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1、第五章土的抗剪强度1概述概述一、抗剪强度的基本概念 土土土土的的的的强强强强度度度度是是是是指指指指一一一一部部部部分分分分土土土土体体体体相相相相对对对对于于于于另另另另一一一一部部部部分分分分土土土土体体体体滑滑滑滑动动动动时时时时的的的的抵抵抵抵抗抗抗抗力力力力，实实实实质质质质上上上上就就就就是是是是土土土土体体体体与与与与土土土土体体体体之之之之间间间间的的的的摩摩摩摩擦力。擦力。擦力。擦力。土土土土的的的的抗抗抗抗剪剪剪剪强强强强度度度度，首首首首先先先先决决决决定定定定于于于于它它它它本本本本身身身身的的的的性性性性质质质质，即即即即土土土土的的的的组组组组成成成成，土土土土的的
2、的的状状状状态态态态和和和和土土土土的的的的结结结结构构构构，这这这这些些些些性性性性质质质质又又又又与与与与它它它它形形形形成成成成的的的的环环环环境境境境和和和和应应应应力力力力历历历历史史史史等等等等因因因因素素素素有有有有关关关关；其其其其次次次次还还还还决决决决定定定定于于于于它它它它当当当当前所受的应力状态。前所受的应力状态。前所受的应力状态。前所受的应力状态。滑动面滑动面滑前边坡滑前边坡原地面原地面滑动面滑动面图图5-15-1土坡滑动土坡滑动图图5-25-2地基失稳地基失稳二、工程中常见的强度问题二、工程中常见的强度问题二、工程中常见的强度问题二、工程中常见的强度问题（1 1）土
3、作为土工结构物的稳定性问题）土作为土工结构物的稳定性问题）土作为土工结构物的稳定性问题）土作为土工结构物的稳定性问题 如如如如人人人人工工工工筑筑筑筑成成成成的的的的路路路路堤堤堤堤，土土土土坝坝坝坝的的的的边边边边坡坡坡坡以以以以及及及及天天天天然然然然土土土土坡坡坡坡等等等等的的的的稳稳稳稳定定定定性性性性问问问问题。题。题。题。（2 2）土作为工程结构的环境的问题）土作为工程结构的环境的问题）土作为工程结构的环境的问题）土作为工程结构的环境的问题 即即即即土土土土压压压压力力力力问问问问题题题题。这这这这和和和和边边边边坡坡坡坡稳稳稳稳定定定定问问问问题题题题有有有有直直直直接接接接联联
4、联联系系系系，若若若若边边边边坡坡坡坡较较较较陡陡陡陡不不不不能能能能保保保保持持持持稳稳稳稳定定定定，又又又又由由由由于于于于场场场场地地地地或或或或其其其其他他他他条条条条件件件件限限限限制制制制而而而而不不不不允允允允许许许许采采采采用用用用平平平平缓缓缓缓边边边边坡坡坡坡时时时时，就就就就可可可可以以以以修修修修筑筑筑筑挡挡挡挡土土土土墙墙墙墙来来来来保保保保持持持持力力力力的的的的平平平平衡衡衡衡。这这这这类类类类工工工工程程程程问问问问题题题题如如如如挡挡挡挡土土土土墙墙墙墙、桥台、地下隧道等。桥台、地下隧道等。桥台、地下隧道等。桥台、地下隧道等。（3 3）土作为建筑物的地基问题，
5、即地基承载力的问题。）土作为建筑物的地基问题，即地基承载力的问题。）土作为建筑物的地基问题，即地基承载力的问题。）土作为建筑物的地基问题，即地基承载力的问题。三、土的抗剪强度测试方法三、土的抗剪强度测试方法三、土的抗剪强度测试方法三、土的抗剪强度测试方法室内试验室内试验室内试验室内试验：应力状态被改变，取土过程受到干扰：应力状态被改变，取土过程受到干扰：应力状态被改变，取土过程受到干扰：应力状态被改变，取土过程受到干扰原位测试原位测试原位测试原位测试：精度不高：精度不高：精度不高：精度不高2土的抗剪强度和破坏理论屈服或塑流：软土屈服或塑流：软土材料破坏形式材料破坏形式断裂：岩石，硬粘土断裂：岩
6、石，硬粘土一、土的屈服与破坏一、土的屈服与破坏一、土的屈服与破坏一、土的屈服与破坏1 1理想弹、塑性材料的应力理想弹、塑性材料的应力- -应变关系应变关系应力应力- -应变成直线关系应变成直线关系 变形是完全弹性的应力变形是完全弹性的应力- -应变关系是应变关系是唯一的，与应力路径和应力历史无关唯一的，与应力路径和应力历史无关称屈服应力或破坏应力称屈服应力或破坏应力 abba123应变硬化应变软化弹性阶段1图5-32 2土的应力土的应力- -应变关系应变关系（1 1）正常固结（松砂），）正常固结（松砂），图5-3曲线（曲线（3 3）加工硬化加工硬化,屈服点至屈服点至b b点点, ,无峰值无峰值
7、（2 2）超固结（密松），）超固结（密松），图5-3曲线（曲线（2 2）加工软化，出现峰值加工软化，出现峰值3 3实际计算时土的弹塑性问题实际计算时土的弹塑性问题（1 1）按线弹性体）按线弹性体（2 2）按理想塑性材料）按理想塑性材料二、莫尔二、莫尔二、莫尔二、莫尔库伦破坏理论库伦破坏理论库伦破坏理论库伦破坏理论（一）土的破坏理论（一）土的破坏理论1 1广义特莱斯卡理论广义特莱斯卡理论1-313=300kpa3=200kpa3=100kpa图5-4土的应力应力- -应变关系应变关系2 2广义密色斯理论广义密色斯理论广义密色斯理论广义密色斯理论式中式中式中式中EE材料的弹性模量材料的弹性模量材料
8、的弹性模量材料的弹性模量材料的泊松比材料的泊松比材料的泊松比材料的泊松比畸变能的极限值畸变能的极限值畸变能的极限值畸变能的极限值 ， 3 3莫尔莫尔莫尔莫尔库伦理论库伦理论库伦理论库伦理论 图图图图5-55-5固定剪切面的剪切试验固定剪切面的剪切试验固定剪切面的剪切试验固定剪切面的剪切试验（1 1）库伦公式基本形式（总应力抗剪强度公式）库伦公式基本形式（总应力抗剪强度公式）库伦公式基本形式（总应力抗剪强度公式）库伦公式基本形式（总应力抗剪强度公式）式中式中式中式中剪切破坏面上的剪应力，即土的抗剪强度剪切破坏面上的剪应力，即土的抗剪强度剪切破坏面上的剪应力，即土的抗剪强度剪切破坏面上的剪应力，即
9、土的抗剪强度破坏面上的法向应力破坏面上的法向应力破坏面上的法向应力破坏面上的法向应力土的粘聚力，对于无粘性土，土的粘聚力，对于无粘性土，土的粘聚力，对于无粘性土，土的粘聚力，对于无粘性土，土的内摩擦角土的内摩擦角土的内摩擦角土的内摩擦角* * 称为抗剪强度指标，同一种土，它们与试验方法有关称为抗剪强度指标，同一种土，它们与试验方法有关称为抗剪强度指标，同一种土，它们与试验方法有关称为抗剪强度指标，同一种土，它们与试验方法有关（2 2）有效应力抗剪强度公式）有效应力抗剪强度公式）有效应力抗剪强度公式）有效应力抗剪强度公式式中式中式中式中剪切破坏面上的有效法向应力剪切破坏面上的有效法向应力剪切破坏
10、面上的有效法向应力剪切破坏面上的有效法向应力uu土中的超静孔隙水压力土中的超静孔隙水压力土中的超静孔隙水压力土中的超静孔隙水压力土的有效粘聚力土的有效粘聚力土的有效粘聚力土的有效粘聚力土的有效内摩擦角土的有效内摩擦角土的有效内摩擦角土的有效内摩擦角， 土土土土的的的的有有有有效效效效抗抗抗抗剪剪剪剪强强强强度度度度指指指指标标标标，对对对对于于于于同同同同一一一一种种种种土土土土，其其其其值值值值理理理理论论论论上上上上与与与与试试试试验验验验方法无关，应接近于常数。方法无关，应接近于常数。方法无关，应接近于常数。方法无关，应接近于常数。4 4莫尔抗剪强度公式莫尔抗剪强度公式当应力变化范围不很
11、大时可用当应力变化范围不很大时可用库伦直线代替莫尔破坏包线库伦直线代替莫尔破坏包线（二）莫尔（二）莫尔库伦破坏准则库伦破坏准则极限平衡条件极限平衡条件1 1土体中剪切破坏面位置的确定土体中剪切破坏面位置的确定（1 1）在地面荷载）在地面荷载p p作用下，土中作用下，土中某点某点MM的应力状态应力圆在强度的应力状态应力圆在强度包线下面，该点应力条件处于弹包线下面，该点应力条件处于弹性状态应力圆正好与强度相切，性状态应力圆正好与强度相切，该点处于极限平衡状态该点处于极限平衡状态 .A.C.BMpO O450+/2450+/2 1f1f（2 2）破裂面位置与最大主平面成）破裂面位置与最大主平面成2
12、2极限平衡条件推导极限平衡条件推导由由(5-7)(5-7)整理后：整理后： 3 3 1f1f c c图图5-75-7土的破裂面确定土的破裂面确定又因又因又因又因故得故得故得故得（5-75-75-75-7） 又因又因又因又因得：得：得：得：故公式（故公式（故公式（故公式（5-75-75-75-7） 可写为：可写为：可写为：可写为： 若若若若，即对洁净的砂土，则有，即对洁净的砂土，则有，即对洁净的砂土，则有，即对洁净的砂土，则有 当当当当时，时，时，时，归纳莫尔归纳莫尔归纳莫尔归纳莫尔库伦破坏理论，可表达为如下三个要点：库伦破坏理论，可表达为如下三个要点：库伦破坏理论，可表达为如下三个要点：库伦破
13、坏理论，可表达为如下三个要点：1 1破坏面上，材料的抗剪强度是法向应力的函数。破坏面上，材料的抗剪强度是法向应力的函数。破坏面上，材料的抗剪强度是法向应力的函数。破坏面上，材料的抗剪强度是法向应力的函数。可表达为：可表达为：可表达为：可表达为：2 2当当当当法法法法向向向向应应应应力力力力不不不不很很很很大大大大时时时时，抗抗抗抗剪剪剪剪强强强强度度度度可可可可简简简简化化化化为为为为法法法法向向向向应应应应力力力力的的的的线线线线性性性性函数，即表示为库伦公式函数，即表示为库伦公式函数，即表示为库伦公式函数，即表示为库伦公式3 3土土土土单单单单元元元元体体体体中中中中，任任任任何何何何一一
14、一一个个个个面面面面上上上上的的的的剪剪剪剪应应应应力力力力大大大大于于于于该该该该面面面面上上上上土土土土的的的的抗抗抗抗剪剪剪剪强强强强度度度度，土土土土单单单单元元元元体体体体即即即即发发发发生生生生破破破破坏坏坏坏，用用用用破破破破坏坏坏坏准准准准则则则则表表表表示示示示即即即即为为为为式式式式（5-75-7）至至至至式式式式（5-105-10）的极限平衡条件）的极限平衡条件）的极限平衡条件）的极限平衡条件（三）极限平衡条件的应用（三）极限平衡条件的应用（三）极限平衡条件的应用（三）极限平衡条件的应用达到极限平衡所要求的内磨擦角达到极限平衡所要求的内磨擦角达到极限平衡所要求的内磨擦角达
15、到极限平衡所要求的内磨擦角单元体已破坏单元体已破坏单元体已破坏单元体已破坏单元体处于弹性平衡状态单元体处于弹性平衡状态单元体处于弹性平衡状态单元体处于弹性平衡状态单元体处于塑性平衡状态单元体处于塑性平衡状态单元体处于塑性平衡状态单元体处于塑性平衡状态 达极限平衡所要求的大主应力达极限平衡所要求的大主应力达极限平衡所要求的大主应力达极限平衡所要求的大主应力处于弹性平衡状态处于弹性平衡状态处于弹性平衡状态处于弹性平衡状态, ,反之已破坏反之已破坏反之已破坏反之已破坏. .3土的抗剪强度试验方法一、三轴剪切试验一、三轴剪切试验一、三轴剪切试验一、三轴剪切试验（一）常规三轴剪切试验方法（一）常规三轴剪
16、切试验方法（1 1）排水剪：图及试验结果见第四章第二节）排水剪：图及试验结果见第四章第二节（2 2）不排水剪：）不排水剪：详细讨论见第五节详细讨论见第五节图图5-115-11不排水剪切的应力不排水剪切的应力- -应变应变- -孔压关系曲线孔压关系曲线密实中密轴向轴向应变应变 1 1(%)(%)u密实中密松0松轴向轴向应变应变 1 1 (%)(%)-1000-50050100（二）破坏包线和抗剪强度指标1 1从应力从应力- -应变关系曲线寻找破坏时应变关系曲线寻找破坏时的偏差应力的偏差应力的方法有三种的方法有三种（1 1）取曲线的最大偏差应力值）取曲线的最大偏差应力值当需要用土的残余强度时取当需
17、要用土的残余强度时取试验曲线的终值试验曲线的终值作作（2 2）以最大有效主应力比）以最大有效主应力比处的偏差应力值作为处的偏差应力值作为（3 3）取规定的轴向应变值）取规定的轴向应变值所相应的偏差应力作为所相应的偏差应力作为值值2 2包络线的作法包络线的作法由可作出包络线l（三）三轴试验中的应力路径和破坏主应力线（三）三轴试验中的应力路径和破坏主应力线1 1三轴排水三轴排水所以所以应力路径：直线p=q*破坏主应力线，破坏点的连线图图5-135-13排水剪切应力路径排水剪切应力路径apKfq4502 2三轴不排水试验三轴不排水试验a.a.总应力（不考虑总应力（不考虑）增加增加，有有b.b.有效应
18、力路径有效应力路径增加增加其中其中，所以所以u u不是常量。不是常量。450apKfq=(1-3)/2P=(1+3)/2P/=(1/+3/)/2图图5-145-14不排水剪切应力路径不排水剪切应力路径Kf/ c c 3 3 1 1 O OO O/ /p pq q a a f f线线K Kf f线线R R3 3）破坏包线与破坏主应力线关系）破坏包线与破坏主应力线关系故故又又故故图5-15破坏包线与破坏主应力线破坏包线与破坏主应力线（四）（四）（四）（四） 三轴试验的发展三轴试验的发展三轴试验的发展三轴试验的发展令令令令二、直剪试验（一）试验设备和试验方法一）试验设备和试验方法设备：应变控制式直接
19、剪切仪设备：应变控制式直接剪切仪取破坏时的正应力和剪应力值作出取破坏时的正应力和剪应力值作出曲线曲线取值：取值： 取剪应力取剪应力剪变形曲线峰值为剪变形曲线峰值为取值：取值：曲线之终值曲线之终值（二）优缺点及新发展（二）优缺点及新发展优点：（优点：（1）固结快，试验历时短）固结快，试验历时短（2）无侧向膨胀）无侧向膨胀竖向变形直接算出竖向变形直接算出缺缺点点：（1）剪剪切切面面上上剪剪应应力力分分布布不不均均匀匀，中中间小边缘大间小边缘大（2）不不能能控控制制排排水水条条件件，无无法法测测出出孔孔隙隙水压力水压力（3）剪剪切切面面上上土土的的性性值值不不能能代代表表其其他他部部位土位土深基坑不
20、能做直剪试验，应作三轴试验深基坑不能做直剪试验，应作三轴试验发展方向：单剪仪发展方向：单剪仪（三）无侧限压缩试验（三）无侧限压缩试验根据土的极限平衡条件根据土的极限平衡条件根据土的极限平衡条件根据土的极限平衡条件IfThen应用：应用：应用：应用：11代替三轴试验（当代替三轴试验（当代替三轴试验（当代替三轴试验（当）22可用来求土的灵敏度可用来求土的灵敏度可用来求土的灵敏度可用来求土的灵敏度 缺点：缺点：缺点：缺点：11太软土（流塑）不可太软土（流塑）不可太软土（流塑）不可太软土（流塑）不可22试验快试验快试验快试验快,水来不及排除水来不及排除水来不及排除水来不及排除四、十字板剪切试验原位试验
21、（一）土的原位测试技术的优点（一）土的原位测试技术的优点1 1可在现场进行，避免取样可在现场进行，避免取样可在现场进行，避免取样可在现场进行，避免取样2 2涉及的土体积比室内试验样品大很多涉及的土体积比室内试验样品大很多涉及的土体积比室内试验样品大很多涉及的土体积比室内试验样品大很多3 3可连续进行，可得到完整的土层剖面及物理力学指标可连续进行，可得到完整的土层剖面及物理力学指标可连续进行，可得到完整的土层剖面及物理力学指标可连续进行，可得到完整的土层剖面及物理力学指标4 4具有快速经济的优点具有快速经济的优点具有快速经济的优点具有快速经济的优点土的原位测试技术的缺点土的原位测试技术的缺点土的
22、原位测试技术的缺点土的原位测试技术的缺点1 1难于控制测试中的边界条件，如排水条件和应力条件难于控制测试中的边界条件，如排水条件和应力条件难于控制测试中的边界条件，如排水条件和应力条件难于控制测试中的边界条件，如排水条件和应力条件2 2测试数据和土的工程性质的关系建立在统计经验关系上测试数据和土的工程性质的关系建立在统计经验关系上测试数据和土的工程性质的关系建立在统计经验关系上测试数据和土的工程性质的关系建立在统计经验关系上3 3测试设备进入土层对土层也有一定扰动测试设备进入土层对土层也有一定扰动测试设备进入土层对土层也有一定扰动测试设备进入土层对土层也有一定扰动4 4试试试试验验验验应应应应
23、力力力力路路路路径径径径无无无无法法法法很很很很好好好好控控控控制制制制，试试试试验验验验时时时时的的的的主主主主应应应应力力力力方方方方向向向向与与与与实实实实际际际际 工程往往不一致工程往往不一致工程往往不一致工程往往不一致5 5应变场不均匀，应变速率大于实际工程的正常固结应变场不均匀，应变速率大于实际工程的正常固结应变场不均匀，应变速率大于实际工程的正常固结应变场不均匀，应变速率大于实际工程的正常固结（二）十字板剪切试验适用范围（二）十字板剪切试验适用范围（二）十字板剪切试验适用范围（二）十字板剪切试验适用范围测定正常固结饱和软粘土测定正常固结饱和软粘土测定正常固结饱和软粘土测定正常固结
24、饱和软粘土的不排水抗剪强度的不排水抗剪强度的不排水抗剪强度的不排水抗剪强度和灵敏度和灵敏度和灵敏度和灵敏度（三）测试原理：（三）测试原理：（三）测试原理：（三）测试原理：其中：假其中：假其中：假其中：假（各向同性）（各向同性）（各向同性）（各向同性）柱体的上、下面的抗剪强度对柱体的上、下面的抗剪强度对柱体的上、下面的抗剪强度对柱体的上、下面的抗剪强度对圆心所产生的抗扭力矩圆心所产生的抗扭力矩圆心所产生的抗扭力矩圆心所产生的抗扭力矩圆柱面上的剪应力对圆心所产圆柱面上的剪应力对圆心所产圆柱面上的剪应力对圆心所产圆柱面上的剪应力对圆心所产生的抗扭力矩生的抗扭力矩生的抗扭力矩生的抗扭力矩1 1影响测试
25、精度的主要因素影响测试精度的主要因素（1 1）旋转速率）旋转速率（2 2）土的各向异性）土的各向异性（3 3）十字板头规格）十字板头规格图5-23（4 4）排水条件）排水条件）排水条件）排水条件（5 5）轴杆与孔壁摩擦）轴杆与孔壁摩擦）轴杆与孔壁摩擦）轴杆与孔壁摩擦2 2成果分析应用成果分析应用成果分析应用成果分析应用（1 1）计算软粘土的不排水抗剪强度峰值，残余峰和灵敏度）计算软粘土的不排水抗剪强度峰值，残余峰和灵敏度）计算软粘土的不排水抗剪强度峰值，残余峰和灵敏度）计算软粘土的不排水抗剪强度峰值，残余峰和灵敏度（2 2）绘制）绘制）绘制）绘制CuCu随深度变化曲线随深度变化曲线随深度变化曲
26、线随深度变化曲线（3 3）土的长期强度仅为峰值强度的）土的长期强度仅为峰值强度的）土的长期强度仅为峰值强度的）土的长期强度仅为峰值强度的6070%6070%，应修正，应修正，应修正，应修正（4 4）十字板不排水抗剪强度的应用）十字板不排水抗剪强度的应用）十字板不排水抗剪强度的应用）十字板不排水抗剪强度的应用a.a.计算地基承载力计算地基承载力计算地基承载力计算地基承载力b.b.预估单桩承载力预估单桩承载力预估单桩承载力预估单桩承载力c.c.求软粘土灵敏度求软粘土灵敏度求软粘土灵敏度求软粘土灵敏度d.d.软土地区堤坝的临界高度软土地区堤坝的临界高度软土地区堤坝的临界高度软土地区堤坝的临界高度e.
27、e.地基抗滑稳定分析地基抗滑稳定分析地基抗滑稳定分析地基抗滑稳定分析f.f.估计土的液性指数估计土的液性指数估计土的液性指数估计土的液性指数g.g.检验地基加固效果检验地基加固效果检验地基加固效果检验地基加固效果h.h.根据根据根据根据Cu-zCu-z变化曲线关系，判定软土固结历史变化曲线关系，判定软土固结历史变化曲线关系，判定软土固结历史变化曲线关系，判定软土固结历史4土的抗剪强度机理和影响因素一、摩擦强度一、摩擦强度一般由两部分组成：一般由两部分组成：一是颗粒之间滑动时产生的滑动摩擦，一是颗粒之间滑动时产生的滑动摩擦，一是颗粒之间脱离咬合状态而移动所产生的咬合摩擦。一是颗粒之间脱离咬合状态
28、而移动所产生的咬合摩擦。滑动摩擦与颗粒形状、矿物组成、级配有关滑动摩擦与颗粒形状、矿物组成、级配有关咬合摩擦与土的密度、磨圆度有关咬合摩擦与土的密度、磨圆度有关影响（粗粒土）的因素：影响（粗粒土）的因素：（1 1）密度）密度（2 2）粒经级配）粒经级配 （3 3）颗粒形状）颗粒形状（4 4）矿物成分）矿物成分二、粘聚强度二、粘聚强度细粒土的粘聚力取决于土粒间的细粒土的粘聚力取决于土粒间的各种物理化学作用力，包括库伦力各种物理化学作用力，包括库伦力（静电力）、范得华力、胶结作用（静电力）、范得华力、胶结作用力等。对粘聚力的微观研究是一个很力等。对粘聚力的微观研究是一个很复杂的问题，目前还存在着各
29、种不同复杂的问题，目前还存在着各种不同的见解。的见解。三、摩擦强度和粘聚强度的内在联系三、摩擦强度和粘聚强度的内在联系接触点面积：接触点面积： Ai=Ni/y式中式中 y材料的屈服强度材料的屈服强度又又 f f=s=sAi 所以所以其中其中 f f可看成摩擦系数，可看成摩擦系数，f=f=tgtg 隙隙空空空空隙隙PPNiAi(a)(b)图图5-305-30土颗粒的微观接触土颗粒的微观接触(a)(a)荷载教小时荷载教小时(b)(b)荷载增加，接触点屈服荷载增加，接触点屈服结论结论土的抗剪强度虽然形式上区分为摩擦强度和土的抗剪强度虽然形式上区分为摩擦强度和粘聚强度，而其物理实质则难以截然区分；粘聚
30、强度，而其物理实质则难以截然区分；c=0,c=0,并非无摩擦强度，而是隐含在并非无摩擦强度，而是隐含在c c中；中； =0=0 ，并非无，并非无粘聚强度，而是隐含于粘聚强度，而是隐含于c c 中。中。学习中，既要看到摩擦强度和粘聚强度间有学习中，既要看到摩擦强度和粘聚强度间有区别的一面又要看到它们之间有相同的一面。区别的一面又要看到它们之间有相同的一面。四四四四、密密密密度度度度对对对对抗抗抗抗剪剪剪剪强强强强度度度度的的的的影影影影响响响响密密密密度度度度有有有有效效效效应应应应力力力力抗抗抗抗剪剪剪剪强度的唯一性关系强度的唯一性关系强度的唯一性关系强度的唯一性关系影响抗剪强度最主要的因素：
31、影响抗剪强度最主要的因素：土的组成土的组成土的密度土的密度土的结构及所受应力状态土的结构及所受应力状态证明土的密度证明土的密度有效应力有效应力抗剪强度唯一性关系抗剪强度唯一性关系（a a）排水试验：密度增大排水试验：密度增大, ,(b)b) 固结不排水试验固结不排水试验 不变不变剪切至破坏剪切至破坏试样试样1 11（排水）（排水）试验试验1 1（排水试验）（排水试验）固结固结2孔隙水压力孔隙水压力u u试样试样2 2剪切至破坏剪切至破坏（不排水）（不排水）固结固结试验试验2 2（ 固界不排水试验）固界不排水试验）45012图5-31唯一性试验验证实验结论：（1）正常固结土，唯一性关系不受加载路
32、径影响（2）对于超固结土，只要应力历史相同，唯一性的原则仍可适用。因此，应力历史相同的土，密度愈高，抗剪强度愈大，有效应力愈高，抗剪强度也愈大。5土在剪切中的性状和各类抗剪强度指标土的特点：土的特点：同同一一种种土土，用用同同一一台台仪仪器器做做试试验验，如如果果采采用用的的试试验验方方法法，特特别别是是排排水水条条件件不不一一样样，测测得得的的结结果果往往往往差差别别很很大大，有有时时甚甚至至相当悬殊。相当悬殊。一、土在排水和不排水条件下的剪切状态一、土在排水和不排水条件下的剪切状态土土与与弹弹性性材材相相比比，有有一一个个重重要要的的特特征征：即即受受剪剪切切时时不不仅仅产产生生形形状状的
33、的变变化化，还还要要产产生生体体积积的的变变化化“ “剪剪剪剪胀胀胀胀性性性性” ”，它它包包括括体体积剪胀和剪缩。积剪胀和剪缩。对于对于土土体体积积的的变变化化完完全全由由于于孔孔隙隙流流体体（水水和和气气）体体积积的变化的变化非饱和土：非饱和土：变化变化首先表现为气体的体积变化首先表现为气体的体积变化与土的透气性有关与土的透气性有关饱饱和和土土：变变化化吸吸入入或或挤挤出出水水分分与与渗渗透透系系数数K有有关关，K大，体积变化时间短大，体积变化时间短1 1、排水剪、排水剪密砂：密砂：很小，收缩很小，收缩膨胀膨胀密度降低密度降低承受剪应力能力降低承受剪应力能力降低峰值峰值残余值残余值松砂：松
34、砂：剪缩剪缩密度增大密度增大稳定的应力稳定的应力竖向应变密砂l松砂松砂竖向应变体积应变增大密砂v图图3-33-3三轴试验应力应变曲线三轴试验应力应变曲线结论：若两种不同密实状态的砂的组成相同，则若两种不同密实状态的砂的组成相同，则剪应变很大时两种砂的密度和残余强度将趋于剪应变很大时两种砂的密度和残余强度将趋于一致，对应于该密度的孔隙比，称为临界孔隙一致，对应于该密度的孔隙比，称为临界孔隙比比，它表示土处于这种密实状态时，受剪切，它表示土处于这种密实状态时，受剪切作用只产生剪应变而不产生体应变。作用只产生剪应变而不产生体应变。细粒土：类似粗料土性状细粒土：类似粗料土性状细粒土：类似粗料土性状细粒
35、土：类似粗料土性状正正正正常常常常固固固固结结结结及及及及轻轻轻轻度度度度超超超超固固固固结结结结土土土土类类类类似似似似于于于于松松松松砂砂砂砂和和和和中中中中密密密密砂砂砂砂重重重重度度度度的的的的超固结土则类似于密砂。超固结土则类似于密砂。超固结土则类似于密砂。超固结土则类似于密砂。2 2不排水剪不排水剪不排水剪不排水剪剪切中不让土样排水，控制体积固定不变剪切中不让土样排水，控制体积固定不变剪切中不让土样排水，控制体积固定不变剪切中不让土样排水，控制体积固定不变机理：机理：机理：机理：土土土土体体体体积积积积有有有有膨膨膨膨胀胀胀胀趋趋趋趋势势势势土土土土产产产产生生生生负负负负值值值值
36、的的的的孔孔孔孔隙隙隙隙水水水水压压压压力力力力作作作作用于骨架的有效应力增加，使土体不能膨胀。用于骨架的有效应力增加，使土体不能膨胀。用于骨架的有效应力增加，使土体不能膨胀。用于骨架的有效应力增加，使土体不能膨胀。土土土土体体体体有有有有收收收收缩缩缩缩的的的的趋趋趋趋势势势势而而而而控控控控制制制制不不不不让让让让其其其其收收收收缩缩缩缩时时时时土土土土产产产产生生生生正正正正的的的的孔孔孔孔隙隙隙隙水水水水压压压压力力力力减减减减小小小小作作作作用用用用于于于于骨骨骨骨架架架架上上上上的的的的有有有有效效效效应应应应力力力力土土土土体体体体不不不不发生收缩。发生收缩。发生收缩。发生收缩。
37、结论：密砂产生负值孔隙水压力，增加土的抗剪强度；松砂则密砂产生负值孔隙水压力，增加土的抗剪强度；松砂则产生正值孔隙水压力，降低土的抗剪强度产生正值孔隙水压力，降低土的抗剪强度正常固结土和轻度超固结土，类似于松砂和中密砂正常固结土和轻度超固结土，类似于松砂和中密砂 ，重度超固结土类似于密砂。，重度超固结土类似于密砂。二、总应力抗剪强度指标和有效应力抗剪强度指标砂：总应力：砂：总应力： 有效应力：有效应力：式中：式中：总应力内摩擦角总应力内摩擦角有效应力内摩擦角有效应力内摩擦角同同一一个个试试件件，同同一一种种试试验验方方法法测测得得的的强度只有一个，但却有两种表达方式强度只有一个，但却有两种表达
38、方式显然：显然：例：松砂：例：松砂： 密砂：密砂：/uf/图图5-325-32 有有效效应应力力破破坏坏包包线和总应力破坏包线线和总应力破坏包线结论结论有有有有效效效效应应应应力力力力强强强强度度度度指指指指标标标标与与与与总总总总应应应应力力力力强强强强度度度度指指指指标标标标的的的的差差差差别别别别实实实实质质质质上上上上是是是是反反反反映试件中孔隙水压力对土的抗剪强度的影响。映试件中孔隙水压力对土的抗剪强度的影响。映试件中孔隙水压力对土的抗剪强度的影响。映试件中孔隙水压力对土的抗剪强度的影响。总应力法：用试验方法模拟原位土体的工作条件测总应力法：用试验方法模拟原位土体的工作条件测总应力法
39、：用试验方法模拟原位土体的工作条件测总应力法：用试验方法模拟原位土体的工作条件测。有有有有效效效效应应应应力力力力法法法法：确确确确切切切切反反反反映映映映土土土土的的的的抗抗抗抗剪剪剪剪强强强强度度度度的的的的实实实实质质质质，是是是是今今今今后后后后发发发发展展展展方向。但孔隙水压力方向。但孔隙水压力方向。但孔隙水压力方向。但孔隙水压力不易测得。不易测得。不易测得。不易测得。说明：理论上，若试件中的孔压比说明：理论上，若试件中的孔压比说明：理论上，若试件中的孔压比说明：理论上，若试件中的孔压比 （ 为为为为滑滑滑滑动动动动面面面面上上上上的的的的正正正正应应应应力力力力）与与与与原原原原位
40、位位位土土土土体体体体的的的的孔孔孔孔压压压压比比比比相相相相同同同同，则则则则用用用用总总总总应应应应力力力力法法法法与与与与有有有有效应力法得到的抗剪强度就能相互一致。效应力法得到的抗剪强度就能相互一致。效应力法得到的抗剪强度就能相互一致。效应力法得到的抗剪强度就能相互一致。三、三轴不固结不排水剪切试验三、三轴不固结不排水剪切试验（UU）和直剪快剪试验和直剪快剪试验1 1、主要试验过程、主要试验过程土样土样cu/uc/uIII图图5-335-33饱和土不固结不排水强度包线饱和土不固结不排水强度包线2 2试验结论试验结论1 1）饱和试件：）饱和试件：不变不变不变不变不变不变 大小取决于先期固
41、结压力大小取决于先期固结压力愈高，愈高， 愈小，愈小，愈大。愈大。2 2）饱和土的孔压系数）饱和土的孔压系数B=1B=1。有效应力圆只有一个有效应力圆只有一个证证明明：设设饱饱和和粘粘土土试试样样在在地地层层中中所所受受的的垂垂直直固固结结压压力力为为 ，则侧向固结压力为则侧向固结压力为（为侧向压力系数）为侧向压力系数）应力圆I，相当于时的情况应力圆II，相当于对I试件：其中初始孔隙水压力（1）试样II： 有效应力圆只有一个有效应力圆只有一个3 3与其它试验关系与其它试验关系无侧限压缩，十字板剪切测得的无侧限压缩，十字板剪切测得的4 4应用应用 不不排排水水强强度度用用于于荷荷载载增增加加所所
42、引引起起的的孔孔隙隙水水压压力力不不消消散散，密密度度保保持持不不变变的的情情况况，如如地地基基的的极极限限承承载载计计算算中中，若若建建筑筑物物的的施施工工速速度度快快，地地基基土土的的粘粘性性大大，透透水水性性小小，排排水水条条件件差差时时应采用不排水强度。应采用不排水强度。（二）快剪试验（二）快剪试验 与与三三轴轴不不固固结结不不排排水水试试验验方方法法相相对对应应，在在直直剪剪试试验验中中称称为快剪试验为快剪试验粘性较大的土样，快剪试验与粘性较大的土样，快剪试验与UUUU试验性质基本相同试验性质基本相同低性粘或无粘性土，快剪试验与低性粘或无粘性土，快剪试验与UUUU试验性质差别较大试验
43、性质差别较大四、三轴固结排水试验和直剪慢剪试验四、三轴固结排水试验和直剪慢剪试验土样土样2 2试验结论试验结论试验结论试验结论（1 1）（2 2）试验室土样划分）试验室土样划分）试验室土样划分）试验室土样划分注：上述定义与天然土层正常固结、超固结定义有区别注：上述定义与天然土层正常固结、超固结定义有区别正常固结土：正常固结土：正常固结土：正常固结土：天然土：天然土：天然土：天然土：3应用应用 （1 1）施工速度较慢，地基土）施工速度较慢，地基土）施工速度较慢，地基土）施工速度较慢，地基土的粘性小，透水性大，排水条件的粘性小，透水性大，排水条件的粘性小，透水性大，排水条件的粘性小，透水性大，排水
44、条件良好时应采用排水强度。良好时应采用排水强度。良好时应采用排水强度。良好时应采用排水强度。 （二）慢剪试验（二）慢剪试验（二）慢剪试验（二）慢剪试验与与与与三三三三轴轴轴轴排排排排水水水水试试试试验验验验方方方方法法法法相相相相对对对对应应应应，在直剪试验中为慢剪试验。在直剪试验中为慢剪试验。在直剪试验中为慢剪试验。在直剪试验中为慢剪试验。do摩擦强度粘聚强度图图5-355-35正常固结土强度包线正常固结土强度包线cdob正常固结段正常固结段超固结段超固结段p图图5-365-36天然土天然土f包线包线dceda五三轴固结不排水试验和直剪快剪试验五三轴固结不排水试验和直剪快剪试验土样土样（一）
45、三轴固结不排水试验一）三轴固结不排水试验一）三轴固结不排水试验一）三轴固结不排水试验 1 1、试验过程、试验过程、试验过程、试验过程2 2试验结论试验结论试验结论试验结论 将将将将试试试试样样样样在在在在不不不不同同同同的的的的 下下下下作作作作不不不不排水剪试验，即可得破坏圆排水剪试验，即可得破坏圆排水剪试验，即可得破坏圆排水剪试验，即可得破坏圆ccu2ccu1ccucu图5-38固结不排水强度包线固结不排水强度包线正常固结：正常固结：天然土试件：天然土试件：有效应力抗剪指标：有效应力抗剪指标：obcu图5-39正常固结土和天然正常固结土和天然土的固结不排水强度包线土的固结不排水强度包线cc
46、uob正常固结段正常固结段超固结段超固结段（/）ccuc/-u1+u2超固结超固结正常固结正常固结图图5-405-40总应力强度包线和有效应力强度包线总应力强度包线和有效应力强度包线总应力圆总应力圆有效应力圆有效应力圆3 3应用应用应用应用 工工程程上上如如果果土土体体在在加加载载过过程程中中既既非非完完全全不不排排水水又非完全排水，而常处于两者之间时常采用。又非完全排水，而常处于两者之间时常采用。较前两种方法更为常用。较前两种方法更为常用。（二）固结快剪试验（二）固结快剪试验与与三三轴轴固固结结不不排排水水方方法法相相对对应应，在在直直接接试试验验中中的的固结快剪试验。固结快剪试验。注意：注
47、意：塑性指标数塑性指标数塑性指标数塑性指标数对试验结果的影响对试验结果的影响塑塑性性指指标标数数高高的的土土，各各种种指指标标比比较较符符合合三三轴轴试试验验同类指标的变化规律；同类指标的变化规律；塑性指标数较低的粘性土，不同方法所测得的塑性指标数较低的粘性土，不同方法所测得的 相相差无几。差无几。六土的残余强度六土的残余强度1 1排水剪排水剪密砂：密砂：松砂：强度稳定值松砂：强度稳定值2 2、不排水剪、不排水剪密砂，中砂，密、松砂密砂，中砂，密、松砂随随升高，不存升高，不存在在极松砂极松砂（图图5-425-42 ）工程应用：工程应用：在饱和疏松的粉细砂中开挖基坑，在饱和疏松的粉细砂中开挖基坑
48、，类似不排水状态，类似不排水状态，u u, ,f, ,导致导致在很低的在很低的 下流动，此即为下流动，此即为流砂和流流砂和流动滑坡的内在机理。动滑坡的内在机理。S( (剪变形剪变形) )r3Kf/qP/A/r(a)(b)图图5-425-42不排水试验的不排水试验的残余强度残余强度1-312ru密砂密砂松砂松砂排水试验排水试验粘性土的残余强度机理与砂土区别：粘性土的残余强度机理与砂土区别：前者强度的降低主要是由于在剪切中土的结构起变化所致。前者强度的降低主要是由于在剪切中土的结构起变化所致。S( (剪位移）剪位移）正常固结峰值正常固结峰值超固结峰值超固结峰值有效应力有效应力 / /超固结土超固结
49、土正常固结土正常固结土残余强度残余强度/r*图图5-435-43粘性土的剪切试验曲线粘性土的剪切试验曲线工程应用工程应用天然滑坡的滑动面或断层面，土体往往因多次滑动而经历相天然滑坡的滑动面或断层面，土体往往因多次滑动而经历相当大的变形，分析其稳定性时，应该采用残余强度。当大的变形，分析其稳定性时，应该采用残余强度。七、抗剪强度指标的选用（岩土力学张振营（岩土力学张振营（岩土力学张振营（岩土力学张振营 中国水利水电出版社）中国水利水电出版社）中国水利水电出版社）中国水利水电出版社）土土土土的的的的抗剪强度及其指标的确定抗剪强度及其指标的确定抗剪强度及其指标的确定抗剪强度及其指标的确定将会因所采用
50、的分析方法（总将会因所采用的分析方法（总将会因所采用的分析方法（总将会因所采用的分析方法（总应力法或有效应力法）的不同而有所不同，必须分别确定和采用应力法或有效应力法）的不同而有所不同，必须分别确定和采用应力法或有效应力法）的不同而有所不同，必须分别确定和采用应力法或有效应力法）的不同而有所不同，必须分别确定和采用相应的指标。相应的指标。相应的指标。相应的指标。1 1、当采用有效应力法进行工程设计时，应选用有效强度指标。只、当采用有效应力法进行工程设计时，应选用有效强度指标。只、当采用有效应力法进行工程设计时，应选用有效强度指标。只、当采用有效应力法进行工程设计时，应选用有效强度指标。只要能比
51、较准确地确定孔隙压力，则采用有效强度指标是应该推荐要能比较准确地确定孔隙压力，则采用有效强度指标是应该推荐要能比较准确地确定孔隙压力，则采用有效强度指标是应该推荐要能比较准确地确定孔隙压力，则采用有效强度指标是应该推荐的；的；的；的；有效强度指标可用直剪的慢剪、三轴不排水剪和固结不排水剪有效强度指标可用直剪的慢剪、三轴不排水剪和固结不排水剪有效强度指标可用直剪的慢剪、三轴不排水剪和固结不排水剪有效强度指标可用直剪的慢剪、三轴不排水剪和固结不排水剪（监测孔隙压力）等方法测定；（监测孔隙压力）等方法测定；（监测孔隙压力）等方法测定；（监测孔隙压力）等方法测定；2 2、对于可能发生快速加荷的正常固结
52、粘土上地基土的稳定分析可、对于可能发生快速加荷的正常固结粘土上地基土的稳定分析可、对于可能发生快速加荷的正常固结粘土上地基土的稳定分析可、对于可能发生快速加荷的正常固结粘土上地基土的稳定分析可采用不排水剪指标；采用不排水剪指标；采用不排水剪指标；采用不排水剪指标；对于土层较厚、透水性小、施工速度较快的工程的施工期对于土层较厚、透水性小、施工速度较快的工程的施工期对于土层较厚、透水性小、施工速度较快的工程的施工期对于土层较厚、透水性小、施工速度较快的工程的施工期和竣工期也可采用和竣工期也可采用和竣工期也可采用和竣工期也可采用UUUU试验的强度指标；试验的强度指标；试验的强度指标；试验的强度指标；
53、当土层较薄、透水性大、施工速度较慢工程的竣工期分析当土层较薄、透水性大、施工速度较慢工程的竣工期分析当土层较薄、透水性大、施工速度较慢工程的竣工期分析当土层较薄、透水性大、施工速度较慢工程的竣工期分析也可采用也可采用也可采用也可采用CDCD试验的强度指标，如果介于以上两者之间，可采试验的强度指标，如果介于以上两者之间，可采试验的强度指标，如果介于以上两者之间，可采试验的强度指标，如果介于以上两者之间，可采用用用用CUCU试验指标；试验指标；试验指标；试验指标；3 3、以上所述的一些情况都不是很准确的，应具体问题具体分、以上所述的一些情况都不是很准确的，应具体问题具体分、以上所述的一些情况都不是很准确的，应具体问题具体分、以上所述的一些情况都不是很准确的，应具体问题具体分析；析；析；析；4 4、直剪试验不能控制排水条件，但设备简单，操作方便，比、直剪试验不能控制排水条件，但设备简单，操作方便，比、直剪试验不能控制排水条件，但设备简单，操作方便，比、直剪试验不能控制排水条件，但设备简单，操作方便，比较普及，使用时应注意其适用性。较普及，使用时应注意其适用性。较普及，使用时应注意其适用性。较普及，使用时应注意其适用性。
