第六章土抗剪強度

第6章土的抗剪強度

ShearStrengthofsoils土力學1土的抗剪強度是指土體抵抗剪切破壞的極限能力，是土的重要力學性質(zhì)之一。在土木工程中的地基承載力、擋土墻側(cè)土壓力、土坡穩(wěn)定等問題都與土的抗剪強度直接有關(guān)。這些問題進行計算時，必須選用合適的抗剪強度指標。土的抗剪強度指標不僅與土的種類及其性狀有關(guān)，還與土樣的天然結(jié)構(gòu)是否被破壞，抗剪強度試驗時的排水條件(受剪前固結(jié)狀況和受剪時排水狀況)是否符合現(xiàn)場條件有關(guān)。因此，抗剪強度指標并不是固定不變的。

土體剪切破壞的概念，建筑物地基在外荷載作用下將產(chǎn)生剪應力和剪切變形．土具有抵抗剪應力的潛在能力——剪阻力或抗剪力，它相應于剪應力的增加而逐漸發(fā)揮，剪阻力完全發(fā)揮時，土就處于剪切破壞的極限狀態(tài)，此時剪應力也就到達極限。這個極限值就是土的抗剪強度。如果土體內(nèi)某一部分的剪應力達到土的抗剪強度，在該部分就出現(xiàn)剪切破壞。隨著荷載的增加，剪切破壞的范圍逐漸擴大，最終在土體中形成連續(xù)的滑動面，而喪失穩(wěn)定性。工程實踐和土工試驗都驗證了剪切破壞是土的強度破壞的重要特點壞有關(guān)的工程問題。

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第6章土的抗剪強度

§6.1概述Dr.HanWX2

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第6章土的抗剪強度

§6.1概述Dr.HanWX3

1773年庫倫(coulomb)根據(jù)砂土的試驗，將土的抗剪強度f(kPa),表達為滑動面上法向總應力σ(kPa)，的函數(shù)，即

f

=σtan以后又提出了適合粘性土的更普遍的表達式：

f

=c+σtan式中c——土的粘聚力(內(nèi)聚力）kPa；

——土的內(nèi)摩擦角，度?？辜魪姸戎笜?/p>

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§6.2土的抗剪強度理論Dr.HanWX6.2.1

庫倫公式及抗剪強度指標4由庫倫公式可以看出，

①無粘性土的抗剪強度與剪切面上的法向應力成正比，其本質(zhì)是由于土粒之間的滑動摩擦以及凹凸面間的鑲嵌作用所產(chǎn)生的摩阻力，其大小決定于土粒表面的粗極度、土的密實度以及顆粒級配等因素。

②粘性土的抗剪強度由兩部分組成，一部分是摩擦力(與法向應力成正比例)另一部分是土粒之間的枯聚力，它是由于粘性土顆粒之間的膠結(jié)作用和靜電引力效應等因素引起的。

實驗研究表明，土的抗剪強度不僅與土的性質(zhì)有關(guān)，還與試驗時的排水條件、剪切速率、應力狀態(tài)和應力歷史等許多因素有關(guān)，其中最重要的是試驗時的排水條件，根據(jù)太沙基的有效應力概念，土體內(nèi)的剪應力只能由土的骨架承擔，因此，土的抗剪強度n應表示為四切破壞面上的法向有效應力σ

’的函數(shù)，庫倫公式應修改為f

=σ’tan’

f

=c’+σ’tan’

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第6章土的抗剪強度

§6.2土的抗剪強度理論Dr.HanWX6.2.1

庫倫公式及抗剪強度指標5

土的抗剪強度有上述兩種表達方法．一種是以總應力σ表示剪切破壞面上的法向應力，抗剪強度表達式即為庫倫公式，稱為抗剪強度總應力法，相應的c、稱為總應力強度指標(參數(shù))；

f

=σtan

f

=c+σtan另一種以有效應力σ’表示剪切破壞面上的法向應力，其表達式為式，稱為抗剪強度有效應力法，c’、’稱為有效應力強度指標(參數(shù))。

f

=σ’tan’

f

=c’+σ’tan’試驗研究表明，土的抗剪強度取決于土粒間的有效應力，然而，由庫倫公式建立的概念在應用上比較方便，許多土工問題的分析方法都還建立在這種概念的基礎(chǔ)上，故在工程上仍沿用至今。粘性土的抗剪強度指標的變化范圍很大，土的摩接角從0°到30°，土的粘聚力從10到200kPa。

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§6.2土的抗剪強度理論Dr.HanWX6.2.1

庫倫公式及抗剪強度指標619l0年莫爾(Mohr)提出材料的破壞是剪切破壞，當任一平面上的剪應力等于材料的抗剪強度時該點就發(fā)生破壞，并提出在破壞面上的效應力，即抗剪強度f

，是該面上法向應力σ的函數(shù)，即

f

=f(σ)

這個函數(shù)在f

-σ坐標中是一條曲線，稱為莫爾破壞包[絡(luò)]線，或稱為抗剪強度包線，如圖實線所示，莫爾包線表示材料受到不同應力作用達到極限狀態(tài)時，剪切破壞面上法向應力σ與剪應力f的關(guān)系。理論分析和實驗都證明，莫爾理論對土比較合適，土的莫爾破壞包線通?？梢越暤赜弥本€代替，如圖虛線所示，該直線方程就是庫倫公式表達的方程。由庫倫公式表示莫爾破壞包線的強度理論，稱為莫爾—庫倫強度理論。

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§6.2土的抗剪強度理論Dr.HanWX6.2.2

莫爾—庫倫強度理論及極限平衡條件f

=f(σ)f

=c+σtan7當土體中任意一點在某一平面上發(fā)生剪切破壞時，該點即處于極限平衡狀態(tài)，根據(jù)莫爾—庫倫強度理論，可得到土體中一點的剪切破壞條件，即土的極限平衡條件，下面僅研究平面問題。在土體中取一微單元體[圖7-4(a)],設(shè)作用在該單元體上的兩個主應力為σ1和σ3(σ1＞σ3)，在單元體內(nèi)與大主應力σ1作用平面成任意角的mn平面上有正應力σ和剪應力。為了建立σ、與σ1、σ3之間的關(guān)系，取微棱柱體abc為隔離體[圖7-4(b)]，將各力分別在水平和垂直方向投影，根據(jù)靜力平衡條件得：

聯(lián)立求解方程得：

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§6.2土的抗剪強度理論Dr.HanWX6.2.2莫爾—庫倫強度理論及極限平衡條件8

如果給定了土的抗剪強度參數(shù)c和以及土中某點的應力狀態(tài)，則可將抗剪強度包線與莫爾應力圓畫在同一張坐標圖上(如圖)?？辜魪姸扰c莫爾圓之間的關(guān)系有以下三種情況：①整個莫爾圓位于抗剪強度包線的下方(圓I)，說明該點在任何干面上的剪應力都小于土所能發(fā)揮的抗剪強度(

＜f

)，因此不會發(fā)生剪切破壞；②抗剪強度包線是莫爾圓的一條割線(圓Ⅲ)，實際上這種情況是不可能存在的因為該點任何方向上的剪應力都不可能超過土的抗剪強度(不存在

>f的情況)；

③莫爾圓與抗剪強度包線相切(圓II)，切點為A，說明在A點所代表的平面上，剪應力正好等于抗剪強度

=f)，該點就處于極限平衡狀態(tài)。圓II稱為極限應力圓。根據(jù)極限應力圓與抗剪強度包線相切的幾何關(guān)系，可建立下面的極限平衡條件。

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§6.2土的抗剪強度理論Dr.HanWX6.2.2莫爾—庫倫強度理論及極限平衡條件9根據(jù)極限應力圓與抗剪強度包線相切的幾何關(guān)系，可建立下面的極限平衡條件。

設(shè)在土體中取一微單元體，如圖所示，mn為破裂面，它與大主應力的作用面成角。該點處于極限平衡狀態(tài)時的莫爾園如圖(b)所示。將抗剪強度包線延長與σ軸相交于R點，由三角形ARD可知：AD=RDsin

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§6.2土的抗剪強度理論Dr.HanWX6.2.2莫爾—庫倫強度理論及極限平衡條件10

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§6.2土的抗剪強度理論Dr.HanWX6.2.2莫爾—庫倫強度理論及極限平衡條件11

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§6.2土的抗剪強度理論Dr.HanWX6.2.2莫爾—庫倫強度理論及極限平衡條件12

直接剪切儀分為應變控制式和應力控制式兩種，前者是等速推動試樣產(chǎn)生位移．測定相應的剪應力，后者則是對試件分級施加水平剪應力測定相應的位移，我國普遍采用的是應變控制式直剪儀，如圖所示，該儀器主要部件由固定的上盒和活動的下盒組成，試樣放在上下盒內(nèi)上下兩塊透水石之間。

試驗時，由杠桿系統(tǒng)通過加壓活塞和上透水石對試件施加垂直壓力，然后等速轉(zhuǎn)動手輪對下盒施加水平推力，使試樣在上下盒之間的水平接觸面上產(chǎn)生剪切變形，直至破壞，剪應力的大小可借助于上盒接觸的量力環(huán)的變形值計算確定。在剪切過程中，隨著上下盒相對剪切變形的發(fā)展，土樣中的抗剪強度逐漸發(fā)揮出來，直到剪應力等于土酌抗剪強度時，土樣剪切破壞，所以土樣的抗剪強度可用剪切破壞時的剪應力來量度。

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§6.3土的抗剪強度試驗Dr.HanWX6.3.1直接加剪切試驗13MotordriveLoadcelltomeasureShearForceNormalloadRollersSoilPorousplatesTopplatenMeasure relativehorizontaldisplacement,dx verticaldisplacementoftopplaten,dy

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§6.3土的抗剪強度試驗Dr.HanWX6.3.1直接加剪切試驗14MotordriveLoadcelltomeasureShearForceNormalloadRollersSoilPorousplatesTopplatenMeasure relativehorizontaldisplacement,dx verticaldisplacementoftopplaten,dy

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§6.3土的抗剪強度試驗Dr.HanWX6.3.1直接加剪切試驗15為了近似模擬土體在現(xiàn)場受剪的排水條件，直接剪切試驗可分為快剪、固結(jié)快剪和慢剪三種方法?？旒粼囼炇窃谠嚇邮┘迂Q向壓力后，立即快速施加水平剪應力使試樣剪切破壞。固結(jié)快剪是允許試樣在豎向壓力下排水，待固結(jié)穩(wěn)定后，再快速施加水平剪應力使試樣剪切破壞。慢剪試驗則是允許試樣在豎向壓力下排水，待固結(jié)穩(wěn)定后，以緩侵的速率施加水平剪應力使試樣剪切破壞。

直接剪切儀具有構(gòu)造簡單，操作方便等優(yōu)點，但它存在若干缺點，主要有：

①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剪切面上剪應力分布不均勻，土樣剪切破壞時無從邊緣開始，在邊緣發(fā)生應力集中現(xiàn)象③在剪切過程中，土樣剪切面逐漸縮小，而計算抗剪強度時卻是按土樣的原截面積計算的④試驗時不能嚴格控制排水條件，不能量測孔隙水壓力，在進行不排水剪切時，試件仍有可能排水，特別是對于飽和粘性土，由于它的抗剪強度受排水條件的影響顯著，故不排水試驗結(jié)果不夠理想。

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§6.3土的抗剪強度試驗Dr.HanWX6.3.1直接加剪切試驗16

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§6.3土的抗剪強度試驗Dr.HanWX6.3.2三軸壓縮試驗三軸壓縮試驗是測定土抗剪強度的一種較為完善的方法。三軸壓縮儀由壓力室、軸向加荷系統(tǒng)、施加周圍壓力系統(tǒng)、孔隙水壓力量測系統(tǒng)等組成．如圖

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§6.3土的抗剪強度試驗Dr.HanWX6.3.2三軸壓縮試驗三軸壓縮試驗按剪切前受到周圍壓力的固結(jié)狀態(tài)和剪切時的誹水條件，分為三種方法。

(1)三軸壓縮不固結(jié)不排水UU試驗，簡稱不排水[剪]試驗：試樣在施加周圍壓力和隨后施加豎向壓力直至剪切破壞的整個過程中都不允許排水，試驗自姑至終關(guān)閉排水閥門。

(2)三鈾壓縮固結(jié)不排水CU試驗，簡稱固結(jié)不排水[剪]試驗：試樣在施加周圍壓力63時打開排水閥門，允許排水固結(jié)，待固結(jié)穩(wěn)定后關(guān)閉排水閥門，再施加豎向壓力，使試樣在不排水的條件下剪切破壞。

(3)三軸壓縮固結(jié)排水CD試驗，簡稱排水[剪]試驗：試樣在施加周圍壓力噸時允許排水因結(jié)，待固結(jié)穩(wěn)定后，再在排水條件下施加堅向壓力至試件剪切破壞DrainagePathPhaseIPhaseIISymbolUnconsolidationUndrainedUUConsolidatedUndrainedCUConsolidatedDrainedCD

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§6.3土的抗剪強度試驗Dr.HanWX6.3.2三軸壓縮試驗

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§6.3土的抗剪強度試驗Dr.HanWX6.3.3無側(cè)限抗壓強度試驗

無側(cè)限抗壓強度試驗如同在三鈾儀中進行σ3=0的不排水剪切試驗一樣，試驗時，將圓柱形試樣放在如圖所示的無側(cè)阻抗壓試驗儀中，在不加任何側(cè)向壓力的情況下施加垂直壓力，直到使試件剪切破壞為止，剪切破壞時試樣所能承受的最大軸向壓力qu稱為無側(cè)阻抗壓強度。

根據(jù)試驗結(jié)果，只能作一個極限應力圓(σl＝qu、σ3＝0)。因此對于一般粘性土就難以作出破壞包線。而對于飽和粘性土，根據(jù)在三鈾不固結(jié)不排水試驗的結(jié)果，其破壞包線近似于一條水平線，即u＝0。這樣，如僅為了測定飽和粘性土的不排水抗剪強度，就可以利用構(gòu)造比較簡單的無側(cè)限抗壓試驗儀代替三袖儀。此時，取u＝0則由無側(cè)阻抗壓強度試驗所得的極限應力圓的水平切線就是破壞包線。

f

=cu=qu/2

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§6.3土的抗剪強度試驗Dr.HanWX6.3.4十字板剪切試驗

對于高靈敏度的軟粘土，室內(nèi)試驗結(jié)果精度受到影響。因此發(fā)展原位測試土性的儀器。原位測試時的排水條件、受力狀態(tài)與土所處的天然狀態(tài)比較接近。在抗剪強度的原位測試方法中．廣泛應用的是十字板剪切試驗，原理如下：

十字板剪切儀的構(gòu)造如圖所示。試驗時先將套管打到預定的深度，并將套管內(nèi)的土清除。將十字板裝在轉(zhuǎn)桿的下端后，通過套管壓入土中，壓入深度約為750mm。然后由地面上的扭力設(shè)備儀對鉆桿施加扭矩．使埋在土中的十字板旋轉(zhuǎn)，直至土剪切破壞。破壞面為十字板旋轉(zhuǎn)所形成的圓柱面。轉(zhuǎn)所形成的圓柱面。設(shè)剪切破壞時所施加的扭矩為M，則它應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

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§6.3土的抗剪強度試驗Dr.HanWX6.3.4十字板剪切試驗設(shè)剪切破壞時所施加的扭矩為M，則它應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

式中M—剪切破壞時的扭力矩；kN·m

V、H—剪切破壞時圓柱體側(cè)面和上下的抗剪強度

D、H—十字板的直徑和高度；m

通常V、H

是不同的，為了簡化將V=H=f

上式簡化為：22

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§6.4三軸壓縮試驗中的孔隙壓力系數(shù)Dr.HanWX

根據(jù)有效應力原理，σ=σ’+uu=σ-σ’斯肯普頓(1954)提出以孔隙壓力系數(shù)表示孔隙水壓力的發(fā)展和變化。根據(jù)三軸試驗結(jié)果，引用孔隙壓力系數(shù)A和B，建立了軸對稱應力狀態(tài)下土中孔隙壓力與大、小主應力之間的關(guān)系。

如圖表示單元土體小孔隙壓力的發(fā)展，設(shè)一土單元在各向相等的有效應力σc’作用下固結(jié)，初始孔隙水壓力u0=0，意圖是模擬試樣的原位應力狀態(tài)。如果受到各向相等的壓力Δσ3的作用，孔隙壓力的增長為Δu3，有效應力的增長為

Δσ3’=Δσ3-Δu3

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§6.4三軸壓縮試驗中的孔隙壓力系數(shù)Dr.HanWX

根據(jù)彈性理論，如果彈性材料的彈性模量和泊松比分別為置和小在各向應力相等而無剪應力的情況下．土體積的變化為

將式(6—18)代人上式得

(6—19)

式中Cs—土骨架的三向體積壓縮系數(shù)，Cs＝3(1—2)/E;它是土體在三軸壓縮試驗中土骨架

體積應變與圍壓增量的比值。

V—試樣體積。

土孔隙中由于增加了孔隙壓力Δu3

，使土中氣和水壓縮，其壓縮量為

(6—20)

式中n—土的孔隙率，

CV—孔隙的三向體積壓縮系數(shù)。它是土體在三袖壓縮試驗中孔隙體積應變與圍壓增量的

比值。

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§6.4三軸壓縮試驗中的孔隙壓力系數(shù)Dr.HanWX

由于土固體顆粒的壓縮量很小，可以認為土體積的變化A擴等于孔隙體積的變化ΔV由式(6—19)和式(6—20)得

整理后得

式中B＝1/[1十nCv/CS]為在各向應力相等條件下的孔隙壓力系數(shù)體在等向壓縮應力

狀態(tài)時，單位圍壓增量所引起的死隙壓力增量。

對于飽和土，孔隙中完全充滿水，由于水的壓縮性比土骨架的壓縮性小得多

CV/Cs→0因而

B＝l，故Δu3

＝Δσ3；

對于干土，Cv／C孔隙的壓縮性接近于無窮大，CV/Cs→∞因而

B＝0；

對于非飽和土，0＜B＜1，土的飽和度愈小，B值也愈小。

如果在試樣上施加袖向壓力增量(Δσ1-

Δσ3)，設(shè)在試樣中產(chǎn)生孔隙壓力增量為Δu1，相應軸向和側(cè)向有效應力增量分別為

(6—22)

和

Δσ3’

＝Δu3

(6—23)25

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第6章土的抗剪強度

§6.4三軸壓縮試驗中的孔隙壓力系數(shù)Dr.HanWX

根據(jù)彈性理論，其體積變化應為26

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第6章土的抗剪強度

§6.4三軸壓縮試驗中的孔隙壓力系數(shù)Dr.HanWX27

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§6.5飽和粘性土的抗剪強度Dr.HanWX

不固結(jié)不排水試驗是在施加周圍壓力和軸向壓力直至剪切破壞的。

A、B、C分別表示三個試件在不同的σ3作用下破壞時的總應力圖，虛線是有效應力園。試驗結(jié)果表明，雖然三個試件的周圍壓力σ3不同，但破壞時的主應力差相等，在f-σ圖上表現(xiàn)出三個總應力圓直徑相同，因而破壞包線是一條水平線。即

u=0

f=cu=(σ1-σ3)/2

在試驗中如果分別量測試樣破壞時的孔隙水壓力u，試驗結(jié)果可以用有效應力整理，結(jié)果表明，三個試件只能得到同一個有效應力園，并且有效應力圓的直徑與三個總應力圓直徑相等，即

σ1’-σ3’=(σ1-σ3)A=(σ1-σ3)B=(σ1-σ3)C6.5.1

不排水抗剪強度28

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§6.5飽和粘性土的抗剪強度Dr.HanWX飽和粘性土的固結(jié)不排水抗剪強度在定程度上受應力歷史的影響，因此，在研究粘性土的固結(jié)不排水強度時，要區(qū)別試樣是正常固結(jié)還是超固結(jié)。

正常固結(jié)土層和超固結(jié)土層在三軸固結(jié)不排水試驗中，如果試樣所受到的周圍固結(jié)壓力σ3大于它曾受到的最大固結(jié)壓力pc，屬于正常固結(jié)試樣；如果σ3＜pc

、則屬于超固結(jié)試樣。試驗結(jié)果證明，這兩種不同固結(jié)狀態(tài)的試樣，其抗剪強度性狀是不同的。

飽和粘性土固結(jié)不排水試驗時，試樣在σ3作用下充分排水固結(jié)，Δu3

=0，在不排水條件下施加偏應力（σ1-σ3）剪切時，試樣中的孔隙水壓力隨偏應力的增加而不斷變化，Δu1＝A(Δσ1-Δσ3)，如圖，對正常固結(jié)試樣剪切時體積有減少的趨勢(剪縮)，但由于不允許排水，故產(chǎn)生正的孔隙水壓力，由試驗得出孔隙壓力系數(shù)都大于零，而超固結(jié)試樣在剪切時體積有增加的趨勢(剪脹)，強超固結(jié)試樣在剪切過程中，開始產(chǎn)生正的孔隙水壓力，以后轉(zhuǎn)為負值。6.5.2

固結(jié)不排水抗剪強度29

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§6.5飽和粘性土的抗剪強度Dr.HanWX

正常固結(jié)飽和粘性土固結(jié)不排水試驗，

圖中以實線表示的為總應力圓和總應力破壞包線，如果試驗時量測孔隙水壓力，試驗結(jié)果可以用有效應力整理;

圖中虛線表示有效應力圓和有效應力破壞包線，uf為剪切破壞時的孔隙水壓力;

由于

σ1’=σ1–uf,σ3’=σ3

–uf,

故

σ1’–σ3’=σ1-σ3，

即有效應力園與總應力圓直徑相等，但位置不同，兩者之間的距離為uf，因為正常固結(jié)試樣在剪切破壞時產(chǎn)生正的孔隙水壓力，故有效應力圓在總應力園的左方。

總應力破壞包線和有效應力破壞包線都通過原點，說明未受任何固結(jié)壓力的土(如泥漿狀土)不會具有抗剪強度?？倯ζ茐陌€的傾角以cu表示，一般在10°-20°之間，有效應力破壞包線的傾角

’稱為有效內(nèi)摩擦角，’比cu大一倍左右。

6.5.2

固結(jié)不排水抗剪強度30

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§6.5飽和粘性土的抗剪強度Dr.HanWX

超固結(jié)土的固結(jié)不排水總應力破壞包線如圖(a)所示，是一條略平緩的曲線，可近似用直線ab代替，與正常固結(jié)破壞包線bc相交，bc線的延長線仍通過原點，實用上將abc折線取為一條直線，如圖(b)所示，總應力強度指標為cu和cu

于是，固結(jié)不排水剪切的總應力破壞包線可表達為：f=cu+σtancu

以有效應力表示，有效應力圓和有效應力破壞包線如圖中虛線所示，由于超固結(jié)土在剪切破壞時，產(chǎn)生負的孔隙水壓力，有效應力圓在總應力圓的右方(圖中圓A)，正常固結(jié)試樣產(chǎn)生正的孔隙水壓力，故有效應力圓在總應力圓的左方(圖中圓B)。有效應力強度包線可表示為：f=c’+σ’tan’

6.5.2

固結(jié)不排水抗剪強度31

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§6.5飽和粘性土的抗剪強度Dr.HanWX

固結(jié)排水試驗在整個試驗過程中，超扎隙水壓力始終為零，總應力最后全部轉(zhuǎn)化為有效應力，所以總應力圓就是有效應力圓，總應力破壞包線就是有效應力破壞包線。

上圖(a)和(b)分別為固結(jié)排水試驗的應力—應變關(guān)系和體積變化，在剪切過程中，正常固結(jié)粘土發(fā)生剪縮，而超固結(jié)土則是先剪縮，繼而主要呈現(xiàn)剪脹的特性。

下圖為固結(jié)排水試驗結(jié)果，正常固結(jié)土的破壞包線通過原點，如圖(a)所示，粘聚力cd＝0，內(nèi)摩擦角d約在20°-40°之間；超固結(jié)土的破壞包線賂彎曲、實用上近似取為一條直線代替，如圖(b)所示，cd約為5～25kPa，d比正常固結(jié)土的內(nèi)摩擦角要小。

6.5.3

排水抗剪強度32

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§6.5飽和粘性土的抗剪強度Dr.HanWX

試驗證明，cd、d與固結(jié)不排水試驗得到的c’、

’很接近，由于固結(jié)排水試驗所需的時間太長，故實用上以c’、

’代替cd、d，但是兩者的試驗條件是有差別的，固結(jié)不排水試驗在剪切過程中試樣的體積保持不變，而固結(jié)排水試驗在剪切過程中試樣的體積一般要發(fā)生變化，cd、d略大于c’、

’。在直接剪切試驗中進行但剪試驗得到的結(jié)果常常偏大，根據(jù)經(jīng)驗可將慢剪試驗結(jié)果乘以0.9.

如圖表示同一種粘性土分別在三種不同排水條件下的試驗結(jié)果，由圖可見，如果以總應力表示，將得出完全不同的試驗結(jié)果，而以有效應力表示．則不論采用那種試驗方法，都得到近乎同一條有效應力破壞包線(如圖中虛線所示)．由此可見，抗剪強度與有效應力有唯一的對應關(guān)系。6.5.3

排水抗剪強度33

《土力學》

第6章土的抗剪強度

§6.5飽和粘性土的抗剪強度Dr.HanWX

粘性土的強度性狀是很復雜的，它不僅隨剪切條件不同而異，而且還受許多因素(例如土的各向異性、應力歷史、蛹變等)的影響。此外對于同一種土，強度指標與試驗方法以及試驗條件都有關(guān)，實際工程問題的情況又是干變?nèi)f化的，用實驗室的試驗條件去模擬現(xiàn)場條件畢競還會有差別。因此，對于某個具體工程問題。

如何確定土的抗剪強度指標：首先要根據(jù)工程問題的性質(zhì)①確定分析方法，②進而決定采用總應力或有效應力強度指標，③然后選擇測試方法。

一般認為，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)物的地基長期穩(wěn)定分析等)由三軸固結(jié)不排水試驗確定的有效應力強度c’和

’；而對于飽和軟粘土的短期穩(wěn)定問題，則宜采用不固結(jié)不排水試驗的強度指標cu，即

u=0，以總應力法進行分析。6.5.4

抗剪強度指標的選擇34

《土力學》

第6章土的抗剪強度

§6.5飽和粘性土的抗剪強度Dr.HanWX

一般工程問題多采用總應力分析法，其指標和測試方法的選擇大致如下:

Ⅰ若建筑物施工速度較快，而地基土的進水性和排水條件不良時，可采用三軸儀不固結(jié)不排水試驗或直剪儀快剪試驗的結(jié)果；

Ⅱ如果地基荷載增長速率較慢，地基土的透水性不太小(如低塑性的粘土)以及徘水條件又較佳時(如粘土層中央砂層)，則可以采用固結(jié)排水或慢剪試驗；

Ⅲ如果介于以上兩種情況之間，可用固結(jié)不排水或圍結(jié)快剪試驗結(jié)果。

由于實際加荷情況和土的性質(zhì)是復雜的，而且在建筑物的施工和使用過程中都要經(jīng)歷不同的固結(jié)狀態(tài)，因此，在確定強度指標時還應結(jié)合工程經(jīng)驗。（見書P200表）6.5.4

抗剪強度指標的選擇35

《土力學》

第6章土的抗剪強度

§6.5飽和粘性土的抗剪強度Dr.HanWX6.5.4

抗剪強度指標的選擇36

《土力學》

第6章土的抗剪強度

§6.5飽和粘性土的抗剪強度Dr.HanWX6.5.4

抗剪強度指標的選擇37

《土力學》

第6章土的抗剪強度

§6.6應力路徑在抗剪強度問題中的應用Dr.HanWX

對加荷過程中的土體內(nèi)某點，其應力狀態(tài)的變化可在應力坐標圖中以應力點的移動軌跡表示，這種軌跡稱為應力路徑。

以三軸試驗為例，如果保持σ3不變，逐漸增加σ1，這個應力變化過程可以用一系列應力圖表示。在圖上適當選擇一個特征應力點來代表整個應力圓。常用的特征點是應力圓的頂點(剪應力為最大)，其坐標為p=(σ1+σ3)/2和

q=(σ1-σ3)/2

[圖(a)]。按應力變化過程順序把這些點連接起來就是應力路徑[圖(b)]、并以箭頭指明應力狀態(tài)的發(fā)展方向。加荷方法不同，應力路徑也不同，在三軸壓縮試驗中，如果保持σ3不變，逐漸增加σ1，最大剪應力而上的應力路徑為如圖所示的AB線，如保持σ1不變，逐漸減少σ3，則應力路徑為AC線。σ3σ138

《土力學》

第6章土的抗剪強度

§6.6應力路徑在抗剪強度問題中的應用Dr.HanWX

應力路徑可以用來表示總應力的變化也可以表示有效應力的變化，

圖(a)表示正常固結(jié)粘土三軸固結(jié)不排水試驗的應力路徑，總應力路徑AB是直線，有效應力路徑AB’是曲線，兩者的距離即為孔隙水壓力uf。因為正常固結(jié)粘土在不排水剪切時產(chǎn)生正的孔隙水壓力。

總應力路徑AB線上任意一點的坐標為p=(σ1+σ3)/2和

q=(σ1-σ3)/2

則相應于有效應力路徑AB’上該點的坐標為

p’=(σ1+σ3

)/2–uf

q=(σ1-σ3

)/2=(σ1’-σ3’