土力学第五章

tan (45 ) 2c tan(45 )
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最大剪应力 处不发生破 坏？
破裂面、破裂角
破裂角
说明破坏面与最大主 应力 1的作用面的夹角为 （450＋ /2)。如前所述， 土的抗剪强度τf 实际上取决 于有效应力，所以， 取有 效摩擦角´时才代表实际 的破裂角。
根据试验结果，只能作一个极 限应力圆 (1 ＝ qu、 3 ＝0)，因 此对于一般粘性土就难以作出破 坏包线。而对于饱和粘性土，根 据在三轴不固结不排水试验的结 果，其破坏包线近于一条水平线， 即u＝0。这样，如仅为了测定饱 和粘性土的不排水抗剪强度．就 可以以利用构造比较简中的无侧 限抗压试验仪代替三轴仪。此时， 取u ＝0．则由无侧阻抗比强度试 验所得的极限应力圆的水平线就 是破坏包线，得：
5 土的抗剪强度
土木建筑学院
5.1 土的抗剪强度概述
土的抗剪强度指土体抵抗剪切破坏的极限能力， 是土的主要力学性质之一。土体的破坏通常是剪切 破坏。 建筑物地基在外荷载作用下将产生剪应力和剪 切变形。 土具有抵抗剪应力的潜在能力——剪阻力。
剪阻力随着剪应力的增加而逐渐发挥， 剪阻力被完全发挥时，土就处于剪切破坏的 极限状态，此时剪应力也就到达极限，这个 极限值就是土的抗剪强度。
二、固结不排水抗剪强度
土的应力历史
前期固结应力pc：土在历史上曾受到过的最大有效应力 超固结比OCR ： 前期固结应力与现有有效应力之比,即OCR＝ pc/p1 正常固结土： OCR=1 超固结土： OCR>1,OCR愈大，土受到的超固结作用愈强，在 其他条件相同的情况下，其压缩性愈低。 欠固结土： OCR<1,土在自重作用下还没有完全固结，土的固 结应力未全部转化为有效应力，即尚有一部分由孔隙水所承担。
无粘性土的抗剪强度与剪切面上的法向应力成正比， 其本质是由于土粒之间的滑动摩擦以及凹凸面间的镶 嵌作用所产生的摩阻力，其大小决定于土粒表面的粗 糙度、密实度、土颗粒的大小以及颗粒级配等因素。 粘性土的抗剪强度由两部分组成，一部分是摩擦力 (与法向应力成正比)，另—部分是土粒之间的粘结力， 它是由于粘性土颗粒之间的胶结作用和静电引力效应 等因素引起的。
三轴压缩试验
三轴压缩试验方法
三轴压缩试验按剪切前的固结程度和剪切时的排水条 件，分为以下三种试验方法； (1) 不固结不排水试验(UU Test)：试样在施加周围压力 和随后施加竖向压力直至剪切破坏的整个过程中都不允许 排水，试验自始至终关闭排水阀门。 (2) 固结不排水试验(CU Test)：试样在施加周围压力3 后打并排水阀门，允许排水固结，稳定后关闭排水阀门， 再施加竖向压力、使试样在不排水的条件下剪切破坏。 (3) 固结排水试验(CD Test)：试样在施加周围压力3时允 许排水固结，待固结稳定后，再在排水条件下施加竖向压 力至试样剪切破坏。
直接剪切试验优缺点
直接剪切仪具有构造简单，操作方使等优点，但它存 在若干缺点，主要有： 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。
三轴压缩试验
三轴压缩试验 也称三轴剪切试 验，是测定土抗 剪强度的一 种较 为完善的方法。 三轴压缩仪由压 力室、轴向加荷 系统、施加围压 系统、孔隙水压 力量测系统等组 成。
三轴压缩试验
常规试验方法的主要步骤如下： 1.将土样切成圆柱体套在橡胶膜 内、放在密封的压力室中．然后向 压力室内压入水，使试样各向受到 围压3 ，并使液压在整个试验过程 中保持不变，这时试样内各向的 三个主应力都相等、因此不发生剪 应力。 2.然通过传力杆对试样施加竖向 压力，这样，竖向主应力就大于水 平向主应力．水平向主应力保持不 变。而竖向主应力逐渐增大，试件 终于至剪切破坏。
欠固结土在自重作 用下引起地面沉降
二、固结不排水抗剪强度
如果试样所受到的 3> pc，属于正常固结试 样；如果3< pc，则属于 超固结试样。试验结果证 明，这两种不同固结状态 的试样，其抗剪强度性状 是不同的。
正常固结试样剪切时体积有减少的趋势 （剪缩）。但由于不允许排水，产生正的孔 隙水压力，超固结试样在剪切时体积有增加 的趋势（剪胀）。 强超固结试样在剪切过程中．开始产生 正的孔隙水压力．以后转为负值。
5.3.1 直接剪切试验
直接剪切试验
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。
对同一种土至少取4个 重度和含水量相同的试样， 分别在不同垂直压力下剪 切破坏，一般可取垂直压力 为100、200、300、400 kPa， 将试验结果绘制抗剪强度τf 和垂直压力 之间关系曲线。 一般取峰值作为该级压 力下的抗剪强度τf 。必要时 可取终值（残余强度）作为 抗剪强度。
现场原位测试
抗剪强度指标的测定方法
抗剪强度的影响因素: 1.土的种类；2.土的密度、含水量；3.初始应力状态、 应力历史；4.试验中的排水条件等。 抗剪强度指标: 总应力指标： c， 有效应力指标 ： c´，´
在剪切试验中试样内的有效应力(或孔隙水应力)将随剪切前试样 的固结程度和剪切中的排水条件而异。因此，同一种土如用不同的方 法进行试验，求出的总应力强度指标是不同的，即便剪破面上的法向 总应力相同，也未必就有相同的强度。当采用有效应力表示试验结果 时，不同试验方法引起的强度差异是通过´项来反映，而有效应力强 度指标基本不变。
5.4 饱和粘性土的抗剪强度
一、不固结不排水抗剪强度
1 3 ( 1 3 ) A ( 1 3 ) B ( 1 3 )C
一般只用于测 定饱和土的不 排水强度
u 0
1 f cu ( 1 3 ) 2
不固结不排水试验 是在施加周围压力和轴 向压力直至剪切破坏的 整个试验过程中都不允 许排水，如果有一组饱 和粘性土试件，首先在 某一围压下固结至稳 定．试件中的初始孔隙 水压力为零，然后分别 在不排水条件下施加围 压和轴向压力至剪切破 坏．
5.3.3 无侧限抗压强度试验
无侧限抗压强度试验与 三轴仪中进行3 ＝0的不排 水剪切试验一样，试验时， 将圆柱形试样放在无侧限抗 压试验仪中，在不加任何侧 向压力的情况下施加垂直压 力，直到使试件剪切破坏为 止，剪切破坏时试样所能承 受的最大轴向压力qu称为无 侧限抗压强度。
无侧限抗压强度试验
直接剪切试验方法：
为了近似模拟土体在现场受剪的排水条件，直接 剪切试验可分为快剪、固结快剪和慢剪： 快剪试验——在试样施加垂直压力 后．立即快速施加水 平剪应力使试样剪切破坏。 固结快剪——在试样施加垂直压力 后，允许试样充分排 水，待固结完成后，再快速施加水平剪应 力使试样剪切破坏。 慢剪试验——在试样施加垂直压力 后，允许试样充分排 水，待固结完成后，以缓慢的速率施加水 平剪应力使试样剪切破坏。
破裂面 在土体中取一单元微体。mn为破裂 面，它与大主应力的作用面成f角。
5.3 抗剪强度指标的测定方法
土的抗剪强度是土的一个重要力学性能指标．在计算承载力、 评价地基的稳定性以及计算挡土墙的土压力时，都要用到土的抗 剪强度指标，因此，正确地测定土的抗剪强度在工程上具有重要 意义。 抗剪强度的试验方法: 直接剪切试验 三轴压缩试验 实验室 无侧限抗压试验 十字板剪切试验 大型直接剪切试验
不排水条件下，试样在试验过程中含水量不变，体积 不变。改变围压增量只能引起孔隙水压力的变化，并不会 改变试样中的有效应力，各试样在剪切前的有效应力相等， 因此抗剪强度不变。
不固结不排水试验的“不固结”是在三轴压力室压力 下不再固结．而保持试样原来的有效应力不变，如果饱 和粘性土从未固结过，将是一种泥浆状土，抗剪强度也 必然等于零。从天然土层中取出的试样，相当于在某一 压力下已经固结，具有一定的天然强度。不排水抗剪强 度取决于天然土层有效固结压力。
—— 土的极限平衡条件
当土体中任意一点在某一平面上的剪应力达到土的抗剪强度时，就发生剪 切破坏。即土体处于极限平衡状态，根据莫尔—库伦理论和莫尔应力圆可得到 土体中一点的剪切破坏条件，即土的极限平衡条件。 极限平衡状态时，大、小主应力之间的关系，称为莫尔—库伦破坏准则。 将抗剪强度包线与莫尔应力圆画在同一张坐标图上。它们之间的关系有以 下三种情况。
三轴压缩试验优缺点
三轴压缩仪的突出优点: 能较为严格地控制排水条件，量测试件中孔隙水压 力的变化。此外，试件中的应力状态也比较明确，破裂 面是在最弱处，而不象直接剪切仪那样限定在上下盒之 间。一般说来，三轴压缩试验的结果比较可靠。 三轴压缩试验的缺点: 是试样的中主应力2 ＝3 。而实际上土体的受力状 态未必都属于这类轴对称情况。真三轴仪中的试样可在 不同的三个主应力(1 ≠ 2 ≠ 3 )作用下进行试验。