土的抗剪强度试验与指标.ppt

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1、土的抗剪强度试验与试验指标,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,一、室内 试验二、野外 试验,抗剪强度试验,直剪试验、三轴试验等 制样（重塑土）或现场取样 缺点：扰动 优点：应力条件清楚，易重复,十字板扭剪试验 旁压试验 原位试验 缺点：应力条件不易掌握 优点：原状土的原位强度,强度指标：,峰值强度指标与残余强度指标,抗剪强度指标,粘聚力 c内摩擦角,工程应用,三种分类方法,总应力强度指标与有效应力强度指标,直剪强度指标与三轴试验强度指标,目的,分析方法,试验方法,应力应变状态,直接剪切仪分为应变控制式和应力控制式两种，前者是等速推动试样产生位移测定相应的

2、剪应力，后者则是对试件分级施加水平剪应力测定相应的位移，目前我国普遍采用的是应变控制式直剪仪。,一、直剪试验,土样,A,1、试验原理与资料处理,f,f=ctg,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，以保证无超静孔压水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（不排水剪）施加正应力后立即剪切3-5分钟内剪切破坏,2、试验分类,6转/分钟慢剪12转/分钟快剪,试验过程中的应力变化,在加剪应力以前，试件处于侧限状态，23 k 1,加剪应力后，主应力的方向产生偏转，剪应力愈大，偏转角也愈大，所以试验过程中主应力的方向

3、是不断交化的。,在试验资料的分析中，假定试件中的剪应力均匀分布，但事实上并非如此。当试件被剪破时，靠近剪力盒边缘的应变最大，而试件的中间部分的应变相对要小得多，剪切面附近的应变又大于试件顶部和底部的应变。所以，在剪切过程中，特别是在剪切破坏时，试件内的应力和应变，既非均匀又难确定。,直接剪切仪具构造简单，操作方便等优点，但它存在若干缺点，主要有：剪切面限定在上下盒之间的平面，而不是沿土样最薄弱的面剪切破坏；剪切面上剪应力分布不均匀，土样剪切破坏时先从边缘开始，在边缘发生应力集中现象；在剪切过程中，土样剪切面逐渐缩小，而在计算抗剪强度时却是按土样的原截面积计算；试验时不能严格控制排水条件，不能量

4、测孔隙水压力、在进行不排水剪切时，试件仍有可能排水，特别对于饱和粘性土。由于土的抗剪强度受排水条件的影响显著，故试验结果不够理想。但由于它具有的优点，故仍为一般工程广泛采用。,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 不能精确控制排水条件 剪切面固定,缺点,3.试验优缺点,类似试验：环剪试验单剪试验,f,O,f,f=ctg,4、讨论,抗剪强度指标：一般情况下，粉细砂：粘性土：,4、讨论：,=100KPa,S,=200KPa,=300KPa,f,O,试验停止的标准：,压力室,压力水,排水管,阀门,轴向加压杆,有机玻璃罩,橡皮膜,透水石,顶帽,二、三轴试验,

5、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。,1、试样应力特点与试验方法：,特点：试样是轴对称应力状态。垂直应力z一般是大主应力；径向与切向应力总是相等r=，亦即1=z；2=3=r,强度包线,(1-)f,c,(1-)f,1,1-3,1=15%,施加围压：100kPa、200kPa、300kPa、400kPa的三轴试验，得到破坏时相应的（1-)f,2、强度包线,绘制破坏状态的应力摩尔圆，画出它们的公切线强度包线，得到强度指标 c 与,3、试验类型,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，

6、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,cd、d,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,cu、u,ccu、cu,1=1,d=,=,f=f,(1)试验条件,总应力指标与有效应力指标一致:,cd=c,破坏面位置：,1)固结排水试验,施加围压充分固结施加(1-)时，排水阀门始终打开，速度慢足以使孔压消散始终u=0，=-u=,v,轴向应力渐进增加，体应变是体缩，

7、最终二者均趋于稳定,(2)松砂与正常固结粘土试验曲线与强度包线,=,f=f,思考题：正常固结粘土包线为什么过原点？,1)固结排水试验,实验室的正常固结粘土：有效固结压力0 等于先期固结压力p。,地基中的正常固结粘土：z z p取回室内,如 c z，不再是正常固结土。,f,“正常固结粘土”,(2)松砂与正常固结粘土试验曲线与强度包线,1)固结排水试验,抗剪强度指标有时失去其物理意义，而变成计算参数的含义,z,固结压力为0的正常固结粘土:当正常固结粘土试样的固结压力为0时，亦即其历史上的最大固结压力是0处于泥浆状态，抗剪强度为0。,c=0是否意味着正常固结粘土无粘聚力?粘聚力随增加而增加,v,v表

8、示体缩v0表示体胀(剪胀),应力应变关系软化，体应变剪胀,峰值强度,残余强度,(3)密砂试验曲线与强度包线,峰值强度,残余强度,f,密砂强度包线,密砂应力应变关系曲线,1)固结排水试验,v表示体缩v0表示体胀(剪胀),超固结粘土强度包线,超固结粘土应力应变关系曲线,(4)超固结土试验曲线与强度包线,1)固结排水试验,应力应变关系软化，体应变剪胀,c0,e,p,强度包线,f,p,土的压缩曲线,(5)超固结粘土+正常固结粘土强度包线,p，正常固结粘土；p，超固结粘土,1）固结排水试验,小结,松砂与正常固结粘土试验曲线与强度包线：应变硬化与体积收缩，cd=0；密砂试验曲线与强度包线：应变软化与剪胀性

9、，cd=0；超固结粘土试验曲线与强度包线：应变软化与剪胀性，cd与d;超固结粘土+正常固结粘土的强度包线:折线 c0 的直线近似,1)固结排水试验,2)固结不排水试验,强度指标：ccu，cu；c，(1)试验条件(2)正常固结粘土固结不排水试验曲线与强度包线(3)超固结粘土固结不排水试验曲线与强度包线(4)固结不排水三轴试验确定的强度指标,(1)试验条件施加围压充分固结施加(1-)时，阀门关闭，可连接孔压传感器，量测剪切过程中产生的超静孔隙水压力 uu0，=-u,量测孔隙水压力,2)固结不排水试验,剪切过程中的超静孔隙水压力u对于饱和土试样：孔压系数B=1.0 u=BA(=A(对于剪切过程中无体

10、积变化：A=1/3剪切过程中发生剪缩：A1/3剪切过程中发生剪胀：A1/3(甚至可能A0，u 0）,u,轴向应力和孔压渐进增加并趋于稳定，孔压 u 0,(2)正常固结粘土固结不排水试验曲线与强度包线,f,f,cu,2)固结不排水试验,u,应力应变关系软化，孔压可能小于0与超固结度有关,f,(3)超固结粘土固结不排水试验曲线与强度包线,f,cu,u0,u0,2)固结不排水试验,(4)固结不排水三轴试验确定的强度指标,2)固结不排水试验,应力变量,试验量测,u,计算,=u=,确定的强度指标,ccu cu,c,固结不排水试验小结,剪切过程中的超静孔隙水压力u正常固结粘土的应力应变关系曲线:硬化正常固

11、结粘土的有效应力与总应力的强度包线:cu 超固结粘土的应力应变关系曲线:软化超固结粘土的固结不排水强度指标:c ccu,cu固结不排水三轴试验确定的强度指标:ccu,cu;c,2)固结不排水试验,3)不固结不排水试验,强度指标：cuu(cu)，uu(u)(1)试验条件(2)粘土的孔隙比有效应力抗剪强度唯一性关系(3)饱和试样的不排水强度指标cu(4)不排水试验与固结不排水试验(5)无侧限压缩试验：3=0的不排水试验(6)不饱和试样的不排水强度,(1)试验条件:从某一初始状态开始，关闭阀门施加围压，产生孔隙水压力 u1=B施加（1-）时，阀门关闭，可连接孔压传感器，量测剪切过程中产生的超静孔隙水

12、压力u2=BA(),3)不固结不排水试验,(2)粘土的孔隙比有效应力抗剪强度唯一性关系,强度的影响因素:,土的组成,土的状态,土的结构,应力状态,ef pf-qf 唯一性关系,ef f-f 唯一性关系,(p),(q),Kf线,f线,唯一的ef,应力历史,同一种正常固结粘土,土的状态(,e),应力状态,应力历史相同时也满足唯一性关系,研究表明,超固结粘土:,3)不固结不排水试验,u=0,cu,并且有效应力摩尔圆是唯一的,思考题：可否由不排水试验确定有效应力强度指标？,(3)饱和试样的不排水强度指标,cu,u=B+A()B=1,3)不固结不排水试验,cu,p1,cu1,p2,cu2,p3,cu3,

13、(4)不排水试验与固结不排水试验,正常固结粘土层,固结不排水试验强度包线上的每一点对应于一个具有相同先期固结压力的不排水强度指标,3)不固结不排水试验,cu=qu/2,cu,qu=,(5)无侧限压缩试验：3=0的不排水试验,3)不固结不排水试验,(6)不饱和试样的不排水强度,不饱和区,饱和区,3)不固结不排水试验,(),c,c,f,f,超固结粘土的总应力与有效应力强度包线(CU),u(-),u(+),总应力,有效应力,3)不固结不排水试验,1,(),p(p),q,u,Kf,Kf,f,f,u,u,松砂及正常固结粘土(CU),思考题1：实际破裂面的方向？思考题2：如果破坏时孔隙水压力u(负孔压)，

14、有效应力摩尔圆在总应力摩尔圆哪边？,3)不固结不排水试验,不固结不排水试验小结,饱和试样的不排水强度指标:u=0,cu饱和试样的固结不排水试验与不排水强度指标:有关联无侧限压缩试验：3=0,是一种特殊的不排水试验不饱和试样的不排水强度指标:随3增加而增加并趋于稳定,不排水剪：,cu,=(1-3)/2,=(1+3)/2,总应力圆为一系列大小相等的圆,而有效应力圆只有一个.,固结不排水剪：,1、土体未受任何固结,自然不抗剪,2、对正常固结土,当3=0时,抗剪力=0,所以强度线过原点,ccu,=(1-3)/2,=(1+3)/2,3、对超固结土，当3P时，小而C较大，强度线较为平缓；,当3 P 时，强

15、度线又回到原来的状态，所以其延长线过原点。,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；4 单元体试验,缺点：设备相对复杂，现场无法试验,说明：30 即为无侧限抗压强度试验,主要用于评价土的灵敏度问题.,4、优点和缺点,真三轴仪空心圆柱扭剪仪饱和粘土的动三轴仪,5.三轴试验的发展,十字板剪切试验(VST),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,野外试验:,包括钻孔十字板和贯入电测十字板剪切试验；,灵敏度St10、固结系数Cv 10m2/y的均质饱和软粘土的不排水强度指标；,十字板剪切试验(VST),钻孔到指定的土层，插入

16、十字形的探头；板头插入钻孔的深度不应小于钻孔或套管直径的35倍，静置23min后在开始试验；,扭转剪切速率采用1/10s，并在2min内达到峰值（破坏），然后继续测记1min；,野外试验:,技术指标；,十字板形状常为矩形，板的高径比为2，板厚23mm；,十字板剪切试验(VST),野外试验:,技术指标；,对明显具有各向异性的土体，因采用几种不同高径比的十字板头进行试验；,十字板剪切试验抗剪强度的测定精度应达到12kpa；,在峰值或稳定强度出现后，顺剪切方向继续转动6周，测定重塑土的不排水抗剪强度；,在深度方向上，十字板剪切试验点的间距，对均质土可采用1m，对非均质土或夹薄层粉砂的层状软粘土，应结

17、合静力触探资料布置试验点；,时：,计算被测场地的地基承载力；估算单桩极限端承力与摩阻力；确定软土路基、堤坝、码头的临界高度；分析地基稳定性；判定软体的固结历史；,十字板剪切试验(VST),野外试验:,0,0.01,0.03,0.05,Cu(MPA),深度(m),1,3,5,7,9,未扰动土,扰动土,Cuh变化曲线,Sth变化曲线,十字板剪切试验(VST),野外试验:,0,0.01,0.03,0.05,Cu(MPA),转动角度,10,30,50,70,90,扰动土,未扰动土,必要时可以做试验点的抗剪强度与扭转角的关系曲线,十字板剪切试验(VST),野外试验:,0,深度,判断软土的固结历史：,P0

18、和Cu,0,P0和Cu,正常固结土,超固结土,自重应力,十字板前剪切强度,四.土的强度指标的工程应用,有效应力指标还是总应力指标？三轴试验指标还是直剪试验指标？峰值强度指标还是残余强度指标？,有效应力指标与总应力指标凡是可以确定（测量、计算）孔隙水压力u的情况，都应当使用有效应力指标c，,三轴试验指标与直剪试验指标砂土：c,三轴排水试验指标与直剪试验指标（直剪试验得到的指标偏大）粘土：有效应力指标：固结排水、固结不排水 总应力指标：三轴固结不排水、不排水;直剪固结快剪、快剪,峰值强度指标与残余强度指标 峰值强度 一般问题 残余强度 古旧滑坡 断层夹泥 大变形问题,粘土地基上分层慢速施工的填方,稳定渗流期的土坝,天然粘土坡或在粘土中的开挖,固结排水强度指标的应用实例Cd d,几种固结不排水强度指标的应用实例 ccu cu,在1层土固结后，施工2层,库水位从1骤降到2,在天然土坡上快速填方,几种不排水强度指标Cu u 在工程中的应用,软土地基上快速施工的填方,土坝快速施工，心墙未固结,粘土地基上快速施工的建筑物,粘性土、C 参考值,土类,指 标,液性指数,砂土的内摩擦角参考值,