1、 二六年四月二六年四月l土的抗剪强度试验土的抗剪强度试验l工程中的抗剪强度问题工程中的抗剪强度问题l土的抗剪强度试验土的抗剪强度试验l这是两个不同的概念，但经常被人们这是两个不同的概念，但经常被人们混淆，看一个土坡的最简单的例子：混淆，看一个土坡的最简单的例子：l平行滑动面的力是滑动力平行滑动面的力是滑动力Tl抵抗滑动的是滑动面上的抗剪强度抵抗滑动的是滑动面上的抗剪强度 滑动面上的力系滑动面上的力系TNGA-滑动面的面积滑动面的面积l 滑动面上的抗剪强度滑动面上的抗剪强度 由两部分组成，由两部分组成，一部分与滑动面上的法向应力成正比，另一部分与滑动面上的法向应力成正比，另一部分与法向应力无关，
2、可以写成如下的一部分与法向应力无关，可以写成如下的表达式，式中的表达式，式中的c 称为内聚力，称为内聚力，称为内称为内摩擦角，内聚力和内摩擦角就是这两个抗摩擦角，内聚力和内摩擦角就是这两个抗剪强度指标。剪强度指标。l 这个表达式被称为库仑强度准则：这个表达式被称为库仑强度准则：l cptan lp=N/Al 从整个土坡滑动面从整个土坡滑动面A上平均地看：上平均地看：l当当T A时，土坡不会滑动，时，土坡不会滑动，l当当T A时，土坡就失稳了，时，土坡就失稳了，l当当T A时，称为极限平衡。时，称为极限平衡。l 抗剪强度指标是土体的固有性质，抗剪强度指标是土体的固有性质，是描述土体中的抗剪强度随
3、法向应力变是描述土体中的抗剪强度随法向应力变化规律的参数；化规律的参数；l 抗剪强度是在一定的应力条件下，抗剪强度是在一定的应力条件下，土体滑动面上抵抗滑动的总强度。土体滑动面上抵抗滑动的总强度。l抗剪强度指标的物理概念抗剪强度指标的物理概念l直剪试验指标的测定直剪试验指标的测定l三轴试验指标的测定与资料分析三轴试验指标的测定与资料分析 l 土的抗剪强度是指土体抵抗剪切破土的抗剪强度是指土体抵抗剪切破坏的能力。在土力学中，采用摩尔坏的能力。在土力学中，采用摩尔库库仑强度准则，用内摩擦角和内聚力两个仑强度准则，用内摩擦角和内聚力两个指标描述土的抗剪强度规律，即在土的指标描述土的抗剪强度规律，即在
4、土的破裂面上，抗剪强度随法向应力增长的破裂面上，抗剪强度随法向应力增长的规律。摩尔规律。摩尔库仑强度准则是土力学的库仑强度准则是土力学的三大定律之一。三大定律之一。l =c p tan l 对于对于c0的土，称为纯摩擦材料，的土，称为纯摩擦材料，内摩阻力包括土粒之间的表面摩擦力和内摩阻力包括土粒之间的表面摩擦力和由于土粒之间的联锁作用而产生的咬合由于土粒之间的联锁作用而产生的咬合力。咬合力是指当土体相对滑动时，将力。咬合力是指当土体相对滑动时，将嵌在其它颗粒之间的土粒拔出所需的力，嵌在其它颗粒之间的土粒拔出所需的力，土越密实，联锁作用则越强。土越密实，联锁作用则越强。l =c p tan l
5、对于对于 0的土，称为凝聚性材料，的土，称为凝聚性材料，构成内聚力的物理原因是土的细颗粒表构成内聚力的物理原因是土的细颗粒表面作用，是一种物理化学作用。面作用，是一种物理化学作用。l 原始粘聚力主要是由于土粒间水膜受原始粘聚力主要是由于土粒间水膜受到相邻土粒之间的电分子引力而形成的，到相邻土粒之间的电分子引力而形成的，当土被压密时，土粒间的距离减小，原始当土被压密时，土粒间的距离减小，原始粘聚力随之增大。当土的天然结构被破坏粘聚力随之增大。当土的天然结构被破坏时，原始粘聚力将丧失一些，但会随着时时，原始粘聚力将丧失一些，但会随着时间而恢复其中的一部分或全部。间而恢复其中的一部分或全部。l 固化
6、粘聚力是由于土中化合物的胶结固化粘聚力是由于土中化合物的胶结作用而形成的，当土的天然结构被破坏时，作用而形成的，当土的天然结构被破坏时，则固化粘聚力随之丧失，而且不能恢复。则固化粘聚力随之丧失，而且不能恢复。l 在室内试验中，可以用直剪试验或在室内试验中，可以用直剪试验或三轴试验来测定土的抗剪强度指标。三轴试验来测定土的抗剪强度指标。l 对粗粒土应当用大尺寸的仪器或现对粗粒土应当用大尺寸的仪器或现场大型直剪试验测定。场大型直剪试验测定。l 对软土，也可以用原位测试十字对软土，也可以用原位测试十字板试验测定。板试验测定。l 土的抗剪强度指标和土的原始土的抗剪强度指标和土的原始状态、应力路径、应力
7、历史、排水状态、应力路径、应力历史、排水条件等因素有关，考虑不同因素影条件等因素有关，考虑不同因素影响时，应采用不同的试验方法。响时，应采用不同的试验方法。l 考虑上述复杂因素的试验只能考虑上述复杂因素的试验只能用三轴仪才能模拟。三轴试验分为用三轴仪才能模拟。三轴试验分为常规的试验和特殊的试验两类。常规的试验和特殊的试验两类。AT=ANp=l f =c p tan l第一级荷载必须大于上覆有效压力第一级荷载必须大于上覆有效压力快剪试验快剪试验 l 在土样上下两面安置不透水的铜板在土样上下两面安置不透水的铜板或塑料膜，并在施加竖向压力后立即施或塑料膜，并在施加竖向压力后立即施加水平剪力进行剪切，
8、而且剪切的速率加水平剪力进行剪切，而且剪切的速率也很快，一般只也很快，一般只3 5min 。采取这些措采取这些措施的目的是为了控制土样在试验时不固施的目的是为了控制土样在试验时不固结排水，以便测定天然状态的强度指标。结排水，以便测定天然状态的强度指标。快剪试验得到的指标用快剪试验得到的指标用 cq、q表示。表示。l 由于直剪仪固有的缺点，尽管采取由于直剪仪固有的缺点，尽管采取了上述措施，土样和环刀之间仍有渗水了上述措施，土样和环刀之间仍有渗水通道，不能保证土样处于完全不排水的通道，不能保证土样处于完全不排水的状态，特别是对透水性比较大的土影响状态，特别是对透水性比较大的土影响更大。更大。固结快
9、剪试验固结快剪试验 l 在土样上下两面安置透水石，在施在土样上下两面安置透水石，在施加竖向压力以后给以充分时间使土样固加竖向压力以后给以充分时间使土样固结排水。固结排水终了后再施加水平剪结排水。固结排水终了后再施加水平剪力，快速地将土样剪坏。力，快速地将土样剪坏。l 这种试验方法模拟在法向应力作用这种试验方法模拟在法向应力作用下固结完成但在剪应力作用下不排水的下固结完成但在剪应力作用下不排水的工况，由于放置了透水板，更不能保证工况，由于放置了透水板，更不能保证在剪切时处于完全不排水的状态，对于在剪切时处于完全不排水的状态，对于透水性比较大的土样将会得到过大的抗透水性比较大的土样将会得到过大的抗
10、剪强度值。固结快剪试验得到的指标用剪强度值。固结快剪试验得到的指标用 ccq 、cq表示。表示。慢剪试验慢剪试验 l 施加竖向压力后土样固结排水的要求施加竖向压力后土样固结排水的要求与固结快剪试验相同，在固结终了后以与固结快剪试验相同，在固结终了后以相当慢的速度施加水平剪力，剪切速率相当慢的速度施加水平剪力，剪切速率控制在小于控制在小于0.02mm/min以使土样在剪切以使土样在剪切过程中有充分时间排水和产生体积变形，过程中有充分时间排水和产生体积变形，得到的指标模拟完全排水的工况。慢剪得到的指标模拟完全排水的工况。慢剪试验指标用试验指标用 cs、s。竖向压力竖向压力剪应力剪应力结果结果快剪快
11、剪不用透水板不用透水板立即剪切立即剪切快速快速固结快剪固结快剪用透水板用透水板快速快速剪切时透水剪切时透水途径通畅途径通畅慢剪慢剪用透水板用透水板慢速慢速l 直剪仪中的土样无法封闭，无论土直剪仪中的土样无法封闭，无论土样承受法向应力或剪应力，无论剪切速样承受法向应力或剪应力，无论剪切速度多快，孔隙水总会沿着土样和环刀之度多快，孔隙水总会沿着土样和环刀之间的缝隙流失，无法测定不排水条件下间的缝隙流失，无法测定不排水条件下的强度，使快剪试验的结果特别离散，的强度，使快剪试验的结果特别离散，而且内摩擦角往往偏大，用于工程是偏而且内摩擦角往往偏大，用于工程是偏于危险的；在固结快剪试验中，剪切时于危险的
12、；在固结快剪试验中，剪切时的排水也使内摩擦角偏大。的排水也使内摩擦角偏大。l 曾有文献报道，对于塑性指数小于曾有文献报道，对于塑性指数小于11的的土，固结快剪试验的内摩擦角与慢剪试验的土，固结快剪试验的内摩擦角与慢剪试验的内摩擦角很接近，内摩擦角很接近，一般只比慢剪试验的内一般只比慢剪试验的内摩擦角小摩擦角小1 2 ，但在塑性指数为，但在塑性指数为11 18的的土中，两者的数值相差很大，一般为土中，两者的数值相差很大，一般为10 左左右。这是由于低塑性土的渗透系数比较大，右。这是由于低塑性土的渗透系数比较大，在固结快剪试验中孔隙水消散很快，剪切时在固结快剪试验中孔隙水消散很快，剪切时土的固结状
13、态已接近于慢剪试验，因此两者土的固结状态已接近于慢剪试验，因此两者的结果相近。由此可见，直剪试验不适用于的结果相近。由此可见，直剪试验不适用于低塑性土。低塑性土。l直剪仪上下盒之间的缝隙直剪仪上下盒之间的缝隙 l为了避免上下盒之间的摩擦，为了避免上下盒之间的摩擦，在上下盒之在上下盒之间留有一定的缝隙间留有一定的缝隙。对软土作快剪试验时，由。对软土作快剪试验时，由于竖向荷载对土样的挤压作用，软土侧面挤入于竖向荷载对土样的挤压作用，软土侧面挤入缝隙中，既破坏了土的结构，又影响了试验的缝隙中，既破坏了土的结构，又影响了试验的结果。试验砂土时，细小的砂粒嵌进上下盒之结果。试验砂土时，细小的砂粒嵌进上下
14、盒之间的缝隙中使摩阻力增大，使试验结果失真。间的缝隙中使摩阻力增大，使试验结果失真。可见直剪仪也不适用于砂土和软土。可见直剪仪也不适用于砂土和软土。l 直剪试验时土样的直剪试验时土样的剪切面是人为规定的剪切面是人为规定的。由于剪切总是发生在上下盒之间，剪切面人为规由于剪切总是发生在上下盒之间，剪切面人为规定为水平方向，这与实际工程中发生在土体内的定为水平方向，这与实际工程中发生在土体内的剪切面方向是不一致的。实际工程中，剪切总是剪切面方向是不一致的。实际工程中，剪切总是沿着最薄弱的方向发展，而水平方向往往并不是沿着最薄弱的方向发展，而水平方向往往并不是最薄弱的。特别在夹薄层粉砂的粘性土层中，如
15、最薄弱的。特别在夹薄层粉砂的粘性土层中，如果硬性规定的剪切面正好在粉砂薄层中，就会得果硬性规定的剪切面正好在粉砂薄层中，就会得到过大的抗剪强度值。到过大的抗剪强度值。l 剪切面积随剪切位移的增加而减小剪切面积随剪切位移的增加而减小且土样应力条件非常复杂且土样应力条件非常复杂 这一缺点限制这一缺点限制了直剪仪在研究方面的应用，但在工程了直剪仪在研究方面的应用，但在工程实用方面引起的误差是可以容许的。实用方面引起的误差是可以容许的。l1.直剪仪存在许多致命的缺陷，国外已直剪仪存在许多致命的缺陷，国外已经被淘汰，但我国还是常规武器；经被淘汰，但我国还是常规武器；l2.我国地基设计规范对直剪仪的态度，
16、我国地基设计规范对直剪仪的态度，经历了从限制使用条件到企图完全淘汰经历了从限制使用条件到企图完全淘汰的过程，但还没有具备淘汰的条件；的过程，但还没有具备淘汰的条件；l3.在过渡的时间内，正确认识直剪仪的在过渡的时间内，正确认识直剪仪的问题，不致发生滥用是至关重要的；问题，不致发生滥用是至关重要的；l直剪试验不适用于低塑性土。直剪试验不适用于低塑性土。l直剪试验也不适用于砂土和软土。直剪试验也不适用于砂土和软土。l如如8989版建筑地基基础设计规范规定版建筑地基基础设计规范规定直剪试验只适用于二级及三级建筑物的直剪试验只适用于二级及三级建筑物的可塑状粘性土和饱和度不大于可塑状粘性土和饱和度不大于
17、0.5的粉土。的粉土。l 三轴试验的土样是在轴对称应力条三轴试验的土样是在轴对称应力条件下剪切的，圆柱形土样侧面作用着小件下剪切的，圆柱形土样侧面作用着小主应力主应力 3 3，顶面和底面作用着大主应力顶面和底面作用着大主应力 1 1，大、小主应力可以根据试验要求控大、小主应力可以根据试验要求控制其大小和变化。土样包在不透水的橡制其大小和变化。土样包在不透水的橡皮膜中，在土样的底面和顶面都设置了皮膜中，在土样的底面和顶面都设置了可以控制的排水管道，通过阀门可以改可以控制的排水管道，通过阀门可以改变土样的排水条件，并可通过管道量测变土样的排水条件，并可通过管道量测土样顶部或内部的孔隙水压力土样顶部
18、或内部的孔隙水压力。l三轴试验原理三轴试验原理:l以材料力学的摩尔圆表示一点的应力状以材料力学的摩尔圆表示一点的应力状态为基础，以库仑强度理论为准则。态为基础，以库仑强度理论为准则。l三轴试验方法三轴试验方法:l利用三轴仪的设备条件，用各种方法模利用三轴仪的设备条件，用各种方法模拟土的各种应力条件和物理状态。拟土的各种应力条件和物理状态。l三轴试验结果的资料整理三轴试验结果的资料整理：l试验资料的分析计算：试验资料的分析计算：l 三轴试验是建立在轴对称极限平衡三轴试验是建立在轴对称极限平衡理论基础上的一种土工试验，与直剪试理论基础上的一种土工试验，与直剪试验相比，应力条件明确，分析原理严密，验
19、相比，应力条件明确，分析原理严密，可以模拟各种排水条件和应力条件。可以模拟各种排水条件和应力条件。l破坏圆是破坏时的应力圆破坏圆是破坏时的应力圆l破坏圆的公切线即为强度包线破坏圆的公切线即为强度包线l l从从0点到圆心的距离等于半径除以点到圆心的距离等于半径除以sin；l移项以后就得到极限平衡条件的表达式移项以后就得到极限平衡条件的表达式131322=sincoscsin1223131=ctgcl 化简并通过三角函数间的变换关系，化简并通过三角函数间的变换关系，从而可得到常用的土的极限平衡条件：从而可得到常用的土的极限平衡条件：=245tg2245tg231c=245tg2245tg213cl
20、例题例题土样内摩擦角为土样内摩擦角为 =26，粘聚力为，粘聚力为20kPa，承受大主应力和小主应力分别为承受大主应力和小主应力分别为450kPa和和150kPa，试判断该土样是否达到极限平衡状态？试判断该土样是否达到极限平衡状态？l 解解 已知小主应力，现将其余已知的有关数据代已知小主应力，现将其余已知的有关数据代入到式入到式(6-6)的右侧，得小主应力的计算值为：的右侧，得小主应力的计算值为：l计算结果可以认为的计算值与已知值相等，所以计算结果可以认为的计算值与已知值相等，所以该土样处于极限平衡状态。该土样处于极限平衡状态。kPa5.150tg3220232tg450245tg2245tg2
21、213=cl 对上述问题：内摩擦角为对上述问题：内摩擦角为 =26，粘聚力为粘聚力为20kPa，承受大主应力和小主应承受大主应力和小主应力分别为力分别为450kPa和和150kPal 如果用图解法，则同样会得到摩尔如果用图解法，则同样会得到摩尔应力圆与抗剪强度线相切的结果。应力圆与抗剪强度线相切的结果。l1.1 3时，摩尔圆为一个点；时，摩尔圆为一个点；l2.在在 1逐渐增大的过程中，达到破坏以逐渐增大的过程中，达到破坏以前，土体都处于弹性状态；前，土体都处于弹性状态；l3.K0圆处于弹性状态。当土体处于圆处于弹性状态。当土体处于K0条条件时，如图中的件时，如图中的K0圆，此时的土体处于圆，此
22、时的土体处于弹性平衡状态，不会发生破坏。弹性平衡状态，不会发生破坏。l4.从从K0圆到破坏圆的过程，就是土体剪圆到破坏圆的过程，就是土体剪切破坏的发生过程，是从弹性状态向塑切破坏的发生过程，是从弹性状态向塑性状态发展的过程。在破坏圆上，有两性状态发展的过程。在破坏圆上，有两个特征点，一个的最大剪应力，将每个个特征点，一个的最大剪应力，将每个破坏圆是的最大剪应力点连成破坏圆是的最大剪应力点连成Kf线，线，Kf线不是强度包线。线不是强度包线。l5.一系列破坏圆的公切线才是摩尔强度一系列破坏圆的公切线才是摩尔强度包线，摩尔强度包线的参数才是抗剪强包线，摩尔强度包线的参数才是抗剪强度指标。度指标。l
23、三轴剪力仪由主机、稳压系统和量测系统三轴剪力仪由主机、稳压系统和量测系统三个部分组成。三个部分组成。l 主机包括压力室、周围压力系统和轴向加主机包括压力室、周围压力系统和轴向加压设备。圆柱形的土样用橡皮膜包裹密封后置压设备。圆柱形的土样用橡皮膜包裹密封后置于压力室内，由周围压力系统通过压力水对土于压力室内，由周围压力系统通过压力水对土样施加周围压力样施加周围压力 3，由轴向加压设备通过量力，由轴向加压设备通过量力环、活塞杆对土样施加轴向的偏应力（环、活塞杆对土样施加轴向的偏应力（1-3），），在忽略土样帽与土样之间摩擦力的条件下，周在忽略土样帽与土样之间摩擦力的条件下，周围压力围压力 3即为小
24、主应力，偏应力与周围压力之即为小主应力，偏应力与周围压力之和和 3+(1-3)即为大主应力即为大主应力 1。l 稳压系统包括压力源、调压筒和压稳压系统包括压力源、调压筒和压力表等，用以调节和保持周围压力的稳力表等，用以调节和保持周围压力的稳定，以保证使用结果的准确性。定，以保证使用结果的准确性。l 对于剪切时不排水的试验，采用量对于剪切时不排水的试验，采用量测稳压系统中补充给压力室的水量来测测稳压系统中补充给压力室的水量来测定土样的体积变形，此时稳压系统具有定土样的体积变形，此时稳压系统具有量测的作用，但对压力水去除气泡的要量测的作用，但对压力水去除气泡的要求很高。求很高。l 量测系统用以量测
25、从土样中排出孔量测系统用以量测从土样中排出孔隙水的体积，测定孔隙水压力的变化以隙水的体积，测定孔隙水压力的变化以及对土样施加应力的大小。及对土样施加应力的大小。l 三轴仪的控制系统可以分别控制土三轴仪的控制系统可以分别控制土样在周围压力和偏应力作用时的排水条样在周围压力和偏应力作用时的排水条件，可以克服直剪仪无法控制排水条件件，可以克服直剪仪无法控制排水条件的缺点，因此能够测定在不同固结排水的缺点，因此能够测定在不同固结排水条件下的抗剪强度指标。条件下的抗剪强度指标。l试验方法：试验方法：l不固结不排水剪不固结不排水剪l固结不排水剪固结不排水剪l固结排水剪固结排水剪l分析方法：分析方法：l总应
26、力法总应力法l有效应力法有效应力法试验方法试验方法施加施加周围压力周围压力施加施加偏差压力偏差压力孔隙水压力孔隙水压力不固结不排不固结不排水剪水剪UU关排水阀门关排水阀门 关排水阀门关排水阀门不测孔隙水不测孔隙水压力压力固结不排水固结不排水剪剪CU开排水阀门开排水阀门 关排水阀门关排水阀门测孔隙水压测孔隙水压力力排水剪排水剪CD开排水阀门开排水阀门 开排水阀门开排水阀门保持为零保持为零l 在施加周围压力时关闭排水阀门，在施加周围压力时关闭排水阀门，此时土样内的孔隙水压力等于周围压力，此时土样内的孔隙水压力等于周围压力，随后也在关闭排水阀门的条件下施加偏随后也在关闭排水阀门的条件下施加偏应力，不
27、容许土样中的孔隙水排出，直应力，不容许土样中的孔隙水排出，直至土样剪切破坏，测定的抗剪强度指标至土样剪切破坏，测定的抗剪强度指标用用cu、u 表示，对饱和土表示，对饱和土 u 。l 试验时先对土样施加周围压力并打试验时先对土样施加周围压力并打开排水阀门，在土样排水所过程中可以开排水阀门，在土样排水所过程中可以观察到土样高度逐步减小和土样体积的观察到土样高度逐步减小和土样体积的减小，如果同时量测孔隙水压力则可观减小，如果同时量测孔隙水压力则可观察到孔隙水压力逐步消散。在土样充分察到孔隙水压力逐步消散。在土样充分排水固结以后关闭排水阀门，然后施加排水固结以后关闭排水阀门，然后施加偏应力直至破坏，由
28、于已经关闭了排水偏应力直至破坏，由于已经关闭了排水阀门，在剪切过程中不可能发生排水。阀门，在剪切过程中不可能发生排水。l 固结不排水试验得出的抗剪强度指固结不排水试验得出的抗剪强度指标用标用ccu、cu 表示。表示。l 如果在剪切过程中打开孔隙水压力如果在剪切过程中打开孔隙水压力阀同时测定土样内的孔隙水压力，则可阀同时测定土样内的孔隙水压力，则可得到孔隙水压力与剪切应变的关系曲线，得到孔隙水压力与剪切应变的关系曲线，并可以求得有效内摩擦角并可以求得有效内摩擦角 和有效内聚和有效内聚力力c。l 在施加周围压力和偏应力的全过程在施加周围压力和偏应力的全过程中，土样始终处在排水状态，剪切速率中，土样
29、始终处在排水状态，剪切速率应使孔隙水压力始终处于消散为零的状应使孔隙水压力始终处于消散为零的状态，因此排水阀门和孔隙水压力阀门始态，因此排水阀门和孔隙水压力阀门始终是打开的。所测定的抗剪强度指标用终是打开的。所测定的抗剪强度指标用cd、d 表示，其物理意义就是有效内摩表示，其物理意义就是有效内摩擦角。擦角。l 有有4个土样分别在周围压力为个土样分别在周围压力为50kPa、100kPa、150kPa和和200kPa作用下固结不排水试验，测得剪作用下固结不排水试验，测得剪切破坏时的偏应力如表所示。根据已知的周围压切破坏时的偏应力如表所示。根据已知的周围压力和偏应力，所计算最大主应力以及破坏时摩尔力
30、和偏应力，所计算最大主应力以及破坏时摩尔圆的圆心位置坐标和半径也列于表内：圆的圆心位置坐标和半径也列于表内：表 9 三轴试验结果 /kPa 应力值 编号 1 2 3 4 周围压力 3 50 100 150 200 剪切破坏时的偏应力（1-3）130 220 310 382 剪切破坏时的大主应力 1 180 320 460 582 莫尔圆圆心座标132 115 210 305 391 摩尔圆的半径132 65 110 155 191 l 试验记录的是周围压力，即小主应试验记录的是周围压力，即小主应力力 3和轴向的力，即测力计读数与测力和轴向的力，即测力计读数与测力计率定系数的乘积计率定系数的乘积
31、C R;l 轴向力除以校正后的试样面积，就轴向力除以校正后的试样面积，就得到主应力差得到主应力差 1-3;=10AAa1031=aACRl主应力差除以主应力差除以2就得到破坏应力圆的半径。就得到破坏应力圆的半径。l破坏应力圆的半径破坏应力圆的半径l主应力差加小主应力就得到大主应力主应力差加小主应力就得到大主应力 1。l计算大、小主应力之和的一半，就得到破计算大、小主应力之和的一半，就得到破坏应力圆的圆心坐标值坏应力圆的圆心坐标值l已知圆心坐标和半径，就可以画破坏应力已知圆心坐标和半径，就可以画破坏应力圆。圆。231231l试样固结后的高度试样固结后的高度l试样固结后的面积试样固结后的面积l试样
32、面积校正试样面积校正31001=VVhhc32001=VVAAc11=caAAchh=1 231231轴向应变轴向应变圆心坐标圆心坐标莫尔圆半径莫尔圆半径l有效应力有效应力l孔隙水压力对强度的影响孔隙水压力对强度的影响l用有效应力表示的强度用有效应力表示的强度fcu tg=fctg=u=l有效应力圆的圆心坐标与半径的计算公有效应力圆的圆心坐标与半径的计算公式表明，有效应力圆的圆心与总应力圆式表明，有效应力圆的圆心与总应力圆的圆心之差为破坏时的孔隙水压力，有的圆心之差为破坏时的孔隙水压力，有效应力圆的半径与总应力圆相同。效应力圆的半径与总应力圆相同。131313222=uuufff1313132
33、22=uuffl有效大主应力有效大主应力l有效小主应力有效小主应力u=11 u=33 l有效主应力比有效主应力比l初始孔隙水压力系数初始孔隙水压力系数l破坏时孔隙水压力系数破坏时孔隙水压力系数331311=30uB=)(31=BuAff l有效内摩擦角有效内摩擦角l有效内聚力有效内聚力tansin1=cosdc l以主应力差的峰值作为破坏点以主应力差的峰值作为破坏点l以有效主应力比的峰值作为破坏点以有效主应力比的峰值作为破坏点l以有效应力路径的密集点为破坏点以有效应力路径的密集点为破坏点l以轴向应变以轴向应变15时的主应力差为破坏点时的主应力差为破坏点l 不固结不排水强度是天然强度，不不固结不
34、排水强度是天然强度，不是强度指标；是强度指标；l 不固结不排水强度是总强度，反映不固结不排水强度是总强度，反映了某种状态的结果；了某种状态的结果；l 无法反映土的抗剪强度随法向应力无法反映土的抗剪强度随法向应力变化的规律；变化的规律；l 如何提供土层的代表性数值？如何提供土层的代表性数值？l不固结不不固结不排水强度排水强度随深度增随深度增长，不能长，不能提供平均提供平均值。值。cuz l用以计算地基承载力，不能反映基础埋置用以计算地基承载力，不能反映基础埋置深度对承载力的影响；深度对承载力的影响；l用以计算土压力，不能反映实际的情况。用以计算土压力，不能反映实际的情况。固结不排水剪固结不排水剪
35、不固结不排水剪不固结不排水剪l相当于周围压力为零的三轴不固结不排相当于周围压力为零的三轴不固结不排水剪试验。水剪试验。l灵敏度灵敏度2uuqC=uutqqS=l1.计算大主应力；计算大主应力；l2.计算有效的大、小主应力；计算有效的大、小主应力；l3.分别计算总应力圆和有效应力圆的半径分别计算总应力圆和有效应力圆的半径和圆心坐标。和圆心坐标。表 10 三轴试验（测孔隙水压力）资料 /kPa 土样编号 1 2 3 土样编号 1 2 3 3 50 100 150 uf 23 40 67 13f 92 120 164 3=3 uf 27 60 83 1 142 220 314 1=1 uf 119
36、180 247 132 96 160 232 132 73 120 165 132 46 60 82 132 46 60 82 表 11 三轴试验资料分析结果 粘聚力 /kPa 内摩擦角 /总应力强度指标 ccu=10 cu=18 有效应力强度指标 c=6 =27 抗剪强度指标的选取 规范 仪器 试验方法 指标处理方法 建筑地基基础设计规范 三轴 不固结不排水 c、分别取标准值 港口工程地基规范 持久情况 短暂情况 直剪 三轴 固结快剪 不固结不排水 考虑 c、负相关的简化相关法取平均值和标准差 上海地基基础设计规范 直剪 固结快剪 峰值打七折 c、分别取平均值 l地基规范已经废除了直剪试验地
37、基规范已经废除了直剪试验l勘察规范仍可有条件地使用勘察规范仍可有条件地使用l三次规范修订时对直剪和三轴的说法三次规范修订时对直剪和三轴的说法l我国面前大面积推广三轴的条件我国面前大面积推广三轴的条件l如何实现用三轴试验完成剪切试验？如何实现用三轴试验完成剪切试验？l仪器条件配备一定数量的设备仪器条件配备一定数量的设备l技术和人员具有一支技术队伍技术和人员具有一支技术队伍l技术要求少而精技术要求少而精l1.我们这里做三轴不固结不排水试验都是先让试样饱和，然后再进行试验，结果是硬塑至坚硬的土，其抗剪强度也很低（内聚力c小于30kPa，内摩擦角小于10度）。不知道是否合理。l2.建筑地基基础设计规范
38、GB50007-2002要求土的剪切指标用三轴压缩试验中的不固结不排水试验确定，对于非饱和土，在试验前先进行饱和再试验，其试验结果还能代表实际地层的力学性质吗？l3.不饱和的土比如黄土又如何确定内聚力c 和 内摩擦角 呢？l l 自然界的土不全部都是饱和土，但传统自然界的土不全部都是饱和土，但传统的土力学却是在饱和土的基础上发展起的土力学却是在饱和土的基础上发展起来的，非饱和土的土力学还处在发展阶来的，非饱和土的土力学还处在发展阶段，非饱和土的试验比饱和土更为复杂。段，非饱和土的试验比饱和土更为复杂。由于理解上的误区和一些规范的规定不由于理解上的误区和一些规范的规定不合适，引起了人们认识上的混
39、乱，用饱合适，引起了人们认识上的混乱，用饱和土的试验方法来测定非饱和土的抗剪和土的试验方法来测定非饱和土的抗剪强度，这怎么能够得到符合实际的指标强度，这怎么能够得到符合实际的指标呢？呢？bfwafaffuuuctan)(tan)(=式中 c有效粘聚力；fafu)(破坏面上的净法向应力；afu破坏面上的孔隙气压力；与净法向应力状态有关的内摩擦角；fwauu)(破坏面上的基质吸力；b表示抗剪强度随基质吸力而增加的速率。l 当土接近饱和时，基质吸力趋向于当土接近饱和时，基质吸力趋向于零，孔隙水压力接近于孔隙气压力，上零，孔隙水压力接近于孔隙气压力，上式中的第式中的第3项趋于零，就变为饱和土的抗项趋于
40、零，就变为饱和土的抗剪强度公式。剪强度公式。l 如果要得到上述公式中的如果要得到上述公式中的3个抗剪强个抗剪强度的参数，试验时不仅需要量测孔隙水度的参数，试验时不仅需要量测孔隙水压力，而且还需要量测孔隙气压力，这压力，而且还需要量测孔隙气压力，这在一般的常规三轴仪上是无法进行试验在一般的常规三轴仪上是无法进行试验的，必须配备特殊的量测孔隙气压力的的，必须配备特殊的量测孔隙气压力的设备。设备。l量测的关键装置是高进气值陶瓷板，它具有许量测的关键装置是高进气值陶瓷板，它具有许多均匀小孔，能够在空气和水之间起隔膜作用。多均匀小孔，能够在空气和水之间起隔膜作用。陶瓷板用高岭土焙烧制成，一旦充水饱和，由
41、陶瓷板用高岭土焙烧制成，一旦充水饱和，由于收缩膜的阻挡，空气就不能通过陶瓷板。陶于收缩膜的阻挡，空气就不能通过陶瓷板。陶瓷板所以能够阻挡空气通过是因为收缩膜产生瓷板所以能够阻挡空气通过是因为收缩膜产生表面张力。收缩膜上方的空气压力与收缩膜下表面张力。收缩膜上方的空气压力与收缩膜下面的水压之间的差值定义为基质吸力。陶瓷板面的水压之间的差值定义为基质吸力。陶瓷板能够保持的最大基质吸力值称为它的进气值，能够保持的最大基质吸力值称为它的进气值，进气值的大小与板的孔径成反比。按照试验的进气值的大小与板的孔径成反比。按照试验的要求，可以选用不同进气值规格的陶瓷板，在要求，可以选用不同进气值规格的陶瓷板，在
42、国外这种陶瓷板都有专门的生产。国外这种陶瓷板都有专门的生产。l进行非饱和土试验时，如果孔隙水压力进行非饱和土试验时，如果孔隙水压力接近接近1大气压，将会遇到困难。此时，大气压，将会遇到困难。此时，水将出现水蚀现象，使量测系统中充满水将出现水蚀现象，使量测系统中充满气体，量测系统中的水会被迫进入土中。气体，量测系统中的水会被迫进入土中。为了避免出现这种情况，通常采用轴平为了避免出现这种情况，通常采用轴平移技术，将基准压力平移，使孔隙水压移技术，将基准压力平移，使孔隙水压力能以正的空气压力作为量测基准。图力能以正的空气压力作为量测基准。图 是采用轴平移技术在非饱和土试样中量是采用轴平移技术在非饱和
43、土试样中量测孔隙水压力的示意图。测孔隙水压力的示意图。l轴平移轴平移202kPal空气通过高进气空气通过高进气值陶瓷板面扩散值陶瓷板面扩散l非饱和土的三轴试验分为固结排水试验、非饱和土的三轴试验分为固结排水试验、常含水量试验、固结不排水试验、不排常含水量试验、固结不排水试验、不排水试验和无侧限试验等五种不同的试验，水试验和无侧限试验等五种不同的试验，试验中是否排水和控制与量测的项目见试验中是否排水和控制与量测的项目见表。有些试验的名称虽然和饱和土的试表。有些试验的名称虽然和饱和土的试验名称一样，但是实际发生的物理过程验名称一样，但是实际发生的物理过程是不同的，例如非饱和土固结的过程与是不同的，
44、例如非饱和土固结的过程与饱和土不同，它包括了孔隙水与孔隙气饱和土不同，它包括了孔隙水与孔隙气的外排，也包括气体部分的溶解与水或的外排，也包括气体部分的溶解与水或者水中气泡的逸出。者水中气泡的逸出。非饱和土的各种三轴试验 外排 剪切过程 试验方法 剪切前是否固结 孔隙气 孔隙水 孔隙气压力 ua 孔隙水压力 uw 土体积变化V 固结排水 CD 是 是 是 控制 控制 量测 常含水量 CW 是 是 否 控制 量测 量测 固结不排水 CU 是 否 否 量测 量测 不排水 UU 否 否 否 无侧限 UC 否 否 否 l工程中的抗剪强度问题工程中的抗剪强度问题l地基承载力问题地基承载力问题l土压力问题土
45、压力问题l路堤的稳定性路堤的稳定性l建筑物对地基施加荷载后，地基产生滑建筑物对地基施加荷载后，地基产生滑动的趋势，在滑动面上由土的抗剪强度动的趋势，在滑动面上由土的抗剪强度抵抗外荷载引起的应力。抵抗外荷载引起的应力。l地基承载力计算公式分为两类，一类是地基承载力计算公式分为两类，一类是地基极限承载力公式：地基极限承载力公式：l式中式中 N、Nq、Nc为承载力系数，都是土为承载力系数，都是土的内摩擦角的函数；的内摩擦角的函数；lc 为土的的粘聚力。为土的的粘聚力。cqucNDNNBf=021l三个承载力系数都是内摩擦角的函数三个承载力系数都是内摩擦角的函数ctgtgeNtgc=1242=1242
46、42tgetgNtg=242tgeNtgq l软土不固结不排水剪软土不固结不排水剪l 0l极限承载力极限承载力Nc5.14l Nq 1.0l N 0l另一类是容许承载力公式，如建筑地另一类是容许承载力公式，如建筑地基基础设计规范所采用的公式。基基础设计规范所采用的公式。cqcNDNBNp=41=24ctgN 22=ctgctgNq 2=ctgctgNc dcNbdlbpcu02.012.01=国外三个实例的资料 工 程 基础尺寸 m2 埋 深 m 破坏时净载 kPa 计算极限荷载 kPa 谷仓 A 2359 3.6 246.6 189.7270.8 油罐 直径 25 112 118 谷仓 B
47、15.665.4 1.8 227.5 249.1 l三个典型的工程资料三个典型的工程资料上海地区的资料 工 程 基础尺寸 m2 埋 深 m 基底压力 kPa 计算极限荷载 kPa 配煤房 10.746.5 1.5 119 122 堆载试验 2030 0 150 183 上海展览馆 46.446.5 0.5 130 205 注：由于荷载的面积比较大，极限荷载都按下卧层的不排水强度指标计算 l上海焦化厂配煤房上海焦化厂配煤房 l焦化厂配煤房由图所示的焦化厂配煤房由图所示的5个圆形的个圆形的钢筋混凝土储煤筒仓组成，储煤筒钢筋混凝土储煤筒仓组成，储煤筒仓直径仓直径8m，高高31m，并排置于带肋并排置于
48、带肋的钢筋混凝土筏板基础上，基础面的钢筋混凝土筏板基础上，基础面积为积为46.5m10.76m，基础板厚度为基础板厚度为30cm，埋置深度埋置深度1.5m。l储煤筒仓的结构自重为储煤筒仓的结构自重为38000kN，可可装煤装煤21500kN。结构自重产生的基础结构自重产生的基础底面压力为底面压力为76kPa，总荷载（结构自总荷载（结构自重加储煤重量）产生的基础底面压重加储煤重量）产生的基础底面压力为力为119kPa。淤泥质粘土的抗剪强度指标 强度指标 试验方法 ()c(kPa)直剪固结快剪试验 13 12 三轴不固结不排水剪试验 0 20 原位十字板剪切试验 0 22 l 配煤房在上部结构竣工
49、前后配煤房在上部结构竣工前后3个月内的平个月内的平均沉降为均沉降为47mm，沉降速率为沉降速率为0.5mm/d，已发已发现沉降稍有不均匀，南侧沉降较大，整体倾斜现沉降稍有不均匀，南侧沉降较大，整体倾斜仅为仅为2.7。l 竣工后竣工后6个月投入生产时，在个月投入生产时，在5天内将天内将5个个储煤筒仓全部装满煤，荷载突然增加了储煤筒仓全部装满煤，荷载突然增加了21500kN，平均加荷速率为平均加荷速率为4300kN/d，基础底基础底面压力的增长速率为面压力的增长速率为8.6 kPa/d。此时发现沉降此时发现沉降速率迅速加快，加煤停止时，基础南边的沉降速率迅速加快，加煤停止时，基础南边的沉降速率为速
50、率为10mm/d，北边为北边为8mm/d；停止加煤后停止加煤后4天时沉降速率增大至最大值，南边达天时沉降速率增大至最大值，南边达45mm/d，北边为北边为27mm/d。l 由于南北两侧的沉降不均匀，配煤由于南北两侧的沉降不均匀，配煤房出现了明显的倾斜，实测倾斜的发展房出现了明显的倾斜，实测倾斜的发展过程曲线见图过程曲线见图3-22。最大的倾斜达到。最大的倾斜达到24，储煤筒仓的重心明显偏离基础形，储煤筒仓的重心明显偏离基础形心，不利于建筑物的稳定，于是决定采心，不利于建筑物的稳定，于是决定采取工程措施进行纠偏。取工程措施进行纠偏。l 在配煤房的北侧堆放钢锭在配煤房的北侧堆放钢锭30000kN，
