土的抗剪强与地基承载力2.pptx

应变控制式直剪仪的试验原理第1页/共46页第2页/共46页在不同的垂直压力下进行剪切试验，得相应的抗剪强度f ，绘制f-曲线，得该土的抗剪强度包线第3页/共46页a）剪应力与剪切位移之间关系 b）粘性土试验结果 对同一种土至少取4个重度和含水量相同的试样，分别在不同法向压力 下剪切破坏，一般可取垂直压力为100、200、300、400kPa。第4页/共46页直剪试验的剪切位移及剪应力计算公式如下：PSTA第5页/共46页在直剪试验过程中，根据加荷速率的快慢可将试验划分为:快剪；固结快剪；慢剪三种。第6页/共46页 直接剪切仪是目前室内土的抗剪强度最基本的测定方法，具有构造简单，操作方便等优点。主要缺点：剪切面限定在上下盒之间的平面，而不是土样最薄弱的面。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，且竖向荷载会发生偏转。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的。试验时不能严格控制排水条件，不能量测孔隙水压力，在进行不排水剪切时，试件仍有可能排水，特别是对于饱和粘性土，由于它的抗剪强度受排水条件的影响显著，故不排水试验结果不够理想。试验时，上、下盒之间的缝隙中易嵌入砂粒，使试验结果偏大。直剪试验优缺点：第7页/共46页试试样样压力室压力室压力水压力水排水管排水管阀门阀门轴向加压杆轴向加压杆有机玻璃罩有机玻璃罩橡皮膜橡皮膜透水石透水石顶帽顶帽应用范围：重大工程与科学研究；一级建筑物 5.3.2 三轴压缩试验第8页/共46页p 主机系统p 稳压调压系统p 量测系统 孔压传感器孔压传感器体变管体变管轴向位移量测轴向位移量测轴向力量测轴向力量测压力泵压力泵调压阀调压阀压力表压力表压力室压力室压力室底座压力室底座主机马达主机马达主机框架主机框架离合器离合器Casagrande 1930年首先使用，年首先使用，可控制排水条件；可完整的可控制排水条件；可完整的描述试样受力、变形和破坏描述试样受力、变形和破坏的全过程；可进行不同应力的全过程；可进行不同应力路径的试验；应力状态明确；路径的试验；应力状态明确；变形量测简单变形量测简单常规三轴试验仪第9页/共46页1-调压筒；2一周围压力表；3一体变管；4一排水管；5一周围压力阀；6一排水阀；7一变形量表；8一量力环；9一排气孔；10一轴向加压设备；11一试样；12一压力室；13一孔隙压力阀；14一离合器；15一手轮；16一量管阀；17一零位指示器；18一孔隙水压力表；19一量管第10页/共46页试试样样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测定：轴向应变轴向应力体积应变或孔压横梁量力环百分表量测体变或孔压常规三轴试验方法：第11页/共46页类型类型施加施加3 3时时施加施加1 13 3时时量测量测固结排水固结排水固结固结排水排水体变体变固结不排水固结不排水固结固结不排水不排水孔隙水压力孔隙水压力不固结不排水不固结不排水不固结不固结不排水不排水孔隙水压力孔隙水压力三轴压缩试验三种试验方法：第12页/共46页三轴试验莫尔破坏强度包线 三轴压缩试验强度包线 第13页/共46页一般先测定孔压系数一般先测定孔压系数B。多用于砂性土，多用于砂性土，三轴试验优点：能够控制排水条件以及可以量测土样中孔隙水压力的变化。此外，三轴试验中试件的应力状态也比较明确，剪切破坏时的破裂面在试件的最弱处，不像直接剪切仪那样限定在上下盒之间。三轴压缩仪还可用以测定土的其他力学性质，如土的弹性模量。一般来说，三轴试验的结果还是比较可靠的。常规三轴压缩试验的主要缺点：试样所受的力是轴对称的，也即试件所受的三个主应力中，有两个是相等的，但在工程际中土体的受力情况并非轴对称的情况，真三轴仪可在不同的三个主应力（）作用下进行试验。第14页/共46页v应力应变关系松砂及正常固结粘土与围压有关与围压有关非线性非线性剪胀性剪胀性固结排水试验 围压围压 小小 中中 大大三轴试验曲线：第15页/共46页应力应变关系松砂及正常固结粘土1 1Ei1 1Et变形模量：变形模量：弹性模量泊松比：泊松比：弹塑性弹塑性固结排水试验 第16页/共46页应力应变关系密砂及超固结粘土与围压有关与围压有关非线性非线性剪胀性剪胀性固结排水试验 v围压围压 小小 中中 大大第17页/共46页应力应变关系松砂及正常固结粘土u固结不排水试验 围压围压 小小 中中 大大第18页/共46页固结不排水试验 应力应变关系密砂及超固结粘土u围压围压 小小 中中 大大第19页/共46页【解】采用有效应力法 第20页/共46页1、试验装置2、试验结果 因只能作出一个应力圆，当仅为测定饱和粘性土的不排水抗剪强度时：1 百分表；2 试样；3 升降螺杆4 量力环；5 加压框架；6 手轮无侧限抗压强度试验结果 5.3.3 无侧限抗压强度试验第21页/共46页ququ 3=0无侧限压缩仪第22页/共46页 利用无侧限抗压强度试验可以测定饱和粘性土的灵敏度St。土的灵敏度是以原状土的强度与同一种土经重塑后（完全扰动但含水量不变）的强度之比来表示的。土的灵敏度越高，其结构性愈强，受扰动后土的强度降低就越多。粘性土受扰动而强度降低的性质，一般来说对工程建设是不利的，如在基坑开挖过程中，因施工可能造成土的扰动而使地基强度降低。第23页/共46页1 1、适用土质条件、适用土质条件软弱粘性土、取原状土困难的条件软弱粘性土、取原状土困难的条件2 2、试验设备、试验设备3 3、试验方法、试验方法 设土体剪切破坏时所施加的扭矩为M max，则它应该与剪切破坏圆柱面（包括侧面和上、下面）上土的抗剪强度所产生的抵抗力矩相等。5.3.4 十字板剪切试验第24页/共46页（5-13）第25页/共46页 十字板剪切试验直接在现场进行试验，不必取土样，故土体所受的扰动较小，被认为是比较能反映土体原位强度的测试方法，在软弱粘性土的工程勘察中得到了广泛应用。但如果在软土层中夹有薄层粉砂，测试结果可能失真或偏高。第26页/共46页 用有效应力法对饱和土体进行强度计算和稳定分析时，需估计外荷载作用下土体中产生的孔隙水压力。英国A.W.斯肯普顿（Skempton，1954）首先提出孔隙压力系数的概念，用以表示孔隙水压力的发展和变化，他认为土中的孔隙水压力不仅是由于法向应力产生，而且剪应力的作用也会产生新的孔隙水压力增量。根据三轴试验结果，引用孔隙压力系数A和B，建立了轴对称应力状态下土中孔隙压力与大、小主应力之间的关系。地基中初始孔隙水压力计算5.3.5 孔隙压力系数A 和 B第27页/共46页令孔隙水压力参数：M点的孔隙水压力：全量表达式：式中 A、B分别为不同应力条件下的孔隙压力系数。第28页/共46页 试验表明，孔隙水压力参数B 与土的饱和度有关，当土完全饱和时，孔隙中的水是不可压缩的，根据有效应力原理得到，B1；当土是干燥时，孔隙中的空气的压缩系数无穷大，得到B=0，所以B的变化范围在01之间。孔隙水压力参数A 表示在偏应力增量作用下的孔隙水压力参数，它随偏应力增加呈非线性变化，高压缩性土的 A 值比较大。它的变化范围比较复杂，可参考表中的数值。第29页/共46页 对于A值很高的土，应特别注意由于扰动或其他因素引发很高的孔隙水压力而造成工程事故。（5-18）第30页/共46页第31页/共46页 1）根据工程问题的性质确定分析方法有效应力法或总应力法，对应地采用土的有效应力强度指标或总应力强度指标。当土中的孔隙水压力能通过实验、计算或其他方法加以确定时，宜采用有效应力法。有效应力强度可用直剪的慢剪、三轴排水剪和三轴固结不排水剪（测孔隙水压力）等方法测定。2）目前常用的试验手段主要是三轴压缩试验与直剪试验两种，前者能够控制排水条件并能量测土样中孔隙水压力的变化，后者则不能。直剪试验方法中的“快”和“慢”只是“不排水”和“排水”的等义词，并不是为了解决剪切速率对强度的影响问题，而仅是为了通过快和慢的剪切速率来解决土样的排水条件问题。若建筑物施工速度较快，而地基土的渗透性较小和排水条件不良时，可采用三轴仪不固结不排水试验或直剪仪快剪试验的结果；如果地基荷载增长速率较慢，地基土的渗透性不太小（如低塑性的粘土）以及排水条件又较佳时，则可以采用固结排水或慢剪试验；如果介于以上两种情况之间，可用固结不排水或固结快剪试验结果。5.3.6 强度试验方法与指标的选用第32页/共46页 3）上面所述的一些工程情况不一定都是很明确的，如加荷速度的快慢、透水性大小以及加荷过程等都没有定量的界限值与之对应，因此在具体使用中常结合工程经验予以调整和判断，这也是应用土力学原理解决工程实际问题的基本方法。此外，由于实际加荷情况和土的性质是复杂的，而且在建筑物的施工和使用过程中都要经历不同的固结状态，所以在具体确定强度指标时需结合实际工程经验。4）直剪试验不能控制排水条件，因此，若用同一剪切速率和同一固结时间进行直剪试验，对渗透性不同的土样来说，不但有效应力不同而且固结状态也不明确，若不考虑这一点，则使用直剪试验结果就带有很大的随意性。但直剪试验的设备构造简单，操作方便，比较普及，且目前尚不能完全用三轴试验取代直剪试验，故大多仍采用直剪试验方法，但必须注意直剪试验的适用性。第33页/共46页 对某种土样采用不同的加荷方式，试样中的应力状态变化各不相同。为了分析应力变化过程对土的抗剪强度的影响，在应力图中用应力点的移动轨迹来描述土体在加荷过程中的应力状态的变化，这种应力点的移动轨迹称为应力路径。应力路径 5.3.7 应力路径的概念第34页/共46页不同加荷方法的应力路径 第35页/共46页三轴固结不排水试验的应力路径 第36页/共46页第37页/共46页由于土体的变形和强度不仅与受力的大小有关，更重要的还与土的应力历史有关，土的应力路径可以模拟土体实际的应力历史，全面地研究应力变化过程对土的力学性质的影响，因此，土的应力路径对进一步探讨土的应力应变关系和强度都具有十分重要的意义。第38页/共46页5.4 影响抗剪强度指标的因素5.4.1 土的矿物成分、颗粒形状和级配的影响 （1）矿物成分 砂土中石英矿物含量多，内摩擦角 大；云母矿物含量多，则内摩擦角 小。对粘性土而言，不同的粘土矿物具有不同的晶格构造，它们的稳定性、亲水性和胶体特性也各不相同，因而对粘性土的抗剪强度（主要是对内聚力）产生显著的影响。粘性土的抗剪强度随着粘粒和粘土矿物含量的增加而增大。（2）土的颗粒形状、大小及级配 土的颗粒越粗、形状越不规则、表面越粗糙，则其内摩擦角 越大，因而其抗剪强度也越高。土的级配良好，内摩擦角 大；土粒均匀，内摩擦角 小。第39页/共46页 5.4.2 含水量的影响 含水量对粘土强度的影响 含水量的增高将使土的抗剪强度降低。水分在较粗颗粒之间起着润滑作用，使摩阻力降低；粘土颗粒表面结合水膜的增厚使原始内聚力减小。在雨后容易出现山体滑坡，其主要原因就是雨水入渗使山坡土中含水量增加，降低了土的抗剪强度，从而导致山坡。失稳滑动。第40页/共46页 5.4.3 原始密度的影响 土的原始密度越大，其抗剪强度就越高。对于粗颗粒土（砂性土）来说，密度越大则颗粒之间的咬合作用越强，因而摩阻力就越大；对于细颗粒土（粘性土）来说，密度越大意味着颗粒之间的距离越小，水膜越薄，因而原始内聚力也就越大。砂土受剪时应力一应变体变关系 密砂的剪应力随着剪应变的增加而很快增大到某个峰值，而后逐渐减小一些，最后趋于某一稳定的终值，其体积变化开始时稍有减小，随后不断增加（呈剪胀性）。松砂的剪应力随着剪应变的增加则较缓慢地逐渐增大并趋于某一最大值，不出现峰值，其体积在受剪时相应减小（呈剪缩性）。所以，在实际允许较小剪应变的条件下，密砂的抗剪强度显然大于松砂。第41页/共46页5.4.4 粘性土触变性的影响 粘性土的强度会因受扰动而削弱，但经过静置又可得到一定程度的恢复，对粘性土的这一特性称为触变性。由于粘性土具有触变性，故在粘性土地基中进行钻探取样时，若土样受到明显的扰动，则试样就不能反映其天然强度，土的灵敏度愈大，这种影响就愈显著；又如在灵敏度较高的粘性土地基中开挖基坑，地基土也会因施工扰动而发生强度削弱。当扰动停止后，粘性土的强度又会随时间而逐渐增长。如在粘性土中进行打桩时，桩侧土因受到扰动而导致强度降低，但在停止打桩以后，土的强度则逐渐恢复，桩的承载力也随之逐渐增加，这种现象是土的触变性影响的表现。这种土未经处理不能作为动力基础。第42页/共46页5.4.5 土的应力历史的影响图5-24 应力历史对土体强度的影响第43页/共46页图5-25 实际强度包线与简化强度包线第44页/共46页本次课小结：5.3 抗剪强度指标的确定5.3.1 直接剪切试验5.3.2 三轴压缩试验 5.3.3 无侧限抗压强度试验5.3.4 十字板剪切试验5.3.5 孔隙压力系数A和B5.3.6 强度试验方法与指标的选用5.3.7 应力路径的概念5.4 影响抗剪强度指标的因素1.土的矿物成分、颗粒形状和级配的影响2.含水量的影响3.原始密度的影响4.粘性土触变性的影响5.土的应力历史的影响 第45页/共46页感谢您的观看。第46页/共46页