土力学 土的抗剪强度.ppt

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1、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,5-1 概述,与土体强度有关的工程问题：建筑物地基稳定性、填方或挖方边坡、挡土墙土压力等。 土体强度表现为：一部分土体相对与另一部分土体的滑动，滑动面上剪应力超过了极限抵抗能力抗剪强度； 土的抗剪强度是指土体对于外荷载所产生的剪应力的极限抵抗能力。,5-1 概述,5-1 概述,5-1 概述,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,核心 强度理论,工程中土体的破坏类型,在外荷载的作用下，土体中任一截面将同时产生法向应力和剪应力，其中法向应力作用将使土体发生压密，而剪应力作用可使土体

2、发生剪切变形。 当土中一点某一截面上由外力所产生的剪应力达到土的抗剪强度时，它将沿着剪应力作用方向产生相对滑动，该点便发生剪切破坏。 土的破坏主要是由于剪切所引起的，剪切破坏是土体破坏的主要特点。,5-1 概述,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（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。,首先需要了解土的强度特点,5-1 概述,5-2 土的抗剪强度理论 一 、库伦公式及抗剪强度指标 库伦 (Coulomb, 1773) 根据砂土的试验，将土的抗剪强度 ， 表达为滑动

3、面上法向总应力 的函数，即 (5 1), = 100KPa,S, = 200KPa, = 300KPa,摩擦强度,直剪试验结果 以后又提出了适合粘性土的更普遍的 表达式： （5 2） 式中：c 土的粘聚力(内聚力)，kPa； 土的内摩擦角，度； 式 (5-1) 和 (5-2) 统称为库伦公式， 或库伦定律，c 、 称为抗剪强度指标 (抗剪强度参数 ) 。,粘聚强度,摩擦强度+,5-2 土的抗剪强度理论,土的强度机理摩擦强度粘聚强度,（1）滑动摩擦,摩擦强度 tg,由颗粒之间发生滑动时颗粒接触面粗糙不平所引起，与颗粒大小，矿物组成等因素有关,（2）咬合摩擦,摩擦强度 tg,剪切面,是指相邻颗粒对

4、于相对移动的约束作用 当发生剪切破坏时，相互咬合着的颗粒A必须抬起，跨越相邻颗粒B，或在尖角处被剪断（C），才能移动 土体中的颗粒重新排列，也会消耗能量,5-2 土的抗剪强度理论,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） 在其他条件相同时： 一般，对于粗粒土，颗粒的棱角提高了内摩擦角,影响土的摩擦强度的主要因素：,摩擦强度 tg,5-2 土的抗剪强度理论,5-2 土的抗剪强度理论,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）,粘聚强度影响因素 地质历史 粘土颗粒矿物成分 密度

5、离子价与离子浓度,粘聚强度,5-2 土的抗剪强度理论 土的抗剪强度有两种表达方法，一种是以总应力表示剪切破坏面上的法向应力，抗剪强度表达式即为库伦公式，称为抗剪强度总应力法，相应的 c 、 称为总应力强度指标 ( 参数 ) ；另一种则以有效应力表示剪切破坏面上的法向应力，称为抗剪强度有效应力法， c 、 称为有效应力强度指标 ( 参数) 。试验研究表明，土的抗剪强度取决于土粒间的有效应力，然而，由库伦公式建立的概念在应用上比较方便，许多土工问题的分析方法都还建立在这种概念的基础上，故在工程上仍沿用至今。 抗剪强度有效应力表达式： 对于砂土 对于粘性土,二、莫尔库伦强度理论,5-2 土的抗剪强度

6、理论,（1）土单元的某一个平面上的抗剪强度f是该面上作用的法向应力的单值函数, f =f() （莫尔：1900年） （2）在一定的应力范围内，可以用线性函数近似：f = c +tg （3）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,二、莫尔库伦强度理论,5-2 土的抗剪强度理论,一、莫尔应力圆,5-3 土中一点的应力极限平衡条件,莫尔圆应力分析符号规定,材料力学,土力学,正应力,剪应力,拉为正 压为负,顺时针为正 逆时针为负,压为正 拉为负,逆时针为正 顺时针为负,一、莫尔应力圆,5-3 土中一点的应力极限平衡条件,O,x,2,1,3,t,3,1,s,3,s,t,s,s,

7、1,s,O,由材料力学知识，已知大小主应力，可以求得与大主应力作用平面成 角的平面上的法向应力和剪应力。 土单元应力状态的轨迹是一个圆。圆心离圆点距离 圆半径,一、莫尔应力圆,5-3 土中一点的应力极限平衡条件,对于一般应力状态，即不知道大、小主应力,z,+zx,-xz,x,2,1,3,x,s,+,-,大主应力：,小主应力:,圆心：,半径：,z按顺时针方向旋转,x按顺时针方向旋转,莫 尔 圆：代表一个土单元的应力状态； 圆上一点：代表一个面上的两个应力与,极点的概念,极点的应用,二、极限平衡条件,5-3 土中一点的应力极限平衡条件,如果已知土的抗剪强度指标，同时土中某点的应力状态已经确定，就可

8、将抗剪强度线与莫尔应力圆画在同一坐标纸上，从而判别该点是否达到极限平衡状态。,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：该面上的应力达到破坏状态； 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。,极限平衡应力状态,极限平衡应力状态： 有一对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,5-3 土中一点的应力极限平衡条件,二、极限平衡条件,莫尔-库仑强度理论表达式极限平衡条件,1,3,5-3 土中一点的应力极限平衡条件,二、极限平衡条件,剪破面与大主应力作用平面的夹角 称为破坏角，从图中几何关系可得理

9、论剪破角为： =45+/2,cr,cr,2cr,注意：剪破面并不是剪应力最大平面,5-3 土中一点的应力极限平衡条件,二、极限平衡条件,上式即为土的极限平衡条件。当土的强度指标c， 为已知，若土中某点的大小主应力1和3满足上列关系式时，则该土体正好处于极限平衡或破坏状态。,变换得到极限平衡状态时大小主应力之间的关系满足：,上式也可适用于有效应力，相应c，应该用c，。,【例题51】已知某土体单元的大主应力1480kPa，小主应力3220kPa。通过试验测得土的抗剪强度指标c=20kPa，18，问该单元土体处于什么状态？ 【解】已知1480kPa,3220kPa ,c=20kPa, 18 （1）直

10、接用与f的关系来判别,5-3 土中一点的应力极限平衡条件,注意：剪破面并不是剪应力最大平面，先画莫尔圆,1,3,90 ,+,分别求出剪破面上的法向应力和剪应力为,求相应面上的抗剪强度f为,由于 f，说明该单元体早已破坏。,5-3 土中一点的应力极限平衡条件,220,=20+309.83tan18 =120.67kPa,（2）利用极限平衡条件来判别 由达到极限平衡条件所需要的小主应力值为3f，此时把实际存在的大主应力3 = 480kPa及强度指标c，代入下式中，则得,5-3 土中一点的应力极限平衡条件,也可由计算达到极限平衡条件时所需要得大主应力值为1f，此时把实际存在的大主应力3 =480kP

11、a及强度指标c，代入下式中，则得,由计算结果表明，虽然 33f , 但1 1f ，所以该单元土体早已破坏。,5-3 土中一点的应力极限平衡条件,5-3 土中一点的应力极限平衡条件,问：此例题中最大剪应力平面上，是否也达到破坏？,1,3,90 ,最大剪应力平面与大主应力平面成45 角，正应力 =(1+ 3 )/2=345kPa, f= =133.72kPa 剪应力= (1- 3 )/2=130kPa,由于 f，说明土单元中此点尚未达到破坏状态。,5-4 抗剪强度试验,测定土抗剪强度指标的试验称为剪切试验； 剪切试验可以在试验室内进行，也可在现场原位条件下进行。 按常用的试验仪器可将剪切试验分为:

12、 直接剪切试验（直剪试验） 三轴压缩试验（三轴试验） 无侧限抗压强度试验 十字板剪切试验,一、直接剪切试验(direct shear test 或shear box test),应变控制式直剪仪动画,直接剪切仪（直剪仪）,5-4 抗剪强度试验,5-4 抗剪强度试验 一、直接剪切试验,直剪试验原理图,直剪仪分应变控制式和应力控制式两种,为了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划分为快剪、固结快剪和慢剪三种。,5-4 抗剪强度试验 一、直接剪切试验, = 100KPa,S, = 200KPa, = 300KPa,O,c,粘性土抗剪强度线,无粘性土抗剪强度线(过原点)

13、,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,5-4 抗剪强度试验 一、直接剪切试验,n,K0n,5-4 抗剪强度试验 直接剪切试验,5-4 抗剪强度试验 一、直剪试验,设备简单，操作方便 结果便于整理 测试时间短,优点,试样应力状态复杂 应变不均匀 不易控制排水条件 剪切面固定,缺点,类似试验： 环剪试验 单剪试验,5-4 抗剪强度试验 二、三轴压缩试验(triaxial shear

14、 test),三轴是指一个竖向和两个侧向而言，由于压力室和试样均为圆柱形，因此，两个侧向的应力（或称围压）相等并为小主应力3 ，而竖向（或轴向）的应力为大主应力1。在增加1时保持3 不变，这样条件下的试验称为常规三轴压缩试验。,类似试验： 环剪试验 单剪试验,常规三轴仪,5-4 抗剪强度试验 二、三轴压缩试验,试验方法： 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1= 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,绘制三个破坏状态的应力莫尔圆，画出它们的公切线强度包线，得到强度指标 c 与

15、,强度包线,(1-)f,c,(1-)f,5-4 抗剪强度试验 二、三轴压缩试验,固结排水试验（CD试验） 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） 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，在施加轴向应力差过程中不排水,不固结不排水试验（UU试验） 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,cd 、d,ccu 、cu,cu 、u,试验类型,5-4 抗剪强度试验 二、三轴压

16、缩试验,固结排水试验（CD试验） Consolidated Drained Triaxial test (CD) 抗剪强度指标： cd d （c ）,试验英文名及所测指标,固结不排水试验（CU试验） Consolidated Undrained Triaxial test (CU) 抗剪强度指标：ccu cu,不固结不排水试验（UU试验） Unconsolidated Undrained Triaxial test (UU) 抗剪强度指标： cu u （ cuu uu ）,不固结或固结是对周围压力增量而言的 不排水或排水是对附加轴向压力而言的,5-4 抗剪强度试验 二、三轴压缩试验,在进行不同

17、方法的三轴试验时，都要先使试样在周围压力c下固结稳定，若进行不固结不排水剪试验，则在不排水条件下施加周围压力增量3，然后在不允许有水进出的条件下，逐渐施加附加轴向压力q，直至试样剪破。因此，试验中径向应力3等于（c+ 3 ），轴向应力1等于（3+q ）。若进行固结不排水剪试验，要允许试样在周围压力增量3下排水，待固结稳定后，再在不允许有水进出的条件下，逐渐施加附加轴向压力q，直至试样剪破。固结排水剪试验同样在周围压力增量3下排水，待固结稳定后，在允许有水进出的条件下以极慢的速率对试样逐渐施加附加轴向压力q，直至试样剪破。,5-4 抗剪强度试验 二、三轴压缩试验（试验步骤）,5-4 抗剪强度试验

18、 二、三轴压缩试验（试验结果）,二、三轴压缩试验(三轴试验结果),5-3 确定强度指标的试验,Total Stress Circle 总应力圆,Effective Stress Circle 有效应力圆,Sand reinforced with 1cm-high galvanized iron sheet,粘性土的卸载试验,动(静)力三轴试验剪切仪,(a) Conventional triaxial test (b) S3D triaxial test Comparison of stress systems between conventional triaxial test and S3D

19、 triaxial test.,应力应变曲线及体积应变曲线(A2组),应力应变曲线及体积应变曲线(B4组),压缩破坏 挤长破坏,卸载试验的试样破坏状态,不同卸载应力路径下强度与常规三轴试验对比,试验条件与现场条件 的对应关系,固结排水试验,固结不排水试验,不固结不排水试验,5-4 抗剪强度试验 二、三轴压缩试验,5-4 抗剪强度试验 二、三轴压缩试验,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,缺点： 设备相对复杂，现场难以试验,说明： 30 即为无侧限抗压强度试验,优点和缺点,真三轴仪 空心圆柱扭剪仪,三轴压缩试验中当周围压力3 0时即为无侧限

20、试验条件，这时只有q= 1。所以，也可称为单轴压缩试验。由于试样的侧向压力为零，在侧向受压时，其侧向变形不受限制，故又称为无侧限压缩试验。同时，又由于试样是在轴向压缩的条件下破坏的，因此，把这种情况下土所能承受的最大轴向压力称为无侧限抗压强度以qu表示。试验时仍用圆柱状试样，可在专门的无侧限仪上进行，也可在三轴仪上进行。,5-4 抗剪强度试验 三、无侧限抗压强度,当轴向压力与轴向应变的关系曲线出现明显的峰值时，则以峰值处的最大轴向压力作为土的无侧限抗压强度qu；当轴向压力与轴向应变的关系曲线不出现峰值时，则取轴向应变20处的轴向压力作为土的无侧限抗压强度qu。求得土的无侧限抗压强度qu后，即可

21、绘出极限应力圆。,5-4 抗剪强度试验 三、无侧限抗压强度,5-4 抗剪强度试验 三、无侧限抗压强度,5-4 抗剪强度试验 四、原位十字板剪切试验,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，插入十字形的探头；,通过施加的扭矩计算土的抗剪强度,假定： (1) 剪破面为圆柱面；(2) 抗剪强度均匀； 推导其抗剪强度计算公式如下：,试验设备及试验方法简介,时：,5-4 抗剪强度试验 四、原位十字板剪切试验,5-5 三轴压缩试验中的孔隙应力系数,在常规三轴压缩试验中，试样先承受周围压力c固结稳定，以模拟试样的原位应力状态。这时，超孔隙水应力uo为零。在试验中分两个阶段来加荷，先使试样承

22、受周围压力增量3，然后在周围压力不变的条件下施加大、小主应力之差（1 3)(即附加轴向压力q）。若试验是在不排水条件下进行，则3和（1 3)的施加必将分别引起超孔隙水应力增量u1和u2。超孔隙水应力的总增量为u=u1+u2 ， 总的超孔隙水应力为 u=u0+ u u,=,+,+,一.孔隙应力系数B 当试样在不排水条件下受到各向相等压力增量3时，产生的孔隙应力增量为u1，将u1与3之比定义为孔隙应力系数B，即 B u1/3 式中B是在各向施加相等压力条件下的孔隙应力系数。它是反映土体在各向相等压力作用下，孔隙应力变化情况的指标，也是反映土体饱和程度的指标。 在饱和土的不固结不排水剪试验中，周围压

23、力增量将完全由孔隙水承担，所以B1； 当土完全干燥时，孔隙气的压缩性要比骨架的压缩性高的多，这时周围压力增量将完全由土骨架承担，于是B0。在非饱和土中，孔隙中流体的压缩性与土骨架的压缩性为同一量级，B介于0与1之间。饱和度越大，B越接近1。,5-5 三轴压缩试验中的孔隙应力系数,二.孔隙应力系数A 当试样受到轴向应力增量q(即主应力差13）作用时，产生的孔隙水应力为u2， u2的大小与主应力差13及土样的饱和程度有关，我们定义另一孔压系数A如下： u2=BA（ 13 ） 式中A是在偏应力条件下的孔隙应力系数，其数值与土的种类、应力历史等有关。上式也可写成： 式中： 是综合反映主应力差（13）作

24、用下孔隙应力变化情况的一个指标。,5-5 三轴压缩试验中的孔隙应力系数,5-5 三轴压缩试验中的孔隙应力系数 二.孔隙应力系数A,三向压缩条件下的孔隙 应力为： u= u1+ u2 =B3 + BA（ 13 ）,上式还可改写成,或,式中： 也是一个孔隙应力系数，它表示在一定周围应力增量作用下，由主应力增量1所引起的孔隙应力变化的一个参数。这一参数可在三轴压缩试验中模拟土的实际受力状态来测定。在堤坝稳定分析中，可用来估算堤坝的初始孔隙应力。,饱和土B=1： u1=B3 = 3 u2=BA（ 13 ）=A（ 13 ）,饱和土不固结不排水试验中： u= u1+ u2=B3 + BA（ 13 ）,饱和

25、土固结不排水试验中： u= u2= BA（ 13 ）,固结排水试验中： u= 0,5-5 三轴压缩试验中的孔隙应力系数,5-6 应力路径的概念及其在强度问题中的应用,一、应力路径表示法,土的应力应变关系特性 、弹塑性、,需要记录加载历史,应力路径概念,土体中一点应力状态连续变化，在应力空间（平面）中的轨迹,应力状态：土体中一点（微小单元）上作用的应力的大小与方向,1,3,q,p,莫尔 圆,应力 状态,圆上 特定点,p,q,p, q平面：一个 点代表一个应力状态,5-6 应力路径的概念及其在强度问题中的应用,一、应力路径表示法,3,1,13,固结排水三轴试验,保持为常数,莫尔圆与 p, q 平面

26、上的应力路径,5-6 应力路径的概念及其在强度问题中的应用,一、应力路径表示法,5-6 应力路径的概念及其在强度问题中的应用,二、K0线,K0线是静止侧压力线即地基中原始应力状态线，将 和 作的应力圆顶点连起来，这条应力路径线就是K0线。 K0是静止侧压力系数（侧限）， ，如果由O点开始进行K0固结加载，其应力路径为一过O点的直线，其斜率为 利用K0线可以对不同的有效应力路径进行土样变形方式的判断。,O,K0 线,B,B,固结试验及K0线,5-6 应力路径的概念及其在强度问题中的应用,三、Kf线,p,q,Kf线,以固结排水三轴试验为例,两条直线与横坐标交点都是 O,强度包线 f ： 在 坐标系

27、中所有破坏状态莫尔圆的公切线,破坏主应力线 Kf 在p q 坐标系中所有处于极限平衡应力状态对应点的集合,O,5-6 应力路径的概念及其在强度问题中的应用,三、Kf线,强度包线与破坏主应力线的关系, ；c a,用若干点的最小二乘法确定a 和 然后计算强度指标c和,确定强度指标,a,5-6 应力路径的概念及其在强度问题中的应用,三、Kf线,强度包线与破坏主应力线的关系,5-6 应力路径的概念及其在强度问题中的应用,四、几种典型条件下的应力路径,三轴试验中的应力路径：AB、AC表示 不变，增加 ，即常规三轴；AD、AE为保持 ，减小 ，即伸长破坏。,实验室伸长破坏的强度要比压缩破坏的强度低15%2

28、0%。,5-6 应力路径的概念及其在强度问题中的应用,四、几种典型条件下的应力路径,三轴固结排水剪应力路径AB，是斜率为1的直线；伸长试验应力路径是斜率为-1的直线。有效应力路径与总应力路径相同。,p(p),q,u,Kf,Kf,正常固结土CU试验,TSP,ESP,p,q,Kf,三轴伸长,正常固结土CD试验,三轴压缩,三轴固结不排水剪，总应力路径AM斜率为1；有效应力路径AN上每一点的p值均与总应力p对应的点相差孔隙水压力u，正常固结粘土剪切破坏时孔压为正，ESP在TSP左边。,5-6 应力路径的概念及其在强度问题中的应用,四、几种典型条件下的应力路径,几种典型工程的应力路径,5-7 三轴试验中

29、土的剪切性状,一、无粘性土的剪切性状 1.无粘性土的内摩擦角 由于无粘性土的透水性强，它在现场的受剪过程大多相当于固结排水剪情况，由固结排水剪试验求得的强度包线一般为通过坐标于原点的直线，可表达为f=tand 式中：d固结排水剪求得的内摩擦角。 抗剪强度取决于有效法向应力和内摩擦角。内摩擦角与初始孔隙比、颗粒形状、表面粗糙度和级配有关；松砂内摩擦角大致等于天然休止角。,一、无粘性土的剪切性状 2. 无粘性土的应力应变特性 剪缩性、剪胀性 无粘性土的密实度不同，在受剪过程中将显示出不同的性状。松砂受剪时，颗粒滚落到平衡位置，排列得更紧密些，所以它的体积缩小，把这种因剪切而体积缩小的现象称为剪缩性

30、；反之，紧砂受剪时，颗粒必须升高以离开它们原来的位置而彼此才能相互滑过，从而导致体积膨胀，把这种现象称为剪胀性。 然而，紧砂的这种剪胀趋势随围压的增大、土粒的破碎而逐渐消失。在高周围压力下，不论砂土的松紧如何,受剪都将剪缩。,5-7 三轴试验中土的剪切性状,一、无粘性土的剪切性状 应变硬化型、应变软化型,松砂的强度逐渐增大，应力轴向应变关系呈应变硬化型，它的体积则逐渐减小。 紧砂的强度达一定值后，随着轴向应变的继续增加强度反而减小，应力轴向应变关系最后呈随应变软化型，它的体积开始时稍有减小，继而增加，超过了它的初始体积。,5-7 三轴试验中土的剪切性状,一、无粘性土的剪切性状 残余强度,紧砂的

31、强度达一定值后，随着轴向应变的继续增加强度减小，最后趋于与松砂相同的恒定值，这一恒定的强度称为应力轴向应残余强度。 密砂的这种强度减小被认为是剪应变克服了土粒间的咬合作用之后，无粘性土结构崩解变松的结果。,5-7 三轴试验中土的剪切性状,一、砂性土的剪切性状 4. 砂土的 振动液化 液化被定义为任何物质转化为液体的行为或过程。对于饱和疏松的粉细砂，当受到突发的动力荷载时，例如地震荷载，一方面由于动剪应力的作用有使体积缩小的趋势，另一方面由于时间短来不及向外排水，因此就产生了很大的孔隙水应力。按有效应力原理，无粘性土的抗剪强度应表达为,5-7 三轴试验中土的剪切性状,当动荷载引起的超孔隙水压力u

32、达到时，则有效应力为零，抗剪强度为零，此时无粘性土地基丧失承载力。,此外，振动液化也可能发生在低塑性粘性土、粉土之中。,振前松砂的结构,振中颗粒悬浮， 有效应力为零,振后砂土 变密实,4. 砂土的 振动液化 液化机理及危害,5-7 三轴试验中土的剪切性状,松砂层,地下水位,地震荷载,建筑物,喷 砂,地面下沉,喷砂 遗井,排出的剩 余孔隙水,二、粘性土的剪切性状 1、 正常固结粘土,5-7 三轴试验中土的剪切性状,在饱和土的不固结不排水剪试验中，总强度包线为一水平线。所以 ，,不固结不排水强度（UU）,1、 正常固结粘土 固结不排水强度（CU） 固结不排水剪切试验的过程如图所示。,正常固结土的C

33、U试验总强度线是如图所示一条通过坐标原点的直线，倾角为 ， 。其抗剪强度可表示为,5-7 三轴试验中土的剪切性状,固结不排水强度（CU） 若在固结不排水剪试验中量测孔隙水应力，则结果可用有效应力整理。从破坏时的总应力中减去 ,可得到相应破坏时的有效大主应力 和有效小主应力 及破坏应力圆，绘出这些破坏应力圆的包线，可得有效应力强度包线。由于正常固结土剪破时的孔隙水应力为正值，则剪破时的有效应力圆总在总应力圆的左边。有效应力强度包线也是通过坐标原点的直线，直线的倾角 大于 ， ，于是用有效应力表示的CU试验抗剪强度为,5-7 三轴试验中土的剪切性状,1、 正常固结粘土 固结排水强度（CD) 固结排

34、水剪切试验的过程如图所示。,如图所示，由于试验过程中孔隙水应力始终保持为零，有效应力就等于外加总应力，极限总应力圆就是极限有效应力圆，因而总应力强度包线即为有效应力强度包线。CD试验中的有效应力强度指标常用 ， 表示。其强度包线是一条通过坐标原点的直线，其倾角为 ， 。于是，CD试验抗剪强度可表示为,5-7 三轴试验中土的剪切性状,1、 正常固结粘土三种结果比较 将上述三种三轴压缩试验的结果汇总 于图中。由图可见，对于同一种正常 固结的饱和粘土，当采用三种不同的 试验方法来测定其抗剪强度时，其强 度包线是不同的。其中UU试验结果是 一条水平线，CU和CD试验各是一条 通过坐标原点的直线。三种方

35、法所得 到的强度指标间的关系是 ，,5-7 三轴试验中土的剪切性状,1、 正常固结粘土 三种试验结果比较 试验结果表明，当用有效应力表示试验结果时，三种剪切试验将得到基本相同的强度包线及十分接近的有效应力强度指标，这就意味着同一种土三种试验的试样将沿着同一平面剪破。 实测资料表明，f通常约为60，而粘性土的 一般在30左右，实测的f角接近于 ，这也是有效应力概念下的理论剪破角。 正常固结土为应变硬化型，体变多表现为剪缩。,5-5 三轴试验中土的剪切性状,2、 超固结粘土三轴试验应力应变特性 超固结粘土三轴试验指对试样施加的围压即初始有效固结应力小于先期固结压力。其三轴试验结果出现类似于密砂的剪

36、涨特性。CD试验试样破坏时的体积增大（膨胀）。,5-7 三轴试验中土的剪切性状,超固结土,正常固结土,超固结土,正常固结土,应力应变曲线 CD试验体变应变曲线,2、 超固结粘土三轴试验应力应变特性 在UU、CU试验中，试样体积不变，试样内先出现正的孔压，随后减小。弱固结土破坏时的孔压小于正常固结土，强超固结粘土破坏时的孔压可能为负。,5-7 三轴试验中土的剪切性状,UU试验孔压应变曲线 CU试验孔压应变曲线,强超固结,超固结土,正常固结土,弱超固结,2、 超固结粘土三轴试验 UU试验 在UU试验中，一组试样具有相同直径的破坏应力圆，强度包线是一条水平线，有效应力圆与总应力圆等直径。 A、B为强

37、超固结总应力圆，C为弱超固结总应力圆。,5-7 三轴试验中土的剪切性状,有效应力圆,2、 超固结粘土三轴试验 CU试验 超固结粘土CU试验的强度包线（ ）是一条不通过圆点的直线。A为强超固结总应力圆（破坏时孔隙水压力为负），B为弱超固结总应力圆（破坏时孔压为正）。,5-7 三轴试验中土的剪切性状,有效应力强度包线,总应力强度包线,2、 超固结粘土三轴试验 CD试验 CD试验过程中总应力等于有效应力，所以总应力强度包线即有效应力强度包线。是一条不过圆点的微弯曲线，简化为直线。,5-7 三轴试验中土的剪切性状,强度包线,2、 超固结粘土三轴试验 UU、CU、CD试验比较 时，超固结粘土CU、CD强

38、度包线简化为一条不通过圆点的直线， 时，与正常固结粘土强度包线重合，为过圆点的直线。强度指标关系 ，,5-7 三轴试验中土的剪切性状,超固结 正常固结,有效应力圆,总应力圆,【例题52】从某一饱和黏土样中切取三个试样进行固结不排水剪试验。三个试样所受围压、剪破时大主应力及剪破时孔隙水压力见附表。试求总应力强度指标 ， 和有效应力强度指标 ， 。,5-7 三轴试验中土的剪切性状,【解】 解法1：按照应力圆绘图求解,5-7 三轴试验中土的剪切性状,【解】 解法2：按照应力路径的线求解,5-7 三轴试验中土的剪切性状,解法2：按照应力路径的线求解,5-7 三轴试验中土的剪切性状,同理，计算得到有效应

39、力表示的强度参数,解法3：按照极限平衡条件求解,5-7 三轴试验中土的剪切性状,同理，计算得到有效应力表示的强度参数,3、 粘土的残余强度,5-7 三轴试验中土的剪切性状,超固结土峰值,竖向压力=,正常固结土峰值,重塑土,残余强度,超固结土,正常固结土,粘土的残余强度与它的应力历史有关； 在大剪切位移下超固结粘土的强度降低幅度比正常固结粘土大； 残余强度为通过坐标原点的直线。,4. 粘土的结构性与灵敏度 土的强度同土的结构有着密切的关系。 粘土的强度（或其它性质）随着其结构的改变而发生变化的特性称为土的结构性。 某些在含水率不变的条件下使其原有结构受彻底扰动的粘土，称为重塑土。粘土对结构扰动的

40、敏感程度可用灵敏度表示。灵敏度定义为原状试样的无侧限抗压强度与相同含水率下重塑试样的无侧限抗压强度之比 式中： St粘土的灵敏度； qu原状试样的无侧限抗压强度； qu重塑试样的无侧限抗压强度。,5-7 三轴试验中土的剪切性状,粘土的触变性 对于灵敏度高的粘土，经重塑后停止扰动，静置一段时间后其强度又会部分恢复。在含水率不变的条件下粘土因重塑而软化（强度降低），软化后又随静置时间的延长而硬化（强度增长）的这种性质称为粘土的触变性。,5-7 三轴试验中土的剪切性状,5. 粘土的蠕变 在剪切过程中土的蠕变是指在恒定剪应力作用下应变随时间而增长的现象。如图为三轴不排水试验中在不同（1- 3)作用下轴

41、向应变变化过程线，即蠕变曲线。,由图可见，当主应力差很 小时，轴向应变几乎在瞬间发 生，之后蠕变缓慢发展，轴向 应变时间关系曲线最后呈水 平线，土不会发生蠕变破坏。 当主应力差较大时，蠕变速率会相应增大。当主应力差达到某一值后，轴向应变不断发展，应变速率增大，最终导致蠕变破坏。,5-7 三轴试验中土的剪切性状,如图所示，蠕变破坏的过程包括以下几个阶段： （1）弹性应变阶段：图中OA段，对土而言，此阶段的应变值很小； （2）初始蠕变阶段：图中AB段，在这一阶段，蠕变速率由大变小，如果这时卸除主应力差，则先恢复瞬时弹性应变，继而恢复初期蠕变； （3）稳定蠕变阶段：图中BC段，这一阶段的蠕变速率为常数，这时若卸除主应力差，土也将存在永久变形； （4）加速蠕变阶段：在这一阶段，蠕变速率迅速增长，最后达到破坏。,5-7 三轴试验中土的剪切性状,End of Chapter 5 结束,