土力学冯老师第六章土的抗剪强度34

土力学Soil Mechanics冯晓腊 教授本章内容•第一节 概述 •第二节 土的抗剪强度•第三节 抗剪强度指标的测定方法•第四节 抗剪强度的表示方法及其影响因素第三节 抗剪强度指标的测定方法•在确定地基土的承载力、挡土墙的土压力以及验算土坡稳定性等工程问题中，都要用到土体的抗剪强度指标因此，正确地测定和选择土的抗剪强度指标是土工计算中十分重要的问题测定方法室内•直剪•三轴现场•十字板剪切•大型原位剪切一、直接剪切试验应变控制式直剪仪应变控制式直剪仪应力控制式直剪仪应力控制式直剪仪PT土样土样下盒下盒上盒上盒S面积面积A  Oc 1 S23 f1 f2 f3直剪仪直剪仪(direct shear test apparatus)试验成果试验成果: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切速率近似模拟近似模拟排水条件排水条件•优点：操作方便，人为固定剪切面，应力和边界条件清楚，易重复•缺点：剪应力分布不均匀，不容易控制排水，剪切面易发生变化•适宜：二、三级建筑的可塑状态粘性土与饱和度不大于0.5的粉土直剪试验中的应力状态直剪试验中的应力状态: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二、三轴剪切试验试试样样围压围压力力 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量水水管管孔压孔压量测量测F试样应力特点试样应力特点与试验方法与试验方法F强度包线强度包线F试验类型试验类型F优缺点优缺点试验装置：试验装置：试试样样水压水压力力 c轴向力轴向力F应变控制式三轴仪：应变控制式三轴仪：n压力室压力室n加压系统加压系统n量测系统量测系统轴向加荷系统三轴压缩仪三轴压缩仪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ΔΔ 1 1= = 1 1- - 3 3 n 应力特点：应力特点：•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试试样样水压水压力力 c轴向力轴向力F三、无侧限抗压试验• 1 1、试验装置、试验装置ququ 3=02 2、试验结果：、试验结果：—不排水抗剪强度。

不排水抗剪强度只能作出一个应力圆只能作出一个应力圆 ，对一般粘性土就难以作出，对一般粘性土就难以作出破坏包线而对饱和粘性土，破坏包线而对饱和粘性土，根据在三轴不固结不排水实根据在三轴不固结不排水实验的结果，其破坏包线近于验的结果，其破坏包线近于一条水平线，即一条水平线，即 这样，仅为测定这样，仅为测定饱和粘性土饱和粘性土的不排水抗剪强度的不排水抗剪强度时，就可时，就可利用构造简单的无侧限抗压利用构造简单的无侧限抗压试验 十字板剪切试验1. 概述• 十字板剪切试验( Vane Shear Test ,简称VST)适用于原位测定饱水软粘土的不排水抗剪强度• 十字板剪切试验在我国沿海软土地区被广泛使用• 对于不均匀土层，特别是夹有薄层粉细砂或粉土的软粘土十字板剪切试验会有较大的误差，使用时必须谨慎试验项目测定参数主要试验目的十字板剪切试验不排水抗剪强度峰值cu(kPa)和残余值c’u(kPa)1 测求饱和粘性土的不排水抗剪强度和灵敏度；2 估算地基土承载力和单桩承载力；3 计算边坡稳定性；4 判断软粘性土的应力历史。

优点和缺点•它具有下列优点：•(1) 不用取样，可以在现场对基本上处于天然应力状态下的土层进行扭剪•(2) 野外测试设备轻便，操作容易•(3) 测试速度较快，效率高，成果整理简单•其缺点是仅适用于江河湖海的沿岸地带的软土，适应范围有限，对硬塑粘性土和含有砾石杂物的土不宜采用，否则会损伤十字板头3. 十字板剪切试验分类•开口钢环式十字板剪切仪•轻便式十字板剪切仪•电测式十字板剪切仪•计算土的抗剪强度计算土的抗剪强度 Cu•计算重塑土的抗剪强度计算重塑土的抗剪强度Cu′•计算土的灵敏度计算土的灵敏度St6. 新产品介绍•1、电动室内十字板剪切仪•符合ASTM D4648规范•手动便携式十字板剪切仪•用于初步测试软粘土和中等强度硬粘土的天然不排水抗剪强度 微型十字板剪切仪•标准十字板基座刻度范围0-1kg/cm2，最小刻度为0.05 kg/cm2，这样目视精度接近0.01kg/m2 ，除了标准十字板头外，另外两个十字板头范围分别为0-2.5和0-0.2 kg/cm2• 十字板剪切仪和贯入仪同时使用，可以快速对土体的内摩擦角进行评估，或者用来判定土体是否是粘性的• 重量：0.5公斤E-286 十字板剪切•E-286十字板剪切仪紧凑小巧，可放置于携带箱中，能快速测试土体的基础、掘进、坑槽的稳定性。

总范围0-260kPa•重量：3公斤电动野外十字板剪切仪EF-1004•欧洲标准型:•十字板( Φx h, 量程): 65 x 130 mm, 200 kPa•刀刃形状: 顶端全部直角•十字板保护鞘: 外径Φ75, 长度820 mm•延长管: 外径Φ42•延长杆: Φ22 x 1000 mm•滑动接口: 15 顺时针方向五、大型直剪试验•对无法取得原状土的土类•如：滑坡的软弱结合面、岩-土接触面 1.2 试验目的•现场直剪试验的目的是测定土体抵抗剪切破坏的能力，为地基、地下建筑物和边坡的稳定计算分析提供抗剪强度参数(摩擦系数和粘聚力)•直剪试验的平推法和斜推法试体受力见下图 土的现场剪切试验•现场直剪试验水平推剪试验滑坡现场剪切试验工程实例工程实例六、饱和粘性土剪切试验方法类型类型施加施加 3 3施加施加 1 1- - 3 3量测量测不固结不不固结不排水排水UU不固结不固结不排水不排水孔隙水孔隙水压力压力固结固结不排水不排水CU固结固结不排水不排水孔隙水孔隙水压力压力固结固结排水排水CD固结固结排水排水体变体变常用试验类型常用试验类型试试样样围压围压力力 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量水水管管孔压孔压量测量测 1- 3 1( 1- 3)f( 1- 3)f破坏偏差应力取值方法破坏偏差应力取值方法松砂松砂密砂密砂F取曲线的最大偏差应力值取曲线的最大偏差应力值作为作为( 1- 3)fF取规定的轴向应变值（通取规定的轴向应变值（通常常15%）所相应的偏差应）所相应的偏差应力作为力作为( 1- 3)fF以最大有效主应力比以最大有效主应力比((1/3)max处的偏差应处的偏差应力值作为力值作为( 1- 3)f15% 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线，分别绘制破坏状态的应力摩尔圆，其公切线即为强度包线，可得强度指标可得强度指标c c与与  15%( 1- 3)f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 ccu 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 ））不固结不排水抗剪强度不固结不排水抗剪强度（（UUUU试验试验））•改变周围压力增量只能引起孔隙水压力的改变周围压力增量只能引起孔隙水压力的变化，并不会改变试样中的有效应力，各变化，并不会改变试样中的有效应力，各试件在剪切时的有效应力相等，因此抗剪试件在剪切时的有效应力相等，因此抗剪强度不变。

强度不变固结不排水抗剪强度固结不排水抗剪强度（（CUCU试验试验）） 即有效应力圆与总应力圆直径相即有效应力圆与总应力圆直径相等，但位置不同，两者之间的距等，但位置不同，两者之间的距离为离为 uf f ，因为正常固结试样在因为正常固结试样在剪切破坏时产生正的孔隙水压力，剪切破坏时产生正的孔隙水压力，故有效应力圆在总应力圆的左方故有效应力圆在总应力圆的左方总应力破坏包线和有效应力破坏总应力破坏包线和有效应力破坏包线都通过原点，说明未受任何包线都通过原点，说明未受任何固结压力的土固结压力的土(如泥浆状土如泥浆状土)不会不会具有抗剪强度具有抗剪强度  •B=1• u3 = 0• u1 = A (          )超固结饱和粘性土固结不排水抗剪强度超固结饱和粘性土固结不排水抗剪强度（（CUCU试验试验）） 由于超固结土在剪切破坏时，产生负的孔隙水压力，有效应由于超固结土在剪切破坏时，产生负的孔隙水压力，有效应力圆在总应力圆的右方力圆在总应力圆的右方( (图中圆图中圆A)A)，正常固结试样产生正的孔，正常固结试样产生正的孔隙水压力，故有效应力圆在总应力圆的左方隙水压力，故有效应力圆在总应力圆的左方( (图中圆图中圆B)B)。

c    ccu    > cu饱和粘性土固结排水抗剪强度饱和粘性土固结排水抗剪强度（（CDCD试验试验）） u固结排水试验在整个试验过固结排水试验在整个试验过程中，超孔隙水压力始终为零，程中，超孔隙水压力始终为零，总应力最后全部转化为有效应总应力最后全部转化为有效应力，所以总应力圆就是有效应力，所以总应力圆就是有效应力圆，总应力破坏包线就是有力圆，总应力破坏包线就是有效应力破坏包线效应力破坏包线u正常固结土的破坏包线通过正常固结土的破坏包线通过原点，粘聚力原点，粘聚力C Cd ＝＝0 0，内摩擦，内摩擦角角 d约在约在 2020°°～～4040°°之间，超之间，超固结土的破坏包线略弯曲，实固结土的破坏包线略弯曲，实用上近似取为一条直线代替，用上近似取为一条直线代替，C Cd约为约为5 5～～25kPa,25kPa, d比正常固结比正常固结土的内摩擦角要小土的内摩擦角要小 表示同一种粘性土分别在三种不同排水条件下的试验结表示同一种粘性土分别在三种不同排水条件下的试验结果，如果以总应力表示，将得出完全不同的试验结果，而果，如果以总应力表示，将得出完全不同的试验结果，而以有效应力表示，则得到近乎同一条有效应力破坏包线以有效应力表示，则得到近乎同一条有效应力破坏包线( (如图中虚线所示如图中虚线所示) )，，可见，抗剪强度与有效应力有唯一的可见，抗剪强度与有效应力有唯一的对应关系。

对应关系 抗剪强度指标的选择抗剪强度指标的选择 名称名称指标指标应用应用不排水剪不排水剪( (快剪快剪) )c cu u、、 u uc cq q、、  q q软土地基软土地基快速施工快速施工固结不排水剪固结不排水剪( (固结快剪固结快剪) )c ccucu、、  cucuc ccqcq、、  cqcq固结完成后固结完成后受突然荷载受突然荷载固结排水剪固结排水剪( (慢剪慢剪) )c cd d、、  d dc cs s、、  s s地基透水性强地基透水性强施工较慢或正常运行期施工较慢或正常运行期n 不固结不排水剪（快剪）不固结不排水剪（快剪） c cu u、、 u u（（c cq q、、 q q））粘土地基上快速粘土地基上快速施工的建筑物施工的建筑物软土地基上的快速填方软土地基上的快速填方土坝快速施工，心墙未固结土坝快速施工，心墙未固结抗剪强度指标的选择抗剪强度指标的选择 n 固结不排水剪（固结快剪）固结不排水剪（固结快剪） c ccucu、、 cucu（（c ccqcq、、 cqcq）） 在天然土坡在天然土坡上快速填方上快速填方水位骤降水位骤降在在1层固结后，施工层固结后，施工2层层12抗剪强度指标的选择抗剪强度指标的选择 n 固结排水剪（慢剪）固结排水剪（慢剪） c ccdcd、、 cdcd（（c cs s、、 s s））粘土地基上慢速粘土地基上慢速施工的建筑物施工的建筑物粘土地基上的分层粘土地基上的分层慢速填方慢速填方稳定渗流期的土坝稳定渗流期的土坝抗剪强度指标的选择抗剪强度指标的选择 第四节 抗剪强度的表示方法及其影响因素•一、抗剪强度的两种表示方法•1. 总应力表示法（没有体现出孔隙水压力的大小）•2. 有效应力表示法n无粘性土的抗剪强度决定于无粘性土的抗剪强度决定于有效法向应力有效法向应力内摩擦角内摩擦角n密实砂土的内摩擦角决定于密实砂土的内摩擦角决定于初始孔隙比初始孔隙比土粒表面的粗糙度土粒表面的粗糙度颗粒级配颗粒级配n松砂的内摩擦角大致与干砂的天然休止角相等松砂的内摩擦角大致与干砂的天然休止角相等影响无粘性土的抗剪强度的因素影响无粘性土的抗剪强度的因素思考：影响粘性土的因素增加了哪些内容？思考：影响粘性土的因素增加了哪些内容？。