土的抗剪强度与地基承载力

便、试样薄、固结快、省时、仪器刚度大，不可能发生横向 变形，仅根据竖向变形量就可计算试样体积的变化。这些 优点使直剪仪至今还被广泛应用。 (2)直剪试验仪的缺点是所受外力状态比较简单，试样内的 应力状态又比较复杂，应力、应变分布不均匀。剪切破坏面 事先已确定，这不能真实反映实际的复杂情况。在试验直至 破坏的过程中，受剪切的实际面积在不断缩小，上下盒边缘 处的应力集中很明显，所以剪切面上的应力、应变很不均匀 又难测定。直剪仪有一个明显缺点就是不能控制排水条件， 不能测试试样中的孔隙水压力及其变化。
上一页 下一页 返回
第二节土的抗剪强度试验方法
(二)三轴剪切试验 1.试验原理及设备组成 三轴剪切仪也就是三轴压缩仪，试样破坏的本质是压一剪
型。土样是一个圆柱体，高75~100 mm，直径为38~50 mm， 用橡皮薄膜套起来，置于压力室中。土样三向受压，可以发 生横向变形，通过液压加周围压力，通过杠杆系统加竖向压 力。当压力及其组合达到一定程度时，土样就会按规律产生 一个斜向破裂面或沿弱面破裂。 2.试验分类 三轴试验根据土样的排水条件可分为: (1)不固结不排水试验。该试验简称为UU试验，和直剪仪 中的快剪相当。UU试验的本质是自始至终关闭排水阀门，不 能排水。因为不能排水，所以也不能固结。不能排水是问题 的本质方面，因而，也简称不排水剪。也因为不能排水，自 始至终存在孔隙水压力，随着加荷增大，孔隙水压力越来越 大，而有效应力是常量。
3.土的黏聚力
土的黏聚力包括原始黏聚力、加固黏聚力及毛细黏聚力三部 分。
二、土的极限平衡条件
(一)黏性土
劲伸h并}土与的抗轴剪交强于度O曲’点线，表如达图式4为-4所: 示f ，则tanOO'
c pc
。把曲线延 c
tan
当达到极限平衡状态时，从图4-4的儿何关系中可以得到:
sin O''a (1 pc) (3 pc) 1 3
(4-5)
由图4-4可求出剪切破裂面的位置，即
2cr 90
(4-6)
但c在r 极45限 平2衡状态时，通过土中一点可以出现不止一个(，4-7而)
是主用用一应面方对力成向滑上1(的动等45作面 于 用，2 )9面如的0成图交4角-4(。4，中5而a及这2a)一‘所的对示交滑，角动这，面一即之对与间滑最的动小夹面主角与应在最力大作1作
上一页 下一页 返回
第二节土的抗剪强度试验方法
(2)固结不排水试验。该试验简称为CU试验，和直剪仪中的 固结快剪相当。CU试验的前一阶段施加各向相等围压，打开 排水阀门，允许排水固结，直到固结完成。试验的后一阶段， 关闭排水阀门，施加竖向压力，在不排水条件和主应力差
作孔用隙(下水1 使压 土力3样 。) 剪坏。前一阶段没有孔隙水压力，后一阶段有
第四章土的抗剪强度与地基承载力
第一节土的抗剪强度与极限平衡条件 第二节土的抗剪强度试验方法 第三节不同排水条件下的剪切试验 第四节地基的临塑荷载与临界荷载 第五节地基的破坏形式 第六节深基础地基的极限承载力
第一节土的抗剪强度与极限平衡条 件
一、土的抗剪强度 (一)土的抗剪强度的概念 土的强度，通常是指土的抗剪强度，而不是土的抗压强度
土体处在极限平衡状态时，从图4-5的几何关系中可以得
到:
sin O'a 1 3
OO' 1 3
(4-8)
通过三角函数关系的换算，式((4-8)还可写成:
上一页 下一页 返回
第一节土的抗剪强度与极限平衡条 件
1
3
tan2 (45
2
)
3
1
tan2 (45
2
)
式(4-8)和式(4-9)就是无黏性土的极限平衡条件。
式中: f --土的抗剪强度((kPa) ;
--作用于剪切面上的法向压力(kPa) ;
(4-1) (4-2)
--土的内摩擦角(o);
c --土的黍占聚力((kPa)。
(三)抗剪强度相关指标
上一页 下一页 返回
第一节土的抗剪强度与极限平衡条 件
1.土的抗剪强度 黏性土的抗剪强度指标变化范围颇大，诸如结构破坏、法向
板剪切试验。
上一页 下一页 返回
第二节土的抗剪强度试验方法
2.试验过程
十字板是横断面呈十字形、带刃口的金属板，高度为 100~120mm，转动直径为50~75mm，板厚为2~3 mm。试验 时先用钻机钻孔至试验土层以上750 mm处，再下套管并用
提土器将套管底部的残土清除，或不用钻机，将套管直接压 人或打人到试验土层以上750 mm处，再清除套管内的土，
(1)不排水剪(快剪)。试验时，无论在法向应力下还是在剪 切过程中都不让土中的水排出，试验中土的含水量不变。
(2)排水剪(慢剪)。试验时，无论在法向应力作用下还是在 整个剪切过程中都让土样排水，土样在应力变化过程中始终 处于孔隙水应力为零的完全固结状态。
(3)固结不排水剪(固结快剪)。试验时，先让土样在法向应 力下完全固结，在剪切的全过程中则不让土样含水量变化。
或抗拉强度。这是因为地基受荷载作用后，土中各点同时产 生法向应力和剪应力，其中法向应力作用将对土体施加约束 力，这是有利的因素;而剪应力作用可使土体发生剪切，这是 不利的因素。若地基中某点的剪应力数值达到该点的抗剪强 度，则此点的土将沿着剪应力作用方向产生相对滑动，此时 称该点发生强度破坏。如果随着外荷不断增大，地基中达到 强度破坏的点越来越多，即地基中的塑性变形区范围不断扩 大，最后形成连续的滑动面，则建筑物的地基会失去整体稳 定而发生滑动破坏。 土的抗剪强度是指在外力作用下，土体内部产生剪应力时， 土对剪切破坏的极限抵抗能力。土的抗剪强度主要应用于地 基承载力的计算和地基稳定性分析、边坡稳定性分析、挡土 墙及地下结构物上的土压力计算等。
(3)固结排水试验。该试验简称为CD试验，和直剪仪中的 慢剪相当。该试验自始至终开着排水阀门，允许排水，在施 加各向相等围压条件下实现排水固结，再在排水条件下施加 竖向压力直至土样剪切破坏。在试验过程中，因为能充分排 水所以孔隙水压力为零。
(三)现场剪切试验 1.试验种类 现场剪切试验可分为:大面积直剪试验;水平推剪试验;十字
O'O'' (1 pc) (3 pc) 1 3 2 pc
(4-3)
上一页 下一页 返回
第一节土的抗剪强度与极限平衡条 件
通过三角函数关系的换算，上式变为:
1
3
tan2
(45
2
)
2c
tan(45
2)(4-4)3 Nhomakorabea1
tan2 (45
)
2
2c
tan(45
)
2
上式就是黏性土的极限平衡条件公式。
(4-9) (4-10)
上一页 返回
第二节土的抗剪强度试验方法
一、土的抗剪强度的测定 (一)直接剪切试验 1.试验设备 直剪试验仪如图4-6所示。试验盒分为上盒、下盒两部分，土
样夹在上、下两块透水石之间，上、下盒的界面处在20 mm 厚土样高度的中间，这就是固定的剪切破坏面。 2.试验过程 首先施加竖向压力，然后在仪器的一端施加剪力。在施加 直剪力后，既有上下盒之间的错动(相对位移，即剪切变形)， 又有上下盒的共同变形。测出钢环仪的径向变形不断增加， 当达到某一数值(即土的抗剪强度值)时，如果继续施力，就 会出现力加不上去，量测变形的仪表指针出现倒退的情况， 这就是破坏的开始，说明此时已超过厂土的抗剪强度。钢环 仪径向变形的最大值乘以钢环常数就是土的抗剪强度值。如 果继续施力，剪切变形会继续增加，
下一页 返回
第二节土的抗剪强度试验方法
量测变形的仪表指针虽然倒退，但不会退到零，基本稳定在 某一数值，这时钢环仪显示的变形值乘以钢环常数所得到的 抗剪强度值称为残余抗剪强度。前面钢环仪径向变形的最大 值乘以钢环常数所得土的抗剪强度称为峰值抗剪强度。
3.试验特点 (1)直剪试验仪的优点是仪器构造简单、传力明确、操作方
然后将十字板装在钻杆下端，穿过套管压人到试验土层中并
尽量避免扰动。再通过地面上的扭力设备对钻杆施加扭矩，
使已压人试验土层中的十字板转动至土体被剪坏，切出一个
圆柱状的破坏面(包括圆柱的侧面和顶、底面)。
3.试验成果
根据试验结果按下式计算十字板剪切试验得到的土的抗剪
强度 f 值:
f
2M
D2 (H D / 3)
影响土的抗剪强度的因素很多，主要包括以下儿个方面:① 土颗粒的矿物成分、形状及颗粒级配;②初始密度;③含水量; ④土的结构扰动情况;⑤有效应力;⑥应力历史;⑦试验条件。
2.土的摩擦力
上一页 下一页 返回
第一节土的抗剪强度与极限平衡条 件
摩擦力中除包括颗粒与颗粒的表面摩擦之外，还包括颗粒间 的咬合力(即联锁作用)。咬合力是指的当颗粒嵌人其他颗粒 之间，在产生相对滑动时，将嵌人的颗粒拨出所需的力。显 然，密砂的咬合(联锁)作用要大于松砂，如图4-3所示。
上一页 下一页 返回
第一节土的抗剪强度与极限平衡条 件
试验证明，在法向压力变化范围不大时，抗剪强度与法向压 力的关系近似为一条直线，这就是抗剪强度的库仑定律，如 图4-2 (b)所示。
不论砂土或钻性土，抗剪强度与法向压力的关系都可用直线 方程式表示。
对砂土:
f tan
对黏性土
f tan c
上一页 下一页 返回
第一节土的抗剪强度与极限平衡条 件
(二)无钻性土
在图4-5中，以应力圆表示砂土内某点的应力状态。直
线态，则f 抗剪tan强度表曲示线土必的定抗与剪应强力度圆。相若切该，点如处图于4-极5中限的平圆衡2状所
示。作用于滑动面上的法向应力 与剪应力 即为圆2上的
点a,若土中某点的应力圆不与该土的抗剪强度曲线相切，如 图4-5中圆1所示，则说明此点的应力尚处于弹性平衡状态。 若应力圆与抗剪强度曲线相割，如图4-5中圆3所示，则从理 论上讲该点早已破坏，实际上在这里已产生塑性流动和应力 重分布。
有效压力下的固结程度、剪切方式等因素对它们的影响要比
对砂土大得多。黏性土内摩擦角 的变化范围大致为0o~30o；
黏聚力c一般为10~100 kPa，有的坚硬钻土甚至更高。
砂28砂、o~3土中6o的砂。内的松摩散擦砂值角的约一为般角32随与o~其4天0粒o然，度休细变止砂细角、而(粉也逐砂叫渐的天降然低坡值。度约砾角为砂，、粗 即大砂。堆饱自和然砂形 土成 比的 同最 样陡 密角 度度 的干)相砂近，值密少砂1的o~20角o 。比天然休止角
不是定值，而是受许多因素的影响。即使同一种土，在不同 条件下其抗剪强度也不相同，它与剪损前土的密度、含水量、 剪切方式、剪切时排水排气等条件有关。 为了研究土的抗剪强度，最简单的方法是将土样装在剪力 匣中，如图4-1所示，在土样上施加一定的法向压力:，而后 再在下匣上施加剪力，T，使上下匣发生相对错动，把土样 在上下匣接触面处剪坏，从而测得土的抗剪强度:r。取三个 以上土样，加上不同的法向压力，分别测得相应的抗剪强度， 并由此绘出抗剪强度曲线，如图4-2 (a)所示。
上一页 下一页 返回
第二节土的抗剪强度试验方法
总应力法的三种试验结果是不一样的。一般慢剪所得的 值 最大，快剪所得的 值最小，固结快剪居中。所得的c值亦
不相同，如图4-7所示。在强度与稳定计算中究竟采用哪种方
法的抗剪强度指标值，应视工程实际情况而定。
快剪(不排水剪)的强度相当于土体受力后出现孔隙水应力且 丝毫没有消散时的强度。如地基是厚度很大的饱和钻土，预 计在加荷期间土层来不及排水，往往施工期间就可能失去稳 定，这时可采用快剪的强度指标校核施工期间的稳定。反之， 如建筑施工期长而透水性小的土层很薄，在加荷期间地基能 充分排水固结，则可采用慢剪的强度指标校核稳定。又如， 建筑物施工期内由结构自重产生的固结能基本完成，但后来 又有突加的使用荷载(如水池、水塔充水，谷仓、料仓装料 等)，在新的应力情况下土层来不及排水，此类情况可采用固 结快剪的强度指标校核稳定。一般情况下，地基在施工与使 用阶段的固结程度往往不易准确估计，根据实践经验并考虑 一定的安全度，实用上常采用固结快剪的强度指标来核算稳 定。
下一页 返回
第一节土的抗剪强度与极限平衡条 件
砂土的抗剪强度主要取决于摩擦力。在土的湿度不大时会出 现一些毛细内聚力，但其值甚小，在一般计算中不予考虑。
黏性土的抗剪强度来源于内聚力与摩擦力。土的颗粒愈细， 塑性愈大，则内聚力所起的作用愈大。
(二)抗剪强度的库仑定律 土的抗剪强度与金属、混凝土等材料的抗剪强度不同，它
(4-11)
上一页 下一页 返回
第二节土的抗剪强度试验方法
式中H、D一十字板的高度和转动直径(cm) ;
M一剪切破坏时的扭力矩(kN.cm)。
二、抗剪强度指标测定方法
(一)总应力强度指标的侧定
总应力法按排水条件的不同，在采用三轴压缩仪做试验时， 分为不排水剪、排水剪及固结不排水剪三种试验方法。当采 用直剪仪做试验时，与上述三种试验对应，分别称为快剪、 慢剪与固结快剪。