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1、土工结构物或地基土渗透问题渗透问题变形问题变形问题强度问题强度问题渗透特性渗透特性变形特性变形特性强度特性强度特性PSTAz x zx xz13 试验过程中的应力变化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，在加剪应力以前，试件处于侧限状态， 2 3 k 1加剪应力加剪应力后，主应力的方向产生偏转，剪应力愈大，偏转角后，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是不断交化的。也愈大，所以试验过程中主应力的方向是不断交化的。在试验资料的分析中，假定试件中的剪应力均匀分布，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，
2、靠近剪力盒边但事实上并非如此。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。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。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：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剪切面限定在上下
3、盒之间的平面，而不是沿土样最薄弱的面剪切破坏；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；始，在边缘发生应力集中现象； 在剪切过程中，在剪切过程中， 土样剪切面逐渐缩小，而在计算抗剪强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；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，不能量测孔隙水压力、在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，特别对于饱和粘性进行不排水剪切时，试件仍有可能排水，特别对于饱和粘性土。土。 由于土的
4、抗剪强度受排水条件的影响显著，故试验结果不够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。理想。但由于它具有的优点，故仍为一般工程广泛采用。l 设备简单，操作方便设备简单，操作方便l 结果便于整理结果便于整理l 测试时间短测试时间短优点优点l 试样应力状态复杂试样应力状态复杂l 应变不均匀应变不均匀l 不能精确控制排水条件不能精确控制排水条件l 剪切面固定剪切面固定缺点缺点3. 3. 试验优缺点试验优缺点PSTA类似试验：类似试验：环剪试验环剪试验单剪试验单剪试验 = 100KPa S = 200KPa = 300KPa fOc ff=c
5、tg 4、讨论抗剪强度指标：一般情况下，抗剪强度指标：一般情况下，粉细砂：粉细砂：粘性土：粘性土：0034260,kpaC 01001005,kpaC 4、讨论： = 100KPa S = 200KPa = 300KPa fOc 试验停止的标准：试样试样压力室压力室压力压力水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二、二、 三轴试验三轴试验方法：方法：首先试样施加静水压力首先试样施加静水压力室压（围压）室压（围压） 1 1= = 2 2= = 3 3 ； 然后通过活塞杆施加的是应力差然后通过活塞杆施加的是应力差 1 1= = 1 1- -
6、3 3 。 1 1、试样应力特点与试验方法：、试样应力特点与试验方法：特点：特点：试样是轴对称应力状态。垂直应力试样是轴对称应力状态。垂直应力 z z一般是大主应力；径向与切向应一般是大主应力；径向与切向应力总是相等力总是相等 r r= = ，亦即，亦即 1 1= = z z； 2 2= = 3 3= = r r1 3 3 3 3 1 强度包线强度包线( 1- )fc ( 1- )f 1 1- 3 1 =15%施加围压施加围压 ：100100kPakPa 、200200kPakPa、300300kPakPa、400400kPakPa的三轴试验，得到破坏时的三轴试验，得到破坏时相应的（相应的（
7、1 1- - ) )f f2 2、强度包线、强度包线v绘制破坏状态的应力摩绘制破坏状态的应力摩尔圆，画出它们的公切尔圆，画出它们的公切线线强度包线，得到强度包线，得到强度指标强度指标 c c 与与 3 3、试验类型、试验类型v固结排水试验（固结排水试验（CDCD试验）试验）1 打开排水阀门，打开排水阀门，施加围压施加围压 后充分固结，超静孔后充分固结，超静孔隙水压力完全消散；隙水压力完全消散；2 打开排水阀门，慢慢施加轴向应力差打开排水阀门，慢慢施加轴向应力差 以便以便充分排水，避免产生超静孔压充分排水，避免产生超静孔压v固结不排水试验（CUCU试验）1 打开排水阀门，打开排水阀门，施加围压施
8、加围压 后充分固结，超静孔隙后充分固结，超静孔隙水压力完全消散；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 过程中不排水过程中不排水cd 、 d v不固结不排水试验（UUUU试验）1 关闭排水阀门，关闭排水阀门，围压围压 下不固结；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 过程中不排水过程中不排水cu 、 u ccu 、 cu 试样试样ddcc 1 = 1 d= = f= f245(1)试验条件总应力指标与有效应力指标一致总应力指标与有效应力指标一致: : c cd
9、d = c= c破坏面位置：破坏面位置：1)固结排水试验施加围压施加围压 充分固结充分固结施加施加( ( 1 1 - - ) )时，时，排水阀门排水阀门始终打开，始终打开，速度慢足以使孔速度慢足以使孔压消散压消散始终始终u=0u=0，= = -u=-u= v轴向应力渐进增加，体应变是体缩，最终二者均趋于稳定轴向应力渐进增加，体应变是体缩，最终二者均趋于稳定(2) (2) 松砂与正常固结粘土试验曲线与强度包线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？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：实验室的正常固结粘土：有效
10、固结压力有效固结压力 0 0 等于先期固结压力等于先期固结压力 p p。地基中的正常固结粘土：地基中的正常固结粘土： z z p取回室内取回室内, , 如如 c c z z，不再是正常固结土。不再是正常固结土。 f“正常固结粘土正常固结粘土”(2) (2) 松砂与正常固结粘土试验曲线与强度包线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 z固结压力为固结压力为0 0的正常固结粘土的正常固结粘土: :当正常固结粘土试样的固结压力为当正常固结粘土试样的固结压力为0 0时，时，亦即其历
11、史上的最大固结压力是亦即其历史上的最大固结压力是0 0处于泥浆状态，抗剪强度为处于泥浆状态，抗剪强度为0 0。c=0c=0是否意味着正常固结粘土无粘聚力是否意味着正常固结粘土无粘聚力? ?粘聚力随粘聚力随 增加而增加增加而增加 v v v表示体缩表示体缩 v v 0 0表示体胀表示体胀( (剪胀剪胀) )应力应变关系软化，体应变剪胀应力应变关系软化，体应变剪胀峰值强度峰值强度残余强度残余强度(3)(3)密砂试验曲线与强度包线密砂试验曲线与强度包线 峰值强度峰值强度残余强度残余强度 f密砂强度包线密砂强度包线密砂应力应变关系曲线密砂应力应变关系曲线1)固结排水试验 v v表示体缩表示体缩 v v
12、 0 0表示体胀表示体胀( (剪胀剪胀) ) v峰值强度峰值强度残余强度残余强度 峰值强度峰值强度残余强度残余强度 f超固结粘土强度包线超固结粘土强度包线超固结粘土应力应变关系曲线超固结粘土应力应变关系曲线(4) (4) 超固结土试验曲线与强度包线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，体应变剪胀应力应变关系软化，体应变剪胀c0c0e p强度包线强度包线 f p土的压缩曲线土的压缩曲线(5)超固结粘土+正常固结粘土强度包线 p ，正常固结粘土；，正常固结粘土； p ，超固结粘土，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：松砂与正常固结粘土试验曲线
13、与强度包线： 应变硬化与体积收缩，应变硬化与体积收缩，c cd d = 0 = 0； 密砂试验曲线与强度包线：密砂试验曲线与强度包线： 应变软化与剪胀性，应变软化与剪胀性，c cd d = 0 = 0； 超固结粘土试验曲线与强度包线：超固结粘土试验曲线与强度包线： 应变软化与剪胀性，应变软化与剪胀性，c cd d与与 d d; ; 超固结粘土超固结粘土+ +正常固结粘土的强度包线正常固结粘土的强度包线: : 折线折线 c0 c0 的直线近似的直线近似1)固结排水试验2)固结不排水试验强度指标：强度指标：c ccucu ， cucu；cc， (1) (1) 试验条件试验条件(2) (2) 正常固
14、结粘土固结不排水试验曲线与强度包线正常固结粘土固结不排水试验曲线与强度包线(3) (3) 超固结粘土固结不排水试验曲线与强度包线超固结粘土固结不排水试验曲线与强度包线(4) (4) 固结不排水三轴试验确定的强度指标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量测孔隙水压力量测孔隙水压力2)固结不排水试验试样试样剪切过程中的超静孔隙水压力剪切过程中的超静孔隙水压力 u u对于饱和土试样：孔压系数对于饱和土试样：孔压系数B=1.0B=1.0 u=BA (u=BA ( = = A (A
15、( 对于剪切过程中无体积变化：对于剪切过程中无体积变化： A=1/3A=1/3剪切过程中发生剪缩：剪切过程中发生剪缩： A1/3A1/3剪切过程中发生剪胀：剪切过程中发生剪胀： A1/3 (A1/3 (甚至可能甚至可能A0A0，u 0 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 cucu2)固结不排水试验 u应力应变关系软化，孔压可能小于应力应变关系软化，孔压可能小于0与超固结度有关与超固结度有关 f(3) 超固结粘土固结不排水试验曲线与强度包线 f cucucuccu02)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应力变量试验量测试验
16、量测 u u计算计算 = = u u = = 确定的强度指标确定的强度指标c ccucu cucuc c 固结不排水试验小结 剪切过程中的超静孔隙水压力剪切过程中的超静孔隙水压力 u u 正常固结粘土的应力应变关系曲线正常固结粘土的应力应变关系曲线: : 硬化硬化 正常固结粘土的有效应力与总应力的强度包线正常固结粘土的有效应力与总应力的强度包线: : cucu 超固结粘土的应力应变关系曲线超固结粘土的应力应变关系曲线: : 软化软化 超固结粘土的固结不排水强度指标超固结粘土的固结不排水强度指标: : c c c ccucu, , cucu 固结不排水三轴试验确定的强度指标固结不排水三轴试验确定
17、的强度指标: : c ccucu, , cucu; c; c , , 2)固结不排水试验3)不固结不排水试验强度指标：强度指标：c cuuuu (c (cu u) )， uuuu ( ( u u) ) (1) (1) 试验条件试验条件(2) (2) 粘土的孔隙比有效应力抗剪强度唯一性关系粘土的孔隙比有效应力抗剪强度唯一性关系(3) (3) 饱和试样的不排水强度指标饱和试样的不排水强度指标c cu u(4) (4) 不排水试验与固结不排水试验不排水试验与固结不排水试验(5) (5) 无侧限压缩试验：无侧限压缩试验： 3 3 = 0= 0的不排水试验的不排水试验(6) (6) 不饱和试样的不排水强
18、度不饱和试样的不排水强度(1)(1)试验条件试验条件: :从某一初始状态开始，关闭从某一初始状态开始，关闭阀门阀门施加围压施加围压 ，产生孔隙，产生孔隙水压力水压力 u u1 1=B=B 施加（施加（ 1 1 - - ）时，阀门关）时，阀门关闭，可连接孔压传感器，量闭，可连接孔压传感器，量测剪切过程中产生的超静孔测剪切过程中产生的超静孔隙水压力隙水压力 u u2 2 = BA = BA ( ( ) )3)不固结不排水试验试样试样(2)(2)粘土的孔隙比有效应力抗剪强度唯一性关系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强度的影响因素: :土的组成土的组成土的状态土的状态土的结构土的结
19、构应力状态应力状态e ef f p p f f - q - qf f 唯一性关系唯一性关系e ef f f f - - f f 唯一性关系唯一性关系 (p) (q)Kf线线 f 线线 唯一的唯一的e ef f应力历史应力历史同一种正常同一种正常固结粘土固结粘土土的状态土的状态(,e)(,e)应力状态应力状态应力历史相同时应力历史相同时也满足唯一性关系也满足唯一性关系研究表明研究表明超固结粘土超固结粘土: :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
20、 + A ( ) B=13)不固结不排水试验 cu p1cu1p2cu2p3cu3(4)不排水试验与固结不排水试验正常固结粘土层正常固结粘土层固结不排水试验强度包线上固结不排水试验强度包线上的每一点对应于一个具有相的每一点对应于一个具有相同先期固结压力的不排水强同先期固结压力的不排水强度指标度指标3)不固结不排水试验cu = qu/2cuqu = (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不饱和区饱和区饱和区 3)不固结不排水试验 ( ) cc f f超固结粘土的总应力与有效应力强度包线超固结粘土的总应力与有效应力强度包线(CU)(CU)
21、u(-)u(+)总应力总应力有效应力有效应力3)不固结不排水试验 1 ( ) p(p)quKfKf f fuu245 松砂及正常固结粘土松砂及正常固结粘土(CU)思考题思考题1 1：实际破裂面的方向？：实际破裂面的方向？思考题思考题2 2：如果破坏时孔隙水压力：如果破坏时孔隙水压力u u( (负孔压负孔压) )，有效应力摩，有效应力摩尔圆在总应力摩尔圆哪边？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饱和试样的不排水强度指标: : u u =0 , =0 , c cu u 饱和试样的固结不排水试验与不排水强度指标饱和试样的固结不排水试验与不排水强度
22、指标: : 有关联有关联 无侧限压缩试验：无侧限压缩试验： 3 3=0, =0, 是一种特殊的不排水试验是一种特殊的不排水试验 不饱和试样的不排水强度指标不饱和试样的不排水强度指标: : 随随 3 3增加而增加并趋于稳定增加而增加并趋于稳定不排水剪：)(Cuu31210 cu = ( 1 - 3)/2 = ( 1+ 3)/2总应力圆为一总应力圆为一系列大小相等系列大小相等的圆的圆,而有效应而有效应力圆只有一个力圆只有一个.033 /,u, 固结不排水剪：1、土体未受任何固结、土体未受任何固结,自然不抗剪自然不抗剪2、对正常固结土、对正常固结土,当当 3=0时时,抗剪力抗剪力=0,所以强度线过所
23、以强度线过原点原点ccu = ( 1 - 3)/2 = ( 1+ 3)/23、对超固结土，、对超固结土，当当 3 P时，时， 小而小而C较较大，强度线较为平缓；大，强度线较为平缓；当当 3 P 时，时，强度线强度线又回到原来的状态，又回到原来的状态，所以其延长线过原点。所以其延长线过原点。v优点：优点：1 应力状态和应力路径明确；应力状态和应力路径明确；2 排水条件清楚，可控制；排水条件清楚，可控制；3 破坏面不是人为固定的；破坏面不是人为固定的；4 单元体试验单元体试验v缺点：缺点：设备相对复杂，现场无法试验设备相对复杂，现场无法试验说明：说明： 3 30 0 即为即为无侧限抗压强度试验无侧
24、限抗压强度试验, ,主主要用于评价土的灵敏度问题要用于评价土的灵敏度问题. .4 4、优点和缺点、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. 5. 三轴试验的发展三轴试验的发展十字板剪切试验十字板剪切试验(VST)(VST)v钻孔到指定的土层，插入十钻孔到指定的土层，插入十字形的探头；字形的探头；v通过施加的扭矩计算土的抗通过施加的扭矩计算土的抗剪强度剪强度野外试验野外试验: :v包括钻孔十字板和贯入电测包括钻孔十字板和贯入电测十字板剪切试验；十字板剪切试验；v灵敏度灵敏度St10St10、固结系数、固结系数Cv Cv 10m10m2 2/y/y的均质饱和软粘土的均质饱和软粘
25、土的不排水强度指标；的不排水强度指标；十字板剪切试验十字板剪切试验(VST)(VST)v钻孔到指定的土层，插入十字钻孔到指定的土层，插入十字形的探头；板头插入钻孔的深形的探头；板头插入钻孔的深度不应小于钻孔或套管直径的度不应小于钻孔或套管直径的35倍，静置倍，静置23min后在开始后在开始试验；试验；v扭转剪切速率采用扭转剪切速率采用1/10s，并，并在在2min内达到峰值（破坏），内达到峰值（破坏），然后继续测记然后继续测记1min；野外试验野外试验: :v技术指标；技术指标；v十字板形状常为矩形，板的十字板形状常为矩形，板的高径比为高径比为2 2，板厚，板厚23mm23mm；十字板剪切试验
26、十字板剪切试验(VST)(VST)野外试验野外试验: :v技术指标；技术指标；v对明显具有各向异性的土体，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因采用几种不同高径比的十字板头进行试验；板头进行试验；v十字板剪切试验抗剪强度的测十字板剪切试验抗剪强度的测定精度应达到定精度应达到12kpa；v在峰值或稳定强度出现后，顺在峰值或稳定强度出现后，顺剪切方向继续转动剪切方向继续转动6周，测定重周，测定重塑土的不排水抗剪强度；塑土的不排水抗剪强度；v在深度方向上，十字板剪切试验点的间距，对均在深度方向上，十字板剪切试验点的间距，对均质土可采用质土可采用1m，对非均质土或夹薄层粉砂的层，对非均
27、质土或夹薄层粉砂的层状软粘土，应结合静力触探资料布置试验点；状软粘土，应结合静力触探资料布置试验点；21maxMMMfvfh时：ffHDDMMM262321max)3(22maxHDDMffhDfhDrrrM6d2232/01fvDDHM22M1H HDM2uuufctgc)3(22maxHDDMfM1H HDM2v计算被测场地的地基承载力；计算被测场地的地基承载力；v估算单桩极限端承力与摩阻力；估算单桩极限端承力与摩阻力；v确定软土路基、堤坝、码头的确定软土路基、堤坝、码头的临界高度；临界高度；v分析地基稳定性；分析地基稳定性；v判定软体的固结历史；判定软体的固结历史；十字板剪切试验十字板剪
28、切试验(VST)(VST)野外试验野外试验: :00.010.030.05Cu(MPA)深度深度(m)13579未扰动土未扰动土扰动土扰动土C Cu u h h变化变化曲线曲线S St t h h变化变化曲线曲线十字板剪切试验十字板剪切试验(VST)(VST)野外试验野外试验: :00.010.030.05Cu(MPA)转动角度转动角度1030507090扰动土扰动土未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十字板剪切试验(VST)(VST)野外试验野外试验: :0深度深度判断软土的固结历史：判断软土的固结历史：P
29、0和和Cu0P0和和Cu正常固结土正常固结土超固结土超固结土自重应力自重应力十字板前剪切十字板前剪切强度强度四四. . 土的强度指标的工程应用土的强度指标的工程应用u 有效应力指标还是总应力指标？有效应力指标还是总应力指标？u 三轴试验指标还是直剪试验指标？三轴试验指标还是直剪试验指标？u 峰值强度指标还是残余强度指标？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）孔隙水压力凡是可以确定（测量、计算）孔隙水压力u u的的情况，都应当使用有效应力指标情况，都应当使用有效应力指标c c ， 三轴试验指标与直剪试验指标三轴试验指标与直剪试验
30、指标砂土：砂土： c c , , 三轴排水试验指标与直剪试验指标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）（直剪试验得到的指标偏大）粘土：粘土： 有效应力指标：固结排水、固结不排水有效应力指标：固结排水、固结不排水 总应力指标：三轴固结不排水、不排水总应力指标：三轴固结不排水、不排水; ; 直剪固结快剪、快剪直剪固结快剪、快剪峰值强度指标与残余强度指标峰值强度指标与残余强度指标u 峰值强度峰值强度 一般问题一般问题u 残余强度残余强度 古旧滑坡古旧滑坡 断层夹泥断层夹泥 大变形问题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固结排水强度指标的应用实例标的应用实例C Cd d d d 几种固结不排几种固结不排水强度指标的水强度指标的应用实例应用实例 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几种不排水强度指标Cu u 在工程中的应用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土类土类状态状态66 结束语结束语