第5章土的抗剪强度理论

1、 5 土的抗剪强度土的抗剪强度土的抗剪强度教师：曾铃教师：曾铃 5 土的抗剪强度5.1 5.1 概述概述5.2 5.2 土的强度理论土的强度理论5.3 5.3 土的强度强度指标测定土的强度强度指标测定5.4 5.4 孔隙水压力系数孔隙水压力系数5.5 5.5 土的抗剪强度特征土的抗剪强度特征5.6 5.6 工程实例与分析工程实例与分析5.7 5.7 应力路径应力路径 5 土的抗剪强度土坡滑动土坡滑动滑裂面滑裂面一、建筑物地基和土工构筑物一、建筑物地基和土工构筑物的破坏大多数属于剪切破坏的破坏大多数属于剪切破坏1. 1. 路堤滑坡就是路堤滑坡就是路堤边坡上的一部路堤边坡上的一部分相对于路堤放生分

2、相对于路堤放生剪切破坏剪切破坏5.1 5.1 概述概述 5 土的抗剪强度地基失稳地基失稳p滑动面滑动面2. 2. 土体中滑动面的产生就是由与滑动面上土体中滑动面的产生就是由与滑动面上的剪应力达到土的剪切强度说引起的的剪应力达到土的剪切强度说引起的5.1 5.1 概述概述一旦发生滑动破坏，这些面的两侧土体就产生很一旦发生滑动破坏，这些面的两侧土体就产生很大的相对位移，故称之为滑动面或破坏面大的相对位移，故称之为滑动面或破坏面原地面原地面 6 土的抗剪强度3. 3. 挡土墙的滑动挡土墙的滑动5.1 5.1 概述概述滑动面滑动面挡土墙、地下结构等的周围土体，它的强度破坏挡土墙、地下结构等的周围土体，

3、它的强度破坏将造成对墙体过大的侧向压力，可能导致这些工将造成对墙体过大的侧向压力，可能导致这些工程构筑物发生滑动、倾覆等破坏事故。程构筑物发生滑动、倾覆等破坏事故。 5 土的抗剪强度5.1 5.1 概述概述土体对于外荷载所产生的剪应力的极限抵土体对于外荷载所产生的剪应力的极限抵抗能力，是土的主要力学性质之一抗能力，是土的主要力学性质之一土是否达到剪切破坏状态，除了决定于它本身的土是否达到剪切破坏状态，除了决定于它本身的基本性质（土的组成、土的状态和土的结构）外，基本性质（土的组成、土的状态和土的结构）外，还与所受的应力组合密切相关。这种破坏时的应还与所受的应力组合密切相关。这种破坏时的应力组合

4、关系就成为破坏准则。力组合关系就成为破坏准则。土的抗剪强度土的抗剪强度核心强度理论研究土的强度特性研究土的强度特性, 就是研究土的就是研究土的抗剪强度抗剪强度特性特性 5 土的抗剪强度p土坡稳定土坡稳定p建筑物地基承载建筑物地基承载力力p土压力土压力p路堤、土坝及自然边路堤、土坝及自然边坡稳定性问题坡稳定性问题p地基的破坏地基的破坏p挡土墙、地下结构等挡土墙、地下结构等产生过大的侧向压力产生过大的侧向压力二、与土剪切强度直接有关的工程问题二、与土剪切强度直接有关的工程问题5.1 5.1 概述概述 5 土的抗剪强度5.1 5.1 概述概述5.2 5.2 土的强度理论土的强度理论5.3 5.3 土

5、的强度强度指标测定土的强度强度指标测定5.4 5.4 孔隙水压力系数孔隙水压力系数5.5 5.5 土的抗剪强度特征土的抗剪强度特征5.6 5.6 工程实例与分析工程实例与分析5.7 5.7 应力路径应力路径 5 土的抗剪强度5.2 5.2 土的抗剪强度理论土的抗剪强度理论一、库仑定律一、库仑定律- -土的强度规律土的强度规律二、摩尔二、摩尔- -库仑库仑- -强度理论强度理论三、摩尔三、摩尔- -库仑破坏准则库仑破坏准则- -土的极限平衡条件土的极限平衡条件5.25.2土的强度理论土的强度理论 5 土的抗剪强度 土体发生剪切破坏时，沿其内部某一滑动面发生相对滑土体发生剪切破坏时，沿其内部某一滑

6、动面发生相对滑动，而该滑动面上的剪应力就等于土的抗剪强度。动，而该滑动面上的剪应力就等于土的抗剪强度。一、库仑定律一、库仑定律- -土的强度规律土的强度规律1 1、总应力库伦定律与抗剪强度指标、总应力库伦定律与抗剪强度指标 1776年，法国学者库伦通过一系列沙土的试验结果，年，法国学者库伦通过一系列沙土的试验结果，如下图所示：如下图所示： f = tan /kPa fkPa沙土沙土5.25.2土的强度理论土的强度理论 5 土的抗剪强度后来根据后来根据粘性土粘性土剪切试验进一步提出了更为普遍的粘性土的抗剪剪切试验进一步提出了更为普遍的粘性土的抗剪强度表达式强度表达式:库伦提出了：库伦提出了：土的

7、抗剪强度是剪切面上法向总应力土的抗剪强度是剪切面上法向总应力 的函数的函数, 即即: tanftanfc f =c+ tan 粘土粘土 /kPa fkPa5.25.2土的强度理论土的强度理论对于砂土，粘聚力对于砂土，粘聚力c =0=0，所以我们可以将上述两个式子统一。，所以我们可以将上述两个式子统一。 5 土的抗剪强度2 2、土的剪切强度构成与影响因素、土的剪切强度构成与影响因素无粘性土的抗剪强度由土粒间无粘性土的抗剪强度由土粒间摩擦阻力所产生摩擦阻力所产生粘性土的抗剪强度包括内摩擦粘性土的抗剪强度包括内摩擦阻力和粘聚力两个部分阻力和粘聚力两个部分5.25.2土的强度理论土的强度理论NTNT=

8、 NT 5 土的抗剪强度内摩擦力：内摩擦力： 土粒之间的表面摩擦力和土粒之间的连土粒之间的表面摩擦力和土粒之间的连锁作用而产生的咬合力锁作用而产生的咬合力. .粘聚力：粘聚力：原始粘聚力原始粘聚力固化粘聚力固化粘聚力毛细粘聚力毛细粘聚力5.25.2土的强度理论土的强度理论 5 土的抗剪强度应该指出：应该指出：土的土的c、 实际上只是表达关系试验成果的两个数学参实际上只是表达关系试验成果的两个数学参数，从物理意义上来说，在不同的法向应力作用下，数，从物理意义上来说，在不同的法向应力作用下，土的粘聚力也不可能是常数。土的粘聚力也不可能是常数。5.25.2土的强度理论土的强度理论排水条件（最重要）排

9、水条件（最重要）剪切速率剪切速率应力状态应力状态应力历史应力历史土的抗剪强度土的抗剪强度 5 土的抗剪强度 f 随剪切面上所受的法向应力随剪切面上所受的法向应力而变，这就是土区别而变，这就是土区别于其他许多建筑材料的一个重要特征。于其他许多建筑材料的一个重要特征。提问：对于某一种土来说，其抗剪强度提问：对于某一种土来说，其抗剪强度f 也相同吗？也相同吗？f 不仅与土粒的大小、形状、级配、紧密程度、矿物不仅与土粒的大小、形状、级配、紧密程度、矿物成分和含水量等因素有关，而且还与土受剪时的排水条件、成分和含水量等因素有关，而且还与土受剪时的排水条件、剪切速率等外界环境条件有关。剪切速率等外界环境条

10、件有关。5.25.2土的强度理论土的强度理论 5 土的抗剪强度3 3、有效应力的库伦定律与有效应力抗剪强度指标、有效应力的库伦定律与有效应力抗剪强度指标 由于有效应力原理的发展，人们认识到只有有效应力的由于有效应力原理的发展，人们认识到只有有效应力的变化才能引起强度的变化，因此上述库伦公式改写成：变化才能引起强度的变化，因此上述库伦公式改写成：tan ()tanfccu其中：其中：c土的有效粘聚力（土的有效粘聚力（kPa） 土的有效内摩擦角（土的有效内摩擦角（） f 剪切破裂面上的剪应力，即土的剪切强度（剪切破裂面上的剪应力，即土的剪切强度（kPa） 作用在剪切滑动面上的有效法向应力（作用在剪

11、切滑动面上的有效法向应力（kPa） u 土中的超静孔隙水压力土中的超静孔隙水压力（kPa）5.25.2土的强度理论土的强度理论 5 土的抗剪强度5.25.2土的强度理论土的强度理论 目前，在土力学中被广泛采用的是以摩尔第三强度理论目前，在土力学中被广泛采用的是以摩尔第三强度理论即最大剪应力理论为基础，结合库伦定律建立的摩尔即最大剪应力理论为基础，结合库伦定律建立的摩尔库伦库伦强度理论。强度理论。摩尔在库伦研究基础上于摩尔在库伦研究基础上于1910年提出：年提出： 材料的破坏时剪切破坏的理论材料的破坏时剪切破坏的理论 当材料中任何一个面上的剪应力等于材料的抗剪强度时，该面当材料中任何一个面上的剪

12、应力等于材料的抗剪强度时，该面便被破坏便被破坏 在破裂面上的法向应力在破裂面上的法向应力与抗剪强度与抗剪强度f 之间存在着函数关系，之间存在着函数关系，即：即：=( )ff 二、摩尔二、摩尔- -库伦强度理论库伦强度理论 5 土的抗剪强度5.25.2土的强度理论土的强度理论 上述公式在坐标系中是一条向上略凸的曲线，称为摩尔上述公式在坐标系中是一条向上略凸的曲线，称为摩尔包络线，或称为抗剪强度包线，如下图所示：包络线，或称为抗剪强度包线，如下图所示： f = tan /kPa fkPa摩尔包线摩尔包线 5 土的抗剪强度5.25.2土的强度理论土的强度理论A点，它表明在该法向应力下，该面上的剪应力

13、小于土的抗剪强度，点，它表明在该法向应力下，该面上的剪应力小于土的抗剪强度，土体不会沿该面发生剪切破坏。土体不会沿该面发生剪切破坏。B点，表明该面上的剪应力等于土的抗剪强度，土单元体处于临界点，表明该面上的剪应力等于土的抗剪强度，土单元体处于临界破坏状态。破坏状态。C点，表明该面上的剪应力大于土的抗剪强度，土体已破坏。点，表明该面上的剪应力大于土的抗剪强度，土体已破坏。分析上图可知：分析上图可知： 5 土的抗剪强度5.25.2土的强度理论土的强度理论综上所述，摩尔综上所述，摩尔库伦关于土的抗剪强度理论归纳为一下几点，如下图所示：库伦关于土的抗剪强度理论归纳为一下几点，如下图所示： 土的抗剪强度

14、随剪切面上法向应力的大小而变化土的抗剪强度随剪切面上法向应力的大小而变化 土的剪切破坏只有在土的摩尔园与库伦定律所表达的抗剪强土的剪切破坏只有在土的摩尔园与库伦定律所表达的抗剪强度线相切是方能发生度线相切是方能发生 土的剪切破坏面的方向与大主应力作用面的夹角为土的剪切破坏面的方向与大主应力作用面的夹角为45+/2 按摩尔按摩尔库伦理论，未考虑中主应力库伦理论，未考虑中主应力2 对抗剪强度影响对抗剪强度影响临界破坏时的摩尔圆与强度包线临界破坏时的摩尔圆与强度包线 5 土的抗剪强度三、摩尔三、摩尔- -库伦破坏准则库伦破坏准则土的极限平衡条件土的极限平衡条件1 1、土体中任意一点的应力状态、土体中

15、任意一点的应力状态 当土体中任意一点的剪应力当土体中任意一点的剪应力达到土的抗剪强度达到土的抗剪强度f 时，土体会发生时，土体会发生剪切破坏。剪切破坏。通过叠加原理，从材料力学应力状态分析可知：通过叠加原理，从材料力学应力状态分析可知：()2-2421xzzxxz3 + + += =-=-112tan2xzzx5.25.2土的强度理论土的强度理论 5 土的抗剪强度5.25.2土的强度理论土的强度理论三、摩尔三、摩尔- -库伦破坏准则库伦破坏准则土的极限平衡条件土的极限平衡条件取微元体的上三角为隔离体，如下图所示：取微元体的上三角为隔离体，如下图所示：根据静力平衡条件得：根据静力平衡条件得：-+

16、=-=31d sind sind cos0d cosd cosd sin0ssssss联立求解以上方程：联立求解以上方程：=+-=-13131311()()cos 2221()sin 22 5 土的抗剪强度 由材料力学可知，以上的由材料力学可知，以上的 ，与与 1， 3之间的关系也可以用迎来摩尔之间的关系也可以用迎来摩尔圆来表示，如图所示：圆来表示，如图所示： 摩尔圆可以表示土体中摩尔圆可以表示土体中一点的应力状态，摩尔圆一点的应力状态，摩尔圆圆周上各点的坐标就表示圆周上各点的坐标就表示该点在相应平面上的正应该点在相应平面上的正应力力和剪应力和剪应力。5.25.2土的强度理论土的强度理论 5

17、土的抗剪强度三、摩尔三、摩尔- -库伦破坏准则库伦破坏准则土的极限平衡条件土的极限平衡条件2 2、土的平衡状态、土的平衡状态 如果给定土的抗剪强度参数如果给定土的抗剪强度参数c和和，以及土中某一点的应力状态，则，以及土中某一点的应力状态，则可将抗剪强度包线和摩尔应力圆画在同一坐标图上，如下图所示：可将抗剪强度包线和摩尔应力圆画在同一坐标图上，如下图所示：5.25.2土的强度理论土的强度理论 5 土的抗剪强度摩尔圆在与抗剪强度包线的关系有一下三种情况：摩尔圆在与抗剪强度包线的关系有一下三种情况：整个摩尔圆位于抗剪强度包线的下方（圆整个摩尔圆位于抗剪强度包线的下方（圆I I）表明通过该点任意平面上

18、的剪应力都小于相应面上的抗剪强度，故该点表明通过该点任意平面上的剪应力都小于相应面上的抗剪强度，故该点没有发生剪切破坏，而处于稳定平衡状态。没有发生剪切破坏，而处于稳定平衡状态。摩尔圆与抗剪强度包线相切（圆摩尔圆与抗剪强度包线相切（圆IIII）表明剪应力正好等于相应面上的抗剪强度，因此该点处于极限平衡状态。表明剪应力正好等于相应面上的抗剪强度，因此该点处于极限平衡状态。抗剪强度包线是摩尔圆的一条割线（圆抗剪强度包线是摩尔圆的一条割线（圆IIIIII）表明该点某些平面上的剪应力已经超过了相应面的抗剪强度，故该点早表明该点某些平面上的剪应力已经超过了相应面的抗剪强度，故该点早就破坏，实际上这种情况

19、是不可能出现的，因为该点任何方向上的剪应就破坏，实际上这种情况是不可能出现的，因为该点任何方向上的剪应力都不可能超过土的抗剪强度。力都不可能超过土的抗剪强度。5.25.2土的强度理论土的强度理论 5 土的抗剪强度5.1 5.1 概述概述5.2 5.2 土的强度理论土的强度理论5.3 5.3 土的强度强度指标测定土的强度强度指标测定5.4 5.4 孔隙水压力系数孔隙水压力系数5.5 5.5 土的抗剪强度特征土的抗剪强度特征5.6 5.6 工程实例与分析工程实例与分析5.7 5.7 应力路径应力路径 5 土的抗剪强度现场剪切试验现场剪切试验室内剪切试验室内剪切试验5.3 5.3 土的抗剪强度指标测

20、定土的抗剪强度指标测定十字板剪切试验十字板剪切试验直剪试验直剪试验三轴压缩试验三轴压缩试验无侧限抗压试验无侧限抗压试验单剪试验单剪试验5.3 5.3 抗剪强度测定试验抗剪强度测定试验 5 土的抗剪强度5.35.3土的抗剪强度指标的试验方法土的抗剪强度指标的试验方法一、直接剪切试验一、直接剪切试验二、三轴剪切试验二、三轴剪切试验三、无侧限抗压强度试验三、无侧限抗压强度试验四、十字板剪切试验四、十字板剪切试验5.3 5.3 抗剪强度测定试验抗剪强度测定试验 5 土的抗剪强度一、一、 直剪试验直剪试验5.3 5.3 抗剪强度测定试验抗剪强度测定试验1.1.直剪试验仪器直剪试验仪器我国目前普遍采用的是

21、应变控我国目前普遍采用的是应变控制式直剪仪，如图所示，制式直剪仪，如图所示， 直剪试验所用的仪器是直剪仪，按加载方式的不同，直剪仪直剪试验所用的仪器是直剪仪，按加载方式的不同，直剪仪可分为应变控制式和应力控制式两种。前者是以等速水平推动式可分为应变控制式和应力控制式两种。前者是以等速水平推动式样产生位移并测定相应的剪应力，后者是对式样分级施加水平剪样产生位移并测定相应的剪应力，后者是对式样分级施加水平剪应力，同时测定相应的位移。应力，同时测定相应的位移。 5 土的抗剪强度一、一、 直剪试验直剪试验5.3 5.3 抗剪强度测定试验抗剪强度测定试验2.2.直剪试验基本原理直剪试验基本原理 直剪试验

22、通常采用等速剪应变的试验方法称为应变控制剪切，直剪试验通常采用等速剪应变的试验方法称为应变控制剪切，以以0.08mm/min的剪切速度进行剪切，在剪切过程中，每隔一定的剪切速度进行剪切，在剪切过程中，每隔一定值的剪变形增量测读一次所增加的水平推力的大小，计算施加于值的剪变形增量测读一次所增加的水平推力的大小，计算施加于式样截面上的剪应力值，直至剪切破坏。以剪应力为纵坐标，剪式样截面上的剪应力值，直至剪切破坏。以剪应力为纵坐标，剪应变为横坐标，绘制剪应力应变为横坐标，绘制剪应力-剪应变关系曲线。如下图所示：剪应变关系曲线。如下图所示： 5 土的抗剪强度5.3 5.3 抗剪强度测定试验抗剪强度测定

23、试验3.3.直剪试验方法分类直剪试验方法分类 通常采用不同加荷速率的试验方法来近似模拟土体在受剪通常采用不同加荷速率的试验方法来近似模拟土体在受剪时的不同排水条件，由此产生了三种不同的直剪试验方法：时的不同排水条件，由此产生了三种不同的直剪试验方法：1. 慢剪慢剪 施加正应力施加正应力-充分固结充分固结 慢慢施加剪应力慢慢施加剪应力-小于小于0.02mm/分，以保证无超静孔压分，以保证无超静孔压 得到的抗剪强度指标用得到的抗剪强度指标用cs、 s表示表示2. 固结快剪固结快剪 施加正应力施加正应力-充分固结充分固结 在在3-5分钟内剪切破坏分钟内剪切破坏 得到的抗剪强度指标用得到的抗剪强度指标

24、用ccq、 cq表示表示3. 快剪快剪 施加正应力后施加正应力后 立即剪切立即剪切3-5分钟内剪切破坏分钟内剪切破坏 得到的抗剪强度指标用得到的抗剪强度指标用cq、 q表示表示 5 土的抗剪强度5.3 5.3 抗剪强度测定试验抗剪强度测定试验4.4.直剪试验的优缺点分析直剪试验的优缺点分析优点：优点：直剪仪构造简单，操作方便。直剪仪构造简单，操作方便。 缺点：缺点： 剪切面限定在上下盒之间的平面，而不是沿土样最薄弱面剪剪切面限定在上下盒之间的平面，而不是沿土样最薄弱面剪切破坏。切破坏。 剪切面上剪应力分布不均匀，土样剪切破坏先从边缘开始，剪切面上剪应力分布不均匀，土样剪切破坏先从边缘开始，在边

25、缘发生应力集中现象。在边缘发生应力集中现象。 剪切过程中，土样剪切面逐渐缩小，而计算抗剪强度时却按剪切过程中，土样剪切面逐渐缩小，而计算抗剪强度时却按土样的原截面积计算的。土样的原截面积计算的。 试验时不能严格控制排水条件，不能测量孔隙水压力。试验时不能严格控制排水条件，不能测量孔隙水压力。 5 土的抗剪强度5.35.3土的抗剪强度指标的试验方法土的抗剪强度指标的试验方法一、直剪试验一、直剪试验二、三轴压缩试验二、三轴压缩试验三、无侧限抗压强度试验三、无侧限抗压强度试验四、十字板剪切试验四、十字板剪切试验五、应力路径概念五、应力路径概念5.3 5.3 抗剪强度测定试验抗剪强度测定试验 5 土的

26、抗剪强度二、三轴试验二、三轴试验5.3 5.3 抗剪强度测定试验抗剪强度测定试验 三轴剪切试验，又称三轴压缩试验，是室内测定土的抗剪强度的三轴剪切试验，又称三轴压缩试验，是室内测定土的抗剪强度的一种较为完整的试验方法。通常采用一种较为完整的试验方法。通常采用3-4个圆柱形式样，分别在不同的个圆柱形式样，分别在不同的周围压力下测得土的抗剪强度周围压力下测得土的抗剪强度 三轴剪切试验所采用的三轴剪切试验所采用的仪器可分为应变控制仪和应仪器可分为应变控制仪和应力控制仪。力控制仪。1调压筒；调压筒；2周围压力表；周围压力表；3周围压力周围压力阀；阀；4排水阀；排水阀；5体变管；体变管；6排水管；排水管

27、；7变形量表；变形量表； 8量力环；量力环；9排气孔；排气孔；10轴向加压设备；轴向加压设备；11压力室；压力室；12量管量管阀；阀；13零位指示器；零位指示器；14孔隙压力表；孔隙压力表；15量管；量管；16孔隙压力阀；孔隙压力阀；17离合器；离合器；18手轮；手轮；19马达；马达；20变速箱变速箱1.1.三轴剪切试验仪器三轴剪切试验仪器 5 土的抗剪强度压力室压力室加压系统加压系统5.3 5.3 抗剪强度测定试验抗剪强度测定试验压力室压力室加压系统加压系统压力室压力室加压系统加压系统压力室压力室应变控制式三轴仪应变控制式三轴仪加压系统加压系统压力室压力室量测系统量测系统 目前室内采目前室内

28、采用的是应变控制用的是应变控制式三轴仪，主要式三轴仪，主要由：由：主机主机稳压调压系统稳压调压系统量测系统量测系统 5 土的抗剪强度试样试样压力室压力室压力水压力水排水管排水管阀门阀门轴向加压杆轴向加压杆有机玻有机玻璃罩璃罩橡皮膜橡皮膜透水石透水石顶帽顶帽5.3 5.3 抗剪强度测定试验抗剪强度测定试验 5 土的抗剪强度方法：方法：首先试样施加静水压力首先试样施加静水压力室压（围压）室压（围压） 1 1= = 2 2= = 3 3=const=const； 然后通过活塞杆施加的是应力差然后通过活塞杆施加的是应力差 1 1= = 1 1- - 3 3 。 2 2、三轴试验的基本原理、三轴试验的基

29、本原理特点：特点：试样是轴对称应力状态。垂直应力试样是轴对称应力状态。垂直应力 z z一般是一般是大主应力；径向与切向应力总是相等大主应力；径向与切向应力总是相等 r r= = ，亦即亦即 1 1= = z z； 2 2= = 3 3= = r r3 3 13 3 5.3 5.3 抗剪强度测定试验抗剪强度测定试验 5 土的抗剪强度 1 1- 3 1 =15%5.3 5.3 抗剪强度测定试验抗剪强度测定试验 以主应力差为纵坐标，轴向应变为横坐标，绘制主应力差与轴以主应力差为纵坐标，轴向应变为横坐标，绘制主应力差与轴向应变关系曲线，如下图，取曲线上主应力差的峰值作为破坏点，向应变关系曲线，如下图，

30、取曲线上主应力差的峰值作为破坏点，无峰值时，去无峰值时，去15%轴向应变时的主应力差值作为破坏点。轴向应变时的主应力差值作为破坏点。 5 土的抗剪强度v用同一土样分别作一系列围压用同一土样分别作一系列围压 a ， b ， c 的三轴试验，则可得的三轴试验，则可得到一组摩尔极限应力圆，如图所示，圆到一组摩尔极限应力圆，如图所示，圆a，圆，圆b，圆，圆c作一条公切作一条公切线，这条线就是土的抗剪强度包线，线，这条线就是土的抗剪强度包线，得到强度指标得到强度指标 c 与与 。5.3 5.3 抗剪强度测定试验抗剪强度测定试验 5 土的抗剪强度v固结排水试验（CDCD试验）1 打开排水阀门，打开排水阀门

31、，施加围压施加围压 后充分固结，超静孔隙水压力完全消散；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打开排水阀门，慢慢施加轴向应力差 以便充分排水，避免产以便充分排水，避免产生超静孔压生超静孔压v固结不排水试验（CUCU试验）1 打开排水阀门，打开排水阀门，施加围压施加围压 后充分固结，超静孔隙水压力完全消散；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 过程中不排水过程中不排水cd 、 d ccu 、 cu cu 、 u 3 3、三轴试验方法、三轴试验方法5.3 5.3 抗剪强度测

32、定试验抗剪强度测定试验v不固结不排水试验（UUUU试验）1 关闭排水阀门，关闭排水阀门，围压围压 下不固结；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 过程中不排过程中不排水水 5 土的抗剪强度 饱和粘性土不同排水条件下的抗剪强度指标饱和粘性土不同排水条件下的抗剪强度指标1. 不固结不排水剪不固结不排水剪(UU) u三轴：三轴： 试样在施加周围压力试样在施加周围压力 3和随后施加和随后施加轴向压力轴向压力 直至剪切破坏的整个直至剪切破坏的整个过程中都关闭排水阀门过程中都关闭排水阀门, 不允许试不允许试样排水固结。样排水固结。 u直剪：

33、直剪： 试样上下两面放不透水薄片试样上下两面放不透水薄片, 以较以较快速度快速度(35min)剪破。剪破。 3 3 3 3 3 3 关闭关闭排水阀排水阀特点：特点：试验过程中试样含水量和体积保持不变试验过程中试样含水量和体积保持不变, 加压过程中只引起试加压过程中只引起试样的孔隙水压力变化样的孔隙水压力变化, 而有效应力不变而有效应力不变, 故抗剪强度亦不变。故抗剪强度亦不变。5.3 5.3 抗剪强度测定试验抗剪强度测定试验 5 土的抗剪强度 3 3 3 3 3 3 有效应力圆有效应力圆总应力圆总应力圆 u=0BCcu uAA 3A 1A 饱和粘性土的不排水剪试验饱和粘性土的不排水剪试验, 尽

34、管三个主应力不同尽管三个主应力不同, 但但破坏时的主应力差相等破坏时的主应力差相等, 即三个极限应力圆即三个极限应力圆A、B、C直径直径相等相等, 故强度包线为一条水平线。若采用有效应力表示故强度包线为一条水平线。若采用有效应力表示, 则则三个试样只能得到一个应力圆三个试样只能得到一个应力圆, 因此因此不排水剪试验不排水剪试验一般只一般只用于测定饱和土的不排水强度。用于测定饱和土的不排水强度。5.3 5.3 抗剪强度测定试验抗剪强度测定试验 5 土的抗剪强度2. 固结不排水剪固结不排水剪(CU) 3 3 3 3 3 3 打开打开排排水阀水阀关闭关闭排水阀排水阀u三轴：三轴： 试样在施加周围压力

35、试样在施加周围压力 3时打开排水时打开排水阀门阀门, 让试样排水固结让试样排水固结, 孔隙水压力孔隙水压力完全消散完全消散, 再关闭排水阀门再关闭排水阀门, 施加轴施加轴向压力向压力 直至剪切破坏。使试样直至剪切破坏。使试样在不排水条件下剪切破坏。在不排水条件下剪切破坏。u直剪：直剪： 施加垂直压力后施加垂直压力后, 使试样充分排水使试样充分排水固结固结, 再以较快速度再以较快速度(35min, 剪切剪切过程中不再排水过程中不再排水)剪破。剪破。特点：特点：固结过程中试样含水量和体积减小固结过程中试样含水量和体积减小, 剪切过程中保持不变剪切过程中保持不变, 只只是孔隙水压力改变是孔隙水压力改

36、变, 破坏时孔隙水压力完全由试样受剪引起。破坏时孔隙水压力完全由试样受剪引起。5.3 5.3 抗剪强度测定试验抗剪强度测定试验 5 土的抗剪强度 3 3 3 3 3 3 饱和粘性土的固结不排水剪试验，可得到三个不同饱和粘性土的固结不排水剪试验，可得到三个不同 3作用下破坏时的总应力圆作用下破坏时的总应力圆A、B、C，绘制总应力圆的强度，绘制总应力圆的强度包线包线, 可确定固结不排水剪总应力强度指标可确定固结不排水剪总应力强度指标ccu、 cu。将总。将总应力圆在水平轴上左移应力圆在水平轴上左移uf得到相应的有效应力圆得到相应的有效应力圆, 按有效按有效应力圆强度包线可确定应力圆强度包线可确定c

37、 、 。 ccuc cu ABC5.3 5.3 抗剪强度测定试验抗剪强度测定试验 5 土的抗剪强度3. 固结排水剪固结排水剪(CD) 3 3 3 3 3 3 打开打开排水阀排水阀u三轴：三轴： 试样在施加周围压力试样在施加周围压力 3时打开排水时打开排水阀门阀门, 让试样排水固结让试样排水固结, 待固结稳定待固结稳定后后, 再在排水条件下施加轴向压力再在排水条件下施加轴向压力 直至剪切破坏。直至剪切破坏。u直剪：直剪： 施加垂直压力后施加垂直压力后, 使试样充分排水使试样充分排水固结固结, 再以尽可能慢的速度再以尽可能慢的速度(剪切过剪切过程中充分排水程中充分排水)剪破。剪破。特点：特点：整个

38、试验过程中始终打开排水阀门整个试验过程中始终打开排水阀门, 让试样充分排水固结让试样充分排水固结, 保保持孔隙水压力为零持孔隙水压力为零, 有效应力等于总应力。有效应力等于总应力。5.3 5.3 抗剪强度测定试验抗剪强度测定试验 5 土的抗剪强度 cd d 3 3 3 3 3 3 饱和粘性土的固结排水剪试验饱和粘性土的固结排水剪试验, 同样可得三个不同同样可得三个不同 3作用下破坏时的总应力圆作用下破坏时的总应力圆A、B、C。但由于整个试验过程。但由于整个试验过程中中uf =0, 总应力全部转化为有效应力总应力全部转化为有效应力, 故总应力圆即为有效故总应力圆即为有效应力圆应力圆, 总应力强度

39、包线即为有效应力强度包线。强度指总应力强度包线即为有效应力强度包线。强度指标为标为cd =c 、 d = 。5.3 5.3 抗剪强度测定试验抗剪强度测定试验 5 土的抗剪强度对同一种土对同一种土, 若以总应力表示若以总应力表示, 其试验结果完全不同其试验结果完全不同, 且且 d cu u(=0); 而以有效应力表示而以有效应力表示, 则不论哪种试验方法则不论哪种试验方法, 其破其破坏包线近似一条坏包线近似一条, 即即抗剪强度与有效应力有唯一的对应关系抗剪强度与有效应力有唯一的对应关系三种试验结果比较三种试验结果比较 5 土的抗剪强度4 4、三轴试验的孔隙水压力、三轴试验的孔隙水压力5.3 5.

40、3 抗剪强度测定试验抗剪强度测定试验 不同剪切试验方法，剪切前与剪切过程中土样的含水量和孔隙水压不同剪切试验方法，剪切前与剪切过程中土样的含水量和孔隙水压力变化情况如表所示：力变化情况如表所示： 5 土的抗剪强度5 5、三轴试验成果整理、三轴试验成果整理5.3 5.3 抗剪强度测定试验抗剪强度测定试验 三轴成果可分别采用总应力法和有效应力法进行整理：三轴成果可分别采用总应力法和有效应力法进行整理：总应力法：总应力法：只考虑总应力大小而不考虑孔隙水压力影响的方法只考虑总应力大小而不考虑孔隙水压力影响的方法总应力指标：总应力指标：用总应力大小整理得出的强度指标称为总指标用总应力大小整理得出的强度指

41、标称为总指标c，有效应力法：有效应力法：在抗剪强度包络线图中的横坐标采用有效应力在抗剪强度包络线图中的横坐标采用有效应力表示表示称为有效应力法称为有效应力法有效应力指标：有效应力指标：用有效应力大小整理表达出来的强度指标称为有效用有效应力大小整理表达出来的强度指标称为有效应力指标应力指标c， 5 土的抗剪强度v优点：1 能严格的控制排水条件，并能准确测定土样在剪切过程能严格的控制排水条件，并能准确测定土样在剪切过程中孔隙水压力的变化；中孔隙水压力的变化；2 式样的应力状态比较明确，应力分布比较均匀，剪切破式样的应力状态比较明确，应力分布比较均匀，剪切破坏面在式样的最薄弱处；坏面在式样的最薄弱处

42、；3 三轴试验的结果还是比较靠谱的，因此常规三轴剪切仪三轴试验的结果还是比较靠谱的，因此常规三轴剪切仪是土工试验不可缺失的仪器设备；是土工试验不可缺失的仪器设备；4能定量地获的土中有效应力的变化情况。能定量地获的土中有效应力的变化情况。6 6、三轴试验的优缺点分析、三轴试验的优缺点分析5.3 5.3 抗剪强度测定试验抗剪强度测定试验 5 土的抗剪强度v缺点：1 三轴试样样制备工作比较麻烦，易受扰动；三轴试样样制备工作比较麻烦，易受扰动；2 仪器设备和试验操作比较复杂；仪器设备和试验操作比较复杂；3 常规三轴试验中的土样受的力属轴对称应力状态，其成常规三轴试验中的土样受的力属轴对称应力状态，其成

43、果应用到平面应变问题有不符之处；果应用到平面应变问题有不符之处；4 试样两端受刚性压板的约束影响；试样两端受刚性压板的约束影响；5 对成层土的试验成果影响较大。对成层土的试验成果影响较大。6 6、三轴试验的优缺点分析、三轴试验的优缺点分析5.3 5.3 抗剪强度测定试验抗剪强度测定试验 5 土的抗剪强度5.35.3土的抗剪强度指标的试验方法土的抗剪强度指标的试验方法一、直剪试验一、直剪试验二、三轴压缩试验二、三轴压缩试验三、无侧限抗压强度试验三、无侧限抗压强度试验四、十字板剪切试验四、十字板剪切试验五、应力路径概念五、应力路径概念5.3 5.3 抗剪强度测定试验抗剪强度测定试验 5 土的抗剪强

44、度5.3 5.3 抗剪强度测定试验抗剪强度测定试验三、无侧限抗压强度试验三、无侧限抗压强度试验1、基本原理、基本原理 无侧限抗压强度试验所使用的无侧限抗压强度试验所使用的仪器是无侧限压缩仪，如图所示，仪器是无侧限压缩仪，如图所示，但现在常用三轴仪进行该试验，即但现在常用三轴仪进行该试验，即在不施加侧向压力的情况下对圆柱在不施加侧向压力的情况下对圆柱体试样施加轴向压力，直至土样剪体试样施加轴向压力，直至土样剪切破坏为止。无侧限抗压强度试验切破坏为止。无侧限抗压强度试验在土样破坏时的轴向压力以在土样破坏时的轴向压力以qu表示，表示，称为无侧限抗压强度。称为无侧限抗压强度。 5 土的抗剪强度5.3

45、5.3 抗剪强度测定试验抗剪强度测定试验2、试验数据整理、试验数据整理 由于没有施加周围压力，因而根据试验结果只能做出由于没有施加周围压力，因而根据试验结果只能做出一个极限应力圆，难以直接得到破坏包线，如下图所示：一个极限应力圆，难以直接得到破坏包线，如下图所示：无侧限抗压强度试验结果无侧限抗压强度试验结果 5 土的抗剪强度5.3 5.3 抗剪强度测定试验抗剪强度测定试验 由于由于3 =0则则 +2 tan(45)2cu1fq=则粘性土的粘聚力为：则粘性土的粘聚力为：=2tan 452uqc (+ ) 根据我国现行国家标准根据我国现行国家标准土工试验方法标准土工试验方法标准，无侧限抗压，无侧限

46、抗压强度试验经常要求在较短时间内完成，在试验过程中土中水没有强度试验经常要求在较短时间内完成，在试验过程中土中水没有明显的排出，相当于直剪的快剪和三轴明显的排出，相当于直剪的快剪和三轴UU试验条件。试验条件。 5 土的抗剪强度5.3 5.3 抗剪强度测定试验抗剪强度测定试验 实际上软粘土的破坏常呈现为塑性流动变形，而不出现明显的破实际上软粘土的破坏常呈现为塑性流动变形，而不出现明显的破裂角，因此饱和软粘土裂角，因此饱和软粘土UU条件下条件下u u0 0。故饱和软粘土的不排水抗。故饱和软粘土的不排水抗剪强度为剪强度为2uuqC = 而饱和粘性土的三轴不固结不排水试验结果表明，其破坏包线而饱和粘性

47、土的三轴不固结不排水试验结果表明，其破坏包线近似为一水平线，即近似为一水平线，即u u=0=0，因此，对于饱和粘性土的不排水抗剪，因此，对于饱和粘性土的不排水抗剪强度，可以利用无侧限抗压强度强度，可以利用无侧限抗压强度q qu u 来测得，即来测得，即()131-=22ufuqc=式中：式中：f f 土的抗剪强度（土的抗剪强度（kPakPa） c cu u 土的不排水粘聚力（土的不排水粘聚力（kPakPa） q qu u 土的无侧限抗压强度（土的无侧限抗压强度（kPakPa） 5 土的抗剪强度利用无侧限抗压强度试验还可以测定土的灵敏度利用无侧限抗压强度试验还可以测定土的灵敏度S St t，即：

48、即：5.3 5.3 抗剪强度测定试验抗剪强度测定试验qu原状土的无侧限抗压强度（原状土的无侧限抗压强度（kPakPa）q0重塑土的无侧限抗压强度重塑土的无侧限抗压强度（kPa）低灵敏土低灵敏土1S1St t22中灵敏土中灵敏土2S244粘性土受扰动粘性土受扰动后强度降低的后强度降低的性质性质= 0quStq土的灵敏度越高，其结构性越强，受扰动后土的强度降低就越多土的灵敏度越高，其结构性越强，受扰动后土的强度降低就越多 5 土的抗剪强度5.35.3土的抗剪强度指标的试验方法土的抗剪强度指标的试验方法一、直剪试验一、直剪试验二、三轴压缩试验二、三轴压缩试验三、无侧限抗压强度试验三、无侧限抗压强度试

49、验四、十字板剪切试验四、十字板剪切试验五、应力路径概念五、应力路径概念5.3 5.3 抗剪强度测定试验抗剪强度测定试验 5 土的抗剪强度四、十字板剪切试验四、十字板剪切试验5.3 5.3 抗剪强度测定试验抗剪强度测定试验1.1.试验设备试验设备 十字板剪切试验采用的试验设备主要是十十字板剪切试验采用的试验设备主要是十字板剪切仪，十字板剪切仪由十字板头、扭字板剪切仪，十字板剪切仪由十字板头、扭力装置和量测装置三部分组成，如图所示：力装置和量测装置三部分组成，如图所示：M2M1 5 土的抗剪强度v一般适用于测定一般适用于测定软粘土软粘土的不的不排水强度指标；排水强度指标；v钻孔到指定的土层，插入十

50、钻孔到指定的土层，插入十字形的探头；字形的探头；v通过施加的扭矩计算土的抗通过施加的扭矩计算土的抗剪强度剪强度四、十字板剪切试验四、十字板剪切试验5.3 5.3 抗剪强度测定试验抗剪强度测定试验2.2.基本原理基本原理 5 土的抗剪强度max12MMMfvfh时：ffHDDMMM262321maxmax2()23fMDDH fhDfhDrrrM6d2232/01fvDDHM22M1H HDM25.3 5.3 抗剪强度测定试验抗剪强度测定试验 5 土的抗剪强度四、十字板剪切试验四、十字板剪切试验5.3 5.3 抗剪强度测定试验抗剪强度测定试验3.3.十字板剪切试验的优缺点分析十字板剪切试验的优缺

51、点分析优点：优点：无需钻孔取样，使土少受扰动，被认为是比较能反映土体原位无需钻孔取样，使土少受扰动，被认为是比较能反映土体原位 强度的测试方法强度的测试方法缺点：缺点：主要反映垂直面上的强度，一般偏高主要反映垂直面上的强度，一般偏高 应力条件复杂，不能严格控制排水条件应力条件复杂，不能严格控制排水条件 一般来说，十字板剪切试验方法适合于在现场测点饱和粘性土的一般来说，十字板剪切试验方法适合于在现场测点饱和粘性土的原位不排水抗剪强度，特别适用于均匀饱和软粘土。原位不排水抗剪强度，特别适用于均匀饱和软粘土。 5 土的抗剪强度5.1 5.1 概述概述5.2 5.2 土的强度理论土的强度理论5.3 5

52、.3 土的强度强度指标测定土的强度强度指标测定5.4 5.4 孔隙水压力系数孔隙水压力系数5.5 5.5 土的抗剪强度特征土的抗剪强度特征5.6 5.6 工程实例与分析工程实例与分析5.7 5.7 应力路径应力路径 5 土的抗剪强度 19551955年，英国学者斯肯普顿等人认为，土中孔隙水压力不仅由年，英国学者斯肯普顿等人认为，土中孔隙水压力不仅由于法向应力所产生，而且剪力的作用也会产生新的孔隙水压力增于法向应力所产生，而且剪力的作用也会产生新的孔隙水压力增量。他们在三轴试验研究基础上，提出了在复杂应力状态下用孔量。他们在三轴试验研究基础上，提出了在复杂应力状态下用孔隙水压力系数隙水压力系数A

53、 A和和B B来表示土中的孔隙压力大小的方法，即：来表示土中的孔隙压力大小的方法，即：5.4 5.4 孔隙水压力系数孔隙水压力系数u=u1+u2=B3+ +BABA（ 1- 3 ）= =B B 3 +A(1- 3 ) 式中：式中：A,B分别为不通透应力条件下的孔隙水压力系数分别为不通透应力条件下的孔隙水压力系数5.45.4孔隙水压力系数孔隙水压力系数 5 土的抗剪强度5.5 5.5 土的抗剪强度特征土的抗剪强度特征一一.饱和粘性土的抗剪强度饱和粘性土的抗剪强度常规三轴试验的实验过程分为两个阶段：常规三轴试验的实验过程分为两个阶段： 固结阶段：固结阶段：即在压力室作用一定的水压，使试样处于各向即

54、在压力室作用一定的水压，使试样处于各向等压状态等压状态 剪切阶段：剪切阶段：即通过传力杆对试样施加竖向压力至试样受剪即通过传力杆对试样施加竖向压力至试样受剪破坏破坏 这两个阶段均可通过控制排水闸门的开或关，使试样处于这两个阶段均可通过控制排水闸门的开或关，使试样处于排水或不排水状态。同一土样在不同试验方法中抗剪强度性状排水或不排水状态。同一土样在不同试验方法中抗剪强度性状是不同的，所测得的总应力指标也不同。是不同的，所测得的总应力指标也不同。5.55.5土的抗剪强度特征土的抗剪强度特征 5 土的抗剪强度1.不固结不排水抗剪强度不固结不排水抗剪强度 不固结不排水试验是在施加周围压力和轴向压力直至

55、剪切破坏不固结不排水试验是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，有一组饱和粘性土试件都先在某的整个试验过程中都不允许排水，有一组饱和粘性土试件都先在某一周围压力下固结稳定，试件中的初始孔隙水压力为静水压力，然一周围压力下固结稳定，试件中的初始孔隙水压力为静水压力，然后分别在不排水条件下施加周围压力和轴向压力至剪切破坏。后分别在不排水条件下施加周围压力和轴向压力至剪切破坏。 试验结果如图所示，试验结果如图所示，饱和粘性土的不固结不排水试验结果饱和粘性土的不固结不排水试验结果ABC5.55.5土的抗剪强度特征土的抗剪强度特征 5 土的抗剪强度 图中三个半圆图中三个半圆A

56、,B,C分别表示三个试件在不同的分别表示三个试件在不同的3 3作用下破坏作用下破坏时的总应力圆，虚线是有效应力圆。试验结果表明，虽然三个试件时的总应力圆，虚线是有效应力圆。试验结果表明，虽然三个试件的周围压力的周围压力3不同，但破坏时的主应力差相等，在不同，但破坏时的主应力差相等，在图上表现出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，即：三个总应力圆直径相同，因而破坏包线是一条水平线，即：u u =0=0f= =cu=(=(1- -3)/2)/2 式中；式中； u 不排水内摩擦角，（不排水内摩擦角，（） cu不排水抗剪强度，（不排水抗剪强度，（kPa）5.55.5土的抗剪强度特

57、征土的抗剪强度特征 5 土的抗剪强度2.固结不排水抗剪强度固结不排水抗剪强度 如果试件受到周围固结压力如果试件受到周围固结压力3 3 大于它受到的前期固结应力大于它受到的前期固结应力p pc c ，属于正常固结试样，如果属于正常固结试样，如果3 3 cu u(=0); 而以有效应力表示而以有效应力表示, 则不论哪种试验方法则不论哪种试验方法, 其破其破坏包线近似一条坏包线近似一条, 即即抗剪强度与有效应力有唯一的对应关系抗剪强度与有效应力有唯一的对应关系三种试验结果比较三种试验结果比较 5.55.5土的抗剪强度特征土的抗剪强度特征 5 土的抗剪强度5.5 5.5 土的抗剪强度特征土的抗剪强度特

58、征二二.无粘性土的抗剪强度无粘性土的抗剪强度5.55.5土的抗剪强度特征土的抗剪强度特征 5 土的抗剪强度5.5 5.5 土的抗剪强度特征土的抗剪强度特征二二.无粘性土的抗剪强度无粘性土的抗剪强度5.55.5土的抗剪强度特征土的抗剪强度特征 5 土的抗剪强度5.5 5.5 土的抗剪强度特征土的抗剪强度特征二二.无粘性土的抗剪强度无粘性土的抗剪强度5.55.5土的抗剪强度特征土的抗剪强度特征 5 土的抗剪强度5.5 5.5 土的抗剪强度特征土的抗剪强度特征三三.总应力强度指标与有效应力强度指标总应力强度指标与有效应力强度指标 土是三相的、多孔性的分散颗粒集合体的最主要特征土是三相的、多孔性的分散

59、颗粒集合体的最主要特征有有效应力。效应力。 用上式表达强度的方法称为有效应力法，它考虑了孔隙水用上式表达强度的方法称为有效应力法，它考虑了孔隙水压力的影响。压力的影响。 直剪试验因仪器条件限制不能测定试样中的孔隙水压力直剪试验因仪器条件限制不能测定试样中的孔隙水压力u的的变化，只能用总应力强度指标表示。变化，只能用总应力强度指标表示。有效应力强度：有效应力强度：f=c+tan式中：式中： c，分别表示有效粘聚力和有效内摩擦角，统分别表示有效粘聚力和有效内摩擦角，统统有效应力指标统有效应力指标5.55.5土的抗剪强度特征土的抗剪强度特征 5 土的抗剪强度5.5 5.5 土的抗剪强度特征土的抗剪强

60、度特征四四.强度试验方法与指标的选用强度试验方法与指标的选用 若建筑物施工速度较快，而地基土的渗水性和排水条件不若建筑物施工速度较快，而地基土的渗水性和排水条件不良时，可采用三轴仪不固结不排水试验或直剪仪快剪试验的结良时，可采用三轴仪不固结不排水试验或直剪仪快剪试验的结果。如果地基荷载增长速度较慢时，地基土的透水性较好或地果。如果地基荷载增长速度较慢时，地基土的透水性较好或地基土的透水性不太大（如低塑性的黏土）而排水条件又较佳时基土的透水性不太大（如低塑性的黏土）而排水条件又较佳时（如黏土层中夹砂层）则可以采用固结排水试验或慢剪试验；（如黏土层中夹砂层）则可以采用固结排水试验或慢剪试验；如果介