第六章 抗剪强度.ppt

第五章 土的抗剪强度第一节第一节 概概 述述第二节第二节 土的抗剪强度理论土的抗剪强度理论第三节第三节 土的抗剪强度试验土的抗剪强度试验第四节第四节 饱和粘性土的抗剪强度饱和粘性土的抗剪强度第五节第五节 无粘性土的抗剪强度无粘性土的抗剪强度主要内容重点及难点：重点及难点：重点：重点：Ø土的抗剪强度理论；土的抗剪强度理论；Ø黏性土的抗剪强度指标的测定与选择；黏性土的抗剪强度指标的测定与选择；Ø无黏性土的减胀性和临界孔隙比；无黏性土的减胀性和临界孔隙比；Ø空隙压力系数的概念和途径，应力历史、空隙压力系数的概念和途径，应力历史、 应力路径对土体强度指标的影响；应力路径对土体强度指标的影响；Ø了解无黏性土直剪试验了解无黏性土直剪试验难点：难点：Ø摩尔摩尔- -库仑强度理论和极限平衡方程的应用；库仑强度理论和极限平衡方程的应用；Ø饱和土抗剪强度试验的三种不同方法饱和土抗剪强度试验的三种不同方法 第四章 土的压缩性 第一节 概 述一、土的强度特点：一、土的强度特点：1.1.碎散性：碎散性：强度不是颗粒矿物本身的强度，而是颗粒间相强度不是颗粒矿物本身的强度，而是颗粒间相互作用互作用————主要是抗剪强度与剪切破坏，颗粒间粘聚力主要是抗剪强度与剪切破坏，颗粒间粘聚力与摩擦力；与摩擦力；2. 2. 三相体系：三相体系：三相承受与传递荷载三相承受与传递荷载————有效应力原理；有效应力原理；3.3.自然变异性：自然变异性：土的强度的结构性与复杂性。

土的强度的结构性与复杂性4.4.土的抗剪强度土的抗剪强度：土体抗抵抗剪应力的极限值：土体抗抵抗剪应力的极限值剪切破坏剪切破坏是土的强度破坏的重要特点是土的强度破坏的重要特点大阪的港口码头档土墙由于液化前倾大阪的港口码头档土墙由于液化前倾二、工程中土体的破坏类型二、工程中土体的破坏类型1. 1. 挡土结构物的破坏挡土结构物的破坏1. 1. 挡土结构物的破坏挡土结构物的破坏二、工程中土体的破坏类型二、工程中土体的破坏类型广州京光广场基坑塌方广州京光广场基坑塌方使基坑旁办公室、民使基坑旁办公室、民工宿舍和仓库倒塌，工宿舍和仓库倒塌，死死3 3人，伤人，伤1717人挡土墙挡土墙滑裂面滑裂面基坑支护基坑支护1. 1. 挡土结构物的破坏挡土结构物的破坏二、工程中土体的破坏类型二、工程中土体的破坏类型平移滑动平移滑动2. 2. 各种类型的滑坡各种类型的滑坡崩塌崩塌旋转滑动旋转滑动流滑流滑二、工程中土体的破坏类型二、工程中土体的破坏类型•19941994年年4 4月月3030日日•崩塌体积崩塌体积400400万方万方•1010万方进入乌江万方进入乌江•死死4 4人，伤人，伤5 5人，失踪人，失踪1212人人•击沉拖轮、驳轮各一艘，渔击沉拖轮、驳轮各一艘，渔船船2 2只只•19941994年年7 7月月2-32-3日降雨引起再日降雨引起再次滑坡次滑坡•崩塌体巨大石块滚入江内，崩塌体巨大石块滚入江内，无法通航无法通航•滑坡体崩入乌江近百万方；滑坡体崩入乌江近百万方；江水位差数米。

江水位差数米乌江武隆县兴顺乡鸡冠岭山体崩塌乌江武隆县兴顺乡鸡冠岭山体崩塌2. 2. 各种类型的滑坡各种类型的滑坡二、工程中土体的破坏类型二、工程中土体的破坏类型龙观嘴龙观嘴黄崖沟黄崖沟乌江乌江20002000年西藏易贡巨型滑坡年西藏易贡巨型滑坡2. 2. 各种类型的滑坡各种类型的滑坡二、工程中土体的破坏类型二、工程中土体的破坏类型高程（高程（m））滑距（滑距（m））553022004000扎扎 木木 弄弄 沟沟滑坡堆积体滑坡堆积体08000400020006000立面示意图坡高坡高 3330 m3330 m堆积体宽堆积体宽 约约2500m2500m总方量总方量 约约3 3亿方亿方2. 2. 各种类型的滑坡各种类型的滑坡二、工程中土体的破坏类型二、工程中土体的破坏类型20002000年西藏易贡巨型滑坡年西藏易贡巨型滑坡边边坡坡滑裂面滑裂面2. 2. 各种类型的滑坡各种类型的滑坡二、工程中土体的破坏类型二、工程中土体的破坏类型土体内某一曲面土体内某一曲面外力在该面外力在该面上产生剪应上产生剪应力力将土体一分为二将土体一分为二两部分间两部分间的摩檫力的摩檫力土粒间的各土粒间的各种联结力种联结力抗剪抗剪力力日本新泻日本新泻19641964年地震引起大面积液化年地震引起大面积液化3. 3. 地基的破坏地基的破坏二、工程中土体的破坏类型二、工程中土体的破坏类型粘土地基上的某谷仓地基破坏粘土地基上的某谷仓地基破坏3. 3. 地基的破坏地基的破坏二、工程中土体的破坏类型二、工程中土体的破坏类型地基地基p滑裂面滑裂面3. 3. 地基的破坏地基的破坏二、工程中土体的破坏类型二、工程中土体的破坏类型p土压力土压力p边坡稳定边坡稳定p地基承载力地基承载力p挡土结构物破坏挡土结构物破坏p各种类型的滑坡各种类型的滑坡p地基的破坏地基的破坏核心核心二、工程中土体的破坏类型二、工程中土体的破坏类型一、库仑定律一、库仑定律剪切试验剪切试验播放播放17761776年，库仑根据年，库仑根据砂土砂土剪切试验剪切试验 f =  tan  砂土砂土后来，根据后来，根据粘性土粘性土剪切试验剪切试验 f =c+  tan  粘土粘土c  库仑定律：库仑定律：土的抗剪强土的抗剪强度是剪切面上的法向总应度是剪切面上的法向总应力力  的线性函数的线性函数 c: :土的粘聚力土的粘聚力 kPakPa : :土的内摩擦角土的内摩擦角  f  f 第二节 土的抗剪强度理论二、土体抗剪强度机制和影响因素二、土体抗剪强度机制和影响因素§机制机制 1.1.滑动摩擦：滑动摩擦：剪切面土粒间表面的粗糙所产生的摩擦，即剪切面土粒间表面的粗糙所产生的摩擦，即摩阻力。

砂土和粘土都有）摩阻力砂土和粘土都有） 2.2.咬合摩擦：咬合摩擦：土粒间互相嵌入所产生的咬合力土粒间互相嵌入所产生的咬合力 §粘聚力：由土粒之间的胶结作用和电分子引力等因素形成粘聚力：由土粒之间的胶结作用和电分子引力等因素形成在粘土和和粉土中存在在粘土和和粉土中存在 第二节 土的抗剪强度理论----+•密度（密度（e,   •粒径级配（粒径级配（Cu, Cc））•颗粒的矿物成分颗粒的矿物成分 对于对于 ：砂土：砂土>粘性土；粘性土； 高岭石高岭石>伊里石伊里石>蒙特石蒙特石•粒径的形状（颗粒的棱角与长宽比）粒径的形状（颗粒的棱角与长宽比） 在其他条件相同时：在其他条件相同时： 对于砂土，颗粒的棱角提高了内摩擦角对于砂土，颗粒的棱角提高了内摩擦角  对于碎石土，颗粒的棱角可能降低其内摩擦角对于碎石土，颗粒的棱角可能降低其内摩擦角 影响土的摩擦强度的主要因素：影响土的摩擦强度的主要因素：1. 1. 摩擦强度摩擦强度  tgtg 二、土体抗剪强度机制和影响因素二、土体抗剪强度机制和影响因素 第二节 土的抗剪强度理论p粘聚强度机理n静电引力（库仑力）静电引力（库仑力）n范德华力范德华力n颗粒间胶结颗粒间胶结n假粘聚力（毛细力等）假粘聚力（毛细力等）p粘聚强度影响因素n地质历史地质历史n粘土颗粒矿物成分粘土颗粒矿物成分n密度密度n离子价与离子浓度离子价与离子浓度----+2. 2. 凝聚强度凝聚强度二、土体抗剪强度机制和影响因素二、土体抗剪强度机制和影响因素三、摩三、摩尔尔——库伦强度理论库伦强度理论土单元的某一个平面上的抗剪强度土单元的某一个平面上的抗剪强度 f是该面是该面上作用的法向应力上作用的法向应力 的单值函数的单值函数,  f =f( ) 。

（（莫尔莫尔：：1910年年））在一定的应力范围内，可用线性函数近似在一定的应力范围内，可用线性函数近似：：某土单元的任一个平面上某土单元的任一个平面上  =  f ，，该单元就该单元就达到了极限平衡应力状态达到了极限平衡应力状态 第二节 土的抗剪强度理论地面地面 zx z xz x 3 3 1 1 第二节 土的抗剪强度理论三、摩尔三、摩尔——库伦理论及极限平衡条件库伦理论及极限平衡条件三、摩尔三、摩尔——库伦理论及极限平衡条件库伦理论及极限平衡条件•土体内一点处土体内一点处不同方位不同方位的截面上应力的集合的截面上应力的集合（剪应（剪应力力  和法向应力和法向应力 ））  3 3 1 1    3 1 dsdscos dssin 楔体静楔体静力平衡力平衡 第二节 土的抗剪强度理论   3 1 dsdscos dssin 斜面上的应力斜面上的应力莫尔应力圆方程莫尔应力圆方程  O 1 31/2( 1 - 3 ) 2 A( ,  )圆心坐标圆心坐标[1/2(1 ＋＋3 )，，0]应力圆半径应力圆半径r＝＝1/2(1－3 )土中某点的土中某点的应应力状态力状态可用莫可用莫尔应力圆描述尔应力圆描述 BDC•强度包线以内：强度包线以内：•与破坏包线相切：与破坏包线相切：•与破坏包线相交：与破坏包线相交：   f三、摩尔三、摩尔—库伦理论及极限平衡条件库伦理论及极限平衡条件 第二节 土的抗剪强度理论3.13.1莫尔－库仑破坏准则莫尔－库仑破坏准则•莫尔应力圆与库仑强度线相切的应力状态作为莫尔应力圆与库仑强度线相切的应力状态作为土的破坏准则，即土的极限平衡状态。

土的破坏准则，即土的极限平衡状态目前判别土体所处状态的最常用准则目前判别土体所处状态的最常用准则)   强度线强度线  3.13.1莫尔－库仑破坏准则莫尔－库仑破坏准则 3 1c   f2  fA  cctg 1/2( 1 + 3 )无粘性土：无粘性土：c=0•土体处于极限平衡状态时，破坏面与大主应力作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用面的夹角为  f  f2  f 3 1c A  cctg 1/2( 1 + 3 )说明：说明：剪破面并不产生于最大剪应力面，而与最大剪剪破面并不产生于最大剪应力面，而与最大剪应力面成应力面成  / 2的夹角，可知，土的剪切破坏并不是由的夹角，可知，土的剪切破坏并不是由最大剪应力最大剪应力τmax所控制所控制  max五、例题分析五、例题分析•【例】地基中某一单元土体上的大主应力为地基中某一单元土体上的大主应力为430kPa430kPa，，小主小主应力为应力为200kPa200kPa通过试验测得土的抗剪强度指标通过试验测得土的抗剪强度指标c c=15 =15 kPakPa，，  =20=20o o。

试问试问①①该单元土体处于何种状态？该单元土体处于何种状态？②②单元土体单元土体最大剪应力出现在哪个面上，是否会沿剪应力最大的面发最大剪应力出现在哪个面上，是否会沿剪应力最大的面发生剪破？生剪破？【解答解答】】已知已知 1=430kPa=430kPa，， 3=200kPa=200kPa，，c=15kPa=15kPa，，  =20=20o o 1.1.计算法计算法 计算结果表明：计算结果表明： 1f大于该单元土体实际大主应力大于该单元土体实际大主应力 1，实际应力圆半径小于极限应力圆半径，所以，该，实际应力圆半径小于极限应力圆半径，所以，该单元土体处于弹性平衡状态单元土体处于弹性平衡状态 计算结果表明：计算结果表明：  3f小于该单元土体实际小主应小于该单元土体实际小主应力力  3，实际应力圆半径小于极限应力圆半径，实际应力圆半径小于极限应力圆半径 ，，所以，该单元土体处于弹性平衡状态所以，该单元土体处于弹性平衡状态 在剪切面上在剪切面上 库仑定律库仑定律 由于由于τ<τf ，，所以，该单元土体处于弹性平衡状态所以，该单元土体处于弹性平衡状态 2.2.图解法图解法     c 1 1f 3f实际应力圆实际应力圆极限应力圆极限应力圆最大剪应力与主应力作用面成最大剪应力与主应力作用面成4545o o最大剪应力面上的法向应力最大剪应力面上的法向应力库仑定律库仑定律 最大剪应力面上最大剪应力面上τ<τf ，，所以，不所以，不会沿剪应力最大的面发生会沿剪应力最大的面发生破破坏坏 τmax 第三节 土的抗剪强度试验•一、室内试验一、室内试验•二、野外试验二、野外试验直剪试验、三轴试验等直剪试验、三轴试验等 制样（重塑土）或现场取样制样（重塑土）或现场取样 缺点：扰动缺点：扰动 优点：应力条件清楚，易重复优点：应力条件清楚，易重复十字板扭剪试验、旁压试验等十字板扭剪试验、旁压试验等 原位试验原位试验 缺点：应力条件不易掌握缺点：应力条件不易掌握 优点：原状土的原位强度优点：原状土的原位强度 一、直接剪切试验（室内试验）一、直接剪切试验（室内试验）试验仪器：试验仪器：直剪仪（应力控制式，应变控制式）直剪仪（应力控制式，应变控制式） 第三节 土的抗剪强度试验 剪前施加在试样顶面上的竖向压力为剪破面上剪前施加在试样顶面上的竖向压力为剪破面上的法向应力的法向应力 ，，剪应力由剪切力除以试样面积：剪应力由剪切力除以试样面积：一、直接剪切试验（室内试验）一、直接剪切试验（室内试验） 1、、试验过程：试验过程：试验时，由杠杆系统通过加压活塞试验时，由杠杆系统通过加压活塞和透水石对试样施加某一垂直压力和透水石对试样施加某一垂直压力 ，，然后等速转动手轮然后等速转动手轮对下盒施加水平推力，使试样在上下盒的水平接触面上对下盒施加水平推力，使试样在上下盒的水平接触面上产生剪切变形，直至破坏，剪应力的大小可借助与土盒产生剪切变形，直至破坏，剪应力的大小可借助与土盒接触的量力环的变形值计算确定。

接触的量力环的变形值计算确定在法向应力在法向应力 作用下，得到剪应力与剪切位移关系曲作用下，得到剪应力与剪切位移关系曲线，根据曲线得到该线，根据曲线得到该 作用下作用下，，土的抗剪强度土的抗剪强度4mm4mm a a b b 剪切位移剪切位移△△l (0.01mm)(0.01mm) 剪应力剪应力 （（kPakPa) ) 1 1 2 2 一、直接剪切试验（室内试验）一、直接剪切试验（室内试验）2 2、抗剪强度指标的选取、抗剪强度指标的选取对硬黏土和密砂，曲线出现剪应力对硬黏土和密砂，曲线出现剪应力峰值，峰后强度随剪切位移增大而峰值，峰后强度随剪切位移增大而减小，称为应变软化现象，取减小，称为应变软化现象，取峰值峰值强度强度（（a点）作为抗剪强度点）作为抗剪强度对软黏土和松砂，曲线不出现剪应对软黏土和松砂，曲线不出现剪应力峰值，强度随剪切位移增大而增力峰值，强度随剪切位移增大而增大，称为应变硬化现象，此时大，称为应变硬化现象，此时应按应按某一剪切位移值（一般某一剪切位移值（一般4mm））作为作为抗剪破坏强度控制点（抗剪破坏强度控制点（b点）点）PSTAσ = 100KPa Sσ = 200KPaσ = 300KPa  Oc 3 3、试验结果的整理、试验结果的整理一、直接剪切试验（室内试验）一、直接剪切试验（室内试验）对对同一种土至少取对对同一种土至少取4个重度和含个重度和含水量相同的试样，分别在不同垂直水量相同的试样，分别在不同垂直压力压力 下剪切破坏，一般可取垂直下剪切破坏，一般可取垂直压力为压力为100、、200、、300、、400 kPa，，将试验结果绘制抗剪强度将试验结果绘制抗剪强度τf 和垂直和垂直压力压力  之间关系曲线。

之间关系曲线•在不同的垂直压力在不同的垂直压力 下进行剪切试验，得相应的抗剪下进行剪切试验，得相应的抗剪强度强度τf，，绘制绘制τf -  曲线，得该土的抗剪强度包线曲线，得该土的抗剪强度包线3 3、试验结果的整理、试验结果的整理通通过控制剪切速率控制剪切速率来近似模来近似模拟排水条排水条件件（（1 1）） 快剪：快剪： 施加正应力后立即快速施加正应力后立即快速(0.02mm/(0.02mm/分分) )施加水平剪应力，以保证无超静孔施加水平剪应力，以保证无超静孔压力产生压力产生（（2 2）固结快剪）固结快剪 施加正应力施加正应力- -充分固结后，快速施充分固结后，快速施加水平剪应力使试样剪切破坏加水平剪应力使试样剪切破坏3 3）慢剪）慢剪 施加正应力土体充分固结后，缓施加正应力土体充分固结后，缓慢施加水平剪应力使试样剪切破坏慢施加水平剪应力使试样剪切破坏PSTA一、直接剪切试验（室内试验）一、直接剪切试验（室内试验）4 4、直减试验类型、直减试验类型5 5、直剪试验优缺点、直剪试验优缺点•优点：优点：仪器构造简单，试样的制备和安装方便，仪器构造简单，试样的制备和安装方便，易于操作易于操作 •缺点：缺点：①①剪切破坏面固定为上下盒之间的水平面不符合剪切破坏面固定为上下盒之间的水平面不符合实际情况，不一定是土样的最薄弱面。

实际情况，不一定是土样的最薄弱面②②剪切面上的剪应力分布不均匀，剪切破坏开始剪切面上的剪应力分布不均匀，剪切破坏开始于边缘，在边缘发生应力集中现象于边缘，在边缘发生应力集中现象③③下盒的错动，剪切过程中试样剪切面积逐渐减下盒的错动，剪切过程中试样剪切面积逐渐减小，计算时却还用原截面积小，计算时却还用原截面积④④试验中不能严格控制排水条件，对透水性强的试验中不能严格控制排水条件，对透水性强的土尤为突出，不能量测土样的孔隙水压力土尤为突出，不能量测土样的孔隙水压力一、直接剪切试验（室内试验）一、直接剪切试验（室内试验）二、三轴压缩试验二、三轴压缩试验 第三节 土的抗剪强度试验 三轴压缩试验也称三轴剪切试验，是测定土抗剪强度的一三轴压缩试验也称三轴剪切试验，是测定土抗剪强度的一 种较为完善的种较为完善的方法三轴压缩仪由方法三轴压缩仪由压力室压力室、、轴向加荷系统轴向加荷系统、、施加围压系统施加围压系统、、孔隙水压力量孔隙水压力量测系统测系统等组成•应变控制式三轴应变控制式三轴仪：压力室，量仪：压力室，量测系统测系统二、三轴压缩试验二、三轴压缩试验试试样样压力室压力室压力水压力水排水管排水管阀门阀门轴向轴向加压杆加压杆有机玻璃罩有机玻璃罩橡皮膜橡皮膜透水石透水石顶帽顶帽二、三轴压缩试验二、三轴压缩试验1 1、压力室结构、压力室结构 第三节 土的抗剪强度试验2 2、试验加载步骤和方法：、试验加载步骤和方法：二、三轴压缩试验二、三轴压缩试验（（1）将土样切成圆柱体套在橡胶膜内、）将土样切成圆柱体套在橡胶膜内、放在密封的压力室中．放在密封的压力室中．（（2）然后向压力室内压入水，使试样）然后向压力室内压入水，使试样各向受到围压各向受到围压 3 ，并使液压在整个试验，并使液压在整个试验过程中保持不变，这时试样内各向的三过程中保持不变，这时试样内各向的三个主应力都相等、因此不发生剪应力个主应力都相等、因此不发生剪应力。

3）然通过传力杆对试样施加竖向压力，）然通过传力杆对试样施加竖向压力，这样，竖向主应力就大于水平向主应力．这样，竖向主应力就大于水平向主应力．水平向主应力保持不变而竖向主应力水平向主应力保持不变而竖向主应力逐渐增大，试件终于至剪切破坏逐渐增大，试件终于至剪切破坏 1= 2= 3 Δ 1=  1- 3强度包线强度包线( 1-  )fc  ( 1-  )f   1 1-  3 1 =15%v分别作围压分别作围压  为为100 100 kPakPa 、、200 200 kPakPa 、、300 300 kPakPa的三轴试验，得到的三轴试验，得到破坏时相应的（破坏时相应的（ 1 1- -  ) )f f，，绘制主应绘制主应力差与轴向应变关系曲线力差与轴向应变关系曲线v绘制三个破坏状态的应力摩尔圆，绘制三个破坏状态的应力摩尔圆，画出它们的公切线画出它们的公切线——强度包线，强度包线，得到强度指标得到强度指标 c c 与与   3 3、强度包线、强度包线二、三轴压缩试验二、三轴压缩试验v固结排水试验（CDCD试验）1 打打开开排排水水阀阀门门，，施施加加围围压压  后后充充分分固固结，超静孔隙水压力完全消散；结，超静孔隙水压力完全消散；2 打打开开排排水水阀阀门门，，慢慢慢慢施施加加轴轴向向应应力力差差   以以便便充充分分排排水水，，避避免免产产生生超超静静孔压孔压v固结不排水试验（CUCU试验）1 打开排水阀门，打开排水阀门，施加围压施加围压  后充分固结，超静孔隙水压力完全消散；后充分固结，超静孔隙水压力完全消散；2 关闭排水阀门，很快剪切破坏，在施加轴向应力差关闭排水阀门，很快剪切破坏，在施加轴向应力差   过程中不排水过程中不排水v不固结不排水试验（UUUU试验）1 关闭排水阀门，关闭排水阀门，围压围压  下不固结；下不固结；2 关闭排水阀门，很快剪切破坏，在施加轴向应力差关闭排水阀门，很快剪切破坏，在施加轴向应力差   过程中不排水过程中不排水cd 、、 d ccu 、、 cu 4 4、试验类型、试验类型二、三轴压缩试验二、三轴压缩试验c 、、  试验方法与现场条件试验方法与现场条件的对应关系的对应关系粘土地基上的分层粘土地基上的分层慢速填方慢速填方在在1层固结后层固结后快速施工快速施工2层层12软土地基上的快速填方软土地基上的快速填方固结排水试验固结排水试验固结不排水试验固结不排水试验不固结不排水试验不固结不排水试验v优点：优点：Ø试验中能够严格控制试样排水条件，量测试验中能够严格控制试样排水条件，量测空隙水压力，了解土中有效应力原理空隙水压力，了解土中有效应力原理；；Ø试样中的应力分布均匀；试样中的应力分布均匀；Ø破坏面不是人为固定的；破坏面不是人为固定的；v缺点：缺点：设备相对复杂，操作要求高；现场无法试验设备相对复杂，操作要求高；现场无法试验说明：说明：  3 3＝＝0 0 即为即为无侧限抗压强度试验无侧限抗压强度试验5 5、优点和缺点、优点和缺点二、三轴压缩试验二、三轴压缩试验例题分析例题分析•【例】对某种饱和粘性土做固结不排水试验，三个试对某种饱和粘性土做固结不排水试验，三个试样破坏时的大、小主应力和孔隙水压力列于表中，试样破坏时的大、小主应力和孔隙水压力列于表中，试用作图法确定土的强度指标用作图法确定土的强度指标c ccucu、、  cucu和和c c  、、    周围压力周围压力 3/ kPa 1/ kPauf / kPa6060100100150150143143220220313313232340406767 第三节 土的抗剪强度试验【解答解答】】按比例绘出三个总应力极限应力圆，如图所示按比例绘出三个总应力极限应力圆，如图所示，，再绘再绘出总应力强度包线出总应力强度包线 按由按由 1 1′=′= 1 1- - u uf，， 3 3′=′= 3 3- - u uf ，，将总应力圆在水平将总应力圆在水平轴上左移相应的轴上左移相应的u uf即得即得3 3个有效应力极限莫尔圆，如个有效应力极限莫尔圆，如图中虚线圆，再绘出有效应力强度包线图中虚线圆，再绘出有效应力强度包线 c  ccu根据强度包线得到：根据强度包线得到：ccu= 10 kPa，  c u=18o c = 6 kPa，、  =27o cucu   (kPa)100 (kPa)100300200400一、总应力强度指标与有效应力强度指标一、总应力强度指标与有效应力强度指标库仑定律库仑定律说明：说明：施加于试样上的垂直法向应力施加于试样上的垂直法向应力 为总应力，为总应力，c c、、 为总应为总应力意义上的土的粘聚力和内摩擦角，称之为总应力强度指标力意义上的土的粘聚力和内摩擦角，称之为总应力强度指标 根据有效应力原理：根据有效应力原理：土的抗剪强度并不是由剪切面上的法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向总应力决定，而是取决于剪切面上的法向有效应力法向有效应力 c  、、   为土的有效为土的有效粘聚力和有效内摩粘聚力和有效内摩擦角，即土的有效擦角，即土的有效应力强度指标应力强度指标 有效应力强度指标确切地表有效应力强度指标确切地表达出了土的抗剪强度的实质，达出了土的抗剪强度的实质，是比较合理的表达方法是比较合理的表达方法 第四节 饱和黏性土抗剪强度二、不同排水条件时的剪切试验方法及成果表达二、不同排水条件时的剪切试验方法及成果表达1.1.不固结不排水剪（不固结不排水剪（UUUU）） n三轴试验：三轴试验：施加周围压力施加周围压力 3、轴向压力、轴向压力△△ 直至剪直至剪破的整个过程都关闭排水破的整个过程都关闭排水阀门，不允许试样排水固阀门，不允许试样排水固结结   3  3  3  3  3  3△△ △△ n直剪试验：直剪试验：通过试验加荷通过试验加荷的快慢来实现是否排水。

的快慢来实现是否排水使试样在使试样在3 3～～5min5min之内剪破，之内剪破，称之为快剪称之为快剪关闭排关闭排水阀水阀  3  3  3  3  3  3△△ △△ 有效应力圆有效应力圆总应力圆总应力圆 u u=0=0BCcu  uAA  3A  1A饱和粘性土在三组饱和粘性土在三组 3 3下的不排水剪试下的不排水剪试验得到验得到A、、B、、C三个不同三个不同 3 3作用下作用下破坏时的总应力圆破坏时的总应力圆试验表明：试验表明：虽然三个试样的周围压力虽然三个试样的周围压力 3 3不同，但破不同，但破坏时的主应力差相等，三个极限应力圆的直径相等，坏时的主应力差相等，三个极限应力圆的直径相等，因而强度包线是一条水平线因而强度包线是一条水平线三个试样只能得到三个试样只能得到一个有效应力圆一个有效应力圆 2. 2. 固结不排水剪（固结不排水剪（CUCU）） n三轴试验：三轴试验：施加周围压力施加周围压力 3 3时时打开排水阀门，试样完全排打开排水阀门，试样完全排水固结，孔隙水压力完全消水固结，孔隙水压力完全消散然后关闭排水阀门，再散。

然后关闭排水阀门，再施加轴向压力增量施加轴向压力增量△△ ，使试，使试样在不排水条件下剪切破坏样在不排水条件下剪切破坏  3  3  3  3  3  3△△ △△ n直剪试验：直剪试验：剪切前试样在垂剪切前试样在垂直荷载下充分固结，剪切时直荷载下充分固结，剪切时速率较快，使土样在剪切过速率较快，使土样在剪切过程中不排水，这种剪切方法程中不排水，这种剪切方法为称固结快剪为称固结快剪打开打开排排水阀水阀关闭关闭排排水阀水阀  3  3  3  3  3  3△△ △△ 将总应力圆在水平轴上左移将总应力圆在水平轴上左移u uf f得到相应的有效应力得到相应的有效应力圆，按有效应力圆强度包线可确定圆，按有效应力圆强度包线可确定c  、、      ccuc    cucu  饱和粘性土在三组饱和粘性土在三组 3 3下进行固结不排水剪下进行固结不排水剪试验得到试验得到A、、B、、C三个不同三个不同 3 3作用下破坏作用下破坏时的总应力圆，由总应力圆强度包线确定时的总应力圆，由总应力圆强度包线确定固结不排水剪总应力强度指标固结不排水剪总应力强度指标ccu、、  cuABC土样所处的状态：土样所处的状态： 3> pc、属于正常固结试样属于正常固结试样； 3< pc，属于超固结试样属于超固结试样 试验结果证明，这两种不同固结状态的试样，抗剪强度性状是不同的，试验结果证明，这两种不同固结状态的试样，抗剪强度性状是不同的，即空压变化和体积变化完全不同。

即空压变化和体积变化完全不同 说明：说明：正常固结试样剪切时体积有减少的趋势正常固结试样剪切时体积有减少的趋势 ( (剪缩剪缩) )但由于不允许排但由于不允许排水，产生正的孔隙水压力，超固结试样在剪切时体积有增加的趋势水，产生正的孔隙水压力，超固结试样在剪切时体积有增加的趋势( ( 剪胀剪胀) )超固结试样在剪切过程中．开始产生正的孔隙水压力．以后转为负值超固结试样在剪切过程中．开始产生正的孔隙水压力．以后转为负值2.1 2.1 固结不排水剪（固结不排水剪（CUCU）强度指标）强度指标 ( (a)a)主应力差与轴向应变关系主应力差与轴向应变关系(b)(b)孔隙水压力与轴向应变关系孔隙水压力与轴向应变关系 正常固结饱和粘性土固结不排水试验结果：正常固结饱和粘性土固结不排水试验结果：正常固结饱和粘性土固结不排水试验正常固结饱和粘性土固结不排水试验2.1 2.1 固结不排水剪（固结不排水剪（CUCU）强度指标）强度指标 有效应力圆与总应力圆直径相等、仅位置不同两者之间的距有效应力圆与总应力圆直径相等、仅位置不同两者之间的距离为离为uf，因为正常固结试样在剪切破坏时产生正的孔隙水压力，故，因为正常固结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方。

总应力破坏包线和有效应力破坏包有效应力圆在总应力圆的左方总应力破坏包线和有效应力破坏包线都通原点，说明未受任何固结压力的土线都通原点，说明未受任何固结压力的土(如泥浆状土如泥浆状土)不具有抗剪不具有抗剪强度 总应力破坏包线的倾角以总应力破坏包线的倾角以 cu表示，一般在表示，一般在10º～～20º之间，有效之间，有效应力破坏包线的倾角应力破坏包线的倾角 ´称为有效内摩擦角，称为有效内摩擦角， ´比比  cu大一倍左右大一倍左右超固结土的固结不排水试验结果超固结土的固结不排水试验结果 超固结饱和粘性土固结不排水试验超固结饱和粘性土固结不排水试验2.1 2.1 固结不排水剪（固结不排水剪（CUCU）强度指标）强度指标 超固结土的固结不排水总应力破坏包线是一条平缓的曲线，可近似用直线超固结土的固结不排水总应力破坏包线是一条平缓的曲线，可近似用直线abab代替，与正常固结破坏包线代替，与正常固结破坏包线bcbc相交bcbc的延长线仍通过原点，实用上将的延长线仍通过原点，实用上将abcabc折线取为一条直线折线取为一条直线 固结不排水剪的总应力强度包线可表达为：固结不排水剪的总应力强度包线可表达为：ττf f = = c ccucu＋＋   tantan  cu cu 固结不排水剪的有效应力强度包线可表达为：固结不排水剪的有效应力强度包线可表达为：ττf f = = c´c´＋＋ ´ ´tantan ´ ´ 由于超固结土在剪切破坏时，产生负孔隙水压力，有效应力圆在总应力圆由于超固结土在剪切破坏时，产生负孔隙水压力，有效应力圆在总应力圆的右方，正常固结试祥产生正的孔隙水压力，故有效应力圆在总应力圆的左方。

的右方，正常固结试祥产生正的孔隙水压力，故有效应力圆在总应力圆的左方通常通常 c´ ´>   cucu 3. 3. 固结排水剪（固结排水剪（CDCD）） n三轴试验：三轴试验：试样在周围压力试样在周围压力 3 3作用下排水固结，再缓慢施作用下排水固结，再缓慢施加轴向压力增量加轴向压力增量△△ ，直至剪，直至剪破，整个试验过程中打开排破，整个试验过程中打开排水阀门，始终保持试样的孔水阀门，始终保持试样的孔隙水压力为零隙水压力为零  3  3  3  3  3  3△△ △△ n直剪试验：直剪试验：试样在垂直压力下试样在垂直压力下固结稳定，再以缓慢的速率施固结稳定，再以缓慢的速率施加水平剪力，直至剪破，整个加水平剪力，直至剪破，整个试验过程中尽量使土样排水，试验过程中尽量使土样排水，试验方法称为慢剪试验方法称为慢剪打开打开排排水阀水阀在整个排水剪试验过程中，在整个排水剪试验过程中， uf ＝＝0 0，总应力全部转化，总应力全部转化为有效应力，所以总应力圆即是有效应力圆，总应力为有效应力，所以总应力圆即是有效应力圆，总应力强度线即是有效应力强度线。

强度指标为强度线即是有效应力强度线强度指标为cd、、 d d  cd d d  3  3  3  3  3＋＋△△   3＋＋△△  固结排水试验在整个试验过程中，孔隙水压力始终为零，总应力最后固结排水试验在整个试验过程中，孔隙水压力始终为零，总应力最后全部转化为有效应力，所以总应力圆就是有效应力圆．总应力破坏包线全部转化为有效应力，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就是有效应力破坏包线 固结排水剪的强度包线可表达为：固结排水剪的强度包线可表达为：τf = cd＋  tan d 固结排水试验 （a)正常固结 (b) 超固结3.1 3.1 固结排水剪（固结排水剪（CUCU）强度指标）强度指标 试试验验证证明明 ， cd、 d与与固固结结不不排排水水试试验验得得到到的的 c´、´接接 近近 ，由由于于 固固 结结 排排 水水 试试 验验 所所 需需 的的 时时 间间 太太 长长 ．． 故故 实实 用用 上上 用用 c ´、 ´代代 替替 cd 、d ，但但是是两两者者的的试试验验条条件件是是有有差差别别的的，，固固结结不不排排水水试试验验在在剪剪切切过过程程中中试试样样的的体体积积保保持持不不变变，，而而固固结结排排水水试试验验在在剪剪切切过过程程中中试试样样的的体体积积一一般般发发生生变变化化 ， cd 、 d 略略大大于于 c´ 、´。

总结：对同一种土进行三种试验结果总结：对同一种土进行三种试验结果 对对于于同同一一种种黏黏性性土土，，在在不不同同的的排排水水条条件件下下进进行行试试验验，，总总应应力力强强度度指指标标完完全全不不同同，，但但都都可可以以得得到到一一条条有有效效应应力力强强度度包包线线，，有有效效应应力力强强度度指指标标不不随随试试验验方方法法的的改改变变而而不不同同 ，， 抗抗 剪剪 强强 度度 与与 有有 效效 应应 力力 有有 唯唯 一一 的的 对对 应应 关关 系系 超固结超固结 正常固结正常固结有效应力圆有效应力圆总应力圆总应力圆三、抗剪强度指标的选用三、抗剪强度指标的选用 土的抗剪强度指标随试验方法、排水条件的不同而土的抗剪强度指标随试验方法、排水条件的不同而异，对于具体工程问题，应该尽可能根据现场条件决定异，对于具体工程问题，应该尽可能根据现场条件决定采用实验室的试验方法，以获得合适的抗剪强度指标采用实验室的试验方法，以获得合适的抗剪强度指标 试验方法试验方法适用条件适用条件不不排排水水剪剪或或快剪快剪地地基基土土的的透透水水性性和和排排水水条条件件不不良良，，建建筑筑物物施工速度较快施工速度较快排排水水剪剪或或慢慢剪剪地地基基土土的的透透水水性性好好，，排排水水条条件件较较佳佳，，建建筑筑物加荷速率较慢物加荷速率较慢固固结结不不排排水水剪剪或或固固结结快快剪剪建建筑筑物物竣竣工工以以后后较较久久，，荷荷载载又又突突然然增增大大，，或地基条件等介于上述两种情况之间或地基条件等介于上述两种情况之间 第四节 饱和黏性土抗剪强度 第四节 饱和黏性土抗剪强度四、孔隙压力四、孔隙压力系数与应力路径系数与应力路径4.1三轴压缩实验中的孔隙压力系数三轴压缩实验中的孔隙压力系数 研究研究目的目的：：通过空隙压力系数建立轴对称应力状态下土中空隙通过空隙压力系数建立轴对称应力状态下土中空隙压力与大、小主应力之间的关系，以便计算压力与大、小主应力之间的关系，以便计算应力作用下应力作用下的孔隙的孔隙水压力及计算有效应力。

水压力及计算有效应力——1959年斯开普敦（年斯开普敦（A.W Skempton））++=单元土中孔隙压力单元土中孔隙压力发展过程发展过程孔隙压力系数孔隙压力系数B 当试样在不排水条件下受到各向当试样在不排水条件下受到各向等压增量等压增量( (围压）时围压）时，产生的孔隙应力增量与压力增量，产生的孔隙应力增量与压力增量之比定义为孔隙压力系数之比定义为孔隙压力系数B：： B反映土体在各向等压作用下，孔隙应力变反映土体在各向等压作用下，孔隙应力变化情况，也是反映土体饱和程度的指标化情况，也是反映土体饱和程度的指标饱和土：饱和土：B=1非饱和土：非饱和土：0

应力点在应力空间的运动轨迹称为应力路径力空间的运动轨迹来描述应力点在应力空间的运动轨迹称为应力路径二：应力路径的绘制二：应力路径的绘制 可在莫尔圆上适当选择一个特征应力点来代表整个应力圆，常用可在莫尔圆上适当选择一个特征应力点来代表整个应力圆，常用的特征点是应力圆的顶点的特征点是应力圆的顶点( (最大剪应力处最大剪应力处) )，其座标为，，其座标为， ，按应力变化过程顺序把这些点连按起来就是应力路径，，按应力变化过程顺序把这些点连按起来就是应力路径，并以箭头指明应力状态的发展方向并以箭头指明应力状态的发展方向4.2 应力路径应力路径 O 1 3 r应力状态可用莫尔圆表示应力状态可用莫尔圆表示应力状态也可用莫尔圆上的点，如应力状态也可用莫尔圆上的点，如（（p,q））来表示来表示(p、、q)圆心坐标圆心坐标：： {(   )  、、0}半径半径：：r = (   ) 顶点坐标顶点坐标：：(p、、q)其中其中，，p=(   ) q=(   ) 应力状态的表示应力状态的表示  O强度包线强度包线O n方法一：方法一：用一系列的莫用一系列的莫尔圆表示尔圆表示 1  3pqO 3O n方法二：方法二：用莫尔圆的顶用莫尔圆的顶点坐标的变化线表示点坐标的变化线表示破坏主破坏主应力应力线线Kf应力路径的表示应力路径的表示破坏点位于破坏主应力线上破坏点位于破坏主应力线上破坏时的莫尔圆与破坏时的莫尔圆与强度包线相切强度包线相切  保持为常数保持为常数pq  O f 线线Kf线线两条直线两条直线与横坐标交点都是与横坐标交点都是 O’’强度包线强度包线  f ：：在在  ~   坐标系中坐标系中所有破坏状态莫尔圆的公切线所有破坏状态莫尔圆的公切线破坏主应力线破坏主应力线 Kf在在p ~q 坐标系中所有处于极限平衡应力状态对应点的集合坐标系中所有处于极限平衡应力状态对应点的集合O’强度包线（强度包线（ ））与破坏主应力线（与破坏主应力线（K Kf f）的关系）的关系pq  O c a f线线Kf线线O’ARpq  O c a f线线Kf线线O’AR强度包线（强度包线（ ））与破坏主应力线的关系与破坏主应力线的关系pq  O c a f线线Kf线线O’AR  >   ；；c c > a a以上关系说明，可以根据以上关系说明，可以根据a a 和和 反算抗剪强度指标指标反算抗剪强度指标指标c c和和 强度包线（强度包线（ ））与破坏主应力线的关系与破坏主应力线的关系总应力路径和有效应力路径总应力路径和有效应力路径有效应力原理有效应力原理 (p) (q)O ’(p’)u 1 3 ’3 ’1pp Oq q 饱和土固结不排水试验饱和土固结不排水试验uuf总应力总应力K f线线有效有效应力应力Kf线线p0= 3。