三、无侧限抗压强度试 验
量表 量力环
qu
升降 螺杆
试 样
加压 框架
qu
无侧限压缩仪
无侧限抗压强度试验是三轴剪切试验的特例， 无侧限抗压强度试验是三轴剪切试验的特例，对试样不 施加周围压力， 施加周围压力，即σ3=0，只施加轴向压力直至发生破坏， ，只施加轴向压力直至发生破坏， 试样在无侧限压力条件下， 试样在无侧限压力条件下，剪切破坏时试样承受的最大 轴向压力q 称为无侧限抗压强度 轴向压力 u，称为无侧限抗压强度
根据试验结果只能作出一个极限应力圆（ =0， 根据试验结果只能作出一个极限应力圆（σ3=0， σ1=qu）。因此对一般粘性土，无法作出强度包线 ）。因此对一般粘性土 因此对一般粘性土，
τ
cu
ϕu=0
qu
说明：对于饱和软粘土， 说明：对于饱和软粘土，根据 三轴不排水剪试验成果， 三轴不排水剪试验成果，其强 度包线近似于一水平线， 度包线近似于一水平线，即 ϕu=0，因此无侧限抗压强度试 =0， 验适用于测定饱和软粘土的不 σ 排水强度 qu τ f = cu = 2
剪应力τ（kPa) a b 1 2 4mm 剪切位移△l (0.01mm)
下进行剪切试验， 在不同的垂直压力σ下进行剪切试验，得相应的抗剪 曲线， 强度τf，绘制τf -σ 曲线，得该土的抗剪强度包线
直剪试验优缺点 优点：仪器构造简单，试样的制备和安装方便， 优点：仪器构造简单，试样的制备和安装方便， 易于操作 缺点： 缺点： ①剪切破坏面固定为上下盒之间的水平面不符合 实际情况，不一定是土样的最薄弱面。 实际情况，不一定是土样的最薄弱面。 试验中不能严格控制排水条件， ②试验中不能严格控制排水条件，对透水性强的 土尤为突出，不能量测土样的孔隙水压力。 土尤为突出，不能量测土样的孔隙水压力。 ③上下盒的错动，剪切过程中试样剪切面积逐渐 上下盒的错动， 减小， 减小，剪切面上的剪应力分布不均匀
△σ σ3 σ3 σ3 σ3 σ3 △σ σ3
△σ σ3 σ3 σ3 σ3 σ3 △σ σ3
τ ϕcu
c′ ccu C A B
ϕ′
σ
饱和粘性土在三组σ3下进行固结不排水剪 试验得到A、 、 三个不同 试验得到 、B、C三个不同σ3作用下破坏 时的总应力圆， 时的总应力圆，由总应力圆强度包线确定 固结不排水剪总应力强度指标c 固结不排水剪总应力强度指标 cu、ϕ cu
四、十字板剪切试验
适用于现场测定饱和粘性 土的不排水强度， 土的不排水强度 ， 尤其 适用于均匀的饱和软粘 土
= M1 + M2 πD 2 2 D M1 = 2× τf × × 4 2 3 M
max
M 2 = π DH τ f ×
D 2
τ
f
=
2 M max D πD 2 H + 3
dlsinα
σ
斜面上的应力
σ3 α σ1
dlsinα
σ τ
σ =
1 (σ 1 + σ 3 ) + 1 (σ 1 − σ 3 )cos 2α 2 2 1 τ = (σ 1 − σ 3 )sin 2α 2
2
莫尔应力圆方程
1 σ − (σ 1 + σ 3 ) + τ 2
2
τ
dlcosα A(σ, τ)
二、三轴剪切试验 应变控制式三轴仪：压力室，加压系统， 应变控制式三轴仪：压力室，加压系统，量测系统 组成 应力控制式三轴仪 试验步骤: 试验步骤: 1.装样 1.装样 2.施加周围压力 2.施加周围压力 3.施加竖向压力 3.施加竖向压力
σ3 σ3 σ3 △σ △σ σ3 σ3 σ3
抗剪强度包线 作用下进行剪切，得到3 分别在不同的周围压力σ3作用下进行剪切，得到3 个不同的破坏应力圆， ～4 个不同的破坏应力圆，绘出各应力圆的公切 线即为土的抗剪强度包线
无侧限抗压强度试验仪器构造简单，操作方便， 无侧限抗压强度试验仪器构造简单，操作方便， 可代替三轴试验测定饱和软粘土的不排水强度
灵敏度 粘性土的原状土无侧限抗压强度与原土结构完全破 坏的重塑土的无侧限抗压强度的比值
qu St = qu '
根据灵敏度将饱和粘性土分类： 根据灵敏度将饱和粘性土分类： 1<St≤2 低灵敏度土 中灵敏度土 高灵敏度土 2< St≤4 St>4
1 ϕ α f = (90° + ϕ) = 45° + 2 2 α τ = 45
max
说明：剪破面并不产生于最大剪应力面， 说明：剪破面并不产生于最大剪应力面，而与最大 的夹角， 剪应力面成ϕ / 2的夹角，可知，土的剪切破坏并不是 的夹角 可知，
由最大剪应力τ 由最大剪应力 max所控制
§5.2
τ
抗剪强度包线
ϕ
c
σ
三轴试验优缺点 优点： 优点： 试验中能严格控制试样排水条件， ①试验中能严格控制试样排水条件，量测孔隙水压 力，了解土中有效应力变化情况 ②试样中的应力分布比较均匀 缺点： 缺点： 试验仪器复杂，操作技术要求高， ①试验仪器复杂，操作技术要求高，试样制备较复 杂 的轴对称条件下进行， ②试验在σ2=σ3的轴对称条件下进行，与土体实际受 力情况可能不符
固结不排水剪（CU） 2. 固结不排水剪（CU） 三轴试验： 三轴试验：施加周围压力σ3 时打开排水阀门， 时打开排水阀门，试样完全 排水固结， 排水固结，孔隙水压力完全 消散。然后关闭排水阀门， 消散。然后关闭排水阀门， 再施加轴向压力增量△ 再施加轴向压力增量△σ，使 试样在不排水条件下剪切破 坏 直剪试验： 直剪试验：剪切前试样在垂 直荷载下充分固结，剪切时 直荷载下充分固结， 速率较快， 速率较快，使土样在剪切过 程中不排水， 程中不排水，这种剪切方法 为称固结快剪
度是剪切面上的法向总应 力σ 的线性函数
σ
后来，根据粘性土 粘性土剪切试验 后来，根据粘性土剪切试验
τ f = σ tan ϕ τ f = σ tan ϕ + c
c:土的粘聚力 :Leabharlann σϕ:土的内摩擦角
二、土体抗剪强度影响因素 摩擦力的两个来源 1.滑动摩擦： 1.滑动摩擦：剪切面土粒间表面的粗糙所产生的 滑动摩擦 摩擦 2.咬合摩擦：土粒间互相嵌入所产生的咬合力 2.咬合摩擦： 咬合摩擦 粘聚力： 粘聚力：由土粒之间的胶结作用和电分子引力等因 素形成 抗剪强度影响因素 摩擦力：剪切面上的法向总应力、土的初始密度、 摩擦力：剪切面上的法向总应力、土的初始密度、土 粒级配、 粒级配、土粒形状以及表面粗糙程度 粘聚力：土中矿物成分、粘粒含量、 粘聚力：土中矿物成分、粘粒含量、含水量以及土的
将总应力圆在水平轴上左移uf得到相应的有效应力 圆，按有效应力圆强度包线可确定c ′、ϕ ′ 按有效应力圆强度包线可确定
固结排水剪（CD） 3. 固结排水剪（CD） 三轴试验： 三轴试验：试样在周围压 作用下排水固结， 力σ3作用下排水固结，再 缓慢施加轴向压力增量△ 缓慢施加轴向压力增量△σ， 直至剪破， 直至剪破，整个试验过程 中打开排水阀门， 中打开排水阀门，始终保 持试样的孔隙水压力为零 直剪试验： 直剪试验：试样在垂直压力 下固结稳定， 下固结稳定，再以缓慢的速 率施加水平剪力，直至剪破， 率施加水平剪力，直至剪破， 整个试验过程中尽量使土样 排水， 排水，试验方法称为慢剪
三、土中一点的应力状态 土体内一点处不同方位的截面上应力的集合 土体内一点处不同方位的截面上应力的集合（剪应力 不同方位
τ 和法向应力σ） σ1 σ3 α σ1
楔体静 力平衡
σ3
τ
σ3 α
dlcosα σ 3 dl sin α − σ dl sin α + τ dl cos α = 0
σ1
σ 1 dl cos α − σ dl cos α + τ dl sin α = 0
τ 应力圆与强度线相切： τ=τf 应力圆与强度线相切： 相切
应力圆与强度线相割： 应力圆与强度线相割： 相割 τ>τf τ
莫尔－ 莫尔－库仑破坏准则
τ
强度线
σ
莫尔应力圆与库仑强度线相切的应力状态作为 土的破坏准则 (目前判别土体所处状态的最常用准则 目前判别土体所处状态的最常用准则) 目前判别土体所处状态的最常用准则
法向总应力决定，而是取决于剪切面上的法向有效应力 法向总应力决定，而是取决于剪切面上的法向有效应力
( τ f = σ ′ tanϕ ′ + c′＝σ − u) tanϕ ′ + c′
有效应力强度指标确切地表 达出了土的抗剪强度的实质， 达出了土的抗剪强度的实质， 是比较合理的表达方法
二、不同排水条件时的剪切试验方法及成果表达 1.不固结不排水剪 UU） 不固结不排水剪（ 1.不固结不排水剪（UU） 三轴试验： 三轴试验：施加周围压力 σ3、轴向压力△σ直至剪 轴向压力△ 破的整个过程都关闭排水 阀门， 阀门，不允许试样排水固 结 直剪试验： 直剪试验：通过试验加荷 的快慢来实现是否排水。 的快慢来实现是否排水。 使试样在3 min之内剪破 之内剪破， 使试样在3～5min之内剪破， 称之为快剪
△σ σ3 σ3 σ3 σ3 σ3 △σ σ3
第五章
土的强度理论
土的抗剪强度 1.库仑定律 2.土的极限平衡条件 剪切试验方法(直剪，三轴，无侧限，十 字板） 不同排水条件下剪切试验成果*
§5.1土的抗剪强度与极限平衡条件
一、库仑定律
1776年 库仑根据砂土 砂土剪切试验 1776年，库仑根据砂土剪切试验
τf ϕ τf ϕ
c 粘土 砂土
库仑定律： 库仑定律：土的抗剪强
△σ σ3 σ3 σ3 σ3 σ3 △σ σ3
△σ σ3 σ3 σ3 σ3 σ3 △σ σ3
τ
cu
uA
有效应力圆 A