第五章 抗剪強(qiáng)度

1、第五章第五章 土的抗剪強(qiáng)度理論土的抗剪強(qiáng)度理論主要內(nèi)容主要內(nèi)容第一節(jié)第一節(jié) 概述概述第二節(jié)第二節(jié) 庫(kù)侖定律和摩爾庫(kù)侖定律和摩爾- -庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則（重點(diǎn)）庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則（重點(diǎn)）第三節(jié)第三節(jié) 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的試驗(yàn)方法及其應(yīng)用抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的試驗(yàn)方法及其應(yīng)用第四節(jié)第四節(jié) 孔隙應(yīng)力系數(shù)及土的剪脹性（難點(diǎn)）孔隙應(yīng)力系數(shù)及土的剪脹性（難點(diǎn)）第五節(jié)第五節(jié) 土的抗剪強(qiáng)度特性的幾個(gè)問(wèn)題土的抗剪強(qiáng)度特性的幾個(gè)問(wèn)題一、材料的破壞形式一、材料的破壞形式 鑄鐵鑄鐵：（1 1）斷裂型破壞斷裂型破壞（脆斷破壞）；（脆斷破壞）； 拉伸試件拉伸試件沿橫截面斷裂，沿橫截面斷裂，扭轉(zhuǎn)圓試件扭轉(zhuǎn)圓試件沿斜截面斷裂，但斷裂沿斜截面斷裂，但斷

2、裂面都是面都是最大拉應(yīng)力最大拉應(yīng)力所在平面；是正截面破壞；所在平面；是正截面破壞；（2 2）剪切型破壞剪切型破壞（屈服破壞）：（屈服破壞）： 壓縮試件壓縮試件沿斜截面發(fā)生錯(cuò)動(dòng)而破壞，是由于斜截面上的剪沿斜截面發(fā)生錯(cuò)動(dòng)而破壞，是由于斜截面上的剪應(yīng)力所引起的剪斷破壞。應(yīng)力所引起的剪斷破壞。 低碳鋼低碳鋼： 拉伸和壓縮試件拉伸和壓縮試件的破壞由的破壞由斜截面上的剪應(yīng)力斜截面上的剪應(yīng)力引起，屬于引起，屬于剪切剪切型破壞型破壞。結(jié)論結(jié)論： 材料的破壞按其物理本質(zhì)而言分為材料的破壞按其物理本質(zhì)而言分為斷裂型斷裂型和和剪切型剪切型兩大類(lèi)。兩大類(lèi)。第一節(jié)第一節(jié) 概概 述述二、材料的強(qiáng)度理論二、材料的強(qiáng)度理論

3、1 1強(qiáng)度理論定義：假設(shè)材料的某一種類(lèi)型的破壞是由某種強(qiáng)度理論定義：假設(shè)材料的某一種類(lèi)型的破壞是由某種因素所引起的，這種假說(shuō)通常就稱(chēng)為強(qiáng)度理論。因素所引起的，這種假說(shuō)通常就稱(chēng)為強(qiáng)度理論。 2 2常用的強(qiáng)度理論：常用的強(qiáng)度理論： （1 1）最大拉應(yīng)力理論（第一強(qiáng)度理論）：）最大拉應(yīng)力理論（第一強(qiáng)度理論）：脆斷破壞脆斷破壞。 （2 2）最大伸長(zhǎng)線(xiàn)應(yīng)變理論（第二強(qiáng)度理論）：）最大伸長(zhǎng)線(xiàn)應(yīng)變理論（第二強(qiáng)度理論）：脆斷破壞脆斷破壞。 （3 3）最大剪應(yīng)力理論（第三強(qiáng)度理論）：最大剪應(yīng)力理論（第三強(qiáng)度理論）：屈服破壞屈服破壞。 （4 4）形狀改變比能理論（第四強(qiáng)度理論）：）形狀改變比能理論（第四強(qiáng)度理論）

4、：屈服破壞屈服破壞。 問(wèn)題：土的破壞型式是什么？它的強(qiáng)度理論是什么？問(wèn)題：土的破壞型式是什么？它的強(qiáng)度理論是什么？邊坡邊坡滑裂面滑裂面 三、土的破壞形式三、土的破壞形式剪切破壞剪切破壞 因?yàn)橥令w粒自身的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于顆粒間的聯(lián)接強(qiáng)度，在外力因?yàn)橥令w粒自身的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于顆粒間的聯(lián)接強(qiáng)度，在外力作用下，土中的顆粒沿接觸處互相錯(cuò)動(dòng)而發(fā)生剪切破壞。作用下，土中的顆粒沿接觸處互相錯(cuò)動(dòng)而發(fā)生剪切破壞。 四、土的強(qiáng)度理論四、土的強(qiáng)度理論 滑裂面上的剪應(yīng)力達(dá)到極限值。滑裂面上的剪應(yīng)力達(dá)到極限值。（注：與最大剪應(yīng)力理論不同）（注：與最大剪應(yīng)力理論不同）土的抗剪強(qiáng)度定義土的抗剪強(qiáng)度定義土體抵抗剪切破壞的極限能力。土體抵

5、抗剪切破壞的極限能力。剪切破壞時(shí)滑動(dòng)面上的剪應(yīng)力。剪切破壞時(shí)滑動(dòng)面上的剪應(yīng)力。工程應(yīng)用工程應(yīng)用邊坡的穩(wěn)定性由強(qiáng)度控制；邊坡的穩(wěn)定性由強(qiáng)度控制；土壓力的計(jì)算；土壓力的計(jì)算；地基的承載力需通過(guò)強(qiáng)度確定。地基的承載力需通過(guò)強(qiáng)度確定。土力學(xué)研究?jī)?nèi)容土力學(xué)研究?jī)?nèi)容基礎(chǔ)基礎(chǔ)物理性質(zhì)物理性質(zhì)先導(dǎo)土中土中應(yīng)力應(yīng)力具體應(yīng)用土壓力土壓力土坡穩(wěn)定土坡穩(wěn)定地基承載力地基承載力核心核心滲透特性滲透特性變形特性變形特性強(qiáng)度特性強(qiáng)度特性第二節(jié)第二節(jié) 庫(kù)侖定律與摩爾庫(kù)侖定律與摩爾- -庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則（一）直剪試驗(yàn)（一）直剪試驗(yàn)（法國(guó)庫(kù)侖）（法國(guó)庫(kù)侖） 1. 1. 試驗(yàn)原理試驗(yàn)原理施加施加 （=P/A），剪），剪切變

6、形切變形S量測(cè)量測(cè) （=T/A）上盒上盒下盒下盒PST = 100KPa SA一、庫(kù)倫（一、庫(kù)倫（CoulombCoulomb）定律）定律2. 2. 試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果結(jié)果 = 100KPa S = 200KPa = 300KPaPSTA Oc tanfcc c 粘聚力粘聚力 內(nèi)摩擦角內(nèi)摩擦角 = 100KPa S = 200KPa = 300KPa庫(kù)侖公式：庫(kù)侖公式： f ： 土的抗剪強(qiáng)度土的抗剪強(qiáng)度 tg ： 摩擦強(qiáng)度摩擦強(qiáng)度-正比于壓力正比于壓力 c： 粘聚強(qiáng)度粘聚強(qiáng)度-與所受壓力無(wú)關(guān)與所受壓力無(wú)關(guān)2. 2. 試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)結(jié)果 砂土砂土: : f f =tg =tg 粘性土粘性土: : f f

7、 = c +tg = c +tg 有效應(yīng)力原理：有效應(yīng)力原理： 有效應(yīng)力與抗剪強(qiáng)度存在唯一對(duì)應(yīng)關(guān)系有效應(yīng)力與抗剪強(qiáng)度存在唯一對(duì)應(yīng)關(guān)系用有效應(yīng)力表達(dá)用有效應(yīng)力表達(dá)： f =c + tg =c +（-u）tg 3 3、抗剪強(qiáng)度公式、抗剪強(qiáng)度公式（庫(kù)侖定律）（庫(kù)侖定律）NT= NT滑動(dòng)摩擦滑動(dòng)摩擦 （二）土的強(qiáng)度的機(jī)理（二）土的強(qiáng)度的機(jī)理1. 1. 摩擦強(qiáng)度摩擦強(qiáng)度 tgtg （1 1）滑動(dòng)摩擦）滑動(dòng)摩擦（2 2）咬合摩擦引起的剪脹咬合摩擦引起的剪脹滑動(dòng)摩擦滑動(dòng)摩擦 咬合摩擦引起的剪脹咬合摩擦引起的剪脹1. 1. 摩擦強(qiáng)度摩擦強(qiáng)度 tgtg （二）土的強(qiáng)度的機(jī)理（二）土的強(qiáng)度的機(jī)理密度（密度（e,

8、粒徑級(jí)配（粒徑級(jí)配（Cu, Cc）顆粒的礦物成分顆粒的礦物成分 對(duì)于對(duì)于 ：砂土：砂土粘性土；粘性土； 高嶺石高嶺石伊里石伊里石蒙特石蒙特石粒徑的形狀（顆粒的棱角與長(zhǎng)寬比）粒徑的形狀（顆粒的棱角與長(zhǎng)寬比） 在其他條件相同時(shí)：在其他條件相同時(shí)： 對(duì)于砂土，顆粒的棱角提高了內(nèi)摩擦角對(duì)于砂土，顆粒的棱角提高了內(nèi)摩擦角 對(duì)于碎石土，顆粒的棱角可能降低其內(nèi)摩擦角對(duì)于碎石土，顆粒的棱角可能降低其內(nèi)摩擦角 影響土的摩擦強(qiáng)度的主要因素：影響土的摩擦強(qiáng)度的主要因素：1. 1. 摩擦強(qiáng)度摩擦強(qiáng)度 tgtg （二）土的強(qiáng)度的機(jī)理（二）土的強(qiáng)度的機(jī)理p粘聚強(qiáng)度機(jī)理n靜電引力（庫(kù)侖力）靜電引力（庫(kù)侖力）n范德華力范德華

9、力n顆粒間膠結(jié)顆粒間膠結(jié)n假粘聚力（毛細(xì)力等）假粘聚力（毛細(xì)力等）p粘聚強(qiáng)度影響因素n地質(zhì)歷史地質(zhì)歷史n粘土顆粒礦物成分粘土顆粒礦物成分n密度密度n離子價(jià)與離子濃度離子價(jià)與離子濃度-+2. 2. 凝聚強(qiáng)度凝聚強(qiáng)度（二）土的強(qiáng)度的機(jī)理（二）土的強(qiáng)度的機(jī)理（三）應(yīng)力狀態(tài)分析（三）應(yīng)力狀態(tài)分析f f 平衡狀態(tài)平衡狀態(tài)=f f 極限平衡狀態(tài)（土趨于破壞的臨界狀態(tài)）極限平衡狀態(tài)（土趨于破壞的臨界狀態(tài)）ff 破壞狀態(tài)破壞狀態(tài) 小結(jié)：小結(jié)： 從變形過(guò)程看，抗剪強(qiáng)度僅當(dāng)施加了剪應(yīng)力，發(fā)生從變形過(guò)程看，抗剪強(qiáng)度僅當(dāng)施加了剪應(yīng)力，發(fā)生了剪切變形后才能表現(xiàn)出來(lái)，所以抗剪強(qiáng)度只能用了剪切變形后才能表現(xiàn)出來(lái)，所以抗剪強(qiáng)

10、度只能用達(dá)到極限平衡時(shí)的剪應(yīng)力來(lái)衡量達(dá)到極限平衡時(shí)的剪應(yīng)力來(lái)衡量。二、摩爾二、摩爾- -庫(kù)侖強(qiáng)度理論（庫(kù)侖強(qiáng)度理論（19101910年）年）（一）（一）摩爾理論摩爾理論：摩爾認(rèn)為材料的破壞是剪切破壞：摩爾認(rèn)為材料的破壞是剪切破壞)( ff這個(gè)函數(shù)在這個(gè)函數(shù)在 f f - - 坐標(biāo)中是一條曲線(xiàn)，坐標(biāo)中是一條曲線(xiàn)，稱(chēng)為稱(chēng)為摩爾包線(xiàn)摩爾包線(xiàn)（或抗剪強(qiáng)度包線(xiàn)）（或抗剪強(qiáng)度包線(xiàn)）（二）（二）摩爾摩爾庫(kù)侖強(qiáng)度理論庫(kù)侖強(qiáng)度理論在土力學(xué)中，為了實(shí)用的目的，在土力學(xué)中，為了實(shí)用的目的，在較小的側(cè)向壓力作用下，可近似的用直線(xiàn)來(lái)代替在較小的側(cè)向壓力作用下，可近似的用直線(xiàn)來(lái)代替摩爾包線(xiàn)摩爾包線(xiàn)，該直線(xiàn)方程就是該直線(xiàn)方

11、程就是庫(kù)侖公式庫(kù)侖公式。定義：用庫(kù)侖公式表示摩爾包線(xiàn)的強(qiáng)度理論定義：用庫(kù)侖公式表示摩爾包線(xiàn)的強(qiáng)度理論摩爾包線(xiàn)摩爾包線(xiàn)極限平衡狀態(tài)極限平衡狀態(tài)：土單元體中任一平面上的土單元體中任一平面上的=f 的臨界狀態(tài)。的臨界狀態(tài)。極限平衡條件極限平衡條件：土體中土體中某點(diǎn)某點(diǎn)處于極限平衡狀態(tài)時(shí)的應(yīng)力條件。處于極限平衡狀態(tài)時(shí)的應(yīng)力條件。 （=f ，土的剪切破壞條件），土的剪切破壞條件）基本概念基本概念一般應(yīng)力狀態(tài)如何判斷一般應(yīng)力狀態(tài)如何判斷是否破壞？是否破壞？借助于摩爾圓借助于摩爾圓摩爾摩爾- -庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則 2sin212cos2121mn313131平面上的應(yīng)力解根據(jù)隔離體上靜力平衡 )0 ,

12、21(213131 圓心：圓心：半徑半徑摩爾應(yīng)力圓的摩爾應(yīng)力圓的1. 1. 土中一點(diǎn)土中一點(diǎn) 的應(yīng)力狀態(tài)的應(yīng)力狀態(tài) （平面應(yīng)變）（平面應(yīng)變）（三）土的極限平衡條件（三）土的極限平衡條件摩爾圓：代表一個(gè)土單元的應(yīng)力狀態(tài)；摩爾圓：代表一個(gè)土單元的應(yīng)力狀態(tài)；圓周上一點(diǎn)代表一個(gè)面上的兩個(gè)應(yīng)力圓周上一點(diǎn)代表一個(gè)面上的兩個(gè)應(yīng)力 與與 摩爾應(yīng)力圓與抗剪強(qiáng)度包線(xiàn)之間的關(guān)系有三種：摩爾應(yīng)力圓與抗剪強(qiáng)度包線(xiàn)之間的關(guān)系有三種：（1 1）整個(gè)摩爾圓位于抗剪強(qiáng)度包線(xiàn)的）整個(gè)摩爾圓位于抗剪強(qiáng)度包線(xiàn)的下方下方平衡狀態(tài)平衡狀態(tài)（2 2）摩爾圓與抗剪強(qiáng)度包線(xiàn)）摩爾圓與抗剪強(qiáng)度包線(xiàn)相切相切（切點(diǎn)為（切點(diǎn)為A A）極限平衡狀態(tài)極限

13、平衡狀態(tài)（3 3）摩爾圓與抗剪強(qiáng)度包線(xiàn)）摩爾圓與抗剪強(qiáng)度包線(xiàn)相割相割破壞狀態(tài)破壞狀態(tài)I. II. III. Ac摩爾圓與抗剪強(qiáng)度包線(xiàn)之間的關(guān)系摩爾圓與抗剪強(qiáng)度包線(xiàn)之間的關(guān)系2、摩爾、摩爾庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則l根據(jù)根據(jù)Mohr-CoulombMohr-Coulomb破壞理論，破壞時(shí)的破壞理論，破壞時(shí)的MohrMohr應(yīng)力圓必定與破壞包線(xiàn)應(yīng)力圓必定與破壞包線(xiàn)。l切點(diǎn)所代表的平面滿(mǎn)足切點(diǎn)所代表的平面滿(mǎn)足=f f的條件，該的條件，該點(diǎn)處于點(diǎn)處于。131313132sin2ctgctg2cc 1f 313ctg2ctanfc O c132極限平衡條件表達(dá)式極限平衡條件表達(dá)式極限平衡條件表達(dá)式極限平衡

14、條件表達(dá)式213231452tg 4522452tg 4522fftgctgc 1f 313ctg2ctanfc O c132213452tg 4522ftgc根據(jù)應(yīng)力狀態(tài)計(jì)算出根據(jù)應(yīng)力狀態(tài)計(jì)算出大小主應(yīng)力大小主應(yīng)力1、3221,3422xzxzxz判斷破壞可能性判斷破壞可能性由由3計(jì)算計(jì)算1f比較比較1與與1f1 1f 破壞狀態(tài)破壞狀態(tài) O c 1f 3 1 1三、破壞判別方法三、破壞判別方法判別對(duì)象：土體微小單元（一點(diǎn)）判別對(duì)象：土體微小單元（一點(diǎn)） 3 3= = 常數(shù)：常數(shù)：根據(jù)應(yīng)力狀態(tài)計(jì)算出根據(jù)應(yīng)力狀態(tài)計(jì)算出大小主應(yīng)力大小主應(yīng)力1、3221,3422xzxzxz判斷破壞可能性判斷破壞可

15、能性231452tg 4522ftgc由由1計(jì)算計(jì)算3f比較比較3與與3f3 3f 彈性平衡狀態(tài)彈性平衡狀態(tài)3= =3f 極限平衡狀態(tài)極限平衡狀態(tài)3 3f 破壞狀態(tài)破壞狀態(tài) O c 1 3f 3 3判別對(duì)象：土體微小單元（一點(diǎn)）判別對(duì)象：土體微小單元（一點(diǎn)） 1 1= = 常數(shù)：常數(shù)：三、破壞判別方法三、破壞判別方法 O c 1f 32 tanfc290 3 1f45 /2破裂面破裂面2 滑裂面的位置滑裂面的位置 與大主應(yīng)力作用面夾角與大主應(yīng)力作用面夾角:=45 + /2剪切破裂面上，土體的抗剪強(qiáng)度是法向應(yīng)力的函數(shù)剪切破裂面上，土體的抗剪強(qiáng)度是法向應(yīng)力的函數(shù) f=f（）q當(dāng)法向應(yīng)力不大時(shí)，該函

16、數(shù)可以簡(jiǎn)化為線(xiàn)性函數(shù)關(guān)當(dāng)法向應(yīng)力不大時(shí)，該函數(shù)可以簡(jiǎn)化為線(xiàn)性函數(shù)關(guān)系，用系，用Coulomb公式來(lái)表示公式來(lái)表示 f=c+tgl土單元體的任何一個(gè)面上土單元體的任何一個(gè)面上=f時(shí)，就會(huì)發(fā)生剪切破壞。時(shí)，就會(huì)發(fā)生剪切破壞。此時(shí)土單元體的應(yīng)力狀態(tài)滿(mǎn)足極限平衡條件。此時(shí)土單元體的應(yīng)力狀態(tài)滿(mǎn)足極限平衡條件。 莫爾莫爾庫(kù)侖強(qiáng)度理論庫(kù)侖強(qiáng)度理論與與材料力學(xué)中的材料力學(xué)中的最大剪應(yīng)力最大剪應(yīng)力理論理論有何區(qū)別？土體的剪切破壞是發(fā)生在有何區(qū)別？土體的剪切破壞是發(fā)生在maxmax作作用面上嗎？用面上嗎？答：答：M-CM-C理論中理論中f f = = tantan + + c c是隨正應(yīng)力的增大而是隨正應(yīng)力的增大

17、而增大的，不是一個(gè)定值，也不等于增大的，不是一個(gè)定值，也不等于maxmax。 最大剪應(yīng)力理論假設(shè)材料沿最大剪應(yīng)力理論假設(shè)材料沿maxmax所在截面滑移而所在截面滑移而發(fā)生屈服破壞。發(fā)生屈服破壞。 土的破壞點(diǎn)不一定在土的破壞點(diǎn)不一定在maxmax作用面上，破壞面與作用面上，破壞面與1 1作用面的夾角：作用面的夾角：f f=45+/2=45+/2，不是，不是4545。只有當(dāng)。只有當(dāng)=0=0時(shí)，破壞面才是時(shí)，破壞面才是maxmax作用面，這是特例。作用面，這是特例。 思考題思考題第三節(jié)第三節(jié) 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的試驗(yàn)方法及其應(yīng)用抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的試驗(yàn)方法及其應(yīng)用剪切試驗(yàn)的類(lèi)型剪切試驗(yàn)的類(lèi)型室內(nèi)剪切試驗(yàn)室內(nèi)剪切

18、試驗(yàn)（直直剪試驗(yàn)、三軸壓縮試驗(yàn)和無(wú)側(cè)限壓縮試驗(yàn)）剪試驗(yàn)、三軸壓縮試驗(yàn)和無(wú)側(cè)限壓縮試驗(yàn)）現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試（十字板剪切試驗(yàn)）現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試（十字板剪切試驗(yàn)）室內(nèi)試驗(yàn)的特點(diǎn)室內(nèi)試驗(yàn)的特點(diǎn)邊界條件比較明確，且容易控制。但室內(nèi)試驗(yàn)要求從現(xiàn)邊界條件比較明確，且容易控制。但室內(nèi)試驗(yàn)要求從現(xiàn)場(chǎng)采取試樣，在取樣的過(guò)程中不可避免地引起應(yīng)力釋放場(chǎng)采取試樣，在取樣的過(guò)程中不可避免地引起應(yīng)力釋放和土的結(jié)構(gòu)擾動(dòng)。和土的結(jié)構(gòu)擾動(dòng)。現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)直接在現(xiàn)場(chǎng)原位進(jìn)行，不需取試樣，因而能夠更好地反直接在現(xiàn)場(chǎng)原位進(jìn)行，不需取試樣，因而能夠更好地反映土的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造特性；對(duì)無(wú)法進(jìn)行或很難進(jìn)行室內(nèi)試映土的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造特性；

19、對(duì)無(wú)法進(jìn)行或很難進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)的土，如粗顆粒土、極軟粘土及巖土接觸面等，可以驗(yàn)的土，如粗顆粒土、極軟粘土及巖土接觸面等，可以取得必要的力學(xué)指標(biāo)。取得必要的力學(xué)指標(biāo)。1、試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法：試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法： 試驗(yàn)裝置試驗(yàn)裝置應(yīng)變控制式和應(yīng)力控制式應(yīng)變控制式和應(yīng)力控制式 直剪試驗(yàn)根據(jù)直剪試驗(yàn)根據(jù)排水條件排水條件可分為：可分為：快剪快剪、固結(jié)快剪固結(jié)快剪和和慢剪慢剪快剪快剪：豎向應(yīng)力施加后，立即快速施加水平剪力使試豎向應(yīng)力施加后，立即快速施加水平剪力使試樣剪切破壞樣剪切破壞, ,以模擬不排水的工況。如以模擬不排水的工況。如土工試驗(yàn)規(guī)程土工試驗(yàn)規(guī)程規(guī)規(guī)定，要使試樣在定，要使試樣在3 35 5分鐘內(nèi)剪

20、壞。其快剪強(qiáng)度指標(biāo)為分鐘內(nèi)剪壞。其快剪強(qiáng)度指標(biāo)為c cq q、 q q。 （2 2）固結(jié)快剪固結(jié)快剪：豎向應(yīng)力施加后，讓試樣充分固結(jié)。固結(jié)豎向應(yīng)力施加后，讓試樣充分固結(jié)。固結(jié)完成后，再進(jìn)行快速剪切，其剪切速率與快剪相同。其固完成后，再進(jìn)行快速剪切，其剪切速率與快剪相同。其固快指標(biāo)為快指標(biāo)為c ccqcq、 cqcq。 （3 3）慢剪慢剪：豎向應(yīng)力施加后，允許試樣排水固結(jié)。待固結(jié)豎向應(yīng)力施加后，允許試樣排水固結(jié)。待固結(jié)完成后，施加水平剪應(yīng)力，剪切速率放慢，使試樣在剪切完成后，施加水平剪應(yīng)力，剪切速率放慢，使試樣在剪切過(guò)程中有充分的時(shí)間產(chǎn)生體積變形和排水（對(duì)剪脹性土為過(guò)程中有充分的時(shí)間產(chǎn)生體積變形

21、和排水（對(duì)剪脹性土為吸水）。其慢剪強(qiáng)度指標(biāo)為吸水）。其慢剪強(qiáng)度指標(biāo)為c cs s、 s s。2 2、試驗(yàn)分類(lèi)、試驗(yàn)分類(lèi)（1）無(wú)粘性土）無(wú)粘性土滲透性好，即使快剪也能使其排水固滲透性好，即使快剪也能使其排水固結(jié)。故結(jié)。故土工試驗(yàn)規(guī)程土工試驗(yàn)規(guī)程規(guī)定：對(duì)無(wú)粘性土，一律采規(guī)定：對(duì)無(wú)粘性土，一律采用一種加荷速率進(jìn)行試驗(yàn)。用一種加荷速率進(jìn)行試驗(yàn)。（2）正常固結(jié)的粘性土（通常為軟土），在豎向應(yīng)力和）正常固結(jié)的粘性土（通常為軟土），在豎向應(yīng)力和剪應(yīng)力作用下，土樣都被壓縮，所以通常在一定應(yīng)力剪應(yīng)力作用下，土樣都被壓縮，所以通常在一定應(yīng)力范圍內(nèi)，范圍內(nèi)，qcqs。（飽和軟粘土飽和軟粘土q一般在一般在05之間之間

22、）4、直剪試驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)、直剪試驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：直接剪切儀構(gòu)造簡(jiǎn)單，操作方便等：直接剪切儀構(gòu)造簡(jiǎn)單，操作方便等缺點(diǎn)缺點(diǎn)： 限定的剪切面；限定的剪切面； 剪切面上剪應(yīng)力分布不均勻；剪切面上剪應(yīng)力分布不均勻； 在計(jì)算抗剪強(qiáng)度時(shí)按土樣的原截面積計(jì)算的；在計(jì)算抗剪強(qiáng)度時(shí)按土樣的原截面積計(jì)算的； 試驗(yàn)時(shí)不能?chē)?yán)格控制排水條件，不能量測(cè)孔隙水試驗(yàn)時(shí)不能?chē)?yán)格控制排水條件，不能量測(cè)孔隙水 壓力壓力二、三軸試驗(yàn)二、三軸試驗(yàn)1. 三軸壓縮儀組成三軸壓縮儀組成壓力室壓力室軸向加荷系統(tǒng)軸向加荷系統(tǒng)周?chē)鷫毫ο到y(tǒng)周?chē)鷫毫ο到y(tǒng)孔壓量測(cè)系統(tǒng)孔壓量測(cè)系統(tǒng) 試樣試樣壓力室壓力室壓力壓力水水排水管排水管閥門(mén)閥門(mén)軸向加壓桿軸向加壓桿

23、有機(jī)玻璃罩有機(jī)玻璃罩橡皮膜橡皮膜透水石透水石頂帽頂帽333331=3+1=3+2 2、試驗(yàn)方法與試驗(yàn)特點(diǎn)、試驗(yàn)方法與試驗(yàn)特點(diǎn)試驗(yàn)特點(diǎn)：試驗(yàn)特點(diǎn)：試樣是軸對(duì)稱(chēng)應(yīng)力狀態(tài)。試樣是軸對(duì)稱(chēng)應(yīng)力狀態(tài)。垂直應(yīng)力垂直應(yīng)力 z一般是大主應(yīng)力；一般是大主應(yīng)力；徑向與切向應(yīng)力總是相等徑向與切向應(yīng)力總是相等 r= ，即即 1= z； 2= 3= r試驗(yàn)方法：試驗(yàn)方法：首先試樣施加靜水壓力首先試樣施加靜水壓力圍壓圍壓 1 1= 2 2= 3 3 ； 然后通過(guò)活塞桿施加的是應(yīng)力差然后通過(guò)活塞桿施加的是應(yīng)力差 = 1 1- - 3 3 。 強(qiáng)度包線(xiàn)強(qiáng)度包線(xiàn)( 1- )fc ( 1- )f 1 1- 3 1 =15%v分別作

24、圍壓分別作圍壓 為為100 100 kPakPa 、200200kPakPa 、300 300 kPakPa的三軸試驗(yàn)，的三軸試驗(yàn)，得到破壞時(shí)相應(yīng)的（得到破壞時(shí)相應(yīng)的（ 1 1- - ) )f fv繪制三個(gè)破壞狀態(tài)的應(yīng)力摩爾圓，繪制三個(gè)破壞狀態(tài)的應(yīng)力摩爾圓，畫(huà)出它們的公切線(xiàn)畫(huà)出它們的公切線(xiàn)強(qiáng)度包線(xiàn)，強(qiáng)度包線(xiàn)，得到強(qiáng)度指標(biāo)得到強(qiáng)度指標(biāo) c c 與與 3. 3. 強(qiáng)度包線(xiàn)強(qiáng)度包線(xiàn)v固結(jié)排水試驗(yàn)（CDCD試驗(yàn)）（1）施加圍壓施加圍壓 后，打開(kāi)排水閥門(mén)充分固結(jié)，超靜孔隙水壓力完全消散；后，打開(kāi)排水閥門(mén)充分固結(jié)，超靜孔隙水壓力完全消散；（2）打開(kāi)排水閥門(mén)，慢慢施加）打開(kāi)排水閥門(mén)，慢慢施加 以便充分排水，

25、避免產(chǎn)生超靜孔壓以便充分排水，避免產(chǎn)生超靜孔壓v固結(jié)不排水試驗(yàn)（CUCU試驗(yàn)）（1）施加圍壓施加圍壓 后后，打開(kāi)排水閥門(mén)，充分固結(jié)，超靜孔隙水壓力完全消散打開(kāi)排水閥門(mén)，充分固結(jié)，超靜孔隙水壓力完全消散（2）關(guān)閉排水閥門(mén)，很快剪切破壞，在施加軸向應(yīng)力差）關(guān)閉排水閥門(mén)，很快剪切破壞，在施加軸向應(yīng)力差 過(guò)程中不排水過(guò)程中不排水v不固結(jié)不排水試驗(yàn)（UUUU試驗(yàn)）（1）圍壓圍壓 下關(guān)閉排水閥門(mén)，不固結(jié)；下關(guān)閉排水閥門(mén)，不固結(jié)；（2）關(guān)閉排水閥門(mén)，很快剪切破壞，在施加）關(guān)閉排水閥門(mén)，很快剪切破壞，在施加軸向應(yīng)力差軸向應(yīng)力差 過(guò)程中不排水過(guò)程中不排水cd 、 d ccu 、 cu cu 、 u 4. 4.

26、試驗(yàn)類(lèi)型試驗(yàn)類(lèi)型分類(lèi)依據(jù)：按剪切前的分類(lèi)依據(jù)：按剪切前的、剪切過(guò)程中的剪切過(guò)程中的v固結(jié)排水試驗(yàn)（CDCD試驗(yàn)） Consolidated Drained shear test (CD) 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)： cd d （c ）三軸試驗(yàn)類(lèi)型匯總?cè)S試驗(yàn)類(lèi)型匯總v固結(jié)不排水試驗(yàn)（CUCU試驗(yàn)） Consolidated Undrained shear test (CU) 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)：ccu cuv不固結(jié)不排水試驗(yàn)（UUUU試驗(yàn)） Unconsolidated Undrained shear test (UU) 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)： cu u （ cuu uu ）v優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：1 應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力路徑明確；應(yīng)

27、力狀態(tài)和應(yīng)力路徑明確；2 排水條件清楚，可控制；排水條件清楚，可控制；3 可量測(cè)孔隙水壓力可量測(cè)孔隙水壓力4 破壞面不是人為固定的。破壞面不是人為固定的。v缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：1 1 2 2= = 3 3，軸對(duì)稱(chēng)，軸對(duì)稱(chēng)2 設(shè)備相對(duì)復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法試驗(yàn)；設(shè)備相對(duì)復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法試驗(yàn)；5. 5. 優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)6、飽和粘性土的抗剪強(qiáng)度、飽和粘性土的抗剪強(qiáng)度31210ufuc 313131ffuu不排水條件下不排水條件下, ,試樣在試驗(yàn)過(guò)程中試樣在試驗(yàn)過(guò)程中含水量不變含水量不變, ,體積不變體積不變, ,改變周?chē)鷫毫υ隽恐荒芤鸶淖冎車(chē)鷫毫υ隽恐荒芤鹂紫端畨毫Φ淖兓紫端畨毫Φ淖兓? ,并不會(huì)改變?cè)嚇?/p>

28、中的并不會(huì)改變?cè)嚇又械挠行?yīng)力有效應(yīng)力, ,各試樣在剪切前的有效應(yīng)力相同各試樣在剪切前的有效應(yīng)力相同, ,因此因此抗剪強(qiáng)度不變抗剪強(qiáng)度不變。（2）固結(jié)不排水抗剪強(qiáng)度）固結(jié)不排水抗剪強(qiáng)度l正常固結(jié)土正常固結(jié)土lOO點(diǎn)說(shuō)明未受任何固結(jié)壓點(diǎn)說(shuō)明未受任何固結(jié)壓力的土，它力的土，它不具有不具有抗剪抗剪強(qiáng)度。強(qiáng)度。 有效應(yīng)力圓有效應(yīng)力圓直徑與直徑與總應(yīng)力圓總應(yīng)力圓直徑直徑相等相等。 但位置不同，兩者之間相差但位置不同，兩者之間相差uf。 一般正常固結(jié)土一般正常固結(jié)土 比比 cu大一倍左右。大一倍左右。 31313311ffuu（3）固結(jié)排水抗剪強(qiáng)度）固結(jié)排水抗剪強(qiáng)度 在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，孔

29、隙水壓力始終為零孔隙水壓力始終為零； 總應(yīng)力等于有效應(yīng)力，所以總應(yīng)力圓就是有效應(yīng)力圓；總應(yīng)力等于有效應(yīng)力，所以總應(yīng)力圓就是有效應(yīng)力圓； 總應(yīng)力破壞包線(xiàn)就是有效應(yīng)力破壞包線(xiàn)；總應(yīng)力破壞包線(xiàn)就是有效應(yīng)力破壞包線(xiàn)； cd、 d與與CU試驗(yàn)得到的試驗(yàn)得到的c、 相近相近 。v同一種土不同排水條件下的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比同一種土不同排水條件下的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比（1 1）以）以總應(yīng)力法總應(yīng)力法表示，將得出不同的試驗(yàn)結(jié)果，表示，將得出不同的試驗(yàn)結(jié)果，一般一般 u u cucu d d ，c c值也不相同；值也不相同；（2 2）以）以有效應(yīng)力法有效應(yīng)力法表示，則不論采用哪種試驗(yàn)方表示，則不論采用哪種試驗(yàn)方法，都得到近乎法

30、，都得到近乎同一條同一條有效應(yīng)力破壞包線(xiàn)。有效應(yīng)力破壞包線(xiàn)。 結(jié)論結(jié)論：抗剪強(qiáng)度與有效應(yīng)力有唯一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。：抗剪強(qiáng)度與有效應(yīng)力有唯一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。三、真三軸試驗(yàn)三、真三軸試驗(yàn)四、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)四、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn) 試驗(yàn)時(shí)圍壓試驗(yàn)時(shí)圍壓3 3=0=0（無(wú)側(cè)限），試樣在軸向壓力下產(chǎn)（無(wú)側(cè)限），試樣在軸向壓力下產(chǎn)生剪切破壞。生剪切破壞。 破壞時(shí)的軸向壓力稱(chēng)為破壞時(shí)的軸向壓力稱(chēng)為無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，以，以 q qu u 表示。表示。不排水抗剪強(qiáng)度uuufcqc 2適用于適用于飽和軟粘土飽和軟粘土五、十字板剪切試驗(yàn)五、十字板剪切試驗(yàn)適用于飽和軟粘土適用于飽和軟粘土 322 DHDMcuf

31、 量測(cè)設(shè)備量測(cè)設(shè)備加力裝置加力裝置板頭板頭fvfhDDHDDMMM 2)34(2221max)3(22maxDHDMf飽和軟粘土六、抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的選擇六、抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的選擇1 1、粘性土的抗剪強(qiáng)度與剪切條件、試驗(yàn)條件、試驗(yàn)方法等有關(guān)，、粘性土的抗剪強(qiáng)度與剪切條件、試驗(yàn)條件、試驗(yàn)方法等有關(guān)，總應(yīng)力總應(yīng)力分析法用分析法用總應(yīng)力總應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)；抗剪強(qiáng)度指標(biāo)； 有效應(yīng)力有效應(yīng)力分析法用分析法用有效應(yīng)力有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)?？辜魪?qiáng)度指標(biāo)。2 2、各種試驗(yàn)方法的適用范圍、各種試驗(yàn)方法的適用范圍UU/UU/快剪試驗(yàn)快剪試驗(yàn)地基為透水性差的飽和粘性土，排水不良，且建筑物施工地基為透水性差的飽和粘性土，排水

32、不良，且建筑物施工速度快。常用于施工期的強(qiáng)度與穩(wěn)定驗(yàn)算；速度快。常用于施工期的強(qiáng)度與穩(wěn)定驗(yàn)算；CU/CU/固快試驗(yàn)固快試驗(yàn)建筑物竣工后較長(zhǎng)時(shí)間，突遇荷載增大。如房屋加層、天建筑物竣工后較長(zhǎng)時(shí)間，突遇荷載增大。如房屋加層、天然土坡上堆載等；然土坡上堆載等；CD/CD/慢剪試驗(yàn)的有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)慢剪試驗(yàn)的有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)地基的透水性較好（如砂土等），排水條件良好（如粘土地基的透水性較好（如砂土等），排水條件良好（如粘土中夾有砂層），而建筑物施工速度慢。中夾有砂層），而建筑物施工速度慢。第四節(jié)第四節(jié) 孔隙應(yīng)力系數(shù)孔隙應(yīng)力系數(shù) 及土的剪脹性及土的剪脹性教學(xué)重點(diǎn)教學(xué)重點(diǎn)孔隙應(yīng)力系數(shù)的物理意義孔隙應(yīng)力系數(shù)

33、的物理意義一、孔隙應(yīng)力系數(shù)定義一、孔隙應(yīng)力系數(shù)定義 土體在不排水和不排氣的條件下，土體在不排水和不排氣的條件下，外荷載引起的外荷載引起的孔隙應(yīng)力增量孔隙應(yīng)力增量與與應(yīng)力增量應(yīng)力增量（用總應(yīng)力表示）的比值，其表征了孔（用總應(yīng)力表示）的比值，其表征了孔隙應(yīng)力對(duì)總應(yīng)力變化的反映。隙應(yīng)力對(duì)總應(yīng)力變化的反映。增量形式：增量形式：1 1、軸對(duì)稱(chēng)三維應(yīng)力狀態(tài)、軸對(duì)稱(chēng)三維應(yīng)力狀態(tài)3210031333321等向壓縮應(yīng)力狀態(tài)等向壓縮應(yīng)力狀態(tài) 偏差應(yīng)力狀態(tài)偏差應(yīng)力狀態(tài)二、孔隙壓力系數(shù)的推導(dǎo)二、孔隙壓力系數(shù)的推導(dǎo)參見(jiàn)教材圖5-19（1）等向壓縮應(yīng)力狀態(tài)）等向壓縮應(yīng)力狀態(tài)孔隙應(yīng)力系數(shù)孔隙應(yīng)力系數(shù)B孔隙應(yīng)力系數(shù)孔隙應(yīng)力系

34、數(shù)B B：表示單位周?chē)鷫毫υ隽克鸬目紫稇?yīng)力增量表示單位周?chē)鷫毫υ隽克鸬目紫稇?yīng)力增量01VnuCVfv 孔隙流體的孔隙流體的C Cs s土骨架的體積壓縮系數(shù)，表示單位有效周?chē)鷫毫ψ饔孟峦凉羌艿捏w應(yīng)變；土骨架的體積壓縮系數(shù)，表示單位有效周?chē)鷫毫ψ饔孟峦凉羌艿捏w應(yīng)變； C Cf f孔隙流體的體積壓縮系數(shù)，表示單位孔隙壓力作用下，單位體積孔隙流體孔隙流體的體積壓縮系數(shù)，表示單位孔隙壓力作用下，單位體積孔隙流體的體積變化。的體積變化。 33111 BCCnuVVsfvs013S13333210SV213213V)Vu(CE)(C)u(EVssvv 令令土土骨骨架架3111 uCCnBsfv對(duì)于飽

35、和土，對(duì)于飽和土，Cf=CwCs， B=0； ( Ca-( Ca-空氣的體積壓縮系數(shù)空氣的體積壓縮系數(shù)) )v對(duì)于部分飽和土對(duì)于部分飽和土 B=01 之間。之間。v所以所以B值是可用作反映值是可用作反映土體飽和程度土體飽和程度的指標(biāo)。的指標(biāo)。說(shuō)明：偏差應(yīng)力為軸向壓力與周?chē)鷫毫χ睿?）偏差應(yīng)力狀態(tài)）偏差應(yīng)力狀態(tài)孔隙應(yīng)力系數(shù)孔隙應(yīng)力系數(shù)A2311)(u2230uu EuEu223112)(EuEuEu2231232)()(313)(33)(212312312310uCuCuEVVsssv（2）偏差應(yīng)力狀態(tài)）偏差應(yīng)力狀態(tài)孔隙應(yīng)力系數(shù)孔隙應(yīng)力系數(shù)A 0231023131/321VuCVVVuEsss

36、v 土骨架土骨架02VnuCVfv 孔隙流體的孔隙流體的 31312313111 BCCnuVVsfvs說(shuō)明：說(shuō)明：上式假設(shè)土體為彈性體。彈性體的剪應(yīng)力只引起受力上式假設(shè)土體為彈性體。彈性體的剪應(yīng)力只引起受力體的形狀變化而不引起體積變化。而土并非理想彈性體，在體的形狀變化而不引起體積變化。而土并非理想彈性體，在受剪后，體積要發(fā)生膨脹或收縮，故上式系數(shù)受剪后，體積要發(fā)生膨脹或收縮，故上式系數(shù)1/31/3只適用于只適用于彈性體而不符合實(shí)際土體的情況。彈性體而不符合實(shí)際土體的情況。引入經(jīng)驗(yàn)系數(shù)引入經(jīng)驗(yàn)系數(shù)A代替代替1/3 n對(duì)于飽和土，對(duì)于飽和土，B=1 ，u2 =A（1-3）n飽和土的孔隙應(yīng)力系數(shù)

37、飽和土的孔隙應(yīng)力系數(shù)A A -312 uA考慮土的剪脹性，考慮土的剪脹性，A.W.SkemptonA.W.Skempton引入經(jīng)驗(yàn)系數(shù)引入經(jīng)驗(yàn)系數(shù)A A代替代替1/31/3 312 ABuv孔隙應(yīng)力系數(shù)孔隙應(yīng)力系數(shù)A A飽和土體在單位偏應(yīng)力增量飽和土體在單位偏應(yīng)力增量( ( 1 1- - 3 3) )作用下產(chǎn)生的孔隙水應(yīng)力增量。作用下產(chǎn)生的孔隙水應(yīng)力增量。vA值是反映土體值是反映土體剪脹性剪脹性的重要指標(biāo)。的重要指標(biāo)。 對(duì)于非完全飽和土，對(duì)于非完全飽和土，B1B1，而且隨應(yīng)力水平而變化，故：，而且隨應(yīng)力水平而變化，故： 總結(jié)：土體在軸對(duì)稱(chēng)三維應(yīng)力增量作用下所引起的總結(jié)：土體在軸對(duì)稱(chēng)三維應(yīng)力增量作用下所引起的總孔隙應(yīng)力增量為：總孔隙應(yīng)力增量為： 31321 ABBuuu312 uAB實(shí)際工程問(wèn)題中求土體在實(shí)際工程問(wèn)題中求土體在剪切破壞時(shí)剪切破壞時(shí)的孔隙壓力系數(shù)的孔隙壓力系數(shù)Af： 對(duì)于對(duì)于飽和土飽和土：fffuA)(31孔隙應(yīng)力系數(shù)孔隙應(yīng)力系數(shù)A A、B B均可在均可在室內(nèi)常規(guī)三軸試驗(yàn)室內(nèi)常規(guī)三軸