第三讲：土的变形及强度特性

c
粘土

库仑定律：抗剪强度是剪切面上法向总应力 的线性函数
f c tg
• 剪切破裂面上的剪应力，即土的抗剪强度 • 土的粘聚力 • 剪破面上的法向应力 • 土的内摩擦角
库仑定律

f f

f c tg
c


c 与Φ是决定土抗剪强度大小的指标，称为土的抗剪强度指标； c 和tg Φ实际上对应着σ~τf曲线的截距和斜率； c 与Φ值，对同一种土，在完全相同的试验条件下为常数，但随试 验方法不同会有差异 为什么会有差异？ 只有有效应力的变化才会引起土抗剪强度的变化，也就是 说，土的抗剪强度是由有效应力控制的。

2、试验成果
曲线 破坏标准

密砂或超固结粘土
松砂或正常固结粘土
δ≈4mm

曲线型态
• 有峰值：取峰值为破坏强度f • 无峰值：取δ≈4 mm时的τ为破坏强度f
土的剪切强度的大小与取值标准有关
2、试验成果
曲线
破坏标准 试验发现
在法向应力变化不很大的条件下，土 的抗剪强度τf 与法向应力σ成正比 σ~τf 曲线近似为直线; 对粘性土，存 在一 个截距c 剪切强度τf 的大小与破坏标准有关
二. 三轴试验
1、试验设备
二. 三轴试验
2、试验原理 •先加围压模拟起始应力状态； •再加轴向压力进行剪切，至破坏 •常规三轴试验：围压恒定:
3
饱和 土样
1 3 3
3
T
2 3 const
•畅通时测体变 •关闭时测孔压
•试样内通道与外部测水管连接： 3、试验类型
e-p曲线
p2
p
《规范》用p1＝100kPa、 p2＝200kPa 对应的压缩系数a1-2评价土的压缩性 a1-2＜0.1MPa-1低压缩性土 0.1MPa-1≤a1-2＜0.5MPa-1中压缩性土 a1-2≥0.5MPa-1高压缩性土
2.压缩模量Es
土在侧限条件下竖向压应力与竖向总应变的比值，或 称为侧限模量
快剪(Q)
通过试验加荷的快慢来实现是否排水,垂直荷载施 加后,立刻进行剪切,使试样在3～5min之内剪破,称 之为快剪
固结快剪（R）
剪切前试样在垂直荷载下充分固结，剪切时速率较 快，使土样在剪切过程中不排水，这种剪切方法为 称固结快剪
慢剪（S）
试样在垂直压力下固结稳定，再以缓慢的速率施加 水平剪力，直至剪破，整个试验过程中尽量使土样 排水，试验方法称为慢剪
模拟起始状态
土 试 样

模拟剪破过程
二. 三轴试验
模拟起始状态：
固 结 (Consolidation)：施加

围压后，将通向试样的排水阀 门打开，与外界大气连同，使 超孔隙水压力消散为零，这时 土体积收缩，孔隙水排出
不固结(Unconsolidation): 施
土 试 样
阀门
加围压后，将通向试样的排水 阀门处于关闭状态，不允许试 样内的水排出来，这时产生的 超孔隙水压力
Es 1 e1 av
说明：土的压缩模量Es与土的的压缩系数av成反比 av愈小， Es愈大， 土的压缩性愈低 3.体积压缩系数mV 土在单位压应力作用下单位体积的变化量
mv a 1 v Es 1 e1
根据压缩曲线(e-lgp)可以得到以下压缩性指标
4.压缩指数Ｃc 系接近直线,其斜率称为 土的压缩指数
e e0 e1 e2
M1
斜 率 av e e e2 ＝ 1 p p 2 p1
△e
M2
△p
p1
利用单位压力增量所引起 的孔隙比改变表征土的压 缩性高低 de av d p 在压缩曲线中，实际采 用割线斜率表示土的压 缩性
av e e e2 ＝ 1 p p2 p1
2、试验成果
曲线
P T

P A
通过百分表记测水平位移，每隔 一定水平位移增量，读一次水平推 力值，并计算出相应的剪应力；

T

T A
试验发现: 对松砂或正常固结粘土，曲线呈双曲线 型（硬化型）；对密砂或超固结粘土，曲线呈软化型.

密砂或超固结粘土
松砂或正常固结粘土
什么条件下可以认定 为破坏？
土的泊松比， 一般0～0.5之 间
土的抗剪强度
1776年，法国 C.A.Coulomb根据砂土剪切试验
试验方法
施加：正应力σ（=P/A） 施加：水平位移 S 量测：剪应力 （=T/A）
P

σ = 300KPa σ = 200KPa
上盒
A
下盒
S T σ = 100KPa
S
试验结果
f
砂土
f
土 试 样
阀门
二. 三轴试验
模拟剪破过程：
排 水 (Drained)：在施加偏差 应力时，整个剪切过程中打开 阀门，让试样内水充分进出， 试样体积可胀可缩，不产生超 孔压 不排水 (Undrained)：施加偏 差应力时，阀门关闭，饱和试 样体积不变，水不允许进出， 产生超孔压
3、试验类型
（1）不固结不排水剪（UU）
室内压缩曲线(e-p曲线)
研究土在不同压力作用下，孔隙比变化规律
p Vv＝e0
H0 H0/(1+e0)
s
Vv＝e
H1 H1/(1+e)
Vs＝1
Vs＝1 整理
1
土样在压缩前 后变形量为s， 整个过程中土 粒体积和底面 积不变
e e0 s (1 e 0 ) H0
土粒高度在受 压前后不变 其中
1）总应力抗剪强度指标：c、Φ 2）有效应力抗剪强度指标：c’、Φ’ 两类指标并存
室内试验，如直剪试验，不能直接测定孔隙水压力u; 即使在室内试验中能测定u，在实际应用时还需要知道现场土 体中的孔隙水压力。 限于目前土工试验技术和现场测试水平，不可能所有工程都 能采用有效应力来分析。另外，采用总应力指标的抗剪强度， 在工程界已经积累了丰富的经验，工程实践中比较多的还是采 用总应力指标。
e1 e2 cc lg p2 lg p1
e
M1
在压力较大部分,e-lgp关 e1
斜 率 c c＝
e1 e 2 lg p 2 lg p1
△e
e2
p1
M2
△p
e-lgp曲线
p2
lgp
工程上一般用p1＝200kPa、 p2＝1600kPa对应的压 缩指数Ｃc评价土的压缩性
Ｃc ＜0.2 0.2≤Ｃc ＜0.35 Ｃc ≥0.35 低压缩性土 中压缩性土 高压缩性土
以上三种试验结果
cQ c R c S
Q R S
4、试验优缺点
• 优点：仪器构造简单，试样的制备和安装方便， 易于操作； σ－τf 概念明晰 • 缺点： ①剪切破坏面固定为上下盒之间的水平面不符合实 际情况，不一定是土样的最薄弱面 ②试验中不能严格控制排水条件，对透水性强的土 尤为突出，不能量测土样的孔隙水压力 ③上下盒的错动，剪切过程中试样剪切面积逐渐减 小，剪切面上的剪应力分布不均匀，且主应力发 生偏心；

三轴试验：施加周围压力 3、轴向压力△直至剪 破的整个过程都关闭排水 阀门，不允许试样排水固 结
试验播放
关闭排 水阀
△ 3 3 3
3
3
3

直剪试验：快剪试验
△
3、试验类型 （2）固结不排水剪（CU）

关闭排 三轴试验：施加周围压力3 水阀 时打开排水阀门，试样完全 排水固结，孔隙水压力完全 消散。然后关闭排水阀门， 3 再施加轴向压力增量△，使 3 试样在不排水条件下剪切破 坏 试验播放
库仑定律
有效应力抗剪强度公式
f c t g c ( u ) t g
• 土的有效粘聚力 • 剪破面上的法向有效应力 • 土的有效内摩擦角
• 土中超孔隙水压力
土的有效抗剪强度指标，对于同一种土，其值理论 上与试验方法无关，应接近于常数
库仑定律 两类抗剪强度指标：
(2)、试验方法
•施加荷载，静置至变形稳定 •逐级加大荷载
测定： 轴向应力 轴向变形 时间
注意：土样在竖直压 力作用下，由于环刀 和刚性护环的限制， 只产生竖向压缩，不 产生侧向变形
百分表
(3)、试验结果
P
P1
P2 P3
传压板 水槽
e0
e s
e1 s1 e2 s2 s3 e3
t
环刀
内环
t
透水石
试样
粘性土
透水性好，水易于排出 透水性差，水不易排出
压缩稳定很快完成
压缩稳定需要很长一段时间
土的固结——土体在压力作用下，压缩量随时间增长 的过程
1、三轴压缩试验
轴向位移量测
主机框架

主机系统 稳压调压系统
压力室 孔压传感器
轴向力量测
体变管
压力表

量测系统
压力室底座
离合器
调压阀
Casagrande 1930年首先使用， 可控制排水条件；可完整地 测定试样受力、变形和破坏 的过程；可进行不同应力路 径的试验；应力状态明确； 变形量测简单
虽然压缩系数和压缩指数都能反映土的压缩性大小 但两者是有区别的 压缩系数的大小不但与压力增量大小有关,还与初始 压力大小有关 压缩指数在压力较高的范围内是一个常数 5.变形模量E0 土在无侧限条件下竖向压应力与竖向总应变的比值
变形模量与压缩 模量之间关系 其中
E0 Es
2 2 ＝ 1 － 1 －
主机马达
压力泵
2、侧限压缩试验
变形测量 (1)、侧限压缩仪（固结仪）
固结容器

固结容器：
环刀、护环、导环、透水 石、加压上盖和量表架等
加压设备：杠杆比例1:10
变形测量设备
支架
加 压 设 备
研究土的压缩性大小及其特征常用的室内试验方法
三联固结仪
室内压缩试验是用金属环刀切取保持天然结构的原 状土样，并置于圆筒形压缩容器的刚性护环内，土样 上下各垫有一块透水石，土样受压后土中水可以自由 排出，由于金属环刀和刚性护环的限制，土样的压力 作用下只可能发生竖向压缩，而无侧向变形。土样在 天然状态下或经人工饱和后，进行逐级加压固结，以 便测定各级压力P作用下土样压缩稳定后的孔隙比的 变化。 在常规试验中，一般按P＝12.5、25、50、100、200、 400、800、1600、3200kPa9级加荷 在室内压缩试验过程中，如加压到某一值后不再加 压，相反地逐级进行卸荷，则可观察到土样的回弹 播放
H0 H1 1 e0 1 e e0 ＝ G s (1 w 0 ) w
根据不同压力pi作用下，达到稳定的变形量si,推算出 孔隙比ei，绘制e-p曲线，称为压缩曲线
0
e0 e0
e
曲线A 曲线B 曲线A压缩性＞曲线B压缩性
e
p e-p曲线
p
土的压缩性指标
1.压缩系数av 土体在侧限条件下孔隙比减少量与竖向压应力增 量的比值

f f f

f

c

在不同的垂直压力下进行剪切试验，得相应的抗剪 强度τf，绘制τf - 曲线，得该土的抗剪强度包线
3、试验类型
直剪试验过程不能量测孔隙水应力,也不能控制排水, 只能以总应力法来表示土的抗剪强度 为考虑固结程度和排水条件对抗剪强度的影响,根 据加荷速率的快慢将直剪试验分为:快剪(Q)、固结 快剪（R）、慢剪（S）
？
抗剪强度的测定方法
三轴试验、直剪试验等 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
• 室内试验
• 野外试验
一、直接剪切试验 1、试验设备
直剪仪（应力控制式，应变控制式）
剪切容器与应力环
第三讲：土的变形及强度特性
新疆农业大学水利水电 设计研究所
来自百度文库
土的压缩性
土的压缩性——是指土在压力作用下体积缩小的特性
压缩量的组成 固体颗粒的压缩 土中水的压缩 空气的排出 水的排出
占总压缩量的约1/400 可忽略不计
压缩量主要组成部分
说明：土的压缩认为是由于孔隙体积减小的结果
无粘性土
•不固结不排水剪 (UU或不排水剪) •固结不排水剪 (CU) •固结排水剪 (CD或排水剪)
•Consolidation — 固结 •Unconsolidation — 不固结 •Drained shear — 排水剪切 •Undrained shear — 不排水剪切
＝ +
＝
二. 三轴试验
模拟剪破过程：
排 水 (Drained) ：在施加偏 差应力时，整个剪切过程中打 开阀门，让试样内水充分进出， 试样体积可胀可缩，不产生超 孔压 不排水 (Undrained) ：施加 偏差应力时，阀门关闭，饱和 试样体积不变，水不允许进出， 产生超孔压
= 1－ 3