抗剪強度得試驗方法

1、第三節(jié)抗剪強度得試驗方法一、直接剪切試驗適用范圍：室內(nèi)測定土的抗剪強度，是最常用和最簡便的方法儀器：直剪儀直剪儀分類：分應(yīng)變控制式和應(yīng)力控制式兩種應(yīng)變控制式直剪儀的試驗方法簡介： 通過杠桿對土樣施加垂直壓力 P后，由推動座勻速 推進對下盒施加剪應(yīng)力，使試樣沿上下盒水平接觸面產(chǎn)生剪切變形， 直至剪破。通常取四個 試樣，分別在不同:下進行剪切，求得相應(yīng)的 T f。繪制T f -:二曲線。剪切也移認MlwiR【討論】直剪試驗為何要取四個原狀土樣?破壞強度T f的判定：較密實的粘土及密砂土的 T-I曲線具有明顯峰值， 如圖中曲線 1其峰值即為破壞強 度T f；對軟粘土和松砂，其 T - I曲線常不出現(xiàn)

2、峰值，如圖中曲線 2,此時可按以剪切位移 相對穩(wěn)定值b點的剪應(yīng)力作為抗剪強度 T f。按排水條件分：快剪不排水剪固結(jié)快剪固結(jié)不排水剪慢剪排水剪1快剪不排水剪這種試驗方法要求在剪切過程中土的含水量不變，因此，無論加垂直壓力或水平剪力， 都必須迅速進行，不讓孔隙水排出。適用范圍：加荷速率快，排水條件差，如斜坡的穩(wěn)定性、厚度很大的飽和粘土地基等。2、固結(jié)快剪固結(jié)不排水剪試樣在垂直壓力下排水固結(jié)穩(wěn)定后，迅速施加水平剪力，以保持土樣的含水量在剪切前后根本不變。試用范圍：一般建筑物地基的穩(wěn)定性，施工期間具有一定的固結(jié)作用。3、慢剪排水剪土樣的上、下兩面均為透水石， 以利排水，土樣在垂直壓力作用下，待充分排

3、水固結(jié)達 穩(wěn)定后，再緩慢施加水平剪力，使剪力作用也充分排水固結(jié)，直至土樣破壞。適用范圍：加荷速率慢，排水條件好，施工期長，如透水性較好的低塑性土以及再軟弱 飽和土層上的高填方分層控制填筑等等。直剪儀特點：構(gòu)造簡單，試樣的制備和安裝方便，且操作容易掌握，至今仍被工程單 位廣泛采用，。【討論】直剪儀的缺乏： 剪切破壞面固定為上下盒之間的水平面不符合實際情況，也即剪切面不一定是試樣 抗剪能力最弱的面； 試驗中不能嚴格控制排水條件，不能量測土樣的孔隙水壓力的變化； 由于上下盒的錯動，剪切面上的剪應(yīng)力分布不均勻，而且受剪切面面積愈來愈小。 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。*以下為試驗

4、過程1、 取樣要求：用環(huán)刀取，環(huán)刀面積不小于30cm2，環(huán)刀高度不小于 2 cm，同一土樣至少切 取4個試樣。2、試驗方法1快剪q:試樣在垂直壓力施加后立即進行快速剪切，試驗全過程都不許有排水 現(xiàn)象產(chǎn)生。2 固結(jié)快剪cq：試樣在垂直壓力下經(jīng)過一定程度的排水固結(jié)后，再進行快速剪切。3慢剪s:試樣在垂直壓力排水固結(jié)后慢慢的進行剪切，剪切過程中孔隙水可自 由排出。試驗結(jié)果：一般情況下，快剪所得的值最小，慢剪所得的 值最大，固結(jié)快剪居中。3、指標計算直接剪切試驗的結(jié)果用總應(yīng)力法按庫侖公式 f =c 二tg ，計算抗剪強度指標。用相同的比用同一土試樣切取不少于四個試樣進行不同垂直壓力作用下的剪切試驗后,

5、例尺在坐標紙上繪制抗剪強度.f與垂直壓力P的相關(guān)直線，直線交.f軸的截距即為土的內(nèi)聚力C,直線傾斜角即為土的內(nèi)摩擦角=，相關(guān)直線可用圖解法或最小二乘法確定。4、剩余抗剪強度1物理意義：土的剪應(yīng)力剪應(yīng)變關(guān)系可分為兩種類型：一種是曲線平緩上升，沒有中間峰值，如松砂；另一種剪應(yīng)力剪應(yīng)變曲線有明顯的中間峰值，在超越峰值后，剪應(yīng)變不斷增大，但抗剪強度確下降，如密砂。在粘性土中，堅硬的、超壓密的粘土的剪應(yīng)力 剪應(yīng)變曲線常呈現(xiàn)較大峰值，正常壓密土或軟粘土那么不出現(xiàn)峰值，或有很小的峰值。超過峰值后，當剪應(yīng)變相當大時，抗剪強度不再變，此時穩(wěn)定的最小抗剪強度，稱為土的剩余抗剪強度；而峰值剪應(yīng)變那么稱為峰值強度。剩

6、余抗剪強度以下式表達。fr 二 5；tg 式中：-fr :土的剩余抗剪強度KpaCr :剩余內(nèi)聚力一般 Cr疋0 KPa匚：剩余內(nèi)摩擦角0口 :垂直應(yīng)壓力Kpa在進行滑坡的穩(wěn)定性計算或抗滑計算時，土的抗剪強度的取值，一般需要考慮土的殘余抗剪強度。2試驗方法一般采用排水反復(fù)直接剪切試驗，剪切速率應(yīng)低于0.02mm/min，取土要求同上。二、三軸剪切試驗1、三軸試驗的根本原理三軸剪切試驗的原理是在圓柱形試樣上施加最大主應(yīng)力軸向壓力二1和最小主應(yīng)力周圍壓力二3。保護其中之一一般是 二3 不變，改變另一個主應(yīng)力，使試樣中的剪應(yīng) 力逐漸增大，直至到達極限平衡而剪壞，由此求出土的抗剪強度。2、三軸試驗方法

7、1 快剪不固結(jié)不排水剪UU試樣在完全不排水條件下施加周圍壓力后，快速增大軸向壓力到試樣破壞。 控制方法：應(yīng)變控制式。2 固結(jié)快剪固結(jié)不排水剪CU試樣先在周圍壓力下進行固結(jié)，然后在不排水條件下快速增大軸向壓力到試樣破壞。 控制方法：應(yīng)變控制式。3慢剪固結(jié)排水剪 CD試樣先在周圍壓力下進行固結(jié)，然后繼續(xù)在排水條件下緩慢增大軸向壓力到試樣破壞。 控制方法：應(yīng)力控制式。適用范圍：室內(nèi)測定土的抗剪強度，是最常用和最簡便的方法儀器：三軸剪力儀三軸剪力儀分類：應(yīng)變控制式和應(yīng)力控制式兩種三軸剪力儀組成：主要由壓力室、加壓系統(tǒng)和量測系統(tǒng)三大局部組成試驗原理：先對土樣施加周圍壓力，到達所需的C3 ；逐漸施加軸向壓

8、力增量厶 G直至 試樣剪破。軸向為大主應(yīng)力方向，試樣剪破面方向與大主應(yīng)力作用平面的夾角為按試樣剪破時的 門和;3作極限應(yīng)力圓，它必與強度包線相切;三軸試驗至少需要 34個土樣，分別在不同的周圍壓力 C3作用下進行剪切，得到34 個不同的破壞應(yīng)力圓，繪出各應(yīng)力圓的公切線，由此求得抗剪強度指標c、值。*三軸試驗特點優(yōu)點：1試驗中能嚴格控制試樣排水條件及測定孔隙水壓力的變化;2剪切面不固定；3應(yīng)力狀態(tài)比擬明確4除抗剪強度外，尚能測定其它指標。缺點：1操作復(fù)雜；2 所需試樣較多；3主應(yīng)力方向固定不變，而且是再令 二遼=；丁3'的軸對稱情況下進行的，與實際 情況尚不能完全符合3、試樣控制1取土要

9、求：試樣制備的數(shù)量一般不少于4件。2試樣尺寸:試樣直徑mm截面積cm2允許最大粒徑mm附注39.11221允許個別超徑顆粒存在，不應(yīng)超過試件直徑的1/5；2對于有裂隙、軟弱面或結(jié)構(gòu)面的土樣，宜用直徑61.8mm，或 101mm 的試樣。3試件高度與直徑的比值應(yīng)為2.02.561.830510180104、指標計算將同一土樣在不同應(yīng)力條件下所測得的不少于4次的三軸剪切試樣結(jié)果，分別繪制應(yīng)力圓，從這些應(yīng)力園的包線即可求出抗剪強度指標。試驗方法分析方法應(yīng)力園包線圓心橫坐標半徑在縱軸上的 截距傾角不固結(jié)不排水剪總應(yīng)力法1/丄、-13f)1 / 、 (b1f b3f )Cu%固結(jié)不排水剪總應(yīng)力法1-1C

10、J3f)21-1CT3f )2Ccucu有效應(yīng)力法11f '+b3f ')21-1f 3f ')2C'固結(jié)排水剪有效應(yīng)力法U =0® ='1 丄-1CI3f)21-1°r3f )2CdJ注：腳注f表示剪切破壞時的主應(yīng)力值。3、三軸試驗結(jié)果的整理和表達總應(yīng)力法是用剪切面上的總應(yīng)力來表示土的抗剪強度，即：f 乂 tg +c有效應(yīng)力法是用剪切面上的有效應(yīng)力來表示土的抗剪強度，即:.f = 丁 -tg：；亠 c 或.f _ ； t c式中：-,c或，c分別為有效內(nèi)摩擦角和有效內(nèi)聚力。飽和土的抗剪強度與土受剪前在法向應(yīng)力作用下的固結(jié)度有關(guān)。而土

11、只有在有效應(yīng)力作用下才能固結(jié)。有效應(yīng)力逐漸增加的過程，就是土的抗剪強度逐漸增加的過程。剪切面上的法向應(yīng)力與有效應(yīng)力之間有如下關(guān)系：:-:u土的強度主要取決于有效應(yīng)力大小，故抗剪強度的關(guān)系式中應(yīng)反映有效應(yīng)力二更為合適。即：.f = ；：.- tg c =二-u tg c總應(yīng)力法與有效應(yīng)力法的優(yōu)缺點：1總應(yīng)力法：優(yōu)點：操作簡單，運用方便。一般用直剪儀測定缺點：不能反映地基土在實際固結(jié)情況下的抗剪強度。2有效應(yīng)力法：優(yōu)點：理論上比擬嚴格，能較好的反映抗剪強度的實質(zhì)，能檢驗土體處于不同固結(jié)情況下的穩(wěn)定性。缺點：孔隙水壓力的正確測定比擬困難。例1進行土得三軸剪切試驗，得到下表關(guān)系，求與這個土樣有效應(yīng)力相

12、關(guān)得黏著力c'，內(nèi)摩擦角'。這個試驗是按固結(jié)不排水試驗進行的固結(jié)壓力kg/cm2側(cè)壓力kg/cm2最大應(yīng)力差kg/cm2最大應(yīng)力差時的孔隙水壓力kg/cm21.01.00.5710.4902.02.01.1010.9453.03.01.9381.282解：側(cè)壓力 匚3 = 1.0 Kg/cm 2時2二 if' = C1 Ui = 0.571 + 1.0- 0.490= 1.081 ( kg/cm )2二3f' = c3 - u = 1.0-0.49 = 0.510 kg/cm側(cè)壓力匚3 = 2.0 Kg/cm2時2-1f ' = - 1 -u1 = 1.

13、101 + 2.0- 0.945= 2.156 ( kg/cm )2；“3f' = “- 3 - u = 2 0.945 = 1.055 kg/cm側(cè)壓力匚3 = 3.0 kg/cm2時21f ' = "-u1 = 1.938+ 3 1.282= 3.656 ( kg/cm ). 2-3f' = ；3 u = 3.01.282 = 1.718 kg/cm繪制莫爾應(yīng)力圖求得：c' = 0 (kg/cm2)' = 210例2在飽和狀態(tài)正常固結(jié)粘土上進行固結(jié)不排水的三軸壓縮試驗，得到如下值，當側(cè)壓力二3 = 2.0 kg/cm2時，破壞時的應(yīng)力差-：

14、兀=3.5 kg/cm2,孔隙水壓力u 2.2kg/cm2，滑移面的方向和水平面成600。求這時滑移面上的法向應(yīng)力匚n和剪應(yīng)力.和二n'，另外，試驗中的最大剪應(yīng)力及其方向怎樣呢？解：根據(jù)在破壞時，二3 = 2.0 kg/cm2,2- ：；3 = 3.5 2.0 = 5.5kg/cm-60求關(guān)于總應(yīng)力的法向應(yīng)力和剪應(yīng)力 .1 31 _3那么：二 n - cos2:2 25.5 2.0255 cosO 丄 2.8752kg/cm2亠麗？，520 =1.516 kg/cr2 2有效應(yīng)力如下：二n' = ；： n -uw = 2875 -2.2 = 0675 kg/cm2另外，最大剪應(yīng)

15、力發(fā)生在和水平面成450的方向1 - 35.5 - 2.02其大小為：max -1.75 kg/cm2 2三、無側(cè)限抗壓強度試驗適用范圍：測定飽和軟粘土的不排水強度儀器：應(yīng)變控制式無側(cè)限壓縮儀試驗原理：通過轉(zhuǎn)輪對圓柱形試樣施加垂直軸向壓力，直至土樣產(chǎn)生剪切破壞；作出一個極限應(yīng)力圓，；3 =°，匚1二qu ；【討論】對于飽和軟粘土，其強度包線近似于一水平線；u=0qu-f =5 二云試驗特點：儀器構(gòu)造簡單，操作方便；可代替三軸試驗測定飽和軟粘土的不排水強度。工程飽和粘性土的強度與土的結(jié)構(gòu)有關(guān)，當土的結(jié)構(gòu)遭受破壞時，其強度會迅速降低,上常用靈敏度St來反映土的結(jié)構(gòu)受撓動對強度的影響程度。

16、quStqu'式中 qu原狀土的無側(cè)限抗壓強度，kPa;qu *重塑土 指在含水量和密度不變的條件下，使土的天然結(jié)構(gòu)徹底破壞再重新制備的土的無側(cè)限抗壓強度，kPa。根據(jù)靈敏度可將飽和粘性土分為三類：低靈敏度土1<St< 2中靈敏度土 2< St < 4咼靈敏度土St>4土的靈敏度愈高，其結(jié)構(gòu)性愈強，受撓動后土的強度就降低愈多。四、十字板剪切試驗適用范圍：現(xiàn)場測定飽和粘性土的不排水強度和靈敏度儀器：十字板剪切儀試驗特點：儀器結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、撓動少等特點五、孔隙壓力系數(shù) A B 略六、抗剪強度試驗方法與指標的選用首先根據(jù)工程問題的性質(zhì)確定分析方法，進而決定

17、采用總應(yīng)力強度指標或有效應(yīng)力強度指標，然后選擇測試方法；由三軸固結(jié)不排水試驗確定的有效應(yīng)力強度指標c 和：宜用于分析地基的長期穩(wěn)定性，例如土坡的長期穩(wěn)定性分析， 估計擋土結(jié)構(gòu)物的長期土壓力， 位于軟土地基上結(jié)構(gòu)物地 基長期穩(wěn)定分析等；對于飽和軟粘土的短期穩(wěn)定性問題，那么宜采用不排水剪的強度指標Cu；一般工程問題多采用總應(yīng)力分析法【工程經(jīng)驗】假設(shè)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，可采用不排水剪和快剪強度指標；如果地基加荷速率較慢，地基土的透水性好如低塑性的粘性土 以及排水條件又較佳 時如粘性土層中夾砂層，那么采用排水剪或慢剪強度指標；如果介于以上兩種情況之間，或建筑物竣工以

18、后較久荷載又突然增加，那么采用固結(jié)不排水剪或固結(jié)快剪強度指標。1與有效應(yīng)力法或總應(yīng)力法相對應(yīng)，應(yīng)分別采用土的有效應(yīng)力強度指標或總應(yīng) 力強度指標。2三軸試驗中的不固結(jié)不排水剪和固結(jié)不排水剪這兩種試驗方法的排水條件是很明確的3但工程情況不一定都是很確的，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，因此在具體使用中常根據(jù)判斷，這 是應(yīng)用土力學(xué)根本原理解決工程實際問題的根本方法。4雖然直剪試驗的設(shè)備簡單，操作方便，使用方便，使用比擬普遍。七、應(yīng)力路徑的概念應(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)力座標圖中的軌跡。它是 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。最常用的應(yīng)力路徑表達方式有以下兩種：1、二- 直角坐標系統(tǒng)：常用于表示已剪破面上法