27土的抗剪强度试验与指标2019

4、讨论
f
f
σ = 300KPa
σ = 200KPa
c
O
σ = 100KPa
S
τf=c＋tg
抗剪强度指标：一般情况下，
粉细砂： C0kp , a206 ~304
粘性土： C 5~ 1k 0p ,0 a 0~ 100
4、讨论：
f
c
O
试验停止的标准：
σ = 300KPa
σ = 200KPa σ = 100KPa
(q)
f线
α’
土的结构
土的状态 (ρ,e)
同一种正常 固结粘土
应力状态
唯一的ef
K’f线
’ (p’)
研究表明
ef – p´f - qf 唯一性关系 ef – σ´f - τf 唯一性关系
超固结粘土: 应力历史相同时 也满足唯一性关系
3)不固结不排水试验
(3)饱和试样的不排水强度指标
cu
• u = B[ + A ()]
• 密砂试验曲线与强度包线： 应变软化与剪胀性，cd = 0；
• 超固结粘土试验曲线与强度包线： 应变软化与剪胀性，cd与d;
• 超固结粘土+正常固结粘土的强度包线: 折线→ c≠0 的直线近似
2)固结不排水试验
强度指标：ccu ，cu；c’，’ (1) 试验条件 (2) 正常固结粘土固结不排水试验曲线与强度包线 (3) 超固结粘土固结不排水试验曲线与强度包线 (4) 固结不排水三轴试验确定的强度指标
• 正常固结粘土的有效应力与总应力的强度包线:
•
cu <
• 超固结粘土的应力应变关系曲线: 软化
• 超固结粘土的固结不排水强度指标: c ccu, cu • 固结不排水三轴试验确定的强度指标:
•
ccu, cu; c,
3)不固结不排水试验
强度指标：cuu (cu)，uu (u) (1) 试验条件 (2) 粘土的孔隙比－有效应力－抗剪强度唯一性关系 (3) 饱和试样的不排水强度指标cu (4) 不排水试验与固结不排水试验 (5) 无侧限压缩试验：3 = 0的不排水试验 (6) 不饱和试样的不排水强度
多，剪切面附近的应变又大于试件顶部和底部的应变。
所以，在剪切过程中，特别是在剪切破坏时，试件内 3 的加应剪应力力和τ后应，变主，应既力非的均方向匀产又生难偏确转定，。剪应力愈大，偏转角
也愈大，所以试验过程中主应力的方向是不断交化的。
• 直接剪切仪具构造简单，操作方便等优点，但它存在若干缺 点，主要有：
•与超固结度有关
f
cuf
－
＋
u
u<0
u>0
c cu c
cu
2)固结不排水试验 (4) 固结不排水三轴试验确定的强度指标
应力变量
试验量测
u
计算
= u =
确定的强度指标
ccu cu
c
2)固结不排水试验
固结不排水试验小结
• 剪切过程中的超静孔隙水压力u • 正常固结粘土的应力应变关系曲线: 硬化
z
实。验室的正常固结粘土：
有效固结压力0 等于先期固结压力p。
’
固结压力为0的正常固结粘土:
当正常固结粘土试样的固结压力为0时，
亦即其历史上的最大固结压力是0
－处于泥浆状态，抗剪强度为0。
c=0是否意味着正常固结粘土无粘聚力? 粘聚力随增加而增加
f
抗剪强度指标有时失去其物理意义，而变成计算参数的含义
抗剪强度指标
强度指标： 粘聚力 c 内摩擦角
总应力强度指标 与
有效应力强度指标
直剪强度指标 与
三轴试验强度指标
工程应用
三种分 类方法
目的
峰值强度指标 与
残余强度指标
一、直剪试验
直接剪切仪分为应变控制式和应力控制式两种，前者 是等速推动试样产生位移．测定相应的剪应力，后者 则是对试件分级施加水平剪应力测定相应的位移，目 前我国普遍采用的是应变控制式直剪仪。
v
超固结粘土应力应变关系曲线
v表示体缩 v0表示体胀(剪胀)
c≠0
超固结粘土强度包线
1）固结排水试验
(5)超固结粘土+正常固结粘土强度包线
e
f
p
土的压缩曲线
p
强度包线
p ，正常固结粘土； p ，超固结粘土
1)固结排水试验
小结
• 松砂与正常固结粘土试验曲线与强度包线： 应变硬化与体积收缩，cd = 0；
❖ 钻孔到指定的土层，插入十 字形的探头；
❖ 通过施加的扭矩计算土的抗 剪强度
野外试验: 十字板剪切试验(VST)
❖ 技术指标；
❖ 十字板形状常为矩形，板的 高径比为2，板厚2~3mm；
❖ 钻孔到指定的土层，插入十字 形的探头；板头插入钻孔的深 度不应小于钻孔或套管直径的 3~5倍，静置2~3min后在开始 试验； ❖ 扭转剪切速率采用1°/10s，并 在2min内达到峰值（破坏）， 然后继续测记1min；
• ① 剪切面限定在上下盒之间的平面，而不是沿土样最薄弱的 面剪切破坏；
• ② 剪切面上剪应力分布不均匀，土样剪切破坏时先从边缘开 始，在边缘发生应力集中现象；
• ③ 在剪切过程中， 土样剪切面逐渐缩小，而在计算抗剪强 度时却是按土样的原截面积计算；
• ④ 试验时不能严格控制排水条件，不能量测孔隙水压力、在 进行不排水剪切时，试件仍有可能排水，特别对于饱和粘性 土。
1= 1
破坏面位置：
45
2
1)固结排水试验
(2) 松砂与正常固结粘土试验曲线与强度包线
轴向应力渐进增加，体应变是体缩，最终二者均趋于稳定
f=f
=’
v
思考题：正常固结粘土包线为什么过原点？
1)固结排水试验
(2) 松砂与正常固结粘土试验曲线与强度包线“正常固结粘土”
地基中的正常固结粘土：
’ z z p 取回室内, 如 c ’ z，不再是正常固结土
2)固结不排水试验
(1)试验条件
• 施加围压充分固结 • 施加(1 -)时，阀
剪切门过关程闭中，的可连超接静孔孔压隙水压力u 对于传饱感和器土，试量测样剪：切孔过压系数B=1.0 对于程水剪中压切u产力=过生Bu程的A 超中(静无孔体隙积变=化A：(
• uA0，=1/=3-u 剪切过程中发生剪缩：
土样
1、试验原理与资料处理
P
A
S
T
f
τf=c＋tg
c O
f
σ = 300KPa σ = 200KPa σ = 100KPa
ε
2、试验分类
通过控制剪切速率来近 似模拟排水条件
P A
S T
6转/分钟－－慢剪 12转/分钟－－快剪
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，以保证无超静孔压水 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（不排水剪） 施加正应力后立即剪切 3-5分钟内剪切破坏
试验过程中的应力变化
P
zx z
A
x
S
xz
T
在试验资料的分析中，假定试件中的剪应力均匀分布，
在但缘加事 的剪应实应力上变以并 最前非 大，如 ，试此 而件处。试于当件侧试的限件中状被间态剪部，破分2＝时的应，3 ＝变靠k相近 1对剪要力小盒得边1
• 无侧限压缩试验： 3=0, 是一种特殊的不排水试验
• 不饱和试样的不排水强度指标: 随3增加而增加并趋于稳定
不排水剪： 3,u,3 / 0
总应力圆为一 系列大小相等 的圆,而有效应 力圆只有一个.
u 0
Cu
1 2
(1
3
)
Baidu Nhomakorabea
= (1 -3)/2
cu = (1+3)/2
固结不排水剪：
1、土体未受任何固结,自然不抗剪
1
Δ1= 1-3 。
2、强度包线
施加围压：100kPa 、 200kPa、300kPa、400kPa 的三轴试验，得到破坏时 相应的（1-)f
❖ 绘制破坏状态的应力摩 尔圆，画出它们的公切 线——强度包线，得到 强度指标 c 与
1- 3
1 =15% 1
强度包线
c
(1-)f (1-)f
3、试验类型
• B=1
u =0 , cu, 并且有效应力摩尔圆是唯一的 思考题：可否由不排水试验确定有效应力强度指标？
3)不固结不排水试验
(4)不排水试验与固结不排水试验
σp1 σp2
cu3
cu
cu2
cu1
σp3
正常固结粘土层
固结不排水试验强度包线上 的每一点对应于一个具有相 同先期固结压力的不排水强 度指标
❖ 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,主要 用于评价土的灵敏度问题.
5. 三轴试验的发展
• 真三轴仪 • 空心圆柱扭剪仪 • 饱和粘土的动三轴仪
野外试验: 十字板剪切试验(VST)
❖ 包括钻孔十字板和贯入电测 十字板剪切试验；
❖ 灵敏度St≤10、固结系数Cv ≤10m2/y的均质饱和软粘土 的不排水强度指标；
3)不固结不排水试验
(1)试验条件:
•从某一初始状态开始，关闭
试 样
阀门施加围压，产生孔隙 水压力 u1=B •施加（1 -）时，阀门关 闭，可连接孔压传感器，量
测剪切过程中产生的超静孔
隙水压力u2 = BA ()
3)不固结不排水试验
(2)粘土的孔隙比－有效应力－抗剪强度唯一性关系
强度的影响因素: 土的组成 应力历史 土的状态 应力状态
❖ 不固结不过排程水中试不验排（水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
1)固结排水试验
(1)试验条件
总应力指标与有效应力指标一致:
cd
d
c
试
样
f= f
d=
••施 施加加围(cd压1=-c’充)时分，固排结水=阀门
始终打开，速度慢足以使孔 压消散 •始终u=0，=-u=
文件名
尽信书，则不如无书
土工结构物或地基 土
▪渗透问题 ▪变形问题 ▪强度问题
▪渗透特性 ▪变形特性 ▪强度特性
抗剪强度试验
一、室内 试验
二、野外 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
十字板扭剪试验 旁压试验 原位试验 缺点：应力条件不易掌握 优点：原状土的原位强度
3)不固结不排水试验
(5)无侧限压缩试验：3 =0的不排水试验
qu =
cu
cu = qu/2
3)不固结不排水试验 (6)不饱和试样的不排水强度
不饱和区
饱和区
3)不固结不排水试验
超固结粘土的总应力与有效应力强度包线(CU)
f
f
c
u(+)
c
u(-)
总应力 有效应力
(’)
3)不固结不排水试验
S
二、 三轴试验
有机玻璃罩
橡皮膜 压力水
轴向加压杆
顶帽
压力室
试
样
透水石
排水管 阀门
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
1
方法：
3
首先试样施加静水压力—室压（围压 3
3
） 1=2=3 ；
3
然后通过活塞杆施加的是应力差
A>1/3 剪切过程中发生剪胀：
A<1/3 (甚至可能A<0，u <0 ）
试 样
量测孔隙水压力
2)固结不排水试验
(2) 正常固结粘土固结不排水试验曲线与强度包线
轴向应力和孔压渐进增加并趋于稳定， 孔压 u >0
f
cuf
u
cu
2)固结不排水试验
(3) 超固结粘土固结不排水试验曲线与强度包线
•应力应变关系软化，孔压可能小于0
2、对正常固结土,当3=0时,抗剪力=0,所以强度线过 原点
= (1 -3)/2
3、对超固结土， 当3＜P时，小而C较 大，强度线较为平缓；
当3 ＞ P 时，强度线 ccu 又回到原来的状态，
所以其延长线过原点。
= (1+3)/2
4、优点和缺点
❖ 优点： 1 应力状态和应力路径明确； 2 排水条件清楚，可控制； 3 破坏面不是人为固定的； 4 单元体试验
• 由于土的抗剪强度受排水条件的影响显著，故试验结果不够 理想。但由于它具有的优点，故仍为一般工程广泛采用。
3. 试验优缺点
P
A
类似试验： 环剪试验 单剪试验
S T
优点 设备简单，操作方便 结果便于整理 测试时间短
缺点 试样应力状态复杂 应变不均匀 不能精确控制排水条件 剪切面固定
❖ 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） ccu 、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； 2 关闭排水阀门，很快剪切破坏，在施加轴向应力差
q
Kf
u
Kf
p(p’)
f f
u
u
(’)
1
松砂及正常固结粘土(CU)
•思考题1：实际破裂面的方向？
45 2
•思考题2：如果破坏时孔隙水压力u(负孔压)，有效应力摩
尔圆在总应力摩尔圆哪边？
不固结不排水试验小结
• 饱和试样的不排水强度指标: u =0 , cu
• 饱和试样的固结不排水试验与不排水强度指标: 有关联
1)固结排水试验
(3)密砂试验曲线与强度包线
应力应变关系软化，体应变剪胀
峰值强度
残余强度 f
残余强度
峰值强度
v
密砂应力应变关系曲线
v表示体缩 v0表示体胀(剪胀)
密砂强度包线
1)固结排水试验
(4) 超固结土试验曲线与强度包线 应力应变关系软化，体应变剪胀
峰值强度
残余强度 f
残余强度 峰值强度