土力学第五章3

总应力指标与有效应力指标一致: 总应力指标与有效应力指标一致:
cd = c′ φd = φ′
破坏面位置： 破坏面位置：
τ
τf′= τf σ
φd=φ′ φ′
cd = c’
σ3=σ′3 σ′
σ1′= σ1
45 +
o
φ′
2
6
二.三轴试验强度指标 1.固结排水试验 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，体应变表现为体缩， 轴向应力渐进增加，体应变表现为体缩，最终二者均趋于稳定
τ
σp1
cu3 cu2 cu1
φcu
αcu
σ
σp2
σp3
正常固结粘土层
固结不排水试验强度包线( 固结不排水试验强度包线(破坏主应力 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， 期固结压力的不排水强度指标，数值上 等于相应莫尔圆的半径 20
二.三轴试验强度指标 3.不固结不排水试验 3.不固结不排水试验 (4)无侧限压缩试验： =0的不排水试验 (4)无侧限压缩试验：σ3=0的不排水试验 无侧限压缩试验
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二.三轴试验强度指标 3.不固结不排水试验 3.不固结不排水试验 (1)特点 (1)特点
•从某一初始状态开始，关闭阀门施加围压 从某一初始状态开始，关闭阀门施加围压 从某一初始状态开始 ∆σ3，产生孔隙水压力 ∆u1=B∆σ3 ∆σ •施加∆(σ1 -σ3)时，阀门关闭，可连接孔压 施加∆ σ σ 时 阀门关闭， 施加 传感器， 传感器，量测剪切过程中产生的超静孔隙 水压力∆u2 = BA ∆(σ1−σ3) 水压力∆ σ
压缩曲线 e
τ 强度包线
τf′
σ
σp百度文库
σ
σp
σc < σp ，超固结粘土 正常固结粘 σc ≥ σp ，正常固结粘土
正常固结段 超固结段 正常固结段
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二.三轴试验强度指标 2.固结不排水试验 2.固结不排水试验
强度指标： 强度指标：ccu ，φcu；c’，φ’ ， (1) 特点 (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
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γ’
τf′ σ
二.三轴试验强度指标 1.固结排水试验 1.固结排水试验 (3)密砂与超固结粘土试验曲线与强度包线 (3)密砂与超固结粘土试验曲线与强度包线 随着围压的增加，应力应变关系软化→硬化，体应变剪胀→剪缩 随着围压的增加，应力应变关系软化→硬化，体应变剪胀→
σ1−σ3
τ
τf′
ε1 εv
密砂应力应变关系曲线
>0表示体缩 εv>0表示体缩 εv<0表示体胀
σ
密砂强度包线
9
二.三轴试验强度指标 1.固结排水试验 1.固结排水试验 (3)密砂与超固结土试验曲线与强度包线 (3)密砂与超固结土试验曲线与强度包线 随着围压的增加，应力应变关系软化→硬化，体应变剪胀→剪缩 随着围压的增加，应力应变关系软化→硬化，体应变剪胀→
•应力应变关系软化，孔压可能小于0 应力应变关系软化，孔压可能小于 应力应变关系软化 •与超固结度有关 与超固结度有关
σ1−σ3
τ
－
τf′
φcuτf
φ′
＋
u
ε1
u<0
u>0
σ
ccu > c′ φcu < φ′
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二.三轴试验强度指标 2.固结不排水试验 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 σ3 σ1−σ3 u 确定的强度指标 ccu φcu
σ1−σ3
τ ε1
τf=τf′ σ=σ’ σ
εv
问题：正常固结粘土包线为什么过原点？ 问题：正常固结粘土包线为什么过原点？ 物理意义是什么？ 物理意义是什么？
7
二.三轴试验强度指标 1.固结排水试验 1.固结排水试验 正常固结粘土” “正常固结粘土” (2) 松砂与正常固结粘土试验曲线与强度包线 地基中的正常固结粘土： 地基中的正常固结粘土： z γ’ z = σ s = σ p 土样取回室内, 不再是正常固结土。 土样取回室内, 如 σc < γ’ z，不再是正常固结土。 实验室的正常固结粘土： 实验室的正常固结粘土： 目前有效固结压力σ 大于等于先期固结压力σ 目前有效固结压力σc 大于等于先期固结压力σp， 否则将变为超固结土。 否则将变为超固结土。 τ 目前固结压力为0的正常固结粘土: 目前固结压力为0的正常固结粘土: 当正常固结粘土试样的目前固结压力为0 当正常固结粘土试样的目前固结压力为0 亦即其历史上的最大固结压力是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 －处于泥浆状态，抗剪强度为0。 问题：c=0是否意味着正常固结粘土无粘聚力? 问题：c=0是否意味着正常固结粘土无粘聚力? 是否意味着正常固结粘土无粘聚力 粘聚力随σ 粘聚力随σ增加而增加 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
三种试验 剪切前固结条件 1.固结排水试验 固结排水试验 （CD） ） 2.固结不排水试验 固结不排水试验 （CU） ） 3.不固结不排水试验 不固结不排水试验 （UU） ） 固结 Consolidated 固结 Consolidated 不固结 Unconsolidated 剪切中排水条件 排水 Drained 不排水 Undrained 不排水 Undrained
S T
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三. 直剪试验强度指标
强度指标
问题：三轴试验指标与直剪试验指标哪个大？ 问题：三轴试验指标与直剪试验指标哪个大？
对于砂土， 对于砂土，三种直剪试验结果都接近于有效应力指标 对于粘性土， 对于粘性土， 慢剪(Slowly: s) ：cs≈c′ φs≈φ′ ≈φ′; 慢剪 ′ 由于摩擦和中主应力使其强度指标稍大 0.9cs≈c′, 0.9φs≈φ′ ′ φ 固结快剪（ 固结快剪（Consolidated Quickly : cq） ） ccq≈ccu φcq≈φcu 快剪 (Quickly: q) : 对于 k<10-7 cm/s 的粘土 cq≈cu φq≈φu
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二.三轴试验强度指标 2.固结不排水试验 2.固结不排水试验 (1)特点 (1)特点 剪切过程中的超静孔隙水压力∆ 剪切过程中的超静孔隙水压力∆u 对于饱和土试样：孔压系数 对于饱和土试样：孔压系数B=1.0 ∆u=BA (∆σ1− ∆σ3)= A (∆σ1− ∆σ3) ∆σ ∆σ 对于剪切过程中无剪胀性： 对于剪切过程中无剪胀性： A=1/3 剪切过程中发生剪缩： 剪切过程中发生剪缩： A>1/3 剪切过程中发生剪胀： 剪切过程中发生剪胀： A<1/3 (甚至可能 甚至可能A<0，u <0 ） 甚至可能 ，
4
二.三轴试验强度指标 1.固结排水试验 1.固结排水试验
强度指标： 强度指标：cd，φd (1) 特点 (2) 松砂与正常固结粘土试验曲线与强度包线 (3) 密砂与超固结粘土试验曲线与强度包线 (4) 超固结粘土 正常固结粘土的强度包线 超固结粘土+正常固结粘土的强度包线
5
二.三轴试验强度指标 1.固结排水试验 1.固结排水试验 (1)特点 (1)特点
试验量测
计算
σ 3 ′= σ 3 − u σ1′−σ3′=σ1−σ3 σ
c′ ′ φ′
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二.三轴试验强度指标 3.不固结不排水试验 3.不固结不排水试验 强度指标： 强度指标：cuu (cu)，φuu (φu) ， φ (1) 特点 (2) 饱和试样的不排水强度指标cu 饱和试样的不排水强度指标c (3) 不排水试验与固结不排水试验 (4) 无侧限压缩试验：σ3 = 0的不排水试验 无侧限压缩试验： 的不排水试验 (5) 不饱和试样的不排水强度
三轴试验中土的剪切性状（强度指标） §5.7 三轴试验中土的剪切性状（强度指标）
强度指标： 强度指标： 粘聚力 c 内摩擦角 φ
总应力强度指标 与 有效应力强度指标 三轴试验强度指标 与 直剪试验强度指标 峰值强度指标 与 残余强度指标
三种分 类方法 目的
工程应用
1
一. 总应力指标与有效应力指 标 1. 两种强度指标的比较
轴向加压杆 顶帽
试 样
有机玻璃罩
压力室 透水石
橡皮膜 压力水
排水管 阀门 量测孔隙水压力
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二.三轴试验强度指标 3.不固结不排水试验 3.不固结不排水试验 (2)饱和试样的不排水强度指标 (2)饱和试样的不排水强度指标
对一系列初始状态相同的试样， 对一系列初始状态相同的试样，施加 初始状态相同的试样 不同围压∆σ 不同围压∆σ3，进行一系列不固结不排 水试验， 水试验，比较其破坏时的应力状态
τ cu
φ′
∆u = B[∆σ3 + A ∆(σ1−σ3)] ∆σ σ （B=1） ）
σ
Cu依赖于 初始状态
φu =0 , cu, 并且有效应力莫尔圆是唯一的 问题：可否由不排水试验确定有效应力强度指标？
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二.三轴试验强度指标 3.不固结不排水试验 3.不固结不排水试验 (3)不排水试验与固结不排水试验 (3)不排水试验与固结不排水试验
抗剪强度
简单评价
一. 总应力指标与有效应力指标 2. 强度包线与破坏主应力线
q
Kf′
u
α′
α Kf
τ
u u
φ′
τf′
τf
φ
p(p’)
松砂及正常固结粘土：CU试验
问题：实际破裂面的方向？ 问题：实际破裂面的方向？
σ′3 σ3 σ1′ σ1
σ(σ’) σ
45o +φ′ / 2
3
二. 三轴试验强度指标
τ cu σ cu = qu/2 qu = σ1
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二.三轴试验强度指标 3.不固结不排水试验 3.不固结不排水试验 (5)不饱和试样的不排水强度 (5)不饱和试样的不排水强度
τ
σ
非饱和区
饱和区
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三. 直剪试验强度指 标 1. 慢剪 施加正应力-充分固结 施加正应力 充分固结 慢慢施加剪应力-小于 小于0.02mm/分，以保证无超静孔压 慢慢施加剪应力 小于 分 2. 固结快剪 施加正应力-充分固结 施加正应力 充分固结 P 在3-5分钟内剪切破坏 分钟内剪切破坏 3. 快剪 A 施加正应力后 立即剪切3-5分钟内剪切破坏 立即剪切 分钟内剪切破坏
σ1−σ3
峰值强度 残余强度
τ
峰值强度 残余强度
τf′
ε1
cp≠0 超固结粘土应力应变关系曲线 cr = 0
>0表示体缩 εv>0表示体缩 εv<0表示体胀
εv
σ
超固结粘土强度包线 10
二.三轴试验强度指标 1.固结排水试验 1.固结排水试验 (4)超固结粘土+ (4)超固结粘土+正常固结粘土强度包线 超固结粘土
总应力指标c, 总应力指标 φ τ = c + σ tanφ φ 便于应用， 便于应用，但u不能产 不能产 生抗剪强度， 生抗剪强度，不符合 强度机理，应用时要 强度机理， 符合工程条件
2
强度指标
有效应力指标c′ 有效应力指标 ′, φ′ τ = c′ + σ′ tanφ′ ′ φ′ σ′= （σ′ σ-u） ） 符合土的破坏机理， 符合土的破坏机理，但 有时孔隙水压力u无法 有时孔隙水压力 无法 确定
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四. 土的强度指标的工程应用 三轴试验指标与直剪试验指标 三轴试验指标优先采用 砂土： 砂土： c′, φ′ 粘土： 粘土： 有效应力指标：固结排水、固结不排水、 有效应力指标：固结排水、固结不排水、慢剪 总应力指标：三轴固结不排水、不排水； 总应力指标：三轴固结不排水、不排水； 直剪固结快剪、 直剪固结快剪、快剪
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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） 直剪试验得到的指标偏大）
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二.三轴试验强度指标 2.固结不排水试验 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， 轴向应力和孔压渐进增加并趋于稳定， 孔压 u >0
σ1−σ3 τ ε1 u
τf′
τf φcu σ
φ′
φcu < φ′
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二.三轴试验强度指标 2.固结不排水试验 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
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四. 土的强度指标的工程应用
有效应力指标还是总应力指标？ 有效应力指标还是总应力指标？ 三轴试验指标还是直剪试验指标？ 三轴试验指标还是直剪试验指标？ 峰值强度指标还是残余强度指标？ 峰值强度指标还是残余强度指标？
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四. 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 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′，φ′ 都应当使用有效应力指标c