基礎(chǔ)土的抗剪強度測定方法-2

基礎(chǔ)土的抗剪強度1第一頁，共七十六頁。土的抗剪強度第1節(jié)

概述第2節(jié)

庫倫公式和莫爾-庫倫強度理論第3節(jié)

抗剪強度的測定方法第4節(jié)

飽和粘性土的抗剪強度第5節(jié)

無粘性土的抗剪強度2第二頁，共七十六頁。第1節(jié)

概述土的抗剪強度是土體抵抗剪切破壞的極限能力。土的抗剪強度對地基承載力、擋土墻土壓力和土坡穩(wěn)定等問題產(chǎn)生直接影響。3第三頁，共七十六頁。土的抗剪強度一般可分為兩部分：一部分與顆粒間的法向應(yīng)力有關(guān)，通常呈正比例關(guān)系，其本質(zhì)是摩擦力；另一部分是與法向應(yīng)力無關(guān)的土粒之間的粘結(jié)力，通常稱為粘聚力。4第四頁，共七十六頁。第2節(jié)庫倫公式和莫爾-庫倫強度理論一、庫倫公式5第五頁，共七十六頁。c和

稱為抗剪強度指標(biāo)。影響因素的抗剪強度的外在因素：試驗時的排水條件等因素顆粒間的有效法向應(yīng)力內(nèi)在因素土的孔隙比6第六頁，共七十六頁?？倯?yīng)力法：總應(yīng)力強度指標(biāo)表達(dá)方法土的抗剪強度的有效應(yīng)力法：有效應(yīng)力強度指標(biāo)7第七頁，共七十六頁。二、莫爾-庫倫強度理論莫爾提出：材料的破壞為剪切破壞，當(dāng)任一平面上的剪應(yīng)力等于材料的抗剪強度時該點就發(fā)生破壞，破壞面上的剪應(yīng)力f是該面上法向應(yīng)力

的函數(shù)此函數(shù)在

f-坐標(biāo)中是一條曲線，稱為莫爾包線（抗剪強度包線）,如下圖實線所示。8第八頁，共七十六頁。莫爾包線莫爾包線表示材料在不同應(yīng)力作用下達(dá)到極限狀態(tài)時，滑動面上法向應(yīng)力

與剪應(yīng)力

f

的關(guān)系。9第九頁，共七十六頁。理論分析和實踐都證明，莫爾理論對土比較合適，土的莫爾包線通常可以近似地用直線代替（如上圖的虛線所示），該直線的方程就是庫倫公式表示的方程。用庫倫公式表示莫爾包線的強度理論稱為莫爾-庫倫強度理論。當(dāng)土體中任意一點在某一平面上的剪應(yīng)力達(dá)到土的抗剪強度時，就發(fā)生剪切破壞。10第十頁，共七十六頁。0A莫爾圓可以表示土體中一點的應(yīng)力狀態(tài)，莫爾圓圓周上各點的坐標(biāo)就表示該點在相應(yīng)平面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力。11第十一頁，共七十六頁。如果給定了土的抗剪強度指標(biāo)c和以及土中某點的應(yīng)力狀態(tài)，則可將抗剪強度包線與莫爾應(yīng)力圓畫在同一張坐標(biāo)圖上，抗剪強度包線與莫爾應(yīng)力圓的關(guān)系可能有：1.整個莫爾圓位于抗剪強度包線的下方。說明該點在任何平面上的剪應(yīng)力都小于土的抗剪強度，所以不會發(fā)生剪切破壞；12第十二頁，共七十六頁。2.莫爾圓與抗剪強度包線相切，切點為A。說明在A點所代表的平面上，剪應(yīng)力正好達(dá)到抗剪強度，該點就處于極限平衡狀態(tài)。這時的莫爾圓稱為極限應(yīng)力圓。3.抗剪強度包線是莫爾圓的一條割線，實際上這種情況是不可能出現(xiàn)的，因為該點任何方向上的剪應(yīng)力都不可能超過土的抗剪強度。因為土的抗剪強度是土體抵抗剪切破壞的極限能力。13第十三頁，共七十六頁。A

c0莫爾圓與抗剪強度之間的關(guān)系14第十四頁，共七十六頁。由極限應(yīng)力圓當(dāng)中的幾何關(guān)系，可以推導(dǎo)得出：1.粘性土的極限平衡條件為15第十五頁，共七十六頁。2.無粘性土的極限平衡條件為16第十六頁，共七十六頁。3.破壞面與大主應(yīng)力面的夾角為。17第十七頁，共七十六頁。第3節(jié)抗剪強度的測定方法測定土抗剪強度測定土的抗剪強度的方法有多種。直接剪切試驗的室內(nèi)方法

三軸壓縮試驗無側(cè)限抗壓強度試驗18第十八頁，共七十六頁。一、直接剪切試驗應(yīng)變控制式直剪儀的試驗原理：對同一種土至少取4個平行試樣，分別在不同垂直壓力

下剪切破壞，將試驗結(jié)果繪制抗剪強度f與相應(yīng)垂直壓力

的關(guān)系圖。試驗結(jié)果表明，對于f粘性土

~

基本上呈直線關(guān)系，直線方程可用庫倫公式表示；對于無粘性土，

f

~的直線。則是通過原點19第十九頁，共七十六頁。構(gòu)造簡單直接剪切儀的優(yōu)點操作方便限定剪切面不一定是最薄弱面剪切面上剪應(yīng)力分布不均勻的缺點直接剪切儀剪切面在剪切過程中是逐漸縮小的不能嚴(yán)格控制排水條件，不能量測孔隙水壓力20第二十頁，共七十六頁。二、三軸壓縮試驗三軸壓縮儀的試驗原理：對同一種土至少取3個平行試樣，分別在不同周圍壓力

3下剪切破壞，將試驗結(jié)果繪制為若干個極限應(yīng)力圓。根據(jù)莫爾-庫倫理論，這一組極限應(yīng)力圓的公共切線即為土的抗剪強度包線，可近似取為一條直線，直線的方程即為庫倫公式所表示的方程。21第二十一頁，共七十六頁。c0三軸壓縮試驗原理22第二十二頁，共七十六頁。的優(yōu)點三軸壓縮儀能較嚴(yán)格地控制排水條件能量測試樣中孔隙水壓力的變化剪切破壞面為最薄弱面試驗設(shè)備、試驗過程相對復(fù)雜的缺點三軸壓縮儀試樣的受力狀態(tài)為軸對稱情況，與實際土體的受力狀態(tài)未必相符23第二十三頁，共七十六頁。直接剪切試驗和三軸壓縮試驗按剪切前的固結(jié)程度和剪切時的排水條件，可以分為三種試驗方法：

1.不固結(jié)不排水試驗；固結(jié)不排水試驗；固結(jié)排水試驗；24第二十四頁，共七十六頁。三、無側(cè)限抗壓強度試驗無側(cè)限抗壓強度試驗可以看作圍壓

3=0的三軸不排水剪切試驗，試件剪切破壞時試樣所能承受的最大軸向壓力qu稱為無側(cè)限抗壓強度。根據(jù)試驗結(jié)果，只能作一個極限應(yīng)力圓（

1=

qu

、

3=0），對于一般粘性土就無法作出破壞包線。25第二十五頁，共七十六頁。而對于飽和粘性土，根據(jù)三軸不固結(jié)不排水試驗的結(jié)果，其破壞包線接近于一條水平線，即u=0。如僅需測定飽和粘性土的不排水抗剪強度，就可以利用比較簡單的無側(cè)限抗壓強度試驗代替三軸試驗。26第二十六頁，共七十六頁。cu0qu無側(cè)限抗壓強度試驗27第二十七頁，共七十六頁。無側(cè)限抗壓強度試驗所得的極限應(yīng)力圓的水平切線就是破壞包線。28第二十八頁，共七十六頁。第4節(jié)

飽和粘性土的抗剪強度一、不固結(jié)不排水抗剪強度不固結(jié)不排水試驗（UU試驗）是在施加周圍壓力時不排水（不固結(jié)），且在施加軸向壓力直至剪切破壞的整個試驗過程中也不允許排水（不排水）。29第二十九頁，共七十六頁。如果有一組飽和粘性土試件，都先在某一周圍壓力下固結(jié)至穩(wěn)定，試件中的初始孔隙水壓力為零，然后分別在不排水條件下施加周圍壓力和軸向壓力直至剪切破壞。試驗結(jié)果見下圖。30第三十頁，共七十六頁。cu0飽和粘性土的不固結(jié)不排水試驗31第三十一頁，共七十六頁。圖中三個實線圓分別表示三個試件在不同的圍壓作用下破壞時的總應(yīng)力圓，虛線表示有效應(yīng)力圓。試驗結(jié)果表明，雖然三個試件的圍壓不同，但破壞時的主應(yīng)力差相等，所以三個總應(yīng)力圓的直徑相同，所以破壞包線是一條水平線，可得32第三十二頁，共七十六頁。由于在不排水條件下，試樣在試驗過程中含水量不變，體積不變，改變周圍壓力增量只能引起孔隙水壓力的變化，并不會改變試樣中的有效應(yīng)力，各試件在剪切前的有效應(yīng)力相等，因此抗剪強度不變。如果在較高的剪前固結(jié)壓力下進(jìn)行不固結(jié)不排水試驗，就會得到較大的不排水抗剪強度。33第三十三頁，共七十六頁。由于只能得到一個有效應(yīng)力圓，所以不能得到有效應(yīng)力破壞包線，不固結(jié)不排水試驗只用于測定飽和土的不排水強度，所以可以用無側(cè)限抗壓強度試驗代替三軸壓縮試驗來測定飽和土的不排水抗剪強度。34第三十四頁，共七十六頁。不固結(jié)不排水試驗的“不固結(jié)”是在保持試樣原來有效應(yīng)力不變的情況下，在三軸壓力室的周圍壓力下不再排水固結(jié)。如果飽和粘性土從未固結(jié)過，則其中的有效應(yīng)力為零（先期固結(jié)壓力也為零），表現(xiàn)為一種泥漿狀土，其抗剪強度必然也等于零。35第三十五頁，共七十六頁。二、固結(jié)不排水抗剪強度固結(jié)不排水試驗（CU試驗）是在施加周圍壓力時充分排水（固結(jié)），而在施加軸向壓力直至剪切破壞的整個試驗過程中不允許排水（不排水）。飽和粘性土的固結(jié)不排水抗剪強度受應(yīng)力歷史的影響，所以首先要區(qū)分試樣是處于什么樣的固結(jié)狀態(tài)。36第三十六頁，共七十六頁。如果試樣所受到的周圍固結(jié)壓力

3大于它所曾受到的最大固結(jié)壓力pc（先期固結(jié)壓力），則稱試樣處于正常固結(jié)狀態(tài)；而如果

3

<

pc

，則稱試樣處于超固結(jié)狀態(tài)。不同固結(jié)狀態(tài)的試樣，其抗剪強度性狀是不同的。37第三十七頁，共七十六頁。正常固結(jié)狀態(tài)的試樣在剪切過程中體積有減小的趨勢（剪縮），但由于不允許排水，故產(chǎn)生正的孔隙水壓力；而強超固結(jié)狀態(tài)的試樣在剪切過程中，先表現(xiàn)為剪縮（產(chǎn)生正的孔隙水壓力），然后轉(zhuǎn)為剪脹（產(chǎn)生負(fù)的孔隙水壓力）。38第三十八頁，共七十六頁。東南大學(xué)遠(yuǎn)程教育基礎(chǔ)工程第十二講主講教師

童小東39第三十九頁，共七十六頁。1.正常固結(jié)狀態(tài)的土樣下圖表示正常固結(jié)狀態(tài)的飽和粘性土的固結(jié)不排水試驗結(jié)果，圖中用實線

表示的為總應(yīng)力圓和總應(yīng)力破壞包線，用虛線表示的為有效應(yīng)力圓和有效應(yīng)力破壞包線，uf為剪切破壞時的孔隙水壓力。因為剪切過程中不排水，根據(jù)有效應(yīng)力原理可知，有效應(yīng)力圓與總應(yīng)力圓直徑相等，位置不同。40第四十頁，共七十六頁。0正常固結(jié)狀態(tài)飽和粘性土固結(jié)不排水試驗結(jié)果41第四十一頁，共七十六頁。因為正常固結(jié)狀態(tài)的試樣在剪切破壞時產(chǎn)生正的孔隙水壓力，故有效應(yīng)力圓在總應(yīng)力圓的左邊?？倯?yīng)力破壞包線和有效應(yīng)力破壞包線都通過原點，說明固結(jié)壓力為零的土不會具有抗剪強度。42第四十二頁，共七十六頁。2.超固結(jié)狀態(tài)的土樣超固結(jié)狀態(tài)的飽和粘性土的固結(jié)不排水剪切試驗得到的總應(yīng)力破壞包線如下圖所示，是一條略平緩的曲線，可近似以直線ab代替，與正常固結(jié)狀態(tài)土的固結(jié)不排水破壞包線bc相交，bc的延長線通過原點。實用上將abc折線取為一條直線。43第四十三頁，共七十六頁。ccu0超固結(jié)狀態(tài)土的固結(jié)不排水試驗abc超固結(jié)狀態(tài)正常固結(jié)狀態(tài)44第四十四頁，共七十六頁。有效應(yīng)力圓和有效應(yīng)力破壞包線如下圖中虛線所示。由于超固結(jié)狀態(tài)的土樣在剪切破壞時，產(chǎn)生負(fù)的孔隙水壓力，有效應(yīng)力圓在總應(yīng)力圓的右邊；正常固結(jié)狀態(tài)的土樣在剪切破壞時，產(chǎn)生正的孔隙水壓力，故有效應(yīng)力圓在總應(yīng)力圓的左邊。45第四十五頁，共七十六頁。0超固結(jié)狀態(tài)土的固結(jié)不排水試驗超固結(jié)狀態(tài)正常固結(jié)狀態(tài)46第四十六頁，共七十六頁。三、固結(jié)排水抗剪強度固結(jié)排水試驗（CD試驗）是在施加周圍壓力時充分排水（固結(jié)），而在施加軸向壓力直至剪切破壞的整個試驗過程中允許排水（排水）。所以在整個試驗過程中，土樣中的孔隙水壓力始終為零，總應(yīng)力最后完全轉(zhuǎn)化為有效應(yīng)力，所以總應(yīng)力圓就是有效應(yīng)力圓，總應(yīng)力破壞包線就是有效應(yīng)力破壞包線。47第四十七頁，共七十六頁。0正常固結(jié)狀態(tài)土的固結(jié)排水試驗其破壞包線通過原點。正常固結(jié)狀態(tài)的土，48第四十八頁，共七十六頁。0超固結(jié)狀態(tài)土的固結(jié)排水試驗超固結(jié)狀態(tài)正常固結(jié)狀態(tài)取為一條直線。包線略彎曲，實用上近似超固結(jié)狀態(tài)的土，其破壞49第四十九頁，共七十六頁。試驗結(jié)果表明，對于同一種土，固結(jié)排水試驗得到的cd、d與固結(jié)不排水試驗得到的c"、"很接近，由于固結(jié)排水試驗所需的時間太長，故實用上用c"、"代替cd、

d

。50第五十頁，共七十六頁。對同一種飽和粘性土，分別在三種不同的排水條件下進(jìn)行剪切試驗。如果用總應(yīng)力表示，將得到完全不同的試驗結(jié)果，而以有效應(yīng)力表示，則不論采用哪種試驗方法，都得到近乎同一條有效應(yīng)力破壞包線。所以說，抗剪強度與總應(yīng)力沒有唯一的對應(yīng)關(guān)系，而與有效應(yīng)力有唯一的對應(yīng)關(guān)系。51第五十一頁，共七十六頁。0正常固結(jié)狀態(tài)飽和粘性土在三種不同不排水條件下的剪切試驗結(jié)果52第五十二頁，共七十六頁。四、抗剪強度指標(biāo)的選擇飽和粘性土的抗剪強度性狀是很復(fù)雜的，它不僅與剪切條件有關(guān)，還與土的應(yīng)力歷史等因素有關(guān)。由于實際工程條件的復(fù)雜性，用實驗室的試驗條件去完全模擬現(xiàn)場條件是不可能的。所以針對具體的工程問題，確定土的抗剪強度指標(biāo)的方法只能是盡可能地模擬實際工況來進(jìn)行試驗。53第五十三頁，共七十六頁。一般認(rèn)為：由三軸固結(jié)不排水試驗確定的有效應(yīng)力強度指標(biāo)c"、"宜用于分析地基的長期穩(wěn)定性；而對于飽和軟粘土地基的短期穩(wěn)定問題，則宜采用不固結(jié)不排水試驗的強度指標(biāo)，以總應(yīng)力法進(jìn)行分析。54第五十四頁，共七十六頁。對于一般的工程問題多采用總應(yīng)力分析法，其指標(biāo)

和測試方法的選擇原則如下：1.若建筑物施工速度較快，而地基土的透水性和排水條件不良時，可采用三軸不固結(jié)不排水試驗或直剪的快剪試驗結(jié)果；2.若地基上荷載的增加速率較慢，而地基土的透水性較高且排水條件較佳時，則可以采用固結(jié)排水或慢剪試驗的結(jié)果；55第五十五頁，共七十六頁。3.若實際工況介于上兩種情況之間，可用固結(jié)不排水或固結(jié)快剪的試驗結(jié)果；4.由于實際加荷條件和土性的復(fù)雜性，而且在建筑物的施工和使用過程中都要經(jīng)歷不同的固結(jié)狀態(tài)，因此，確定強度指標(biāo)還應(yīng)結(jié)合工程經(jīng)驗。56第五十六頁，共七十六頁。東南大學(xué)遠(yuǎn)程教育基礎(chǔ)工程第十三講主講教師

童小東57第五十七頁，共七十六頁。第5節(jié)

無粘性土的抗剪強度不同初始孔隙比e0的同一種砂土在相同的周圍壓力

3下受剪，其應(yīng)力~應(yīng)變關(guān)系表明：1.密實的緊砂，其初始孔隙比較小，應(yīng)力~應(yīng)變關(guān)系具有明顯的峰值，超過峰值后，隨應(yīng)變的增加，應(yīng)力逐步降低，呈應(yīng)變軟化型，體積變化主要表現(xiàn)為剪脹。58第五十八頁，共七十六頁。2.松砂的應(yīng)力~應(yīng)變關(guān)系呈應(yīng)變硬化型，對同一種土，緊砂和松砂的強度最終趨向同一值。松砂受剪其體積減?。艨s）。3.在高周圍壓力下，不論砂土的松緊如何，受剪時都將剪縮。59第五十九頁，共七十六頁。1-30砂土受剪時的應(yīng)力~應(yīng)變關(guān)系緊砂松砂60第六十頁，共七十六頁。由不同初始孔隙比e0的試樣在同一壓力

3下進(jìn)行剪切試驗，可以得出初始孔隙比e0與體積變化之間的關(guān)系，相應(yīng)于體積變化為零的初始孔隙比稱為臨界孔隙比ecv。臨界孔隙比是與側(cè)壓力（圍壓）3有關(guān)的，不同的

3可以得出不同的ecv

。61第六十一頁，共七十六頁。0e02-2ecv砂土的臨界孔隙比62第六十二頁，共七十六頁。若飽和砂土的初始孔隙比e0大于臨界孔隙比ecv，在剪應(yīng)力作用下由于剪縮必然使孔隙水壓力增高，有效應(yīng)力相應(yīng)降低，導(dǎo)致砂土的抗剪強度降低。63第六十三頁，共七十六頁。當(dāng)飽和松砂受到動荷載作用，由于孔隙水來不及排出，孔隙水壓力不斷增加，就有可能造成土體結(jié)構(gòu)的破壞，有效應(yīng)力降低為零，使得砂土象流體那樣完全失去抗剪強度，這種現(xiàn)象稱為砂土的液化。臨界孔隙比ecv對研究砂土液化具有重要意義。64第六十四頁，共七十六頁。1狀.p態(tài)12土4：的倒數(shù)第9行“常固結(jié)不排水強度...”2.p12過5：第11行“…有效應(yīng)力破壞包線都通原點”3可以得出不同的eev值。”文中其余地方作相應(yīng)替換。3.p13e0：第11行“不同的cv第4章

內(nèi)容勘誤65第六十五頁，共七十六頁。4.p127：例題3-1。由例題的已知條件知只對一個飽和粘性土試樣進(jìn)行了固結(jié)不排水試驗，所以只能得到一個總應(yīng)力表示的極限應(yīng)力圓和一個有效應(yīng)力表示的極限應(yīng)力圓。例題中說“整理試驗結(jié)果得到…”，由于試樣土處于超固結(jié)狀態(tài)（由知），所以僅由一個有效應(yīng)力表示的極限應(yīng)力圓是無法得到有效應(yīng)力破壞包線的。66第六十六頁，共七十六頁。因此有效應(yīng)力強度參數(shù)

、根本無法從一個試樣的試驗結(jié)果的整理得到。（本人認(rèn)為：例題的出題內(nèi)容的描述有問題）67第六十七頁，共七十六頁。解題的過程存在概念問題。我們在前面已經(jīng)了解到，同樣一個固結(jié)不排水的試驗結(jié)果，分別用總應(yīng)力和有效應(yīng)力來表述，得到的強度指標(biāo)是不同的。而例題的解答過程中，應(yīng)力采用總應(yīng)力，卻使用有效應(yīng)力的強度指標(biāo)來計算，是一種概念的混淆。由于本題已知的條件僅為有效應(yīng)力強度指標(biāo)，所以本題的解答，應(yīng)力只能采用有效應(yīng)力，然后應(yīng)用有效應(yīng)力原理得到總應(yīng)力的解答。所以本例題的完整過程如下：68第六十八頁，共七十六頁?！纠}3-1】一組飽和粘性土試樣在三軸儀中進(jìn)行固結(jié)不排水試驗，整理試驗結(jié)果得有效內(nèi)摩擦角