抗剪強(qiáng)度得試驗(yàn)方法

1、第三節(jié)抗剪強(qiáng)度得試驗(yàn)方法一、直接剪切試驗(yàn)適用范圍：室內(nèi)測(cè)定土的抗剪強(qiáng)度，是最常用和最簡(jiǎn)便的方法儀器：直剪儀直剪儀分類：分應(yīng)變控制式和應(yīng)力控制式兩種應(yīng)變控制式直剪儀的試驗(yàn)方法簡(jiǎn)介： 通過(guò)杠桿對(duì)土樣施加垂直壓力 p后，由推動(dòng)座勻速 推進(jìn)對(duì)下盒施加剪應(yīng)力，使試樣沿上下盒水平接觸面產(chǎn)生剪切變形， 直至剪破。通常取四個(gè) 試樣，分別在不同:下進(jìn)行剪切，求得相應(yīng)的 t f。繪制t f -:二曲線。剪切也移認(rèn)mlwir【討論】直剪試驗(yàn)為何要取四個(gè)原狀土樣?破壞強(qiáng)度t f的判定：較密實(shí)的粘土及密砂土的 t-i曲線具有明顯峰值， 如圖中曲線 1其峰值即為破壞強(qiáng) 度t f；對(duì)軟粘土和松砂，其 t - i曲線常不出現(xiàn)

2、峰值，如圖中曲線 2,此時(shí)可按以剪切位移 相對(duì)穩(wěn)定值b點(diǎn)的剪應(yīng)力作為抗剪強(qiáng)度 t f。按排水條件分：快剪（不排水剪）固結(jié)快剪（固結(jié)不排水剪）慢剪（排水剪）1快剪（不排水剪）這種試驗(yàn)方法要求在剪切過(guò)程中土的含水量不變，因此，無(wú)論加垂直壓力或水平剪力， 都必須迅速進(jìn)行，不讓孔隙水排出。適用范圍：加荷速率快，排水條件差，如斜坡的穩(wěn)定性、厚度很大的飽和粘土地基等。2、固結(jié)快剪（固結(jié)不排水剪）試樣在垂直壓力下排水固結(jié)穩(wěn)定后，迅速施加水平剪力，以保持土樣的含水量在剪切前后基本不變。試用范圍：一般建筑物地基的穩(wěn)定性，施工期間具有一定的固結(jié)作用。3、慢剪（排水剪）土樣的上、下兩面均為透水石， 以利排水，土樣在

3、垂直壓力作用下，待充分排水固結(jié)達(dá) 穩(wěn)定后，再緩慢施加水平剪力，使剪力作用也充分排水固結(jié)，直至土樣破壞。適用范圍：加荷速率慢，排水條件好，施工期長(zhǎng)，如透水性較好的低塑性土以及再軟弱 飽和土層上的高填方分層控制填筑等等。直剪儀特點(diǎn)：構(gòu)造簡(jiǎn)單，試樣的制備和安裝方便，且操作容易掌握，至今仍被工程單 位廣泛采用，?！居懻摗恐奔魞x的不足： 剪切破壞面固定為上下盒之間的水平面不符合實(shí)際情況，也即剪切面不一定是試樣 抗剪能力最弱的面； 試驗(yàn)中不能嚴(yán)格控制排水條件，不能量測(cè)土樣的孔隙水壓力的變化； 由于上下盒的錯(cuò)動(dòng)，剪切面上的剪應(yīng)力分布不均勻，而且受剪切面面積愈來(lái)愈小。 試驗(yàn)時(shí)上下盒之間的縫隙中易嵌入砂粒，使試

4、驗(yàn)結(jié)果偏大。*以下為試驗(yàn)過(guò)程1、 取樣要求：用環(huán)刀取，環(huán)刀面積不小于30cm2，環(huán)刀高度不小于 2 cm，同一土樣至少切 取4個(gè)試樣。2、試驗(yàn)方法（1）快剪（q）:試樣在垂直壓力施加后立即進(jìn)行快速剪切，試驗(yàn)全過(guò)程都不許有排水 現(xiàn)象產(chǎn)生。（2） 固結(jié)快剪（cq）：試樣在垂直壓力下經(jīng)過(guò)一定程度的排水固結(jié)后，再進(jìn)行快速剪切。（3）慢剪（s）:試樣在垂直壓力排水固結(jié)后慢慢的進(jìn)行剪切，剪切過(guò)程中孔隙水可自 由排出。試驗(yàn)結(jié)果：一般情況下，快剪所得的值最小，慢剪所得的 值最大，固結(jié)快剪居中。3、指標(biāo)計(jì)算直接剪切試驗(yàn)的結(jié)果用總應(yīng)力法按庫(kù)侖公式 f =c 二tg，計(jì)算抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。用相同的比用同一土試樣切取不少

5、于四個(gè)試樣進(jìn)行不同垂直壓力作用下的剪切試驗(yàn)后,例尺在坐標(biāo)紙上繪制抗剪強(qiáng)度f(wàn)與垂直壓力p的相關(guān)直線，直線交.f軸的截距即為土的內(nèi)聚力c,直線傾斜角即為土的內(nèi)摩擦角：，相關(guān)直線可用圖解法或最小二乘法確定。4、殘余抗剪強(qiáng)度（1）物理意義：土的剪應(yīng)力剪應(yīng)變關(guān)系可分為兩種類型：一種是曲線平緩上升，沒(méi)有中間峰值，如松砂；另一種剪應(yīng)力剪應(yīng)變曲線有明顯的中間峰值，在超越峰值后，剪應(yīng)變不斷增大，但抗剪強(qiáng)度確下降，如密砂。在粘性土中，堅(jiān)硬的、超壓密的粘土的剪應(yīng)力 剪應(yīng)變曲線常呈現(xiàn)較大峰值，正常壓密土或軟粘土則不出現(xiàn)峰值，或有很小的峰值。超過(guò)峰值后，當(dāng)剪應(yīng)變相當(dāng)大時(shí)，抗剪強(qiáng)度不再變，此時(shí)穩(wěn)定的最小抗剪強(qiáng)度，稱為土的

6、殘余抗剪強(qiáng)度；而峰值剪應(yīng)變則稱為峰值強(qiáng)度。殘余抗剪強(qiáng)度以下式表達(dá)。-fr = g * ；電'r式中：-fr :土的殘余抗剪強(qiáng)度（kpa）cr :殘余內(nèi)聚力（一般 cr疋0） kpa匚：殘余內(nèi)摩擦角（0）口 :垂直應(yīng)壓力（kpa）在進(jìn)行滑坡的穩(wěn)定性計(jì)算或抗滑計(jì)算時(shí)，土的抗剪強(qiáng)度的取值，一般需要考慮土的殘余抗剪強(qiáng)度。（2）試驗(yàn)方法一般采用排水反復(fù)直接剪切試驗(yàn)，剪切速率應(yīng)低于0.02mm/min，取土要求同上。二、三軸剪切試驗(yàn)1、三軸試驗(yàn)的基本原理三軸剪切試驗(yàn)的原理是在圓柱形試樣上施加最大主應(yīng)力（軸向壓力）和最小主應(yīng)力（周圍壓力）二3。保護(hù)其中之一（一般是 二3 ）不變，改變另一個(gè)主應(yīng)力，使

7、試樣中的剪應(yīng)力逐漸增大，直至達(dá)到極限平衡而剪壞，由此求出土的抗剪強(qiáng)度。2、三軸試驗(yàn)方法（1） 快剪（不固結(jié)不排水剪）uu試樣在完全不排水條件下施加周圍壓力后，快速增大軸向壓力到試樣破壞。 控制方法：應(yīng)變控制式。（2） 固結(jié)快剪（固結(jié)不排水剪）cu試樣先在周圍壓力下進(jìn)行固結(jié)，然后在不排水條件下快速增大軸向壓力到試樣破壞。 控制方法：應(yīng)變控制式。（3）慢剪（固結(jié)排水剪） cd試樣先在周圍壓力下進(jìn)行固結(jié)，然后繼續(xù)在排水條件下緩慢增大軸向壓力到試樣破壞。 控制方法：應(yīng)力控制式。適用范圍：室內(nèi)測(cè)定土的抗剪強(qiáng)度，是最常用和最簡(jiǎn)便的方法儀器：三軸剪力儀三軸剪力儀分類：應(yīng)變控制式和應(yīng)力控制式兩種三軸剪力儀組成

8、：主要由壓力室、加壓系統(tǒng)和量測(cè)系統(tǒng)三大部分組成試驗(yàn)原理：先對(duì)土樣施加周圍壓力，達(dá)到所需的c3 ；逐漸施加軸向壓力增量厶 g直至 試樣剪破。軸向?yàn)榇笾鲬?yīng)力方向，試樣剪破面方向與大主應(yīng)力作用平面的夾角為按試樣剪破時(shí)的 門(mén)和;3作極限應(yīng)力圓，它必與強(qiáng)度包線相切;三軸試驗(yàn)至少需要 34個(gè)土樣，分別在不同的周圍壓力 c3作用下進(jìn)行剪切，得到34 個(gè)不同的破壞應(yīng)力圓，繪出各應(yīng)力圓的公切線，由此求得抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c、值。*三軸試驗(yàn)特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：（1）試驗(yàn)中能嚴(yán)格控制試樣排水條件及測(cè)定孔隙水壓力的變化;（2）剪切面不固定；（3）應(yīng)力狀態(tài)比較明確（4）除抗剪強(qiáng)度外，尚能測(cè)定其它指標(biāo)。缺點(diǎn)：（1）操作復(fù)雜；（2 ）所

9、需試樣較多；（3）主應(yīng)力方向固定不變，而且是再令-2 = 3'的軸對(duì)稱情況下進(jìn)行的，與實(shí)際情況尚不能完全符合3、試樣控制（1）取土要求：試樣制備的數(shù)量一般不少于4件。（2）試樣尺寸:試樣直徑（mm）截面積（cm2）允許最大粒徑（mm）附注39.1122（1）允許個(gè)別超徑顆粒存在，不應(yīng)超過(guò)試件直徑的1/5；（2）對(duì)于有裂隙、軟弱面或結(jié)構(gòu)面的土樣，宜用直徑61.8mm，或 101mm 的試樣。（3）試件高度與直徑的比值應(yīng)為2.02.561.830510180104、指標(biāo)計(jì)算將同一土樣在不同應(yīng)力條件下所測(cè)得的不少于4次的三軸剪切試樣結(jié)果，分別繪制應(yīng)力圓，從這些應(yīng)力園的包線即可求出抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

10、。試驗(yàn)方法分析方法應(yīng)力園包線圓心橫坐標(biāo)半徑在縱軸上的 截距傾角不固結(jié)不排水剪總應(yīng)力法1一（仃+貯3門(mén)21(°"仃一0 )2cuu固結(jié)不排水剪總應(yīng)力法121二 9 1f 。3f )2ccuqcu有效應(yīng)力法11f ' + 3f')21-1f 3f ')2c'半'固結(jié)排水剪有效應(yīng)力法u =0嚴(yán)1-1ci3f)21-13f )2cd（注：腳注f表示剪切破壞時(shí)的主應(yīng)力值。）3、三軸試驗(yàn)結(jié)果的整理和表達(dá)總應(yīng)力法是用剪切面上的總應(yīng)力來(lái)表示土的抗剪強(qiáng)度，即：f 二 丁 tg +c有效應(yīng)力法是用剪切面上的有效應(yīng)力來(lái)表示土的抗剪強(qiáng)度，即:f _ ；. t

11、g c 或 f _ ； tg c式中：,c或廠，c分別為有效內(nèi)摩擦角和有效內(nèi)聚力。飽和土的抗剪強(qiáng)度與土受剪前在法向應(yīng)力作用下的固結(jié)度有關(guān)。而土只有在有效應(yīng)力作用下才能固結(jié)。有效應(yīng)力逐漸增加的過(guò)程，就是土的抗剪強(qiáng)度逐漸增加的過(guò)程。剪切面上的法向應(yīng)力與有效應(yīng)力之間有如下關(guān)系：- ;- u土的強(qiáng)度主要取決于有效應(yīng)力大小，故抗剪強(qiáng)度的關(guān)系式中應(yīng)反映有效應(yīng)力二更為合適。即：f - ； - tg c 二（；- u） tg c總應(yīng)力法與有效應(yīng)力法的優(yōu)缺點(diǎn)：1總應(yīng)力法：優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)單，運(yùn)用方便。（一般用直剪儀測(cè)定）缺點(diǎn)：不能反映地基土在實(shí)際固結(jié)情況下的抗剪強(qiáng)度。2有效應(yīng)力法：優(yōu)點(diǎn)：理論上比較嚴(yán)格，能較好的反映

12、抗剪強(qiáng)度的實(shí)質(zhì)，能檢驗(yàn)土體處于不同固結(jié)情況下的穩(wěn)定性。缺點(diǎn)：孔隙水壓力的正確測(cè)定比較困難。例1進(jìn)行土得三軸剪切試驗(yàn)，得到下表關(guān)系，求與這個(gè)土樣有效應(yīng)力相關(guān)得黏著力c'，內(nèi)摩擦角"。（這個(gè)試驗(yàn)是按固結(jié)不排水試驗(yàn)進(jìn)行的）固結(jié)壓力（kg/cm2）側(cè)壓力（kg/cm2）最大應(yīng)力差（kg/cm2）最大應(yīng)力差時(shí)的孔隙水壓力（kg/cm2）1.01.00.5710.4902.02.01.1010.9453.03.01.9381.282解：側(cè)壓力 匚3 = 1.0 kg/cm 2時(shí)2二仃'=二 1 ui = 0.571 + 1.0- 0.490= 1.081 ( kg/cm )23f

13、' = ；- 3 'u = 1.0 0.49 = 0.510 kg/cm側(cè)壓力匚3 = 2.0 kg/cm2時(shí)2-1f ' = - 1= 1.101 + 2.0 0.945= 2.156 ( kg/cm )2；“3f' = “- 3 'u = 2 0.945 = 1.055 kg/cm側(cè)壓力匚3 = 3.0 kg/cm2時(shí)2”1f ' = ”_= u<| = 1.938+ 3 1.282= 3.656 ( kg/cm )2-3f = ；3u = 3.01.282 = 1.718 kg/cm繪制莫爾應(yīng)力圖求得：c'= 0 (kg/cm

14、2)' = 210例2在飽和狀態(tài)正常固結(jié)粘土上進(jìn)行固結(jié)不排水的三軸壓縮試驗(yàn)，得到如下值，當(dāng)側(cè)壓力二3 = 2.0 kg/cm2時(shí)，破壞時(shí)的應(yīng)力差一：兀=3.5 kg/cm2,孔隙水壓力u 2.2kg/cm2，滑移面的方向和水平面成60o。求這時(shí)滑移面上的法向應(yīng)力匚n和剪應(yīng)力.和二n'，另外，試驗(yàn)中的最大剪應(yīng)力及其方向怎樣呢？解：根據(jù)在破壞時(shí)，二3 = 2.0 kg/cm2,2g；3 =3.5 2.0 =5.5kg/cm-60求關(guān)于總應(yīng)力的法向應(yīng)力和剪應(yīng)力貝v：；二 n- cos2:2 25.5+2.0 丄 5.52.02ncos120 二 2.875 kg/cm2 26 &qu

15、ot;35.52.0©213sin2sin120 =1.516 kg/cm22 2有效應(yīng)力如下：二n'二二nuw = 2.875-2.2 = 0.675 kg/cm2另外，最大剪應(yīng)力發(fā)生在和水平面成45o的方向1 - 35.5 - 2.02其大小為： max 21.75 kg/cm三、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)適用范圍：測(cè)定飽和軟粘土的不排水強(qiáng)度儀器：應(yīng)變控制式無(wú)側(cè)限壓縮儀 試驗(yàn)原理：通過(guò)轉(zhuǎn)輪對(duì)圓柱形試樣施加垂直軸向壓力，直至土樣產(chǎn)生剪切破壞；作出一個(gè)極限應(yīng)力圓，匚3 =°，匚1二qu ；【討論】對(duì)于飽和軟粘土，其強(qiáng)度包線近似于一水平線；u=0qu-f =5 = 2試驗(yàn)特點(diǎn)

16、：儀器構(gòu)造簡(jiǎn)單，操作方便；可代替三軸試驗(yàn)測(cè)定飽和軟粘土的不排水強(qiáng)度。工程飽和粘性土的強(qiáng)度與土的結(jié)構(gòu)有關(guān)，當(dāng)土的結(jié)構(gòu)遭受破壞時(shí)，其強(qiáng)度會(huì)迅速降低,上常用靈敏度st來(lái)反映土的結(jié)構(gòu)受撓動(dòng)對(duì)強(qiáng)度的影響程度。st半qu'式中 qu原狀土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，kpa;qu *重塑土 （指在含水量和密度不變的條件下，使土的天然結(jié)構(gòu)徹底破壞再重新制備的土）的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，kpa。根據(jù)靈敏度可將飽和粘性土分為三類：低靈敏度土1<st< 2中靈敏度土 2< st < 4咼靈敏度土s>4土的靈敏度愈高，其結(jié)構(gòu)性愈強(qiáng)，受撓動(dòng)后土的強(qiáng)度就降低愈多。四、十字板剪切試驗(yàn)適用范圍：現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定

17、飽和粘性土的不排水強(qiáng)度和靈敏度儀器：十字板剪切儀試驗(yàn)特點(diǎn)：儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、撓動(dòng)少等特點(diǎn)五、孔隙壓力系數(shù) a b （略）六、抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)方法與指標(biāo)的選用首先根據(jù)工程問(wèn)題的性質(zhì)確定分析方法，進(jìn)而決定采用總應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)或有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)，然后選擇測(cè)試方法；由三軸固結(jié)不排水試驗(yàn)確定的有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)c 和：宜用于分析地基的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，例如土坡的長(zhǎng)期穩(wěn)定性分析， 估計(jì)擋土結(jié)構(gòu)物的長(zhǎng)期土壓力， 位于軟土地基上結(jié)構(gòu)物地 基長(zhǎng)期穩(wěn)定分析等；對(duì)于飽和軟粘土的短期穩(wěn)定性問(wèn)題，則宜采用不排水剪的強(qiáng)度指標(biāo)cu；一般工程問(wèn)題多采用總應(yīng)力分析法【工程經(jīng)驗(yàn)】若建筑物施工速度較快， 而地基土的透水性和排水條件不良時(shí)，

18、可采用不排水剪和快剪強(qiáng)度指標(biāo)；如果地基加荷速率較慢，地基土的透水性好（如低塑性的粘性土） 以及排水條件又較佳 時(shí)（如粘性土層中夾砂層），則采用排水剪或慢剪強(qiáng)度指標(biāo)；如果介于以上兩種情況之間，或建筑物竣工以后較久荷載又突然增加，則采用固結(jié)不排水剪或固結(jié)快剪強(qiáng)度指標(biāo)。（1）與有效應(yīng)力法或總應(yīng)力法相對(duì)應(yīng)，應(yīng)分別采用土的有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)或總應(yīng) 力強(qiáng)度指標(biāo)。（2）三軸試驗(yàn)中的不固結(jié)不排水剪和固結(jié)不排水剪這兩種試驗(yàn)方法的排水條件是很明確的（3）但工程情況不一定都是很確的，如加荷速度的快慢、土層的厚薄、荷載大小以及加荷過(guò)程等都沒(méi)有定量的界限值，因此在具體使用中常根據(jù)判斷，這 是應(yīng)用土力學(xué)基本原理解決工程實(shí)際問(wèn)題的基本方法。（4）雖然直剪試驗(yàn)的設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，使用方便，使用比較普遍。七、應(yīng)力路徑的概念應(yīng)力路徑是指在外力作用下土中某一點(diǎn)的應(yīng)力變化過(guò)程在應(yīng)力座標(biāo)圖中的軌跡。它是 描述土體在外力作用下應(yīng)力變化情況或過(guò)程的一種方法。最常用的應(yīng)力路徑表達(dá)方式有下列兩種：1、二- 直角坐標(biāo)系統(tǒng)：常用于表示已