地基土的工程特性与承载力-地基土抗剪强度的测定

地基土抗剪强度的测定延时符学习目标1.明确抗剪强度的基本概念及研究意义；2.了解土的抗剪强度的测定方法；3.掌握土的抗剪强度理论内容；一、土的抗剪强度的基本概念土体在荷载作用下，不仅会产生压缩变形，而且可能出现剪切变形。剪切变形的特征是土体中的一部分相对于另一部分沿着某一滑裂面产生相对位移。由于剪切变形导致土体发生破坏的现象，叫做土体丧失稳定性。一、土的抗剪强度的基本概念

土的抗剪强度是土体抵抗剪切破坏的极限能力，它的大小等于土中一部分相对另一部分产生相对滑移时，存在于滑裂面上的最大剪应力值。

土中剪应力达到该值时的应力状态，称为极限平衡状态。

土的抗剪强度试验方法分室内试验和现场原位试验两类。

室内最常用的是直接剪切试验、三轴剪切试验和无侧限抗压强度试验等。现场原位试验有十字板剪切试验、大型直接剪切试验等。

1.土坡稳定性问题2.土压力问题3.地基承载力问题一、土的抗剪强度的基本概念二、土的抗剪强度理论

1.库仑定律

库仑通过研究提出：当土体发生剪切破坏时，其内部将沿着某一曲面(滑动面)产生相对滑动，此时作用于该面上的剪应力就等于土的抗剪强度。

f=tan砂土

f=c+tan粘土c

库仑定律：土的抗剪强度是剪切面上的法向总应力

的线性函数

f

f二、土的抗剪强度理论抗剪强度指标c:土的粘聚力

:土的内摩擦角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。二、土的抗剪强度理论总应力法c

、

为土的有效粘聚力和有效内摩擦角，即土的有效应力强度指标

c

、

为土的总应力强度指标有效应力原理：土的抗剪强度并不是由剪切面上的法向总应力决定，而是取决于剪切面上的法向有效应力。

有效应力法二、土的抗剪强度理论二、土的抗剪强度理论

2.土的抗剪强度的构成因素一般土的抗剪强度由内摩阻

和黏聚力c两部分构成。抗剪强度中的内摩阻力包括土粒之间的表面摩擦力和土粒间相互嵌挤锁结而产生的咬合力。黏聚力c包括原始黏聚力、固化黏聚力及毛细黏聚力。黏性土抗剪强度指标的变化范围很大，与土的种类、土的天然结构是否被破坏，试样在法向压力下的排水固结，试验方法等因素有关。

二、土的抗剪强度理论

3.莫尔-库仑强度理论

法国学者莫尔提出了材料的破坏是剪切破坏，并指出破坏面上的剪应力是作用于该面上法向应力的函数，即

用库仑公式表示莫尔包线的土体强度理论称为莫尔-库仑强度理论。莫尔包线

f=c+tan

3

3

1

1

3

1

斜面上的应力二、土的抗剪强度理论1)土体中任意一点的应力状态

根据材料力学，设某土体单元上作用的最大主应力和最小主应力分别σ1和σ3，则在土体内与最大主应力σ1作用平面成任意角α的平面a-a上的正应力σ和剪应力τ二、土的抗剪强度理论土体内与最大主应力σ1作用平面成任意角α的平面a-a上的正应力σ和剪应力τ,可用σ-τ坐标系中直径为(σ1-σ3)的莫尔应力圆上的一点(逆时针旋转2a，如图的A点)的坐标来表示

二、土的抗剪强度理论2）土的极限平衡状态当土体中某点可能发生剪切破坏面的位置已经确定时，只要计算出作用于该面上的法向应力及剪应力，就可以与由库仑定律确定的抗剪强度进行对比来判断该点是否会发生剪切破坏，主要有以下三种情况：（1）当时，表示该点处于弹性平衡状态，不发生剪切破坏。（2）当时，表示该点处于极限平衡状态，即将发生剪切破坏。（3）当时，表示该点已经剪切破坏。应力圆与强度线相离：

强度线应力圆与强度线相切：应力圆与强度线相割：τ<τf

弹性平衡状态

τ=τf

极限平衡状态

τ>τf

破坏状态二、土的抗剪强度理论

3

1c

f2

fA

cctg1/2(1+3)无粘性土：c=0粘性土：二、土的抗剪强度理论3）土的极限平衡条件

土体处于极限平衡状态时，破坏面与大主应力作用面的夹角为

f

f2

f

3

1c

A

cctg1/2(1+3)说明：剪破面并不产生于最大剪应力面，而与最大剪应力面成

/2的夹角。因此，土的剪切破坏并不是由最大剪应力τmax所控制。

max二、土的抗剪强度理论地基土抗剪强度的测定延时符学习目标1.掌握直剪试验原理、方法及试验影响因素；2.掌握土中极限应力状态的分析判断方法；3.描述三轴剪切试验原理及适用条件。三、直接剪切试验测定土的抗剪强度指标最简单的方法是直接剪切试验。

试验所使用的仪器称为直剪仪，按加荷方式的不同，分为应变式和应力式两类。应变式直剪仪三、直接剪切试验1.直剪试验方法试验前先用插销将上下剪切盒位置固定，用环刀切取原状土样，将土样推入剪切盒内后。试验时，拔去插销，由杠杆系统通过传压活塞和透水石对试样施加某一法向应力，然后等速转动手轮对下盒施加水平推力，使试样在沿上下盒之间的水平面上受剪直至破坏，剪应力的大小可借助与上盒接触的量力环确定。三、直接剪切试验三、直接剪切试验剪切过程中，每隔一定的时间间隔测记相应的剪切变形，求出施加于试样截面的剪应力值。根据结果绘制出一定法向应力下的土样剪切位移与剪应力的对应关系曲线。在法向应力

作用下，剪应力与剪切位移关系曲线。4mm

a

b

剪切位移△l(0.01mm)

剪应力

（kPa)

1

2

三、直接剪切试验三、直接剪切试验对同一种土取4～5个试样，分别在不同的法向应力下剪切破坏，如图所示，以法向应力为横坐标，抗剪强度为纵坐标，根据所得的试验数据，可在图上点出4～5点，然后通过点群重心可绘出一条直线，称为抗剪强度线。三、直接剪切试验2.直剪试验方法分类为了考虑土体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分为快剪、固结快剪和慢剪三种。快剪---适用于地基土排水不良，工程施工进度快固结快剪---适用于施工期间允许土体排水固结，但完工后可能又突然增加的荷载慢剪---适用于地基土排水条件良好，短时间内固结，工程施工进度较慢且使用中无突然增加的荷载三、直接剪切试验直剪试验优缺点优点：仪器构造简单，试样的制备和安装方便，易于操作。缺点：①剪切破坏面固定，且不一定是土样的最薄弱面。②不能严格控制排水条件，不能量测土样的孔隙水压力。③剪切过程中试样剪切面积逐渐减小，剪切面上的剪应力分布不均匀。四、三轴剪切试验

1.试验基本原理

三轴剪切仪有轴压系统(三轴剪切仪的主机台，用以对试样施加轴向附加压力，并可控制轴向应变的速率)；侧压系统(对土样施加周围压力)；孔隙水压力量测系统(用以测量土样孔隙水压力及其在试验过程中的变化)。四、三轴剪切试验四、三轴剪切试验试验时，先打开周围压力阀，向压力室内压入液体，使土样在三个轴向受到相同的周围压力，此时土样中不受剪力作用。

然后由轴向系统通过活塞对土样施加竖向压力△，此时试样中将产生剪应力。在周围压力不变的情况下，不断增大△直至土样剪坏。这时作用于土样的轴向应力为最大主应力，，周围压力为最小主应力。用和可绘得土样破坏时的一个极限平衡条件下的莫尔应力圆。

试验步骤:

3

3

3

3

3

3△△2.施加周围压力3.施加竖向压力1.装样四、三轴剪切试验

分别在不同的周围压力

3作用下进行剪切，得到3-4个不同的破坏应力圆，绘出各应力圆的公切线即为土的抗剪强度包线。

抗剪强度包线

c

四、三轴剪切试验四、三轴剪切试验

2.三轴剪切试验方法三轴剪力仪由于土样和压力室均可分别形成各自的封闭系统(通过相关的管路和阀门)，因此，它可控制试验时土中的排水条件。根据土样固结排水的不同条件，三轴剪切试验可分为下列三种基本方法：

不固结不排水剪(UU试验)

固结不排水剪(CU试验)

固结排水剪(CD试验)四、三轴剪切试验三轴剪切试验的主要优点是：（1）可以控制土样的排水固结条件；（2）能测量试样两端的孔隙水压力，从而算得有效应力；（3）试样的应力条件比较明确，有利于理论分析。

此外，土样剪坏时，对较硬黏土还可观测到倾斜的剪裂面，五、无侧限抗压强度试验

无侧限抗压强度试验实际上是三轴剪切试验的一种特例，即周围压力

的三轴试验，所以又称为单轴试验。无侧限抗压强度试验所使用无侧限压力仪，也可用三轴仪做该试验。试验时，在不加任何侧向压力的情况下对圆柱体试样施加轴向压力，直至试样剪切破坏。试样破坏时的轴向压力以表示，称为无侧限抗压强度。五、无侧限抗压强度试验利用无侧限抗压强度试验可以测定饱和黏性土的灵敏度。土的灵敏度是以原状土的强度与同种土经