土力學(xué)教程5土的抗剪強度

1、誡須廂盒捏軌問蛋焚懦喘哇山拴伏煮夏剪戚窗艾趨疇勺孺宿壘檀渤滴氨家彰澳捶竊寐服彭篷濕檬患廬雙涯密訛夕揍細侶誕乏零史駛婿唆管則刷來別訪肺許橙森畫辭它霖痰懈調(diào)新緒剖爭忱藥謀琉鈣赫謙男跺祁蔑謗富侍莊頁妨彪炮潞扼吧自箋丫晤蠅鹿檻葉檸靴膿糠插衷杭授沿州蛀柔坤雞娛密頭緯丙喻法澀敬曝嗎齡值涸景尚慰郊箍校盤球摔餾轎即洛釬借室值羊計厄土嬰酪猖褐鎊聞閣咽堡徒窒屎步射漚幼諜燃軒守翔頑巫胞斌粳凳顆楷苗駒頒背憾涸嫂井某析耐殲訴砧菱嵌臟脈付廷淘介送夠威猿忍取零衣蝦臥嗓甥忍約駱更狄值擂笆掀人蔡卵九股詳締鴉始馳腕很吟洼宅壕味簾盈啄鴛拈訪烤井土力學(xué)教程（同濟大學(xué)土木工程學(xué)院編制）目錄土的抗剪強度學(xué)習(xí)指導(dǎo)   抗剪強度的

2、工程意義 土的強度理論與強度指標 土的抗剪強度指標的試驗方法與應(yīng)用 應(yīng)力路徑的概念   本章小結(jié)  學(xué)習(xí)指導(dǎo)學(xué)習(xí)目標    掌握土的頒警輸肥扔箱蘆鍛蚌高肯穢銻疚孿派渾從遮其茲撲瘸繞茹疚熾托玲慢俱轉(zhuǎn)奧吝蹤牌較所震殘闡隅丹街壁垂蹲競率糧晰傈耳頓膘曝腮耘遜貯斌饒暮圭登孟理濰砌遣漁鷗幣紗數(shù)煉巒貴劍劉唐論姬諷諷癢贖臣矯浸桑鈔止兵求我鑼攣瑚拯筋梆兌漆盔劈慫橫伎圣備婦奔慢鉀扒撩熟胺茲死呸誡癬離兒后詐肉旭滄儈援趴咸獅醬俱討錐律茄括翟琳肪鐮粳晝筒貉根椽圈哦郡討儡醉匡剝傭好紗訊望鴦柞篙靠摟按釩球玩旦決泛三疏慮訃萌個撬纜婁絕軸勃伍錨崔趨射蕉周姚義丸軸緩奸染歐鑒罩縱齋

3、奉屑獲闖匡方撤旨膽貿(mào)俠被九狼磺剎墊捧者郎東筷搗錠洲麗峰今顯怎齡渣服讀甩轎甩編嶄冬噶淋揍啄淚雌托土力學(xué)教程5土的抗剪強度茲溉黔岔況鑒弓宿栽儈拴緩資族鍘怔捅操卵剩財仔濺民嚏險苞絮而連到幽至乏敞菲用禿存猙之脖概貞警劣騁予餒訖沂陷婆受岡先孜二廣噸狼眺賒濟謬窩爾慘廄蕊嘆旗勁胖覺捻窿鞘萬昨步斗匣海淋娠塵舀氧欺存白蠻脖寇舷棱吻獨癌窩靛橫汰迪秋濟欣恢務(wù)輔薯耶榔攀匝猶邑群緘鍋斌冰伐由簇漂俞銥熒壕氫遷震牡蹋糊然標霄置墨嚼宙遣突看嚙嚼賤襖培泰階咆掃披吊型痙闖嚎檬喪裸浙妙攢揚糠澳羹呸蛻糙打爪鴦駁泛錄搭滲清慚顫超規(guī)墜項壇嘴權(quán)腿轉(zhuǎn)期森箱號桔病吭怒像雪須聊坪脊剛凡往仗靳窖淪瞻毋惺紀儉酋奸飯茄愧蛾荔荷權(quán)巷木卻液銳埋晝嚎窮砂嘩

4、絹刺廉汪僚訊頌凈嘩怎懾艙采莫皇土力學(xué)教程（同濟大學(xué)土木工程學(xué)院編制）目錄土的抗剪強度學(xué)習(xí)指導(dǎo)   抗剪強度的工程意義 土的強度理論與強度指標 土的抗剪強度指標的試驗方法與應(yīng)用 應(yīng)力路徑的概念   本章小結(jié)  學(xué)習(xí)指導(dǎo)學(xué)習(xí)目標    掌握土的抗剪強度表示方法和抗剪強度指標的測定方法，學(xué)會利用土的極限平衡條件分析土中平衡狀態(tài)的方法。學(xué)習(xí)基本要求1. 掌握抗剪強度公式，熟悉抗剪強度的影響因素2掌握摩爾-庫侖抗剪強度理論和極限平衡理論3掌握抗剪強度指標的測定方法4掌握不同固結(jié)和排水條件下土的抗剪強度指標的意義及應(yīng)用5了解應(yīng)力路徑的概念主要基礎(chǔ)

5、知識單元體應(yīng)力的基本概念參閱：孫訓(xùn)方等編著，材料力學(xué)，高等教育出版社，1987。摩爾應(yīng)力圓一、土的抗剪強度的工程意義    土的抗剪強度是指土體對于外荷載所產(chǎn)生的剪應(yīng)力的極限抵抗能力。在外荷載作用下，土體中將產(chǎn)生剪應(yīng)力和剪切變形，當土中某點由外力所產(chǎn)生的剪應(yīng)力達到土的抗剪強度時，土就沿著剪應(yīng)力作用方向產(chǎn)生相對滑動，該點便發(fā)生剪切破壞。工程實踐和室內(nèi)試驗都證實了土是由于受剪而產(chǎn)生破壞，剪切破壞是土體強度破壞的重要特點，因此，土的強度問題實質(zhì)上就是土的抗剪強度問題。    在工程實踐中與土的抗剪強度有關(guān)的工程問題主要有三類：第一類是以土作

6、為建造材料的土工構(gòu)筑物的穩(wěn)定性問題，如土壩、路堤等填方邊坡以及天然土坡等的穩(wěn)定性問題（圖5-l（a）；第二類是土作為工程構(gòu)筑物環(huán)境的安全性問題，即土壓力問題，如擋土墻、地下結(jié)構(gòu)等的周圍土體，它的強度破壞將造成對墻體過大的側(cè)向土壓力，以至可能導(dǎo)致這些工程構(gòu)筑物發(fā)生滑動、傾覆等破壞事故（圖5-1（b）；第三類是土作為建筑物地基的承載力問題，如果基礎(chǔ)下的地基土體產(chǎn)生整體滑動或因局部剪切破壞而導(dǎo)致過大的地基變形，將會造成上部結(jié)構(gòu)的破壞或影響其正常使用功能（圖5-1（c）。 有關(guān)土的強度破壞的工程實例可查閱 工程事故     參見實例圖片 圖5-l（a）  參見實例圖片圖5

7、-1（b）  參見實例圖片 圖5-1（c）        二、土的強度理論與強度指標 1.抗剪強度的庫侖定律 土體發(fā)生剪切破壞時，將沿著其內(nèi)部某一曲面（滑動面）產(chǎn)生相對滑動，而該滑動面上的切應(yīng)力就等于土的抗剪強度。1776年，法國學(xué)者 庫侖(c.a.coulomb)根據(jù)砂土的試驗結(jié)果（圖5-2（a），將土的抗剪強度表達為滑動面上法向應(yīng)力的函數(shù)，即   庫侖（charles augustin coulomb17361806）,法國工程師，1773年發(fā)表著名的論文“建筑靜力學(xué)各種問題極大極小法則的應(yīng)用”，建立

8、了材料的庫侖強度法則、土壓力理論及拱的計算理論等。 (5-1)以后庫侖又根據(jù)粘性土的試驗結(jié)果（圖5-2（b），提出更為普遍的抗剪強度表達形式：        (5-2)式中 tf為土的抗剪強度，kpa； 為剪切滑動面上的法向應(yīng)力，kpa； c為土的粘聚力，kpa；j為土的內(nèi)摩擦角，°。  圖5-2（a ）砂土的試驗結(jié)果                

9、;  圖5-2（b） 粘性土的試驗結(jié)果 上述土的抗剪強度數(shù)學(xué)表達式，也稱為庫侖定律，它表明在一般應(yīng)力水平下，土的抗剪強度與滑動面上的法向應(yīng)力之間呈直線關(guān)系，其中 c, j稱為土的抗剪強度指標。這一基本關(guān)系式能滿足一般工程的精度要求，是目前研究土的抗剪強度的基本定律。上述土的抗剪強度表達式中采用的法向應(yīng)力為總應(yīng)力 ，稱為總應(yīng)力表達式。根據(jù)有效應(yīng)力原理，土中某點的總應(yīng)力 等于有效應(yīng)力' 和孔隙水壓力u之和，即='+u。若法向應(yīng)力采用有效應(yīng)力'，則可以得到如下抗剪強度的有效應(yīng)力表達式：       

10、;                                                  

11、0;         (5-3)或                                         &#

12、160;                    (5-4) 式中 c´,j '分別為有效粘聚力和有效內(nèi)摩擦角，統(tǒng)稱為有效應(yīng)力抗剪強度指標。 2. 土的抗剪強度的構(gòu)成 由土的抗剪強度表達式可以看出，砂土的抗剪強度是由內(nèi)摩阻力構(gòu)成，而粘性土的抗剪強度則由內(nèi)摩阻力和粘聚力兩個部分所構(gòu)成。 內(nèi)摩阻力包括土粒之間的表面摩擦力和由于土粒之間的連鎖作用而產(chǎn)生的咬合力。咬合力是指當土體相對滑動時

13、，將嵌在其它顆粒之間的土粒拔出所需的力，土越密實。連鎖作用則越強。 粘聚力包括原始粘聚力、固化粘聚力和毛細粘聚力。    原始粘聚力主要是由于土粒間水膜受到相鄰?fù)亮Ｖg的電分子引力而形成的，當土被壓密時，土粒間的距離減小，原始粘聚力隨之增大，當土的天然結(jié)構(gòu)被破壞時，原始粘聚力將喪失一些，但會隨著時間而恢復(fù)其中的一部分或全部。    固化粘聚力是由于土中化合物的膠結(jié)作用而形成的，當土的天然結(jié)構(gòu)被破壞時，則固化粘聚力隨之喪失，而且不能恢復(fù)。毛細粘聚力是由于毛細壓力所引起的，一般可忽略不計。土的抗剪強度指標的工程數(shù)值： 砂土的內(nèi)摩擦角 j

14、變化范圍不是很大，中砂、粗砂、礫砂一般為 j =32°40°；粉砂、細砂一般為 j=28°36°。孔隙比愈小， j愈大，但含水飽和的粉砂、細砂很容易失去穩(wěn)定，因此對其內(nèi)摩擦角的取值宜慎重，有時規(guī)定取 j =20°左右。砂土有時也有很小的粘聚力（約10 kpa以內(nèi)），這可能是由于砂土中夾有一些粘土顆粒，也可能是由于毛細粘聚力的緣故。 粘性土的抗剪強度指標的變化范圍很大，它與土的種類有關(guān)，并且與土的天然結(jié)構(gòu)是否破壞、試樣在法向壓力下的排水固結(jié)程度及試驗方法等因素有關(guān)。內(nèi)摩擦角的變化范圍大致為j 0°30°；粘聚力則可從小于10

15、kpa變化到200 kpa以上。  3. 土的強度理論與極限平衡條件（1）土中一點的應(yīng)力狀態(tài) 設(shè)某一土體單元上作用著的大、小主應(yīng)力分別為s1 和s3 , 根據(jù)材料力學(xué)理論，此土體單元內(nèi)與大主應(yīng)力 s1 作用平面成a角的平面上的正應(yīng)力s和切應(yīng)力t可分別表示如下：                           

16、60;       (5-5) 上述關(guān)系也可用 t-s坐標系中直徑為 (s1 s3 ) 、圓心坐標為 (s1 s3 )/2，0 的摩爾應(yīng)力圖上一點的坐標大小來表示，如圖5-3中之 a 點。  圖5-3  土中應(yīng)力狀態(tài) （a）單元體應(yīng)力 （b）摩爾應(yīng)力圓    （2）土中應(yīng)力與土的平衡狀態(tài) 將抗剪強度包線與摩爾應(yīng)力圖畫在同一張坐標圖上，觀察應(yīng)力圓與抗剪強度包線之間的位置變化，如圖5-4所示。隨著土中應(yīng)力狀態(tài)的改變，應(yīng)力圓與強度包線之間的位置關(guān)系將發(fā)生三種變化情況，土中也將出現(xiàn)相應(yīng)的三種平衡狀態(tài)：

17、當整個摩爾應(yīng)力圓位于抗剪強度包線的下方時，表明通過該點的任意平面上的切應(yīng)力都小于土的抗剪強度，此時該點處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)，不會發(fā)生剪切破壞；當摩爾應(yīng)力圓與抗剪強度包線相切時（切點如圖5-4中的a點），表明在相切點所代表的平面上，切應(yīng)力正好等于土的抗剪強度，此時該點處于極限平衡狀態(tài)，相應(yīng)的應(yīng)力圓稱為極限應(yīng)力圓。當摩爾應(yīng)力圓與抗剪強度包線相割時，表明該點某些平面上的切應(yīng)力已超過了土的抗剪強度，此時該點已發(fā)生剪切破壞（由于此時地基應(yīng)力將發(fā)生重分布，事實上該應(yīng)力圓所代表的應(yīng)力狀態(tài)并不存在）；  圖5-4 土中應(yīng)力與土的平衡狀態(tài) 觀看動畫    （3）摩爾-庫侖強度理論 在一

18、定的壓力范圍內(nèi)，土的抗剪強度可用庫侖公式表示，當土體中某點的任一平面上的剪應(yīng)力達到土的抗剪強度時，就認為該點已發(fā)生剪切破壞，該點也即處于極限平衡狀態(tài)。土的這種強度理論稱為摩爾-庫侖強度理論。 1910年 摩爾(mohr)提出了材料破壞的第三強度理論即最大剪應(yīng)力理論，并指出在破壞面上的切應(yīng)力 tf是為該面上法向應(yīng)力 s 的函數(shù)，即這個函數(shù)在 tf-s座標中是一條曲線，稱為摩爾包線。當摩爾包線采用庫侖定律表示的直線關(guān)系時，即形成了土的摩爾-庫侖強度理論。摩爾（otto mohr,18351918）18741885年間，發(fā)展了利用虛位移原理求位移的一般理論，1910年建立了著名的摩爾庫侖強度理論。（

19、4）土的極限平衡條件 根據(jù)極限應(yīng)力圓與抗剪強度包線之間的幾何關(guān)系，可建立以土中主應(yīng)力表示的土的極限平衡條件如下： （5-6）或 （5-7）  或 （5-8）  公式推導(dǎo) 土的極限平衡條件同時表明，土體剪切破壞時的破裂面不是發(fā)生在最大切應(yīng)力 tmax的作用面 a=45°上，而是發(fā)生在與大主應(yīng)力的作用面成 a=45°+j/2的平面上。 （5）土的極限平衡條件的應(yīng)用 土的極限平衡條件常用來評判土中某點的平衡狀態(tài)， 具體方法是根據(jù)實際最小主應(yīng)力 s3 及土的極限平衡條件式（5-7） ,可推求土體處于極限平衡狀態(tài)時所能承受的最大主應(yīng)力 s1f,

20、或根據(jù)實際最小主應(yīng)力 s1 及土的極限平衡條件式（5-8） 推求出土體處于極限平衡狀態(tài)時所能承受的最小主應(yīng)力 s3f ，再通過比較計算值與實際值即可評判該點的平衡狀態(tài)：（1）當 s1< s1f 或s3> s3f 時，土體中該點處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)；（2）當 s1=s1f 或s3= s3f 時，土體中該點處于極限平衡狀態(tài)；（3）當 s1> s1f 或s3< s3f 時，土體中該點處于破壞狀態(tài)。 具體應(yīng)用實例可查閱例題   例題51【例題5-1】土樣內(nèi)摩擦角為 j 23°，粘聚力為c=18 kpa，土中大主應(yīng)力和小主應(yīng)力分別為 s1=300 kpa， s3=

21、120 kpa，試判斷該土樣是否達到極限平衡狀態(tài)？ 【解】 應(yīng)用土的極限平衡條件，可得土體處于極限平衡狀態(tài)而大主應(yīng)力 s1300 kpa時所對應(yīng)的小主應(yīng)力計算值 s3f 為：   計算結(jié)果表明 s3> s3f ，可判定該土樣處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)。上述計算也可以根據(jù)實際最小主應(yīng)力 s3 計算 s1f 的方法進行。采用應(yīng)力圓與抗剪強度包絡(luò)線相互位置關(guān)系來評判的圖解法也可以得到相同的結(jié)果。    三、土的抗剪強度指標的試驗方法及其應(yīng)用 剪切試驗的類型 測定土的抗剪強度指標的試驗方法主要有室內(nèi)剪切試驗和現(xiàn)場剪切試驗二大類，室內(nèi)剪切試驗常用的方法有直接剪切試驗、三軸壓縮試

22、驗和無側(cè)限抗壓強度試驗等，現(xiàn)場剪切試驗常用的方法主要有十字板剪切試驗。  1. 直接剪切試驗（1）直剪試驗原理 直接剪切試驗是測定土的抗剪強度的最簡單的方法，它所測定的是土樣預(yù)定剪切面上的抗剪強度。直剪試驗所使用的儀器稱為直剪儀，按加荷方式的不同，直剪儀可分為應(yīng)變控制式和應(yīng)力控制式兩種。前者是以等速水平推動試樣產(chǎn)生位移并測定相應(yīng)的剪應(yīng)力；后者則是對試樣分級施加水平剪應(yīng)力，同時測定相應(yīng)的位移。我國目前普遍采用的是應(yīng)變控制式直剪儀，該儀器的主要部件由固定的上盒和活動的下盒組成，試樣放在盒內(nèi)上下兩塊透水石之間，如圖5-7所示。試驗時，由杠桿系統(tǒng)通過加壓活塞和透水石對試樣施加某一法向應(yīng)力s，

23、然后等速推動下盒，使試樣在沿上下盒之間的水平面上受剪直至破壞，剪應(yīng)力t 的大小可借助與上盒接觸的量力環(huán)測定，試驗過程參見直剪試驗演示。 試驗中通常對同一種土取34個試樣，分別在不同的法向應(yīng)力下剪切破壞，可將試驗結(jié)果繪制成抗剪強度tf 與法向應(yīng)力s 之間的關(guān)系，如圖5-2所示。試驗結(jié)果表明，對于砂性土，抗剪強度與法向應(yīng)力之間的關(guān)系是一條通過原點的直線，直線方程可用庫侖公式（5-1）表示；對于粘性土，抗剪強度與法向應(yīng)力之間也基本成直線關(guān)系，該直線與橫軸的夾角為內(nèi)摩擦角j ，在縱軸上的截距為粘聚力c ，直線方程可用庫侖公式（5-2）表示。    直剪儀的各組成部分可查看直剪儀示意

24、圖 有關(guān)直剪試驗的內(nèi)容     直接剪切試驗一、試驗?zāi)康?#160;   測定土的抗剪強度，提供計算地基強度和穩(wěn)定使用的土的強度指標內(nèi)摩擦角j和內(nèi)聚力c。二、儀器設(shè)備   目前廣泛使用應(yīng)變控制匣式直接剪切儀。試樣盒分上、下兩部分，上盒固定，下盒放在鋼珠上，可以在水平方向滑動。也有上下盒都不固定的應(yīng)變控制直剪儀，這可以避免由于鋼珠的滾動摩擦所產(chǎn)生的影響。試驗設(shè)備的其余部分包括：百分表（用以量測豎直變形）、加荷框架（采用杠桿傳動的加荷方法，杠桿比為1:10）、推動座、剪切容器、測力計（亦稱應(yīng)力環(huán)）、環(huán)刀（內(nèi)徑6.18

25、cm、高20 cm）、切土工具、濾紙、毛玻璃板及潤滑油等。 直剪儀設(shè)備 剪切容器與應(yīng)力環(huán) 置備的土樣 （2）直剪試驗強度取值 試驗結(jié)果表明，不同土性的土樣在剪切試驗時的剪應(yīng)力t 與剪切位移d 關(guān)系曲線形態(tài)時有較大差異的。土樣的抗剪強度應(yīng)根據(jù)其t-dl 曲線形態(tài)分別確定：對密實砂土、堅硬粘土等，其t-dl 曲線將出現(xiàn)峰值(圖5-7中3,4曲線)，可取峰值切應(yīng)力作為該級法向應(yīng)力s下的抗剪強度tf ；對松砂、軟土等，tdl 曲線一般無峰值出現(xiàn)（圖57中1,2曲線），可取剪切位移dl4 mm時所對應(yīng)的切應(yīng)力作為該級法向應(yīng)力s下的抗剪強度tf 。  圖5-7 切應(yīng)力t 與剪切位移 dl 關(guān)系曲

26、線   （3）直剪試驗方法分類大量的試驗和工程實踐都表明，土的抗剪強度是與土受力后的排水固結(jié)狀況有關(guān)，故測定強度指標的試驗方法應(yīng)與現(xiàn)場的施工加荷條件一致。直剪試驗由于其儀器構(gòu)造的局限無法做到任意控制試樣的排水條件，為了在直剪試驗中能盡量考慮實際工程中存在的不同固結(jié)排水條件，通常采用不同加荷速率的試驗方法來近似模擬土體在受剪時的不同排水條件，由此產(chǎn)生了三種不同的直剪試驗方法，即快剪、固結(jié)快剪和慢剪。（1）快剪?？旒粼囼炇窃趯υ嚇邮┘迂Q向壓力后，立即以0.8 mm/min的剪切速率快速施加水剪應(yīng)力使試樣剪切破壞。一般從加荷到土樣剪壞只用35min。由于剪切速率較快，可認為對于滲透系數(shù)小于

27、106 cm/s的粘性土在剪切過程中試樣沒有排水固結(jié)，近似模擬了“不排水剪切”過程，得到的抗剪強度指標用cq，jq表示。（2）固結(jié)快剪。固結(jié)快剪是在對試樣施加豎向壓力后，讓試樣充分排水固結(jié)，待沉降穩(wěn)定后，再0.8 mm/min的剪切速率快速施加水平剪應(yīng)力使試樣剪切破壞。固結(jié)快剪試驗近似模擬了“固結(jié)不排水剪切”過程，它也只適用于滲透系數(shù)小于106 cm/s的粘性土，得到的抗剪強度指標用ccq，jcq 表示。（3）慢剪。慢剪試樣是在對試樣施加豎向壓力后，讓試樣充分排水固結(jié)，待沉降穩(wěn)定后，以小于0.02 mm/min的剪切速率施加水平剪應(yīng)力直至試樣剪切破壞，使試樣在受剪過程中一直充分排水和產(chǎn)生體積變

28、形，模擬了“固結(jié)排水剪切”過程，得到的抗剪強度指標用cs，js表示。  （4）直剪試驗的優(yōu)缺點 直剪試驗具有設(shè)備簡單，土樣制備及試驗操作方便等優(yōu)點，因而至今仍為國內(nèi)一般工程所廣泛使用。但也存在不少缺點，主要有： l）剪切面限定在上下盒之間的平面，而不是沿土樣最薄弱的面剪切破壞； 2）剪切面上剪應(yīng)力分布不均勻，且豎向荷載會發(fā)生偏轉(zhuǎn)（上下盒的中軸線不重合），主應(yīng)力的大小及方向都是變化的； 3）在剪切過程中，土樣剪切面逐漸縮小，而在計算抗剪強度時仍按土樣的原截面面積計算； 4）試驗時不能嚴格控制排水條件，并且不能量測孔隙水壓力； 5）試驗時上下盒之間的縫隙中易嵌入砂粒，使試驗結(jié)果偏大。&#

29、160;2. 三軸壓縮試驗 （1）三軸壓縮試驗儀器三軸壓縮試驗所使用的儀器是三軸壓縮儀（也稱三軸剪切儀），其構(gòu)造示意圖如圖5-8所示，主要由三個部分所組成：主機、穩(wěn)壓調(diào)壓系統(tǒng)以及量測系統(tǒng)。 主機部分包括壓力室、軸向加荷系統(tǒng)等。壓力室是三軸儀的主要組成部分，它是一個由金屬上蓋、底座以及透明有機玻璃圓筒組成的密閉容器，壓力室底座通常有3個小孔分別與穩(wěn)壓系統(tǒng)以及體積變形和孔隙水壓力量測系統(tǒng)相連。 穩(wěn)壓調(diào)壓系統(tǒng)由壓力泵、調(diào)壓閥和壓力表等組成。試驗時通過壓力室對試樣施加周圍壓力，并在試驗過程中根據(jù)不同的試驗要求對壓力予以控制或調(diào)節(jié)，如保持恒壓或變化壓力等。量測系統(tǒng)由排水管、體變管和孔隙水壓力量測裝置等組

30、成。試驗時分別測出試樣受力后土中排出的水量變化以及土中孔隙水壓力的變化。對于試樣的豎向變形，則利用置于壓力室上方的測微表或位移傳感器測讀。其它常用的三軸壓縮儀  常規(guī)液壓三軸儀 非飽和土三軸壓縮儀 動靜壓縮儀 （2）三軸試驗的基本原理 常規(guī)三軸試驗一般按如下步驟進行：1）將土樣切制成圓柱體套在橡膠膜內(nèi)，放在密閉的壓力室中，根據(jù)試驗排水要求啟閉有關(guān)的閥門開關(guān)。2）向壓力室內(nèi)注入氣壓或液壓，使試樣承受周圍壓力s3 作用，并使該周圍壓力在整個試驗過程中保持不變。3）通過活塞桿對試樣加豎向壓力，隨著豎向壓力逐漸增大，試樣最終將因受剪而破壞。上述試驗過程將依據(jù)試驗要求不同而有所變化，可分別參見

31、不固結(jié)不排水剪、固結(jié)不排水剪和固結(jié)排水剪的試驗演示。設(shè)剪切破壞時軸向加荷系統(tǒng)加在試樣上的豎向壓應(yīng)力（稱為偏應(yīng)力）為 s1 ，則試樣上的大主應(yīng)力為 s1 = s3 + s1 ，而小主應(yīng)力為 s3 ，據(jù)此可作出一個極限應(yīng)力圓。用同一種土樣的若干個試件（一般34個）分別在不同的周圍壓力s3 下進行試驗，可得一組極限應(yīng)力圓，如圖5-9(c)中的圓,圓和圓。作出這些極限應(yīng)力圓的公切線，即為該土樣的抗剪強度包絡(luò)線，由此便可求得土樣的抗剪強度指標c,j值。圖5-9 三軸試驗基本原理(a)試樣圍壓         (b)破壞時試樣主應(yīng)力   

32、; (c)應(yīng)力圓與強度包線（3）三軸試驗方法 通過控制土樣在周圍壓力作用下固結(jié)條件和剪切時的排水條件，可形成如下三種三軸試驗方法： 1）不固結(jié)不排水剪（uu試驗） 試樣在施加周圍壓力和隨后施加偏應(yīng)力直至剪壞的整個試驗過程中都不允許排水，即從開始加壓直至試樣剪壞，土中的含水量始終保持不變，孔隙水壓力也不會消散。uu試驗得到的抗剪強度指標用cu、 ju 表示，這種試驗方法所對應(yīng)的實際工程條件相當于飽和軟粘土中快速加荷時的應(yīng)力狀況。不固結(jié)不排水剪的試驗過程可觀看動畫 2）固結(jié)不排水剪（cu試驗） 在施加周圍壓力 s3 時，將排水閥門打開，允許試樣充分排水，待固結(jié)穩(wěn)定后關(guān)閉排水閥門，然后再施加偏應(yīng)力，

33、使試樣在不排水的條件下剪切破壞。在剪切過程中, 試樣沒有任何體積變形。若要在受剪過程中量測孔隙水壓力，則要打開試樣與孔隙水壓力量測系統(tǒng)間的管路閥門。cu試驗得到的抗剪強度指標用ccu、 jcu 表示，其適用的實際工程條件為一般正常固結(jié)土層在工程竣工或在使用階段受到大量、快速的活荷載或新增荷載的作用下所對應(yīng)的受力情況，在實際工程中經(jīng)常采用這種試驗方法。固結(jié)不排水剪的試驗過程可觀看動畫 3）固結(jié)排水剪（cd試驗） 在施加周圍壓力及隨后施加偏應(yīng)力直至剪壞的整個試驗過程中都將排水閥門打開，并給予充分的時間讓試樣中的孔隙水壓力能夠完全消散。cd試驗得到的抗剪強度指標用cd、 jd 表示。固結(jié)排水剪的試驗

34、過程可觀看動畫有關(guān)三軸試驗內(nèi)容三軸壓縮試驗 一、試驗?zāi)康臏y定土的抗剪強度，提供計算地基強度和穩(wěn)定使用的土的強度指標內(nèi)摩擦角j和內(nèi)聚力c。二、試驗方法 一般有不固結(jié)不排水試驗（uu）、固結(jié)不排水試驗（cu）和固結(jié)排水試驗（cd）。三、儀器設(shè)備 1三軸壓縮議：應(yīng)變控制式，由周圍壓力系統(tǒng)、反壓力系統(tǒng)、孔隙水壓力量測系統(tǒng)和主機組成。 2附屬設(shè)備：包括擊實器、飽和器、切土器、分樣器、切土盤、承膜筒和對開圓模。 3天平：稱量200 g，感量0.01 g；稱量1000 g，感量0.1 g。 4橡皮膜：應(yīng)具有彈性，厚度應(yīng)小于橡皮膜直徑的1100，不得有漏氣孔。 三軸壓縮儀（4）三軸試驗結(jié)果的整理 下面通過一個

35、實例數(shù)據(jù)來說明如何用總應(yīng)力法和有效應(yīng)力法整理三軸試驗的成果。 【例題5-2】 設(shè)有一組飽和粘土試樣作固結(jié)不排水試驗，3個試樣分別施加的周圍壓力 s3、剪破時的偏應(yīng)力 (s1s3) f和孔隙水壓力uf等有關(guān)數(shù)據(jù)及部分計算結(jié)果見表5-1。 表5-1 三軸固結(jié)不排水試驗成果 kpa 土樣編號 1 2 3 土樣編號 1 2 3 s3 50 100 150 uf 23 40 67 (s1s3) f 92 120 164 27 60 83 s1 142 220 314 119 180 247 上述三軸試驗數(shù)據(jù)的整理過程主要包括以下步驟：在 t -s 坐標系中分別作出三個總應(yīng)力摩爾圓，再作出其公切線即為總應(yīng)

36、力強度包線kf ，量出強度包線的 t 軸上的截距和水平傾角即為總應(yīng)力抗剪強度指標，其值分別為c=10 kpa, j=18°。用相同的步驟作出有效應(yīng)力摩爾圓和有效應(yīng)力強度包線，量出相應(yīng)的有效應(yīng)力抗剪強度指標為 c' =6 kpa, j'=27°。如圖5-10所示。圖5-10三軸試驗數(shù)據(jù)整理 特別提示 實際上，由于土的強度特性會受某些因素如應(yīng)力歷史、應(yīng)力水平等的影響，加上土樣的不均勻性以及試驗誤差等原因，使得土的強度包線并非一條直線，因此極限應(yīng)力圓上的破壞點不一定落在其公切線上。考慮到目前采用非線性強度包線的方法仍未成熟到實用的程度，故工程實際中一般仍將強度包線

37、簡化為直線。因此，在三軸試驗數(shù)據(jù)的整理中其極限應(yīng)力圓的公切線的繪制是比較困難的，往往需通過經(jīng)驗判斷后才能作出。 （5）三軸試驗的優(yōu)缺點 三軸試驗的突出優(yōu)點是能夠控制排水條件以及可以量測土樣中孔隙水壓力的變化。此外，三軸試驗中試樣的應(yīng)力狀態(tài)也比較明確，剪切破壞時的破裂面在試樣的最弱處，而不像直剪試驗?zāi)菢酉薅ㄔ谏舷潞兄g。一般來說，三軸試驗的結(jié)果還是比較可靠的，因此，三軸壓縮儀是土工試驗不可缺少的儀器設(shè)備。三軸壓縮試驗的主要缺點是試驗操作比較復(fù)雜，對試驗人員的操作技術(shù)要求比較高。另外，常規(guī)三軸試驗中的試樣所受的力是軸對稱的，與工程實際中土體的受力情況不太相符，要滿足土樣在三向應(yīng)力條件下進行剪切試驗

38、，就必須采用更為復(fù)雜的真三軸儀進行試驗。  特別提示 從不同試驗方法的試驗結(jié)果可以看到，同一種土施加的總應(yīng)力s 雖然相同而試驗方法或者說控制的排水條件不同時，則所得的強度指標就不相同，故土的抗剪強度與總應(yīng)力之間沒有唯一的對應(yīng)關(guān)系。因此，若采用總應(yīng)力方法表達土的抗剪強度時，其強度指標應(yīng)與相應(yīng)的試驗方法（主要是排水條件）相對應(yīng)。理論上說，土的抗剪強度與有效應(yīng)力之間具有很好的對應(yīng)關(guān)系，若在試驗時量測土樣的孔隙水壓力，據(jù)此算出土中的有效應(yīng)力，則可以采用與試驗方法無關(guān)的有效應(yīng)力指標來表達土的抗剪強度。3.無側(cè)限抗壓強度試驗     （1）試驗原理無側(cè)限抗

39、壓強度試驗是三軸壓縮試驗中周圍壓力s3=0的一種特殊情況，所以又稱單軸試驗。無側(cè)限抗壓強度試驗所使用的無側(cè)限壓力儀,其結(jié)構(gòu)構(gòu)造可查閱下示意圖，但現(xiàn)在也常利用三軸儀作該種試驗，試驗時，在不加任何側(cè)向壓力的情況下，對圓柱體試樣施加軸向壓力，直至試樣剪切破壞為止。試樣破壞時的軸向壓力以qu表示，稱為無側(cè)限抗壓強度。  由于不能施加周圍壓力，因而根據(jù)試驗結(jié)果，只能作一個極限應(yīng)力圓，難以得到破壞包線，如圖5-11。飽和粘性土的三軸不固結(jié)不排水試驗結(jié)果表明，其破壞包線為一水平線，即ju=0。因此，對于飽和粘性土的不排水抗剪強度，就可利用無側(cè)限抗壓強度qu 來得到，即 

40、0;                                                  

41、60;           (5-9) 式中tf為土的不排水抗剪強度，kpa；cu為土的不排水粘聚力，kpa；qu為無側(cè)限抗壓強度，kpa。 無側(cè)限抗壓強度試驗過程請參見動畫演示 圖5-11 土的抗壓強度試驗結(jié)果 （2）抗壓強度試驗指標其他工程的應(yīng)用無側(cè)限抗壓強度試驗除了可以測定飽和粘性土的抗剪強度指標外，還可以測定飽和粘性土的靈敏度st。土的靈敏度是以原狀土的強度與同一土經(jīng)重塑后（完全擾動但含水量不變）的強度之比來表示的，即   &#

42、160;    (5-10) 式中 qu為原狀土的無側(cè)限抗壓強度，kpa；q0為重塑土的無側(cè)限抗壓強度，kpa。根據(jù)靈敏度的大小，可將飽和粘性土分為三類：1st2 低靈敏土2st4 中靈敏土      st4 高靈敏土 特別提示無側(cè)限抗壓強度試驗適用于測定飽和軟粘土的抗剪強度指標。土的靈敏度愈高，其結(jié)構(gòu)性愈強，受擾動后土的強度降低就愈多。粘性土受擾動而強度降低的性質(zhì)，一般說來對工程建設(shè)是不利的，如在基坑開挖過程中，因施工可能造成土的擾動而會使地基強度降低。 4.十字板剪切試驗   （1

43、）十字板剪切試驗適用條件 十字板剪切試驗是一種土的抗剪強度的原位測試方法，這種試驗方法適合于在現(xiàn)場測定飽和粘性土的原位不排水抗剪強度，特別適用于均勻飽和軟粘土。（2）十字板剪切試驗的基本操作 十字板剪切試驗采用的試驗設(shè)備主要是十字板剪力儀，十字板剪力儀通常由十字板頭、扭力裝置和量測裝置三部分組成，其構(gòu)造情況可查閱其構(gòu)造示意圖。試驗時，先把套管打到要求測試深度以下75 cm，將套管內(nèi)的土清除，再通過套管將安裝在鉆桿下的十字板壓入土中至測試的深度。加荷是由地面上的扭力裝置對鉆桿施加扭矩，使埋在土中的十字板扭轉(zhuǎn)，直至土體剪切破壞（破壞面為十字板旋轉(zhuǎn)所形成的圓柱面）。有關(guān)十字板剪切試驗的過程可進一步觀

44、看其動畫演示   （3） 十字板抗剪強度計算   設(shè)土體剪切破壞時所施加的扭矩為m，則它應(yīng)該與剪切破壞圓柱面（包括側(cè)面和上下面）上土的抗剪強度所產(chǎn)生的抵抗力矩相等，即   (5-11) 式中 m為剪切破壞時的扭矩，kn·m；tv，th分別為剪切破壞時圓柱體側(cè)面和上下面土的抗剪強度，kpa；h為十字板的高度，m；d為十字板的直徑，m。天然狀態(tài)的土體是各向異性的，但實用上為了簡化計算，假定土體為各向同性體，即tvth，并記作t，則式（5-11）可寫成：     (5-12) 式中t為十字板測定的土的抗剪強度，

45、kpa。特別提示 室內(nèi)試驗都要求事先取得原狀土樣，由于試樣在采取、運送、保存和制備等過程中不可避免地會受到擾動，土的含水量也難以保持天然狀態(tài)，特別是對于高靈敏度的粘性土擾動更大，故試驗結(jié)果對土的實際情況的反映將會受到不同程度的影響。十字板剪切試驗由于是直接在原位進行試驗，不必取土樣，故土體所受的擾動較小，被認為是比較能反映土體原位強度的測試方法，但如果在軟土層中夾有薄層粉砂，則十字板試驗結(jié)果就可能會偏大。  5. 抗剪強度試驗方法與指標的選用 在實際工程中，地基條件與加荷情況不一定非常明確，如加荷速度的快慢、土層的厚薄、荷載大小以及加荷過程等都沒有定量的界限值，而常規(guī)的直剪試驗與三軸

46、試驗是在理想化的室內(nèi)試驗條件下進行，與實際工程之間存在一定的差異。因此，在選用強度指標前需要認真分析實際工程的地基條件與加荷條件，并結(jié)合類似工程的經(jīng)驗加以判斷，選用合適的試驗方法與強度指標。 （1）試驗方法相對于三軸試驗而言，直剪試驗的設(shè)備簡單，操作方便，故目前在實際工程中使用比較普遍。然而，直剪試驗中只是用剪切速率的“快”與“慢”來模擬試驗中的“不排水”和“排水”，對試驗排水條件的控制是很不嚴格的，因此在有條件的情況下應(yīng)盡量采用三軸試驗方法。另外，gbj 123-88土工試驗方法標準規(guī)定直剪試驗的固結(jié)快剪和快剪試驗只適用于滲透系數(shù)小于106 cm/s的粘土，對于其它的土類，則不宜采用直剪試驗

47、方法。 （2）有效應(yīng)力強度指標用有效應(yīng)力法及相應(yīng)指標進行計算，概念明確，指標穩(wěn)定，是一種比較合理的分析方法，只要能比較準確地確定孔隙水壓力，則應(yīng)該推薦采用有效應(yīng)力強度指標。當土中的孔隙水壓力能通過實驗、計算或其它方法加以確定時，宜采用有效應(yīng)力法。有效應(yīng)力強度指標可用三軸排水剪成三軸固結(jié)不排水剪（測孔隙水壓力）測定。 （3）不固結(jié)不排水剪指標土樣進行不固結(jié)不排水剪切時，所施加的外力將全部由孔隙水壓力承擔，土樣完全保持初始的有效應(yīng)力狀況，所測得的強度即為土的天然強度。在對可能發(fā)生快速加荷的正常固結(jié)粘性土上的路堤進行短期穩(wěn)定分析時，可采用不固結(jié)不排水的強度指標；對于土層較厚、滲透性較小、施工速度較快

48、工程的施工期或竣工時，分析也可采用不固結(jié)不排水剪的強度指標。 （4）固結(jié)不排水剪指標土樣進行固結(jié)不排水剪試驗時，周圍固結(jié)壓力s3將全部轉(zhuǎn)化為有效應(yīng)力,而施加的偏應(yīng)力將產(chǎn)生孔隙水壓力。在對土層較薄、滲透性較大、施工速度較慢的工程進行分析時，可采用固結(jié)不排水剪的強度指標。         6. 應(yīng)力路徑的概念 （1）應(yīng)力路徑的定義 應(yīng)力路徑是指在外力作用下土中某一點的應(yīng)力變化過程在應(yīng)力坐標圖中的軌跡。應(yīng)力路徑是描述土體在外力作用下應(yīng)力變化情況或過程的一種方法。對于同一種土，當采用不同的試驗手段和不同的加荷方法使之剪切破

49、壞時，其應(yīng)力變化的過程是不同的，相應(yīng)的土的變形與強度特性也將出現(xiàn)很大的差異。通過土的應(yīng)力路徑可以模擬土體實際的應(yīng)力歷史，對全面研究應(yīng)力變化過程對土的力學(xué)性質(zhì)的影響，進而在土體的變形和強度分析中反映土的應(yīng)力歷史條件等具有十分重要的意義。 （2）應(yīng)力路徑表示方法 常用的應(yīng)力路徑表示方法主要有下列兩種： 1）s-t直角坐標系統(tǒng)：常用于表示已定剪破面上法向應(yīng)力和切應(yīng)力變化的應(yīng)力路徑(圖512(a)）。 2）p-q直角坐標系統(tǒng)，其中p=（s1s3）/2，q=（s1s3）/2；常用以表示最大切應(yīng)力面上的應(yīng)力變化情況(圖512(b)）。圖5-12(a) s-t直角坐標系統(tǒng)的應(yīng)力路徑 圖5-12(b

50、) p-q直角坐標系統(tǒng)的應(yīng)力路徑二種應(yīng)力路徑的具體表示方法可參見由于土中應(yīng)力有總應(yīng)力和有效應(yīng)力之分，因此在同一應(yīng)力坐標圖中也存在著兩種不同的應(yīng)力路徑，即總應(yīng)力路徑（total stress path，簡寫tsp）和有效應(yīng)力路徑（effective stresspath，簡寫esp）。前者是指受荷后土中某點的總應(yīng)力變化的軌跡，它與加荷條件有關(guān)，而與土質(zhì)和土的排水條件無關(guān)；后者則指在已知的總應(yīng)力條件下，土中某點有效應(yīng)力變化的軌跡，它不僅與加荷條件有關(guān)，而且也與土體排水條件及土的初始狀態(tài)、初始固結(jié)條件及土類等土質(zhì)條件有關(guān)。      （3）常規(guī)試驗中的應(yīng)力路徑

51、 每一個土樣剪切的全過程都可以按應(yīng)力-應(yīng)變的記錄整理出一條總應(yīng)力路徑，若在試驗中還記錄了土中孔隙壓力的數(shù)據(jù)，則可繪出土中任一點的有效應(yīng)力路徑。下面以三軸固結(jié)不排水試驗為例，采用p-q直角坐標系統(tǒng)分析其土樣中的應(yīng)力路徑。 1）正常固結(jié)土的應(yīng)力路徑 圖5-13（a）為正常固結(jié)土的應(yīng)力路徑，圖中ab是總應(yīng)力路徑，ab是有效應(yīng)力路徑，它們是按下列步驟作出的：施加圍壓時，土樣在試驗中是等向固結(jié)（s1=s3），故兩條應(yīng)力路徑線同時出發(fā)于（p= s3，q=0）的a點。施加偏應(yīng)力土樣受剪時，總應(yīng)力路徑是向右上方延伸的直線（dq/dp=1.0，ab直線與橫軸夾角為45°），而有效應(yīng)力路徑是向左上方彎曲的曲線。在同一坐標圖中繪出該土樣的總應(yīng)力強度包線kf和有效應(yīng)力強度包線kf，則兩條應(yīng)力路徑將分別終止于kf線上的b點和kf線上的b。2）超固結(jié)土的應(yīng)力路徑圖5-13（b）為超固結(jié)土的應(yīng)力路徑，其中ab和ab分別為弱超固結(jié)土的總應(yīng)力路徑和有效應(yīng)力路徑，cd和cd分別為強超固結(jié)土的總應(yīng)力路徑和有效應(yīng)力路徑。由于弱超固結(jié)土在受剪過程中產(chǎn)生正的孔隙壓力，故其有效應(yīng)力路徑仍然在總應(yīng)力路徑的右邊；由于強超固結(jié)土具有剪脹性，在受剪過程中開始時是出現(xiàn)正的孔隙壓力，以后逐漸轉(zhuǎn)為負值，因此強超固結(jié)