3.3-3.4抗剪强度指标的确定及影响因素

1、 确定土的抗剪强度指标确定土的抗剪强度指标(粘聚力粘聚力c, 内内摩擦角摩擦角)的试验称为的试验称为剪切试验。剪切试验。试验试验室内室内 直剪、三轴直剪、三轴、无侧限、无侧限现场现场 十字板、大型直剪十字板、大型直剪要学会要学会根据实际情况选择根据实际情况选择最合适的最合适的试验方法试验方法1)、仪器：、仪器： 直剪仪直剪仪施施(水平水平)力部分力部分量测部分量测部分剪切部分剪切部分剪切容器与应力环剪切容器与应力环透水石透水石上盒上盒下盒下盒T传压板传压板试样试样2)、试验方法与步骤：、试验方法与步骤： 制样制样安装试样安装试样-测记初始读数测记初始读数-施加施加竖向压力竖向压力-施加水平剪切

2、荷载施加水平剪切荷载终止试验标准终止试验标准-(-(测定剪切后含水率测定剪切后含水率)-)-重复重复3)、试验成果试验成果： i=Pi/A(kPa)100 200 300 400 fi=C Ri /A0(kPa) f1 f2 f3 f4 在不同的垂直压力在不同的垂直压力 下进行剪切试验，得相应的抗下进行剪切试验，得相应的抗剪强度剪强度f，绘制，绘制f - 曲线，得该土的抗剪强度包线曲线，得该土的抗剪强度包线APATf抗剪强度包线抗剪强度包线c-c-粘聚力粘聚力- -内摩擦角内摩擦角相当于峰值点的强度相当于峰值点的强度称为称为峰值强度。峰值强度。相当于应变很大、应相当于应变很大、应力衰减至恒定值

3、时的力衰减至恒定值时的强度称为强度称为残余强度。残余强度。不论是峰值强度还是残余强度，不论是峰值强度还是残余强度，都不是一个固定都不是一个固定不变的数值不变的数值，而是与土的应力状态有关。这是土，而是与土的应力状态有关。这是土区别于其它材料的重要特点之一。区别于其它材料的重要特点之一。直剪试验根据直剪试验根据排水条件排水条件可分为：可分为： 快剪快剪、固结快剪固结快剪和和慢剪慢剪。 快剪试验快剪试验是在试样施加竖向压力后，是在试样施加竖向压力后，立即快速施立即快速施加加水平剪应力使试样剪切破坏。水平剪应力使试样剪切破坏。 固结快剪固结快剪是允许试样在竖向压力下排水，待固结是允许试样在竖向压力下

4、排水，待固结稳定后，再稳定后，再快速施加快速施加水平剪应力使试样剪切破坏。水平剪应力使试样剪切破坏。 慢剪试验慢剪试验是允许试样在竖向压力下排水，待固结是允许试样在竖向压力下排水，待固结稳定后，以稳定后，以缓慢的速率施加缓慢的速率施加水平剪应力使试样剪切水平剪应力使试样剪切破坏。破坏。优点优点：直接剪切仪构造简单，操作方便等。：直接剪切仪构造简单，操作方便等。缺点缺点： 限定的剪切面；限定的剪切面； 剪切面上剪应力分布不均匀；剪切面上剪应力分布不均匀； 在计算抗剪强度时按土样的原截面积在计算抗剪强度时按土样的原截面积计算的；计算的； 试验时不能严格控制排水条件，不能试验时不能严格控制排水条件，

5、不能量测孔隙水压力。量测孔隙水压力。 例：已知某地基土样直剪试验，当例：已知某地基土样直剪试验，当 =100=100、200200、300300、400kPa400kPa时，分别测得时，分别测得 f f=67=67、119119、163163、215kPa215kPa。试问：试问： 1) 1) 该土的抗剪强度指标该土的抗剪强度指标c c、 各为多少？各为多少？ 2) 2) 若地基中某点若地基中某点 3 3 =100=100kPakPa， 1 1 =350kPa=350kPa， 该点是否已剪破？该点是否已剪破？ 3) 3) 若作用在此土中某平面上的法向应力和剪若作用在此土中某平面上的法向应力和剪

6、应力分别为应力分别为350350kPakPa和和150150kPakPa，是否会剪切破坏？是否会剪切破坏？ 解：解：以法向应力以法向应力 为横坐标，抗剪强度为横坐标，抗剪强度 f f为纵坐标，按相同比例将土样的直剪试验结为纵坐标，按相同比例将土样的直剪试验结果标点连线成抗剪强度曲线如图所示，并量果标点连线成抗剪强度曲线如图所示，并量得得粘聚力粘聚力c c=19kPa=19kPa，内摩擦角内摩擦角 =26=26 ( (也可由也可由线性回归求得线性回归求得) )。(kPa) (kPa) f f=C+ tg =26 C=19A(350,150)0100200300400100200300KPactg

7、tg317)22645(2)22645(10021 当当 3=100kPa时，根据式时，根据式(411)可得：可得： 而实际的而实际的 1=350kPa，大于按极限平衡条件所大于按极限平衡条件所求得的求得的 1，故可判断该点已剪切破坏。此外，由，故可判断该点已剪切破坏。此外，由上上图中摩尔圆亦可看出，图中摩尔圆亦可看出， f曲线为摩尔圆的割线。曲线为摩尔圆的割线。或按或按 1=350kPa时，根据式时，根据式(412)可得：可得：KPactgtg113)22645(2)22645(35023 而实际的而实际的 3=100kPa，小于按极限平衡条件小于按极限平衡条件所求得的所求得的 3，故可判断

8、该点已剪切破坏。，故可判断该点已剪切破坏。 当当 =350kPa， =150kPa时，将此值时，将此值标于坐标轴上标于坐标轴上(图中点图中点A)，则可看出则可看出该点在该点在抗剪强度线以下抗剪强度线以下，故该平面不会发生剪切，故该平面不会发生剪切破坏。也可由式破坏。也可由式(46)求得其抗剪强度：求得其抗剪强度：kPakPatgf1501902635019 1、装置：、装置：三轴压缩仪三轴压缩仪压力室压力室轴压系统、侧压系统轴压系统、侧压系统量测系统量测系统 3 3 1 1应变控制式三轴仪：应变控制式三轴仪：n压力室压力室n加压系统加压系统n量测系统量测系统加压和量测系统2、方法步骤：、方法步

9、骤： 试样制备试样制备试样饱和试样饱和试样安装试样安装施加围施加围压压施加竖向压力施加竖向压力测记读数测记读数停止剪切试验停止剪切试验测量破坏试样测量破坏试样重复重复333331=3+11=3+13按剪切前的固结程度和剪切过程中的排水条件按剪切前的固结程度和剪切过程中的排水条件三轴试验可分为三种类型：三轴试验可分为三种类型：1 1、不固结不排水试验（、不固结不排水试验（UUUU）2 2、固结不排水试验（、固结不排水试验（CUCU）3 3、固结排水试验（、固结排水试验（CDCD）（UU） 不变。剪强度有效应力相等，所以抗各试样在剪切破坏前的变化，起土体中的有效应力的压力的变化，而不会引孔隙水周围

10、压力增量只会引起在不排水条件下，改变31f3f131uu 有效应力圆直径与总应力圆直径相等。有效应力圆直径与总应力圆直径相等。 在整个试验过程中，在整个试验过程中，孔隙水压力始终为孔隙水压力始终为0，总，总应力等于有效应力，所以总应力圆就是有效应力圆，应力等于有效应力，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。总应力破坏包线就是有效应力破坏包线。优点：优点：（1 1）可严格控制排水条件）可严格控制排水条件（2 2）可量测孔隙水压力）可量测孔隙水压力（3 3）破裂面在最软弱处）破裂面在最软弱处缺点：缺点：（1 1） 2 2= = 3 3，轴对称？，轴对称？（2 2）实验比较

11、复杂）实验比较复杂 例例：某饱和粘性土试样在三轴压缩仪中进某饱和粘性土试样在三轴压缩仪中进行固结不排水试验，周围压力行固结不排水试验，周围压力 3=100kPa，破坏破坏时时 1=120kPa，实测孔隙水压力实测孔隙水压力uf=40kPa，土土样有效内摩擦角样有效内摩擦角 =27 ，有效粘聚力，有效粘聚力c =6kPa，试计算：试计算： 试件中的最大剪应力试件中的最大剪应力 max； 与水平面夹角为与水平面夹角为58.5 的平面上的法向应的平面上的法向应力和剪应力，并判断该平面是否破坏，为什么？力和剪应力，并判断该平面是否破坏，为什么？ 解：解： 由试验得由试验得 1=100+120=220k

12、Pa，且最大剪应力发生在且最大剪应力发生在 =45 的平面上，故得：的平面上，故得：kPa602/1202/ )(31max 最大剪应力面相应的法向有效应力及最大剪应力面相应的法向有效应力及抗剪强度为：抗剪强度为：kPa1202)40100()40220( max68271206 kPatgf 2cos)(21)(213131 2sin)(2131 当当 =58.5 时，可得该平面法向应力时，可得该平面法向应力 和剪应力和剪应力 为：为：kPa133117cos)100220(21)100220(21 kPa5 .53117sin)100220(21 有效法向应力为有效法向应力为kPauf93

13、40133 抗剪强度抗剪强度 kPatgf4 .5327936 由上计算可见：由上计算可见： 在在 =45 的平面上，虽然剪应力最大，但的平面上，虽然剪应力最大，但其抗剪强度其抗剪强度 f max，故该平面不发生剪切破坏；故该平面不发生剪切破坏；而在而在 =58.5 (即即45 + /2)的平面上，虽然的平面上，虽然 f而发生剪切破坏。而发生剪切破坏。例例4.3问题提出：直剪三种方法问题提出：直剪三种方法 (快剪、固结快快剪、固结快剪、慢剪剪、慢剪)三轴三种方法三轴三种方法 (UU、CU、CD) 粘性土的抗剪强度与剪切条件、试验条件、粘性土的抗剪强度与剪切条件、试验条件、试验方法等有关，试验方

14、法等有关，总应力分析法用总应力抗剪总应力分析法用总应力抗剪强度；有效应力分析法用有效应力抗剪强度。强度；有效应力分析法用有效应力抗剪强度。不同排水条件的试验方法比较不同排水条件的试验方法比较试验方法试验方法 强度指标强度指标剪前剪前剪切过程中剪切过程中孔隙水压力孔隙水压力u的变化的变化适用条件适用条件不固不固结不结不排水排水(UU)快快 剪剪cu, u, cq, qu10正常正常固结固结土土u1=u1+ u 0(不断变化不断变化) 地基为不易排地基为不易排水的饱和软粘土，水的饱和软粘土，建筑物施工速度建筑物施工速度快，以及斜坡的快，以及斜坡的稳定性验算等稳定性验算等试验方法试验方法 强度指标强

15、度指标剪前剪前剪切过程中剪切过程中孔隙水压力孔隙水压力u的变化的变化适用条件适用条件固结不排固结不排水水(CU)固结快剪固结快剪ccu, cu, cc, cu1=0u1= u(不断变化不断变化) 地基已充分固地基已充分固结或建筑物竣工结或建筑物竣工较久，荷载突增，较久，荷载突增，及一般建筑物地及一般建筑物地基的稳定性验算基的稳定性验算固结排水固结排水(CD)慢慢 剪剪cd, d, cs, su1=0任意时刻任意时刻u1= u0 地基容易排水地基容易排水固结，如粘土层固结，如粘土层中夹层，砂性土中夹层，砂性土等，而建筑物施等，而建筑物施工较慢的情况工较慢的情况CD dCdCU cuC CcuUU

16、 u=0Cu fo三轴试验的一个特例三轴试验的一个特例( 3=0)量力环量力环百分表百分表 u=0 Cuqu加压加压框架框架升降升降螺杆螺杆试件试件手轮手轮(a)(b)无侧限无侧限压缩仪压缩仪 3=0 只能得一个摩尔圆只能得一个摩尔圆对于饱和粘性土，由于对于饱和粘性土，由于 u=02uufqC 则(420)式中：式中：Cu 土的不排水抗剪强度土的不排水抗剪强度(kPa)； qu 无侧限抗压强度无侧限抗压强度(kPa)。原位测试，适宜不能保持原形的软粘土。原位测试，适宜不能保持原形的软粘土。ffDDDDHM 34222 fDDH 2)62( (421)扭转力矩扭转力矩轴杆轴杆十字板十字板90 D

17、H式中：式中：H, D 分别为十字板的高度和直径分别为十字板的高度和直径(m，常用十字板常用十字板H/D=2)； f 土的十字板抗剪强度土的十字板抗剪强度(假定土的假定土的强度为各向相同，强度为各向相同，kPa)。(422)2)3/(2DDHMf 1 无粘性土无粘性土摩擦强度摩擦强度（摩擦力）包括（摩擦力）包括滑动摩擦滑动摩擦和和咬合摩擦咬合摩擦v滑动摩擦滑动摩擦存在于颗粒表面间，土粒发生相对存在于颗粒表面间，土粒发生相对移动所产生的摩擦。移动所产生的摩擦。v咬合摩擦咬合摩擦是指相邻颗粒对于相对移动的约束是指相邻颗粒对于相对移动的约束作用。作用。2 粘性土粘性土粘性土的抗剪强度包括粘性土的抗剪强度包括内摩擦力内摩擦力粘聚力粘聚力 根据库仑公式知：土的抗剪强度与根据库仑公式知：土的抗剪强度与法法向压力向压力、土的内摩擦角土的内摩擦角和和土的粘聚力土的粘聚力三者三者有关。有关。 影响抗剪强度的因素可归纳为两类：影响抗剪强度的因素可归纳为两类：1 土的物理化学性质的影响土的物理化学性质的影响 矿物成分矿物成分