1、第四章第四章 土的抗剪强度土的抗剪强度4-1 4-1 概述概述与土体强度有关的工程问题：建筑物地基稳定性、填方或挖方边坡、挡土墙土压力等。土体强度表现为：一部分土体相对与另一部分土体的滑动，滑动面上剪应力超过了极限抵抗能力抗剪强度，出现了剪切破坏土的抗剪强度是指土体抵抗剪切破坏的极限能力。第四章第四章 土的抗剪强度土的抗剪强度4-1 4-1 概述概述在外荷载的作用下，土体中任一截面将同时产生法向应力和剪应力，其中法向应力作用将使土体发生压密，而剪应力作用可使土体发生剪切变形。当土中一点某一截面上由外力所产生的剪应力达到土的抗剪强度时，它将沿着剪应力作用方向产生相对滑动，该点便发生剪切破坏。土的
2、破坏主要是由于剪切所引起的，剪切破坏是土体破坏的重要特点。第四章第四章 土的抗剪强度土的抗剪强度4-2 4-2 确定强度指标的试验确定强度指标的试验一、直接剪切试验用直接剪切仪（简称直剪仪）来测定土的抗剪强度的试验称为直接剪切试验。直接剪切试验是测定预定剪破面上抗剪强度的最简便和最常用的方法。直剪仪分应变控制式和应力控制式两种，前者以等应变速率使试样产生剪切位移直至剪破，后者是分级施加水平剪应力并测定相应的剪切位移。目前我国使用较多的是应变控制式直剪仪。第四章第四章 土的抗剪强度土的抗剪强度为了考虑固结程度和排水条件对抗剪强度的影响，根据加荷速率的快慢将直剪试验划分为快剪、固结快剪和慢剪三种试
3、验类型。第四章第四章 土的抗剪强度土的抗剪强度一、砂性土的剪切性状（二）砂土的应力轴向应变体变砂土的初始孔隙比不同，在受剪过程中将显示出非常不同的性状。松砂受剪时，颗粒滚落到平衡位置，排列得更紧密些，所以它的体积缩小，把这种因剪切而体积缩小的现象称为剪缩性；反之，密砂受剪时，颗粒必须升高以离开它们原来的位置而彼此才能相互滑过，从而导致体积膨胀，把这种因剪切而体积膨胀的现象称为剪胀性。第四章第四章 土的抗剪强度土的抗剪强度然而，密砂的这种剪胀趋势随着周围压力的增大，土粒的破碎而逐渐消失。在高周围压力下，不论砂土的松紧如何，受剪都将剪缩。松砂的强度逐渐增大，应力轴向应变关系呈应变硬化型，它的体积则
4、逐渐减小。密砂的强度达一定值后，随着轴向应变的继续增加强度反而减小，应力轴向应变关系最后呈随应变软化型，它的体积开始时稍有减小，继而增加，超过了它的初始体积。第四章第四章 土的抗剪强度土的抗剪强度既然砂土在低周围压力下由于初始孔隙比的不同，剪破时的体积可能小于初始体积，也可能大于初始体积，那么，可以想象，砂土在某一初始孔隙比下受剪，它剪破时的体积将等于其初始体积，这一初始孔隙比称为临界孔隙比。砂土的初始孔隙比将随周围压力的增加而减小。第四章第四章 土的抗剪强度土的抗剪强度直剪试验为了考虑固结程度和排水条件对抗剪强度的影响，根据加荷速率的快慢将直剪试验划分为快剪、固结快剪和慢剪三种试验类型。（一
5、）快剪（Q）土工试验方法标准规定抗剪试验适用于渗透系数小于106cm/s的细粒土，试验时在试样上施加垂直压力后，拔去固定销钉，立即以第四章第四章 土的抗剪强度土的抗剪强度0.8mm/min的剪切速度进行剪切，使试样在3min5min内剪破。试样每产生剪切位移0.2mm0.4mm测记测力计和位移读数，直至测力计读数出现峰值，或继续剪切至剪切位移为4mm时停机，记下破坏值；当剪切过程中测力计读数无峰值时，应剪切至剪切位移为6mm时停机，该试验所得的强度称为快剪强度，相应的指标称为快剪强度指标，以cQ，Q表示。（二）固结快剪（R）固结快剪试验也适用于渗透系数小于106cm/s的细粒土。试验时对试样施
6、加垂直压力后，每小时测读垂直变形一次，直至变形稳定。变形稳定标准为变形量每小时不大于0.005mm，在拔去固定销，剪切过程同快剪试验。所得强度称为固结快剪强度，相应指第四章第四章 土的抗剪强度土的抗剪强度标称为固结快剪强度指标，以cR，R表示。（三）慢剪（S）慢剪试验是对试样施加垂直压力后，待固结稳定后，再拔去固定销，以小于0.02mm/min的剪切速度使试样在充分排水的条件下进行剪切，这样得到的强度称为慢剪强度，其相应的指标称为慢剪强度指标，以cS，S表示。上述三种方法的试验结果如图4-10所示。从图中可以看出，cQ cR cS，而Q R S。第四章第四章 土的抗剪强度土的抗剪强度4-2 4
7、-2 强度概念与莫尔强度概念与莫尔库仑理论库仑理论一、固体间的摩擦力固体间的摩擦力直接取决于接触面上的法向力和接触材料的摩擦角。0tgWTf第四章第四章 土的抗剪强度土的抗剪强度4-2 4-2 强度概念与莫尔强度概念与莫尔库仑理论库仑理论一、固体间的摩擦力合力倾角af，摩擦力全部动用，滑动产生；滑动准则是水平推力等于竖向反力所能提供的摩擦力。即合力的倾角等于外摩擦角。第四章第四章 土的抗剪强度土的抗剪强度二、莫尔应力圆土体内部的滑动可沿任何一个面发生，只要该面上的剪应力达到其抗剪强度。第四章第四章 土的抗剪强度土的抗剪强度二、莫尔应力圆研究土体内任一微小单元体的应力状态。1、主应力与主应力面2
8、、主应力相互正交3、任意一面上：正应力和剪应力一点应力状态的表示方法：？第四章第四章 土的抗剪强度土的抗剪强度二、莫尔应力圆在坐标平面内，土单元体的应力状态的轨迹是一个圆，圆心落在轴上，与坐标原点的距离为(1+2)/2,半径为(1 2)/2,该圆就称为莫尔应力圆。2cos2231312sin2312cos223131231223122与大主应力1面 成角的面上的正应力和剪应力。第四章第四章 土的抗剪强度土的抗剪强度二、莫尔应力圆可以证明：D点对应的正应力和剪应力刚好等于面上等于正应力和剪应力。莫尔应力圆圆周上的任意点，都代表着单元土体中相应面上的应力状态31第四章第四章 土的抗剪强度土的抗剪强
9、度三、莫尔库仑破坏准则（一）土的抗剪强度规律库仑抗剪强度（总应力）表达式：对于砂土 f=tg 对于粘性土 f=c+tgc、为土体总应力强度指标；库仑抗剪强度（有效应力）表达式：对于砂土 f=tg 对于粘性土 f=c+tgc、为土体有效应力强度指标；对粘性土，抗剪强度由凝聚分量和摩擦分量两部分组成一般土作为摩擦类材料：f 破坏 第四章第四章 土的抗剪强度土的抗剪强度（二）土的极限平衡条件=f 时的极限平衡状态作为土的破坏准则：土体中某点任意面上剪应力满足该式，该点破坏。可以把莫尔应力圆与库仑抗剪强度定律互相结合起来。通过两者之间的对照来对土所处的状态进行判别。把莫尔应力圆与库仑抗剪强度线相切时的
10、应力状态，破坏状态称为莫尔库仑破坏准则，它是目前判别土体(土体单元)所处状态的最常用或最基本的准则。第四章第四章 土的抗剪强度土的抗剪强度二、莫尔应力圆可以证明：D点对应的正应力和剪应力刚好等于面上等于正应力和剪应力。莫尔应力圆圆周上的任意点，都代表着单元土体中相应面上的应力状态 3 1 第四章第四章 土的抗剪强度土的抗剪强度（二）土的极限平衡条件根据这一准则，当土处于极限平衡状态即应理解为破坏状态，此时的莫尔应力圆即称为极限应力圆或破坏应力圆，相应的一对平面即称为剪切破坏面（简称剪破面）。第四章第四章 土的抗剪强度土的抗剪强度下面将根据莫尔库仑破坏准则来研究某一土体单元处于极限平衡状态时的应
11、力条件及其大、小主应力之间的关系，该关系称为土的极限平衡条件。根据莫尔库仑破坏准则，当单元土体达到极限平衡状态时，莫尔应力圆恰好与库仑抗剪强度线相切。第四章第四章 土的抗剪强度土的抗剪强度根据图中的几何关系并经过三角公式的变换，可得上式即为土的极限平衡条件。当土的强度指标c，为已知，若土中某点的大小主应力1和3满足上列关系式时，则该土体正好处于极限平衡或破坏状态。上式也可适用于有效应力，相应c，应该用c，。cot22sin3131c第四章第四章 土的抗剪强度土的抗剪强度上式也可适用于有效应力，相应c，应该用c，。)245(2)245(2f 1f3tgctg)245(2)245(2f3f 1tg
12、ctg第四章第四章 土的抗剪强度土的抗剪强度从图中还可以看出，按照莫尔库仑破坏准则，当土处于极限平衡状态时，其极限应力圆与抗剪强度线相切与D点，这说明此时土体中已出现了一对剪破面。剪破面与大主应力面的夹角f 称为破坏角，从图中的几何关系可得到理论剪破角为：f=45+/2 注意：给定大主应力时，小主应力越小，越接近破坏；给定小主应力时，大主应力越大，越接近破坏；第四章第四章 土的抗剪强度土的抗剪强度【例题42】已知某土体单元的大主应力1480kPa，小主应力3210kPa。通过试验测得土的抗剪强度指标c=20kPa，18，问该单元土体处于什么状态？【解】已知1480kPa，3210kPa，c=2
13、0kPa，18（1）直接用与f的关系来判别第四章第四章 土的抗剪强度土的抗剪强度由式（4-2）和（4-3）分别求出剪破面上的法向应力和剪应力为由式（4-6）求相应面上的抗剪强度f为由于 f，说明该单元体早已破坏。第四章第四章 土的抗剪强度土的抗剪强度（2）利用公式（4-8）或式（4-9）的极限平衡条件来判别由式（4-8）设达到极限平衡条件所需要的小主应力值为3f，此时把实际存在的大主应力3=480kPa及强度指标c，代入公式（4-8）中，则得第四章第四章 土的抗剪强度土的抗剪强度也可由式（4-9）计算达到极限平衡条件时所需要得大主应力值为1f，此时把实际存在的大主应力3=480kPa及强度指标
14、c，代入公式（4-8）中，则得由计算结果表明，33f,1 1f ，所以该单元土体早已破坏。第四章第四章 土的抗剪强度土的抗剪强度4-3 4-3 确定强度指标的试验确定强度指标的试验测定土抗剪强度指标的试验称为剪切试验；剪切试验可以在试验室内进行，也可在现场原位条件下进行。按常用的试验仪器可将剪切试验分为直接剪切试验、三轴压缩试验、无侧限抗压强度试验和十字板剪切试验四种。第四章第四章 土的抗剪强度土的抗剪强度4-3 4-3 确定强度指标的试验确定强度指标的试验一、直接剪切试验用直接剪切仪（简称直剪仪）来测定土的抗剪强度的试验称为直接剪切试验。直接剪切试验是测定预定剪破面上抗剪强度的最简便和最常用
15、的方法。直剪仪分应变控制式和应力控制式两种，前者以等应变速率使试样产生剪切位移直至剪破，后者是分级施加水平剪应力并测定相应的剪切位移。目前我国使用较多的是应变控制式直剪仪。第四章第四章 土的抗剪强度土的抗剪强度为了考虑固结程度和排水条件对抗剪强度的影响，根据加荷速率的快慢将直剪试验划分为快剪、固结快剪和慢剪三种试验类型。（一）快剪（Q）土工试验方法标准规定抗剪试验适用于渗透系数小于106cm/s的细粒土，试验时在试样上施加垂直压力后，拔去固定销钉，立即以第四章第四章 土的抗剪强度土的抗剪强度0.8mm/min的剪切速度进行剪切，使试样在3min5min内剪破。试样每产生剪切位移0.2mm0.4
16、mm测记测力计和位移读数，直至测力计读数出现峰值，或继续剪切至剪切位移为4mm时停机，记下破坏值；当剪切过程中测力计读数无峰值时，应剪切至剪切位移为6mm时停机，该试验所得的强度称为快剪强度，相应的指标称为快剪强度指标，以cQ，Q表示。（二）固结快剪（R）固结快剪试验也适用于渗透系数小于106cm/s的细粒土。试验时对试样施加垂直压力后，每小时测读垂直变形一次，直至变形稳定。变形稳定标准为变形量每小时不大于0.005mm，在拔去固定销，剪切过程同快剪试验。所得强度称为固结快剪强度，相应指第四章第四章 土的抗剪强度土的抗剪强度标称为固结快剪强度指标，以cR，R表示。（三）慢剪（S）慢剪试验是对试
17、样施加垂直压力后，待固结稳定后，再拔去固定销，以小于0.02mm/min的剪切速度使试样在充分排水的条件下进行剪切，这样得到的强度称为慢剪强度，其相应的指标称为慢剪强度指标，以cS，S表示。上述三种方法的试验结果如图4-10所示。从图中可以看出，cQ cR cS，而Q R S。第四章第四章 土的抗剪强度土的抗剪强度直剪试验的设备简单，试样的制备和安装方便，且操作容易掌握，至今仍为工程单位广泛采用。缺点：（1）剪破面固定；（2）排水条件不易控制；（3）应力分布不均；第四章第四章 土的抗剪强度土的抗剪强度二、三轴压缩试验三轴压缩试验直接量测的是试样在不同恒定周围压力下的抗压强度，然后利用莫尔库仑准
18、则间接推求土的抗剪强度。3 1 第四章第四章 土的抗剪强度土的抗剪强度二、三轴压缩试验三轴是指一个竖向和两个侧向而言，由于压力室和试样均为圆柱形，因此，两个侧向（或称周围）的应力相等并为小主应力3，而竖向（或轴向）的应力为大主应力1。在增加1时保持3 不变，这样条件下的试验称为常规三轴压缩试验。三轴压缩仪主要由压力室、加压系统和量测系统三大部分组成。第四章第四章 土的抗剪强度土的抗剪强度三轴试验根据试样的固结和排水条件不同，可分为不固结不排水剪（UU）、固结不排水剪（CU)和固结排水剪（CD)三种方法。分别对应于直剪试验的快剪、固结快剪和慢剪试验。c c 3 3131q3 不固结或固结是对周围
19、压力增量而言的不排水或排水是对附加轴向压力而言的。第四章第四章 土的抗剪强度土的抗剪强度在进行不同方法的三轴试验时，都要先使试样在周围压力c下固结稳定，若进行不固结不排水剪试验，则在不排水条件下施加周围压力增量3，然后在不允许有水进出的条件下，逐渐施加附加轴向压力q，直至试样剪破。因此，试验中径向应力3等于（c+3），轴向应力1等于（3+q）。若进行固结不排水剪试验，要允许试样在周围压力增量3下排水，待固结稳定后，再在不允许有水进出的条件下，逐渐施加附加轴向压力q，直至试样剪破。固结排水剪试验同样在周围压力增量3下排水，待固结稳定后，在允许有水进出的条件下以极慢的速率对试样逐渐施加附加轴向压力
20、q，直至试样剪破。可以看出，这里所说的不固结或固结是对周围压力增量而言的，不排水或排水是对附加轴向压力而言的。第四章第四章 土的抗剪强度土的抗剪强度三轴试验步骤：05010015020025030005101520轴向应变(%)轴向附加应力q(kPa)100kPa200kPa300kPa400kPa第四章第四章 土的抗剪强度土的抗剪强度三轴试验步骤：05010015020025030005101520轴向应变(%)轴向附加应力q(kPa)100kPa200kPa300kPa400kPa05010015020025030005101520轴向应变(%)孔隙水应力u(kPa)100kPa200kP
21、a300kPa400kPafffu33fffu11第四章第四章 土的抗剪强度土的抗剪强度三、无侧限抗压强度试验三轴压缩试验中当周围压力3 0时即为无侧限试验条件，这时只有q=1。所以，也可称为单轴压缩试验。由于试样的侧向压力为零，在侧向受压时，其侧向变形不受限制，故又称为无侧限压缩试验。同时，又由于试样是在轴向压缩的条件下破坏的，因此，把这种情况下土所能承受的最大轴向压力称为无侧限抗压强度以qu表示。试验时仍用圆柱状试样，可在专门的无侧限仪上进行，也可在三轴仪上进行。第四章第四章 土的抗剪强度土的抗剪强度在施加轴向压力的过程中，相应地量测试样的轴向压缩变形，并绘制轴向压力q与轴向应变的关系曲线
22、。当轴向压力与轴向应变的关系曲线出现明显的峰值时，则以峰值处的最大轴向压力作为土的无侧限抗压强度qu；当轴向压力与轴向应变的关系曲线不出现峰值时，则取轴向应变20处的轴向压力作为土的无侧限抗压强度qu。求得土的无侧限抗压强度qu后，即可绘出极限应力圆。2qcuf第四章第四章 土的抗剪强度土的抗剪强度四、原位十字板剪切试验十字板剪切试验是一种利用十字板剪切仪在现场测定土的抗剪强度的方法。这种试验方法适合于在现场测定饱和粘性土的原位不排水强度，特别适用于均匀的饱和粘性土。第四章第四章 土的抗剪强度土的抗剪强度十字板剪切试验可在现场钻孔内进行。试验时，先将十字板插到要进行试验的深度，再在十字板剪切仪
23、上端的加力架上以一定的转速对其施加扭力矩，使板内的土体与其周围土体产生相对扭剪，直至剪破，测出其相应的最大扭力矩。然后，根据力矩的平衡条件，推算出圆柱形剪破面上土的抗剪强度。第四章第四章 土的抗剪强度土的抗剪强度假定：(1)剪破面为圆柱面；(2)抗剪强度均匀；21maxMMM21DDHMf32222202DDrrdrMfDf3222maxDDDDHMff)3(22maxDHDMf在饱和粘土不固结不排水剪试验中，u0，fcu.第四章第四章 土的抗剪强度土的抗剪强度4-4 4-4 三轴压缩试验中的孔隙应力系数三轴压缩试验中的孔隙应力系数在常规三轴压缩试验中，试样先承受周围压力c固结稳定，以模拟试样
24、的原位应力状态。这时，超孔隙水应力uo为零。在试验中分两个阶段来加荷，先使试样承受周围压力增量3，然后在周围压力不变的条件下施加大、小主应力之差（1 3)(即附加轴向压力q）。若试验是在不排水条件下进行，则3和（1 3)的施加必将分别引起超孔隙水应力增量u1和u2。超孔隙水应力的总增量为u=u1+u2 ，总的超孔隙水应力为 u=u0+u u第四章第四章 土的抗剪强度土的抗剪强度(一）孔隙应力系数B当试样在不排水条件下受到各向相等压力增量3时，产生的孔隙应力增量为u1，将u1与3之比定义为孔隙应力系数B，即 B u1/3式中B是在各向施加相等压力条件下的孔隙应力系数。它是反映土体在各向相等压力作
25、用下，孔隙应力变化情况的指标，也是反映土体饱和程度的指标。在饱和土的不固结不排水剪试验中，周围压力增量将完全由孔隙水承担，所以B1；当土完全干燥时，孔隙气的压缩性要比骨架的压缩性高的多，这时周围压力增量将完全由土骨架承担，于是B0。在非饱和土中，孔隙中流体的压缩性与土骨架的压缩性为同一量级，B介于0与1之间。饱和度越大，B越接近1。第四章第四章 土的抗剪强度土的抗剪强度（二）孔隙应力系数A当试样受到轴向应力增量q(即主应力差13）作用时，产生的孔隙水应力为u2，u2的大小与主应力差13及土样的饱和程度有关，我们定义另一孔压系数A如下：u2=BA（13）式中A是在偏应力条件下的孔隙应力系数，其数
26、值与土的种类、应力历史等有关。上式也可写成：式中：是综合反映主应力差（13）作用下孔隙应力变化情况的一个指标。Au2=A(13)第四章第四章 土的抗剪强度土的抗剪强度三向压缩条件下的孔隙应力为：u=u1+u2=B3+BA（13）上式还可改写成或式中：也是一个孔隙应力系数，它表示在一定周围应力增量作用下，由主应力增量1所引起的孔隙应力变化的一个参数。这一参数可在三轴压缩试验中模拟土的实际受力状态来测定。在堤坝稳定分析中，可用来估算堤坝的初始孔隙应力。B第四章第四章 土的抗剪强度土的抗剪强度饱和土B=1：u1=B3=3 u2=BA（13）=A（13）饱和土不固结不排水试验中：u=u1+u2=B3+
27、BA（13）饱和土固结不排水试验中：u=u2=BA（13）固结排水试验中：u=0第四章第四章 土的抗剪强度土的抗剪强度4-5 4-5 三轴试验中土的剪切性状三轴试验中土的剪切性状一、砂性土的剪切性状（一）砂土的内摩擦角由于砂土的透水性强，它在现场的受剪过程大多相当于固结排水剪情况，由固结排水剪试验求得的强度包线一般为通过坐标于原点的直线，可表达为f=tgd 式中：d固结排水剪求得的内摩擦角。砂土抗剪强度受密度、颗粒形状、表面粗糙度和级配影响；饱和与干燥：第四章第四章 土的抗剪强度土的抗剪强度4-5 4-5 三轴试验中土的剪切性状三轴试验中土的剪切性状一、砂性土的剪切性状（二）砂土的应力轴向应变
28、体变砂土的初始孔隙比不同，在受剪过程中将显示出非常不同的性状。松砂受剪时，颗粒滚落到平衡位置，排列得更紧密些，所以它的体积缩小，把这种因剪切而体积缩小的现象称为剪缩性；反之，紧砂受剪时，颗粒必须升高以离开它们原来的位置而彼此才能相互滑过，从而导致体积膨胀，把这种因剪切而体积膨胀的现象称为剪胀性。第四章第四章 土的抗剪强度土的抗剪强度然而，紧砂的这种剪胀趋势随着周围压力的增大，土粒的破碎而逐渐消失。在高周围压力下，不论砂土的松紧如何，受剪都将剪缩。松砂的强度逐渐增大，应力轴向应变关系呈应变硬化型，它的体积则逐渐减小。紧砂的强度达一定值后，随着轴向应变的继续增加强度反而减小，应力轴向应变关系最后呈
29、随应变软化型，它的体积开始时稍有减小，继而增加，超过了它的初始体积。第四章第四章 土的抗剪强度土的抗剪强度既然砂土在低周围压力下由于初始孔隙比的不同，剪破时的体积可能小于初始体积，也可能大于初始体积，那么，可以想象，砂土在某一初始孔隙比下受剪，它剪破时的体积将等于其初始体积，这一初始孔隙比称为临界孔隙比。砂土的初始孔隙比将随周围压力的增加而减小。第四章第四章 土的抗剪强度土的抗剪强度（三）砂土的残余强度同一种砂土在相同的周围压力作用下，由于其初始孔隙比不同在剪切过程中将出现不同的应力应变特征。松砂的应力应变曲线没有一个明显的峰值，剪应力随着剪应变的增加而增大，最后趋于某一恒定值；紧砂的应力应变
30、曲线有一个明显的峰值，过此峰值以后剪应力便随剪应变的的增加而降低，最后趋于松砂相同的恒定值，如图4-21所示。这一恒定的强度通常称为残余强度或最终强度，以f表示。第四章第四章 土的抗剪强度土的抗剪强度（四）砂土的液化液化被定义为任何物质转化为液体的行为或过程。对于饱和疏松的粉细砂，当受到突发的动力荷载时，例如地震荷载，一方面由于动剪应力的作用有使体积缩小的趋势，另一方面由于时间短来不及向外排水，因此就产生了很大的孔隙水应力。按有效应力原理，无粘性土的抗剪强度应表达为第四章第四章 土的抗剪强度土的抗剪强度二、粘性土的剪切性状正常固结试样与超固结试样（一）正常固结粘土1、不固结不排水强度（UU）在
31、饱和土的不固结不排水剪试验中，总强度包线为一水平线。所以 ，0u231ffufc第四章第四章 土的抗剪强度土的抗剪强度（一）正常固结粘土1、不固结不排水强度（UU）如果使试样在另一个较高的剪前固结压力 下固结稳定后进行一组不固结不排水试验 c1 c2 Cu1 Cu1 第四章第四章 土的抗剪强度土的抗剪强度如果使试样在另一个较高的剪前固结压力 下固结稳定后进行一组不固结不排水试验，那么，由于固结压力增大，试样的剪前孔隙比将减少，试样的不排水强度 将增大。与 通常呈线性关系，即 ，其中 为比例系数。如图4-24（a）、（b）所示。cucucccuctg第四章第四章 土的抗剪强度土的抗剪强度2、固结
32、不排水强度（CU）固结不排水剪切试验的过程如图4-25所示。正常固结土的CU试验总强度线是如图4-26所示一条通过坐标原点的直线，倾角为 ，。其抗剪强度可表示为cu0cuccuftg第四章第四章 土的抗剪强度土的抗剪强度若在固结不排水剪试验中量测孔隙水应力，则结果可用有效应力整理。从破坏时的总应力中减去 ,可得到相应破坏时的有效大主应力 和有效小主应力 及破坏应力圆，绘出这些破坏应力圆的包线，可得有效应力强度包线。由于正常固结土剪破时的孔隙水应力为正值，则剪破时的有效应力圆总在总应力圆的左边。有效应力强度包线也是通过坐标原点的直线，直线的倾角 大于 ，于是用有效应力表示的CU试验抗剪强度为 t
33、gffuf1f3cu0 c第四章第四章 土的抗剪强度土的抗剪强度3、固结排水强度（CD)固结排水剪切试验的过程如图4-28所示。如图4-29所示，由于试验过程中孔隙水应力始终保持为零，有效应力就等于外加总应力，极限总应力圆就是极限有效应力圆，因而总应力强度包线即为有效应力强度包线。CD试验中的有效应力强度指标常用 ，表示。其强度包线是一条通过坐标原点的直线，其倾角为 ，。于是，CD试验抗剪强度可表示为dcdd0dcdftg第四章第四章 土的抗剪强度土的抗剪强度将上述三种三轴压缩试验的结果汇总于图4-30中。由图可见，对于同一种正常固结的饱和粘土，当采用三种不同的试验方法来测定其抗剪强度时，其强
34、度包线是不同的。其中UU试验结果是一条水平线，CU和CD试验各是一条通过坐标原点的直线。三种方法所得到的强度指标间的关系是 ，。试验结果表明，当用有效应力表示试验结果时，三种剪切试验将得到基本相同的强度包线及十分接近的有效应力强度指标，这就意味着同一种土三种试验的试样将沿着同一平面剪破。0dcuuccc0ucud第四章第四章 土的抗剪强度土的抗剪强度实测资料表明，f通常约为60，而粘性土的 一般在30左右，实测的f角接近于 ，这也是有效应力概念下的理论剪破角。正常固结土为应变硬化型，体变多表现为剪缩；)245(第四章第四章 土的抗剪强度土的抗剪强度（二）超固结粘土1、不固结不排水强度（UU试验
35、）超固结饱和粘性土的试验方法和过程与正常固结土的情况完全相同。它们的试验结果主要不同点在于：对试样施加的周围压力即初始有效固结应力c小于原位应力（或先期固结应力）pc，即c pc，体现试样剪前为超固结状态。在UU试验中，由于试样不允许有水进入，所以强超固结土破坏时的孔隙水应力为负值；弱超固结土破坏时的孔隙水应力虽仍为正值，但比正常固结土要小的多。如图4-31所示。第四章第四章 土的抗剪强度土的抗剪强度由于UU试验不允许试样固结排水，所以，一组试样在剪前的有效应力和孔隙比均相同。因此，它们具有相同直径的破坏应力圆，其强度包线也是一条水平线，如图4-32所示。如果在试验中测出破坏时的孔隙水应力uf
36、，同样可以得到一个与总应力圆等直径的破坏时的有效应力圆，如图4-32中虚线所示。其中A，B两圆是强超固结土的总应力圆，破坏时的孔隙水应力为负值，所以，有效应力圆在总应力圆的右边；C圆为弱超固结土（错）的总应力圆，破坏时的孔隙水应力为正值，所以，有效应力圆在总应力圆的左边。同一固结压力下，有效应力圆只有一个第四章第四章 土的抗剪强度土的抗剪强度2、固结不排水剪强度（CU试验）超固结饱和粘土CU试验的方法和过程也与正常固结土的情况相同。超固结饱和粘土试验的抗剪强度可表达为 tgccuf如果在试验中，测出破坏时的孔隙水应力uf，则可得到以有效应力表示的破坏有效应力圆及其强度包线，如图4-34中虚线所
37、示。第四章第四章 土的抗剪强度土的抗剪强度A圆为强超固结的，破坏时的孔隙水应力为负值，有效应力圆在总应力圆的右侧；B圆为弱超固结的，破坏时的孔隙水应力为正值，有效应力圆在总应力圆的左侧。以有效应力表示的抗剪强度为从图中可看出，CU试验的总应力强度指标与有效应力强度指标的关系是：，。tgcfcccucu第四章第四章 土的抗剪强度土的抗剪强度3、固结排水剪强度（CD试验）超固结饱和粘土CD试验方法和过程仍与正常固结土的情况一样。由于CD试验允许试样排水固结，所以，试样体积在受剪初期稍有缩小，接着产生膨胀，直至试样体积远远大于原始体积。强超固结饱和粘土CD试验时的应力应变和体变应变的典型关系曲线如图
38、4-35所示。第四章第四章 土的抗剪强度土的抗剪强度3、固结排水剪强度（CD试验）超固结饱和粘土CD试验时的强度变化规律与CU试验的变化规律相似。但是，由于在CD试验的整个过程中均允许试样排水固结，孔隙水应力始终为零，所以，剪切面上的总应力全部转化为有效应力，CD试验的强度包线即为有效应力强度包线，如图4-36所示。其抗剪强度可表示为 ddftgc第四章第四章 土的抗剪强度土的抗剪强度将上述三种试验结果汇总于图4-37中，从图中可以看出，对于超固结饱和粘土，当采用三种不同的试验方法来测定其抗剪强度时，其强度包线是不同的；其中UU试验是一条水平线，CU和CD试验是一条不通过坐标原点的直线（实际上
39、是微弯的曲线，但实际上可用直线来代替）。它们的强度指标关系是cuccu cd，d cu u 0。第四章第四章 土的抗剪强度土的抗剪强度【例题4-4】某饱和粘土曾受到先期固结应力为800kPa。在固结不排水试验中测得的结果列于表（a）。试求不同超固结比OCR下，试样剪破时的孔隙水应力系数Af值。第四章第四章 土的抗剪强度土的抗剪强度【解】在固结不排水剪试验中，孔隙水应力仅由主应力差产生，于是，按式（4-23）剪破时的孔隙水应力系数Af=u/(1 3)=uf/(13)f，计算结果见表(b)第四章第四章 土的抗剪强度土的抗剪强度（三）粘土的残余强度超固结粘土在剪切试验中有与紧砂相似的应力应变特征，当
40、强度随着剪位移达到峰值后，如果剪切继续进行，随着剪位移继续增大，强度显著降低，最后稳定在某一数值不变，该不变的值即称为粘土的残余强度。正常固结粘土亦有此现象，只是降低的幅度较超固结粘土要小些。由图4-39可见：1、粘土的残余强度与它的应力历史无关；2、在大剪位移下超固结粘土的强度降低比正常固结粘土的大；第四章第四章 土的抗剪强度土的抗剪强度3、残余强度线为通过坐标原点的直线，即 r=tgr式中：r粘土的残余强度；剪破面上的法向应力；r残余内摩擦角。必须指出，在大位移下粘土强度降低的机理与紧砂不同。紧砂是由于土粒间咬合作用被克服，结构崩解变松的结果，而粘土被认为是由于在受剪过程中土的结构性损伤、
41、土粒的排列变化及粒间引力减少；吸着水层中水分子的定向排列和阳离子的分布因受剪而遭到破坏。第四章第四章 土的抗剪强度土的抗剪强度（四）粘土的结构性与灵敏度土的强度同土的结构有着密切的关系。粘土的强度（或其它性质）随着其结构的改变而发生变化的特性称为土的结构性。某些在含水率不变的条件下使其原有结构受彻底扰动的粘土，称为重塑土。粘土对结构扰动的敏感程度可用灵敏度表示。灵敏度定义为原状试样的无侧限抗压强度与相同含水率下重塑试样的无侧限抗压强度之比式中：St粘土的灵敏度；qu原状试样的无侧限抗压强度；qu重塑试样的无侧限抗压强度。uutqqs第四章第四章 土的抗剪强度土的抗剪强度对于灵敏度高的粘土，经重
42、塑后停止扰动，静置一段时间后其强度又会部分恢复。在含水率不变的条件下粘土因重塑而软化（强度降低），软化后又随静置时间的延长而硬化（强度增长）的这种性质称为粘土的触变性。第四章第四章 土的抗剪强度土的抗剪强度（五）粘土的蠕变在剪切过程中土的蠕变是指在恒定剪应力作用下应变随时间而增长的现象。图4-40是三轴不排水剪切试验中在不同的恒定主应力差（1-3)作用下轴向应变随时间变化的过程线，即蠕变曲线。由图可见，当主应力差很小时，轴向应变几乎在瞬间发生，之后，蠕变缓慢发展，轴向应变时间关系曲线最后呈水平线，土不会发生蠕变破坏。当主应力差较大时，蠕变速率会相应增大。当主应力差达到某一值后，轴向应变不断发展，应变速率增大，最终可导致蠕变破坏。第四章第四章 土的抗剪强度土的抗剪强度如图所示，蠕变破坏的过程包括以下几个阶段：（1）弹性应变阶段：图中OA段，对土而言，此阶段的应变值很小；（2）初始蠕变阶段：图中AB段，在这一阶段，蠕变速率由大变小，如果这时卸除主应力差，则先恢复瞬时弹性应变，继而恢复初期蠕变；（3）稳定蠕变阶段：图中BC段，这一阶段的蠕变速率为常数，这时若卸除主应力差，土也将存在永久变形；（4）加速蠕变阶段：在这一阶段，蠕变速率迅速增长，最后达到破坏。滑坡 地基强度不足 挡土墙土压力 又称三轴剪力仪又称三轴剪力仪
