1、第第七七章章土的抗剪强度土的抗剪强度土工结构物或地基土渗透渗透问题问题变形问题变形问题强度强度问题问题渗透渗透特性特性变形特性变形特性强度强度特性特性7.1 7.1 概述概述7.2 7.2 土的抗剪强度理论土的抗剪强度理论7.3 7.3 土的抗剪强度试验土的抗剪强度试验7.4 7.4 三轴压缩试验中的孔隙压力系数三轴压缩试验中的孔隙压力系数7.5 7.5 饱和粘性土的土的抗剪强度饱和粘性土的土的抗剪强度7.6 7.6 应力路径与破坏主应力线简介应力路径与破坏主应力线简介 7 7 土的抗剪强度土的抗剪强度 7 7 土的抗剪强度土的抗剪强度本章需要重点掌握内容：本章需要重点掌握内容：1）掌握库仑公
2、式、莫尔）掌握库仑公式、莫尔库仑强度理论；库仑强度理论；2）掌握土的抗剪强度指标的测定方法；）掌握土的抗剪强度指标的测定方法；3）掌握不同固结和排水条件下土的抗剪强度指标的意义及其应用；）掌握不同固结和排水条件下土的抗剪强度指标的意义及其应用；本章需要了解内容：本章需要了解内容：1）孔隙压力系数）孔隙压力系数A和和B2）应力路径概念）应力路径概念3）抗剪强度的影响因素。）抗剪强度的影响因素。4）能利用抗剪强度的基本理论和试验方法解决实际工程土中的强度和）能利用抗剪强度的基本理论和试验方法解决实际工程土中的强度和稳定问题。稳定问题。一、土的强度特点一、土的强度特点二、工程中土体的破坏类型二、工程
3、中土体的破坏类型 7 7 土的抗剪强度土的抗剪强度7.1 7.1 土的抗剪强度概述土的抗剪强度概述一、土的强度特点：一、土的强度特点：1.1.碎散性：碎散性：强度不是颗粒矿物本身的强度，而是颗粒间相强度不是颗粒矿物本身的强度，而是颗粒间相互作用互作用主要是抗剪强度与剪切破坏，颗粒间粘聚力主要是抗剪强度与剪切破坏，颗粒间粘聚力与摩擦力；与摩擦力；2.2.三相体系：三相体系：三相承受与传递荷载三相承受与传递荷载有效应力原理；有效应力原理；3.3.自然变异性：自然变异性：土的强度的结构性与复杂性。土的强度的结构性与复杂性。7.1 7.1 土的抗剪强度概述土的抗剪强度概述大阪的港口码头挡土墙由于液化前
4、倾大阪的港口码头挡土墙由于液化前倾二、工程中土体的破坏类型二、工程中土体的破坏类型1.1.挡土结构物的破坏挡土结构物的破坏7.1 7.1 土的抗剪强度概述土的抗剪强度概述1.1.挡土结构物的破坏挡土结构物的破坏二、工程中土体的破坏类型二、工程中土体的破坏类型广州京光广场基坑塌方广州京光广场基坑塌方使基坑旁办公室、民使基坑旁办公室、民工宿舍和仓库倒塌，工宿舍和仓库倒塌，死死3 3人，伤人，伤1717人。人。7.1 7.1 土的抗剪强度概述土的抗剪强度概述挡土墙挡土墙滑裂面滑裂面基坑支护基坑支护1.1.挡土结构物的破坏挡土结构物的破坏二、工程中土体的破坏类型二、工程中土体的破坏类型7.1 7.1
5、土的抗剪强度概述土的抗剪强度概述平移滑动平移滑动2.2.各种类型的滑坡各种类型的滑坡崩塌崩塌旋转滑动旋转滑动流滑流滑二、工程中土体的破坏类型二、工程中土体的破坏类型7.1 7.1 土的抗剪强度概述土的抗剪强度概述 19941994年年4 4月月3030日日 崩塌体积崩塌体积400400万方万方 1010万方进入乌江万方进入乌江 死死4 4人，伤人，伤5 5人，失踪人，失踪1212人人 击沉拖轮、驳轮各一艘，渔击沉拖轮、驳轮各一艘，渔船船2 2只只 19941994年年7 7月月2-32-3日降雨引起再日降雨引起再次滑坡次滑坡 崩塌体巨大石块滚入江内，崩塌体巨大石块滚入江内，无法通航无法通航 滑
6、坡体崩入乌江近百万方；滑坡体崩入乌江近百万方；江水位差数米。江水位差数米。乌江武隆县兴顺乡鸡冠岭山体崩塌乌江武隆县兴顺乡鸡冠岭山体崩塌2.2.各种类型的滑坡各种类型的滑坡二、工程中土体的破坏类型二、工程中土体的破坏类型龙观嘴龙观嘴黄崖沟黄崖沟乌江乌江20002000年西藏易贡巨型滑坡年西藏易贡巨型滑坡2.2.各种类型的滑坡各种类型的滑坡二、工程中土体的破坏类型二、工程中土体的破坏类型高程（高程（m）滑距（滑距（m）553022004000扎扎 木木 弄弄 沟沟滑坡堆积体滑坡堆积体08000400020006000立面示意图坡高坡高 3330 m3330 m堆积体宽堆积体宽 约约2500m250
7、0m总方量总方量 约约3 3亿方亿方2.2.各种类型的滑坡各种类型的滑坡二、工程中土体的破坏类型二、工程中土体的破坏类型20002000年西藏易贡巨型滑坡年西藏易贡巨型滑坡易贡滑坡堰塞湖易贡滑坡堰塞湖滑滑 坡坡 堆堆 积积 区区扎扎木木弄弄沟沟2264m2210m2165m2340m平面示意图5520m滑坡堆积体滑坡堆积体2.2.各种类型的滑坡各种类型的滑坡二、工程中土体的破坏类型二、工程中土体的破坏类型20002000年西藏易贡巨型滑坡年西藏易贡巨型滑坡天然坝天然坝 坝高坝高290 m滑坡堰塞湖滑坡堰塞湖 库容库容15亿方亿方湖水每天上涨约湖水每天上涨约50cm50cm?2.2.各种类型的滑
8、坡各种类型的滑坡二、工程中土体的破坏类型二、工程中土体的破坏类型20002000年西藏易贡巨型滑坡年西藏易贡巨型滑坡边坡边坡滑裂面滑裂面2.2.各种类型的滑坡各种类型的滑坡二、工程中土体的破坏类型二、工程中土体的破坏类型粘土地基上的某谷仓地基破坏粘土地基上的某谷仓地基破坏3.3.地基的破坏地基的破坏二、工程中土体的破坏类型二、工程中土体的破坏类型日本新泻日本新泻19641964年地震引起大面积液化年地震引起大面积液化3.3.地基的破坏地基的破坏二、工程中土体的破坏类型二、工程中土体的破坏类型地基地基p滑裂面滑裂面3.3.地基的破坏地基的破坏二、工程中土体的破坏类型二、工程中土体的破坏类型p 土
9、压力土压力p 边坡稳定边坡稳定p 地基承载力地基承载力p 挡土结构物破坏挡土结构物破坏p 各种类型的滑坡各种类型的滑坡p 地基的破坏地基的破坏核心核心二、工程中土体的破坏类型二、工程中土体的破坏类型1.1.库仑公式库仑公式2.2.应力状态与摩尔圆应力状态与摩尔圆3.3.极限平衡应力状态极限平衡应力状态4.4.摩尔摩尔-库仑强度理论库仑强度理论5.5.破坏判断方法破坏判断方法6.6.滑裂面的位置滑裂面的位置7.2 7.2 土的抗剪强度土的抗剪强度理论理论PSTAtanfcc c 粘聚力粘聚力 内摩擦角内摩擦角 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 c：粘聚强
10、度粘聚强度-与所受压力无关与所受压力无关固定滑裂面固定滑裂面一般应力状态如何一般应力状态如何？判断判断是否破坏？是否破坏？借助于莫尔圆借助于莫尔圆1 1库仑公式及抗剪强度指标库仑公式及抗剪强度指标 （总应力法与有效应力法）（总应力法与有效应力法）z x y xy yz zx x y xy yz zx xz zy yx z=ij z x zx x zx xz z=ij 三维应力状态三维应力状态xz 二二.应力莫尔圆应力莫尔圆二维应力状态二维应力状态x z xz zx x z xz zx 莫尔圆应力分析符号规定莫尔圆应力分析符号规定材料力学材料力学+-+-土力学土力学正应力正应力剪应力剪应力拉为正
11、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二二.应力莫尔圆应力莫尔圆 O z+zx-xz x2 1 3rR222xzxzr2xzR1Rr3Rrz x zx xz+-1 二二.应力莫尔圆应力莫尔圆大主应力：大主应力：小主应力小主应力:圆心：圆心：半径：半径：z z按顺时针方向旋转按顺时针方向旋转x x按顺时针方向旋转按顺时针方向旋转莫尔圆：代表一个土单元的应力状态；圆莫尔圆：代表一个土单元的应力状态；圆周上一点代表一个面上的两个应力周上一点代表一个面上的两个应力 与与 三三.极限平衡应力状态极限平衡应力状态极限平衡应
12、力状态：极限平衡应力状态：有一对面上的应力状态达到有一对面上的应力状态达到 =f f土的强度包线：土的强度包线：所有达到极限平衡状态的莫尔园的公切线。所有达到极限平衡状态的莫尔园的公切线。f三三.极限平衡应力状态极限平衡应力状态 f强度包线以内：强度包线以内：任何一个面上任何一个面上的一对应力的一对应力 与与 都没有达到都没有达到破坏包线，不破坏；破坏包线，不破坏；与破坏包线相切：与破坏包线相切：有一个面上有一个面上的应力达到破坏；的应力达到破坏；与破坏包线相交：与破坏包线相交：有一些平面有一些平面上的应力超过强度；不可能发上的应力超过强度；不可能发生。生。四四.莫尔莫尔库仑强度理论库仑强度理
13、论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是该面上作用的法向应是该面上作用的法向应力力 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 ，该单元就达到了极限平衡，该单元就达到了极限平衡应力状态应力状态四四.莫尔莫尔库仑强度理论库仑强度理论莫尔莫尔-库仑强度理论表达式极限平衡条件库仑强度理论表达式极限平衡条件131313132sin2ctgctg2cc
14、 1f 313ctg2ctanfc O c132四四.莫尔莫尔库仑强度理论库仑强度理论莫尔莫尔-库仑强度理论表达式极限平衡条件库仑强度理论表达式极限平衡条件213231452tg 4522452tg 4522fftgctgc 1f 313ctg2ctanfc O c132213452tg 4522ftgc根据应力状态计算出根据应力状态计算出大小主应力大小主应力1、3221,322xzxzxz判断破坏可能性判断破坏可能性由由3计算计算1f比较比较1与与1f1 1f 破坏状态破坏状态 O c 1f 3 1 1五五.破坏判断方法破坏判断方法判别对象：土体微小单元（一点）判别对象：土体微小单元（一点）
15、3 3=常数：常数：根据应力状态计算出根据应力状态计算出大小主应力大小主应力1、3221,322xzxzxz判断破坏可能性判断破坏可能性231452tg 4522ftgc由由1计算计算3f比较比较3与与3f3 3f 弹性平衡状态弹性平衡状态3=3f 极限平衡状态极限平衡状态3 3f 破坏状态破坏状态 O c 1 3f 3 3五五.破坏判断方法破坏判断方法判别对象：土体微小单元（一点）判别对象：土体微小单元（一点）1 1=常数：常数：根据应力状态计算出根据应力状态计算出大小主应力大小主应力1、3221,322xzxzxz判断破坏可能性判断破坏可能性由由1、3计算计算 与与 比较比较 粘性土；粘性
16、土；高岭石高岭石伊里石伊里石蒙脱石蒙脱石粒径的形状（颗粒的棱角与长宽比）粒径的形状（颗粒的棱角与长宽比）在其他条件相同时：在其他条件相同时：对于砂土，颗粒的棱角提高了内摩擦角对于砂土，颗粒的棱角提高了内摩擦角 对于碎石土，颗粒的棱角可能降低其内摩擦角对于碎石土，颗粒的棱角可能降低其内摩擦角 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：1.1.摩擦强度摩擦强度 tgtg p粘聚强度机理n静电引力（库仑力）静电引力（库仑力）n范德华力范德华力n颗粒间胶结颗粒间胶结n假粘聚力（毛细力等）假粘聚力（毛细力等）p粘聚强度影响因素n地质历史地质历史n粘土颗粒矿物成分粘土颗粒矿物成分n密度密度n
17、离子价与离子浓度离子价与离子浓度-+2.2.凝聚强度凝聚强度通过控制剪切速率通过控制剪切速率来近似模拟排水条来近似模拟排水条件件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 慢慢施加剪应力慢慢施加剪应力-小于小于 0.02mm/0.02mm/分，以保证无超静孔压分，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，3-53-5分钟内剪切破坏分钟内剪切破坏一一.直剪试验直剪试验PSTA13 O nK0 nPSTAz x zx xz
18、 一一.直剪试验直剪试验l 设备简单，操作方便设备简单，操作方便l 结果便于整理结果便于整理l 测试时间短测试时间短优点优点l 试样应力状态复杂试样应力状态复杂l 应变不均匀应变不均匀l 不能控制排水条件不能控制排水条件l 剪切面固定剪切面固定缺点缺点一一.直剪试验直剪试验PSTA类似试验：类似试验：环剪试验环剪试验单剪试验单剪试验试样试样压力室压力室压力压力水水排水管排水管阀门阀门轴向加压杆轴向加压杆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二二.三轴压缩（剪切）试验三轴压缩（剪切）试验1.1.试样应力特点与试验方法试样应力特点与试验方法2.2.强度包线强度包线3.3.试验类型试验
19、类型4.4.优缺点优缺点二二.三轴压缩试验三轴压缩试验方法：方法：首先试样施加静水压力首先试样施加静水压力室压（围压）室压（围压）1 1=2 2=3 3 ；然后通过活塞杆施加的是应力差然后通过活塞杆施加的是应力差 1 1=1 1-3 3 。1.1.试样应力特点与试验方法：试样应力特点与试验方法：特点：特点：试样是轴对称应力状态。垂直应力试样是轴对称应力状态。垂直应力 z z一般是大主应力；径向与切向应力总一般是大主应力；径向与切向应力总是相等是相等 r r=，亦即，亦即 1 1=z z；2 2=3 3=r r1 3 3 3 3 1 强度包线强度包线(1-)fc (1-)f 1 1-3 1=15
20、%v分别作围压分别作围压 为为100 100 kPakPa 、200 200 kPakPa 、300 300 kPakPa的三轴试验，得到破坏时相应的三轴试验，得到破坏时相应的（的（1 1-)f fv绘制三个破坏状态的应力摩尔圆，绘制三个破坏状态的应力摩尔圆，画出它们的公切线画出它们的公切线强度包线，强度包线，得到强度指标得到强度指标 c c 与与 二二.三轴压缩试验三轴压缩试验2.2.强度包线强度包线v固结排水试验（CDCD试验）1 打开排水阀门，打开排水阀门，施加围压施加围压 后充分固后充分固结，超静孔隙水压力完全消散；结，超静孔隙水压力完全消散；2 打开排水阀门，慢慢施加轴向应力差打开排
21、水阀门，慢慢施加轴向应力差 以便充分排水，避免产生超静以便充分排水，避免产生超静孔压孔压v固结不排水试验（CUCU试验）1 打开排水阀门，打开排水阀门，施加围压施加围压 后充分固结，超静孔隙水压力完全消散；后充分固结，超静孔隙水压力完全消散；2 关闭排水阀门，很快剪切破坏，在施加轴向应力差关闭排水阀门，很快剪切破坏，在施加轴向应力差 过程中不排水过程中不排水v不固结不排水试验（UUUU试验）1 关闭排水阀门，关闭排水阀门，围压围压 下不固结；下不固结；2 关闭排水阀门，很快剪切破坏，在施加轴向应力差关闭排水阀门，很快剪切破坏，在施加轴向应力差 过程中不排水过程中不排水cd、d ccu、cu c
22、u、u 3.3.试验类型试验类型二二.三轴压缩试验三轴压缩试验v固结排水试验（CDCD试验）Consolidated Drained Triaxial test (CD)抗剪强度指标：cd d （c ）试验类型汇总试验类型汇总v固结不排水试验（CUCU试验）Consolidated Undrained Triaxial test (CU)抗剪强度指标：ccu cuv不固结不排水试验（UUUU试验）Unconsolidated Undrained Triaxial test (UU)抗剪强度指标：cu u（cuu uu）二二.三轴压缩试验三轴压缩试验v优点：优点：1 应力状态和应力路径明确；应力
23、状态和应力路径明确；2 排水条件清楚，可控制；排水条件清楚，可控制；3 破坏面不是人为固定的；破坏面不是人为固定的；4 试验单元体试验试验单元体试验v缺点：缺点：设备相对复杂，现场无法试验设备相对复杂，现场无法试验说明：说明：3 30 0 即为即为无侧限抗压强度试验无侧限抗压强度试验4.4.优点和缺点优点和缺点二二.三轴压缩试验三轴压缩试验无侧限抗压强度试验如同三轴压无侧限抗压强度试验如同三轴压缩试验中缩试验中3 3=0=0时的特殊情况。时的特殊情况。试验时，将圆柱形试样置于无侧试验时，将圆柱形试样置于无侧限压缩仪中，对试样不加周围压限压缩仪中，对试样不加周围压力，仅对它施加垂直轴向压力力，仅
24、对它施加垂直轴向压力1（见右图），剪切破坏时试（见右图），剪切破坏时试样所承受的轴向压力称为无侧限样所承受的轴向压力称为无侧限抗压强度。无粘性土在无侧限条抗压强度。无粘性土在无侧限条件下试样难以成型，件下试样难以成型，故该试验主故该试验主要用于粘性土，尤其适用于饱和要用于粘性土，尤其适用于饱和软粘土。软粘土。三三.无侧限抗压强度试验无侧限抗压强度试验对于饱和软粘土，在不固结不排水条件下进行剪切试验，对于饱和软粘土，在不固结不排水条件下进行剪切试验，可认为可认为=0=0，其抗剪强度包线与，其抗剪强度包线与轴平行。因而，由无侧轴平行。因而，由无侧限抗压强度试验所得的极限应力圆的水平切线即为饱和软限
25、抗压强度试验所得的极限应力圆的水平切线即为饱和软粘土的不排水抗剪强度包线（粘土的不排水抗剪强度包线（水平线水平线）。）。由图可知，其不由图可知，其不排水抗剪强度排水抗剪强度c cu u为：为：c cu u=q=qu u/2/2真三轴仪真三轴仪空心圆柱扭剪仪空心圆柱扭剪仪其它室内试验其它室内试验 四四.十字板剪切试验十字板剪切试验v一般适用于测定软粘土的不一般适用于测定软粘土的不排水强度指标；排水强度指标；v钻孔到指定的土层，插入十钻孔到指定的土层，插入十字形的探头；字形的探头；v通过施加的扭矩计算土的抗通过施加的扭矩计算土的抗剪强度剪强度7.3 7.3 土的抗剪强度试验土的抗剪强度试验21ma
26、xMMMfvfh时：ffHDDMMM262321max)3(22maxHDDMffhDfhDrrrM6d2232/01fvDDHM22M1H HDM2 四、十字板剪切试验四、十字板剪切试验几种简单的情形：几种简单的情形：饱和土中孔隙水压力和有效应力的计算饱和土中孔隙水压力和有效应力的计算附加应力情况附加应力情况 外荷载外荷载附加应力附加应力z z土骨架：土骨架：有效应力有效应力(2)(2)轴对称三维应力状态轴对称三维应力状态(1)(1)侧限应力状态侧限应力状态孔隙水：孔隙水：孔隙水压力孔隙水压力超静孔隙水压力超静孔隙水压力7.4 7.4 三轴压缩试验中的孔隙压力系数三轴压缩试验中的孔隙压力系数
27、侧限应力状态及一维渗流固结侧限应力状态及一维渗流固结附加附加应应力作用情况力作用情况 实践背景：大面积均布荷载实践背景：大面积均布荷载p0不透水岩层不透水岩层饱和压缩层饱和压缩层z=p0p0侧限应力状态侧限应力状态侧限应力状态及一维渗流固结侧限应力状态及一维渗流固结附加应力作用情况附加应力作用情况 物理模型：物理模型：钢筒钢筒侧限条件侧限条件 弹簧弹簧土骨架土骨架 水体水体孔隙水孔隙水 带孔活塞带孔活塞排水顶面排水顶面 活塞小孔活塞小孔渗透性大小渗透性大小初始状态初始状态边界条件边界条件渗透固结过程渗透固结过程p0一般方程一般方程p0侧限应力状态及一维渗流固结附加应力作用情况附加应力作用情况
28、0t t0 twph pphh 0h p附加应力附加应力:z=p超静孔压超静孔压:u=z=p有效应力有效应力:z=0渗透固结过程渗透固结过程附加应力附加应力:z=p超静孔压超静孔压:u 0附加应力附加应力:z=p超静孔压超静孔压:u=0有效应力有效应力:z=p 孔压系数：孔压系数：1uBz v不排水条件下不排水条件下相当于相当于t=0时刻时刻:附加应力作用情况附加应力作用情况 侧限应力状态及一维渗流固结渗透固结过程渗透固结过程vu,u,随时间在变化随时间在变化v产生超静孔隙水压力产生超静孔隙水压力附加应力作用情况附加应力作用情况 轴对称三维应力状态轴对称三维应力状态试样试样压力室压力室压力压力
29、水水排水管排水管阀门阀门轴向加压杆轴向加压杆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不固结不排水试验不固结不排水试验l 从某一初始状态从某一初始状态，阀门，阀门关闭，连接孔压传感器，关闭，连接孔压传感器，施加围压施加围压 不固结，不固结，量测超静孔隙水压力量测超静孔隙水压力 uBl 施加施加 1 1-时，阀门时，阀门关闭，可连接孔压传感关闭，可连接孔压传感器，量测剪切过程中产器，量测剪切过程中产生的超静孔隙水压力生的超静孔隙水压力 uA一、孔压系数一、孔压系数A A和和B B 3 3 1 u 轴对称三维应力状态轴对称三维应力状态3 3 31 Bu 3 =+Au 3 3 3 Bu A
30、u 31 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封闭土样封闭土样ABuuu 1.1.等向压缩应力状态等向压缩应力状态321 l孔隙流体产生了超静孔隙水压力孔隙流体产生了超静孔隙水压力u uB Bl土骨架的有效附加应力土骨架的有效附加应力B3321u l孔隙流体的体积变化孔隙流体的体积变化孔隙流体的体积孔隙流体的体积压缩系数为压缩系数为C Cv v ，单位孔隙压力作单位孔隙压力作用引起的体应变用引起的体应变1VCuVCunVvBvvBl土骨架的体积变化土骨架的体积变化设土骨架的体积设土骨架的体积压缩系数为压缩系数为C Cs s233()ssBVCVCu V体积体积V Vl土骨架
31、的体变等于孔隙流体的体变土骨架的体变等于孔隙流体的体变VV1 1=V=V2 211vsBn C C3()vBsBCunVCu V311Bvsun C C3BBu 3 3 3 Bu 孔压系数孔压系数B B线弹性体线弹性体E)21(3cs 饱和土：饱和土：干干 土：土：非饱和土：非饱和土：B B是一个反映土饱和程度的指标是一个反映土饱和程度的指标1,0,1rvSCB0,0rvSCB 01,0,01rvSCB 孔隙流体的体积孔隙流体的体积压缩系数为压缩系数为C Cv v ，单位孔隙压力作单位孔隙压力作用引起的体应变用引起的体应变设土骨架的体积设土骨架的体积压缩系数为压缩系数为C Cs s11vsBn
32、 C C321 3 3 3 Bu 孔压系数孔压系数B B1.1.等向压缩应力状态等向压缩应力状态Au 31 l孔隙流体产生了超静孔隙水压力孔隙流体产生了超静孔隙水压力u uA A有效附加应力有效附加应力Au l孔隙流体的体积变化孔隙流体的体积变化1vAVCunVl土骨架的体积变化土骨架的体积变化V)u3)(C31V)u3(E21VA31sA312 l土骨架的体变等于孔隙流体的体变土骨架的体变等于孔隙流体的体变VV1 1=V=V2 21311()13Avsun C C)(ABu31A 孔压系数孔压系数A A2.2.偏差应力状态偏差应力状态体积体积V V假定为线弹性体假定为线弹性体轴向轴向侧向侧向
33、总应力增量总应力增量应变增量应变增量E)21(3cs V)(VV321v2 )(31Bu31A 31 0 0A31u E/)u(2)u(AA31 E/)u()u(uAA31A )(ABu31A 孔压系数孔压系数A A对饱和土对饱和土:)(Au,1B31A 31AuA 剪切作用引起的孔压响应剪切作用引起的孔压响应对于线弹性体对于线弹性体:A=1/3A=1/3A 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A A1/31/3A A1/3A1/3剪切过程中发生剪胀：剪切过程中发生剪胀：A1/3(A1/3(甚至可能甚至可能A0A0，u 0 u 0(2)(2)正常固结粘土固结不排水试验曲线与强
34、度包线正常固结粘土固结不排水试验曲线与强度包线 f f cucu2.2.固结不排水试验固结不排水试验 二二.三轴试验强度指标三轴试验强度指标 u应力应变关系软化，孔压可能小于应力应变关系软化，孔压可能小于0与超固结度有关与超固结度有关 f(3)(3)超固结粘土固结不排水试验曲线与强度包线超固结粘土固结不排水试验曲线与强度包线 f cucucuccu02.2.固结不排水试验固结不排水试验 二二.三轴试验强度指标三轴试验强度指标(4)(4)固结不排水三轴试验确定的强度指标固结不排水三轴试验确定的强度指标2.2.固结不排水试验固结不排水试验二二.三轴试验强度指标三轴试验强度指标应力变量应力变量试验量
35、测试验量测 u u计算计算 =u u =确定的强度指标确定的强度指标c ccucu cucuc c 固结不排水试验小结固结不排水试验小结剪切过程中的超静孔隙水压力剪切过程中的超静孔隙水压力 u u正常固结粘土的应力应变关系曲线正常固结粘土的应力应变关系曲线:硬化硬化正常固结粘土的有效应力与总应力的强度包线正常固结粘土的有效应力与总应力的强度包线:cucu 超固结粘土的应力应变关系曲线超固结粘土的应力应变关系曲线:软化软化超固结粘土的固结不排水强度指标超固结粘土的固结不排水强度指标:c c c ccucu,cucu固结不排水三轴试验确定的强度指标固结不排水三轴试验确定的强度指标:c ccucu,
36、cucu;c;c,2.2.固结不排水试验固结不排水试验二二.三轴试验强度指标三轴试验强度指标教材教材198198页图页图7-177-17、7-187-18剪切前固结条件剪切前固结条件剪切中排水条件剪切中排水条件固结固结ConsolidatedConsolidated排水排水DrainedDrained1.1.固结排水试验固结排水试验 （CDCD）2.2.固结不排水试验固结不排水试验（CUCU）固结固结ConsolidatedConsolidated不排水不排水UndrainedUndrained不固结不固结UnconsolidatedUnconsolidated不排水不排水UndrainedU
37、ndrained三种试验三种试验3.3.不固结不排水试验不固结不排水试验（UUUU）二二.三轴试验强度指标三轴试验强度指标3.3.不固结不排水试验不固结不排水试验二二.三轴试验强度指标三轴试验强度指标强度指标：强度指标：c cuuuu(c(cu u)，uuuu(u u)(1)(1)试验条件试验条件(2)(2)粘土的孔隙比有效应力抗剪强度唯一性关系粘土的孔隙比有效应力抗剪强度唯一性关系(3)(3)饱和试样的不排水强度指标饱和试样的不排水强度指标c cu u(4)(4)不排水试验与固结不排水试验不排水试验与固结不排水试验(5)(5)无侧限压缩试验：无侧限压缩试验：3 3 =0=0的不排水试验的不排
38、水试验(6)(6)不饱和试样的不排水强度不饱和试样的不排水强度(1)(1)试验条件试验条件从某一初始状态开始，关闭阀门从某一初始状态开始，关闭阀门施加围压施加围压 ，产生孔隙水压力，产生孔隙水压力 u u1 1=B=B 施加（施加（1 1-）时，阀门关闭，可连接孔）时，阀门关闭，可连接孔压传感器，量测剪切过程中产生的超静孔压传感器，量测剪切过程中产生的超静孔隙水压力隙水压力 u u2 2=BA =BA ()3.3.不固结不排水试验不固结不排水试验二二.三轴试验强度指标三轴试验强度指标试样试样压力室压力室压力压力水水排水管排水管阀门阀门轴向加压杆轴向加压杆有机玻璃罩有机玻璃罩橡皮膜橡皮膜透水石透
39、水石顶帽顶帽量测孔隙水压力量测孔隙水压力3.3.不固结不排水试验不固结不排水试验二二.三轴试验强度指标三轴试验强度指标(2)(2)粘土的孔隙比有效应力抗剪强度唯一性关系粘土的孔隙比有效应力抗剪强度唯一性关系强度的影响因素强度的影响因素:土的组成土的组成土的状态土的状态土的结构土的结构应力状态应力状态e ef f p p f f-q-qf f 唯一性关系唯一性关系e ef f f f-f f 唯一性关系唯一性关系 (p)(q)Kf线线 f 线线 唯一的唯一的e ef f应力历史应力历史同一种正常同一种正常固结粘土固结粘土土的状态土的状态(,e),e)应力状态应力状态应力历史相同时应力历史相同时也
40、满足唯一性关系也满足唯一性关系研究表明研究表明超固结粘土超固结粘土:u=0,cu,并且有效应力摩尔圆是唯一的并且有效应力摩尔圆是唯一的思考题：可否由不排水试验确定有效应力强度指标？(3)(3)饱和试样的不排水强度指标饱和试样的不排水强度指标 cu u=B +A ()B=13.3.不固结不排水试验不固结不排水试验二二.三轴试验强度指标三轴试验强度指标 cu pc1cu1pc2cu2pc3cu3(4)(4)不排水试验与固结不排水试验不排水试验与固结不排水试验3.3.不固结不排水试验不固结不排水试验二二.三轴试验强度指标三轴试验强度指标正常固结粘土层正常固结粘土层固结不排水试验强度包线上的固结不排水
41、试验强度包线上的每一点对应于一个具有相同先每一点对应于一个具有相同先期固结压力的不排水强度指标期固结压力的不排水强度指标cu=qu/2cuqu=(5)(5)无侧限压缩试验：无侧限压缩试验：3 3 =0=0的不排水试验的不排水试验3.3.不固结不排水试验不固结不排水试验二二.三轴试验强度指标三轴试验强度指标(6)(6)不饱和试样的不排水强度不饱和试样的不排水强度不饱和区不饱和区饱和区饱和区 3.3.不固结不排水试验不固结不排水试验二二.三轴试验强度指标三轴试验强度指标不固结不排水试验小结不固结不排水试验小结3.3.不固结不排水试验不固结不排水试验二二.三轴试验强度指标三轴试验强度指标饱和试样的不
42、排水强度指标饱和试样的不排水强度指标:u u =0,=0,c cu u饱和试样的固结不排水试验与不排水强度指标饱和试样的固结不排水试验与不排水强度指标:有关联有关联无侧限压缩试验：无侧限压缩试验：3 3=0,=0,是一种特殊的不排水试验是一种特殊的不排水试验不饱和试样的不排水强度指标不饱和试样的不排水强度指标:随随 3 3增加而增加并趋于稳定增加而增加并趋于稳定教材教材197197页图页图7-157-15三三.直剪试验强度指标直剪试验强度指标1.1.慢剪慢剪施加正应力施加正应力-充分固结充分固结慢慢施加剪应力慢慢施加剪应力-小于小于0.02mm/0.02mm/分，以保证无超静孔压分，以保证无超
43、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施加正应力后立即剪切立即剪切3-53-5分钟内剪切破坏分钟内剪切破坏强度指标强度指标l 对于砂土，三种试验结果都接近于对于砂土，三种试验结果都接近于c c l 对于粘性土，对于粘性土，慢剪慢剪(Slowly:s)(Slowly:s)：c cs s c c s s;由于摩擦和中主应力使其强度指标稍大由于摩擦和中主应力使其强度指标稍大 0.9c0.9cs s c c,0.9,0.9 s s固结快剪（固结快剪（Consolidated Quickly:cqCon
44、solidated Quickly:cq）c ccqcq c ccucu cqcqcucu 快剪快剪 (Quickly:q):(Quickly:q):对于对于 k10k c c a a0qp用若干点的最小二乘法确定用若干点的最小二乘法确定a 和和 然后计算强度指标然后计算强度指标c和和 a确定强度指标确定强度指标二、强度包线与破坏主应力线二、强度包线与破坏主应力线p 总应力与有效应力状态n有效应力原理有效应力原理n典型三轴试验典型三轴试验n孔隙水压力计算孔隙水压力计算u O1 3 3 3 3 （1 3)u313uBAB 1 3 3 1固结不排水三轴试验三、总应力路径与有效应力路径三、总应力路径
45、与有效应力路径p 总应力与有效应力路径n关系关系 O（1 3)u 1 3 3 1131313111222puuupu131313111222quuq三、总应力路径与有效应力路径三、总应力路径与有效应力路径p 总应力与有效应力路径n关系关系n三轴试验总应力路径三轴试验总应力路径n三轴固结不排水试验有效应力路径三轴固结不排水试验有效应力路径A A=const=const松砂或正常固结粘土松砂或正常固结粘土 （A1/3A1/3）密砂或超固结粘土密砂或超固结粘土 （A1/3A1/3）1 3 3 3 3 pO 3q45311const1212pqKfpO 3qKf13Auppuqq 45三、总应力路径与
46、有效应力路径三、总应力路径与有效应力路径教材教材206206页页7-117-11：某饱和粘性土在三轴仪中进行固结不排水试验，得：某饱和粘性土在三轴仪中进行固结不排水试验，得c c 0 0，2828，如果这个试件受到如果这个试件受到 1 1200kpa200kpa和和 3 3150kpa150kpa的作用，的作用，测得孔隙水压力，问该试件是否会破坏？为什么？测得孔隙水压力，问该试件是否会破坏？为什么？解：固结不排水试验指标可近似代替固结排水试验试验指标，解：固结不排水试验指标可近似代替固结排水试验试验指标，因此上述因此上述c c 0 0，2828可视为有效抗剪强度指标。土的极可视为有效抗剪强度指
47、标。土的极限平衡条件用有效应力表示。限平衡条件用有效应力表示。1 1 1 1u u200-100200-100100kpa100kpa3 3 3 3u u150-100150-10050kpa50kpa21321452tg 4522285045138.51002ftgctgkpakpa解法解法1 1：O 1f31试样处于弹性平衡状态，故不会破坏。试样处于弹性平衡状态，故不会破坏。解法解法2 2：23123452tg 4522281004536.1502ftgctgkpakpa试样处于弹性平衡状态，故不会破坏。试样处于弹性平衡状态，故不会破坏。O 13f3 3解法解法3 3：131310050501sin1005015032ctg19.4728c O 13 3试样处于弹性平衡状态，故不会破坏。试样处于弹性平衡状态，故不会破坏。
