第5章 土的抗剪強(qiáng)度

1、第第五五章章土的抗剪強(qiáng)度土的抗剪強(qiáng)度u學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)目標(biāo) 掌握土的抗剪強(qiáng)度表示方法和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的測定方法，學(xué)會(huì)利用土的極限平衡條件分析土中平衡狀態(tài)的方法。u學(xué)習(xí)基本要求學(xué)習(xí)基本要求 1. 掌握抗剪強(qiáng)度公式，熟悉抗剪強(qiáng)度的影響因素 2掌握摩爾-庫侖抗剪強(qiáng)度理論和極限平衡理論 3掌握抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的測定方法 4掌握不同固結(jié)和排水條件下土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的意義及 應(yīng)用 5了解應(yīng)力路徑的概念5.1 5.1 概述概述 5.2 5.2 土的強(qiáng)度理論與強(qiáng)度指標(biāo)土的強(qiáng)度理論與強(qiáng)度指標(biāo)5.3 5.3 土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的試驗(yàn)方法土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的試驗(yàn)方法 及其應(yīng)用及其應(yīng)用5.4 5.4 關(guān)于土的抗剪強(qiáng)度影響因素的關(guān)于

2、土的抗剪強(qiáng)度影響因素的 討論討論本章主要內(nèi)容：本章主要內(nèi)容： 土的抗剪強(qiáng)度土的抗剪強(qiáng)度：土體對(duì)于外荷載所產(chǎn)生的剪應(yīng)力的極限抵：土體對(duì)于外荷載所產(chǎn)生的剪應(yīng)力的極限抵抗能力。其數(shù)值等于剪切破壞時(shí)滑動(dòng)面上的剪應(yīng)力?？鼓芰?。其數(shù)值等于剪切破壞時(shí)滑動(dòng)面上的剪應(yīng)力。 在外荷載的作用下，土體中任一截面將同時(shí)產(chǎn)生正（法向在外荷載的作用下，土體中任一截面將同時(shí)產(chǎn)生正（法向）應(yīng)力和剪應(yīng)力，其中）應(yīng)力和剪應(yīng)力，其中正應(yīng)力作用將使土體發(fā)生壓密，而正應(yīng)力作用將使土體發(fā)生壓密，而剪應(yīng)力作用可使土體發(fā)生剪切變形剪應(yīng)力作用可使土體發(fā)生剪切變形。 當(dāng)土中一點(diǎn)某一截面上由外力所產(chǎn)生的剪應(yīng)力達(dá)到土的抗當(dāng)土中一點(diǎn)某一截面上由外力所產(chǎn)

3、生的剪應(yīng)力達(dá)到土的抗剪強(qiáng)度時(shí)，它將沿著剪應(yīng)力作用方向產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，該點(diǎn)剪強(qiáng)度時(shí)，它將沿著剪應(yīng)力作用方向產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，該點(diǎn)便發(fā)生剪切破壞。便發(fā)生剪切破壞。剪切破壞剪切破壞是土體破壞的重要特點(diǎn)。是土體破壞的重要特點(diǎn)。 土體強(qiáng)度表現(xiàn)為：一部分土體相對(duì)與另一部分土體的滑動(dòng)土體強(qiáng)度表現(xiàn)為：一部分土體相對(duì)與另一部分土體的滑動(dòng)，滑動(dòng)面上剪應(yīng)力超過了，滑動(dòng)面上剪應(yīng)力超過了極限抵抗能力極限抵抗能力即即抗剪強(qiáng)度抗剪強(qiáng)度。5.1 5.1 概述概述5p土壓力p邊坡穩(wěn)定p地基承載力p擋土結(jié)構(gòu)物破壞p各種類型的滑坡p地基的破壞核心強(qiáng)度理論工程中土體的破壞類型大阪的港口碼頭擋土墻由于液化前傾大阪的港口碼頭擋土墻由于液化前傾

4、1. 擋土結(jié)構(gòu)物的破壞擋土結(jié)構(gòu)物的破壞1. 擋土結(jié)構(gòu)物的破壞擋土結(jié)構(gòu)物的破壞廣州京光廣場基坑塌方廣州京光廣場基坑塌方 使基坑旁辦公使基坑旁辦公室、民工宿舍和室、民工宿舍和倉庫倒塌，死倉庫倒塌，死3人，人，傷傷17人。人。1. 擋土結(jié)構(gòu)物的破壞擋土結(jié)構(gòu)物的破壞擋土墻擋土墻滑裂面滑裂面 基坑支護(hù)基坑支護(hù) 土體抗剪強(qiáng)度不足造土體抗剪強(qiáng)度不足造成的山體滑坡。成的山體滑坡。邊坡邊坡滑裂面滑裂面 2. 各種類型的滑坡各種類型的滑坡平移滑平移滑動(dòng)動(dòng)2. 各種類型的滑坡各種類型的滑坡崩塌崩塌旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)流滑流滑 土體抗剪強(qiáng)度不足造土體抗剪強(qiáng)度不足造成的樓房倒塌。成的樓房倒塌。3. 地基的破壞地基的破壞地基

5、地基p滑裂面滑裂面 12p土壓力p邊坡穩(wěn)定p地基承載力p擋土結(jié)構(gòu)物破壞p各種類型的滑坡p地基的破壞核心強(qiáng)度理論工程中土體的破壞類型 材料在空間應(yīng)力狀態(tài)下破壞的規(guī)律，即強(qiáng)度理論。第一強(qiáng)度理論（最大拉應(yīng)力理論）：第二強(qiáng)度理論（最大伸長現(xiàn)應(yīng)變理論）：第三強(qiáng)度理論（最大切應(yīng)力理論）：第四強(qiáng)度理論（形狀改變能密度理論）： 123 - () 1 1，即即1 13- 2221223311()()() 2 材料力學(xué)關(guān)于強(qiáng)度理論的知識(shí)材料力學(xué)關(guān)于強(qiáng)度理論的知識(shí)本構(gòu)關(guān)系廣義上是指自然界中某作用與由該作用產(chǎn)生的效應(yīng)兩者之間的關(guān)系。如電學(xué)中電壓與電流的關(guān)系，水力學(xué)中水力梯度與滲流之間的關(guān)系，熱學(xué)中溫差與熱流之間的關(guān)系

6、等。描述巖土的本構(gòu)關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式稱為巖土的本構(gòu)方程，或巖土的本構(gòu)模型。如彈性模型、彈塑性模型、粘彈塑性模型、內(nèi)蘊(yùn)時(shí)間塑性模型和損傷模型等。材料產(chǎn)生屈服與破壞的條件和準(zhǔn)則，是研究材料本構(gòu)關(guān)系的前提和基礎(chǔ)。巖土體破壞準(zhǔn)則有屈瑞斯卡(Tresca)屈服準(zhǔn)則、米塞斯(Mises)準(zhǔn)則、摩爾-庫倫(Mohr-Coulomb)屈服準(zhǔn)則、辛克維茲-潘德(Z-P)準(zhǔn)則以及余茂宏提出的雙剪應(yīng)力準(zhǔn)則。彈塑性力學(xué)中的相關(guān)知識(shí)彈塑性力學(xué)中的相關(guān)知識(shí)一、抗剪強(qiáng)度的庫侖定律一、抗剪強(qiáng)度的庫侖定律二、土的抗剪強(qiáng)度的構(gòu)成二、土的抗剪強(qiáng)度的構(gòu)成三、土的強(qiáng)度理論三、土的強(qiáng)度理論- -極限平衡理論極限平衡理論5.2 5.2 土的

7、強(qiáng)度理論與強(qiáng)度指標(biāo)土的強(qiáng)度理論與強(qiáng)度指標(biāo)本節(jié)主要內(nèi)容：法國軍事工程師法國軍事工程師在摩擦、電磁方在摩擦、電磁方面奠基性的貢獻(xiàn)面奠基性的貢獻(xiàn)1773年發(fā)表土壓年發(fā)表土壓力方面論文，成力方面論文，成為經(jīng)典理論。為經(jīng)典理論。庫侖（C. A. Coulomb）(1736-1806)一、庫侖定律一、庫侖定律17761776年，庫侖根據(jù)年，庫侖根據(jù)砂土砂土剪切試驗(yàn)剪切試驗(yàn) f = tan 砂土砂土后來，根據(jù)后來，根據(jù)粘性土粘性土剪切試驗(yàn)剪切試驗(yàn) f =c+ tan 粘土粘土c 庫侖定律：庫侖定律：土的抗剪強(qiáng)土的抗剪強(qiáng)度是剪切面上的法向總應(yīng)度是剪切面上的法向總應(yīng)力力 的線性函數(shù)的線性函數(shù) tanftanfc

8、 c: :土的粘聚力土的粘聚力 : :土的內(nèi)摩擦角土的內(nèi)摩擦角 f f庫倫公式庫倫公式 cf 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c: :土的粘聚力土的粘聚力 : :土的內(nèi)摩擦角土的內(nèi)摩擦角（無粘性土：（無粘性土：c=0）tanfc 二、土的抗剪強(qiáng)度的構(gòu)成二、土的抗剪強(qiáng)度的構(gòu)成 土的抗剪強(qiáng)度一般可分為兩部分：一部土的抗剪強(qiáng)度一般可分為兩部分：一部分與顆粒間的法向應(yīng)力有關(guān)，通常呈正比例分與顆粒間的法向應(yīng)力有關(guān)，通常呈正比例關(guān)系，其本質(zhì)是關(guān)系，其本質(zhì)是摩擦力摩擦力；另一部分是與法向；另一部分是與法向應(yīng)力無關(guān)的土粒之間的粘結(jié)力，通常稱為應(yīng)力無關(guān)的土粒之間的粘結(jié)力，通常稱為粘粘聚力聚力。 摩擦力摩擦力包括土顆粒之

9、間的表面摩擦力和機(jī)械咬合力，土包括土顆粒之間的表面摩擦力和機(jī)械咬合力，土體滑動(dòng)面上的正應(yīng)力體滑動(dòng)面上的正應(yīng)力越大，土體越密實(shí)，其摩擦力越大。越大，土體越密實(shí)，其摩擦力越大。粘聚力粘聚力包括原始粘聚力、固化粘聚力及毛細(xì)粘聚力。包括原始粘聚力、固化粘聚力及毛細(xì)粘聚力。二、土的抗剪強(qiáng)度的構(gòu)成二、土的抗剪強(qiáng)度的構(gòu)成)(ff三、土的強(qiáng)度理論三、土的強(qiáng)度理論極限平衡理論極限平衡理論 cf 莫爾包線莫爾包線 f =c+ tan 摩摩爾包線表示材料受到不同應(yīng)力作用達(dá)爾包線表示材料受到不同應(yīng)力作用達(dá)到到極限狀態(tài)極限狀態(tài)時(shí)，滑動(dòng)面上法向應(yīng)力時(shí)，滑動(dòng)面上法向應(yīng)力 與剪應(yīng)與剪應(yīng)力力 f 的關(guān)系。的關(guān)系。1.1.摩爾摩

10、爾庫侖強(qiáng)度理論庫侖強(qiáng)度理論（1 1）在一定的應(yīng)力范圍內(nèi)，可以用線性函）在一定的應(yīng)力范圍內(nèi)，可以用線性函數(shù)近似數(shù)近似 f f = = c c + + tgtg （2 2）當(dāng)土體中任意一點(diǎn)在某一平面上的剪當(dāng)土體中任意一點(diǎn)在某一平面上的剪應(yīng)力達(dá)到土的抗剪強(qiáng)度時(shí)，就發(fā)生剪切破應(yīng)力達(dá)到土的抗剪強(qiáng)度時(shí)，就發(fā)生剪切破壞，該點(diǎn)也即處于壞，該點(diǎn)也即處于極限平衡狀態(tài)極限平衡狀態(tài)。2.2.土中一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)土中一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài) 土體內(nèi)一點(diǎn)處土體內(nèi)一點(diǎn)處不同方位不同方位的截面上應(yīng)力的集合的截面上應(yīng)力的集合（剪應(yīng)（剪應(yīng)力力 和法向應(yīng)力和法向應(yīng)力 ） 3 3 1 1 3 1 dldlcos dlsin 楔體靜楔體靜力平衡力

11、平衡0cossinsin3dldldl1coscossin0dldldl應(yīng)力狀態(tài)演示應(yīng)力狀態(tài)演示2cos212131312sin213123122312121 3 1 dldlcos dlsin 斜面上的應(yīng)力斜面上的應(yīng)力莫爾應(yīng)力圓方程莫爾應(yīng)力圓方程 O 1 31/2( 1 + 3 ) 2 A( , )圓心坐標(biāo)圓心坐標(biāo)1/2(1 +3 )，0應(yīng)力圓半徑應(yīng)力圓半徑r1/2(13 )圓上一點(diǎn)、體上圓上一點(diǎn)、體上一面、轉(zhuǎn)角一面、轉(zhuǎn)角2 2倍倍3. 3. 應(yīng)力莫爾圓應(yīng)力莫爾圓 O 1 31/2( 1 + 3 ) 2 A( , )莫爾圓可以表示土體中一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)，莫爾圓莫爾圓可以表示土體中一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)

12、，莫爾圓圓周上各點(diǎn)的坐標(biāo)就表示該點(diǎn)在相應(yīng)平面上的圓周上各點(diǎn)的坐標(biāo)就表示該點(diǎn)在相應(yīng)平面上的正正應(yīng)力應(yīng)力和和剪應(yīng)力剪應(yīng)力。2cos212131312sin2131 3 1 摩爾摩爾-庫倫強(qiáng)度理論演示庫倫強(qiáng)度理論演示應(yīng)力圓與強(qiáng)度線應(yīng)力圓與強(qiáng)度線相離：相離： 強(qiáng)度線強(qiáng)度線應(yīng)力圓與強(qiáng)度線應(yīng)力圓與強(qiáng)度線相切：相切：應(yīng)力圓與強(qiáng)度線應(yīng)力圓與強(qiáng)度線相割：相割：極限應(yīng)極限應(yīng)力圓力圓f 破壞狀態(tài)破壞狀態(tài)不同狀態(tài)時(shí)的摩爾圓4. 4. 極限平衡應(yīng)力狀態(tài)極限平衡應(yīng)力狀態(tài)極限平衡應(yīng)力狀態(tài)：極限平衡應(yīng)力狀態(tài)： 有一面上的應(yīng)力狀態(tài)達(dá)到有一面上的應(yīng)力狀態(tài)達(dá)到 = = f f土的強(qiáng)度包線：土的強(qiáng)度包線： 所有達(dá)到極限平衡狀態(tài)的莫爾

13、園的公切線。所有達(dá)到極限平衡狀態(tài)的莫爾園的公切線。 f 莫爾應(yīng)力圓與庫侖強(qiáng)度線相切的應(yīng)力狀態(tài)作為土的破壞準(zhǔn)則莫爾應(yīng)力圓與庫侖強(qiáng)度線相切的應(yīng)力狀態(tài)作為土的破壞準(zhǔn)則 ( (目前判別土體所處狀態(tài)的最常用準(zhǔn)則目前判別土體所處狀態(tài)的最常用準(zhǔn)則) ) f與破壞包線相交：與破壞包線相交：有一些平有一些平面上的應(yīng)力超過強(qiáng)度；不可面上的應(yīng)力超過強(qiáng)度；不可能發(fā)生能發(fā)生。強(qiáng)度包線以內(nèi)：強(qiáng)度包線以內(nèi)：任何一個(gè)面任何一個(gè)面上的一對(duì)應(yīng)力上的一對(duì)應(yīng)力 與與 都沒有達(dá)都沒有達(dá)到破壞包線，不破壞；到破壞包線，不破壞；與破壞包線相切：與破壞包線相切：有一個(gè)面有一個(gè)面上的應(yīng)力達(dá)到破壞；上的應(yīng)力達(dá)到破壞； 3 1c f2 fA cc

14、tg 1/2( 1 + 3 )313121cot21sinc213tan452 tan 4522ooc231tan452 tan 4522ooc無粘性土：無粘性土：c=0213tan452o231tan452o莫爾莫爾- -庫侖強(qiáng)度理論表達(dá)式極限平衡條件庫侖強(qiáng)度理論表達(dá)式極限平衡條件BO111sinAOBO 土體處于極限平衡狀態(tài)時(shí)，破壞面與大主應(yīng)力作土體處于極限平衡狀態(tài)時(shí)，破壞面與大主應(yīng)力作用面的夾角為用面的夾角為 2 3 1c A cctg 1/2( 1 + 3 )24290545max說明：說明：剪破面并不產(chǎn)生于最大剪應(yīng)力面剪破面并不產(chǎn)生于最大剪應(yīng)力面( (=45=45) )，而與大主應(yīng)力

15、的作用面成面成而與大主應(yīng)力的作用面成面成(=45+ /2)的夾角，的夾角，可知可知, ,土的剪切破壞并不是由最大剪應(yīng)力土的剪切破壞并不是由最大剪應(yīng)力max所控制所控制 maxBO1然而然而1 1f 破壞狀態(tài)破壞狀態(tài) O c 1f 3 1 15. 5. 破壞判斷方法破壞判斷方法 3 3= = 常數(shù)：常數(shù)：由由3計(jì)算計(jì)算1f，比較比較1與與1f 1 1= = 常數(shù)：常數(shù)：由由1計(jì)算計(jì)算3f，比較比較3與與3f3 3f 彈性平衡狀態(tài)彈性平衡狀態(tài)3= =3f 極限平衡狀態(tài)極限平衡狀態(tài)3 3f 破壞狀態(tài)破壞狀態(tài) O c 1 3f 3 3 5.3 5.3 土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的試驗(yàn)方法及其應(yīng)用土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

16、的試驗(yàn)方法及其應(yīng)用一、直接剪切試驗(yàn)一、直接剪切試驗(yàn)剪前施加在試樣頂面剪前施加在試樣頂面上的豎向壓力為剪破上的豎向壓力為剪破面上的法向應(yīng)力面上的法向應(yīng)力 ，剪剪應(yīng)力由剪切力除以試應(yīng)力由剪切力除以試樣面積樣面積APATf2mm2mm a a b b 剪切位移剪切位移l (0.01mm)(0.01mm) 剪應(yīng)力剪應(yīng)力 （kPa)kPa) 1 1 2 2 在不同的垂直壓力在不同的垂直壓力 下進(jìn)行剪切試驗(yàn)，得相應(yīng)的抗剪下進(jìn)行剪切試驗(yàn)，得相應(yīng)的抗剪強(qiáng)度強(qiáng)度f，繪制繪制f - 曲線，得該土的抗剪強(qiáng)度包線曲線，得該土的抗剪強(qiáng)度包線通過控制剪切速率來通過控制剪切速率來近似模擬排水條件近似模擬排水條件 1. 1.

17、 快剪快剪在試樣施加垂直壓力在試樣施加垂直壓力 后，立即快速施加水平剪后，立即快速施加水平剪應(yīng)力使試樣剪切破壞，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)應(yīng)力使試樣剪切破壞，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)cq、q。 3. 固結(jié)慢剪：固結(jié)慢剪：在試樣施加垂直壓力在試樣施加垂直壓力 后，允許試樣充分排水，后，允許試樣充分排水，待固結(jié)完成后，以緩慢的速率施加水平剪應(yīng)力使待固結(jié)完成后，以緩慢的速率施加水平剪應(yīng)力使試樣剪切破壞試樣剪切破壞, ,抗剪強(qiáng)度指標(biāo)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)cs、s 。 2. 2. 固結(jié)快剪固結(jié)快剪在試樣施加垂直壓力后，允許試樣充分排水，在試樣施加垂直壓力后，允許試樣充分排水，待固結(jié)完成后，再快速施加水平剪應(yīng)力使試樣待固結(jié)完成后，再快速施加

18、水平剪應(yīng)力使試樣剪切破壞剪切破壞, ,抗剪強(qiáng)度指標(biāo)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)ccq、cq。直接剪切直接剪切試驗(yàn)方法試驗(yàn)方法缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：l 剪切面限定在上下盒之間的平面，而不是沿土樣最剪切面限定在上下盒之間的平面，而不是沿土樣最 薄弱的面剪切破壞薄弱的面剪切破壞; ;l剪切面上剪應(yīng)力分布不均勻，土樣剪切破壞時(shí)先從剪切面上剪應(yīng)力分布不均勻，土樣剪切破壞時(shí)先從 邊緣開始，在邊緣發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象邊緣開始，在邊緣發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象; ;l在剪切過程中，土樣剪切面逐漸縮小，而在計(jì)算抗在剪切過程中，土樣剪切面逐漸縮小，而在計(jì)算抗 剪強(qiáng)度時(shí)卻是按土樣的原截面積計(jì)算剪強(qiáng)度時(shí)卻是按土樣的原截面積計(jì)算; ;l試驗(yàn)時(shí)不能嚴(yán)格控制排水

19、條件，不能量測孔隙水壓試驗(yàn)時(shí)不能嚴(yán)格控制排水條件，不能量測孔隙水壓 力、在進(jìn)行不排水剪切時(shí)，試件仍有可能排水，特別力、在進(jìn)行不排水剪切時(shí)，試件仍有可能排水，特別 對(duì)于飽和粘粘性土。對(duì)于飽和粘粘性土。直接剪切試驗(yàn)優(yōu)缺點(diǎn)直接剪切試驗(yàn)優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn):l 設(shè)備簡單，操作方便設(shè)備簡單，操作方便l 結(jié)果便于整理結(jié)果便于整理l 測試時(shí)間短測試時(shí)間短PT剪切面剪切面T 與與快剪試驗(yàn)快剪試驗(yàn)相對(duì)應(yīng)的工程實(shí)例相對(duì)應(yīng)的工程實(shí)例軟土地基上快速施工的填方軟土地基上快速施工的填方土壩快速施工，墻未固結(jié)土壩快速施工，墻未固結(jié) 快剪快剪模擬透水性弱的粘土地基受到建筑物的快速荷載或模擬透水性弱的粘土地基受到建筑物的快速荷載或土

20、壩在快速施工中被剪破的情況。土壩在快速施工中被剪破的情況。與直接剪切試驗(yàn)相關(guān)的工程實(shí)例與直接剪切試驗(yàn)相關(guān)的工程實(shí)例 與與慢剪試驗(yàn)慢剪試驗(yàn)相對(duì)應(yīng)的工程實(shí)例相對(duì)應(yīng)的工程實(shí)例 慢剪慢剪模擬粘土地基和土壩在自重作用下已壓縮穩(wěn)定后，模擬粘土地基和土壩在自重作用下已壓縮穩(wěn)定后，受緩慢荷載被剪破的情況；或砂土受靜荷載被剪破的情況。受緩慢荷載被剪破的情況；或砂土受靜荷載被剪破的情況。 與與固結(jié)快剪固結(jié)快剪試驗(yàn)相對(duì)應(yīng)的工程實(shí)例試驗(yàn)相對(duì)應(yīng)的工程實(shí)例 固結(jié)快剪固結(jié)快剪的受力排水條件在現(xiàn)場很少遇到。如何合理地的受力排水條件在現(xiàn)場很少遇到。如何合理地把試驗(yàn)結(jié)果使用于穩(wěn)定分析中尚需進(jìn)一步探討。把試驗(yàn)結(jié)果使用于穩(wěn)定分析中尚

21、需進(jìn)一步探討。三軸壓縮試驗(yàn)也稱三軸剪切試驗(yàn)，是測定土抗剪強(qiáng)度三軸壓縮試驗(yàn)也稱三軸剪切試驗(yàn)，是測定土抗剪強(qiáng)度的一種較為完善的方法。三軸壓縮儀由壓力室、軸向加荷的一種較為完善的方法。三軸壓縮儀由壓力室、軸向加荷系統(tǒng)、施加圍壓系統(tǒng)、孔隙水壓力量測系統(tǒng)等組成。系統(tǒng)、施加圍壓系統(tǒng)、孔隙水壓力量測系統(tǒng)等組成。 二、三軸壓縮試驗(yàn)二、三軸壓縮試驗(yàn)接圍壓系統(tǒng)接圍壓系統(tǒng)底座底座閥門，接孔壓閥門，接孔壓量測系統(tǒng)量測系統(tǒng)透水石透水石試樣試樣透水石透水石橡皮膜橡皮膜閥門，接體變閥門，接體變量測系統(tǒng)量測系統(tǒng)試樣帽試樣帽活塞活塞有機(jī)玻璃罩有機(jī)玻璃罩全景下面重點(diǎn)介紹壓力室壓力室簡圖試樣試樣壓力室壓力水排水管閥門軸向加壓桿有機(jī)

22、玻璃罩橡皮膜透水石 三軸是指一個(gè)豎向和兩個(gè)側(cè)向三軸是指一個(gè)豎向和兩個(gè)側(cè)向而言，由于壓力室和試樣均為圓柱而言，由于壓力室和試樣均為圓柱形，因此，兩個(gè)側(cè)向（或稱周圍）形，因此，兩個(gè)側(cè)向（或稱周圍）的應(yīng)力相等并為小主應(yīng)力的應(yīng)力相等并為小主應(yīng)力3 ，而豎，而豎向（或軸向）的應(yīng)力為大主應(yīng)力向（或軸向）的應(yīng)力為大主應(yīng)力1。在增加。在增加1時(shí)保持時(shí)保持3 不變，這樣條不變，這樣條件下的試驗(yàn)稱為常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)件下的試驗(yàn)稱為常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)。1. 三軸試驗(yàn)的基本原理三軸試驗(yàn)的基本原理 試驗(yàn)步驟試驗(yàn)步驟31.1.裝樣：裝樣：將土樣切成圓柱體套在橡將土樣切成圓柱體套在橡膠膜內(nèi)、放在密封的壓力室中。膠膜內(nèi)、放在密封

23、的壓力室中。2.2.施加周圍壓力：施加周圍壓力：然后向壓力室內(nèi)然后向壓力室內(nèi)壓入水，使試樣各向受到圍壓壓入水，使試樣各向受到圍壓 ，并，并使液壓在整個(gè)試驗(yàn)過程中保持不變，這使液壓在整個(gè)試驗(yàn)過程中保持不變，這時(shí)試樣內(nèi)各向的三個(gè)主應(yīng)力都相等、因時(shí)試樣內(nèi)各向的三個(gè)主應(yīng)力都相等、因此不發(fā)生剪應(yīng)力此不發(fā)生剪應(yīng)力。3.施加豎向壓力：施加豎向壓力：然后通過傳力桿對(duì)試樣施加豎向壓力，然后通過傳力桿對(duì)試樣施加豎向壓力，這樣，豎向主應(yīng)力就大于水平向主應(yīng)力。水平向主應(yīng)力保持這樣，豎向主應(yīng)力就大于水平向主應(yīng)力。水平向主應(yīng)力保持不變。而豎向主應(yīng)力逐漸增大，試件終于至剪切破壞。不變。而豎向主應(yīng)力逐漸增大，試件終于至剪切破

24、壞。 3 3 3 3 3 3 由于這些試件都剪切至破壞，根據(jù)摩爾由于這些試件都剪切至破壞，根據(jù)摩爾-庫倫理論，作庫倫理論，作一組極限應(yīng)力圓的公共切線，即為土的抗剪強(qiáng)度包線一組極限應(yīng)力圓的公共切線，即為土的抗剪強(qiáng)度包線(圖圖5-10c)，通?？山迫橐粭l直線，該直線與橫座標(biāo)的夾角即，通常可近似取為一條直線，該直線與橫座標(biāo)的夾角即土的內(nèi)摩擦角土的內(nèi)摩擦角 ，直線與縱座標(biāo)的截距即為土的粘聚力，直線與縱座標(biāo)的截距即為土的粘聚力c5-10抗剪強(qiáng)度包線抗剪強(qiáng)度包線 分別在不同的周圍壓力分別在不同的周圍壓力 3作用下進(jìn)行剪切，得到作用下進(jìn)行剪切，得到34 個(gè)不同的破壞應(yīng)力圓，繪出各應(yīng)力圓的公切線即為個(gè)不同

25、的破壞應(yīng)力圓，繪出各應(yīng)力圓的公切線即為土的抗剪強(qiáng)度包線土的抗剪強(qiáng)度包線 。抗剪強(qiáng)度包線抗剪強(qiáng)度包線 c v固結(jié)排水試驗(yàn) （對(duì)應(yīng)直剪試驗(yàn)的慢剪）1 打開排水閥門，打開排水閥門，施加圍壓施加圍壓 后充分固結(jié)，超靜孔隙水壓力完全消散；后充分固結(jié)，超靜孔隙水壓力完全消散；2 打開排水閥門，慢慢施加軸向應(yīng)力差打開排水閥門，慢慢施加軸向應(yīng)力差 以便充分排水，避免產(chǎn)生以便充分排水，避免產(chǎn)生超靜孔壓超靜孔壓v固結(jié)不排水試驗(yàn) （對(duì)應(yīng)直剪試驗(yàn)的固結(jié)快剪）1 打開排水閥門，打開排水閥門，施加圍壓施加圍壓 后充分固結(jié)，超靜孔隙水壓力完全消散；后充分固結(jié)，超靜孔隙水壓力完全消散；2 關(guān)閉排水閥門，很快剪切破壞，在施加軸

26、向應(yīng)力差關(guān)閉排水閥門，很快剪切破壞，在施加軸向應(yīng)力差 過程中不排水過程中不排水v不固結(jié)不排水試驗(yàn) （對(duì)應(yīng)直剪試驗(yàn)的快剪）1 關(guān)閉排水閥門，關(guān)閉排水閥門，圍壓圍壓 下不固結(jié)；下不固結(jié)；2 關(guān)閉排水閥門，很快剪切破壞，在施加軸向應(yīng)力差關(guān)閉排水閥門，很快剪切破壞，在施加軸向應(yīng)力差 過程中不排水過程中不排水cd 、 d ccu 、 cu cu 、 u 2. 2.三軸試驗(yàn)方法三軸試驗(yàn)方法不固結(jié)不固結(jié)或或固結(jié)固結(jié)是對(duì)是對(duì)周圍壓力增量周圍壓力增量而言的；而言的； 不排水不排水或或排水排水是對(duì)是對(duì)附加軸向壓力附加軸向壓力而言的。而言的。固結(jié)排水試驗(yàn)（CDCD試驗(yàn)） Consolidated Drained T

27、riaxial test (CD)Consolidated Drained Triaxial test (CD) 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)： c cd d d d （c c ）固結(jié)不排水試驗(yàn)（CUCU試驗(yàn)） Consolidated Undrained Triaxial test (CU)Consolidated Undrained Triaxial test (CU) 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)：c ccu cu cucu不固結(jié)不排水試驗(yàn)（UUUU試驗(yàn)） Unconsolidated Undrained Triaxial test (UU)Unconsolidated Undrained Triaxial test

28、(UU) 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)： c cu u u u （ c cuu uu uu uu ）試驗(yàn)類型匯總試驗(yàn)類型匯總3.3.三軸試驗(yàn)優(yōu)缺點(diǎn)三軸試驗(yàn)優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：試驗(yàn)中能嚴(yán)格控制試樣排水條件，量測孔隙水壓試驗(yàn)中能嚴(yán)格控制試樣排水條件，量測孔隙水壓力，了解土中有效應(yīng)力變化情況力，了解土中有效應(yīng)力變化情況試樣中的應(yīng)力分布比較均勻試樣中的應(yīng)力分布比較均勻 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：試驗(yàn)儀器復(fù)雜，操作技術(shù)要求高，試樣制備較復(fù)試驗(yàn)儀器復(fù)雜，操作技術(shù)要求高，試樣制備較復(fù)雜雜 試驗(yàn)在試驗(yàn)在 2 2= = 3 3的軸對(duì)稱條件下進(jìn)行，與土體實(shí)際受的軸對(duì)稱條件下進(jìn)行，與土體實(shí)際受力情況可能不符力情況可能不符 說明：說明： 3 30

29、 0 即為即為無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)幾種特殊的三軸試驗(yàn)幾種特殊的三軸試驗(yàn) 動(dòng)三軸試驗(yàn) 大型三軸試驗(yàn) 高壓三軸試驗(yàn) 非飽和三軸試驗(yàn) 真三軸試驗(yàn)另外，隨著傳感器精度的提高，各種數(shù)據(jù)自動(dòng)采集另外，隨著傳感器精度的提高，各種數(shù)據(jù)自動(dòng)采集的實(shí)現(xiàn)，應(yīng)力路徑和應(yīng)變路徑的自動(dòng)控制和對(duì)軟的實(shí)現(xiàn)，應(yīng)力路徑和應(yīng)變路徑的自動(dòng)控制和對(duì)軟巖和硬土試驗(yàn)的微應(yīng)變量測等各種試驗(yàn)技術(shù)及設(shè)巖和硬土試驗(yàn)的微應(yīng)變量測等各種試驗(yàn)技術(shù)及設(shè)備也在不斷發(fā)展。備也在不斷發(fā)展。 【例題例題5-2】 設(shè)有一組飽和粘土試樣作固結(jié)不排水試驗(yàn)，設(shè)有一組飽和粘土試樣作固結(jié)不排水試驗(yàn)，3個(gè)試樣分個(gè)試樣分別施加的周圍壓力別施加的周圍壓力 、剪破時(shí)

30、的偏應(yīng)力、剪破時(shí)的偏應(yīng)力 f和孔隙水壓力和孔隙水壓力uf等有關(guān)數(shù)據(jù)及部分計(jì)算結(jié)果見表等有關(guān)數(shù)據(jù)及部分計(jì)算結(jié)果見表5-1。4.4.三軸試驗(yàn)結(jié)果的整理三軸試驗(yàn)結(jié)果的整理下面通過一個(gè)實(shí)例數(shù)據(jù)來說明如何用總應(yīng)力法和有效應(yīng)力法整理三軸試下面通過一個(gè)實(shí)例數(shù)據(jù)來說明如何用總應(yīng)力法和有效應(yīng)力法整理三軸試驗(yàn)的成果。驗(yàn)的成果。表表5-1 三軸固結(jié)不排水試驗(yàn)成果三軸固結(jié)不排水試驗(yàn)成果 kPa土樣編號(hào) 1 2 3 土樣編號(hào) 1 2 3 3 50 100 150 uf 23 40 67 )f92 120164 2760 83 1 142 220 314 119 180 2471/2()f9616023273120165

31、1/2()f46 60 82 46 60 82131()2f131()2f33fu11fu上述三軸試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理過程主要包括以下步驟：在 t -s 坐標(biāo)系中分別作出三個(gè)總應(yīng)力摩爾圓，再作出其公切線即為總應(yīng)力強(qiáng)度包線Kf ，量出強(qiáng)度包線的 t 軸上的截距和水平傾角即為總應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，其值分別為c=10 kPa, =18。用相同的步驟作出有效應(yīng)力摩爾圓和有效應(yīng)力強(qiáng)度包線，量出相應(yīng)的有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)為 c =6 kPa, =27。如圖5-11所示。圖5-11三軸試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理 特別提示特別提示 實(shí)際上，由于土的強(qiáng)度特性會(huì)受某些因素如應(yīng)力歷史、實(shí)際上，由于土的強(qiáng)度特性會(huì)受某些因素如應(yīng)力歷史、應(yīng)力

32、水平等的影響，加上土樣的不均勻性以及試驗(yàn)誤差應(yīng)力水平等的影響，加上土樣的不均勻性以及試驗(yàn)誤差等原因，使得土的強(qiáng)度包線并非一條直線，因此極限應(yīng)等原因，使得土的強(qiáng)度包線并非一條直線，因此極限應(yīng)力力 圓上的破壞點(diǎn)不一定落在其公切線上?？紤]到目前采圓上的破壞點(diǎn)不一定落在其公切線上。考慮到目前采用非線性強(qiáng)度包線的方法仍未成熟到實(shí)用的程度，故工用非線性強(qiáng)度包線的方法仍未成熟到實(shí)用的程度，故工程實(shí)際中一般仍將強(qiáng)度包線簡化為直線。因此，在三軸程實(shí)際中一般仍將強(qiáng)度包線簡化為直線。因此，在三軸試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理中其極限應(yīng)力圓的公切線的繪制是比較試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理中其極限應(yīng)力圓的公切線的繪制是比較困難的，往往需通過經(jīng)驗(yàn)判斷

33、后才能作出。困難的，往往需通過經(jīng)驗(yàn)判斷后才能作出。ququ加壓加壓框架框架量表量表量力環(huán)量力環(huán)升降升降螺桿螺桿無側(cè)限壓縮儀無側(cè)限壓縮儀 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)是三軸剪切試驗(yàn)的特例，對(duì)試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)是三軸剪切試驗(yàn)的特例，對(duì)試樣不施加周圍壓力，即不施加周圍壓力，即 3=0，只施加軸向壓力直至發(fā)生破壞，只施加軸向壓力直至發(fā)生破壞，試樣在無側(cè)限壓力條件下，剪切破壞時(shí)試樣承受的最大軸試樣在無側(cè)限壓力條件下，剪切破壞時(shí)試樣承受的最大軸向壓力向壓力qu，稱為稱為無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。 試試樣樣 三、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)三、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)無側(cè)限無側(cè)限壓縮儀壓縮儀根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果只能作出一個(gè)極限應(yīng)力

34、圓（根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果只能作出一個(gè)極限應(yīng)力圓（ 3 3=0=0， 1 1= =qu）。）。因此對(duì)一般粘性土，無法作出強(qiáng)度包線因此對(duì)一般粘性土，無法作出強(qiáng)度包線 說明：說明：對(duì)于飽和粘性土，根據(jù)對(duì)于飽和粘性土，根據(jù)三軸不固結(jié)不排水試驗(yàn)成果，三軸不固結(jié)不排水試驗(yàn)成果，其強(qiáng)度包線近似于一水平線，其強(qiáng)度包線近似于一水平線，即即 u u=0=0，因此無側(cè)限抗壓強(qiáng)度因此無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)適用于測定飽和粘性土的試驗(yàn)適用于測定飽和粘性土的不排水強(qiáng)度。不排水強(qiáng)度。qucu u=02uufqc 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)儀器構(gòu)造簡單，操作方便，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)儀器構(gòu)造簡單，操作方便，可代替三軸試驗(yàn)測定飽和粘性土的不排水強(qiáng)度。

35、可代替三軸試驗(yàn)測定飽和粘性土的不排水強(qiáng)度。 靈敏度靈敏度 粘性土的原狀土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與同一土經(jīng)重塑后粘性土的原狀土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與同一土經(jīng)重塑后(完全擾動(dòng)但含水量不變完全擾動(dòng)但含水量不變)的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的比值。的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的比值。0utqSq反映土的結(jié)構(gòu)反映土的結(jié)構(gòu)受撓動(dòng)對(duì)強(qiáng)度受撓動(dòng)對(duì)強(qiáng)度的影響程度的影響程度 根據(jù)靈敏度將飽和粘性土分類：根據(jù)靈敏度將飽和粘性土分類：低靈敏度土低靈敏度土 1St2中靈敏度土中靈敏度土 24 十字板剪切試驗(yàn)是一種原位測試方法，適合于在現(xiàn)場測定十字板剪切試驗(yàn)是一種原位測試方法，適合于在現(xiàn)場測定飽和粘性飽和粘性土的原位不排水土的原位不排水抗剪強(qiáng)度，特別適用于均

36、勻飽和粘性土?？辜魪?qiáng)度，特別適用于均勻飽和粘性土。 圖中為十字板剪切儀示意圖。在鉆孔孔底插入規(guī)定形狀和尺寸的十字板圖中為十字板剪切儀示意圖。在鉆孔孔底插入規(guī)定形狀和尺寸的十字板頭到指定位置，施加扭矩頭到指定位置，施加扭矩M使十字板頭等速扭轉(zhuǎn)，在土中形成圓柱破壞面。使十字板頭等速扭轉(zhuǎn)，在土中形成圓柱破壞面。十字板剪力儀示意圖十字板剪力儀示意圖四、十字板剪切試驗(yàn)四、十字板剪切試驗(yàn)（VST,vane shear testVST,vane shear test）十字板剪力儀十字板剪力儀 式中式中v、H剪切破壞時(shí)圓柱體側(cè)面和上下面土的抗剪強(qiáng)度，剪切破壞時(shí)圓柱體側(cè)面和上下面土的抗剪強(qiáng)度，kPa； H十字板

37、的高度，十字板的高度，m； D十字板的直徑，十字板的直徑，m。十字板在土中的剪切面可分為二部分：由十字板切十字板在土中的剪切面可分為二部分：由十字板切成的圓柱面和十字板切成的上下面。設(shè)各面土體同成的圓柱面和十字板切成的上下面。設(shè)各面土體同時(shí)達(dá)到破壞極限，由破壞時(shí)力的平衡可得到作用在時(shí)達(dá)到破壞極限，由破壞時(shí)力的平衡可得到作用在十字板上的扭矩十字板上的扭矩M與剪切破壞面上土的抗剪強(qiáng)度所產(chǎn)與剪切破壞面上土的抗剪強(qiáng)度所產(chǎn)生的抵抗扭矩相等，即生的抵抗扭矩相等，即M1H HDM221maxMMM21022DHMrrdr22vDMDH柱體上下平面的抗柱體上下平面的抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生的抗扭剪強(qiáng)度產(chǎn)生的抗扭力矩力矩柱

38、體側(cè)面剪應(yīng)力產(chǎn)柱體側(cè)面剪應(yīng)力產(chǎn)生的抗扭力矩生的抗扭力矩22311224326vHvHDD DMDHD HDvH22()3MDDH 由于十字板在現(xiàn)場測定的土的抗剪強(qiáng)度，屬于由于十字板在現(xiàn)場測定的土的抗剪強(qiáng)度，屬于不排水剪切的試驗(yàn)條件，因此其結(jié)果應(yīng)與無側(cè)限不排水剪切的試驗(yàn)條件，因此其結(jié)果應(yīng)與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果接近，即抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果接近，即2ufq 實(shí)用上為了簡化計(jì)算，目前在常規(guī)的十字板試驗(yàn)中實(shí)用上為了簡化計(jì)算，目前在常規(guī)的十字板試驗(yàn)中仍假設(shè)仍假設(shè) ，將這一假設(shè)代入上式中，得，將這一假設(shè)代入上式中，得 土的抗剪強(qiáng)度大小與土中應(yīng)力有關(guān)，研究表明主要與土的抗剪強(qiáng)度大小與土中應(yīng)力有關(guān)，研究表明主要與

39、有效應(yīng)力有效應(yīng)力有有關(guān)。為了分析荷載作用下地基中有效應(yīng)力分布情況，有時(shí)需要了解地關(guān)。為了分析荷載作用下地基中有效應(yīng)力分布情況，有時(shí)需要了解地基中孔隙水壓力分布情況。土體中的孔隙水壓力大小不僅與作用在土基中孔隙水壓力分布情況。土體中的孔隙水壓力大小不僅與作用在土體上的法向應(yīng)力有關(guān)，還與剪應(yīng)力有關(guān)。斯肯普頓（體上的法向應(yīng)力有關(guān)，還與剪應(yīng)力有關(guān)。斯肯普頓（Skempton）等在）等在三軸試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上提出了著名的孔隙水壓力關(guān)系方程，表達(dá)式如下：三軸試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上提出了著名的孔隙水壓力關(guān)系方程，表達(dá)式如下： 式中式中 A、B分別為不同應(yīng)力條件下的孔隙壓力系數(shù)。分別為不同應(yīng)力條件下的孔隙壓力系數(shù)。)(3

40、13ABu 現(xiàn)在，將通過對(duì)上式的推導(dǎo)來說明孔隙壓力系數(shù)現(xiàn)在，將通過對(duì)上式的推導(dǎo)來說明孔隙壓力系數(shù)A和和B的物理意義及的物理意義及測定方法。測定方法。五、孔隙水壓力系數(shù)五、孔隙水壓力系數(shù)孔壓系數(shù)：孔壓系數(shù)：是指土體在不排水的條件下，由外荷載引起的孔隙水壓力是指土體在不排水的條件下，由外荷載引起的孔隙水壓力增量與應(yīng)力增量（以總應(yīng)力表示）的比值，用以表征孔隙壓力對(duì)總應(yīng)增量與應(yīng)力增量（以總應(yīng)力表示）的比值，用以表征孔隙壓力對(duì)總應(yīng)力變化的反映。力變化的反映。 下面圖（下面圖（a）表示一個(gè)試樣在各向相等的壓力）表示一個(gè)試樣在各向相等的壓力p作用下發(fā)作用下發(fā)生排水固結(jié)，穩(wěn)定后土體中孔隙水壓力生排水固結(jié)，穩(wěn)定

41、后土體中孔隙水壓力u0，按照有效應(yīng)，按照有效應(yīng)力原理，土體中有效應(yīng)力為力原理，土體中有效應(yīng)力為 。圖（。圖（b）表示試樣在排）表示試樣在排水條件下受到各向相同的壓力水條件下受到各向相同的壓力 作用，孔隙水壓力增長作用，孔隙水壓力增長為為 ，有效應(yīng)力的增長為：，有效應(yīng)力的增長為：333up33u1. 1. 各向等壓作用下的孔隙壓力系數(shù)各向等壓作用下的孔隙壓力系數(shù)B B 在各向等壓應(yīng)力增量在各向等壓應(yīng)力增量 作用下，土體中孔作用下，土體中孔隙水壓力增加隙水壓力增加 ，孔隙壓力系數(shù)，孔隙壓力系數(shù)B B則是反映土體飽和程度對(duì)則是反映土體飽和程度對(duì)土體在等向應(yīng)力增量作用下孔壓增量的影響，定義為土體在等向

42、應(yīng)力增量作用下孔壓增量的影響，定義為 3213u33Bu原理及推導(dǎo)：原理及推導(dǎo)： 根據(jù)彈性理論，土體體積變化為：根據(jù)彈性理論，土體體積變化為： 式中式中 Cs土的體積壓縮系數(shù)，土的體積壓縮系數(shù)， V試樣的體積。試樣的體積。 孔隙中流體（空氣和水）在壓力增大孔隙中流體（空氣和水）在壓力增大 時(shí)發(fā)生的體積壓縮為：時(shí)發(fā)生的體積壓縮為： 式中式中 n土的孔隙率；土的孔隙率； Cv孔隙的體積壓縮系數(shù)?？紫兜捏w積壓縮系數(shù)。ECs)21 (33VVVC nV u3u在在p作用下固結(jié)，作用下固結(jié)， ，0up33uu3333u（a）（b）u3)()21 ( 3333uVCVEVs不排水條件下，圍不排水條件下，圍

43、壓壓 作用下作用下有效應(yīng)力改變量有效應(yīng)力改變量 根據(jù)彈性理論，土體體積變化為：根據(jù)彈性理論，土體體積變化為： 式中式中 Cs土的體積壓縮系數(shù)，土的體積壓縮系數(shù)， V試樣的體積。試樣的體積。 孔隙中流體（空氣和水）在壓力增大孔隙中流體（空氣和水）在壓力增大 時(shí)發(fā)生的體積壓縮為：時(shí)發(fā)生的體積壓縮為： 式式 中中 n土的孔隙率；土的孔隙率； Cv孔隙的體積壓縮系數(shù)。孔隙的體積壓縮系數(shù)。ECs)21 (33VVVC nV u3u在在p作用下固結(jié)，作用下固結(jié)， ，不排水條件下，圍壓不排水條件下，圍壓 作用下作用下 有效應(yīng)力改變量有效應(yīng)力改變量0up33uu3333u （a）（b）u3)()21 ( 33

44、33uVCVEVs 因?yàn)橥令w粒的體積壓縮很小，可以忽略不計(jì)，所以土體因?yàn)橥令w粒的體積壓縮很小，可以忽略不計(jì)，所以土體體積變化應(yīng)該等于土中孔隙體積變化，從上面兩式相等可體積變化應(yīng)該等于土中孔隙體積變化，從上面兩式相等可得到下式，得到下式， 并改寫為并改寫為 333)(unVCVuVCVVSBCnCuSV1133式中式中 B-B-在各向應(yīng)力相等條件下的孔隙壓力系數(shù)，主要在各向應(yīng)力相等條件下的孔隙壓力系數(shù)，主要 反映土體飽和程度對(duì)土體在等向應(yīng)力增量作用反映土體飽和程度對(duì)土體在等向應(yīng)力增量作用 下孔壓增量的影響下孔壓增量的影響。 對(duì)于飽和土，因?yàn)樗膲嚎s性比土骨架的壓縮性低得多，即對(duì)于飽和土，因?yàn)樗?/p>

45、壓縮性比土骨架的壓縮性低得多，即 ，所以所以B1。對(duì)于干土，孔隙壓縮性接近無窮大，所以。對(duì)于干土，孔隙壓縮性接近無窮大，所以B0。非飽和的。非飽和的濕土，孔隙壓力系數(shù)濕土，孔隙壓力系數(shù)B值在值在0 1之間。飽和度越大，之間。飽和度越大，B值越接近于值越接近于1。通。通過測定土樣孔隙壓力系數(shù)過測定土樣孔隙壓力系數(shù)B值，可以評(píng)價(jià)土樣的飽和度。值，可以評(píng)價(jià)土樣的飽和度。0VSCCBCnCuSV11332.偏應(yīng)力作用下的孔隙壓力系數(shù)偏應(yīng)力作用下的孔隙壓力系數(shù)A 假定土體在偏壓應(yīng)力增量假定土體在偏壓應(yīng)力增量 作用下的孔隙壓力增量為作用下的孔隙壓力增量為 ，孔壓系數(shù)孔壓系數(shù)A是反映土體在偏壓應(yīng)力增量作用下

46、受剪時(shí)產(chǎn)生體積變化對(duì)土體是反映土體在偏壓應(yīng)力增量作用下受剪時(shí)產(chǎn)生體積變化對(duì)土體中孔壓增量的影響，定義為：中孔壓增量的影響，定義為： )(311u)(311ABu 圖（圖（c）表示土體在軸向受到）表示土體在軸向受到 作用時(shí)，孔隙水壓力增長，作用時(shí)，孔隙水壓力增長，軸向及側(cè)向的有效應(yīng)力增長為：軸向及側(cè)向的有效應(yīng)力增長為： 根據(jù)彈性理論，土體體積變化為：根據(jù)彈性理論，土體體積變化為： )(311u1311)(u（c）在不排水條件下，軸向力在不排水條件下，軸向力 作用下作用下 ,有效應(yīng)力改變量有效應(yīng)力改變量 和和 ，131uu 131131()u 31u u113u)2(2131VEV)2(31)21

47、 ( 331VE)3(31131uVCS 孔隙中流體在壓力增大孔隙中流體在壓力增大 時(shí)發(fā)生的體積變化為時(shí)發(fā)生的體積變化為 同前，上面兩式相等，可得同前，上面兩式相等，可得 因?yàn)橥敛皇菑椥泽w，將上式中的因?yàn)橥敛皇菑椥泽w，將上式中的1/3改為系數(shù)改為系數(shù)A，可得：，可得：1unVCVvv)(31)(311131311BCnCuSv)(311BAu1u 因?yàn)椴慌潘畻l件下圍壓因?yàn)椴慌潘畻l件下圍壓 與孔隙水壓力增長與孔隙水壓力增長 之間的關(guān)系為：之間的關(guān)系為： 所以可得到：圖（所以可得到：圖（d）所示的在）所示的在 和和 共同作用下土體中的孔隙水壓力為：共同作用下土體中的孔隙水壓力為： 式中，式中，A，

48、 是在偏應(yīng)力是在偏應(yīng)力 作用下的孔隙壓力系數(shù)，作用下的孔隙壓力系數(shù)， 。 上式稱為斯肯普頓孔隙壓力系數(shù)方上式稱為斯肯普頓孔隙壓力系數(shù)方 程。對(duì)于飽和土，程。對(duì)于飽和土，B1.0，則由上式可，則由上式可 得：得：BCnCuSV113333u1331313313()()uuuBABA A13()ABA113()uAA不排水條件在軸向不排水條件在軸向力力 和 側(cè) 向 力和 側(cè) 向 力 作用下作用下3113uuu 1113uu 3313uu u31313313()()uuuBABA uu3u133Bu)(311BAu 孔隙壓力系數(shù)孔隙壓力系數(shù)A值取決于偏應(yīng)力值取決于偏應(yīng)力 所引起的體積變化。試所引起的

49、體積變化。試驗(yàn)表明高壓縮性粘土的驗(yàn)表明高壓縮性粘土的A值大。超固結(jié)粘土在偏應(yīng)力作用下將發(fā)生體值大。超固結(jié)粘土在偏應(yīng)力作用下將發(fā)生體積膨脹，產(chǎn)生負(fù)的孔隙壓力，因此積膨脹，產(chǎn)生負(fù)的孔隙壓力，因此A值是負(fù)的。斯肯普頓和拜倫給出值是負(fù)的。斯肯普頓和拜倫給出各種土的孔隙壓力系數(shù)各種土的孔隙壓力系數(shù)A值如表值如表5-2所示，用于計(jì)算土體破壞和地基沉所示，用于計(jì)算土體破壞和地基沉降時(shí)要取用不同的數(shù)值。降時(shí)要取用不同的數(shù)值。 對(duì)于同一種土來說，孔隙壓力系數(shù)對(duì)于同一種土來說，孔隙壓力系數(shù)A值也不是常數(shù)。因?yàn)橹狄膊皇浅?shù)。因?yàn)锳值還值還決定于其他一些因素，如應(yīng)變大小、初始應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)力歷史和荷載決定于其他一些因素

50、，如應(yīng)變大小、初始應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)力歷史和荷載的類型（是加荷還是卸荷）等。所以表的類型（是加荷還是卸荷）等。所以表5-2中所列的數(shù)值只能作為粗中所列的數(shù)值只能作為粗略計(jì)算時(shí)參考，應(yīng)用時(shí)必須注意。若需要精確計(jì)算土的孔隙壓力，應(yīng)略計(jì)算時(shí)參考，應(yīng)用時(shí)必須注意。若需要精確計(jì)算土的孔隙壓力，應(yīng)該在實(shí)際可能遇到的應(yīng)力與應(yīng)變條件下進(jìn)行三軸不排水試驗(yàn)，直接測該在實(shí)際可能遇到的應(yīng)力與應(yīng)變條件下進(jìn)行三軸不排水試驗(yàn)，直接測定孔隙水系數(shù)定孔隙水系數(shù)A值。值。31 孔壓系數(shù)孔壓系數(shù)A是反映土體在偏壓應(yīng)力增量作用下受剪時(shí)產(chǎn)生體積變是反映土體在偏壓應(yīng)力增量作用下受剪時(shí)產(chǎn)生體積變化，對(duì)土體中孔壓增量的影響?；?，對(duì)土體中孔壓增量的

51、影響。 土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨試驗(yàn)方法、排水條件的不同而異，土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨試驗(yàn)方法、排水條件的不同而異，對(duì)于具體工程問題，應(yīng)該盡可能根據(jù)現(xiàn)場條件決定采用對(duì)于具體工程問題，應(yīng)該盡可能根據(jù)現(xiàn)場條件決定采用實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)方法，以獲得合適的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)方法，以獲得合適的抗剪強(qiáng)度指標(biāo) 六、抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)方法與指標(biāo)的選用六、抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)方法與指標(biāo)的選用試驗(yàn)方法試驗(yàn)方法適用條件適用條件不固結(jié)不排水不固結(jié)不排水剪或快剪剪或快剪地基土的透水性和排水條件不良，建筑地基土的透水性和排水條件不良，建筑物施工速度較快物施工速度較快固結(jié)排水剪或固結(jié)排水剪或慢剪慢剪地基土的透水性好，排水條件較佳，建地基土的透水性好

52、，排水條件較佳，建筑物加荷速率較慢筑物加荷速率較慢固結(jié)不排水剪固結(jié)不排水剪或固結(jié)快剪或固結(jié)快剪建筑物竣工后較久，荷載又突然增大，建筑物竣工后較久，荷載又突然增大，或地基條件等介于上述兩種情況之間或地基條件等介于上述兩種情況之間81名稱名稱指標(biāo)指標(biāo)應(yīng)用應(yīng)用不排水剪不排水剪( (快剪快剪) )c cu u、 u uc cq q、 q q軟土地基軟土地基快速施工快速施工固結(jié)不排水剪固結(jié)不排水剪( (固結(jié)快剪固結(jié)快剪) )c ccucu、 cucuc ccqcq、 cqcq固結(jié)完成后固結(jié)完成后受突然荷載受突然荷載固結(jié)排水剪固結(jié)排水剪( (慢剪慢剪) )c cd d、 d dc cs s、 s s地基透

53、水性強(qiáng)地基透水性強(qiáng)施工較慢或正常運(yùn)行期施工較慢或正常運(yùn)行期六、抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)方法與指標(biāo)的選用六、抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)方法與指標(biāo)的選用82不固結(jié)不排水剪（快剪）cu、u（cq、q）粘土地基上快速施工的建筑物軟土地基上的快速填方土壩快速施工，心墻未固結(jié)六、抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)方法與指標(biāo)的選用六、抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)方法與指標(biāo)的選用83固結(jié)不排水剪（固結(jié)快剪）ccu、cu（ccq、cq） 在天然土坡上快速填方水位驟降在1層固結(jié)后，施工2層12六、抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)方法與指標(biāo)的選用六、抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)方法與指標(biāo)的選用84固結(jié)排水剪（慢剪）ccd、cd（cs、s）粘土地基上慢速施工的建筑物粘土地基上的分層慢速填方穩(wěn)定滲流期的土壩六、抗剪強(qiáng)

54、度試驗(yàn)方法與指標(biāo)的選用六、抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)方法與指標(biāo)的選用85一、應(yīng)力路徑及表示法31 1 e p 土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系特性、彈塑性、需要記錄加載歷史應(yīng)力路徑概念土體中一點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)連續(xù)變化，在應(yīng)力空間（平面）中的軌跡應(yīng)力狀態(tài)：土體中一點(diǎn)（微小單元）上作用的應(yīng)力的大小與方向七、應(yīng)力路徑的概念七、應(yīng)力路徑的概念86一、應(yīng)力路徑及表示法z x zx xz +-1Oz+zx-xzx213rp13qp莫爾圓應(yīng)力狀態(tài)圓上特定點(diǎn)pOqp, q平面：一個(gè) 點(diǎn)代表一個(gè)應(yīng)力狀態(tài)131322pq七、應(yīng)力路徑的概念七、應(yīng)力路徑的概念873113，pO，q固結(jié)排水三軸試驗(yàn)保持為常數(shù)一、應(yīng)力路徑及表示法3 3 13 3 用莫爾圓

55、用莫爾圓 用應(yīng)力平面用應(yīng)力平面一點(diǎn)的一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)應(yīng)力狀態(tài)一個(gè)一個(gè)莫爾圓莫爾圓一點(diǎn)一點(diǎn)應(yīng)力的應(yīng)力的變化過程變化過程一系列一系列莫爾圓莫爾圓一條線一條線（應(yīng)力路徑）（應(yīng)力路徑）極限應(yīng)力極限應(yīng)力狀態(tài)狀態(tài)與強(qiáng)度包與強(qiáng)度包線相切的線相切的莫爾圓莫爾圓破壞主應(yīng)力線破壞主應(yīng)力線上的一點(diǎn)上的一點(diǎn)莫爾圓與p,q平面上的應(yīng)力路徑88二、總應(yīng)力路徑與有效應(yīng)力路徑p, q平面：一個(gè) 點(diǎn)代表一個(gè)應(yīng)力狀態(tài)131322pq1、總應(yīng)力路徑2、有效應(yīng)力路徑np=p-unq=qupp)(2131qq) (213189三、幾種加載方式下的應(yīng)力路徑123 13021312pq ppupqq （一）沒有孔隙水壓力時(shí)2、增加偏差壓力11、增加圍壓30,01313321302pq ppupqq 31 1312213122pq ppupqq 0u 3、增加1減小3特例垂直線45度斜線水平線p,q圖和p,q圖相同P POqp,q圖和p,q圖相同90三、幾種加載方式下的應(yīng)力路徑110.50.5ppuqq 0,013（二）有孔隙水壓力時(shí)2、A=0.51、A=0100.50ppuqq 1312213122pq ppupqq 3、A=1垂直線45度斜線負(fù)45度斜線 POqp,q