土的抗剪強度及其工程問題(高大釗)講訴

1、同濟大學同濟大學 高大釗高大釗 二六年四月二六年四月l土的抗剪強度試驗土的抗剪強度試驗l工程中的抗剪強度問題工程中的抗剪強度問題l土的抗剪強度試驗土的抗剪強度試驗l這是兩個不同的概念，但經(jīng)常被人們這是兩個不同的概念，但經(jīng)常被人們混淆，看一個土坡的最簡單的例子：混淆，看一個土坡的最簡單的例子：l平行滑動面的力是滑動力平行滑動面的力是滑動力Tl抵抗滑動的是滑動面上的抗剪強度抵抗滑動的是滑動面上的抗剪強度 滑動面上的力系滑動面上的力系TNGA-滑動面的面積滑動面的面積l 滑動面上的抗剪強度滑動面上的抗剪強度 由兩部分組成，由兩部分組成，一部分與滑動面上的法向應力成正比，另一部分與滑動面上的法向應力成

2、正比，另一部分與法向應力無關，可以寫成如下的一部分與法向應力無關，可以寫成如下的表達式，式中的表達式，式中的c 稱為內(nèi)聚力，稱為內(nèi)聚力， 稱為內(nèi)稱為內(nèi)摩擦角，內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角就是這兩個抗摩擦角，內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角就是這兩個抗剪強度指標。剪強度指標。l 這個表達式被稱為庫侖強度準則：這個表達式被稱為庫侖強度準則：l cptan lp=N/Al 從整個土坡滑動面從整個土坡滑動面A上平均地看：上平均地看：l當當T A時，土坡不會滑動，時，土坡不會滑動，l當當T A時，土坡就失穩(wěn)了，時，土坡就失穩(wěn)了，l當當T A時，稱為極限平衡。時，稱為極限平衡。l 抗剪強度指標是土體的固有性質(zhì)，抗剪強度指標是土體的固

3、有性質(zhì)，是描述土體中的抗剪強度隨法向應力變是描述土體中的抗剪強度隨法向應力變化規(guī)律的參數(shù)；化規(guī)律的參數(shù)；l 抗剪強度是在一定的應力條件下，抗剪強度是在一定的應力條件下，土體滑動面上抵抗滑動的總強度。土體滑動面上抵抗滑動的總強度。l抗剪強度指標的物理概念抗剪強度指標的物理概念l直剪試驗指標的測定直剪試驗指標的測定l三軸試驗指標的測定與資料分析三軸試驗指標的測定與資料分析 l 土的抗剪強度是指土體抵抗剪切破土的抗剪強度是指土體抵抗剪切破壞的能力。在土力學中，采用摩爾壞的能力。在土力學中，采用摩爾庫庫侖強度準則，用內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力兩個侖強度準則，用內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力兩個指標描述土的抗剪強度規(guī)律，即在土

4、的指標描述土的抗剪強度規(guī)律，即在土的破裂面上，抗剪強度隨法向應力增長的破裂面上，抗剪強度隨法向應力增長的規(guī)律。摩爾規(guī)律。摩爾庫侖強度準則是土力學的庫侖強度準則是土力學的三大定律之一。三大定律之一。 l = = c p tan l 對于對于c0的土，稱為純摩擦材料，的土，稱為純摩擦材料， 內(nèi)摩阻力內(nèi)摩阻力包括土粒之間的包括土粒之間的表面摩擦力表面摩擦力和和由于土粒之間的聯(lián)鎖作用而產(chǎn)生的由于土粒之間的聯(lián)鎖作用而產(chǎn)生的咬合咬合力力。咬合力是指當土體相對滑動時，將。咬合力是指當土體相對滑動時，將嵌在其它顆粒之間的土粒拔出所需的力，嵌在其它顆粒之間的土粒拔出所需的力，土越密實，聯(lián)鎖作用則越強。土越密實，

5、聯(lián)鎖作用則越強。 l = = c p tan l 對于對于 0的土，稱為凝聚性材料，的土，稱為凝聚性材料，構成內(nèi)聚力的物理原因是土的細顆粒表構成內(nèi)聚力的物理原因是土的細顆粒表面作用，是一種物理化學作用。面作用，是一種物理化學作用。l 原始粘聚力原始粘聚力主要是由于土粒間水膜受主要是由于土粒間水膜受到相鄰土粒之間的電分子引力而形成的，到相鄰土粒之間的電分子引力而形成的，當土被壓密時，土粒間的距離減小，原始當土被壓密時，土粒間的距離減小，原始粘聚力隨之增大。當土的天然結構被破壞粘聚力隨之增大。當土的天然結構被破壞時，原始粘聚力將喪失一些，但會隨著時時，原始粘聚力將喪失一些，但會隨著時間而恢復其中的

6、一部分或全部。間而恢復其中的一部分或全部。l 固化粘聚力固化粘聚力是由于土中化合物的膠結是由于土中化合物的膠結作用而形成的，當土的天然結構被破壞時，作用而形成的，當土的天然結構被破壞時，則固化粘聚力隨之喪失，而且不能恢復。則固化粘聚力隨之喪失，而且不能恢復。 l 在室內(nèi)試驗中，可以用直剪試驗或在室內(nèi)試驗中，可以用直剪試驗或三軸試驗來測定土的抗剪強度指標。三軸試驗來測定土的抗剪強度指標。l 對粗粒土應當用大尺寸的儀器或現(xiàn)對粗粒土應當用大尺寸的儀器或現(xiàn)場大型直剪試驗測定。場大型直剪試驗測定。l 對軟土，也可以用原位測試十字對軟土，也可以用原位測試十字板試驗測定。板試驗測定。l 土的抗剪強度指標和土

7、的原始土的抗剪強度指標和土的原始狀態(tài)、應力路徑、應力歷史、排水狀態(tài)、應力路徑、應力歷史、排水條件等因素有關，考慮不同因素影條件等因素有關，考慮不同因素影響時，應采用不同的試驗方法。響時，應采用不同的試驗方法。l 考慮上述復雜因素的試驗只能考慮上述復雜因素的試驗只能用三軸儀才能模擬。三軸試驗分為用三軸儀才能模擬。三軸試驗分為常規(guī)的試驗和特殊的試驗兩類。常規(guī)的試驗和特殊的試驗兩類。 AT=ANp =l f = = c p tan l第一級荷載必須大于上覆有效壓力第一級荷載必須大于上覆有效壓力快剪試驗快剪試驗 l 在土樣上下兩面安置不透水的銅板在土樣上下兩面安置不透水的銅板或塑料膜，并在施加豎向壓力

8、后立即施或塑料膜，并在施加豎向壓力后立即施加水平剪力進行剪切，而且剪切的速率加水平剪力進行剪切，而且剪切的速率也很快，一般只也很快，一般只3 5min 。采取這些措采取這些措施的目的是為了控制土樣在試驗時不固施的目的是為了控制土樣在試驗時不固結排水，以便測定天然狀態(tài)的強度指標。結排水，以便測定天然狀態(tài)的強度指標?？旒粼囼灥玫降闹笜擞每旒粼囼灥玫降闹笜擞?cq 、 q表示。表示。l 由于直剪儀固有的缺點，盡管采取由于直剪儀固有的缺點，盡管采取了上述措施，土樣和環(huán)刀之間仍有滲水了上述措施，土樣和環(huán)刀之間仍有滲水通道，不能保證土樣處于完全不排水的通道，不能保證土樣處于完全不排水的狀態(tài)，特別是對透水性

9、比較大的土影響狀態(tài)，特別是對透水性比較大的土影響更大。更大。固結快剪試驗固結快剪試驗 l 在土樣上下兩面安置透水石，在施在土樣上下兩面安置透水石，在施加豎向壓力以后給以充分時間使土樣固加豎向壓力以后給以充分時間使土樣固結排水。固結排水終了后再施加水平剪結排水。固結排水終了后再施加水平剪力，快速地將土樣剪壞。力，快速地將土樣剪壞。l 這種試驗方法模擬在法向應力作用這種試驗方法模擬在法向應力作用下固結完成但在剪應力作用下不排水的下固結完成但在剪應力作用下不排水的工況，由于放置了透水板，更不能保證工況，由于放置了透水板，更不能保證在剪切時處于完全不排水的狀態(tài)，對于在剪切時處于完全不排水的狀態(tài)，對于透

10、水性比較大的土樣將會得到過大的抗透水性比較大的土樣將會得到過大的抗剪強度值。固結快剪試驗得到的指標用剪強度值。固結快剪試驗得到的指標用 ccq 、 cq表示。表示。慢剪試驗慢剪試驗 l 施加豎向壓力后土樣固結排水的要求施加豎向壓力后土樣固結排水的要求與固結快剪試驗相同，在固結終了后以與固結快剪試驗相同，在固結終了后以相當慢的速度施加水平剪力，剪切速率相當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以使土樣在剪切以使土樣在剪切過程中有充分時間排水和產(chǎn)生體積變形，過程中有充分時間排水和產(chǎn)生體積變形，得到的指標模擬完全排水的工況。慢剪得到的指標模擬完全排水的工況。慢剪試驗

11、指標用試驗指標用 cs 、 s 。 豎向壓力豎向壓力剪應力剪應力結果結果快剪快剪不用透水板不用透水板立即剪切立即剪切快速快速固結快剪固結快剪用透水板用透水板快速快速剪切時透水剪切時透水途徑通暢途徑通暢慢剪慢剪用透水板用透水板慢速慢速l 直剪儀中的土樣無法封閉，無論土直剪儀中的土樣無法封閉，無論土樣承受法向應力或剪應力，無論剪切速樣承受法向應力或剪應力，無論剪切速度多快，孔隙水總會沿著土樣和環(huán)刀之度多快，孔隙水總會沿著土樣和環(huán)刀之間的縫隙流失，無法測定不排水條件下間的縫隙流失，無法測定不排水條件下的強度，使快剪試驗的結果特別離散，的強度，使快剪試驗的結果特別離散，而且而且內(nèi)摩擦角往往偏大，用于工

12、程是偏內(nèi)摩擦角往往偏大，用于工程是偏于危險的；于危險的；在在固結快剪試驗中，剪切時固結快剪試驗中，剪切時的排水也使內(nèi)摩擦角偏大的排水也使內(nèi)摩擦角偏大。l 曾有文獻報道，對于塑性指數(shù)小于曾有文獻報道，對于塑性指數(shù)小于11的的土，固結快剪試驗的內(nèi)摩擦角與慢剪試驗的土，固結快剪試驗的內(nèi)摩擦角與慢剪試驗的內(nèi)摩擦角很接近，內(nèi)摩擦角很接近， 一般只比慢剪試驗的內(nèi)一般只比慢剪試驗的內(nèi)摩擦角小摩擦角小1 2 ，但在塑性指數(shù)為，但在塑性指數(shù)為11 18的的土中，兩者的數(shù)值相差很大，一般為土中，兩者的數(shù)值相差很大，一般為10 左左右。這是由于低塑性土的滲透系數(shù)比較大，右。這是由于低塑性土的滲透系數(shù)比較大，在固結快

13、剪試驗中孔隙水消散很快，剪切時在固結快剪試驗中孔隙水消散很快，剪切時土的固結狀態(tài)已接近于慢剪試驗，因此兩者土的固結狀態(tài)已接近于慢剪試驗，因此兩者的結果相近。的結果相近。由此可見，直剪試驗不適用于由此可見，直剪試驗不適用于低塑性土。低塑性土。l直剪儀上下盒之間的縫隙直剪儀上下盒之間的縫隙 l為了避免上下盒之間的摩擦，為了避免上下盒之間的摩擦，在上下盒之在上下盒之間留有一定的縫隙間留有一定的縫隙。對軟土作快剪試驗時，由。對軟土作快剪試驗時，由于豎向荷載對土樣的擠壓作用，軟土側(cè)面擠入于豎向荷載對土樣的擠壓作用，軟土側(cè)面擠入縫隙中，既破壞了土的結構，又影響了試驗的縫隙中，既破壞了土的結構，又影響了試驗

14、的結果。試驗砂土時，細小的砂粒嵌進上下盒之結果。試驗砂土時，細小的砂粒嵌進上下盒之間的縫隙中使摩阻力增大，使試驗結果失真。間的縫隙中使摩阻力增大，使試驗結果失真?？梢娍梢娭奔魞x也不適用于砂土和軟土直剪儀也不適用于砂土和軟土。 l 直剪試驗時土樣的直剪試驗時土樣的剪切面是人為規(guī)定的剪切面是人為規(guī)定的 。 由于剪切總是發(fā)生在上下盒之間，剪切面人為規(guī)由于剪切總是發(fā)生在上下盒之間，剪切面人為規(guī)定為水平方向，這與實際工程中發(fā)生在土體內(nèi)的定為水平方向，這與實際工程中發(fā)生在土體內(nèi)的剪切面方向是不一致的。實際工程中，剪切面方向是不一致的。實際工程中，剪切總是剪切總是沿著最薄弱的方向發(fā)展，而水平方向往往并不是沿

15、著最薄弱的方向發(fā)展，而水平方向往往并不是最薄弱的最薄弱的。特別在夾薄層粉砂的粘性土層中，如。特別在夾薄層粉砂的粘性土層中，如果硬性規(guī)定的剪切面正好在粉砂薄層中，就會得果硬性規(guī)定的剪切面正好在粉砂薄層中，就會得到過大的抗剪強度值。到過大的抗剪強度值。 l 剪切面積隨剪切位移的增加而減小剪切面積隨剪切位移的增加而減小且土樣應力條件非常復雜且土樣應力條件非常復雜 這一缺點限制這一缺點限制了直剪儀在研究方面的應用，但在工程了直剪儀在研究方面的應用，但在工程實用方面引起的誤差是可以容許的。實用方面引起的誤差是可以容許的。 l1. 直剪儀存在許多致命的缺陷，國外已直剪儀存在許多致命的缺陷，國外已經(jīng)被淘汰，

16、但我國還是常規(guī)武器；經(jīng)被淘汰，但我國還是常規(guī)武器；l2. 我國地基設計規(guī)范對直剪儀的態(tài)度，我國地基設計規(guī)范對直剪儀的態(tài)度，經(jīng)歷了從限制使用條件到企圖完全淘汰經(jīng)歷了從限制使用條件到企圖完全淘汰的過程，但還沒有具備淘汰的條件；的過程，但還沒有具備淘汰的條件；l3. 在過渡的時間內(nèi)，正確認識直剪儀的在過渡的時間內(nèi)，正確認識直剪儀的問題，不致發(fā)生濫用是至關重要的；問題，不致發(fā)生濫用是至關重要的；l直剪試驗不適用于低塑性土。直剪試驗不適用于低塑性土。 l直剪試驗也不適用于砂土和軟土。直剪試驗也不適用于砂土和軟土。 l如如8989版建筑地基基礎設計規(guī)范規(guī)定版建筑地基基礎設計規(guī)范規(guī)定直剪試驗只適用于二級及三

17、級建筑物的直剪試驗只適用于二級及三級建筑物的可塑狀粘性土和飽和度不大于可塑狀粘性土和飽和度不大于0.5的粉土的粉土。 l 三軸試驗的土樣是在軸對稱應力條三軸試驗的土樣是在軸對稱應力條件下剪切的，圓柱形土樣側(cè)面作用著小件下剪切的，圓柱形土樣側(cè)面作用著小主應力主應力 3 3 ，頂面和底面作用著大主應力頂面和底面作用著大主應力 1 1 ，大、小主應力可以根據(jù)試驗要求控大、小主應力可以根據(jù)試驗要求控制其大小和變化。土樣包在不透水的橡制其大小和變化。土樣包在不透水的橡皮膜中，在土樣的底面和頂面都設置了皮膜中，在土樣的底面和頂面都設置了可以控制的排水管道，通過閥門可以改可以控制的排水管道，通過閥門可以改變

18、土樣的排水條件，并可通過管道量測變土樣的排水條件，并可通過管道量測土樣頂部或內(nèi)部的孔隙水壓力土樣頂部或內(nèi)部的孔隙水壓力 。l三軸試驗原理三軸試驗原理 :l以材料力學的摩爾圓表示一點的應力狀以材料力學的摩爾圓表示一點的應力狀態(tài)為基礎，以庫侖強度理論為準則。態(tài)為基礎，以庫侖強度理論為準則。l三軸試驗方法三軸試驗方法: : l利用三軸儀的設備條件，用各種方法模利用三軸儀的設備條件，用各種方法模擬土的各種應力條件和物理狀態(tài)。擬土的各種應力條件和物理狀態(tài)。l三軸試驗結果的資料整理三軸試驗結果的資料整理 ：l試驗資料的分析計算：試驗資料的分析計算：l 三軸試驗是建立在軸對稱極限平衡三軸試驗是建立在軸對稱極

19、限平衡理論基礎上的一種土工試驗，與直剪試理論基礎上的一種土工試驗，與直剪試驗相比，應力條件明確，分析原理嚴密，驗相比，應力條件明確，分析原理嚴密，可以模擬各種排水條件和應力條件。可以模擬各種排水條件和應力條件。l破壞圓是破壞時的應力圓破壞圓是破壞時的應力圓l破壞圓的公切線即為強度包線破壞圓的公切線即為強度包線l l從從0點到圓心的距離等于半徑除以點到圓心的距離等于半徑除以sin ；l移項以后就得到極限平衡條件的表達式移項以后就得到極限平衡條件的表達式131322=sincoscsin1223131=ctgcl 化簡并通過三角函數(shù)間的變換關系，化簡并通過三角函數(shù)間的變換關系，從而可得到常用的土的

20、極限平衡條件：從而可得到常用的土的極限平衡條件：=245tg2245tg231c=245tg2245tg213cl例題例題土樣內(nèi)摩擦角為土樣內(nèi)摩擦角為 =26，粘聚力為，粘聚力為20kPa，承受大主應力和小主應力分別為承受大主應力和小主應力分別為450kPa和和150kPa，試判斷該土樣是否達到極限平衡狀態(tài)？試判斷該土樣是否達到極限平衡狀態(tài)？l 解解 已知小主應力，現(xiàn)將其余已知的有關數(shù)據(jù)代已知小主應力，現(xiàn)將其余已知的有關數(shù)據(jù)代入到式入到式(6-6)的右側(cè)，得小主應力的計算值為：的右側(cè)，得小主應力的計算值為： l計算結果可以認為的計算值與已知值相等，所以計算結果可以認為的計算值與已知值相等，所以

21、該土樣處于極限平衡狀態(tài)。該土樣處于極限平衡狀態(tài)。 kPa5 .150tg3220232tg450245tg2245tg2213=cl 對上述問題：內(nèi)摩擦角為對上述問題：內(nèi)摩擦角為 =26，粘聚力為粘聚力為20kPa，承受大主應力和小主應承受大主應力和小主應力分別為力分別為450kPa和和150kPal 如果用圖解法，則同樣會得到摩爾如果用圖解法，則同樣會得到摩爾應力圓與抗剪強度線相切的結果。應力圓與抗剪強度線相切的結果。 l1. 1 3時，摩爾圓為一個點；時，摩爾圓為一個點；l2. 在在 1逐漸增大的過程中，達到破壞以逐漸增大的過程中，達到破壞以前，土體都處于彈性狀態(tài)；前，土體都處于彈性狀態(tài)；

22、l3. K0圓處于彈性狀態(tài)。當土體處于圓處于彈性狀態(tài)。當土體處于K0條條件時，如圖中的件時，如圖中的K0圓，此時的土體處于圓，此時的土體處于彈性平衡狀態(tài)，不會發(fā)生破壞。彈性平衡狀態(tài)，不會發(fā)生破壞。l4. 從從K0圓到破壞圓的過程，就是土體剪圓到破壞圓的過程，就是土體剪切破壞的發(fā)生過程，是從彈性狀態(tài)向塑切破壞的發(fā)生過程，是從彈性狀態(tài)向塑性狀態(tài)發(fā)展的過程。在破壞圓上，有兩性狀態(tài)發(fā)展的過程。在破壞圓上，有兩個特征點，一個的最大剪應力，將每個個特征點，一個的最大剪應力，將每個破壞圓是的最大剪應力點連成破壞圓是的最大剪應力點連成Kf線，線，Kf線不是強度包線。線不是強度包線。l5. 一系列破壞圓的公切線

23、才是摩爾強度一系列破壞圓的公切線才是摩爾強度包線，摩爾強度包線的參數(shù)才是抗剪強包線，摩爾強度包線的參數(shù)才是抗剪強度指標。度指標。l 三軸剪力儀由主機、穩(wěn)壓系統(tǒng)和量測系統(tǒng)三軸剪力儀由主機、穩(wěn)壓系統(tǒng)和量測系統(tǒng)三個部分組成。三個部分組成。l 主機包括壓力室、周圍壓力系統(tǒng)和軸向加主機包括壓力室、周圍壓力系統(tǒng)和軸向加壓設備。圓柱形的土樣用橡皮膜包裹密封后置壓設備。圓柱形的土樣用橡皮膜包裹密封后置于壓力室內(nèi)，由周圍壓力系統(tǒng)通過壓力水對土于壓力室內(nèi)，由周圍壓力系統(tǒng)通過壓力水對土樣施加周圍壓力樣施加周圍壓力 3，由軸向加壓設備通過量力，由軸向加壓設備通過量力環(huán)、活塞桿對土樣施加軸向的偏應力（環(huán)、活塞桿對土樣施

24、加軸向的偏應力（ 1- 3），），在忽略土樣帽與土樣之間摩擦力的條件下，周在忽略土樣帽與土樣之間摩擦力的條件下，周圍壓力圍壓力 3即為小主應力，偏應力與周圍壓力之即為小主應力，偏應力與周圍壓力之和和 3 +( 1- 3)即為大主應力即為大主應力 1 。l 穩(wěn)壓系統(tǒng)包括壓力源、調(diào)壓筒和壓穩(wěn)壓系統(tǒng)包括壓力源、調(diào)壓筒和壓力表等，用以調(diào)節(jié)和保持周圍壓力的穩(wěn)力表等，用以調(diào)節(jié)和保持周圍壓力的穩(wěn)定，以保證使用結果的準確性。定，以保證使用結果的準確性。l 對于剪切時不排水的試驗，采用量對于剪切時不排水的試驗，采用量測穩(wěn)壓系統(tǒng)中補充給壓力室的水量來測測穩(wěn)壓系統(tǒng)中補充給壓力室的水量來測定土樣的體積變形，此時穩(wěn)壓系

25、統(tǒng)具有定土樣的體積變形，此時穩(wěn)壓系統(tǒng)具有量測的作用，但對壓力水去除氣泡的要量測的作用，但對壓力水去除氣泡的要求很高。求很高。l 量測系統(tǒng)用以量測從土樣中排出孔量測系統(tǒng)用以量測從土樣中排出孔隙水的體積，測定孔隙水壓力的變化以隙水的體積，測定孔隙水壓力的變化以及對土樣施加應力的大小。及對土樣施加應力的大小。l 三軸儀的控制系統(tǒng)可以分別控制土三軸儀的控制系統(tǒng)可以分別控制土樣在周圍壓力和偏應力作用時的排水條樣在周圍壓力和偏應力作用時的排水條件，可以克服直剪儀無法控制排水條件件，可以克服直剪儀無法控制排水條件的缺點，因此能夠測定在不同固結排水的缺點，因此能夠測定在不同固結排水條件下的抗剪強度指標。條件下

26、的抗剪強度指標。l試驗方法：試驗方法：l不固結不排水剪不固結不排水剪l固結不排水剪固結不排水剪l固結排水剪固結排水剪l分析方法：分析方法：l總應力法總應力法l有效應力法有效應力法試驗方法試驗方法施加施加周圍壓力周圍壓力施加施加偏差壓力偏差壓力孔隙水壓力孔隙水壓力不固結不排不固結不排水剪水剪UU關排水閥門關排水閥門 關排水閥門關排水閥門不測孔隙水不測孔隙水壓力壓力固結不排水固結不排水剪剪CU開排水閥門開排水閥門 關排水閥門關排水閥門測孔隙水壓測孔隙水壓力力排水剪排水剪CD開排水閥門開排水閥門 開排水閥門開排水閥門保持為零保持為零l 在施加周圍壓力時關閉排水閥門，在施加周圍壓力時關閉排水閥門，此時

27、土樣內(nèi)的孔隙水壓力等于周圍壓力，此時土樣內(nèi)的孔隙水壓力等于周圍壓力，隨后也在關閉排水閥門的條件下施加偏隨后也在關閉排水閥門的條件下施加偏應力，不容許土樣中的孔隙水排出，直應力，不容許土樣中的孔隙水排出，直至土樣剪切破壞，測定的抗剪強度指標至土樣剪切破壞，測定的抗剪強度指標用用cu、 u 表示，對飽和土表示，對飽和土 u 。l 試驗時先對土樣施加周圍壓力并打試驗時先對土樣施加周圍壓力并打開排水閥門，在土樣排水所過程中可以開排水閥門，在土樣排水所過程中可以觀察到土樣高度逐步減小和土樣體積的觀察到土樣高度逐步減小和土樣體積的減小，如果同時量測孔隙水壓力則可觀減小，如果同時量測孔隙水壓力則可觀察到孔隙

28、水壓力逐步消散。在土樣充分察到孔隙水壓力逐步消散。在土樣充分排水固結以后關閉排水閥門，然后施加排水固結以后關閉排水閥門，然后施加偏應力直至破壞，由于已經(jīng)關閉了排水偏應力直至破壞，由于已經(jīng)關閉了排水閥門，在剪切過程中不可能發(fā)生排水。閥門，在剪切過程中不可能發(fā)生排水。l 固結不排水試驗得出的抗剪強度指固結不排水試驗得出的抗剪強度指標用標用ccu、 cu 表示。表示。l 如果在剪切過程中打開孔隙水壓力如果在剪切過程中打開孔隙水壓力閥同時測定土樣內(nèi)的孔隙水壓力，則可閥同時測定土樣內(nèi)的孔隙水壓力，則可得到孔隙水壓力與剪切應變的關系曲線，得到孔隙水壓力與剪切應變的關系曲線，并可以求得有效內(nèi)摩擦角并可以求得

29、有效內(nèi)摩擦角 和有效內(nèi)聚和有效內(nèi)聚力力c 。l 在施加周圍壓力和偏應力的全過程在施加周圍壓力和偏應力的全過程中，土樣始終處在排水狀態(tài)，剪切速率中，土樣始終處在排水狀態(tài)，剪切速率應使孔隙水壓力始終處于消散為零的狀應使孔隙水壓力始終處于消散為零的狀態(tài)，因此排水閥門和孔隙水壓力閥門始態(tài)，因此排水閥門和孔隙水壓力閥門始終是打開的。所測定的抗剪強度指標用終是打開的。所測定的抗剪強度指標用cd、 d 表示，其物理意義就是有效內(nèi)摩表示，其物理意義就是有效內(nèi)摩擦角。擦角。 l 有有4個土樣分別在周圍壓力為個土樣分別在周圍壓力為50kPa、100kPa、150kPa和和200kPa作用下固結不排水試驗，測得剪作

30、用下固結不排水試驗，測得剪切破壞時的偏應力如表所示。根據(jù)已知的周圍壓切破壞時的偏應力如表所示。根據(jù)已知的周圍壓力和偏應力，所計算最大主應力以及破壞時摩爾力和偏應力，所計算最大主應力以及破壞時摩爾圓的圓心位置坐標和半徑也列于表內(nèi)：圓的圓心位置坐標和半徑也列于表內(nèi)：表 9 三軸試驗結果 / kPa 應力值 編號 1 2 3 4 周圍壓力 3 50 100 150 200 剪切破壞時的偏應力（1-3） 130 220 310 382 剪切破壞時的大主應力 1 180 320 460 582 莫爾圓圓心座標132 115 210 305 391 摩爾圓的半徑132 65 110 155 191 l 試

31、驗記錄的是周圍壓力，即小主應試驗記錄的是周圍壓力，即小主應力力 3和軸向的力，即測力計讀數(shù)與測力和軸向的力，即測力計讀數(shù)與測力計率定系數(shù)的乘積計率定系數(shù)的乘積C R;l 軸向力除以校正后的試樣面積，就軸向力除以校正后的試樣面積，就得到主應力差得到主應力差 1- 3 ;=10AAa1031=aACRl主應力差除以主應力差除以2就得到破壞應力圓的半徑。就得到破壞應力圓的半徑。l破壞應力圓的半徑破壞應力圓的半徑l主應力差加小主應力就得到大主應力主應力差加小主應力就得到大主應力 1。l計算大、小主應力之和的一半，就得到破計算大、小主應力之和的一半，就得到破壞應力圓的圓心坐標值壞應力圓的圓心坐標值l已知

32、圓心坐標和半徑，就可以畫破壞應力已知圓心坐標和半徑，就可以畫破壞應力圓。圓。231231l試樣固結后的高度試樣固結后的高度l試樣固結后的面積試樣固結后的面積l試樣面積校正試樣面積校正31001=VVhhc32001=VVAAc11=caAAchh=1 231231軸向應變軸向應變圓心坐標圓心坐標莫爾圓半徑莫爾圓半徑l有效應力有效應力l孔隙水壓力對強度的影響孔隙水壓力對強度的影響l用有效應力表示的強度用有效應力表示的強度fcu tg= fctg= u=l有效應力圓的圓心坐標與半徑的計算公有效應力圓的圓心坐標與半徑的計算公式表明，有效應力圓的圓心與總應力圓式表明，有效應力圓的圓心與總應力圓的圓心之

33、差為破壞時的孔隙水壓力，有的圓心之差為破壞時的孔隙水壓力，有效應力圓的半徑與總應力圓相同。效應力圓的半徑與總應力圓相同。131313222=uuufff131313222=uuffl有效大主應力有效大主應力l有效小主應力有效小主應力u=11 u=33 l有效主應力比有效主應力比l初始孔隙水壓力系數(shù)初始孔隙水壓力系數(shù)l破壞時孔隙水壓力系數(shù)破壞時孔隙水壓力系數(shù)331311= 30uB = )(31=BuAff l有效內(nèi)摩擦角有效內(nèi)摩擦角l有效內(nèi)聚力有效內(nèi)聚力tansin1= =cosdc l以主應力差的峰值作為破壞點以主應力差的峰值作為破壞點l以有效主應力比的峰值作為破壞點以有效主應力比的峰值作為

34、破壞點l以有效應力路徑的密集點為破壞點以有效應力路徑的密集點為破壞點l以軸向應變以軸向應變15時的主應力差為破壞點時的主應力差為破壞點l 不固結不排水強度是天然強度，不不固結不排水強度是天然強度，不是強度指標；是強度指標；l 不固結不排水強度是總強度，反映不固結不排水強度是總強度，反映了某種狀態(tài)的結果；了某種狀態(tài)的結果；l 無法反映土的抗剪強度隨法向應力無法反映土的抗剪強度隨法向應力變化的規(guī)律；變化的規(guī)律；l 如何提供土層的代表性數(shù)值？如何提供土層的代表性數(shù)值？l不固結不不固結不排水強度排水強度隨深度增隨深度增長，不能長，不能提供平均提供平均值。值。cuz l用以計算地基承載力，不能反映基礎埋

35、置用以計算地基承載力，不能反映基礎埋置深度對承載力的影響；深度對承載力的影響；l用以計算土壓力，不能反映實際的情況。用以計算土壓力，不能反映實際的情況。固結不排水剪固結不排水剪不固結不排水剪不固結不排水剪l相當于周圍壓力為零的三軸不固結不排相當于周圍壓力為零的三軸不固結不排水剪試驗。水剪試驗。l靈敏度靈敏度2uuqC =uutqqS=l1. 計算大主應力；計算大主應力；l2. 計算有效的大、小主應力；計算有效的大、小主應力；l3. 分別計算總應力圓和有效應力圓的半徑分別計算總應力圓和有效應力圓的半徑和圓心坐標。和圓心坐標。表 10 三軸試驗（測孔隙水壓力）資料 / kPa 土樣編號 1 2 3

36、 土樣編號 1 2 3 3 50 100 150 uf 23 40 67 13f 92 120 164 3= 3 uf 27 60 83 1 142 220 314 1 = 1 uf 119 180 247 132 96 160 232 132 73 120 165 132 46 60 82 132 46 60 82 表 11 三軸試驗資料分析結果 粘聚力 / kPa 內(nèi)摩擦角 / 總應力強度指標 ccu = 10 cu = 18 有效應力強度指標 c = 6 = 27 抗剪強度指標的選取 規(guī)范 儀器 試驗方法 指標處理方法 建筑地基基礎設計規(guī)范 三軸 不固結不排水 c、分別取標準值 港口工程

37、地基規(guī)范 持久情況 短暫情況 直剪 三軸 固結快剪 不固結不排水 考慮 c、 負相關的簡化相關法取平均值和標準差 上海地基基礎設計規(guī)范 直剪 固結快剪 峰值打七折 c、分別取平均值 l地基規(guī)范已經(jīng)廢除了直剪試驗地基規(guī)范已經(jīng)廢除了直剪試驗l勘察規(guī)范仍可有條件地使用勘察規(guī)范仍可有條件地使用l三次規(guī)范修訂時對直剪和三軸的說法三次規(guī)范修訂時對直剪和三軸的說法l我國面前大面積推廣三軸的條件我國面前大面積推廣三軸的條件l如何實現(xiàn)用三軸試驗完成剪切試驗？如何實現(xiàn)用三軸試驗完成剪切試驗？l儀器條件配備一定數(shù)量的設備儀器條件配備一定數(shù)量的設備l技術和人員具有一支技術隊伍技術和人員具有一支技術隊伍l技術要求少而精

38、技術要求少而精l1.我們這里做三軸不固結不排水試驗都是先讓試樣飽和，然后再進行試驗，結果是硬塑至堅硬的土，其抗剪強度也很低（內(nèi)聚力c小于30kPa，內(nèi)摩擦角小于10度）。不知道是否合理。 l2.建筑地基基礎設計規(guī)范GB50007-2002要求土的剪切指標用三軸壓縮試驗中的不固結不排水試驗確定，對于非飽和土，在試驗前先進行飽和再試驗，其試驗結果還能代表實際地層的力學性質(zhì)嗎？l3. 不飽和的土比如黃土又如何確定內(nèi)聚力c 和 內(nèi)摩擦角 呢？ l l 自然界的土不全部都是飽和土，但傳統(tǒng)自然界的土不全部都是飽和土，但傳統(tǒng)的土力學卻是在飽和土的基礎上發(fā)展起的土力學卻是在飽和土的基礎上發(fā)展起來的，非飽和土的

39、土力學還處在發(fā)展階來的，非飽和土的土力學還處在發(fā)展階段，非飽和土的試驗比飽和土更為復雜。段，非飽和土的試驗比飽和土更為復雜。由于理解上的誤區(qū)和一些規(guī)范的規(guī)定不由于理解上的誤區(qū)和一些規(guī)范的規(guī)定不合適，引起了人們認識上的混亂，用飽合適，引起了人們認識上的混亂，用飽和土的試驗方法來測定非飽和土的抗剪和土的試驗方法來測定非飽和土的抗剪強度，這怎么能夠得到符合實際的指標強度，這怎么能夠得到符合實際的指標呢？呢？ bfwafaffuuuctan)(tan)(= 式中 c有效粘聚力； fafu )(破壞面上的凈法向應力； afu破壞面上的孔隙氣壓力； 與凈法向應力狀態(tài)有關的內(nèi)摩擦角； fwauu)(破壞面上的基質(zhì)吸力； b表示抗剪強度隨基質(zhì)吸力而增加的速率。 l 當土接近飽和時，基質(zhì)吸力趨向于當土接近飽和時，基質(zhì)吸力趨向于零，孔隙水壓力接近于孔隙氣壓力，上零，孔隙水壓力接近于孔隙氣壓力，上式中的第式中的第3項趨于零，就變?yōu)轱柡屯恋目鬼椱呌诹?，就變?yōu)轱柡屯恋目辜魪姸裙?。剪強度公式。l 如果要得到上述公式中的如果要得到上述公式中的3個抗剪強個抗剪強度的參數(shù)，試驗時不僅需要量測孔隙水度的參數(shù)，試驗時不僅需要量測孔隙水壓力，而且還需要量測孔隙氣壓力，這壓力，而且還需要量測孔隙氣壓力，這在一般的常規(guī)三