土的抗剪強(qiáng)度及其工程問題(高大釗)講訴

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

2、正比，另一部分與法向應(yīng)力無關(guān)，可以寫成如下的一部分與法向應(yīng)力無關(guān)，可以寫成如下的表達(dá)式，式中的表達(dá)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(gè)抗摩擦角，內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角就是這兩個(gè)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。剪強(qiáng)度指標(biāo)。l 這個(gè)表達(dá)式被稱為庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則：這個(gè)表達(dá)式被稱為庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則：l cptan lp=N/Al 從整個(gè)土坡滑動(dòng)面從整個(gè)土坡滑動(dòng)面A上平均地看：上平均地看：l當(dāng)當(dāng)T A時(shí)，土坡不會(huì)滑動(dòng)，時(shí)，土坡不會(huì)滑動(dòng)，l當(dāng)當(dāng)T A時(shí)，土坡就失穩(wěn)了，時(shí)，土坡就失穩(wěn)了，l當(dāng)當(dāng)T A時(shí)，稱為極限平衡。時(shí)，稱為極限平衡。l 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)是土體的固有性質(zhì)，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)是土體的固

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

4、的指標(biāo)描述土的抗剪強(qiáng)度規(guī)律，即在土的破裂面上，抗剪強(qiáng)度隨法向應(yīng)力增長(zhǎng)的破裂面上，抗剪強(qiáng)度隨法向應(yīng)力增長(zhǎng)的規(guī)律。摩爾規(guī)律。摩爾庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則是土力學(xué)的庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則是土力學(xué)的三大定律之一。三大定律之一。 l = = c p tan l 對(duì)于對(duì)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(dāng)土體相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，將。咬合力是指當(dāng)土體相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，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(shí)，聯(lián)鎖作用則越強(qiáng)。土越密實(shí)，

5、聯(lián)鎖作用則越強(qiáng)。 l = = c p tan l 對(duì)于對(duì)于 0的土，稱為凝聚性材料，的土，稱為凝聚性材料，構(gòu)成內(nèi)聚力的物理原因是土的細(xì)顆粒表構(gòu)成內(nèi)聚力的物理原因是土的細(xì)顆粒表面作用，是一種物理化學(xué)作用。面作用，是一種物理化學(xué)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?fù)亮Ｖg的電分子引力而形成的，到相鄰?fù)亮Ｖg的電分子引力而形成的，當(dāng)土被壓密時(shí)，土粒間的距離減小，原始當(dāng)土被壓密時(shí)，土粒間的距離減小，原始粘聚力隨之增大。當(dāng)土的天然結(jié)構(gòu)被破壞粘聚力隨之增大。當(dāng)土的天然結(jié)構(gòu)被破壞時(shí)，原始粘聚力將喪失一些，但會(huì)隨著時(shí)時(shí)，原始粘聚力將喪失一些，但會(huì)隨著時(shí)間而恢復(fù)其中的

6、一部分或全部。間而恢復(fù)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(jié)是由于土中化合物的膠結(jié)作用而形成的，當(dāng)土的天然結(jié)構(gòu)被破壞時(shí)，作用而形成的，當(dāng)土的天然結(jié)構(gòu)被破壞時(shí)，則固化粘聚力隨之喪失，而且不能恢復(fù)。則固化粘聚力隨之喪失，而且不能恢復(fù)。 l 在室內(nèi)試驗(yàn)中，可以用直剪試驗(yàn)或在室內(nèi)試驗(yàn)中，可以用直剪試驗(yàn)或三軸試驗(yàn)來測(cè)定土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。三軸試驗(yàn)來測(cè)定土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。l 對(duì)粗粒土應(yīng)當(dāng)用大尺寸的儀器或現(xiàn)對(duì)粗粒土應(yīng)當(dāng)用大尺寸的儀器或現(xiàn)場(chǎng)大型直剪試驗(yàn)測(cè)定。場(chǎng)大型直剪試驗(yàn)測(cè)定。l 對(duì)軟土，也可以用原位測(cè)試十字對(duì)軟土，也可以用原位測(cè)試十字板試驗(yàn)測(cè)定。板試驗(yàn)測(cè)定。l 土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)和土

7、的原始土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)和土的原始狀態(tài)、應(yīng)力路徑、應(yīng)力歷史、排水狀態(tài)、應(yīng)力路徑、應(yīng)力歷史、排水條件等因素有關(guān)，考慮不同因素影條件等因素有關(guān)，考慮不同因素影響時(shí)，應(yīng)采用不同的試驗(yàn)方法。響時(shí)，應(yīng)采用不同的試驗(yàn)方法。l 考慮上述復(fù)雜因素的試驗(yàn)只能考慮上述復(fù)雜因素的試驗(yàn)只能用三軸儀才能模擬。三軸試驗(yàn)分為用三軸儀才能模擬。三軸試驗(yàn)分為常規(guī)的試驗(yàn)和特殊的試驗(yàn)兩類。常規(guī)的試驗(yàn)和特殊的試驗(yàn)兩類。 AT=ANp =l f = = c p tan l第一級(jí)荷載必須大于上覆有效壓力第一級(jí)荷載必須大于上覆有效壓力快剪試驗(yàn)快剪試驗(yàn) 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(jìn)行剪切，而且剪切的速率加水平剪力進(jìn)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(yàn)時(shí)不固施的目的是為了控制土樣在試驗(yàn)時(shí)不固結(jié)排水，以便測(cè)定天然狀態(tài)的強(qiáng)度指標(biāo)。結(jié)排水，以便測(cè)定天然狀態(tài)的強(qiáng)度指標(biāo)?？旒粼囼?yàn)得到的指標(biāo)用快剪試驗(yàn)得到的指標(biāo)用 cq 、 q表示。表示。l 由于直剪儀固有的缺點(diǎn)，盡管采取由于直剪儀固有的缺點(diǎn)，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(duì)透水性

9、比較大的土影響狀態(tài)，特別是對(duì)透水性比較大的土影響更大。更大。固結(jié)快剪試驗(yàn)固結(jié)快剪試驗(yàn) 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(shí)間使土樣固加豎向壓力以后給以充分時(shí)間使土樣固結(jié)排水。固結(jié)排水終了后再施加水平剪結(jié)排水。固結(jié)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(yàn)方法模擬在法向應(yīng)力作用這種試驗(yàn)方法模擬在法向應(yīng)力作用下固結(jié)完成但在剪應(yīng)力作用下不排水的下固結(jié)完成但在剪應(yīng)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(shí)處于完全不排水的狀態(tài)，對(duì)于在剪切時(shí)處于完全不排水的狀態(tài)，對(duì)于透

10、水性比較大的土樣將會(huì)得到過大的抗透水性比較大的土樣將會(huì)得到過大的抗剪強(qiáng)度值。固結(jié)快剪試驗(yàn)得到的指標(biāo)用剪強(qiáng)度值。固結(jié)快剪試驗(yàn)得到的指標(biāo)用 ccq 、 cq表示。表示。慢剪試驗(yàn)慢剪試驗(yàn) l 施加豎向壓力后土樣固結(jié)排水的要求施加豎向壓力后土樣固結(jié)排水的要求與固結(jié)快剪試驗(yàn)相同，在固結(jié)終了后以與固結(jié)快剪試驗(yàn)相同，在固結(jié)終了后以相當(dāng)慢的速度施加水平剪力，剪切速率相當(dāng)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(shí)間排水和產(chǎn)生體積變形，過程中有充分時(shí)間排水和產(chǎn)生體積變形，得到的指標(biāo)模擬完全排水的工況。慢剪得到的指標(biāo)模擬完全排水的工況。慢剪試驗(yàn)

11、指標(biāo)用試驗(yàn)指標(biāo)用 cs 、 s 。 豎向壓力豎向壓力剪應(yīng)力剪應(yīng)力結(jié)果結(jié)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(jié)快剪固結(jié)快剪用透水板用透水板快速快速剪切時(shí)透水剪切時(shí)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(yīng)力或剪應(yīng)力，無論剪切速樣承受法向應(yīng)力或剪應(yīng)力，無論剪切速度多快，孔隙水總會(huì)沿著土樣和環(huán)刀之度多快，孔隙水總會(huì)沿著土樣和環(huán)刀之間的縫隙流失，無法測(cè)定不排水條件下間的縫隙流失，無法測(cè)定不排水條件下的強(qiáng)度，使快剪試驗(yàn)的結(jié)果特別離散，的強(qiáng)度，使快剪試驗(yàn)的結(jié)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(xiǎn)的；于危險(xiǎn)的；在在固結(jié)快剪試驗(yàn)中，剪切時(shí)固結(jié)快剪試驗(yàn)中，剪切時(shí)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(xiàn)報(bào)道，對(duì)于塑性指數(shù)小于曾有文獻(xiàn)報(bào)道，對(duì)于塑性指數(shù)小于11的的土，固結(jié)快剪試驗(yàn)的內(nèi)摩擦角與慢剪試驗(yàn)的土，固結(jié)快剪試驗(yàn)的內(nèi)摩擦角與慢剪試驗(yàn)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(yàn)的內(nèi)一般只比慢剪試驗(yàn)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(jié)快

13、剪試驗(yàn)中孔隙水消散很快，剪切時(shí)在固結(jié)快剪試驗(yàn)中孔隙水消散很快，剪切時(shí)土的固結(jié)狀態(tài)已接近于慢剪試驗(yàn)，因此兩者土的固結(jié)狀態(tài)已接近于慢剪試驗(yàn)，因此兩者的結(jié)果相近。的結(jié)果相近。由此可見，直剪試驗(yàn)不適用于由此可見，直剪試驗(yàn)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(duì)軟土作快剪試驗(yàn)時(shí)，由。對(duì)軟土作快剪試驗(yàn)時(shí)，由于豎向荷載對(duì)土樣的擠壓作用，軟土側(cè)面擠入于豎向荷載對(duì)土樣的擠壓作用，軟土側(cè)面擠入縫隙中，既破壞了土的結(jié)構(gòu)，又影響了試驗(yàn)的縫隙中，既破壞了土的結(jié)構(gòu)，又影響了試驗(yàn)

14、的結(jié)果。試驗(yàn)砂土?xí)r，細(xì)小的砂粒嵌進(jìn)上下盒之結(jié)果。試驗(yàn)砂土?xí)r，細(xì)小的砂粒嵌進(jìn)上下盒之間的縫隙中使摩阻力增大，使試驗(yàn)結(jié)果失真。間的縫隙中使摩阻力增大，使試驗(yàn)結(jié)果失真。可見可見直剪儀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(yàn)時(shí)土樣的直剪試驗(yàn)時(shí)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(shí)際工程中發(fā)生在土體內(nèi)的定為水平方向，這與實(shí)際工程中發(fā)生在土體內(nèi)的剪切面方向是不一致的。實(shí)際工程中，剪切面方向是不一致的。實(shí)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(huì)得果硬性規(guī)定的剪切面正好在粉砂薄層中，就會(huì)得到過大的抗剪強(qiáng)度值。到過大的抗剪強(qiáng)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(yīng)力條件非常復(fù)雜且土樣應(yīng)力條件非常復(fù)雜 這一缺點(diǎn)限制這一缺點(diǎn)限制了直剪儀在研究方面的應(yīng)用，但在工程了直剪儀在研究方面的應(yīng)用，但在工程實(shí)用方面引起的誤差是可以容許的。實(shí)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(guó)外已直剪儀存在許多致命的缺陷，國(guó)外已經(jīng)被淘汰，

16、但我國(guó)還是常規(guī)武器；經(jīng)被淘汰，但我國(guó)還是常規(guī)武器；l2. 我國(guó)地基設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)直剪儀的態(tài)度，我國(guó)地基設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)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(shí)間內(nèi)，正確認(rèn)識(shí)直剪儀的在過渡的時(shí)間內(nèi)，正確認(rèn)識(shí)直剪儀的問題，不致發(fā)生濫用是至關(guān)重要的；問題，不致發(fā)生濫用是至關(guān)重要的；l直剪試驗(yàn)不適用于低塑性土。直剪試驗(yàn)不適用于低塑性土。 l直剪試驗(yàn)也不適用于砂土和軟土。直剪試驗(yàn)也不適用于砂土和軟土。 l如如8989版建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定版建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定直剪試驗(yàn)只適用于二級(jí)及三

17、級(jí)建筑物的直剪試驗(yàn)只適用于二級(jí)及三級(jí)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(yàn)的土樣是在軸對(duì)稱應(yīng)力條三軸試驗(yàn)的土樣是在軸對(duì)稱應(yīng)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(yīng)力主應(yīng)力 3 3 ，頂面和底面作用著大主應(yīng)力頂面和底面作用著大主應(yīng)力 1 1 ，大、小主應(yīng)力可以根據(jù)試驗(yàn)要求控大、小主應(yīng)力可以根據(jù)試驗(yàn)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(shè)置了皮膜中，在土樣的底面和頂面都設(shè)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(cè)變土樣的排水條件，并可通過管道量測(cè)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(yàn)原理三軸試驗(yàn)原理 :l以材料力學(xué)的摩爾圓表示一點(diǎn)的應(yīng)力狀以材料力學(xué)的摩爾圓表示一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)為基礎(chǔ)，以庫侖強(qiáng)度理論為準(zhǔn)則。態(tài)為基礎(chǔ)，以庫侖強(qiáng)度理論為準(zhǔn)則。l三軸試驗(yàn)方法三軸試驗(yàn)方法: : l利用三軸儀的設(shè)備條件，用各種方法模利用三軸儀的設(shè)備條件，用各種方法模擬土的各種應(yīng)力條件和物理狀態(tài)。擬土的各種應(yīng)力條件和物理狀態(tài)。l三軸試驗(yàn)結(jié)果的資料整理三軸試驗(yàn)結(jié)果的資料整理 ：l試驗(yàn)資料的分析計(jì)算：試驗(yàn)資料的分析計(jì)算：l 三軸試驗(yàn)是建立在軸對(duì)稱極限平衡三軸試驗(yàn)是建立在軸對(duì)稱極

19、限平衡理論基礎(chǔ)上的一種土工試驗(yàn)，與直剪試?yán)碚摶A(chǔ)上的一種土工試驗(yàn)，與直剪試驗(yàn)相比，應(yīng)力條件明確，分析原理嚴(yán)密，驗(yàn)相比，應(yīng)力條件明確，分析原理嚴(yán)密，可以模擬各種排水條件和應(yīng)力條件?？梢阅M各種排水條件和應(yīng)力條件。l破壞圓是破壞時(shí)的應(yīng)力圓破壞圓是破壞時(shí)的應(yīng)力圓l破壞圓的公切線即為強(qiáng)度包線破壞圓的公切線即為強(qiáng)度包線l l從從0點(diǎn)到圓心的距離等于半徑除以點(diǎn)到圓心的距離等于半徑除以sin ；l移項(xiàng)以后就得到極限平衡條件的表達(dá)式移項(xiàng)以后就得到極限平衡條件的表達(dá)式131322=sincoscsin1223131=ctgcl 化簡(jiǎn)并通過三角函數(shù)間的變換關(guān)系，化簡(jiǎn)并通過三角函數(shù)間的變換關(guān)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(yīng)力和小主應(yīng)力分別為承受大主應(yīng)力和小主應(yīng)力分別為450kPa和和150kPa，試判斷該土樣是否達(dá)到極限平衡狀態(tài)？試判斷該土樣是否達(dá)到極限平衡狀態(tài)？l 解解 已知小主應(yīng)力，現(xiàn)將其余已知的有關(guān)數(shù)據(jù)代已知小主應(yīng)力，現(xiàn)將其余已知的有關(guān)數(shù)據(jù)代入到式入到式(6-6)的右側(cè)，得小主應(yīng)力的計(jì)算值為：的右側(cè)，得小主應(yīng)力的計(jì)算值為： l計(jì)算結(jié)果可以認(rèn)為的計(jì)算值與已知值相等，所以計(jì)算結(jié)果可以認(rèn)為的計(jì)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(duì)上述問題：內(nèi)摩擦角為對(duì)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(yīng)力和小主應(yīng)承受大主應(yīng)力和小主應(yīng)力分別為力分別為450kPa和和150kPal 如果用圖解法，則同樣會(huì)得到摩爾如果用圖解法，則同樣會(huì)得到摩爾應(yīng)力圓與抗剪強(qiáng)度線相切的結(jié)果。應(yīng)力圓與抗剪強(qiáng)度線相切的結(jié)果。 l1. 1 3時(shí)，摩爾圓為一個(gè)點(diǎn)；時(shí)，摩爾圓為一個(gè)點(diǎn)；l2. 在在 1逐漸增大的過程中，達(dá)到破壞以逐漸增大的過程中，達(dá)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(dāng)土體處于圓處于彈性狀態(tài)。當(dāng)土體處于K0條條件時(shí)，如圖中的件時(shí)，如圖中的K0圓，此時(shí)的土體處于圓，此時(shí)的土體處于彈性平衡狀態(tài)，不會(huì)發(fā)生破壞。彈性平衡狀態(tài)，不會(huì)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(gè)特征點(diǎn)，一個(gè)的最大剪應(yīng)力，將每個(gè)個(gè)特征點(diǎn)，一個(gè)的最大剪應(yīng)力，將每個(gè)破壞圓是的最大剪應(yīng)力點(diǎn)連成破壞圓是的最大剪應(yīng)力點(diǎn)連成Kf線，線，Kf線不是強(qiáng)度包線。線不是強(qiáng)度包線。l5. 一系列破壞圓的公切線

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

24、加軸向的偏應(yīng)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(yīng)力，偏應(yīng)力與周圍壓力之即為小主應(yīng)力，偏應(yīng)力與周圍壓力之和和 3 +( 1- 3)即為大主應(yīng)力即為大主應(yīng)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(jié)果的準(zhǔn)確性。定，以保證使用結(jié)果的準(zhǔn)確性。l 對(duì)于剪切時(shí)不排水的試驗(yàn)，采用量對(duì)于剪切時(shí)不排水的試驗(yàn)，采用量測(cè)穩(wěn)壓系統(tǒng)中補(bǔ)充給壓力室的水量來測(cè)測(cè)穩(wěn)壓系統(tǒng)中補(bǔ)充給壓力室的水量來測(cè)定土樣的體積變形，此時(shí)穩(wěn)壓系

25、統(tǒng)具有定土樣的體積變形，此時(shí)穩(wěn)壓系統(tǒng)具有量測(cè)的作用，但對(duì)壓力水去除氣泡的要量測(cè)的作用，但對(duì)壓力水去除氣泡的要求很高。求很高。l 量測(cè)系統(tǒng)用以量測(cè)從土樣中排出孔量測(cè)系統(tǒng)用以量測(cè)從土樣中排出孔隙水的體積，測(cè)定孔隙水壓力的變化以隙水的體積，測(cè)定孔隙水壓力的變化以及對(duì)土樣施加應(yīng)力的大小。及對(duì)土樣施加應(yīng)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(yīng)力作用時(shí)的排水條樣在周圍壓力和偏應(yīng)力作用時(shí)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(diǎn)，因此能夠測(cè)定在不同固結(jié)排水的缺點(diǎn)，因此能夠測(cè)定在不同固結(jié)排水條件下的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。條件下

26、的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。l試驗(yàn)方法：試驗(yàn)方法：l不固結(jié)不排水剪不固結(jié)不排水剪l固結(jié)不排水剪固結(jié)不排水剪l固結(jié)排水剪固結(jié)排水剪l分析方法：分析方法：l總應(yīng)力法總應(yīng)力法l有效應(yīng)力法有效應(yīng)力法試驗(yàn)方法試驗(yàn)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(jié)不排不固結(jié)不排水剪水剪UU關(guān)排水閥門關(guān)排水閥門 關(guān)排水閥門關(guān)排水閥門不測(cè)孔隙水不測(cè)孔隙水壓力壓力固結(jié)不排水固結(jié)不排水剪剪CU開排水閥門開排水閥門 關(guān)排水閥門關(guān)排水閥門測(cè)孔隙水壓測(cè)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(shí)關(guān)閉排水閥門，在施加周圍壓力時(shí)關(guān)閉排水閥門，此時(shí)

27、土樣內(nèi)的孔隙水壓力等于周圍壓力，此時(shí)土樣內(nèi)的孔隙水壓力等于周圍壓力，隨后也在關(guān)閉排水閥門的條件下施加偏隨后也在關(guān)閉排水閥門的條件下施加偏應(yīng)力，不容許土樣中的孔隙水排出，直應(yīng)力，不容許土樣中的孔隙水排出，直至土樣剪切破壞，測(cè)定的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)至土樣剪切破壞，測(cè)定的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)用用cu、 u 表示，對(duì)飽和土表示，對(duì)飽和土 u 。l 試驗(yàn)時(shí)先對(duì)土樣施加周圍壓力并打試驗(yàn)時(shí)先對(duì)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(shí)量測(cè)孔隙水壓力則可觀減小，如果同時(shí)量測(cè)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(jié)以后關(guān)閉排水閥門，然后施加排水固結(jié)以后關(guān)閉排水閥門，然后施加偏應(yīng)力直至破壞，由于已經(jīng)關(guān)閉了排水偏應(yīng)力直至破壞，由于已經(jīng)關(guān)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(jié)不排水試驗(yàn)得出的抗剪強(qiáng)度指固結(jié)不排水試驗(yàn)得出的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)用標(biāo)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(shí)測(cè)定土樣內(nèi)的孔隙水壓力，則可閥同時(shí)測(cè)定土樣內(nèi)的孔隙水壓力，則可得到孔隙水壓力與剪切應(yīng)變的關(guān)系曲線，得到孔隙水壓力與剪切應(yīng)變的關(guān)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(yīng)力的全過程在施加周圍壓力和偏應(yīng)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(yīng)使孔隙水壓力始終處于消散為零的狀應(yīng)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(cè)定的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)用終是打開的。所測(cè)定的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)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(gè)土樣分別在周圍壓力為個(gè)土樣分別在周圍壓力為50kPa、100kPa、150kPa和和200kPa作用下固結(jié)不排水試驗(yàn)，測(cè)得剪作

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

31、驗(yàn)記錄的是周圍壓力，即小主應(yīng)試驗(yàn)記錄的是周圍壓力，即小主應(yīng)力力 3和軸向的力，即測(cè)力計(jì)讀數(shù)與測(cè)力和軸向的力，即測(cè)力計(jì)讀數(shù)與測(cè)力計(jì)率定系數(shù)的乘積計(jì)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(yīng)力差得到主應(yīng)力差 1- 3 ;=10AAa1031=aACRl主應(yīng)力差除以主應(yīng)力差除以2就得到破壞應(yīng)力圓的半徑。就得到破壞應(yīng)力圓的半徑。l破壞應(yīng)力圓的半徑破壞應(yīng)力圓的半徑l主應(yīng)力差加小主應(yīng)力就得到大主應(yīng)力主應(yīng)力差加小主應(yīng)力就得到大主應(yīng)力 1。l計(jì)算大、小主應(yīng)力之和的一半，就得到破計(jì)算大、小主應(yīng)力之和的一半，就得到破壞應(yīng)力圓的圓心坐標(biāo)值壞應(yīng)力圓的圓心坐標(biāo)值l已知

32、圓心坐標(biāo)和半徑，就可以畫破壞應(yīng)力已知圓心坐標(biāo)和半徑，就可以畫破壞應(yīng)力圓。圓。231231l試樣固結(jié)后的高度試樣固結(jié)后的高度l試樣固結(jié)后的面積試樣固結(jié)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(yīng)變軸向應(yīng)變圓心坐標(biāo)圓心坐標(biāo)莫爾圓半徑莫爾圓半徑l有效應(yīng)力有效應(yīng)力l孔隙水壓力對(duì)強(qiáng)度的影響孔隙水壓力對(duì)強(qiáng)度的影響l用有效應(yīng)力表示的強(qiáng)度用有效應(yīng)力表示的強(qiáng)度fcu tg= fctg= u=l有效應(yīng)力圓的圓心坐標(biāo)與半徑的計(jì)算公有效應(yīng)力圓的圓心坐標(biāo)與半徑的計(jì)算公式表明，有效應(yīng)力圓的圓心與總應(yīng)力圓式表明，有效應(yīng)力圓的圓心與總應(yīng)力圓的圓心之

33、差為破壞時(shí)的孔隙水壓力，有的圓心之差為破壞時(shí)的孔隙水壓力，有效應(yīng)力圓的半徑與總應(yīng)力圓相同。效應(yīng)力圓的半徑與總應(yīng)力圓相同。131313222=uuufff131313222=uuffl有效大主應(yīng)力有效大主應(yīng)力l有效小主應(yīng)力有效小主應(yīng)力u=11 u=33 l有效主應(yīng)力比有效主應(yīng)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(shí)孔隙水壓力系數(shù)破壞時(shí)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(yīng)力差的峰值作為破壞點(diǎn)以主應(yīng)力差的峰值作為破壞點(diǎn)l以有效主應(yīng)力比的峰值作為破壞點(diǎn)以有效主應(yīng)力比的峰值作為

34、破壞點(diǎn)l以有效應(yīng)力路徑的密集點(diǎn)為破壞點(diǎn)以有效應(yīng)力路徑的密集點(diǎn)為破壞點(diǎn)l以軸向應(yīng)變以軸向應(yīng)變15時(shí)的主應(yīng)力差為破壞點(diǎn)時(shí)的主應(yīng)力差為破壞點(diǎn)l 不固結(jié)不排水強(qiáng)度是天然強(qiáng)度，不不固結(jié)不排水強(qiáng)度是天然強(qiáng)度，不是強(qiáng)度指標(biāo)；是強(qiáng)度指標(biāo)；l 不固結(jié)不排水強(qiáng)度是總強(qiáng)度，反映不固結(jié)不排水強(qiáng)度是總強(qiáng)度，反映了某種狀態(tài)的結(jié)果；了某種狀態(tài)的結(jié)果；l 無法反映土的抗剪強(qiáng)度隨法向應(yīng)力無法反映土的抗剪強(qiáng)度隨法向應(yīng)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(jié)不不固結(jié)不排水強(qiáng)度排水強(qiáng)度隨深度增隨深度增長(zhǎng)，不能長(zhǎng)，不能提供平均提供平均值。值。cuz l用以計(jì)算地基承載力，不能反映基礎(chǔ)埋

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

36、 土樣編號(hào) 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(yàn)資料分析結(jié)果 粘聚力 / kPa 內(nèi)摩擦角 / 總應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo) ccu = 10 cu = 18 有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo) c = 6 = 27 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的選取 規(guī)范 儀器 試驗(yàn)方法 指標(biāo)處理方法 建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范 三軸 不固結(jié)不排水 c、分別取標(biāo)準(zhǔn)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(jié)快剪 不固結(jié)不排水 考慮 c、 負(fù)相關(guān)的簡(jiǎn)化相關(guān)法取平均值和標(biāo)準(zhǔn)差 上海地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范 直剪 固結(jié)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(yàn)地基規(guī)范已經(jīng)廢除了直剪試驗(yàn)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(shí)對(duì)直剪和三軸的說法三次規(guī)范修訂時(shí)對(duì)直剪和三軸的說法l我國(guó)面前大面積推廣三軸的條件我國(guó)面前大面積推廣三軸的條件l如何實(shí)現(xiàn)用三軸試驗(yàn)完成剪切試驗(yàn)？如何實(shí)現(xiàn)用三軸試驗(yàn)完成剪切試驗(yàn)？l儀器條件配備一定數(shù)量的設(shè)備儀器條件配備一定數(shù)量的設(shè)備l技術(shù)和人員具有一支技術(shù)隊(duì)伍技術(shù)和人員具有一支技術(shù)隊(duì)伍l技術(shù)要求少而精

38、技術(shù)要求少而精l1.我們這里做三軸不固結(jié)不排水試驗(yàn)都是先讓試樣飽和，然后再進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果是硬塑至堅(jiān)硬的土，其抗剪強(qiáng)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(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50007-2002要求土的剪切指標(biāo)用三軸壓縮試驗(yàn)中的不固結(jié)不排水試驗(yàn)確定，對(duì)于非飽和土，在試驗(yàn)前先進(jìn)行飽和再試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果還能代表實(shí)際地層的力學(xué)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(xué)卻是在飽和土的基礎(chǔ)上發(fā)展起的土力學(xué)卻是在飽和土的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，非飽和土的

39、土力學(xué)還處在發(fā)展階來的，非飽和土的土力學(xué)還處在發(fā)展階段，非飽和土的試驗(yàn)比飽和土更為復(fù)雜。段，非飽和土的試驗(yàn)比飽和土更為復(fù)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(rèn)識(shí)上的混亂，用飽合適，引起了人們認(rèn)識(shí)上的混亂，用飽和土的試驗(yàn)方法來測(cè)定非飽和土的抗剪和土的試驗(yàn)方法來測(cè)定非飽和土的抗剪強(qiáng)度，這怎么能夠得到符合實(shí)際的指標(biāo)強(qiáng)度，這怎么能夠得到符合實(shí)際的指標(biāo)呢？呢？ bfwafaffuuuctan)(tan)(= 式中 c有效粘聚力； fafu )(破壞面上的凈法向應(yīng)力； afu破壞面上的孔隙氣壓力； 與凈法向應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)的內(nèi)摩擦角； fwauu)(破壞面上的基質(zhì)吸力； b表示抗剪強(qiáng)度隨基質(zhì)吸力而增加的速率。 l 當(dāng)土接近飽和時(shí)，基質(zhì)吸力趨向于當(dāng)土接近飽和時(shí)，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(xiàng)趨于零，就變?yōu)轱柡屯恋目鬼?xiàng)趨于零，就變?yōu)轱柡屯恋目辜魪?qiáng)度公式。剪強(qiáng)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(gè)抗剪強(qiáng)個(gè)抗剪強(qiáng)度的參數(shù)，試驗(yàn)時(shí)不僅需要量測(cè)孔隙水度的參數(shù)，試驗(yàn)時(shí)不僅需要量測(cè)孔隙水壓力，而且還需要量測(cè)孔隙氣壓力，這壓力，而且還需要量測(cè)孔隙氣壓力，這在一般的常規(guī)三