地基與基礎(chǔ)工程學(xué)習(xí)項目二地基土的工程特性與承載力04地基土抗剪強(qiáng)度的測定一、土的抗剪強(qiáng)度的基本概念土體在荷載作用下，不僅會產(chǎn)生壓縮變形，而且可能出現(xiàn)剪切變形。

剪切變形的特征是土體中的一部分相對于另一部分沿著某一滑裂面產(chǎn)生相對位移。由于剪切變形導(dǎo)致土體發(fā)生破壞的現(xiàn)象，叫做土體喪失穩(wěn)定性。1.土坡穩(wěn)定性問題2.土壓力問題3.地基承載力問題一、土的抗剪強(qiáng)度的基本概念工程案例近代世界上最嚴(yán)重的建筑物破壞之一1940年水泥倉庫裝載水泥，使粘性土超載，引起地基土剪切破壞而滑動。傾斜45度，地基土被擠出達(dá)5.18米，23米外的辦公樓也發(fā)生傾斜。美國紐約某水泥倉庫工程案例工程案例浙江蕭甬鐵路路基下沉原因：路基處于軟土地基、地方磚瓦廠超量取土、抽水是引起本次坡體側(cè)牽引滑坡的主要原因。一、土的抗剪強(qiáng)度的基本概念

土的抗剪強(qiáng)度是土體抵抗剪切破壞的極限能力，它的大小等于土中一部分相對另一部分產(chǎn)生相對滑移時，存在于滑裂面上的最大剪應(yīng)力值。

土中剪應(yīng)力達(dá)到該值時的應(yīng)力狀態(tài)，稱為極限平衡狀態(tài)。

土的抗剪強(qiáng)度試驗方法分室內(nèi)試驗和現(xiàn)場原位試驗兩類。

室內(nèi)最常用的是直接剪切試驗、三軸剪切試驗和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗等?，F(xiàn)場原位試驗有十字板剪切試驗、大型直接剪切試驗等。

二、土的抗剪強(qiáng)度理論

1.庫侖定律

庫侖通過研究提出：當(dāng)土體發(fā)生剪切破壞時，其內(nèi)部將沿著某一曲面(滑動面)產(chǎn)生相對滑動，此時作用于該面上的剪應(yīng)力就等于土的抗剪強(qiáng)度。土的抗剪強(qiáng)度是剪切面上的法向總應(yīng)力

的線性函數(shù)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c:土的粘聚力

:土的內(nèi)摩擦角土的抗剪強(qiáng)度一般可分為兩部分：一部分與顆粒間的法向應(yīng)力有關(guān)，通常呈正比例關(guān)系，其本質(zhì)是摩擦力；另一部分是與法向應(yīng)力無關(guān)的土粒之間的粘結(jié)力，通常稱為粘聚力。二、土的抗剪強(qiáng)度理論二、土的抗剪強(qiáng)度理論

2.土的抗剪強(qiáng)度的構(gòu)成因素一般土的抗剪強(qiáng)度由內(nèi)摩阻

和黏聚力c兩部分構(gòu)成。抗剪強(qiáng)度中的內(nèi)摩阻力包括土粒之間的表面摩擦力和土粒間相互嵌擠鎖結(jié)而產(chǎn)生的咬合力。黏聚力c包括原始黏聚力、固化黏聚力及毛細(xì)黏聚力。黏性土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的變化范圍很大，與土的種類、土的天然結(jié)構(gòu)是否被破壞，試樣在法向壓力下的排水固結(jié)，試驗方法等因素有關(guān)。

二、土的抗剪強(qiáng)度理論

3.莫爾-庫侖強(qiáng)度理論

法國學(xué)者莫爾提出了材料的破壞是剪切破壞，并指出破壞面上的剪應(yīng)力是作用于該面上法向應(yīng)力的函數(shù)，即

用庫侖公式表示莫爾包線的土體強(qiáng)度理論稱為莫爾-庫侖強(qiáng)度理論。莫爾包線

f=c+tan

3

3

1

1

3

1

斜面上的應(yīng)力二、土的抗剪強(qiáng)度理論1)土體中任意一點的應(yīng)力狀態(tài)

根據(jù)材料力學(xué)，設(shè)某土體單元上作用的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力分別σ1和σ3，則在土體內(nèi)與最大主應(yīng)力σ1作用平面成任意角α的平面a-a上的正應(yīng)力σ和剪應(yīng)力τ二、土的抗剪強(qiáng)度理論土體內(nèi)與最大主應(yīng)力σ1作用平面成任意角α的平面a-a上的正應(yīng)力σ和剪應(yīng)力τ,可用σ-τ坐標(biāo)系中直徑為(σ1-σ3)的莫爾應(yīng)力圓上的一點(逆時針旋轉(zhuǎn)2a，如圖的A點)的坐標(biāo)來表示

二、土的抗剪強(qiáng)度理論2）土的極限平衡狀態(tài)當(dāng)土體中某點可能發(fā)生剪切破壞面的位置已經(jīng)確定時，只要計算出作用于該面上的法向應(yīng)力及剪應(yīng)力，就可以與由庫侖定律確定的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行對比來判斷該點是否會發(fā)生剪切破壞，主要有以下三種情況：（1）當(dāng)時，表示該點處于彈性平衡狀態(tài)，不發(fā)生剪切破壞。（2）當(dāng)時，表示該點處于極限平衡狀態(tài)，即將發(fā)生剪切破壞。（3）當(dāng)時，表示該點已經(jīng)剪切破壞。應(yīng)力圓與強(qiáng)度線相離：

強(qiáng)度線應(yīng)力圓與強(qiáng)度線相切：應(yīng)力圓與強(qiáng)度線相割：τ<τf

彈性平衡狀態(tài)

τ=τf

極限平衡狀態(tài)

τ>τf

破壞狀態(tài)二、土的抗剪強(qiáng)度理論

3

1c

f2

fA

cctg1/2(1+3)無粘性土：c=0粘性土：二、土的抗剪強(qiáng)度理論3）土的極限平衡條件二、土的抗剪強(qiáng)度理論

土體處于極限平衡狀態(tài)時，破壞面與大主應(yīng)力作用面的夾角為

f

f2

f

3

1c

A

cctg1/2(1+3)說明：剪破面并不產(chǎn)生于最大剪應(yīng)力面，而與最大剪應(yīng)力面成

/2的夾角。因此，土的剪切破壞并不是由最大剪應(yīng)力τmax所控制。

max二、土的抗剪強(qiáng)度理論直接剪切試驗三軸壓縮試驗無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗現(xiàn)場十字板剪切試驗抗剪強(qiáng)度測定方法三、直接剪切試驗測定土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)最簡單的方法是直接剪切試驗。適用于測定細(xì)粒土和砂類土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。

試驗所使用的儀器稱為直剪儀，按加荷方式的不同，分為應(yīng)變式和應(yīng)力式兩類。應(yīng)變式直剪儀三、直接剪切試驗1.直剪試驗方法試驗前先用插銷將上下剪切盒位置固定，用環(huán)刀切取原狀土樣，將土樣推入剪切盒內(nèi)后。試驗時，拔去插銷，由杠桿系統(tǒng)通過傳壓活塞和透水石對試樣施加某一法向應(yīng)力，然后等速轉(zhuǎn)動手輪對下盒施加水平推力，使試樣在沿上下盒之間的水平面上受剪直至破壞，剪應(yīng)力的大小可借助與上盒接觸的量力環(huán)確定。三、直接剪切試驗三、直接剪切試驗三、直接剪切試驗剪切過程中，每隔一定的時間間隔測記相應(yīng)的剪切變形，求出施加于試樣截面的剪應(yīng)力值。根據(jù)結(jié)果繪制出一定法向應(yīng)力下的土樣剪切位移與剪應(yīng)力的對應(yīng)關(guān)系曲線。三、直接剪切試驗對同一種土取4～5個試樣，分別在不同的法向應(yīng)力下剪切破壞，如圖所示，以法向應(yīng)力為橫坐標(biāo)，抗剪強(qiáng)度為縱坐標(biāo)，根據(jù)所得的試驗數(shù)據(jù)，可在圖上點出4～5點，然后通過點群重心可繪出一條直線，稱為抗剪強(qiáng)度線。三、直接剪切試驗2.直剪試驗方法分類為了考慮土體固結(jié)程度和排水條件對抗剪強(qiáng)度的影響，根據(jù)加荷速率的快慢將直剪試驗分為快剪、固結(jié)快剪和慢剪三種。快剪---適用于地基土排水不良，工程施工進(jìn)度快固結(jié)快剪---適用于施工期間允許土體排水固結(jié)，但完工后可能又突然增加的荷載慢剪---適用于地基土排水條件良好，短時間內(nèi)固結(jié)，工程施工進(jìn)度較慢且使用中無突然增加的荷載三、直接剪切試驗直剪試驗優(yōu)缺點優(yōu)點：儀器構(gòu)造簡單，試樣的制備和安裝方便，易于操作。缺點：①剪切破壞面固定，且不一定是土樣的最薄弱面。②不能嚴(yán)格控制排水條件，不能量測土樣的孔隙水壓力。③剪切過程中試樣剪切面積逐漸減小，剪切面上的剪應(yīng)力分布不均勻。三、直接剪切試驗四、三軸剪切試驗

1.試驗基本原理

三軸剪切儀有軸壓系統(tǒng)(三軸剪切儀的主機(jī)臺，用以對試樣施加軸向附加壓力，并可控制軸向應(yīng)變的速率)；側(cè)壓系統(tǒng)(對土樣施加周圍壓力)；孔隙水壓力量測系統(tǒng)(用以測量土樣孔隙水壓力及其在試驗過程中的變化)。四、三軸剪切試驗試驗時，先打開周圍壓力閥，向壓力室內(nèi)壓入液體，使土樣在三個軸向受到相同的周圍壓力，此時土樣中不受剪力作用。

然后由軸向系統(tǒng)通過活塞對土樣施加豎向壓力△，此時試樣中將產(chǎn)生剪應(yīng)力。在周圍壓力不變的情況下，不斷增大△直至土樣剪壞。這時作用于土樣的軸向應(yīng)力為最大主應(yīng)力，，周圍壓力為最小主應(yīng)力。用和可繪得土樣破壞時的一個極限平衡條件下的莫爾應(yīng)力圓。

試驗步驟:

3

3

3

3

3

3△△2.施加周圍壓力3.施加豎向壓力1.裝樣四、三軸剪切試驗

分別在不同的周圍壓力

3作用下進(jìn)行剪切，得到3-4個不同的破壞應(yīng)力圓，繪出各應(yīng)力圓的公切線即為土的抗剪強(qiáng)度包線。

抗剪強(qiáng)度包線

c

四、三軸剪切試驗四、三軸剪切試驗

2.三軸剪切試驗方法三軸剪力儀由于土樣和壓力室均可分別形成各自的封閉系統(tǒng)(通過相關(guān)的管路和閥門)，因此，它可控制試驗時土中的排水條件。根據(jù)土樣固結(jié)排水的不同條件，三軸剪切試驗可分為下列三種基本方法：

不固結(jié)不排水剪(UU試驗)

固結(jié)不排水剪(CU試驗)

固結(jié)排水剪(CD試驗)1.不固結(jié)不排水剪（UU）三軸試驗：施加周圍壓力

3、軸向壓力△

直至剪破的整個過程都關(guān)閉排水閥門，不允許試樣排水固結(jié)。

3

3

3

3

3

3△△直剪試驗：通過試驗加荷的快慢來實現(xiàn)是否排水。使試樣在3～5min內(nèi)剪破，稱之為快剪。關(guān)閉排水閥四、三軸剪切試驗

2.固結(jié)不排水剪（CU）三軸試驗：施加周圍壓力

3時打開排水閥門，試樣完全排水固結(jié)，孔隙水壓力完全消散。然后關(guān)閉排水閥門，再施加軸向壓力增量△

，使試樣在不排水條件下剪切破壞。

3

3

3

3

3

3△△直剪試驗：剪切前試樣在垂直荷載下充分固結(jié)，剪切時速率較快，使土樣在剪切過程中不排水，這種剪切方法為稱固結(jié)快剪。打開排水閥關(guān)閉排水閥四、三軸剪切試驗3.固結(jié)排水剪（CD）三軸試驗：試樣在圍壓

3作用下排水固結(jié)，再緩慢施加軸向壓力增量△

，直至剪破，整個試驗過程中打開排水閥門，始終保持試樣的孔隙水壓力為零。

3

3

3

3

3

3△△直剪試驗：試樣在垂直壓力下固結(jié)穩(wěn)定，再以緩慢的速率施加水平剪力，直至剪破，整個試驗過程中盡量使土樣排水，試驗方法稱為慢剪。打開排水閥四、三軸剪切試驗四、三軸剪切試驗三軸剪切試驗的主要優(yōu)點是：（1）可以控制土樣的排水固結(jié)條件；（2）能測量試樣兩端的孔隙水壓力，從而算得有效應(yīng)力；（3）試樣的應(yīng)力條件比較明確，有利于理論分析。

此外，土樣剪壞時，對較硬黏土還可觀測到傾斜的剪裂面，五、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗實際上是三軸剪切試驗的一種特例試驗時，在不加任何側(cè)向壓力的情況下對圓柱體試樣施加軸向壓力，直至試樣剪切破壞。試樣破壞時的軸向壓力以表示，稱為無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。五、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗五、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗利用無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗可以測定飽和黏性土的靈敏度。土的靈敏度是以原