第5章 土的抗剪强度.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第五章土的抗剪强度,概述,土的抗剪强度理论,土的抗剪强度试验,三轴压缩试验中的孔隙压力系数,饱和黏性土的抗剪强度,无黏性土的抗剪强度,关于土的抗剪强度影响因素的讨论,应力路径在强度问题中的应用,5.1,概述,土体在外荷载作用下，土中将产生剪应力和剪切变形。土体相应地也具有抵抗剪应力的潜在能力，即抗剪力，它相应于剪应力的增加而逐渐发挥。当土的抗剪能力达到极限时，此时的极限值称为土的抗剪强度。,抗剪强度也可定义为土体抵抗剪切破坏的最大能力,。,土的破坏形式通常都是剪切破坏。,土的剪切破坏和抗剪强度,土的抗剪强度理论和准则,研究土在应力作用下发生破坏的规律,地基承载力问题,边坡稳定问题,挡土墙稳定问题,土的抗剪强度理论或准则,研究土在应力作用下发生破坏规律的理论,土的抗剪强度指标,土的抗剪强度理论或准则中所包含的与土性等因素有关的待定参量,土的抗剪强度指标的确定,土的抗剪强度指标通过室内和现场试验确定。主要方法有：,室内试验,：直剪、三轴压缩试验、无测限抗压强度试验,现场试验,：十字板剪切试验、现场大型直剪试验,影响土抗剪强度指标的因素,土的种类土样的天然结构是否被扰动应力状态和应力历史排水条件,（室内试验时的一个需要考虑的最重要影响因素）,室内直剪仪,室内直剪仪,三轴仪,三轴仪,无恻限压缩仪,抗剪强度理论的发展,（,1,）经典强度理论,(Mohr-Coulomb,强度理论,),Charles,Augustin,de Coulomb,(1736-1806),Christian Otto Mohr,(1835-1918),本科只介绍的部分,抗剪强度理论的发展,（,2,）现代强度理论,(,考虑了中间主应力效应的强度理论,),Lade-Duncan,强度准则,Matsuoka-,Nakai,（,SMP,）强度准则,俞茂宏双剪应力强度准则,Drucker-Prager,强度准则,其它准则,高等土力学内容,土的内摩擦角,(,度），本质是土粒间的滑动摩擦以及凹凸面间的镶嵌作用所产生的摩擦力。与土粒表面的粗糙度、土的密实性、土的颗粒级配等有关。,0,100,200,300,400,砂土,1,、砂土,剪切滑动面上的法向总应力（,kPa,),土的抗剪强度,(,kPa,),破坏线,5.1.1,库仑公式及抗剪强度指标,一、总应力表示法：以总应力表示剪切面上的法向应力。,剪切滑动面,黏性土,c,2,、黏性土,C,土的黏聚力（或内聚力）（,kPa,),，是由于黏土颗粒之间的胶结作用和静电引力效应等因素引起的。,破坏线,5.1.1,库仑公式及抗剪强度指标,土的有效内摩擦角,(,度）,2,、黏性土,土的有效黏聚力,（或,内聚力）（,kPa,),1,、砂土,剪切滑动面上的法向有效 应力（,kPa,),土的抗剪强度,(,kPa,),说明：总应力法与有效应力法二者的计算结果稍有不同，总应力法,方便适用，而若能准确地求出有效应力，有效应力法从道理 上更合理。,二、有效应力表示法：以有效应力表示剪切面上的法向应力。,.,土的抗剪强度的构成,1,粘性土的抗剪强度由土的内摩擦力,tan,和内聚力,c,两部分组成。而无粘性土的抗剪强度由内摩擦力构成。,（,1,）内摩擦力包括土粒之间的,表面摩擦力,和由于土粒之间的连锁作用而产生的,咬合力,。,咬合力是当土体相对滑动时，将嵌在其它颗粒之间的土粒拔出所需的力，土越密实，连锁作用越强。,土粒表面越粗糙，棱角越多，密实度越大，则土的内摩擦系数大；内摩擦角主要取决于土粒表面的粗糙程度和土粒交错排列的情况；,（,2,）粘聚力包括有原始粘聚力、固化粘聚力及毛细粘聚力。,原始粘聚力：由于土粒间水膜受到相邻土粒之间的电分子引力而形成的，可以恢复其中的一部分或全部。,固化粘聚力：由于土中化合物的胶结作用而形成的，不能恢复。,毛细粘聚力,：由于,毛细压力,所引起的，一般可忽略不计。,N2,.,2,土的抗剪强度影响因素,【,注意,】,：,c,和,是决定土的抗剪强度的两个重要指标，对某一土体来说，,c,和,并不是常数，,c,和,的大小随试验方法、固结程度、土样的排水条件等不同而有较大的差异。,5.1.2,莫尔,-,库仑强度理论及极限平衡条件,莫尔的贡献,1,、系统提出了脆性材料的剪切破坏机理：当体内任一平面上的剪应力等于材料的抗剪强度时该点就发生破坏。,2,、发展了库仑抗剪强度表达式，认为抗剪强度是破坏面上法向应力的函数。,该函数在,f,-,坐标中是一条曲线，称为莫尔包络线,。理论和实践证明，在应力不高情况下，土的莫尔包络线近似一条直线，可用库仑公式表达式。,由库仑公式表示莫尔包线的强度理论称为,莫尔,-,库仑强度理论,s,s,1f,s,3f,2,(,t,s,),s,2,c,2,t,3,、提出了用莫尔应力圆分析材料是否发生剪切破坏的分析方法。,s,2,s,2,s,1,s,1,s,3,s,3,几个重要结论：,（,1,）当最大应力莫尔圆与土体相切时，土体达到强度极限；,（,2,）破坏面沿中间主应力方向；,（,2,）中间主应力对土体强度和破坏无影响。,1,、土中任意一点的应力状态,m,n,d,s,由静力平衡条件,求得,5.1.2,莫尔,-,库仑强度理论及极限平衡条件,2,、莫尔应力圆,半径：,圆心：,莫尔圆上的点,A,坐标,A,摩尔圆上各点的坐标表示了该点在相应面上的正应力和剪应力,正应力：压为正，拉为负；,剪应力：逆时针为正，顺时针为负。,s,2,s,2,1,2,3,情况,1,：摩尔圆位于抗剪强度线以下,情况,2,：摩尔圆与抗剪强度线相切,极限平衡状态,情况,3,：摩尔圆与抗剪强度线相割,不破坏,破坏（不存在）,3,、极限平衡状态,由三角形,ARD,A,c,D,R,极限平衡条件,大主应力作用面与破坏面的夹角,A,c,D,R,无粘性土,（,c,=0,）,破坏角,破坏面,注意几个名词,：,应力作用方向、应力作用面、应力作用面法线方向、破坏面、破坏面法线方向。,极限平衡条件,破坏角,采用有效应力表示时，分析方法和总应力法类似，有,4,、利用莫尔,-,库仑强度理论判断土体是否发生剪切破坏的方法,（,1,）求可能发生的破坏面方向,（,2,）根据最大、最小,主应力,1,、,3,求该面上的正应力,和剪 应力,（,3,）比较,与,f,方法一,如果,f,：不破坏；,如果,f,：,破坏。,A,s,1,s,1,s,2,s,2,s,1,s,1,s,3,s,3,与土体是否破坏无关,方法二,（,1,）假定,1,（或,3,）,固定不变，求极限平衡状态下的,3,f,（或,1,f,）,（,2,）比较,3,和,3,f,（或,1,和,1,f,）的大小。,如果,1,3,f,：不破坏；,如果,3,3,f,：,破坏。,A,s,1,s,1,s,1f,s,1,A,s,3,s,1,s,3f,s,3,【,例题,1】,已知某土体单元的大主应力,1,480kPa,，,小主应力,3,210kPa,。,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,1,480kPa,，,3,210kPa,，,c=20kPa,，,18,（,1,）直接用,与,f,的关系来判别,破坏角,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。,（,2,）利用极限平衡条件来判别,假定,1,固定不变，求极限平衡状态下的,3,f,。,假定,3,固定不变，求极限平衡状态下的,1,f,。,由计算结果表明,1,1f,，,所以该单元土体早已破坏。,由计算结果表明,3,3f,，,所以该单元土体早已破坏。,(5),若 ，问试样是否破坏,某干砂试样进行直剪试验，当,=,300kPa,时，,测得,=,200kPa,求：,(2),破坏时的大小主应力（绘出摩尔圆）,(3),大主应力与剪切面所成的角度,(4),当 时，土样是否破坏,(1),砂土的内摩擦角,例题,2,解：,(1),因为是砂土，所以,c,=0,0,100,200,300,100,200,300,（一般应做,3,个试样）,作图法,例 题,解,(2),土中某点的应力状态,300,200,=61.850,例 题,7.2,土的抗剪强度,7.2.2,莫尔,-,库仑强度理论及极限平衡条件,(3),大主应力与剪切面所成的角度为,(4),0,100,200,300,100,200,300,作图法,点 位于抗剪强度,线下，,不破坏,计算法,不破坏,例 题,解,(5),作图法,33.69,0,应力圆位于抗剪强度线下，,不破坏,例 题,解,(5),计算法,解法,1,、极限平衡状态,不破坏,解法,2,、,(,c,=0),不破坏,例 题,5,、对莫尔,-,库仑强度理论的评价,(a),红砂岩,(b),花岗岩,(c),破坏面方向,3,、不能反映土体强度及破坏的中间主应力效应。,1,、不能用于反映土体的抗拉强度及破坏特性；,缺点：,优点：,表达式简单实用。,2,、不能反映高压下土体的强度及破坏特性；,现代强度理论,(,考虑了中间主应力效应的强度理论,),Lade-Duncan,强度准则,Matsuoka-,Nakai,（,SMP,）强度准则,俞茂宏双剪应力强度准则,Drucker-Prager,强度准则,其它,实验室试验方法,3,、三轴拉伸试验,2,、三轴压缩试验,1,、直剪试验,4,、无侧限抗压强度试验,5.2,抗剪强度测定方法,5,、真三轴试验,6,、平面应变试验,5.2.1,直接剪切试验（,direct shear test,）,直剪试验示意图,1,仪器,：直剪仪,直剪仪特点：构造简单，试样的制备和安装方便，且操作容易掌握，至今仍被工程单,位广泛采用。,我国采用应变控制式，如图所示。,5.2.1,直接剪切试验（,direct shear test,）,2,应变控制式直剪仪的试验方法简介：,通过杠杆将力传给加压活塞对土样施加垂直压力,p,后，等速转动手轮，匀速推进对下盒施加剪应力，使试样沿上下盒水平接触面产生剪切变形，直至剪破。,通常取四个试样，分别在不同,（一般取,50,、,100,、,200,、,300,、,400kPa,）下进行剪切，求得相应的,绘制,-,-,曲线。从中确定,.,绘制,-,-,曲线。,-,-,曲线与横轴的夹角为内摩擦角 ，在纵轴上的截距为粘聚力 。,c,在直剪试验过程中，不能量测孔隙水应力，也不能控制排水，所以只能以总应力法来表示土的抗剪强度。但是，为了模拟土体在现场受剪的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（,quick shear test,Q-test,）,固结快剪（,consolidated quick shear test,，,R-test,）,慢剪（,slow shear test,S-test,）,由于快剪和固结快剪试验在剪切过程中仍有可能排水，故适用于渗透系数小于,10,-6,cm/s,的细粒土。,5.2.1,直接剪切试验（,direct shear test,）,（一）快剪（,Q-test,）,土工试验方法标准,规定抗剪试验适用于渗透系数小于,10,6,cm/s,的细粒土，试验时在试样上施加垂直压力后，拔去固定销钉，立即以,0.8mm/min,的剪切速度进行剪切，使试样在,3min5min,内剪破。试样每产生剪切位移,0.2mm0.4mm,测记测力计和位移读数，直至测力计读数出现峰值，或继续剪切至剪切位移为,4mm,时停机，记下破坏值；当剪切过程中测力计读数无峰值时，应剪切至剪切位移为,6mm,时停机，该试验所得的强度称为快剪强度，相应的指标称为快剪强度指标，以,c,Q,、,Q,表示。,（二）固结快剪（,R-test,）,固结快剪试验也适用于渗透系数小于,10,6,cm/s,的细粒土。试验时对试样施加垂直压力后，每小时测读垂直变形一次，直至变形稳定。变形稳定标准为变形量每小时不大于,0.005mm,，,在拔去固定销，剪切过程同快剪试验。所得强度称为固结快剪强度，相应指标称为固结快剪强度指标，以,c,R,、,R,表示。,（,三）慢剪（,S-test,）,慢剪试验是对试样施加垂直压力后，待固结稳定后，再拔去固定销，以小于,0.02mm/min,的剪切速度使试样在充分排水的条件下进行剪切，这样得到的强度称为慢剪强度，其相应的指标称为慢剪强度指标，以,c,S,、,S,表示。,.,.,模型地基条件,直剪试验 三轴试验,快剪,（,Q,）,不固结不排水剪,（,UU,）,固结快剪（,CQ,）,固结不排水剪,（,CU,）,慢剪（,S,）,固结排水剪,（,CD,）,（,1,）,不固结不排水剪,UU,试验（,快剪,Q,）,模拟透水性小的粘性土地基受快速荷载作用，来不及排水固结就被剪破，或土坝在快速施工中剪破的情况。,（,2,）固结不排水剪,CU,试验（,固结快剪,CQ,）,模拟粘性土地基在正常荷载作用下已固结完成，又受到突加水平荷载或地震荷载作用被剪破，以及中等透水性土和粘性土地基在中等加荷速率作用下被剪破情况。,（,3,）固结排水剪,CD,试验（,慢剪,S,）,模拟粘性土地基或土坝在正常荷载下已固结完成，又受到缓慢施加荷载作用被剪破或砂土地基在静载下被剪破的情况。,5.2.1,直接剪切试验（,direct shear test,）,上述三种方法的试验结果如下图所示。,从图中可以看出，,c,Q,c,R,c,S,，,而,Q,R,S,。,评价,优点,仪器构造简单、传力明确、操作方便、试样薄、固结快、省时、仪器刚度大，不可能发生横向变形，仅根据竖向变形量就可计算试样体积的变化。,缺点,1,试样内的应力状态又比较复杂，应力、应变分布不均匀。,2,剪切破坏面事先已确定，这不能真实反映实际中的复杂情况。,3,在试验直至破坏的过程中，受剪切的实际面积在不断缩小，上下盒边缘处的应力集中很明显，所以剪切面上的应力、应变很不均匀又难测定。,4,直剪仪还有一个明显缺点就是不能控制排水条件，不能测试样中的孔隙水压力及其变化。,5.2.2,三轴压缩试验（,triaxial,compression test,）,三轴压缩试验测定土的抗剪强度是一种较为完善的方法。试样破坏的本质是压一剪型。土样是一个圆柱体，高,7.510.0 cm,，直径,3.85.0 cm,，用橡皮薄膜套起来，置于压力室中，土样三向受压，可以发生横向变形，通过液压加周围压力，通过杠杆系统加竖向压力，当压力及其组合达到一定程度时，土样就会按规律产生一个斜向破裂面或沿弱面破裂。,剪切破坏面,5.2.2,三轴压缩试验,压力室,轴向加荷系统,施加围压系统,孔隙水压力量测系统,轴向加荷系统,接围压系统,乳胶膜,压力室,圆形密封圈,透水石,有机玻璃筒,q,土样,活塞杆,接孔隙应力测量系统,1,=,3,+,q,3,3,1,=,3,+,q,接排水管,上盖,底座,试样帽,.,2,三轴剪力仪,试验方法、原理,先对土样施加周围压力，达到所需的,3,；逐渐施加轴向压力（竖向压力）增量,，即 ，直至试样剪破，,按试样剪破时的,1f,和,3f,作极限应力圆,。,三轴试验至少需要,3,4,个土样，分别在不同的周围压力,3,作用下进行剪切，得到,3,4,个不同的破坏应力圆，绘出各极限应力圆的公切线，即为强度包线，其与横坐标的夹角为土的内摩擦角，与纵坐标的截距为土的粘聚力。,轴向为大主应力方向，试样剪破面方向与大主应力作用平面的夹角为,f,：,破坏面,f,试验步骤,:,3,3,3,3,3,3,2.,施加周围压力,3.,施加竖向压力,1.,装样,5.2.2,三轴压缩试验,有效应力圆与总应力圆大小相同，当剪破时的孔隙水应力为正值时，有效应力圆在总应力圆的左边；而当剪破时的孔隙水应力为负值时，有效应力圆在总应力圆的右边。,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。,试验方法：根据剪切前受周围压力的固结状态和剪切时的排,水条件分为：,不固结不排水剪（,UU,）、,固结不排水剪（,CU),和固结排水剪（,CD),三种方法。分别对应于直剪试验的快剪、固结快剪和慢剪试验。,（,1,）不固结不排水试验（,UU,）,（,unconsolidation,undrained,test),直剪试验：,（快剪）土样加上垂直压力后,立即剪切，使试样在,35,分钟内,剪损。,三轴试验：,在围压（水压）作用下不固,结,(,关闭排水阀门），再加垂直压,力 增量（不排水）直至破坏。,（,2,）固结不排水试验,(CU),（,consolidation,undrained,test,）,直剪试验：,（固结快剪）土样垂直压力下固,结稳定后，再加剪应力，使试样,在,35,分钟内剪损。,三轴试验：,在围压（水压）作用下固结,(,打开排水阀门），再加垂直压力,增量 （不排水）直至破坏。,（,3,）固结排水试验,(CD),（,consolidation drained test,）,直剪试验：,（慢剪）土样加上垂直压力后排,水，分级加剪应力，每级变形稳,定后加下一级荷载，直至剪损。,三轴试验：,在围压（水压）作用下固结,(,打,开排水阀门），再加垂直压力增,量 （排水）直至破坏。,固结剪切中的排水条件,5.2.2,三轴压缩试验,优点：,能较为严格地控制排水条件以及可以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，而不像直接剪切仪那样限定在上下盒之间。,缺陷：,常规的三轴压缩试验的缺点是试件中的主应力,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。已经问世的各种真三轴压缩仪中的试件可在不同的三个主应力,（,1,2,3,）作用下进行试验。试验复杂，试验时间长。,评 价,5.2.3,无,侧,限压缩试验,q,u,q,u,3,=0,加压框架,量表,量力环,升降螺杆,无侧限压缩仪,试样,无侧限压缩仪,5.2.3,无,侧,限压缩试验,只适用于饱和黏土不排水抗剪强度的测定，其它情况无法测出完整的强度包线,5.2.3,无,侧,限压缩试验,评价,仪器构造简单，操作方便；,可代替三轴试验测定饱和粘性土的不排水强度。三轴压缩试验当周围压力为零时即为无侧限试验条件，此时只有轴向压力，所以也称单轴压缩试验。,只适用于饱和黏土不排水抗剪强度的测定，其它情况无法测出完整的强度包线。,测定饱和粘性土的灵敏度。,.,测定饱和粘性土的灵敏度,饱和粘性土的强度与土的结构有关，当土的结构遭受破坏时，其强度会迅速降低，工程上常用,灵敏度,S,t,来反映土的结构受挠动对强度的影响程度。,式中,q,u,原状土的无侧限抗压强度，,kPa,；,q,u,重塑土（指在含水量和密度不变的条件下，使土的天然结构彻底破坏再重新制备的土）的无侧限抗压强度，,kPa,。,根据灵敏度可将饱和粘性土分为三类：,低灵敏度土,1,S,t,2,中灵敏度土,24,3,灵敏度越高，土的结构性就越强，受扰动后对其影响大，土的强度就降低愈多。挖基坑等工程应注意！,一、十字板剪切试验,1.,试验特点,：仪器结构简单、操作方便、挠动少等特点。,2,适用范围：,现场测定饱和黏性土（饱和软黏土）的不排水强度和灵敏度，特别适用于难于取样或试样在自重作用下不能保持原有形状的软粘土。,3,原理,假定：（,1,）剪破面为圆柱面（,2,）圆柱体高和直径等于十字板高和宽（,3,）假定圆柱的上、下底面与侧面上的抗剪强度相等,5.2.4,十字板剪切试验,属原位测试方法，可克服室内测试存在的问题,4.,试验方法,：十字板剪切试验可在现场钻孔内进行。试验时，先将十字板插到要进行试验的深度，再在十字板剪切仪上端的加力架上以一定的转速对其施加扭力矩，使板内的土体与其周围土体产生相对扭剪，直至剪破，测出其相应的最大扭力矩。然后，根据力矩的平衡条件，推算出圆柱形剪破面上土的抗剪强度。,M,H,=100,120mm,D,=5075mm,破坏时的扭矩,M,与土的抵抗力矩相等,侧面,上下底,侧面土的抗剪强度,上下底面土的抗剪强度,简化计算取,由十字板剪切试验求得的土的抗剪强度,5.2.4,十字板剪切试验,r,dr,D,4,抗剪强度计算,二、现场原位剪切试验,原位小型直剪试验（用于粘土）,7.4,三轴压缩试验中的孔隙水压力系数,孔隙水压力系数,的概念是斯肯普顿（,A W Skempton,1954,）提出的，用于表示土中孔隙水压力的发展和变化。斯肯普顿根据三轴压缩试验结果，引入孔隙水压力系数,A,、,B,，建立了轴对称应力状态下土中孔隙水压力增量和总应力增量的关系。,固结,施加围压,（土体处于各向等压状态）,施加轴向压力,三轴受压状态,三轴压缩试验过程,7.4,三轴压缩试验中的孔隙水压力系数,球应力张量（或静水应力张量），产生体变,偏应力张量（或剪应力），产生形变,理想弹性体中，孔隙水压力只与体变有关,孔隙水压力系数,孔隙水压力系数,B,：,试样在受到各向等压增量，产生的孔隙压力增量与围压增量之比,5.4,抗剪强度指标,可知,由于土体不是理想弹性体，偏应力也会产生体变（剪胀或剪缩），,Skempton,引入另一个,孔隙水压力系数,A,代替,1/3,定义,孔压系数是指土体在不排水和不排气的条件下，由外荷载引起的孔隙水压力与应力增量（用总应力表示）的比值。,下页是推导过程,设一立方体的体积,V,，,孔隙率,n,。,设各向均匀压力 作用下产生的孔隙水压力为 ，则作用在骨架上的有效应力为,式中,1,2,3,为三个方向骨架线应变且,1,=,2,=,3,，,于是,假设土体骨架为弹性体时，由弹性理论可知,推导过程,式中 为土骨架的压缩系数；,E,为土的变形模量；,为土的泊松比。,与上式相对应，孔隙流体（空气和水）在压力增加发生的体积压缩应为,土中矿物颗粒的压缩性很小，可忽略，于是在不排气、不排水的条件下，必然有,式中,C,f,为孔隙流体的体积压缩系数，代表单位孔隙压力作用下，单位体积的孔隙流体的体积变化。,即,推导过程,所以,令,则,式中,B,为孔压系数,对于干土,对于非饱和土，,B,介于,01,之间,。,对饱和土,推导过程,设单元受到偏差应力 的作用，产生的,孔隙水压力为，则轴向及側向有效应力为：,由虎克定律知,推导过程,(3-56),得,土体积为,V,的骨架体积压缩量为,推导过程,孔隙流体（空气和水）在压力增加 发生的体积压为,同理,即,土不是理想弹性体，,A.W.Skempton,将式中,1/3,用系数,A,来表示,推导过程,孔隙水压力系数,因此,注：在三轴试验中，常把 称为偏差应力（简称偏应力）增量。应注意将其与弹塑性力学中的偏应力张量区分开来。,饱和土：,B,1,饱和土的不固结不排水试验试验中，试样在周围压力增量下将不发生竖向和侧向变形，这时的周围压力增量完全由孔隙水承担，,完全干燥土：,B,0,周围压力增量完全由土骨架承担,非饱和土：,1,B,0,孔隙中流体的压缩性与土骨架的压缩性为一个量级，饱和度越大，,B,越接近于,1,孔隙水压力系数,B,的意义及取值,B,反映土体在,各向相等压力,作用下，孔隙压力变化情况的指标，也是反映土体饱和程度的指标,A,反映,偏应力增量,作用下的孔隙压力系数，主要反映偏应力增量对土体体积变化的影响。,孔隙水压力系数,A,的意义及取值,A,值的大小受很多因素的影响，它随偏应力增加呈非线性变化，高压缩性土的,A,值比较大，超固结黏土在偏应力作用下将发生体积膨胀，产生负的孔隙压力，故,A,是负值。就是同一种土，,A,也不是常数，它还受应变大小、初始应力状态和应力历史等因素影响。,A,值应根据实际的应力和应变条件，进行三轴压缩试验直接测定。,由于常规三轴试验不能反映更一般的应力状态变化，如,2,3,的情况，因此更一般情况下的孔隙水压力计算问题有待进一步研究,讨论,饱和土不固结不排水：,饱和土固结不排水：,饱和土固结排水：,饱和黏性土的抗剪强度,饱和黏性土的抗剪强度讨论中，用三轴试验方法测定其强度时，按剪前的固结和排水条件分为,UU,、,CU,、,CD,三种。,UU,三轴试验过程,CU,三轴试验过程,CD,三轴试验过程,A,u,u,B,C,C,u,不排水内摩擦角,不排水内聚力,1,、三轴试验,2,、无侧限抗压强度试验,C,u,总应力圆,有效应力圆,只有一个,1,不固结不排水抗剪强度（,UU,强度）,如果使试样在另一个较高的剪前固结压力 下固结稳定后进行一组不固结不排水试验，那么，由于固结压力增大，试样的剪前孔隙比将减少，试样的不排水强度,将增大。与 通常呈线性关系，即 ，其中 为比例系数。如图所示。,3,、注释,1,、不排水强度的大小取决于土样所受的先期固结压力，先期固结压力越大，土的孔隙比越小，不排水抗剪强度就越大。未经固结过的饱和黏土呈浆糊状，抗剪强度等于零。天然土层的有效固结应力随深度变化，故不排水抗剪强度也随深度变化；,2,、得到,u,=0,并不意味着土不具有摩擦强度，只不过该试验方法将摩擦强度隐含于黏聚力之内，两者难以区分；,3,、由于同一组试件试验结果，有效应力圆只有一个，不能得出有效应力破坏包线，故该试验只能用于测定饱和土的不排水强度；,4,、不固结不排水的实质就是保持试验过程中土样的密度不变，由于原位十字板试验也基本满足此条件，故可认为其测得的抗剪强度也相当于不排水强度，但土体受扰动小，测得的强度值要高于室内结果；,5,、不固结不排水强度用于荷载增加所引起的孔隙水压力不消散、密度保持不变的情况，对于建筑物施工速度快、地基土黏性大、透水性小、排水条件差的工程，应该采用不固结不排水强度,。,2,固结不排水抗剪强度（,CU,强度）,2,固结不排水抗剪强度（,CU,强度）,总应力破坏包线,总应力破坏包线,有效应力破坏包线,3,、注释,1,、实验室中所说的正常固结土和超固结土是针对土样而言，以当前固结压力为当前有效应力，并与土曾受到的先期固结应力相比，这与天然土有关的概念有区别。,2,、实际工程很难有加载引起的等向固结情况，即便是自重应力下的固结，也非等向固结（,K,0,固结），因此很难确切说明固结不排水方法对应于什么样的实际工程问题。,3,、如果黏性土先在某种应力下固结，然后比较迅速地加载，可以考虑采用固结不排水试验测定的抗剪强度指标。,4,工程上如果土体在加载过程中既非完全排水、又非完全不排水，也常采用这种抗剪强度指标。,5,虽然难以说明它确切反映哪种过程情况，该方法确定的指标较不固结不排水、固结排水试验测出的指标更为常用。,3,固结排水抗剪强度（,CD,强度）,正常固结土的破坏包线通过原点，超固结土的破坏包线略弯曲，实用上近似取为一条直线代替，内摩擦角比正常固结土的内摩擦角要小。,总应力圆即是有效应力圆,注释,1.,排水强度是指加载过程中，孔隙水压力全部并及时消散，密度不断增加情况下的强度，工程中，当建筑物的施工速度较慢、如地基的黏性小或无粘性，透水性好、排水良好，那么，在地基极限承载力计算中可用排水试验的强度指标。,2.,试验证明：固结排水剪的,与固结不排水剪的,很接近，,略大于 。,由于排水试验所需时间太长，实用上以,代替 。但要注意两者试验条件的差异：固结不排水剪在剪切过程中不排水，试样体积不变；固结排水剪在剪切过程中排水，试样体积变化。,4,抗剪强度指标的比较,一、正常固结土,二、超固结土,图,7-21,表示同一种黏性土分别在三种不同排水条件下的试验结果，由图可见，如果以总应力表示，将得出完全不同的试验结果，而以有效应力表示，则不论采用哪种试验方法，都得到近乎同一条有效应力破坏包线（如图中虚线所示），由此可见，抗剪强度与有效应力有惟一的对应关系。,5,黏土的残余强度,1.,粘土的残余强度与它的应力历史无关,2.,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的大,3.,残余强度线为通过坐标原点的直线（图,b,虚线）,超固结粘土在剪切试验中有与紧砂相似的应力应变特征，当强度随着剪位移达到峰值后，如果剪切继续进行，随着剪位移继续增大，强度显著降低，最后稳定在某一数值不变，该不变的值即称为粘土的残余强度。正常固结粘土亦有此现象，只是降低的幅度较超固结粘土要小些。,这是由于在受剪过程中土的结构性损伤、土粒的排列变化及粒间引力减少；吸着水层中水分子的定向排列和阳离子的分布因受剪而遭到破坏。,残余强度线为通过坐标原点的直线，即,r,=,tg,r,式中：,r,粘土的残余强度；,剪破面上的法向应力；,r,残余内摩擦角。,6,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：,S,t,粘土的灵敏度；,q,u,原状试样的无侧限抗压强度；,q,u,重塑试样的无侧限抗压强度。,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,。,7,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。图是三轴不排水剪切试验中在不同的恒定主应力差（,1,-,3,),作用下轴向应变随时间变化的过程线，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，最终可导致蠕变破坏。,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。,8,抗剪强度指标的选择,地基的长期稳定性（例如土坡的长期稳定性分析，估计挡土结构物的长期土压力、位于软土地基上结构物的长期稳定分析等）宜用有效应力强度指标。,饱和软黏土的短期稳定性问题，则宜采用不固结不排水试验的强度指标,以总应力法进行分析。,一般工程间题多采用总应力法分析，其指标和测试方法的选择大致如下：,UU,试验：地基为透水性差的饱和粘性土或排水不良，且建筑物施工速度快常用于施工期的强度与稳定验算。,CU,试验：建筑物竣工后较长时间，突遇荷载增大。如房屋加层、天然土坡上堆载等。,CD,试验：地基的透水性较佳（如砂土等低塑性土）和排水条件良好（如粘土层中夹有砂层），而建筑物施工速度又较慢时。,总原则：在确定强度指标时应结合土性和工程实际。,5.4.3,无黏性土的抗剪强度,无黏性土固结排水剪内摩擦角,砂土的内摩擦角与初始孔隙比、土粒表面的粗糙度以及颗粒级配等因素有关。初始孔隙比小、土粒表面粗糙，级配良好的砂土，其内摩擦角较大。松砂的内摩擦角大致与干砂的天然休止角相等。近年来的研究表明，无黏性土的强度性状也十分复杂，它还受各向异性、试样的沉积方法、应力历史等因素影响。,1,、强度表达式及影响因素,1,、强度表达式及影响因素,2,、松砂和密砂的应力应变特性,h,密砂,松砂,垂直应力增量,垂直应变,体积应变关系,应变软化型,应变硬化型,体积压应变,松砂：剪缩为主,剪缩,密砂：先剪缩后剪胀,垂直应力增量,垂直应变,体积应变关系,2,、松砂和密砂的应力应变特性,剪胀,应变硬化型,应变软化型,3,、砂土的临界孔隙比,相应于体积变化为零的初始孔隙比称为临界孔隙比,e,cr,如果饱和砂土的初始孔隙比,e,0,大于临界孔隙比,e,cr,，在剪应力作用下由于剪缩必然使孔隙水压力增高，而有效应力降低，致使砂土的抗剪强度降低。当饱和松砂受到动荷载作用（例如地震），由于孔隙水来不及排出，孔隙水压力不断增加，就有可能使有效应力降低到零，因而使砂土象流体那样完全失去抗剪强度，这种现象称为砂土的液化，因此，临界孔隙比对研究砂土液化也具有重要意义,临界孔隙比,e,cr,剪缩,剪胀,e,cr,与围压,3,关系见图。,1995,年阪神地震大阪的街道路面液化,1999,年台湾大地震中台中县由于液化引起的楼房倒塌,同一种砂土在相同的周围压力作用下，由于其初始孔隙比不同在剪切过程中将出现不同的应力应变特征。松砂的应力,应变曲线没有一个明显的峰值，剪应力随着剪应变的增加而增大，最后趋于某一恒定值；紧砂的应力,应变曲线有,一个明显的峰值，过此峰值以后剪应力,便随剪应变的的增加而降低，最后趋于,松砂相同的恒定值，,如图所,示。这,一恒定的强度通常称为残余强度或最终强,度，以,f,表示。,4,、砂土的残余强度,紧砂是由于土粒间咬合作用被克服，结构崩解变松的结果,.,一、土的矿物成分、颗粒形状和级配的影响,二、含水量的影响,三、原始密度的影响,四、粘性土触变性的影响,五、土的应力历史的影响,六、土的各向异性的影响,七、加荷速率的影响,N1,5.4.4,土的抗剪强度选择,.,一、土的矿物成分、颗粒形状和级配的影响,1,、黏性土：不同的粘土矿物具有不同的晶格构造，它们的稳定性、亲水性和胶体特性也各不相同，因而对粘土的抗剪强度（主要是粘聚力）产生显著的影响。粘性土的抗剪强度随粘粒和粘土矿物含量的增加而增大。,2,、无黏性土：主要是颗粒的形状、大小及级配的影响。一般来说，粗颗粒越多、形状越不规则、表面越粗糙，则其内摩擦角越大，因而其抗剪强度也越高。,二、含水量的影响,含水量的增高一般将使土的抗剪强度降低。这种影响主要表现在两个方面：,1,、是水分在较粗颗之间起着润滑作用，使摩阻力降低；,2,、是粘土颗粒表面结合水膜的增厚使原始粘聚力减小。,.,三、原始密度的影响,土的原始密度越大，其抗剪强度也越高,。对于粗颗粒土（例如砂性土）来说，密度越大则颗粒之间的咬合作用越强，因而摩阻力就越大；对于细颗粒土（粘性土）来说，密度越大意味着颗粒之间的距离越小，水膜越薄，因而原始粘聚力也就越大。,四、粘性土触变性的影响,粘性土的强度会因受扰动而削弱，但经过静置又可得到一定程度的恢复，对粘性土的这一特性称为触变性。若土样受到明显的扰动，则试样就不能反其天然强度。,五、土的应力历史的影响,土的受压过程所造成的土体受力历史状态的不一样，对土体强度的试验结果也是有影响的。,2,六、土的各向异性的影响,七、加荷速率的影响,曲线,1,：加荷速率较大,曲线,3,：加荷速率较小,曲线,2,：加荷速率介于曲线,1,、,3,之间,.,1,应力路径,试样在剪切试验中某一特定平面上应力状态变化轨迹,总应力路径,TSP,试样在剪切试验中某一特定平面上总应力状态变化轨迹,有效应力路径,ESP,试样在剪切试验中某一特定平面上有效应力状态变化轨迹,2,特定平面,最大剪应力面,剪破面,绘制剪破面上的应力路径，须先知道剪破面与大主应力面的夹角（目前，要精确测量仍有技术上的困难）或通过内摩擦角换算（要已知 角）。因此，为方便计，目前常绘制,最大剪应力面上的应力路径,。,N2,一、应力路径的概念,5.5,应力路径,A,总应力路径,特征点坐标为,应力路径,有效应力路径,特征点坐标为,q,p,应力路径用箭头表示加载方向,保持,1,不变，,3,减小,的应力路径,保持,3,不变，,1,增大,的应力路径,45,o,45,o,5.5,应力路径,1,有效应力路径,强度包线,、,分别为以总应力和有效应力表示的极限应力圆顶点的连线，为总应力（有效应力）应力路径强度包线。,强度线与坐标横轴的交点代表一个点圆，而 线或 线为应力圆顶点连线，故 线或 线与强度线在坐标横轴上必交于一点。,得,或,5.5,应力路径,.,2,总应力路径,强度包线,得,同理：,或,1,固结排水剪（,CD,）试验,以正常固结土为例,(,如图,),，,三、三轴试验中的应力路径问题,.,2,固结不排水剪（,CU,）,试验,