等于周围压力， 随后也在关闭排水阀门的条件下施加偏随后也在关闭排水阀门的条件下施加偏 应力，不容许土样中的孔隙水排出，直应力，不容许土样中的孔隙水排出，直 至土样剪切破坏，测定的抗剪强度指标至土样剪切破坏，测定的抗剪强度指标 用用cu、 u 表示，对饱和土表示，对饱和土 u 。 土的抗

32、剪强度及其工程问题(高大 钊) 49 土的抗剪强度及其工程问题(高大 钊) 50 土的抗剪强度及其工程问题(高大 钊) 51 l 试验时先对土样施加周围压力并打试验时先对土样施加周围压力并打 开排水阀门，在土样排水所过程中可以开排水阀门，在土样排水所过程中可以 观察到土样高度逐步减小和土样体积的观察到土样高度逐步减小和土样体积的 减小，如果同时量测孔隙水压力则可观减小，如果同时量测孔隙水压力则可观 察到孔隙水压力逐步消散。在土样充分察到孔隙水压力逐步消散。在土样充分 排水固结以后关闭排水阀门，然后施加排水固结以后关闭排水阀门，然后施加 偏应力直至破坏，由于已经关闭了排水偏应力直至破坏，由于已经

33、关闭了排水 阀门，在剪切过程中不可能发生排水。阀门，在剪切过程中不可能发生排水。 土的抗剪强度及其工程问题(高大 钊) 52 l 固结不排水试验得出的抗剪强度指固结不排水试验得出的抗剪强度指 标用标用ccu、 cu 表示。表示。 l 如果在剪切过程中打开孔隙水压力如果在剪切过程中打开孔隙水压力 阀同时测定土样内的孔隙水压力，则可阀同时测定土样内的孔隙水压力，则可 得到孔隙水压力与剪切应变的关系曲线，得到孔隙水压力与剪切应变的关系曲线， 并可以求得有效内摩擦角并可以求得有效内摩擦角 和有效内聚和有效内聚 力力c 。 土的抗剪强度及其工程问题(高大 钊) 53 l 在施加周围压力和偏应力的全过程在

34、施加周围压力和偏应力的全过程 中，土样始终处在排水状态，剪切速率中，土样始终处在排水状态，剪切速率 应使孔隙水压力始终处于消散为零的状应使孔隙水压力始终处于消散为零的状 态，因此排水阀门和孔隙水压力阀门始态，因此排水阀门和孔隙水压力阀门始 终是打开的。所测定的抗剪强度指标用终是打开的。所测定的抗剪强度指标用 cd、 d 表示，其物理意义就是有效内摩表示，其物理意义就是有效内摩 擦角。擦角。 土的抗剪强度及其工程问题(高大 钊) 54 l 有有4个土样分别在周围压力为个土样分别在周围压力为50kPa、100kPa、 150kPa和和200kPa作用下固结不排水试验，测得剪作用下固结不排水试验，测

35、得剪 切破坏时的偏应力如表所示。根据已知的周围压切破坏时的偏应力如表所示。根据已知的周围压 力和偏应力，所计算最大主应力以及破坏时摩尔力和偏应力，所计算最大主应力以及破坏时摩尔 圆的圆心位置坐标和半径也列于表内：圆的圆心位置坐标和半径也列于表内： 表 9 三轴试验结果 / kPa 应力值 编号 1 2 3 4 周围压力 3 50 100 150 200 剪切破坏时的偏应力（1- 3） 130 220 310 382 剪切破坏时的大主应力 1 180 320 460 582 莫尔圆圆心座标 13 2 115 210 305 391 摩尔圆的半径 13 2 65 110 155 191 土的抗剪强

36、度及其工程问题(高大 钊) 55 l 试验记录的是周围压力，即小主应试验记录的是周围压力，即小主应 力力 3和轴向的力，即测力计读数与测力和轴向的力，即测力计读数与测力 计率定系数的乘积计率定系数的乘积C R; l 轴向力除以校正后的试样面积，就轴向力除以校正后的试样面积，就 得到主应力差得到主应力差 1- 3 ; = 1 0 A Aa 10 31 = a A CR 土的抗剪强度及其工程问题(高大 钊) 56 l主应力差除以主应力差除以2就得到破坏应力圆的半径。就得到破坏应力圆的半径。 l破坏应力圆的半径破坏应力圆的半径 l主应力差加小主应力就得到大主应力主应力差加小主应力就得到大主应力 1。

37、 l计算大、小主应力之和的一半，就得到破计算大、小主应力之和的一半，就得到破 坏应力圆的圆心坐标值坏应力圆的圆心坐标值 l已知圆心坐标和半径，就可以画破坏应力已知圆心坐标和半径，就可以画破坏应力 圆。圆。 2 31 2 31 土的抗剪强度及其工程问题(高大 钊) 57 l试样固结后的高度试样固结后的高度 l试样固结后的面积试样固结后的面积 l试样面积校正试样面积校正 3 1 0 0 1 = V V hhc 3 2 0 0 1 = V V AAc 1 1 = c a A A 土的抗剪强度及其工程问题(高大 钊) 58 c h h = 1 2 31 2 31 轴向应变轴向应变 圆心坐标圆心坐标 莫

38、尔圆半径莫尔圆半径 土的抗剪强度及其工程问题(高大 钊) 59 l有效应力有效应力 l孔隙水压力对强度的影响孔隙水压力对强度的影响 l用有效应力表示的强度用有效应力表示的强度 f cu tg= f ctg= u= 土的抗剪强度及其工程问题(高大 钊) 60 l有效应力圆的圆心坐标与半径的计算公有效应力圆的圆心坐标与半径的计算公 式表明，有效应力圆的圆心与总应力圆式表明，有效应力圆的圆心与总应力圆 的圆心之差为破坏时的孔隙水压力，有的圆心之差为破坏时的孔隙水压力，有 效应力圆的半径与总应力圆相同。效应力圆的半径与总应力圆相同。 13 13 13 222 = = uu u ff f 13 13 1

39、3 222 = = uu ff 土的抗剪强度及其工程问题(高大 钊) 61 l有效大主应力有效大主应力 l有效小主应力有效小主应力 u= 11 u= 33 土的抗剪强度及其工程问题(高大 钊) 62 l有效主应力比有效主应力比 l初始孔隙水压力系数初始孔隙水压力系数 l破坏时孔隙水压力系数破坏时孔隙水压力系数 3 31 3 1 1 = 3 0 u B = )( 31 = B u A f f 土的抗剪强度及其工程问题(高大 钊) 63 土的抗剪强度及其工程问题(高大 钊) 64 土的抗剪强度及其工程问题(高大 钊) 65 土的抗剪强度及其工程问题(高大 钊) 66 l有效内摩擦角有效内摩擦角 l

40、有效内聚力有效内聚力 tansin 1 = = cos d c 土的抗剪强度及其工程问题(高大 钊) 67 l以主应力差的峰值作为破坏点以主应力差的峰值作为破坏点 l以有效主应力比的峰值作为破坏点以有效主应力比的峰值作为破坏点 l以有效应力路径的密集点为破坏点以有效应力路径的密集点为破坏点 l以轴向应变以轴向应变15时的主应力差为破坏点时的主应力差为破坏点 土的抗剪强度及其工程问题(高大 钊) 68 l 不固结不排水强度是天然强度，不不固结不排水强度是天然强度，不 是强度指标；是强度指标； l 不固结不排水强度是总强度，反映不固结不排水强度是总强度，反映 了某种状态的结果；了某种状态的结果；

41、l 无法反映土的抗剪强度随法向应力无法反映土的抗剪强度随法向应力 变化的规律；变化的规律； l 如何提供土层的代表性数值？如何提供土层的代表性数值？ 土的抗剪强度及其工程问题(高大 钊) 69 l不固结不不固结不 排水强度排水强度 随深度增随深度增 长，不能长，不能 提供平均提供平均 值。值。 cu z 土的抗剪强度及其工程问题(高大 钊) 70 l用以计算地基承载力，不能反映基础埋置用以计算地基承载力，不能反映基础埋置 深度对承载力的影响；深度对承载力的影响； l用以计算土压力，不能反映实际的情况。用以计算土压力，不能反映实际的情况。 固结不排水剪固结不排水剪不固结不排水剪不固结不排水剪 土

42、的抗剪强度及其工程问题(高大 钊) 71 l相当于周围压力为零的三轴不固结不排相当于周围压力为零的三轴不固结不排 水剪试验。水剪试验。 l灵敏度灵敏度 2 u u q C = u u t q q S = 土的抗剪强度及其工程问题(高大 钊) 72 l1. 计算大主应力；计算大主应力； l2. 计算有效的大、小主应力；计算有效的大、小主应力； l3. 分别计算总应力圆和有效应力圆的半径分别计算总应力圆和有效应力圆的半径 和圆心坐标。和圆心坐标。 表 10 三轴试验（测孔隙水压力）资料 / kPa 土样编号 1 2 3 土样编号 1 2 3 3 50 100 150 uf 23 40 67 13

43、f 92 120 164 3= 3 uf 27 60 83 1 142 220 314 1 = 1 uf 119 180 247 13 2 96 160 232 13 2 73 120 165 13 2 46 60 82 13 2 46 60 82 土的抗剪强度及其工程问题(高大 钊) 73 表 11 三轴试验资料分析结果 粘聚力 / kPa 内摩擦角 / 总应力强度指标 ccu = 10 cu = 18 有效应力强度指标 c = 6 = 27 土的抗剪强度及其工程问题(高大 钊) 74 抗剪强度指标的选取 规范 仪器 试验方法 指标处理方法 建筑地基基础设计规范 三轴 不固结不排水 c、分别

44、取标准值 港口工程地基规范 持久情况 短暂情况 直剪 三轴 固结快剪 不固结不排水 考虑 c、 负相关的 简化相关法取平均值 和标准差 上海地基基础设计规范 直剪 固结快剪 峰值打七折 c、分别取平均值 土的抗剪强度及其工程问题(高大 钊) 75 l地基规范已经废除了直剪试验地基规范已经废除了直剪试验 l勘察规范仍可有条件地使用勘察规范仍可有条件地使用 l三次规范修订时对直剪和三轴的说法三次规范修订时对直剪和三轴的说法 l我国面前大面积推广三轴的条件我国面前大面积推广三轴的条件 l如何实现用三轴试验完成剪切试验？如何实现用三轴试验完成剪切试验？ l仪器条件配备一定数量的设备仪器条件配备一定数量

45、的设备 l技术和人员具有一支技术队伍技术和人员具有一支技术队伍 l技术要求少而精技术要求少而精 土的抗剪强度及其工程问题(高大 钊) 76 l1.我们这里做三轴不固结不排水试验都是 先让试样饱和，然后再进行试验，结果 是硬塑至坚硬的土，其抗剪强度也很低 （内聚力c小于30kPa，内摩擦角小于10 度）。不知道是否合理。 土的抗剪强度及其工程问题(高大 钊) 77 l2.建筑地基基础设计规范GB50007- 2002要求土的剪切指标用三轴压缩试验 中的不固结不排水试验确定，对于非饱 和土，在试验前先进行饱和再试验，其 试验结果还能代表实际地层的力学性质 吗？ l3. 不饱和的土比如黄土又如何确定

46、内聚 力c 和 内摩擦角 呢？ l 土的抗剪强度及其工程问题(高大 钊) 78 l 自然界的土不全部都是饱和土，但传统自然界的土不全部都是饱和土，但传统 的土力学却是在饱和土的基础上发展起的土力学却是在饱和土的基础上发展起 来的，非饱和土的土力学还处在发展阶来的，非饱和土的土力学还处在发展阶 段，非饱和土的试验比饱和土更为复杂。段，非饱和土的试验比饱和土更为复杂。 由于理解上的误区和一些规范的规定不由于理解上的误区和一些规范的规定不 合适，引起了人们认识上的混乱，用饱合适，引起了人们认识上的混乱，用饱 和土的试验方法来测定非饱和土的抗剪和土的试验方法来测定非饱和土的抗剪 强度，这怎么能够得到符

47、合实际的指标强度，这怎么能够得到符合实际的指标 呢？呢？ 土的抗剪强度及其工程问题(高大 钊) 79 b fwafaff uuuctan)(tan)(= 式中 c 有效粘聚力； faf u )(破坏面上的净法向应力； af u破坏面上的孔隙气压力； 与净法向应力状态有关的内摩擦角； fwa uu)(破坏面上的基质吸力； b 表示抗剪强度随基质吸力而增加的速率。 土的抗剪强度及其工程问题(高大 钊) 80 l 当土接近饱和时，基质吸力趋向于当土接近饱和时，基质吸力趋向于 零，孔隙水压力接近于孔隙气压力，上零，孔隙水压力接近于孔隙气压力，上 式中的第式中的第3项趋于零，就变为饱和土的抗项趋于零，就变为饱和土的抗 剪强度公式。剪强度公式。 l 如果要得到上述公式中的如果要得到上述公式中的3个抗剪强个抗剪强 度的参数，试验时不仅需要量测孔隙水度的参数