基础土的抗剪强度测定方法-2

基础土的抗剪强度1第一页，共七十六页。土的抗剪强度第1节

概述第2节

库伦公式和莫尔-库伦强度理论第3节

抗剪强度的测定方法第4节

饱和粘性土的抗剪强度第5节

无粘性土的抗剪强度2第二页，共七十六页。第1节

概述土的抗剪强度是土体抵抗剪切破坏的极限能力。土的抗剪强度对地基承载力、挡土墙土压力和土坡稳定等问题产生直接影响。3第三页，共七十六页。土的抗剪强度一般可分为两部分：一部分与颗粒间的法向应力有关，通常呈正比例关系，其本质是摩擦力；另一部分是与法向应力无关的土粒之间的粘结力，通常称为粘聚力。4第四页，共七十六页。第2节库伦公式和莫尔-库伦强度理论一、库伦公式5第五页，共七十六页。c和

称为抗剪强度指标。影响因素的抗剪强度的外在因素：试验时的排水条件等因素颗粒间的有效法向应力内在因素土的孔隙比6第六页，共七十六页。总应力法：总应力强度指标表达方法土的抗剪强度的有效应力法：有效应力强度指标7第七页，共七十六页。二、莫尔-库伦强度理论莫尔提出：材料的破坏为剪切破坏，当任一平面上的剪应力等于材料的抗剪强度时该点就发生破坏，破坏面上的剪应力f是该面上法向应力

的函数此函数在

f-坐标中是一条曲线，称为莫尔包线（抗剪强度包线）,如下图实线所示。8第八页，共七十六页。莫尔包线莫尔包线表示材料在不同应力作用下达到极限状态时，滑动面上法向应力

与剪应力

f

的关系。9第九页，共七十六页。理论分析和实践都证明，莫尔理论对土比较合适，土的莫尔包线通常可以近似地用直线代替（如上图的虚线所示），该直线的方程就是库伦公式表示的方程。用库伦公式表示莫尔包线的强度理论称为莫尔-库伦强度理论。当土体中任意一点在某一平面上的剪应力达到土的抗剪强度时，就发生剪切破坏。10第十页，共七十六页。0A莫尔圆可以表示土体中一点的应力状态，莫尔圆圆周上各点的坐标就表示该点在相应平面上的正应力和剪应力。11第十一页，共七十六页。如果给定了土的抗剪强度指标c和以及土中某点的应力状态，则可将抗剪强度包线与莫尔应力圆画在同一张坐标图上，抗剪强度包线与莫尔应力圆的关系可能有：1.整个莫尔圆位于抗剪强度包线的下方。说明该点在任何平面上的剪应力都小于土的抗剪强度，所以不会发生剪切破坏；12第十二页，共七十六页。2.莫尔圆与抗剪强度包线相切，切点为A。说明在A点所代表的平面上，剪应力正好达到抗剪强度，该点就处于极限平衡状态。这时的莫尔圆称为极限应力圆。3.抗剪强度包线是莫尔圆的一条割线，实际上这种情况是不可能出现的，因为该点任何方向上的剪应力都不可能超过土的抗剪强度。因为土的抗剪强度是土体抵抗剪切破坏的极限能力。13第十三页，共七十六页。A

c0莫尔圆与抗剪强度之间的关系14第十四页，共七十六页。由极限应力圆当中的几何关系，可以推导得出：1.粘性土的极限平衡条件为15第十五页，共七十六页。2.无粘性土的极限平衡条件为16第十六页，共七十六页。3.破坏面与大主应力面的夹角为。17第十七页，共七十六页。第3节抗剪强度的测定方法测定土抗剪强度测定土的抗剪强度的方法有多种。直接剪切试验的室内方法

三轴压缩试验无侧限抗压强度试验18第十八页，共七十六页。一、直接剪切试验应变控制式直剪仪的试验原理：对同一种土至少取4个平行试样，分别在不同垂直压力

下剪切破坏，将试验结果绘制抗剪强度f与相应垂直压力

的关系图。试验结果表明，对于f粘性土

~

基本上呈直线关系，直线方程可用库伦公式表示；对于无粘性土，

f

~的直线。则是通过原点19第十九页，共七十六页。构造简单直接剪切仪的优点操作方便限定剪切面不一定是最薄弱面剪切面上剪应力分布不均匀的缺点直接剪切仪剪切面在剪切过程中是逐渐缩小的不能严格控制排水条件，不能量测孔隙水压力20第二十页，共七十六页。二、三轴压缩试验三轴压缩仪的试验原理：对同一种土至少取3个平行试样，分别在不同周围压力

3下剪切破坏，将试验结果绘制为若干个极限应力圆。根据莫尔-库伦理论，这一组极限应力圆的公共切线即为土的抗剪强度包线，可近似取为一条直线，直线的方程即为库伦公式所表示的方程。21第二十一页，共七十六页。c0三轴压缩试验原理22第二十二页，共七十六页。的优点三轴压缩仪能较严格地控制排水条件能量测试样中孔隙水压力的变化剪切破坏面为最薄弱面试验设备、试验过程相对复杂的缺点三轴压缩仪试样的受力状态为轴对称情况，与实际土体的受力状态未必相符23第二十三页，共七十六页。直接剪切试验和三轴压缩试验按剪切前的固结程度和剪切时的排水条件，可以分为三种试验方法：

1.不固结不排水试验；固结不排水试验；固结排水试验；24第二十四页，共七十六页。三、无侧限抗压强度试验无侧限抗压强度试验可以看作围压

3=0的三轴不排水剪切试验，试件剪切破坏时试样所能承受的最大轴向压力qu称为无侧限抗压强度。根据试验结果，只能作一个极限应力圆（

1=

qu

、

3=0），对于一般粘性土就无法作出破坏包线。25第二十五页，共七十六页。而对于饱和粘性土，根据三轴不固结不排水试验的结果，其破坏包线接近于一条水平线，即u=0。如仅需测定饱和粘性土的不排水抗剪强度，就可以利用比较简单的无侧限抗压强度试验代替三轴试验。26第二十六页，共七十六页。cu0qu无侧限抗压强度试验27第二十七页，共七十六页。无侧限抗压强度试验所得的极限应力圆的水平切线就是破坏包线。28第二十八页，共七十六页。第4节

饱和粘性土的抗剪强度一、不固结不排水抗剪强度不固结不排水试验（UU试验）是在施加周围压力时不排水（不固结），且在施加轴向压力直至剪切破坏的整个试验过程中也不允许排水（不排水）。29第二十九页，共七十六页。如果有一组饱和粘性土试件，都先在某一周围压力下固结至稳定，试件中的初始孔隙水压力为零，然后分别在不排水条件下施加周围压力和轴向压力直至剪切破坏。试验结果见下图。30第三十页，共七十六页。cu0饱和粘性土的不固结不排水试验31第三十一页，共七十六页。图中三个实线圆分别表示三个试件在不同的围压作用下破坏时的总应力圆，虚线表示有效应力圆。试验结果表明，虽然三个试件的围压不同，但破坏时的主应力差相等，所以三个总应力圆的直径相同，所以破坏包线是一条水平线，可得32第三十二页，共七十六页。由于在不排水条件下，试样在试验过程中含水量不变，体积不变，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，各试件在剪切前的有效应力相等，因此抗剪强度不变。如果在较高的剪前固结压力下进行不固结不排水试验，就会得到较大的不排水抗剪强度。33第三十三页，共七十六页。由于只能得到一个有效应力圆，所以不能得到有效应力破坏包线，不固结不排水试验只用于测定饱和土的不排水强度，所以可以用无侧限抗压强度试验代替三轴压缩试验来测定饱和土的不排水抗剪强度。34第三十四页，共七十六页。不固结不排水试验的“不固结”是在保持试样原来有效应力不变的情况下，在三轴压力室的周围压力下不再排水固结。如果饱和粘性土从未固结过，则其中的有效应力为零（先期固结压力也为零），表现为一种泥浆状土，其抗剪强度必然也等于零。35第三十五页，共七十六页。二、固结不排水抗剪强度固结不排水试验（CU试验）是在施加周围压力时充分排水（固结），而在施加轴向压力直至剪切破坏的整个试验过程中不允许排水（不排水）。饱和粘性土的固结不排水抗剪强度受应力历史的影响，所以首先要区分试样是处于什么样的固结状态。36第三十六页，共七十六页。如果试样所受到的周围固结压力

3大于它所曾受到的最大固结压力pc（先期固结压力），则称试样处于正常固结状态；而如果

3

<

pc

，则称试样处于超固结状态。不同固结状态的试样，其抗剪强度性状是不同的。37第三十七页，共七十六页。正常固结状态的试样在剪切过程中体积有减小的趋势（剪缩），但由于不允许排水，故产生正的孔隙水压力；而强超固结状态的试样在剪切过程中，先表现为剪缩（产生正的孔隙水压力），然后转为剪胀（产生负的孔隙水压力）。38第三十八页，共七十六页。东南大学远程教育基础工程第十二讲主讲教师

童小东39第三十九页，共七十六页。1.正常固结状态的土样下图表示正常固结状态的饱和粘性土的固结不排水试验结果，图中用实线

表示的为总应力圆和总应力破坏包线，用虚线表示的为有效应力圆和有效应力破坏包线，uf为剪切破坏时的孔隙水压力。因为剪切过程中不排水，根据有效应力原理可知，有效应力圆与总应力圆直径相等，位置不同。40第四十页，共七十六页。0正常固结状态饱和粘性土固结不排水试验结果41第四十一页，共七十六页。因为正常固结状态的试样在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边。总应力破坏包线和有效应力破坏包线都通过原点，说明固结压力为零的土不会具有抗剪强度。42第四十二页，共七十六页。2.超固结状态的土样超固结状态的饱和粘性土的固结不排水剪切试验得到的总应力破坏包线如下图所示，是一条略平缓的曲线，可近似以直线ab代替，与正常固结状态土的固结不排水破坏包线bc相交，bc的延长线通过原点。实用上将abc折线取为一条直线。43第四十三页，共七十六页。ccu0超固结状态土的固结不排水试验abc超固结状态正常固结状态44第四十四页，共七十六页。有效应力圆和有效应力破坏包线如下图中虚线所示。由于超固结状态的土样在剪切破坏时，产生负的孔隙水压力，有效应力圆在总应力圆的右边；正常固结状态的土样在剪切破坏时，产生正的孔隙水压力，故有效应力圆在总应力圆的左边。45第四十五页，共七十六页。0超固结状态土的固结不排水试验超固结状态正常固结状态46第四十六页，共七十六页。三、固结排水抗剪强度固结排水试验（CD试验）是在施加周围压力时充分排水（固结），而在施加轴向压力直至剪切破坏的整个试验过程中允许排水（排水）。所以在整个试验过程中，土样中的孔隙水压力始终为零，总应力最后完全转化为有效应力，所以总应力圆就是有效应力圆，总应力破坏包线就是有效应力破坏包线。47第四十七页，共七十六页。0正常固结状态土的固结排水试验其破坏包线通过原点。正常固结状态的土，48第四十八页，共七十六页。0超固结状态土的固结排水试验超固结状态正常固结状态取为一条直线。包线略弯曲，实用上近似超固结状态的土，其破坏49第四十九页，共七十六页。试验结果表明，对于同一种土，固结排水试验得到的cd、d与固结不排水试验得到的c"、"很接近，由于固结排水试验所需的时间太长，故实用上用c"、"代替cd、

d

。50第五十页，共七十六页。对同一种饱和粘性土，分别在三种不同的排水条件下进行剪切试验。如果用总应力表示，将得到完全不同的试验结果，而以有效应力表示，则不论采用哪种试验方法，都得到近乎同一条有效应力破坏包线。所以说，抗剪强度与总应力没有唯一的对应关系，而与有效应力有唯一的对应关系。51第五十一页，共七十六页。0正常固结状态饱和粘性土在三种不同不排水条件下的剪切试验结果52第五十二页，共七十六页。四、抗剪强度指标的选择饱和粘性土的抗剪强度性状是很复杂的，它不仅与剪切条件有关，还与土的应力历史等因素有关。由于实际工程条件的复杂性，用实验室的试验条件去完全模拟现场条件是不可能的。所以针对具体的工程问题，确定土的抗剪强度指标的方法只能是尽可能地模拟实际工况来进行试验。53第五十三页，共七十六页。一般认为：由三轴固结不排水试验确定的有效应力强度指标c"、"宜用于分析地基的长期稳定性；而对于饱和软粘土地基的短期稳定问题，则宜采用不固结不排水试验的强度指标，以总应力法进行分析。54第五十四页，共七十六页。对于一般的工程问题多采用总应力分析法，其指标

和测试方法的选择原则如下：1.若建筑物施工速度较快，而地基土的透水性和排水条件不良时，可采用三轴不固结不排水试验或直剪的快剪试验结果；2.若地基上荷载的增加速率较慢，而地基土的透水性较高且排水条件较佳时，则可以采用固结排水或慢剪试验的结果；55第五十五页，共七十六页。3.若实际工况介于上两种情况之间，可用固结不排水或固结快剪的试验结果；4.由于实际加荷条件和土性的复杂性，而且在建筑物的施工和使用过程中都要经历不同的固结状态，因此，确定强度指标还应结合工程经验。56第五十六页，共七十六页。东南大学远程教育基础工程第十三讲主讲教师

童小东57第五十七页，共七十六页。第5节

无粘性土的抗剪强度不同初始孔隙比e0的同一种砂土在相同的周围压力

3下受剪，其应力~应变关系表明：1.密实的紧砂，其初始孔隙比较小，应力~应变关系具有明显的峰值，超过峰值后，随应变的增加，应力逐步降低，呈应变软化型，体积变化主要表现为剪胀。58第五十八页，共七十六页。2.松砂的应力~应变关系呈应变硬化型，对同一种土，紧砂和松砂的强度最终趋向同一值。松砂受剪其体积减小（剪缩）。3.在高周围压力下，不论砂土的松紧如何，受剪时都将剪缩。59第五十九页，共七十六页。1-30砂土受剪时的应力~应变关系紧砂松砂60第六十页，共七十六页。由不同初始孔隙比e0的试样在同一压力

3下进行剪切试验，可以得出初始孔隙比e0与体积变化之间的关系，相应于体积变化为零的初始孔隙比称为临界孔隙比ecv。临界孔隙比是与侧压力（围压）3有关的，不同的

3可以得出不同的ecv

。61第六十一页，共七十六页。0e02-2ecv砂土的临界孔隙比62第六十二页，共七十六页。若饱和砂土的初始孔隙比e0大于临界孔隙比ecv，在剪应力作用下由于剪缩必然使孔隙水压力增高，有效应力相应降低，导致砂土的抗剪强度降低。63第六十三页，共七十六页。当饱和松砂受到动荷载作用，由于孔隙水来不及排出，孔隙水压力不断增加，就有可能造成土体结构的破坏，有效应力降低为零，使得砂土象流体那样完全失去抗剪强度，这种现象称为砂土的液化。临界孔隙比ecv对研究砂土液化具有重要意义。64第六十四页，共七十六页。1状.p态12土4：的倒数第9行“常固结不排水强度...”2.p12过5：第11行“…有效应力破坏包线都通原点”3可以得出不同的eev值。”文中其余地方作相应替换。3.p13e0：第11行“不同的cv第4章

内容勘误65第六十五页，共七十六页。4.p127：例题3-1。由例题的已知条件知只对一个饱和粘性土试样进行了固结不排水试验，所以只能得到一个总应力表示的极限应力圆和一个有效应力表示的极限应力圆。例题中说“整理试验结果得到…”，由于试样土处于超固结状态（由知），所以仅由一个有效应力表示的极限应力圆是无法得到有效应力破坏包线的。66第六十六页，共七十六页。因此有效应力强度参数

、根本无法从一个试样的试验结果的整理得到。（本人认为：例题的出题内容的描述有问题）67第六十七页，共七十六页。解题的过程存在概念问题。我们在前面已经了解到，同样一个固结不排水的试验结果，分别用总应力和有效应力来表述，得到的强度指标是不同的。而例题的解答过程中，应力采用总应力，却使用有效应力的强度指标来计算，是一种概念的混淆。由于本题已知的条件仅为有效应力强度指标，所以本题的解答，应力只能采用有效应力，然后应用有效应力原理得到总应力的解答。所以本例题的完整过程如下：68第六十八页，共七十六页。【例题3-1】一组饱和粘性土试样在三轴仪中进行固结不排水试验，整理试验结果得有效内摩擦角