第七章土的抗剪强度

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1、第七章 土的抗剪强度7.1 概述7.2 土的抗剪强度理论7.3 土的抗剪强度试验 7.4 三轴压缩试验中的孔隙压力系数7.5 饱和黏性土的抗剪强度7.6 应力路径在强度问题中的应用7.7 无黏性土的抗剪强度 7.1 概述1、土的抗剪强度：土体抵抗剪应力的极限值，或土体抵抗剪切破坏的受剪能力。2、工程中的剪切破坏3、剪切试验仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水各种类型的滑坡各种类型的滑坡崩塌崩塌平移滑动平移滑动旋转滑动旋转滑动流滑流滑滑裂面滑裂面仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水u19941994年年4 4月月3030日日u崩塌体积崩塌体积400400万方，万方，1010万方进入万方进入乌江乌江u

2、死死4 4人，伤人，伤5 5人，失踪人，失踪1212人；击沉人；击沉多艘船只多艘船只u19941994年年7 7月月2-32-3日降雨引起再次日降雨引起再次滑坡滑坡u滑坡体崩入乌江近百万方；江水滑坡体崩入乌江近百万方；江水位差数米，无法通航。位差数米，无法通航。乌江武隆鸡冠岭山体崩塌仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水滑坡堰塞湖滑坡堰塞湖易贡湖易贡湖湖水每天上涨湖水每天上涨50cm！天然坝天然坝 坝高坝高290 m滑坡堰塞湖滑坡堰塞湖 库容库容15亿方亿方20002000年西藏易贡巨型滑坡年西藏易贡巨型滑坡仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水锚固破坏锚固破坏整体滑动整体滑动底部破坏底部破坏土体下沉

3、土体下沉墙体折断墙体折断挡土支护结构的破坏挡土支护结构的破坏仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水广州京光广场基坑塌方使基坑旁办公室、民工宿舍使基坑旁办公室、民工宿舍和仓库倒塌，死和仓库倒塌，死3人，伤人，伤17人人仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水大阪的港口码头挡土墙由于液化前倾大阪的港口码头挡土墙由于液化前倾仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水地基的破坏地基的破坏地基地基P滑裂面滑裂面仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水某谷仓地基的破坏某谷仓地基的破坏仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水砂土的液化砂土的液化(liquefaction)日本新泻日本新泻1964年地震引起大面积液化年地震引起大面积液化仁

4、者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水F 土压力土压力F 边坡稳定性边坡稳定性F 地基承载力地基承载力F 振动液化特性振动液化特性n 挡土结构物破坏挡土结构物破坏n 各种类型的滑坡各种类型的滑坡n 地基的破坏地基的破坏n 砂土的液化砂土的液化核心问题核心问题:土体的强度理论土体的强度理论7.2 土的抗剪强度理论一、库伦公式及抗剪强度指标二、莫尔库伦强度理论及极限平衡条件仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水法国军事工程师，在摩法国军事工程师，在摩擦、电磁方面做出了奠擦、电磁方面做出了奠基性的贡献。基性的贡献。17731773年发年发表了关于土压力方面论表了关于土压力方面论文，成为土压力的经典文，成为土压

5、力的经典理论理论库仑（C.A.Coulomb）(1736-1806)5.2 5.2 土的抗剪强度理论土的抗剪强度理论 直剪试验与库伦公式直剪试验与库伦公式仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水直直 剪剪 试试 验验PT土样土样下盒下盒上盒上盒S面积面积An 直剪试验直剪试验 法向应力法向应力：AP 剪应力剪应力：AT 剪切变形剪切变形S1 S23仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水直剪试验的强度包线直剪试验的强度包线 S123 Ocn 库仑公式库仑公式：（：（17761776）f1 f2 f3 f：土的抗剪强度土的抗剪强度 tg：摩擦强度摩擦强度-正比于压力正比于压力 ：土的内摩擦角土的内摩擦角 c

6、：粘聚强度粘聚强度-与所受压力无关与所受压力无关 tgcf5.2 5.2 土的抗剪强度理论土的抗剪强度理论 直剪试验与库伦公式直剪试验与库伦公式仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水土的抗剪强度指标土的抗剪强度指标Fc和和 是决定土的抗剪强度的两个指标，称是决定土的抗剪强度的两个指标，称为抗剪强度指标为抗剪强度指标当当 采用总应力时，称为采用总应力时，称为总应力抗剪强度指标总应力抗剪强度指标当当 采用有效应力时，称为采用有效应力时，称为有效应力抗剪强度指标有效应力抗剪强度指标对无粘性土通常认为，粘聚力对无粘性土通常认为，粘聚力C=0n 库仑公式库仑公式:tgcf5.2 5.2 土的抗剪强度理论土的

7、抗剪强度理论 直剪试验与库伦公式直剪试验与库伦公式仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水摩摩 擦擦 强强 度度n 摩擦强度：摩擦强度：决定于剪切面上的正应力决定于剪切面上的正应力和土的内摩擦角和土的内摩擦角 由颗粒之间发生滑动时颗粒接触由颗粒之间发生滑动时颗粒接触面粗糙不平所引起，与颗粒的形面粗糙不平所引起，与颗粒的形状，矿物组成，级配等因素有关状，矿物组成，级配等因素有关0.02 0.06 0.2 0.6 230 20 颗粒直径颗粒直径 (mm)滑动摩擦角滑动摩擦角 u粗粉粗粉 细砂细砂 中砂中砂 粗砂粗砂 滑动摩擦滑动摩擦 咬合摩擦咬合摩擦 包括如下两个包括如下两个组成部分组成部分：滑动摩擦滑

8、动摩擦5.2 5.2 土的抗剪强度理论土的抗剪强度理论 土的抗剪强度机理土的抗剪强度机理仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水n 摩擦强度：摩擦强度：决定于剪切面上的正应力决定于剪切面上的正应力和土的内摩擦角和土的内摩擦角 滑动摩擦滑动摩擦 咬合摩擦咬合摩擦 包括如下两个包括如下两个组成部分组成部分：是指相邻颗粒对于相对移动的约束作用是指相邻颗粒对于相对移动的约束作用当发生剪切破坏时，相互咬合着的颗粒当发生剪切破坏时，相互咬合着的颗粒A必须抬起，跨越相邻颗粒必须抬起，跨越相邻颗粒B，或在尖角处，或在尖角处被剪断（被剪断（C），才能移动），才能移动 土体中的颗粒重新排列，也会消耗能量土体中的颗粒重新

9、排列，也会消耗能量 咬合摩擦咬合摩擦CABCAB剪切面剪切面5.2 5.2 土的抗剪强度理论土的抗剪强度理论 土的抗剪强度机理土的抗剪强度机理摩摩 擦擦 强强 度度仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水摩摩 擦擦 强强 度度F密度密度F粒径级配粒径级配F颗粒的矿物成分颗粒的矿物成分F粒径的形状粒径的形状F粘土颗粒表面的吸附水膜粘土颗粒表面的吸附水膜n 影响土的摩擦强度的主要因素影响土的摩擦强度的主要因素:5.2 5.2 土的抗剪强度理论土的抗剪强度理论 土的抗剪强度机理土的抗剪强度机理仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水凝凝 聚聚 强强 度度n 细粒土：细粒土：粘聚力粘聚力c取决于土粒间的各种物理化

10、学作用力取决于土粒间的各种物理化学作用力F作用机理：库伦力（静电力）、范德华力、作用机理：库伦力（静电力）、范德华力、胶结作用力和毛细力等胶结作用力和毛细力等F影响因素：地质历史、粘土颗粒矿物成分、影响因素：地质历史、粘土颗粒矿物成分、密度与离子浓度密度与离子浓度n 粗粒土：粗粒土：一般认为是无粘性土，不具有粘聚强度：一般认为是无粘性土，不具有粘聚强度：F 当粗间有胶结物质存在时可具有一定的粘聚强度当粗间有胶结物质存在时可具有一定的粘聚强度F 非饱和砂土，粒间受毛细压力，具有假粘聚力非饱和砂土，粒间受毛细压力，具有假粘聚力5.2 5.2 土的抗剪强度理论土的抗剪强度理论 土的抗剪强度机理土的抗

11、剪强度机理二、莫尔库伦强度理论及极限平衡条件1910年莫尔(Mohr)提出材料的破坏是剪切破坏，当任一平面上的剪应力等于材料的抗剪强度时该点就发生破坏，并提出在破坏面上的剪应力f 是该面上法向应力 的函数，即f f()莫尔包线(或称为抗剪强度包线)：这个函数在f 坐标中的一条曲线仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水应力莫尔圆应力莫尔圆 O2 1 3rp22()/2xzxzr()/2xzp1pr3pr大主应力：大主应力：小主应力小主应力:圆心：圆心：半径：半径：zx z xz x 1(z,zx)(x,xz)莫尔圆：单元的应力状态莫尔圆：单元的应力状态圆上点：一个面上的圆上点：一个面上的 与与 莫尔

12、圆转角莫尔圆转角2：作用面转角：作用面转角 5.2 5.2 土的抗剪强度理论土的抗剪强度理论 莫尔莫尔-库仑强度理论库仑强度理论莫尔库仑强度理论：由库伦公式表示莫尔包线的强度理论。仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水莫尔圆应力分析符号规定莫尔圆应力分析符号规定z x xz zx n 材料力学材料力学+-正应力正应力剪应力剪应力拉为正拉为正压为负压为负顺时针为正顺时针为正逆时针为负逆时针为负z x xz zx+-n 土力学土力学压为正压为正拉为负拉为负逆时针为正逆时针为正顺时针为负顺时针为负5.2 5.2 土的抗剪强度理论土的抗剪强度理论 莫尔莫尔-库仑强度理论库仑强度理论仁者乐山仁者乐山 智者乐

13、水智者乐水极限平衡应力状态极限平衡应力状态5.2 5.2 土的抗剪强度理论土的抗剪强度理论 莫尔莫尔-库仑强度理论库仑强度理论F极限平衡应力状态：当极限平衡应力状态：当一面上的应力状态达到一面上的应力状态达到=fF土的强度包线：所有达到极限平衡状态的莫尔圆的公切线土的强度包线：所有达到极限平衡状态的莫尔圆的公切线 tgcf切点切点=破坏面破坏面仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水应力莫尔圆与强度包线应力莫尔圆与强度包线 f 强度包线以下：强度包线以下：任何一个面任何一个面上的一对应力上的一对应力 与与 都没有达都没有达到破坏包线，不破坏到破坏包线，不破坏 与破坏包线相切：与破坏包线相切：有一个面

14、有一个面上的应力达到破坏上的应力达到破坏 与破坏包线相交：与破坏包线相交：有一些平有一些平面上的应力超过强度面上的应力超过强度5.2 5.2 土的抗剪强度理论土的抗剪强度理论 莫尔莫尔-库仑强度理论库仑强度理论 不可能发生不可能发生仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水1.1.土单元的某一个平面上的抗剪强度土单元的某一个平面上的抗剪强度 f f是该面是该面上作用的法向应力上作用的法向应力 的单值函数的单值函数,f f=f(=f()（莫尔：（莫尔：19001900年）年）2.2.在一定的应力范围内，可以用线性函数近似在一定的应力范围内，可以用线性函数近似 f f=c+=c+tgtg 3.3.某土单元

15、的任一个平面上某土单元的任一个平面上=f f ，该单元就达，该单元就达到了极限平衡应力状态到了极限平衡应力状态莫尔莫尔库仑强度理论库仑强度理论5.2 5.2 土的抗剪强度理论土的抗剪强度理论 莫尔莫尔-库仑强度理论库仑强度理论仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 O c f=c+tg 1 3莫尔莫尔-库仑强度理论的破坏准则库仑强度理论的破坏准则 ctgc22)(ctgc2)(sin31313131)245(tgc2)245(tg213 )245(tgc2)245(tg231 2ctgc31 231 n 土的极限平衡条件：土的极限平衡条件：处于极限平衡状态时，处于极限平衡状态时，1和和 3之间应满

16、足的关系之间应满足的关系)245(tg213 )245(tg231 无粘性土无粘性土5.2 5.2 土的抗剪强度理论土的抗剪强度理论 莫尔莫尔-库仑强度理论库仑强度理论仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水土单元是否破坏的判别土单元是否破坏的判别n根据极限平衡条件可以用来判别一点土体是否根据极限平衡条件可以用来判别一点土体是否已发生剪切破坏已发生剪切破坏F 计算主应力计算主应力 1,3：F 确定土单元体的应力状态（确定土单元体的应力状态（x，z，xz）2xz2zxzx3,14)2(2 F判别是否剪判别是否剪切破坏：切破坏：由由 3 1f，比较，比较 1和和 1f 由由 1 3f，比较，比较 3和和

17、 3f 由由 1,3 m，比较，比较 和和 m5.2 5.2 土的抗剪强度理论土的抗剪强度理论 莫尔莫尔-库仑强度理论库仑强度理论仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 c f=c+tg O土单元是否破坏的判别土单元是否破坏的判别)245(tgc2)245(tg23f1 F 1=1f 极限平衡状态极限平衡状态 （破坏）（破坏）F 1 1f 不可能状态不可能状态 （破坏）（破坏）1f 3n 方法一：方法一：由由 3 1f，比较，比较 1和和 1f5.2 5.2 土的抗剪强度理论土的抗剪强度理论 莫尔莫尔-库仑强度理论库仑强度理论仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 O c f=c+tg 土单元是否破坏

18、的判别土单元是否破坏的判别n 方法二：方法二：由由 1 3f，比较，比较 3和和 3fF 3=3f 极限平衡状态极限平衡状态 （破坏）（破坏）F 3 3f 安全状态安全状态F 3 3f 不可能状态不可能状态 （破坏）（破坏）1 3f)245(tgc2)245(tg21f3 5.2 5.2 土的抗剪强度理论土的抗剪强度理论 莫尔莫尔-库仑强度理论库仑强度理论仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 O f=c+tg O c 土单元是否破坏的判别土单元是否破坏的判别n 方法三：方法三：由由 1,3 m，比较，比较 和和 mF m 不可能状态不可能状态 （破坏）（破坏）ctgc2sin3131mF处于极限

19、平衡状态处于极限平衡状态所需的内摩擦角所需的内摩擦角5.2 5.2 土的抗剪强度理论土的抗剪强度理论 莫尔莫尔-库仑强度理论库仑强度理论仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水剪切破坏面的位置剪切破坏面的位置 3 1f2 2=90+=45+/2 O 1f 32/45 F可见土体破坏的剪切破可见土体破坏的剪切破坏不在坏不在45最大剪应力面最大剪应力面上，为什么？上，为什么？n 与大主应力面夹角与大主应力面夹角:2 5.2 5.2 土的抗剪强度理论土的抗剪强度理论 莫尔莫尔-库仑强度理论库仑强度理论仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水小小 结结F直剪试验与库仑公式直剪试验与库仑公式F土的抗剪强度机理土的抗

20、剪强度机理F 莫尔莫尔-库仑强度理论库仑强度理论直剪试验直剪试验库仑公式库仑公式土的抗剪强度指标土的抗剪强度指标c和和 应力状态与莫尔圆应力状态与莫尔圆极限平衡应力状态极限平衡应力状态莫尔莫尔-库仑强度理论库仑强度理论土体破坏判断方法土体破坏判断方法滑裂面的位置滑裂面的位置摩擦强度：滑动、咬合摩擦摩擦强度：滑动、咬合摩擦凝聚强度凝聚强度5.2 5.2 土的抗剪强度理论土的抗剪强度理论 莫尔莫尔-库仑强度理论库仑强度理论莫尔圆与抗剪强度之间的关系f 7.3 土的抗剪强度试验一、直接剪切试验二、三轴压缩试验三、无侧限抗压强度试验四、十字板剪切试验仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水n 室内试验：室内

21、试验：直剪试验直剪试验三轴试验等三轴试验等n 野外试验：野外试验：十字板扭剪试验十字板扭剪试验旁压试验等旁压试验等抗剪强度测定试验抗剪强度测定试验F重塑土制样或现场取样重塑土制样或现场取样F缺点：扰动缺点：扰动F优点：应力和边界条件优点：应力和边界条件 清楚，易重复清楚，易重复F缺点：应力和边界条缺点：应力和边界条 件不易掌握件不易掌握F优点：原状土的原位优点：原状土的原位 强度强度5.3 5.3 土的抗剪强度的测定试验土的抗剪强度的测定试验仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水直直 剪剪 试试 验验PT土样土样下盒下盒上盒上盒S面积面积A Oc 1 S23 f1 f2 f3直剪仪直剪仪(dire

22、ct shear test apparatus)5.3 5.3 土的抗剪强度的测定试验土的抗剪强度的测定试验 直剪试验直剪试验仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水直剪试验的类型直剪试验的类型(1)(1)固结慢剪固结慢剪 施加正应力施加正应力-充分固结充分固结 剪切速率很慢，剪切速率很慢，0.02mm/0.02mm/分，分，以保证无超静孔压以保证无超静孔压(2)(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3-53-5分钟内剪切破坏分钟内剪切破坏(3)(3)快剪快剪 施加正应力后立即剪切施加正应力后立即剪切 3-5 3-5分钟内剪切破坏分钟内剪切破坏通过控制通过控制剪切速率剪

23、切速率近似模拟近似模拟排水条件排水条件5.3 5.3 土的抗剪强度的测定试验土的抗剪强度的测定试验 直剪试验直剪试验仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水直剪试验的优缺点直剪试验的优缺点C 设备和操作简单设备和操作简单D人为固定剪切面人为固定剪切面D剪切面应力状态复杂剪切面应力状态复杂 应力、应变不均匀应力、应变不均匀 主应力方向旋转主应力方向旋转D剪切面积逐渐减小剪切面积逐渐减小D排水条件不明确排水条件不明确PT土样土样TP试样内的试样内的变形分布变形分布5.3 5.3 土的抗剪强度的测定试验土的抗剪强度的测定试验 直剪试验直剪试验仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水直剪试验中的应力状态直剪试验中

24、的应力状态PPT z=P/A x=k0 z xz=0剪切前剪切前剪切破坏时剪切破坏时 xz z=P/A x O z=P/Ak0 z剪切前剪切前剪切剪切破坏时破坏时5.3 5.3 土的抗剪强度的测定试验土的抗剪强度的测定试验 直剪试验直剪试验仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水3.6 3.6 常规常规三轴压缩试验三轴压缩试验n Casagrande 1930Casagrande 1930年首先使用年首先使用n 试样采用圆柱形土样，用橡皮膜包裹，放在密封压力室的试样采用圆柱形土样，用橡皮膜包裹，放在密封压力室的压力水中，施加轴向力，应力状态明确；变形量测简单压力水中，施加轴向力，应力状态明确；变形量

25、测简单n 可控制排水条件；可完整的描述试样受力、变形和破坏的可控制排水条件；可完整的描述试样受力、变形和破坏的全过程；可进行不同应力路径的试验全过程；可进行不同应力路径的试验F三轴：三轴：同同“单轴单轴”对应，表明土样在三个方向受对应，表明土样在三个方向受力力F常规：常规：同同“真真”对应，表明土样在两个方向受到对应，表明土样在两个方向受到相同压力（室压力）的作用，并非真正的三轴应相同压力（室压力）的作用，并非真正的三轴应力力常规三轴压缩试常规三轴压缩试验验仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水3.6 3.6 常规常规三轴压缩试验三轴压缩试验F 主机系统主机系统F 稳压调压系统稳压调压系统F 量测

26、系统量测系统 常规三轴常规三轴压缩试验仪压缩试验仪压力室压力室压力室压力室底座底座主机马达主机马达主机主机框架框架离合器离合器n 组成：组成：仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水3.6 3.6 常规常规三轴压缩试验三轴压缩试验F 主机系统主机系统F 稳压调压系统稳压调压系统F 量测系统量测系统 常规三轴常规三轴压缩试验仪压缩试验仪n 组成：组成：压力泵压力泵或高压或高压氮气瓶氮气瓶调压阀调压阀压力表压力表仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水3.6 3.6 常规常规三轴压缩试验三轴压缩试验3.6 3.6 常规常规三轴压缩试验三轴压缩试验F 主机系统主机系统F 稳压调压系统稳压调压系统F 量测系统量测

27、系统 常规三轴常规三轴压缩试验仪压缩试验仪n 组成：组成：孔压孔压传感器传感器体变管体变管轴向位轴向位移量测移量测轴向力轴向力量测量测仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水3.6 3.6 常规常规三轴压缩试验三轴压缩试验常规三轴压缩试验仪常规三轴压缩试验仪 试样试样水水稳压调稳压调压系统压系统排水管或排水管或孔压量测孔压量测阀门阀门轴向活塞轴向活塞有机玻璃罩有机玻璃罩橡皮膜橡皮膜透水石透水石顶帽顶帽n 压力室压力室及试样及试样阀门阀门马达马达横梁横梁量力环量力环百分表百分表仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水3.6 3.6 常规常规三轴压缩试验三轴压缩试验常规三轴压缩试验常规三轴压缩试验 n 通常试

28、验分为通常试验分为两个阶段两个阶段：F 施加周围压力施加周围压力 3 3：过程中，允许试样过程中，允许试样排水称为排水称为固结固结；不；不允许试样排水称为允许试样排水称为不固结不固结 c c c cF施加轴向力，施加轴向力，进行剪切进行剪切：c c c c 过程中，允许试样过程中，允许试样排水称为排水称为排水排水；不；不允许试样排水称为允许试样排水称为不排水不排水仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水应力特点与试验方法应力特点与试验方法n 方法：方法：固结：试样施加围压力固结：试样施加围压力 1 1=2 2=3 3 剪切：施加应力差剪切：施加应力差 1 1=1 1-3 3 n 应力特点：应力特点：

29、试样是轴对称应力状态试样是轴对称应力状态垂直应力垂直应力 z z一般是大主应力一般是大主应力 1 1侧向应力总是相等侧向应力总是相等 x x=y y，且，且为中、小主应力为中、小主应力 2 2=3 3试样试样水压水压力力 c轴向力轴向力Fcy cx 1cz 5.3 5.3 土的抗剪强度的测定试验土的抗剪强度的测定试验 三轴试验三轴试验仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水3.6 3.6 常规常规三轴压缩试验三轴压缩试验常规三轴压缩试验常规三轴压缩试验 F 不固结不排水试验不固结不排水试验UUUU unconsolidated-undrained testF 固结不排水试验固结不排水试验CUCU c

30、onsolidated-undrained testF 固结排水试验固结排水试验CDCD consolidated-drained testn 常规三轴压缩试验常规三轴压缩试验 conventional triaxial compression test仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水3.6 3.6 常规常规三轴压缩试验三轴压缩试验固结排水试验固结排水试验n 试验过程：试验过程：试样试样围压围压力力 3阀门阀门阀门阀门马达马达横梁横梁量力环量力环百分表百分表量水管量水管施加围压施加围压 ，排水阀门始终排水阀门始终打开，打开，充分排水充分排水施加施加(1 1-)进行剪切时，进行剪切时，排水阀门

31、始终打开。剪切排水阀门始终打开。剪切速速度慢足以使孔压消散度慢足以使孔压消散n 测定：测定：轴向变形：轴向应变轴向变形：轴向应变 轴向力：轴向应力轴向力：轴向应力 排水量：体积应变排水量：体积应变仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水n 试验过程试验过程施加围压施加围压 ，排水阀门始终排水阀门始终打开，打开，充分排水充分排水施加施加(1 1-)进行剪切时，进行剪切时，排水阀门关闭。排水阀门关闭。用孔压传感用孔压传感器量测剪切过程中产生的超器量测剪切过程中产生的超静孔隙水压力静孔隙水压力un 测定：测定：轴向变形：轴向应变轴向变形：轴向应变 轴向力：轴向应力轴向力：轴向应力 孔隙水压力孔隙水压力试样

32、试样围压围压力力 3阀门阀门阀门阀门马达马达横梁横梁量力环量力环百分表百分表量水管量水管孔压孔压量测量测固结不排水试验固结不排水试验 3.6 3.6 常规常规三轴压缩试验三轴压缩试验仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水n 试验过程：试验过程：关闭排水阀门，连接孔压传关闭排水阀门，连接孔压传感器，感器，施加围压施加围压 ，量测超，量测超静孔隙水压力静孔隙水压力 uB施加施加(1-)进行剪切时，进行剪切时，关关闭排水阀门。闭排水阀门。用孔压传感器用孔压传感器量测剪切过程中产生的超静量测剪切过程中产生的超静孔隙水压力孔隙水压力 uA试样试样围压围压力力 3阀门阀门阀门阀门马达马达横梁横梁量力环量力环百

33、分表百分表量水管量水管孔压孔压量测量测不固结不排水试验不固结不排水试验 n 测定：测定：轴向变形：轴向应变轴向变形：轴向应变 轴向力：轴向应力轴向力：轴向应力 孔隙水压力孔隙水压力3.6 3.6 常规常规三轴压缩试验三轴压缩试验仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 1-3 1 3=100kPa 3=300kPa 3=500kPa三轴试验确定土的强度包线三轴试验确定土的强度包线 O 3 1f强度包线强度包线c F由不同围压由不同围压 的三轴试验，得到破坏时相应的（的三轴试验，得到破坏时相应的（1 1-)f fF分别绘制破坏状态的应力摩尔圆，其公切线即为强度包分别绘制破坏状态的应力摩尔圆，其公切线即

34、为强度包线，可得强度指标线，可得强度指标c c与与 15%(1-3)f5.3 5.3 土的抗剪强度的测定试验土的抗剪强度的测定试验 三轴试验三轴试验仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水F固结排水试验（固结排水试验（CDCD试验）试验）Consolidated Drained Triaxial test(CD)总应力抗剪强度指标：总应力抗剪强度指标：c cd d d d （c c ）试验类型与强度指标试验类型与强度指标F固结不排水试验（固结不排水试验（CUCU试验）试验）Consolidated Undrained Triaxial test (CU)总应力抗总应力抗剪强度指标：剪强度指标：c c

35、cu cu cucuF不固结不排水试验（不固结不排水试验（UUUU试验）试验）Unconsolidated Undrained Triaxial test (UU)总应力抗总应力抗剪强度指标：剪强度指标：c cu u u u（c cuu uu uu uu）5.3 5.3 土的抗剪强度的测定试验土的抗剪强度的测定试验 三轴试验三轴试验仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水常规三轴试验优缺点常规三轴试验优缺点C单元体试验，试样内应力和应变相对均匀单元体试验，试样内应力和应变相对均匀C应力状态和应力路径明确应力状态和应力路径明确C排水条件清楚，可控制排水条件清楚，可控制C破坏面不是人为固定的破坏面不是人

36、为固定的D设备操作复杂设备操作复杂D现场无法试验现场无法试验D常规三轴试验不能反映常规三轴试验不能反映 2的影响的影响说明：说明：3 30 0 即为无侧限抗压强度试验即为无侧限抗压强度试验5.3 5.3 土的抗剪强度的测定试验土的抗剪强度的测定试验 三轴试验三轴试验三、无侧限抗压强度试验仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水十字板剪切试验十字板剪切试验F一般适用于测定软粘土的一般适用于测定软粘土的不排水强度指标不排水强度指标F钻孔到指定的土层，插入钻孔到指定的土层，插入十字形的探头十字形的探头F通过施加的扭矩计算土的通过施加的扭矩计算土的抗剪强度抗剪强度M5.3 5.3 土的抗剪强度的测定试验土的

37、抗剪强度的测定试验十字板剪切试验十字板剪切试验仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水M2 fv fhM1DH HMf2f321max2HD6DMMM fh32/D0fh16Drdrr22M fv22DDHM 假定土体为各向同性，假定土体为各向同性，fh=fv=f：)H3D(2DM2maxf 十字板剪切试验十字板剪切试验5.3 5.3 土的抗剪强度的测定试验土的抗剪强度的测定试验十字板剪切试验十字板剪切试验一、直接剪切试验1、直接剪切试验方法：快剪试验固结快剪慢剪试验2、直接剪切试验优缺点二、三轴压缩试验仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水3.6 3.6 常规常规三轴压缩试验三轴压缩试验小小 结结F试

38、验仪器试验仪器F试验方法试验方法F典型试验结果典型试验结果F应力应变特点应力应变特点 不固结不排水试验不固结不排水试验UU 固结不排水试验固结不排水试验CU 固结排水试验固结排水试验CD 1、三轴压缩试验方法：、三轴压缩试验方法：（1）不固结不排水试验(UU Test)（2）固结不排水试验(CU Test)（3）固结排水试验(CD Test)2、三轴压缩试验优缺点、三轴压缩试验优缺点四、十字板剪切试验仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水附加应力情况附加应力情况n 三轴应力状态三轴应力状态 1 3 2 1 2 2=3 3 00000031333321三轴应三轴应力状态力状态等向压缩等向压缩应力状态

39、应力状态偏差应偏差应力状态力状态仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水132三轴应三轴应力状态力状态等向压缩等向压缩应力状态应力状态偏差应偏差应力状态力状态3331-31-3=+附加应力情况附加应力情况n 三轴应力状态三轴应力状态 u uB uA仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水附加应力情况附加应力情况n 三轴应力状态三轴应力状态关闭排水阀门，连接孔压关闭排水阀门，连接孔压传感器，传感器，施加围压施加围压 ，量，量测超静孔隙水压力测超静孔隙水压力 uB施加施加(1-)进行剪切时，进行剪切时，关闭排水阀门。关闭排水阀门。用孔压传用孔压传感器量测剪切过程中产生感器量测剪切过程中产生的超静孔隙水压力的超

40、静孔隙水压力 uA试样试样围压围压力力 3阀门阀门阀门阀门马达马达横梁横梁量力环量力环百分表百分表量水管量水管孔压孔压量测量测F 不固结不排水试验不固结不排水试验仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水附加应力情况附加应力情况n 三轴应力状态三轴应力状态 等向压缩应力状态等向压缩应力状态 孔隙流体产生超静孔压孔隙流体产生超静孔压 uB 土骨架有效附加应力：土骨架有效附加应力：3-uB 孔隙流体的体积变化：孔隙流体的体积变化：土骨架体积变化：土骨架体积变化：不排水、不排气：不排水、不排气：V1=V2333 uB体积体积V V孔隙率孔隙率n n孔隙流体和土骨架为弹性孔隙流体和土骨架为弹性体，其体积压缩系

41、数分别体，其体积压缩系数分别为为C Cf f和和C Cs snVuCVuCVBfvBf1 V)u(CVCVB3s3s2 V)u(CnVuCB3sBf 3sfBCCn11u 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水附加应力情况附加应力情况3sfBCCn11u 3BBu 孔压系数孔压系数B：sfCCn11B F表示单位周压力增量表示单位周压力增量所引起的孔压力增量所引起的孔压力增量 饱和土：饱和土：C Cf f=C=Cw wC Cs s B B 1.0 1.0 干干 土土 ：C Cf fC Cs s B=0 B=0 非饱和土：非饱和土：B=0-1B=0-1之间之间B是一个反映土饱和程度的指标是一个反映土

42、饱和程度的指标n 三轴应力状态三轴应力状态 等向压缩应力状态等向压缩应力状态333 uB体积体积V V孔隙率孔隙率n n孔隙流体和土骨架为弹性孔隙流体和土骨架为弹性体，其体积压缩系数分别体，其体积压缩系数分别为为C Cf f和和C Cs s仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水附加应力情况附加应力情况n 三轴应力状态三轴应力状态 偏差应力状态偏差应力状态00体积体积V V孔隙率孔隙率n n孔隙流体和土骨架为弹性孔隙流体和土骨架为弹性体，其体积压缩系数分别体，其体积压缩系数分别为为C Cf f和和C Cs s uA1-31-3 孔隙流体产生超静孔压孔隙流体产生超静孔压 uA 孔隙流体的体积变化：孔隙

43、流体的体积变化：土骨架体积变化：土骨架体积变化：nVuCVuCVAfvAf1 V)(VV321v2 有效附加应力有效附加应力轴向轴向侧向侧向总应力增量总应力增量1-301-3-uA-uAE/)u(2)u(AA311 E/)u()u(uAA31A2 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水附加应力情况附加应力情况 土骨架体积变化：胡克定律土骨架体积变化：胡克定律V)u3)(C31V)u3(E21VA31sA312 不排水、不排气：不排水、不排气：V1=V2)(31B)(31CCn11u3131sfA 孔压系数孔压系数A)(ABu31A n 三轴应力状三轴应力状态态 偏差应力状态偏差应力状态00体积体积

44、V V孔隙率孔隙率n n孔隙流体和土骨架为弹性孔隙流体和土骨架为弹性体，其体积压缩系数分别体，其体积压缩系数分别为为C Cf f和和C Cs s uA1-31-3仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水附加应力情况附加应力情况n 三轴应力状态三轴应力状态 偏差应力状态偏差应力状态00 uA1-31-3孔压系数孔压系数A:)(ABu31A 对饱和土对饱和土,B=1,B=1对于线弹性体对于线弹性体:A=1/3:A=1/3剪胀：剪胀：A A 1/31/3剪缩：剪缩：A A1/31/331AuA F 剪切作用引起的孔压响应剪切作用引起的孔压响应A 是一个反映土体剪胀性强弱的指标，其大小是一个反映土体剪胀性强

45、弱的指标，其大小与土性有关。与土性有关。A不是常数，随加载过程而变化不是常数，随加载过程而变化仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水问题问题:能否对孔压系数能否对孔压系数 A A 作进一步的解释？作进一步的解释？附加应力情况附加应力情况纯剪应力状态纯剪应力状态F弹性体在承受纯弹性体在承受纯剪荷载时不发生剪荷载时不发生体积应变体积应变 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水S=1-3S=1-3S31S31S31=+S31S31S31S31+S31S31S31等向压缩等向压缩应力状态应力状态纯剪应纯剪应力状态力状态纯剪应纯剪应力状态力状态问题问题:能否对孔压系数能否对孔压系数 A A 作进一步的解释？作进

46、一步的解释？附加应力情况附加应力情况仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水附加应力情况附加应力情况n 三轴应力状态三轴应力状态三轴应力状态三轴应力状态等向压缩应力状态等向压缩应力状态偏差偏差应力状态应力状态3BBu )(ABu31A u=uB+uA )(ABu313 7.5 饱和黏性土的抗剪强度一、不固结不排水抗剪强度二、固结不排水抗剪强度三、固结排水抗剪强度超固结土三种不同排水条件下的试验结果对比抗剪强度指标的选择根据工程问题的性质确定三种不同排水的试验条件进而决定采用总应力或有效应力的强度指标然后选择室内或现场的试验方法7.6 应力路径在强度问题中的应用f（f）线和f线之间的关系总应力表示时有效应力表示时costansinc costansinc