1、第三节 抗剪强度得试验方法一、直接剪切试验适用范围：室内测定土的抗剪强度，是最常用和最简便的方法仪器：直剪仪直剪仪分类：分应变控制式和应力控制式两种应变控制式直剪仪的试验方法简介：通过杠杆对土样施加垂直压力 p 后，由推动座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 下进行剪切，求得相应的 f。绘制 f - 曲线。【讨论】直剪试验为何要取四个原状土样？破坏强度 f 的判定：较密实的粘土及密砂土的 -l 曲线具有明显峰值，如图中曲线 1，其峰值即为破坏强度 f；对软粘土和松砂，其 -l 曲线常不出现峰值，如图中曲线 2，此时可按以剪切位移
2、相对稳定值 b 点的剪应力作为抗剪强度 f。按排水条件分：快剪（不排水剪）固结快剪（固结不排水剪）慢剪（排水剪）1、快剪（不排水剪）这种试验方法要求在剪切过程中土的含水量不变，因此，无论加垂直压力或水平剪力，都必须迅速进行，不让孔隙水排出。适用范围：加荷速率快，排水条件差，如斜坡的稳定性、厚度很大的饱和粘土地基等。2、固结快剪（固结不排水剪）试样在垂直压力下排水固结稳定后，迅速施加水平剪力，以保持土样的含水量在剪切前后基本不变。试用范围：一般建筑物地基的稳定性，施工期间具有一定的固结作用。3、慢剪（排水剪）土样的上、下两面均为透水石，以利排水，土样在垂直压力作用下，待充分排水固结达稳定后，再缓
3、慢施加水平剪力，使剪力作用也充分排水固结，直至土样破坏。适用范围：加荷速率慢，排水条件好，施工期长，如透水性较好的低塑性土以及再软弱饱和土层上的高填方分层控制填筑等等。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， 。【讨论】直剪仪的不足：剪切破坏面固定为上下盒之间的水平面不符合实际情况，也即剪切面不一定是试样抗剪能力最弱的面；试验中不能严格控制排水条件，不能量测土样的孔隙水压力的变化；由于上下盒的错动，剪切面上的剪应力分布不均匀，而且受剪切面面积愈来愈小。试验时上下盒之间的缝隙中易嵌入砂粒，使试验结果偏大。*以下为试验过程1、取样要求：用环刀取，环刀面
4、积不小于 30cm2，环刀高度不小于 2cm，同一土样至少切取 4 个试样。2、试验方法（1）快剪（q）：试样在垂直压力施加后立即进行快速剪切，试验全过程都不许有排水现象产生。（2）固结快剪（cq）：试样在垂直压力下经过一定程度的排水固结后，再进行快速剪切。（3）慢剪（s）：试样在垂直压力排水固结后慢慢的进行剪切，剪切过程中孔隙水可自由排出。试验结果：一般情况下，快剪所得的 值最小，慢剪所得的 值最大，固结快剪居中。3、指标计算直接剪切试验的结果用总应力法按库仑公式 ，计算抗剪强度指标。tgcf用同一土试样切取不少于四个试样进行不同垂直压力作用下的剪切试验后，用相同的比例尺在坐标纸上绘制抗剪强
5、度 与垂直压力 P 的相关直线，直线交 轴的截距即为土f f的内聚力 c，直线倾斜角即为土的内摩擦角 ，相关直线可用图解法或最小二乘法确定。4、残余抗剪强度（1）物理意义：土的剪应力剪应变关系可分为两种类型：一种是曲线平缓上升，没有中间峰值，如松砂；另一种剪应力剪应变曲线有明显的中间峰值，在超越峰值后，剪应变不断增大，但抗剪强度确下降，如密砂。在粘性土中，坚硬的、超压密的粘土的剪应力剪应变曲线常呈现较大峰值，正常压密土或软粘土则不出现峰值，或有很小的峰值。超过峰值后，当剪应变相当大时，抗剪强度不再变，此时稳定的最小抗剪强度，称为土的残余抗剪强度；而峰值剪应变则称为峰值强度。残余抗剪强度以下式表
6、达。 rrftgc式中： ：土的残余抗剪强度（Kpa）fr：残余内聚力（一般 0）KParcrc：残余内摩擦角（）r：垂直应压力（Kpa）在进行滑坡的稳定性计算或抗滑计算时，土的抗剪强度的取值，一般需要考虑土的残余抗剪强度。（2）试验方法一般采用排水反复直接剪切试验，剪切速率应低于 0.02mm/min，取土要求同上。二、三轴剪切试验1、三轴试验的基本原理三轴剪切试验的原理是在圆柱形试样上施加最大主应力（轴向压力） 和最小主应力1（周围压力） 。保护其中之一（一般是 ）不变，改变另一个主应力，使试样中的剪33应力逐渐增大，直至达到极限平衡而剪坏，由此求出土的抗剪强度。2、三轴试验方法（1）快剪
7、（不固结不排水剪）UU试样在完全不排水条件下施加周围压力后，快速增大轴向压力到试样破坏。控制方法：应变控制式。（2）固结快剪（固结不排水剪）CU试样先在周围压力下进行固结，然后在不排水条件下快速增大轴向压力到试样破坏。控制方法：应变控制式。（3）慢剪（固结排水剪）CD试样先在周围压力下进行固结，然后继续在排水条件下缓慢增大轴向压力到试样破坏。控制方法：应力控制式。适用范围：室内测定土的抗剪强度，是最常用和最简便的方法仪器： 三轴剪力仪三轴剪力仪分类：应变控制式和应力控制式两种三轴剪力仪组成：主要由压力室、加压系统和量测系统三大部分组成试验原理：先对土样施加周围压力，达到所需的 3；逐渐施加轴向
8、压力增量 ，直至试样剪破。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 ：，31 2450f按试样剪破时的 1 和 3 作极限应力圆，它必与强度包线相切；三轴试验至少需要 34 个土样，分别在不同的周围压力 3 作用下进行剪切，得到34 个不同的破坏应力圆，绘出各应力圆的公切线，由此求得抗剪强度指标 c 、 值。*三轴试验特点：优点：（1）试验中能严格控制试样排水条件及测定孔隙水压力的变化；（2）剪切面不固定；（3）应力状态比较明确（4）除抗剪强度外，尚能测定其它指标。缺点：（1）操作复杂；（2）所需试样较多；（3）主应力方向固定不变，而且是再令 的轴对称情况下进行的，与实
9、32际情况尚不能完全符合3、试样控制（1）取土要求：试样制备的数量一般不少于 4 件。（2）试样尺寸：试样直径（mm）截面积（cm 2） 允许最大粒径（mm）附注39.1 12 261.8 30 5101 80 10（1）允许个别超径颗粒存在，不应超过试件直径的 1/5；（2）对于有裂隙、软弱面或结构面的土样，宜用直径 61.8mm，或 101mm 的试样。 （3）试件高度与直径的比值应为 2.02.54、指标计算将同一土样在不同应力条件下所测得的不少于 4 次的三轴剪切试样结果，分别绘制应力圆，从这些应力园的包线即可求出抗剪强度指标。应力园 包线试验方法 分析方法圆心横坐标 半径 在纵轴上的
10、截距倾角不固结不排水剪 总应力法 )(213ff)(213ffCu u总应力法 1ff 1ff Ccu c固结不排水剪有效应力法 )(3ff )(3ff C 固结排水剪 有效应力法 ,0u21ff21ffdCd（注：脚注 f 表示剪切破坏时的主应力值。 ）3、三轴试验结果的整理和表达总应力法是用剪切面上的总应力来表示土的抗剪强度，即：+ctgf有效应力法是用剪切面上的有效应力来表示土的抗剪强度，即：或ctf ctgf 式中： ， 或 ， 分别为有效内摩擦角和有效内聚力。饱和土的抗剪强度与土受剪前在法向应力作用下的固结度有关。而土只有在有效应力作用下才能固结。有效应力逐渐增加的过程，就是土的抗剪
11、强度逐渐增加的过程。剪切面上的法向应力与有效应力之间有如下关系： u土的强度主要取决于有效应力大小，故抗剪强度的关系式中应反映有效应力 更为合适。即： ctguctgf )(总应力法与有效应力法的优缺点：1总应力法：优点：操作简单，运用方便。 （一般用直剪仪测定）缺点：不能反映地基土在实际固结情况下的抗剪强度。2有效应力法：优点：理论上比较严格，能较好的反映抗剪强度的实质，能检验土体处于不同固结情况下的稳定性。缺点：孔隙水压力的正确测定比较困难。例 1 进行土得三轴剪切试验，得到下表关系，求与这个土样有效应力相关得黏着力 ，内c摩擦角 。 （这个试验是按固结不排水试验进行的）固结压力（kg/c
12、m 2） 侧压力（kg/cm 2） 最大应力差（kg/cm 2）最大应力差时的孔隙水压力（kg/cm 2）1.0 1.0 0.571 0.4902.0 2.0 1.101 0.9453.0 3.0 1.938 1.282解：侧压力 1.0 Kg/cm 2 时3 0.5711.00.4901.081（kg/cm 2）1f1u 1.00.490.510 kg/cm 23f侧压力 2.0 Kg/cm 2 时3 1.1012.00.9452.156（kg/cm 2）1f1u 20.9451.055 kg/cm 23f侧压力 3.0 kg/cm 2 时3 1.93831.2823.656（kg/cm 2
13、）1f1u 3.01.2821.718 kg/cm 23f绘制莫尔应力图求得： （kg/cm 2）0c21例 2 在饱和状态正常固结粘土上进行固结不排水的三轴压缩试验，得到如下值，当侧压力2.0 kg/cm 2 时，破坏时的应力差 kg/cm2，孔隙水压力 ，35.312/.cmkguw滑移面的方向和水平面成 60。求这时滑移面上的法向应力 和剪应力 和 ，另外，nn试验中的最大剪应力及其方向怎样呢？解：根据在破坏时， 2.0 kg/cm 2，331 /5.0.cmkg 60求关于总应力的法向应力和剪应力 则： 2cos23131nkg/cm2875.0.50. nkg/cm216.2sin.
14、2si31有效应力如下： kg/cm257.0875. wnu另外，最大剪应力发生在和水平面成 45 的方向其大小为： kg/cm275.120.531max 三、无侧限抗压强度试验适用范围： 测定饱和软粘土的不排水强度仪器：应变控制式无侧限压缩仪试验原理：通过转轮对圆柱形试样施加垂直轴向压力，直至土样产生剪切破坏；作出一个极限应力圆， ， ；03uq1【讨论】对于饱和软粘土，其强度包线近似于一水平线；u=0 2fqc试验特点：仪器构造简单，操作方便；可代替三轴试验测定饱和软粘土的不排水强度。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 St 来反映
15、土的结构受挠动对强度的影响程度。utqS式中 qu原状土的无侧限抗压强度，kPa；qu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 14土的灵敏度愈高，其结构性愈强，受挠动后土的强度就降低愈多。四、十字板剪切试验适用范围：现场测定饱和粘性土的不排水强度和灵敏度仪器：十字板剪切仪试验特点：仪器结构简单、操作方便、挠动少等特点五、孔隙压力系数 A、B（略）六、抗剪强度试验方法与指标的选用首先根据工程问题的性质确定分析方法，进而决定采用总应力强度指标或有效应力强度指标，然后选择测试方法；由三轴固结不
16、排水试验确定的有效应力强度指标 c 和 宜用于分析地基的长期稳定性，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地基长期稳定分析等；对于饱和软粘土的短期稳定性问题，则宜采用不排水剪的强度指标 cu；一般工程问题多采用总应力分析法【工程经验】若建筑物施工速度较快，而地基土的透水性和排水条件不良时，可采用不排水剪和快剪强度指标；如果地基加荷速率较慢，地基土的透水性好（如低塑性的粘性土）以及排水条件又较佳时（如粘性土层中夹砂层） ，则采用排水剪或慢剪强度指标；如果介于以上两种情况之间，或建筑物竣工以后较久荷载又突然增加，则采用固结不排水剪或固结快剪强度指标。（1） 与有
17、效应力法或总应力法相对应，应分别采用土的有效应力强度指标或总应力强度指标。（2） 三轴试验中的不固结不排水剪和固结不排水剪这两种试验方法的排水条件是很明确的（3） 但工程情况不一定都是很确的，如加荷速度的快慢、土层的厚薄、荷 载大小以及加荷过程等都没有定量的界限值，因此在具体使用中常根据判断，这是应用土力学基本原理解决工程实际问题的基本方法。（4） 虽然直剪试验的设备简单，操作方便，使用方便，使用比较普遍。七、应力路径的概念应力路径是指在外力作用下土中某一点的应力变化过程在应力座标图中的轨迹。它是描述土体在外力作用下应力变化情况或过程的一种方法。最常用的应力路径表达方式有下列两种：1、 直角坐
18、标系统：常用于表示已剪破面上法向应力和剪应力变化的应力路径。2、 直角坐标系统：其中 ， 这是表示大小主应力路径和之qp231p231q半与大小主应力差之半的变化关系的应力路径。正常固结土的排水强度也即 或 随着前固结压力的增加而增大，它们之fuc间的关系通过原点的直线。通过坐标原点的的原因：一个从未受到过固结压力（ 为零）c的试样，它就会像液体泥浆一样，不具备强度。超固结土的不排水强度与剪前固结压力的关系是一条不通过坐标原点的曲线。在三轴压缩固结不排水剪试验中，正常固结土的应力路径。设试样首先在某一周围压力下固结稳定。随着附加向压力的增加，试样的总应力咯径将从这点开始，沿着 45 度角到上一
19、点破坏。由于正常固结土在受剪过程中产生孔隙水应力，有效应力路径将在总应力路径的左边。因极限总应力圆和极限有效应力圆具有同样大小，所以同高。对于超固结土的应力路径。 表示试样曾受过的先期固结压力。现在把一个试样的固结压力由 减小，cp cp而处在图中 A 点的位置。由于固结压力减小不多，这个试样就成为弱超固结试样。这时，如果逐渐增加附加轴向压力，因弱超固结试样在受剪过程中产生正孔隙水应力，志以有效应力路径始终在总应力路径的左边。若把另一个试样的固结压力由 减小，因固结压力减cp小很多，这个试样就成为强超固结试样。由于强超固结结试样在受剪过程中开始出现正孔隙水应力，后来逐转变为负值，所以有效应力路径开始在总应力路径的左边，后来逐渐移到右国。
