三轴试验

2 关闭排水阀门，很快剪切破坏，在施加轴向应力差过程中不排水

不固结不排水试验（UU试验） cu 、u 1 关闭排水阀门，围压下不固结；
2 关闭排水阀门，很快剪切破坏，在施加轴向应力差过程中不排水
试验类型汇总
固结排水试验（CD试验）
Consolidated Drained Triaxial test 抗剪强度指标： cd d （c ） (CD)
P
孔 压 U
时间T
2.液化机理
（1）初始的疏松状态 （2）振动以后处于悬浮状态 —孔压升高（液化） （3）振后处于密实状态
摩擦强度-正比于压力 c：
粘聚强度-与所受压力无关
二、土的强度的机理
1.摩擦强度 tg
（1）滑动摩擦 （2）咬合摩擦引起的剪胀 （3）颗粒的破碎与重排列
N T
N
T= N
T

颗粒破碎与重排列 滑动摩擦 咬合摩擦引起的剪胀

影响土的摩擦强度的主要因素：
密度（e,
粒径级配（Cu, Cc） 颗粒的矿物成分：对于：砂土>粘性土； 高岭石>伊里石>蒙特石 粒径的形状（颗粒的棱角与长宽比）

c O

通过控制剪切速率来 近似模拟排水条件
1. 固结慢剪： 施加正应力-充分固结慢慢施加剪应力-小 于0.02mm/分，以保证无超静孔压 2. 固结快剪 施加正应力-充分固结在3-5 分钟内剪切破坏 3. 快剪 施加正应力后立即剪切3-5 分钟内剪切破坏
优点
设备简单，操作方便
结果便于整理
f tan
σ τ
粘性土：
f tan c
c:土的粘聚力 :土的内摩擦角
莫尔—库仑强度理论
（1）在一定的应力范围内，可以用线性 函数近似f = c +tg （2）某土单元的任一个平面上 = f ， 该单元就达到了极限平衡应力状态
2、土中一点的应力状态
1 3 1 3 3
1 3 2
c O
f c tan


3

1f

c ctg
1 3 2
5. 破坏判断方法
判别对象：土体微小单元（一点）
3= 常数：
1,3 x z
2 x z 2 4 xz 2
2
1 f 3tg 2 45 2c tg 45 2 2
不同状态时的摩尔圆
4. 极限平衡应力状态
极限平衡应力状态： 有一面上的应力状态达到 = f 土的强度包线：

所有达到极限平衡状态的莫尔园的公切线。
f


f
强度包线以内：任何一个面 上的一对应力与 都没有达 到破坏包线，不破坏；
与破坏包线相切：有一个面

上的应力达到破坏；
与破坏包线相交：有一些平 面上的应力超过强度；不可 能发生。
三、工程中土体的破坏类型
1.挡土结构物的破坏
滑裂面
挡土墙
基坑支护
2.各种类型的滑坡
崩塌
平移滑动
旋转滑动
流滑
3.地基的破坏
p
地基
☆土压力
☆边坡稳定 ☆地基承载力
★挡土结构物破坏 ★各种类型的滑坡
★地基的破坏
§6.2 土的抗剪强度理论
本节主要内容：
一、直剪试验和库仑公式 二、土的强度机理 三、摩尔-库仑强度理论
本节主要内容：
一. 总应力指标与有效应力指标 二. 三轴试验强度指标 三. 土的强度指标的工程应用
一、总应力指标与有效应力指标
1.两种强度指标的比较
2.有效应力、总应力强度包线
1. 两种强度指标的比较
强度指标 土的抗剪强度的 有效应力指标c, 抗剪强度 = c + tg = -u 土的抗剪强度的 总应力指标c, = c + tg
D 2 H
2
M1
f
M max D 2 D ( H) 2 3
M2
H
D
无侧限抗压强度试验
§6.4 饱和粘性土的抗剪强度
强度指标：
粘聚力 c 内摩擦角
强度指标的分类：
按照分析方法，可分为总应力强度指标与 有效应力强度指标； 按照试验方法，可分为直剪强度指标与三 轴试验强度指标；
按照应力应变状态，可分为峰值强度指标 与残余强度指标。
固结不排水试验（CU试验）
Consolidated Undrained Triaxial test 抗剪强度指标：ccu cu (CU)
不固结不排水试验（UU试验）
Unconsolidated Undrained Triaxial test 抗剪强度指标： cu u （ cuu uu ） (UU)

根据应力状态计算出大小主应力σ1、 σ3，由σ3计算σ1f，比较σ1与σ1f

σ1<σ1f 弹性平衡状态

σ1=σ1f 极限平衡状态
σ1>σ1f 破坏状态
O
c
3
1 1f 1

1= 常数：
1,3 x z
2 x z 2
2 2 4 xz
插入十字形的探头；
通过施加的扭矩计算
土的抗剪强度
M max M1 M 2
M 1 2 fh 2r rdr
0
D/2
D 3
6
fh
D M 2 DH fv 2
fh fv 时
M max M 1 M 2
f
D 3
6
f
(1 + 3)/2 = 常数：圆心保持不变
1,3 x z
2 x z 2 4 xz 2
2
1 3 sin 1 3 2c ctg
根据应力状态计算出大小主应力σ1σ3，由 σ1、σ3计算，与比较

3. 极限平衡应力状态 4. 摩尔-库仑强度理论 5. 破坏判断方法 6. 滑裂面的位置
1.库仑公式
f c tan
f ：
土的抗剪强度
c 粘聚力 内摩擦角
tg：
摩擦强度-正比于压力
c： 粘聚强度-与所受压力无关
抗剪强度曲线
τ
τ
υ
υ c σ σ
无粘性土
粘性土
库仑（Coulomb）公式 砂土：
测试时间短
缺点
试样应力状态复杂
应变不均匀
不能控制排水条件 剪切面固定
土的剪切试验方法
直接剪切试验
抗剪强度曲线
2. 三轴试验
（1）试样应力特点与试验方法
（2）强度包线
（3）试验类型 （4）优缺点
有机玻璃罩
试 样
轴向加压杆 顶帽 压力室
透水石 排水管
阀门
橡皮膜 压力水
三轴剪切试验
首先试样施加静水压力—室压（围压） 1=2=3 ；
然后通过活塞杆施加的是应力差
Δ1= 1-3 。
（2）强度包线

1- 3
分别作围压为100 kPa 、 200 kPa 、300 kPa的三轴 试验，得到破坏时相应的 （1-)f

强度包线
1 =15%
1


c
绘制三个破坏状态的应力摩 尔圆，画出它们的公切线— —强度包线，得到强度指标 c 与
第六章
土的抗剪强度
本章主要内容：
§6.1 概述
§6.2
§6.3
土的抗剪强度理论
土的抗剪强度测定试验
§6.4
§6.5
饱和粘性土的抗剪强度
无粘性土的抗剪强度
§6.1 概述
土工结构物或地基
渗透问题 变形问题 强度问题
渗透特性 变形特性 强度特性
土
一、土的抗剪强度 二、土的强度特点：
1.碎散性：强度不是颗粒矿物本身的强度，而 是颗粒间相互作用——主要是抗剪强度与 剪切破坏，颗粒间粘聚力与摩擦力； 2.三相体系：三相承受与传递荷载——有效应 力原理； 3.自然变异性：土的强度的结构性与复杂性。
符合土的破坏机理， 便于应用,但u不能产 简单评价 但有时孔隙水压力u 生抗剪强度，不符合 无法确定 强度机理
二、饱和粘性土的抗剪强度
1、不固结不排水抗剪强度 2、固结不排水抗剪强度
3、固结排水抗剪强度
三、土的强度指标的工程应用
有效应力指标与总应力指标
凡是可以确定（测量、计算）孔隙水压力 u的情况，都应当使用有效应力指标c，


> 安全状态
= 极限平衡状态
c O
< 不可能状态
6. 滑裂面的位置
1f
45°＋/2
与大主应力面夹角： α=45 + /2
3

f c tan

2
图中虚线所指 位置为滑裂面
2 90
1f
c O
3
2
§6.3 抗剪强度测定试验
莫尔-库仑强度理论表达式－极限平衡条件
1 3
sin 2 c ctg
1 ctg
1 f 3 f
3tg 45 2c tg 45 2 2 2 1tg 45 2c tg 45 2 2
(1-)f
(1-)f
（3）试验类型

固结排水试验（CD试验） cd 、d 1 打开排水阀门，施加围压后充分固结，超静孔隙水压力完全消散；
2 打开排水阀门，慢慢施加轴向应力差以便充分排水，避免产生 超静孔压

固结不排水试验（CU试验） c cu 、cu 1 打开排水阀门，施加围压后充分固结，超静孔隙水压力完全消散；
应变控制式三轴仪：压力室，加压系统， 量测系统组成 △ 应力控制式三轴仪 3 试验步骤: 3 1.装样 3 3 2.施加周围压力 3 3.施加竖向压力
3
△
（1）试样应力特点与试验方法：
特点： 试样是轴对称应力状态。垂直应力z 一般是大主应力；径向与切向应力总 是相等r=，亦即1=z；2=3=r 方法：

三轴试验指标与直剪试验指标
砂土：
c, 粘土： 有效应力指标：固结排水、固结不排水 总应力指标：三轴固结不排水、不排水; 直剪固结快剪、快剪 三轴排水试验指标与直剪试验指标
（直剪试验得到的指标偏大）
§6.5 砂土的振动液化
饱和松砂的振动液化 1.液化现象
饱和松砂在振动情 况下孔压急剧升高 在瞬间砂土呈液态
在其他条件相同时：
对于砂土，颗粒的棱角提高了内摩擦角
对于碎石土，颗粒的棱角可能降低其内摩擦角
2.凝聚强度
粘聚强度机理 静电引力（库仑力） 范德华力 颗粒间胶结 假粘聚力（毛细力等） 地质历史 粘土颗粒矿物成分 密度 离子价与离子浓度
粘聚强度影响因素
三、摩尔-库仑强度理论
1. 库仑公式
2. 应力状态与摩尔圆
（4）优点和缺点
优点：
1 2 3 4
应力状态和应力路径明确； 排水条件清楚，可控制； 破坏面不是人为固定的； 试验单元体试验
缺点：
设备相对复杂，现场无法试验
说明： 3＝0 即为无侧限抗压强度试验
二、野外试验
十字板剪切试验
一般适用于测定软粘土
的不排水强度指标；
钻孔到指定的土层，
一、直剪试验和库仑公式
直剪试验 库仑（1776）
P
试验原理 施加
σ（=P/A）
上盒
A
量测
S
（=T/A）
下盒
T

σ = 300KPa σ = 200KPa σ = 100KPa c O


S
库仑公式：
f ：
土的抗剪强度
f c tan
强度指标
c 粘聚力 内摩擦角
tg：
一、室内试验
直剪试验、三轴试验等 制样（重塑土）或现场取样 缺点：扰动 优点：应力条件清楚，易重复
二、野外试验
十字板扭剪试验、旁压试验等 原位试验 缺点：应力条件不易掌握 优点：原状土的原位强度
一、室内试验
1. 直剪试验
P

σ = 300KPa σ = 200KPa σ = 100KPa
A
S
S T
3 f 1tg 2 45 2c tg 45 2 2

根据应力状态计算出大小主应力σ1、 σ3，由σ1计算σ3f，比较σ3与σ3f

σ3>σ3f 弹性平衡状态
c O
3
3f 3
1

σ3=σ3f 极限平衡状态 σ3<σ3f 破坏状态
dlsin

dlcos
1
3. 应力莫尔圆

+zx
圆心： R x z 2 半径：
r 2
z 1 3 x

O
-xz
x z 2 r xz 2
2
R
莫尔圆：代表一个土单元的应 力状态；圆周上一点代表一个 面上的两个应力与