《土力学与地基基础》课程教学资源（教案讲义）第五章 土的抗剪强度

第五章 土的抗剪强度第一节概述土体的破坏通常都是剪切破坏。当堤坝的边坡太陡时，要发生滑坡（图5-1）。滑坡就是边坡上的一部分土体相对于坝体发生剪切破坏。地基土受过大的荷载作用，也会出现部分士沿着某一甚至倾倒（图5-2）。土体中滑动面的产生就是一滑动面挤出，导致建筑物严重下限由于滑动面上的剪应力达到土的抗剪强度所引起的其数值等于剪度指土体抵抗剪的前应抗剪强度是土的主享学质十的抗前强本身的基本性质，即土的组成、土的状态和土的结构，这些性质又与它形成的环境和应力历史等因素有关；其次还决定于它当前所受的应力状态。因此，土是否达到剪切破坏状态，除了决定于它本身的性质外，还与所受的应力组合密切相关。这种破坏时的应力组合关系就称为破坏准则土的抗剪强度由室内试验和原位测试确定。试验中，仪器的种类和试验方法对确定强度值有很大的影响。本章主要介绍影响抗剪强度的基本因素和破坏的基本理论、常用的测试仪器、试验方法以及试验过程中排水固结条件对抗剪强度指标的影响。第二节 土的抗剪强度和破坏理论、土的屈服与破坏假设某一理想的弹塑性材料，其应力一应变关系即(,-0）-,曲线见图5-3中曲线①，它是由一根斜直线和一根水平线所组成。斜直线表示线弹性体的应力一应变特性，应力一应变成直线关系且变形是完单性的：应应变的关系是唯一的，不受应力路径和应力五史的最想塑性体的应力一应变关系，应是不可恢复的塑性应1一日发生塑平线段性应变，应力不再继续增加，塑性应变持续发展，直至材料破坏。两段直线的交点C所对应的应力是开始发生塑性应变的应力，称为屈服应力(α,-3)，同时又是导致材料破坏的应力，所以也是破坏应力(o1-C,),。因此C点既是屈服点又是破坏点是一种弹塑性材料。受应力作用时，弹性变形和塑性变形同时发生。图5一3中曲线②表示超固结一应变关系曲线，曲线③表示正常固结土或松砂的应力应变关系曲的应变增加了土对继续变形的阻力，所以屈服开始以后，土能够承受更大的应力，我。的塑性屈服占的位置不断提高。服占提高到极限值b点，十体才发生破坏。对于曲线②类型的一到达峰值b点以后，应变在继续发展，应力反而下降，土体已处于破坏状态。相当于峰值点的强度称为峰值强度：相当于应变很大、应力衰减至稳定值时的强度称为残余强度土的弹性变形和塑性变形的发展过程非常复杂。当研究土压力、土坡稳定和地基极限承载力等有关土本破坏的问题时，则把土简化成理想的塑性材料，一日剪应力达到土的抗剪强度即产生无限发展的变形而破坏二、莫尔一库伦破坏理论图5一3中所示的应力一应变关系曲线是在某一种周围压力3作用下测得的。改变几种不同的周围压力63，将测得一组形状类似的曲线（图5一4）。对应于每一种3就有一个相应的抗剪强度值。所以，土的抗剪强度不是一个固定不变的数值，而是与土的应力状态有关。将土样装在有开缝的上、下刚性金属盒内（图5-5），上盒固定，推动下盒，让土样在预定的（虚线所示）横截面进行剪切，直至土样破坏。破坏时，剪切面上的剪应力就是土的抗剪强度。试验结果表明，土的抗剪不是常量，而是随值作用在剪切面上的法向应力的增加而增加。1776年法国科学家库伦（C.ACoulomb）总结土的破坏现象和影响因素，提出土的破坏么式为：(5-3)tr=c+otgd此式称为总应力抗剪强度公式式中，t-剪切破裂面上的剪应力，即土的抗剪强度；

1 第五章 土的抗剪强度 第一节 概述 土体的破坏通常都是剪切破坏。当堤坝的边坡太陡时，要发生滑坡（图 5－1）。滑坡就是 边坡上的一部分土体相对于坝体发生剪切破坏。地基土受过大的荷载作用，也会出现部分土体 沿着某一滑动面挤出，导致建筑物严重下陷，甚至倾倒（图 5－2）。土体中滑动面的产生就是 由于滑动面上的剪应力达到土的抗剪强度所引起的。 土的抗剪强度指土体抵抗剪切破坏的极限能力，其数值等于剪切破坏时滑动面上的剪应力， 抗剪强度是土的主要力学性质之一。土的抗剪强度，首先决定于它本身的基本性质，即土的组 成、土的状态和土的结构，这些性质又与它形成的环境和应力历史等因素有关；其次还决定于 它当前所受的应力状态。因此，土是否达到剪切破坏状态，除了决定于它本身的性质外，还与 所受的应力组合密切相关。这种破坏时的应力组合关系就称为破坏准则。 土的抗剪强度由室内试验和原位测试确定。试验中，仪器的种类和试验方法对确定强度值 有很大的影响。本章主要介绍影响抗剪强度的基本因素和破坏的基本理论、常用的测试仪器、 试验方法以及试验过程中排水固结条件对抗剪强度指标的影响。 第二节 土的抗剪强度和破坏理论 一、土的屈服与破坏 假设某一理想的弹塑性材料，其应力一应变关系即 1 3 1 ( − ) − 曲线见图 5－3 中曲线①， 它是由一根斜直线和一根水平线所组成。斜直线表示线弹性体的应力一应变特性，应力一应变 成直线关系且变形是完全弹性的，应力与应变的关系是唯一的，不受应力路径和应力历史的影 响。水平线段表示理想塑性体的应力一应变关系，应变是不可恢复的塑性应变，且一旦发生塑 性应变，应力不再继续增加，塑性应变持续发展，直至材料破坏。两段直线的交点 C 所对应的 应力是开始发生塑性应变的应力，称为屈服应力 y ( )  1 − 3 ，同时又是导致材料破坏的应力， 所以也是破坏应力 f ( )  1 − 3 。因此 C 点既是屈服点又是破坏点。 土是一种弹塑性材料。受应力作用时，弹性变形和塑性变形同时发生。图 5－3 中曲线②表 示超固结土或密砂的应力一应变关系曲线，曲线③表示正常固结土或松砂的应力一应变关系曲 线。土的塑性应变增加了土对继续变形的阻力，所以屈服开始以后，土能够承受更大的应力， 屈服点的位置不断提高。屈服点提高到极限值 b 点，土体才发生破坏。对于曲线②类型的土， 到达峰值 b 点以后，应变在继续发展，应力反而下降，土体已处于破坏状态。相当于峰值点的 强度称为峰值强度；相当于应变很大、应力衰减至稳定值时的强度称为残余强度。 土的弹性变形和塑性变形的发展过程非常复杂。当研究土压力、土坡稳定和地基极限承载 力等有关土体破坏的问题时，则把土简化成理想的塑性材料，一旦剪应力达到土的抗剪强度即 产生无限发展的变形而破坏。 二、莫尔一库伦破坏理论 （一）土的破坏理论 图 5－3 中所示的应力一应变关系曲线是在某一种周围压力3 作用下测得的。改变几种不同 的周围压力3，将测得一组形状类似的曲线（图 5－4）。对应于每一种3 就有一个相应的抗剪 强度值。所以，土的抗剪强度不是一个固定不变的数值，而是与土的应力状态有关。 将土样装在有开缝的上、下刚性金属盒内（图 5－5），上盒固定，推动下盒，让土样在预 定的（虚线所示）横截面进行剪切，直至土样破坏。破坏时，剪切面上的剪应力就是土的抗剪 强度。试验结果表明，土的抗剪不是常量，而是随作用在剪切面上的法向应力的增加而增加。 1776 年法国科学家库伦（C．A Coulomb）总结土的破坏现象和影响因素，提出土的破坏公 式为：  c tg (5 - 3) f = + 此式称为总应力抗剪强度公式。 式中，f—剪切破裂面上的剪应力，即土的抗剪强度；

一破坏面上的法向应力；c—土的粘聚力。对于无粘性土，c=0土的内摩擦角。c和是决定土的抗剪强度的两个指标，称为抗剪强度指标。对于同一种土，在相同的试验条件下为常数，但武验方法改变时它们也会随之变强度的变化，所以式5-3也可写为：因为有应力引起抗剪t,=c'+o'tgo'=c'+(o-u)tgp(5-4)此式称为有效应力抗剪强度公式式中α—剪切破裂面上的有效法向应力；土中的超静孔隙水压力；c一土的有效粘聚力；一土的有效内摩擦角和称为土的有效抗剪强度指标。对于同一种土，其值理论上与试验方法无关，应接近于常数。莫尔（Mohr）提出了材料破坏是剪切破坏的理论，认为在破裂面上，法向应力与抗剪强度t之间存在着函数关系，即f= f(o)(5-5)这个函数所定义的曲线（图5-6）称为莫尔破坏包线或抗剪强度包线。如果代表土单元体中的点子落在破坏表明在该法向应力个上，该面上的剪应力小于土的抗剪强度t体不会沿该面发生剪切破坏。如果点子正好落在曲线上（如B点）明剪应力等于抗剪强度，土单元体处于临界破坏状态。代表应力状态的点子如果落在曲线以上的区域（如点C）麦明十体已经破坏，实际上这种应力状态是不会直时，就不可可能再继续增长。土单元体中只要有一个面发在的，因为剪应力增加到年生剪切破坏，该土单元体就进入破坏状态，或称为极限平衡状态一般土在应力变化范围不很大的情况下，莫尔破坏包线可以用库伦强度公式（5-3）或式（5-4）来表示，即土的抗剪强度与法向应力成线性函数的关系。这种以库伦公式作为抗剪强度公式、根据剪应力是否达到抗剪强度作为破坏标准的理论称为莫尔一库伦破坏理论。伦破环极限平衡条件，只要算出作用于该面上的应力（包括剪应如果可能发生剪切码出可的位置已颜升力和正应力），就可判别剪切破坏是否发生。但是在实际问题中，可能发生剪切破坏的平面般不能预先确定。土体中的应力分析只能计算各点垂直于坐标轴平面上的应力（正应力和剪应力）或各点的主应力，无法直接判定土单元体是否破坏。因此，需要一步研究莫尔一库伦破坏理论如何直接用主应力表示，这就是莫尔一库伦破坏准则，也称为土的极限平衡条件在三轴剪切试验中，试样周围的压力为o3，破坏时的轴向应力为1f，它等于3+(o1-0:),61-03)r就是土样达到破坏时的偏差应力。在t-坐标上绘土样破坏时的应力圆（图5-7），按照莫尔一库伦破坏理论，破坏圆必定与破坏包线相切。显然，切点所代表的平面满足T=，的条件，因此它就是试样的破裂面。从图5-7的几何关系，有2α=90°+Φα=45°+号(5-6)即破型面与大主应力面成45°+号的夹鱼由此可见，土与一般连续性材料（如钢材、混凝土等）不同，它的破裂面不产生于最大剪应力面，而是与最大剪应力面成的夹角。如果土质均匀，且试验中能保证试件内的应力、应变均匀分布，则试件内将会出现两组完全对称的破裂面

2 —破坏面上的法向应力； c—土的粘聚力。对于无粘性土，c=0 —土的内摩擦角。 c 和是决定土的抗剪强度的两个指标，称为抗剪强度指标。对于同一种土，在相同的试验 条件下为常数，但当试验方法改变时它们也会随之变化。 因为有效应力引起抗剪强度的变化，所以式 5-3 也可写为： τ c σ tgφ c (σ u)tgφ (5 - 4) f =  +   =  + −  此式称为有效应力抗剪强度公式。 式中’—剪切破裂面上的有效法向应力； u—土中的超静孔隙水压力； c’—土的有效粘聚力； ’—土的有效内摩擦角。 c’和’称为土的有效抗剪强度指标。对于同一种土，其值理论上与试验方法无关，应接近于 常数。 莫尔（Mohr）提出了材料破坏是剪切破坏的理论，认为在破裂面上，法向应力与抗剪强 度f之间存在着函数关系，即  f ( ) (5 - 5) f = 这个函数所定义的曲线（图 5-6）称为莫尔破坏包线或抗剪强度包线。如果代表土单元体中 某一个面上法向应力和剪应力的点子落在破坏包线下面（如 A 点），它表明在该法向应力 下，该面上的剪应力小于土的抗剪强度f，土体不会沿该面发生剪切破坏。如果点子正好落在 曲线上（如 B 点），表明剪应力等于抗剪强度，土单元体处于临界破坏状态。代表应力状态的 点子如果落在曲线以上的区域（如点 C），表明土体已经破坏。实际上这种应力状态是不会存 在的，因为剪应力增加到抗剪强度f值时，就不可能再继续增长。土单元体中只要有一个面发 生剪切破坏，该土单元体就进入破坏状态，或称为极限平衡状态。一般土在应力变化范围不很 大的情况下，莫尔破坏包线可以用库伦强度公式（5－3）或式（5－4）来表示，即土的抗剪强 度与法向应力成线性函数的关系。这种以库伦公式作为抗剪强度公式、根据剪应力是否达到抗 剪强度作为破坏标准的理论称为莫尔一库伦破坏理论。 （二）莫尔一库伦破坏准则——极限平衡条件 如果可能发生剪切破坏面的位置已经预先确定，只要算出作用于该面上的应力（包括剪应 力和正应力），就可判别剪切破坏是否发生。但是在实际问题中，可能发生剪切破坏的平面一 般不能预先确定。土体中的应力分析只能计算各点垂直于坐标轴平面上的应力（正应力和剪应 力）或各点的主应力，无法直接判定土单元体是否破坏。因此，需要进一步研究莫尔一库伦破 坏理论如何直接用主应力表示，这就是莫尔一库伦破坏准则，也称为土的极限平衡条件。 在三轴剪切试验中，试样周围的压力为3，破坏时的轴向应力为1f，它等于3+(1-3)f， (1-3)f就是土样达到破坏时的偏差应力。在  − 坐标上绘制土样破坏时的应力圆（图 5－7）， 按照莫尔一库伦破坏理论，破坏圆必定与破坏包线相切。显然，切点所代表的平面满足 f  =  的 条件，因此它就是试样的破裂面。从图 5－7 的几何关系，有 2 = 90 +  (5 - 6) 2 45   =  + 即破裂面与大主应力面成 2 45   + 的夹角。 由此可见，土与一般连续性材料（如钢材、混凝土等）不同，它的破裂面不产生于最大剪 应力面，而是与最大剪应力面成 2  的夹角。如果土质均匀，且试验中能保证试件内的应力、应 变均匀分布，则试件内将会出现两组完全对称的破裂面

由图5-7的几何关系知：absin g = ab a-ootog将00°=·tgp代入上式得：91-00,-03(5-7)h-2对式（5-7）进行整理得，1+sn +2cccosd(5-8)0,=0:1-smg1- sin @进一步整理得：g,=0,1g (45°+)+2c1g/ 45° +号)(5 -9)同样的方法可以推导出0; =01g (45° -号)-2c01g 45° -号(5-10)式（5-7）至式（5－10）都是表示土单元体达到破坏时主应力的关系，这就是莫尔一库伦理论的破坏准则。也就是土体达到极限平衡状态的条件即极限平衡条件。只知道一个主应力手不能确定土体是否处于极限平衡状态，必需知道一对主应力o1、33，才能进行判断。实际上，是否达到极限平衡状态，取决于α与的比值。当α一定时。 愈小，土愈接近于破坏：反之二定时，。愈大，土愈接近于破坏。生在式（5-7）至（5－10）的推导过程中，须用到的三角函数关系有：cos?Φ+sin?Φ=1cos Φ=1-sin Φ=(1+ sin p)(1-sin d)1-cos = 2 sn2号1 + 00 2o0 对于粗粒土，粘聚力c=0，则极限平衡条件的表达式可简化为sinp=01-0.(5-11)0, +0,1 + sin p0(5-12)1-sin @p030, =0,/g (45° +g)(5-13)0, = 0,1g 45° -(5-14)对同一种土样的几个试件，在三轴剪切试验中，分别加以不同的周围压力3，可以得到不同的应力一应变关系曲线和相应的破坏应力，可以绘出各自的极限状态应力圆。这组应力圆都3

3 由图 5－7 的几何关系知： o o oa ab o a ab + = = ' ' sin  将 oo = c • tg ' 代入上式得： (5 - 7) 2 2 2 sin 1 3 1 3 1 3 1 3            c ctg c ctg + + • − = + • + − = 对式（5－7）进行整理得， (5 - 8) 1 sin cos 2 1 sin 1 sin 1 3       − + • − + = • c 进一步整理得： (5 - 9) 2 2 45 2 45 2 1 3        + • +      = +     o o t g c t g 同样的方法可以推导出 (5 -10) 2 2 45 2 45 2 3 1        − • −      = −     o o tg c tg 式（5－7）至式（5－10）都是表示土单元体达到破坏时主应力的关系，这就是莫尔一库伦 理论的破坏准则，也就是土体达到极限平衡状态的条件即极限平衡条件。只知道一个主应力， 并不能确定土体是否处于极限平衡状态，必需知道一对主应力1、3，才能进行判断。实际上， 是否达到极限平衡状态，取决于1 与3 的比值。当1 一定时，3 愈小，土愈接近于破坏；反之， 当3 一定时，1 愈大，土愈接近于破坏。 注： 在式（5－7）至（5－10）的推导过程中，须用到的三角函数关系有： 2 1 cos 2cos 2 1 cos 2sin cos 1 sin (1 sin )(1 sin ) cos sin 1 2 2 2 2 2 2           + = − = = − = + − + = 对于粗粒土，粘聚力 c = 0，则极限平衡条件的表达式可简化为 sin (5 -11) 1 3 1 3      + − = (5 -12) 1 sin 1 sin 3 1     − + = (5 -13) 2 45 2 1 3       = +    o tg (5 -14) 2 45 2 3 1       = −    o tg 对同一种土样的几个试件，在三轴剪切试验中，分别加以不同的周围压力3，可以得到不 同的应力一应变关系曲线和相应的破坏应力，可以绘出各自的极限状态应力圆。这组应力圆都

必定与莫尔破坏包线相切。反过来说，若用几种周围压力63，做一组三轴剪力试验，在T－α坐标上绘出相应的极限应力圆，这些圆的公切线就应是莫尔破坏包线就是土的内摩擦角，与轴的截距就是土的粘聚力c。这就是用三轴剪切试验测定土的抗剪强度指标和的理论依据。莫尔人库伦破环理1．破裂面上，材料的抗剪强度是法向应力的函数，可表达为：t, =f(o)2．当法向应力不很大时，抗剪强度可简化为法向应力的线性函数，即表示为库伦公式：t,=c+otgd单元体中，任何一个面上的剪应力大于该面上土的抗剪强度，土单元体即发生破坏，用破坏准则表示，即为式（5-7）至式（5-10）的极限平衡条件。（三）极限平衡条件的应用式（5-7）至式（5-14）是土体达到极限平衡状态的应力表达式。利用这些表达式，只要知道土单元体实际上所受的应力和土的抗剪强度指标和，就可以很容易判断该单元体是否产生剪切破坏。例如，如果已知粗粒土的土体内某一点M的主应力为α1m，土的内摩擦角为中，要判断该点十体是否破坏，可以利用式（5一11）。将该点的主应力代入式（5一11）等号的右侧，求相应于这种应力下土体达到极限平衡所要求的内摩擦角中m9, = Sin - Qim -0am+o如果>Φ表示保持土单元体不发生破坏所需的内摩擦角大于土的实际内摩擦角。显然艺际士单t百台状态，或称处于弹性平衡状态。当=虫月平渔川天元体正好处于或称塑性平衡状态也可以利用其它公式进行将土单元体的实际应力3m和内摩擦角中代入公式等号的右侧，求处在极限平衡状态的大主应力0, =03mlg [45°+号)如果计算得到的gl>0im，表示达到极限平衡状态要求的大主应力大于实际的大主应力，土体处于弹性平衡状态。反之a<aim，土体已发生破坏。注：1）在平面应变条件下，一点的主应力与应力分量之间的关系为9,+0.-0+tg. =0.+o.g.-0)+2g,=2主平面与任一面间之夹角α为：21α==arctg0.-02）任意一个与大主应力成α角的正应力与剪应力的计算式为α=(o1+0,)+(a1-0,)cos(2a)T==(0, -0,)sin(2α)

4 必定与莫尔破坏包线相切。反过来说，若用几种周围压力3，做一组三轴剪力试验，在  − 坐 标上绘出相应的极限应力圆，这些圆的公切线就应是莫尔破坏包线。莫尔破坏包线与轴的倾角 就是土的内摩擦角，与轴的截距就是土的粘聚力 c。这就是用三轴剪切试验测定土的抗剪强 度指标 c 和的理论依据。 莫尔一库伦破坏理论的三个要点： 1．破裂面上，材料的抗剪强度是法向应力的函数，可表达为：  f ( ) f = 2．当法向应力不很大时，抗剪强度可简化为法向应力的线性函数，即表示为库伦公式：  f = c +tg 3．土单元体中，任何一个面上的剪应力大于该面上土的抗剪强度，土单元体即发生破坏， 用破坏准则表示，即为式（5－7）至式（5－10）的极限平衡条件。 （三）极限平衡条件的应用 式（5－7）至式（5－14）是土体达到极限平衡状态的应力表达式。利用这些表达式，只要 知道土单元体实际上所受的应力和土的抗剪强度指标 c 和，就可以很容易判断该单元体是否产 生剪切破坏。例如，如果已知粗粒土的土体内某一点 M 的主应力为1m、3m，土的内摩擦角为 ，要判断该点土体是否破坏，可以利用式（5－11）。将该点的主应力代入式（5－11）等号的 右侧，求相应于这种应力下土体达到极限平衡所要求的内摩擦角m m m m m m 1 3 1 1 3 sin      + − = − 如果m >，表示保持土单元体不发生破坏所需的内摩擦角大于土的实际内摩擦角。显然， 实际土单元体必已破坏。反之m 1m，表示达到极限平衡状态要求的大主应力大于实际的大主应力，土 体处于弹性平衡状态。反之1<1m，土体已发生破坏。 注： 1）在平面应变条件下，一点的主应力与应力分量之间的关系为 2 2 3 2 2 1 2 2 2 2              +      − − + =  +      − + + = x z z x x z z x 主平面与任一面间之夹角为： z x arctg     − = 2 2 1 2）任意一个与大主应力成角的正应力与剪应力的计算式为： ( )sin( 2 ) 2 1 ( ) cos(2 ) 2 1 ( ) 2 1 1 3 1 3 1 3           = − = + + −

第三节 土的抗剪强度试验方法一、三轴剪切试验（一）规三轴剪切试验方法三轴剪切试验也称三轴压缩试验。试件在压力室内装好后，加周围压力63（即小主应力）让试件固结排水（也可不固结），然后分级加偏差应力△α=，一，，对试件进行剪切，直至试件破坏。剪切方法分两类，一类称为排水试验，即剪切过程中始终打开排水阀门，让试件中的孔隙流体（水和气）能及时排出或吸入，试件体积随之发生变化，试验结果见图4一9。另一类试验称为不排水试验，即剪切过程中始终关闭排水阀门，不让孔隙流体排出或吸入。由于剪切过程中试件的体积不能变化（对于饱和土）或不能充分变化（对于非饱和土，气体虽不能排出，但体积因孔隙压力的变化而变化），试件内的孔隙压力要发生变化。孔隙水压力u可由孔压量测装置（传感器或水银计）直接测定。。不排水试验的典型曲线见图5-11破坏包线和抗剪强度指不论是排水试验或是不排水试验，得出应力一应变关系曲线即（,－）-,曲线。从应力-应变关系曲线寻找破坏时的偏差应力(α1-3),的方法有如下三种：1)取曲线的量大偏差应力值作为(c,-0),，当需要用土的残余强度时则取试验曲线的终值(1,),作为(1 -0),:2)以量大有效主应力比(g,/,)处的偏差应力值作为(,-03);3）取规定的轴向应变值（例如15-20%）所相应的偏差应力作为(α1-0,),值。(-;),确定后，破坏时的最大主应力为=;+(a,-,),。这样用周围应力3。改变几种周围应力3，就可绘制和相应于这种周围应力的a1r就可以绘制一个极限状态几个极限状态的应力圆。按极限平衡条件，极限状态应力圆的公切线就是莫尔一库伦破坏包线。从破坏包线就可定出土的内摩擦角和粘聚力c（图5一12）。三）三轴试验的优缺点面所述的常规三轴剪切试验仪是土工实验室中最主要的仪器。它的主要缺点是试件所受的力是轴对称的，也即试件所受的三个主应力中，有两个是相等的即在三轴压缩试验中>0=0在三维问题中，土单元体的主应力为61、2、63。用每对主应力作应力圆，可绘成三个应力圆（图5一8）。根据莫尔一库伦破坏准则，破坏包线只决定于大主应力和小主应力，而与中主应力2的大小无关。但试验资料表明，2对土的抗剪强度值有影响。常规三轴剪切试验是在=:的轴对称应力状态下、增加o;直至试件破坏的试验方法。如果改用真三轴试仪等仪器使试件在>2>3下剪切破坏，两种试验方法得出的抗剪强度指标会有一定的差别，这种差别就是不同所引起的二、 直接剪切试验一）试验设备和试验方法直接剪力仪的主要部分是剪切盒（图5-17）。剪切盒分上下盒，上盒通过量力环固定于仪器架上，下盒放在能沿滚珠槽滑动的底盘上。试件通常是一块厚为20mm的圆形土样。试验时，将土样推入剪切盒内。先在试件上加垂直压力P，然后通过推进螺杆推动下盒，使试件沿下盒间的平面直接受剪切。剪力T由量力环测定，剪切变形S由百分表测定。在施加每一种法向压应力后（o，=PIA，A为试件面积），逐级增加剪切面上的剪应力t（t=T/A），直至试件破坏。将试验结果绘制成剪应力t和剪切变形S的关系曲线（图5一18）。变换几种法向应力，测出相应的几个抗剪强度tf。绘制一tr曲线即可得到土的莫尔一库伦破坏包线（图5一19）

5 第三节 土的抗剪强度试验方法 一、三轴剪切试验 （一）常规三轴剪切试验方法 三轴剪切试验也称三轴压缩试验。试件在压力室内装好后，加周围压力3（即小主应力）， 让试件固结排水（也可不固结），然后分级加偏差应力  =  1 − 3 ，对试件进行剪切，直至 试件破坏。剪切方法分两类，一类称为排水试验，即剪切过程中始终打开排水阀门，让试件中 的孔隙流体（水和气）能及时排出或吸入，试件体积随之发生变化，试验结果见图 4－9。另一 类试验称为不排水试验，即剪切过程中始终关闭排水阀门，不让孔隙流体排出或吸入。由于剪 切过程中试件的体积不能变化（对于饱和土）或不能充分变化（对于非饱和土，气体虽不能排 出，但体积因孔隙压力的变化而变化），试件内的孔隙压力要发生变化。孔隙水压力 u 可由孔 压量测装置（传感器或水银计）直接测定。不排水试验的典型曲线见图 5-11。 （二）破坏包线和抗剪强度指标 不论是排水试验或是不排水试验，得出应力一应变关系曲线即 1 3 1 ( − ) − 曲线。从应力 一应变关系曲线寻找破坏时的偏差应力 f ( )  1 − 3 的方法有如下三种： 1）取曲线的最大偏差应力值作为 f ( )  1 − 3 ，当需要用土的残余强度时则取试验曲线的终 值 r ( )  1 − 3 作为 f ( )  1 − 3 ； 2）以最大有效主应力比 max ' 3 ' 1 ( / ) 处的偏差应力值作为 f ( )  1 − 3 ； 3）取规定的轴向应变值（例如 15~20％）所相应的偏差应力作为 f ( )  1 − 3 值。 f ( )  1 − 3 确定后，破坏时的最大主应力为 f f ( )  1 =  3 +  1 − 3 。这样用周围应力3 和相应于这种周围应力的1f就可以绘制一个极限状态应力圆。改变几种周围应力3，就可绘制 几个极限状态的应力圆。按极限平衡条件，极限状态应力圆的公切线就是莫尔一库伦破坏包线。 从破坏包线就可定出土的内摩擦角和粘聚力 c（图 5－12）。 （三）三轴试验的优缺点 前面所述的常规三轴剪切试验仪是土工实验室中最主要的仪器。它的主要缺点是试件所受 的力是轴对称的，也即试件所受的三个主应力中，有两个是相等的即在三轴压缩试验中 1>2=3。 在三维问题中，土单元体的主应力为1、2、3。用每对主应力作应力圆，可绘成三个应 力圆（图 5－8）。根据莫尔一库伦破坏准则，破坏包线只决定于大主应力1 和小主应力3，而 与中主应力2 的大小无关。但试验资料表明，2 对土的抗剪强度值有影响。常规三轴剪切试验 是在2=3 的轴对称应力状态下、增加1 直至试件破坏的一种试验方法。如果改用真三轴试验 仪等仪器使试件在1＞2＞3 的状态下剪切破坏，两种试验方法得出的抗剪强度指标会有一定 的差别，这种差别就是2 不同所引起的。 二、直接剪切试验 （一）试验设备和试验方法 直接剪力仪的主要部分是剪切盒（图 5－17）。剪切盒分上下盒，上盒通过量力环固定于 仪器架上，下盒放在能沿滚珠槽滑动的底盘上。试件通常是一块厚为 20mm 的圆形土样。试验 时，将土样推入剪切盒内。先在试件上加垂直压力 P，然后通过推进螺杆推动下盒，使试件沿 上下盒间的平面直接受剪切。剪力 T 由量力环测定，剪切变形 S 由百分表测定。在施加每一种 法向压应力后（  n = P / A，A 为试件面积），逐级增加剪切面上的剪应力（ =T/A），直至 试件破坏。将试验结果绘制成剪应力和剪切变形 S 的关系曲线（图 5－18）。变换几种法向应 力，测出相应的几个抗剪强度f。绘制—f曲线即可得到土的莫尔一库伦破坏包线（图 5－19）

（二）优缺点直剪仪设备简单，操作方便，至今在工程实践中仍广泛应用。这种试验，试件的厚度薄，固结快，试验的历时短。特别是对于粘性大的细粒土，用三轴试验需要固结的时间很长。另外仪器盒的刚度大，试件没有侧向膨胀的可能，根据试件的竖向变形量就能直接算出试验过程中试件体积的变点是试件内的应力状态复杂，应变分布不均匀。这种试验在加剪应力之前，大主应力生应力的方向产生偏转（图5件上的竖向应力nW同.20a0.所以试验过程中至应力的方问是不断变化的。并且在试件剪切过程应力愈大，偏转角也愈大，，靠近剪力盒边缘的应变最大，而试件中间部分的应变相对较小，剪切面附近的应变又大于试件顶部和底部的应外，这种试验方法不能控制试件的排水，不能量测试验过程中试件内孔隙水压力的变化。只能根据剪切速率，大致模拟实际工程中土体的工作情况无侧限压缩试享侧限压缩试验实际上是三轴压缩试验的一种特殊情况，即周围压力6:=0的三轴试验。将试件1直接放在仪器的底座2上（图5-22a），摇动手轮3，使底座缓慢上升，顶压上部的量从而产生试件产生剪切破坏。破坏时的向压应力以.表示，称为1环4压C1退抗压强度。由手不能改变周围压力，所以只能测得一个通过原点的极限应力圆（图5-22b）得不到破坏包用无侧限抗压强度q可以换算饱和粘土的不固结不排水强度c.即t,=u=Cu(5-18)四、十字板剪切试验十字板剪切仪是一种使用方便的原位测试仪器，通常用以测定饱和粘性土的原位不排水强度，特别适用于均匀饱和软粘土十字板仪由板头、加力装置和量测装置三部分所组成（图5-23）。板头是两片正交的金属板，厚2mm，刃口成60%，常用尺寸为D（宽）xH（高）=50mmx100mn通常在钻孔内进行。先将钻孔钻进至要求测试的深度以上75cm左右。清理孔底后将十字板头压入解临的空度来在格务点的的影的的新的时十字板周围的土为H的圆木生形剪切面剪切面寸开的剪应力随扭矩的增加而增加，直到最大扭矩Mmax时，土体沿圆柱面破坏，剪应力达到土的抗剪强度t分析土的抗剪强度和扭矩的关系。实际上抗扭力矩是由M和M两部分所组成，即M.=M+M.(5-19)Mi是柱体的上下面的抗剪强度对圆心所产生的抗扭力矩，其值为M,=2(rx/x)(5-20)、下面剪应力对圆心的平均力臂，取/==×()-其中，（2=水平面上的抗剪强M是圆柱面上的剪应力对圆心所产生的抗扭力矩，其值为：M,=元DH×号xTm(5-21)—竖直面上土的抗剪强度。假定土体为各向同性体，即tm=Th，将式（5-20）和式(5-21）代入式（5—19）得

6 （二）优缺点 直剪仪设备简单，操作方便，至今在工程实践中仍广泛应用。这种试验，试件的厚度薄， 固结快，试验的历时短。特别是对于粘性大的细粒土，用三轴试验需要固结的时间很长。另外 仪器盒的刚度大，试件没有侧向膨胀的可能，根据试件的竖向变形量就能直接算出试验过程中 试件体积的变化。 其缺点是试件内的应力状态复杂，应变分布不均匀。这种试验在加剪应力之前，大主应力 1 就是作用于试件上的竖向应力n。加剪应力后，主应力的方向产生偏转（图 5－20a）。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变化的。并且在试件剪切过程 中，靠近剪力盒边缘的应变最大，而试件中间部分的应变相对较小，剪切面附近的应变又大于 试件顶部和底部的应变。 此外，这种试验方法不能控制试件的排水，不能量测试验过程中试件内孔隙水压力的变化。 只能根据剪切速率，大致模拟实际工程中土体的工作情况。 三、无侧限压缩试验 无侧限压缩试验实际上是三轴压缩试验的一种特殊情况，即周围压力3=0 的三轴试验。将 试件 1 直接放在仪器的底座 2 上（图 5－22a），摇动手轮 3，使底座缓慢上升，顶压上部的量 力环 4，从而产生轴向压力 q 至试件产生剪切破坏。破坏时的轴向压应力以 qu 表示，称为无侧 限抗压强度。由于不能改变周围压力3，所以只能测得一个通过原点的极限应力圆（图 5－22b）， 得不到破坏包线。 用无侧限抗压强度 qu 可以换算饱和粘土的不固结不排水强度 cu 即 (5 -18) 2 u u f c q  = = 四、十字板剪切试验 十字板剪切仪是一种使用方便的原位测试仪器，通常用以测定饱和粘性土的原位不排水强 度，特别适用于均匀饱和软粘土中。 十字板仪由板头、加力装置和量测装置三部分所组成（图 5-23）。板头是两片正交的金属 板，厚 2mm，刃口成 60º，常用尺寸为 D（宽）H（高）=50 mm100mm。 试验通常在钻孔内进行。先将钻孔钻进至要求测试的深度以上 75cm 左右。清理孔底后， 将十字板头压入土中至测试的深度。然后通过安放在地面上的扭力施加装置，旋转钻杆以扭转 十字板头，这时十字板周围的土体内形成一个直径为 D、高度为 H 的圆柱形剪切面。剪切面上 的剪应力随扭矩的增加而增加，直到最大扭矩 Mmax 时，土体沿圆柱面破坏，剪应力达到土的抗 剪强度f。 分析土的抗剪强度和扭矩的关系。实际上抗扭力矩是由 M1 和 M2 两部分所组成，即 (5 -19) Mmax = M1 + M2 M1 是柱体的上下面的抗剪强度对圆心所产生的抗扭力矩，其值为 (5 - 20) 4 2 2 1         =   fh l D M   其中，l 一上、下面剪应力对圆心的平均力臂，取 3 2 3 2 D D l  =      =  ； fh—水平面上的抗剪强度； M2 是圆柱面上的剪应力对圆心所产生的抗扭力矩，其值为： (5 - 21) 2 2 fv D M = DH   fv 一竖直面上土的抗剪强度。 假定土体为各向同性体，即 fh fv  =  ，将式（5－20）和式（5－21）代入式（5－19）得

-D2M=M+M元D?Ht所以(5 - 22)T)"D(D+H)2(3试验时，当扭矩达到Mmx时，土体剪切破坏，这时土所发挥的抗剪强度tr也就是图5-24中的蜂值剪应力。剪切破坏后，扭矩不断减小，即剪切面上的剪应力不断下降，最后趋于稳定（图5-24)十字板剪切试验优缺点糖的腺性控在腺性进行试险。不要主样。因此所受的试况议小。王的各向异性实际土体在不同程度上是各向异性的，t不等于t馅，往往峰值的大小不同，而且达到峰值所需的变位（即扭转角）也不同。扭转速扭转速率对测试结果的影响很大。由于颗粒之间存在着粘滞阻力，旋转越快，测得的强度越高。目前国内外一般都采用0.1°/s的速率，插入深度对土的扰动的影清孔能扰动试验点的土质，故插入深度原则上不应小于所用套管直径的五倍。我国采用的插入深度要求为75cm4.逐渐破坏两端和周围各点的应力以及应变分布也不均匀，因此整个剪切面上不能同板施转时达到峰值抗剪强度。第四节 土的抗剪强度机理和影响因素库伦抗剪强度公式t，=c+otgd表明，土的抗剪强度是由摩擦强度otgp和粘聚强度c两部分组成。一、摩擦强度1.粗粒摩擦强度决定于剪切面上的正应力和土的内摩擦角。粗粒土的内摩擦涉及颗粒之间的相对移动，其物理过程包括颗粒之间滑动时产生的滑动摩擦和颗粒之间脱离咬合状态而所产生的咬合摩擦。是由于颗粒接触面粗糙不平所引起，与颗粒的形状、矿物组成、级配等因素有关，土粒间的滑动摩擦可用滑动摩擦角表示。以石英砂为例。由于粗颗粒的重心离剪切面O剪切作用时容易产生部分滚动摩擦的缘故，因此随着粒径增大，滑动摩擦角蚂反而减小（图5-26合摩擦是指相邻颗粒对于相对移动的约束作用。当土体内沿某一剪切面产生剪切破坏时相互咬合着的颗粒必须从原来的位置被抬起（如图5-27b中的颗粒A），跨越相邻颗粒（颗粒B），或者在尖角处将颗粒剪断（颗粒C），然后才能移动。总之先要破坏原来的咬合状态，一般表见为体积胀，才能达到剪切破坏。剪胀需要消耗部分能量，这部分能即所谱量需要由剪切力做功来补偿，即表现为内摩擦角的增大。土愈密，磨圆度愈小，咬合作用愈强则内摩擦角愈因此，影响粗粒土内摩擦角的主要因素是密度、粒径级配、颗粒形状和矿物成分。这些因素对粗粒土内摩擦角的影响以及的一般变化范围见图5-28。2.细粒土

7 f D H f D D M M M     2 2 max 1 2 2 1 2 3 = + =   + 所以 (5 - 22) 2 3 2 max       + = H D D M f   试验时，当扭矩达到 Mmax 时，土体剪切破坏，这时土所发挥的抗剪强度f也就是图 5-24 中的蜂值剪应力p。剪切破坏后，扭矩不断减小，即剪切面上的剪应力不断下降，最后趋于稳 定（图 5-24）。 十字板剪切试验优缺点 优点：十字板剪切试验直接在原位进行试验，不必取土样，因此所受的扰动较小。 缺点： 1．土的各向异性 实际土体在不同程度上是各向异性的，fv 不等于fh，往往峰值的大小不同，而且达到峰值 所需的变位（即扭转角）也不同。 2．扭转速率 扭转速率对测试结果的影响很大。由于颗粒之间存在着粘滞阻力，旋转越快，测得的强度 越高。目前国内外一般都采用 0.1º/s 的速率。 3．插入深度对土的扰动的影响 清孔能扰动试验点的土质，故插入深度原则上不应小于所用套管直径的五倍。我国采用的 插入深度要求为 75cm。 4．逐渐破坏效应 十字板旋转时，两端和周围各点的应力以及应变分布也不均匀，因此整个剪切面上不能同 时达到峰值抗剪强度。 第四节 土的抗剪强度机理和影响因素 库伦抗剪强度公式  f = c +tg 表明，土的抗剪强度是由摩擦强度 tg 和粘聚强度 c 两 部分组成。 一、摩擦强度 1．粗粒土 摩擦强度决定于剪切面上的正应力和土的内摩擦角。粗粒土的内摩擦涉及颗粒之间的相 对移动，其物理过程包括颗粒之间滑动时产生的滑动摩擦和颗粒之间脱离咬合状态而所产生的 咬合摩擦。 滑动摩擦是由于颗粒接触面粗糙不平所引起，与颗粒的形状、矿物组成、级配等因素有关。 土粒间的滑动摩擦可用滑动摩擦角u 表示。以石英砂为例。由于粗颗粒的重心离剪切面远，受 剪切作用时容易产生部分滚动摩擦的缘故，因此随着粒径增大，滑动摩擦角u 反而减小（图 5-26）。 咬合摩擦是指相邻颗粒对于相对移动的约束作用。当土体内沿某一剪切面产生剪切破坏时， 相互咬合着的颗粒必须从原来的位置被抬起（如图 5-27b 中的颗粒 A），跨越相邻颗粒（颗粒 B）， 或者在尖角处将颗粒剪断（颗粒 C），然后才能移动。总之先要破坏原来的咬合状态，一般表 现为体积胀大，即所谓“剪胀”现象，才能达到剪切破坏。剪胀需要消耗部分能量，这部分能 量需要由剪切力做功来补偿，即表现为内摩擦角的增大。土愈密，磨圆度愈小，咬合作用愈强， 则内摩擦角愈大。 因此，影响粗粒土内摩擦角的主要因素是密度、粒径级配、颗粒形状和矿物成分。这些因 素对粗粒土内摩擦角的影响以及的一般变化范围见图 5－28。 2．细粒土

细粒土的颗粒细微，颗粒表面存在着吸附水膜，颗粒间可以在接触点处直接接触，也可以通过吸附水膜而间接接触，所以杂。除了由于相互度的移动和咬合作用对细粒土的摩擦强度的影响外，接触点处颗粒表面的物理化学作用对细粒土的摩擦强度也有一定的影响。二、 粘聚强度细粒土的粘聚力取决于土粒间的各种物理化学作用力，包括库伦力（静电力）、范德华力、胶结作用力等一般认为粘聚力由原始粘聚力和固化粘聚力两部分。原始粘聚力来源于颗粒间的静电力和范德华力。颗粒间的距离愈近土粒的接触点愈多，则原始粘聚力愈大。因此，同I,单位面积上种土，密度愈大，原始粘聚力就愈大。当颗粒间相互离开一定距离以后，原始粘聚力才完全丧失。固化粘聚力来源于颗粒之间的胶结物质的固化粘聚力除了与胶结物质的强度，还随着时间的推移而强化。密度相同的重塑土的抗剪强度与原状自关抗剪强度往往有较大的差果强度愈高，很重要的原因就是固老的转所起的作用水位以上的十由于毛细水的张力作用，在十骨架间引起毛细压力。毛细压也有连结土颗粒的作用。颗粒愈细，毛细压力愈大。2.粗粒+粗粒土一般认为不具有粘聚强度。三、摩擦强度和粘聚强度的内在联系擦强度和粘聚强难以截然区，而其物理X有时摩擦强度体现为粘聚强度形式表理博文以摩后抗剪强度指标c、值，采用不同的试验方法可以得到不同的测定结果，因此最好将和看作计算土抗剪强度的参数而非内在指标第五节土在剪切中的性状和各类抗剪强度指标土的抗剪强度指标内摩擦角和粘聚力℃可用三轴试验或直剪试验在室内测定。但同一种土，如果采用的试验方法不同，测得的结果往往差别很大。因此，正确选用土的抗剪强度指标极为重要。土在排水和不排水条件下的剪切性状产生体积的变化，或体积膨胀或体积缩小，即趣切时仪会格然的化通常所说的剪胀性前体积增大霜上体是非饱和的，孔隙流体体积的变化就表现本积缩体的本少这时要使十体体积变化就得把部分水挤出或体的体和惠果是饱和，入。排水剪切试验是指在剪切过程中因体积变化而引起的孔隙水有充足的时间排出或吸入，不排水剪切试验则指在剪切过程中水完全不能流出或吸入，体积保持恒定，排水剪切（1）粗粒在第四章中（图4－9）已讨论过排水剪切情况。密砂受剪切作用时，当轴向应变e:很小时体积收缩，土体变得更为密实。随着应变的增加，土体变为剪胀状态，体积膨胀，密度降低。体积膨胀到定程度后，承受剪应力的能力反反而降低，于是在应力-应变关系曲线上出现峰值再继续剪切，体积仍然不断膨胀，密度不断减小，剪应力不断松驰，最后趋于稳定，达到土的残余强度而松砂在剪切的整个过程中，都处于剪缩状态，体积一直不断缩小，密度不断增加，应力应变关系曲线最后也趋于一个稳定值。因此，在排水条件下受剪切作用时，松砂要变密，而密砂则变松，最后趋向于一种稳定不变的密度和强度（2）细粒土

8 细粒土的颗粒细微，颗粒表面存在着吸附水膜，颗粒间可以在接触点处直接接触，也可以 通过吸附水膜而间接接触，所以影响细粒土摩擦强度的因素要比粗粒土的复杂。除了由于相互 移动和咬合作用对细粒土的摩擦强度的影响外，接触点处颗粒表面的物理化学作用对细粒土的 摩擦强度也有一定的影响。 二、粘聚强度 1．细粒土 细粒土的粘聚力 c 取决于土粒间的各种物理化学作用力，包括库伦力（静电力）、范德华 力、胶结作用力等。 一般认为粘聚力由原始粘聚力和固化粘聚力两部分。原始粘聚力来源于颗粒间的静电力和 范德华力。颗粒间的距离愈近，单位面积上土粒的接触点愈多，则原始粘聚力愈大。因此，同 一种土，密度愈大，原始粘聚力就愈大。当颗粒间相互离开一定距离以后，原始粘聚力才完全 丧失。固化粘聚力来源于颗粒之间的胶结物质的胶结作用，固化粘聚力除了与胶结物质的强度 有关外，还随着时间的推移而强化。密度相同的重塑土的抗剪强度与原状土的抗剪强度往往有 较大的差别，而且沉积年代愈老的土，强度愈高，很重要的原因就是固化粘结力所起的作用。 此外，地下水位以上的土，由于毛细水的张力作用，在土骨架间引起毛细压力。毛细压力 也有连结土颗粒的作用。颗粒愈细，毛细压力愈大。 2．粗粒土 粗粒土一般认为不具有粘聚强度。 三、摩擦强度和粘聚强度的内在联系 土的抗剪强度虽然形式上可以区分为摩擦强度和粘聚强度，而其物理实质则难以截然区分。 有时摩擦强度体现为粘聚强度的一部分，有时粘聚强度又以摩擦强度的形式表现。同一种土的 抗剪强度指标 c、 值，采用不同的试验方法可以得到不同的测定结果，因此最好将 c 和  看作 计算土抗剪强度的参数而非内在指标。 第五节 土在剪切中的性状和各类抗剪强度指标 土的抗剪强度指标内摩擦角  和粘聚力 c 可用三轴试验或直剪试验在室内测定。但同一种 土，如果采用的试验方法不同，测得的结果往往差别很大。因此，正确选用土的抗剪强度指标 极为重要。 一、土在排水和不排水条件下的剪切性状 土在受剪切时不仅会产生形状的变化，还会产生体积的变化，或体积膨胀或体积缩小，即 通常所说的剪胀性。剪胀时，体积增大，孔隙流体（水和气）的体积增加，土变松；剪缩时， 体积缩小，孔隙流体的体积减小，土变密。如果土体是非饱和的，孔隙流体体积的变化就表现 为气体的体积变化；如果是饱和土，这时要使土体体积变化就得把部分水挤出或吸入。排水剪 切试验是指在剪切过程中因体积变化而引起的孔隙水有充足的时间排出或吸入，不排水剪切试 验则指在剪切过程中水完全不能流出或吸入，体积保持恒定。 1．排水剪切 （1）粗粒土 在第四章中（图 4－9）已讨论过排水剪切情况。密砂受剪切作用时，当轴向应变1 很小时， 体积收缩，土体变得更为密实。随着应变的增加，土体变为剪胀状态，体积膨胀，密度降低。 当体积膨胀到一定程度后，承受剪应力的能力反而降低，于是在应力-应变关系曲线上出现峰值。 再继续剪切，体积仍然不断膨胀，密度不断减小，剪应力不断松驰，最后趋于稳定，达到土的 残余强度。 而松砂在剪切的整个过程中，都处于剪缩状态，体积一直不断缩小，密度不断增加，应力- 应变关系曲线最后也趋于一个稳定值。 因此，在排水条件下受剪切作用时，松砂要变密，而密砂则变松，最后趋向于一种稳定不 变的密度和强度。 （2）细粒土

土的细粒土在排水条件下受剪切时所表现的性状类似于松砂和中密正常固结和轻度超固砂，而重度的超固结土则类似于密砂。2.排水剪切租不排水剪切试验在剪切过程中不让土样排水，控制体积固定不变。剪切要引起体积变化是土的基本特性人为控制排水条件，不让试件体积发生变化，并不能改变这种特性，即“体变势”仍然存在，但表现为土样中孔隙水压力的变化（图5－11）。当土的体积有膨胀的趋势而中产生负值的孔隙水压力，使作用于骨架上的有效应力增加，从而受限制不让其膨胀时，则土土体不能膨胀。相反，当土体有收缩的趋势而控制不让其收缩时，则土体内要产生正值的孔隙水压力，其结果减小作用于骨架上的有效应力，从而使土体不发生收缩。根据这种内在的机制密砂在不排水条件下受剪切，初始时产生正的孔隙水压力，很快变成负值孔隙水压力。负值孔隙水压力增加土骨架的有效样承受剪应力的能力提高，所以(1-2）6i曲线几乎是直线上升直至存极松砂在剪切中都是体缩的趋势，孔隙水压力不断增加直至稳定值。相应地，十样中的有交改应力不断减小，强度不断降低。的趋势转化为孔隙水压力的变化。密砂产生负值出体在不排水条件下受剪切孔隙水生正值孔隙水压力，降低土的抗剪强度。细料正常固结和轻度超固结的细粒土在不排水条件下的剪切性状类似于松砂和中密砂，而重度的超固结土则类似于密砂。二、 总应力抗剪强度指标和有效应力抗剪强度指标只有有效应力才能引起土的抗剪强度的变化。从理论上讲，用有效应力原力法才能确切表示土的抗比较合理。但是，用这种方法分析实际的抗剪引串度的实，还必须知道土体中的孔隙水厂中的孔隙水压力并不是任何情况享时，做力外此有效应力法就难以完全代替总应力法获得普遍使用都能求得，因此。剪切过程中所产生的孔隙水压工作条件。力虽无法得知，但其影响可以在强度指标c、d中得到反明如果试件条件与原位土体的相同则用总应有效应力法得到的抗剪强度就应相互一致。因此，在用总应力指标时，通过控试件的排水条件，使其与原位土体的排水条件相似，从而使土在剪切中的性状相同。例如原位土体在剪切中排水困难时，就用不排水剪切试验：原位土体排水容易时，就采用排水剪切试验。显然，原位土体的工作条件往往介于排水和不排水之间，所以总应力法所提供的指标只能是近似的，近似的程度决定于所选择的试验方法在多大程度上能够反映原位土体的工作状况原则上，如果孔隙水压力能够较为可靠的确定采用有效应力如果孔隙水压力不能确定，则采用总应力法，此时应选择与原位土体工作条件相同或相近的试验方法来测定土的抗按试件在试验过程中的固结和排水条件不同，剪切试验分为三类，民即不固结不排水试同结不排水试验试验（CU试验）或固结快剪试验。前者采用三轴仪进行，后者则用直剪仪进行三、三轴不固结不排水剪切试验和直剪快剪试验不固结不排水剪切试验（UU试验从地基中取出或由实验室制备的土样放在三轴仪的压力室内，在排水阀门关闭的情况下施加周压力の3，不让试件固结，即试件不压密，，所引起的孔隙水压力不让消散。然后，增加轴向应力Ao，即偏差应力(a,-），进行剪切，在这一过程中也关闭排水阀门不让试件排水。这种试验就称为不固结不排水试验。试验结果（图5-33）显示，尽管周围压力α不同，但抗剪强度相同，因此抗剪强度包线是一根与各个应力圆相切的水平线。即饱和土不固结不排水剪切试验的内摩擦角，=0、粘聚力C,=(o,-.)。不排水强度Cu的大小决定于土样所受的先期固结压力。先期固结压力愈高，土的孔隙比愈小，不排水强度Cu越大

9 正常固结和轻度超固结土的细粒土在排水条件下受剪切时所表现的性状类似于松砂和中密 砂，而重度的超固结土则类似于密砂。 2．排水剪切 （1）粗粒土 不排水剪切试验在剪切过程中不让土样排水，控制体积固定不变。剪切要引起体积变化是 土的基本特性。人为控制排水条件，不让试件体积发生变化，并不能改变这种特性，即“体变 势”仍然存在，但表现为土样中孔隙水压力的变化（图 5－11）。当土的体积有膨胀的趋势而 受限制不让其膨胀时，则土中产生负值的孔隙水压力，使作用于骨架上的有效应力增加，从而 土体不能膨胀。相反，当土体有收缩的趋势而控制不让其收缩时，则土体内要产生正值的孔隙 水压力，其结果减小作用于骨架上的有效应力，从而使土体不发生收缩。根据这种内在的机制， 密砂在不排水条件下受剪切，初始时产生正的孔隙水压力，很快变成负值孔隙水压力。负值孔 隙水压力增加土骨架的有效应力，使土样承受剪应力的能力提高，所以(1-2)~1 曲线几乎是直 线上升直至破坏。极松砂在剪切中都是体缩的趋势，孔隙水压力不断增加直至稳定值。相应地， 土样中的有效应力不断减小，强度不断降低。 因此，土体在不排水条件下受剪切，体变的趋势转化为孔隙水压力的变化。密砂产生负值 孔隙水压力，增加土的抗剪强度。松砂则产生正值孔隙水压力，降低土的抗剪强度。 （2）细粒土 正常固结和轻度超固结的细粒土在不排水条件下的剪切性状类似于松砂和中密砂，而重度 的超固结土则类似于密砂。 二、总应力抗剪强度指标和有效应力抗剪强度指标 按照有效应力原理，只有有效应力才能引起土的抗剪强度的变化。从理论上讲，用有效应 力法才能确切表示土的抗剪强度的实质，比较合理。但是，用这种方法分析实际土体的抗剪强 度时，除总应力外，还必须知道土体中的孔隙水压力，而土体中的孔隙水压力并不是任何情况 下都能求得，因此有效应力法就难以完全代替总应力法获得普遍使用。 抗剪强度总应力法是用试验方法模拟原位土体的工作条件。剪切过程中所产生的孔隙水压 力虽无法得知，但其影响可以在强度指标 c、中得到反映。如果试件条件与原位土体的相同， 则用总应力法与有效应力法得到的抗剪强度就应相互一致。因此，在用总应力指标时，通过控 制试件的排水条件，使其与原位土体的排水条件相似，从而使土在剪切中的性状相同。例如， 原位土体在剪切中排水困难时，就用不排水剪切试验；原位土体排水容易时，就采用排水剪切 试验。显然，原位土体的工作条件往往介于排水和不排水之间，所以总应力法所提供的指标只 能是近似的，近似的程度决定于所选择的试验方法在多大程度上能够反映原位土体的工作状况。 原则上，如果孔隙水压力能够较为可靠的确定，都应该采用有效应力法，但如果孔隙水压力不 能确定，则采用总应力法，此时应选择与原位土体工作条件相同或相近的试验方法来测定土的 总应力抗剪强度指标。 按试件在试验过程中的固结和排水条件不同，剪切试验分为三类，即不固结不排水试验 （UU 试验）或快剪试验、固结排水试验（CD 试验）或慢剪试验、固结不排水试验试验（CU 试验）或固结快剪试验。前者采用三轴仪进行，后者则用直剪仪进行。 三、三轴不固结不排水剪切试验和直剪快剪试验 （－）三轴不固结不排水剪切试验（UU 试验） 从地基中取出或由实验室制备的土样放在三轴仪的压力室内，在排水阀门关闭的情况下施 加周压力  3 ，不让试件固结，即试件不压密，  3 所引起的孔隙水压力不让消散。然后，增加 轴向应力  1 ，即偏差应力 ( )  1 − 3 ，进行剪切，在这一过程中也关闭排水阀门不让试件排 水。这种试验就称为不固结不排水试验。试验结果（图 5-33）显示，尽管周围压力  3 不同，但 抗剪强度相同，因此抗剪强度包线是一根与各个应力圆相切的水平线。即饱和土不固结不排水 剪切试验的内摩擦角 u = 0 、粘聚力 ( ) 2 1 Cu =  1 − 3 。不排水强度 Cu 的大小决定于土样所 受的先期固结压力。先期固结压力愈高，土的孔隙比愈小，不排水强度 Cu 越大

=0、C,=(c,-0,)并不意味着土不具有摩擦强度，因为剪切面上存在有效应力就应该有摩擦强度，但这种试验方法将摩擦强度隐含于粘聚强度内，两者难以区分。非饱和土由于土样中含有空气，试验过程中，虽然不让试件排水，但在加载中，气体能压缩或部分溶解于水中，使土的密度有所提高，抗剪强度也随之增长，故破坏包线的起始段为曲线，直至土样完全饱和后才趋于水平线（图5－34）不排水强度用于荷载增加所引起的孔隙水压力不消散、密度保持不变的情况。如果建筑物的施工速度的粘性大、透水性小、排水条件差时就应该采用不排水强度。水度在软土地基的稳定分析中土坡的稳定分析也常采用这种方然饱水粘件用的法。此外，辗压粘性土坝施工期的边坡稳定分析，如果采用总应力法时，也应采用不排水强度。（二）快剪试验与三轴不固结不排水试验方法相对应，在直剪试验中称为快剪试验。因为直剪仪不能控制排水条件，所以只能用加荷速度来模拟不同工况下土的性状。遇到不能排水的工况时，就用快剪试验来模拟快剪试验的要点是在试件的上下面贴不透水腊纸或薄膜，以模拟不排水的边界条件。加垂直法向应力，后，不让试件固结，立即施加剪应力。剪应力的施加速度很快，要求在3-5分钟内将试件剪坏。用这种试验方法测得的抗剪强度指标称为快剪强度指标c、中。如果是粘性较大的土样，则快剪试验与三轴不固结不排水试验性质基本相同。但是对于低粘性土或无粘性灵薄、边界不能保证绝绝对不透水，则快剪试验测得的抗剪强度指标与三轴不排水因试验测得的强度指标就会有较大的差别。四、三轴固结排水试验和直剪慢剪试验三轴固结排水试验（CD试验）固结排水试验是指在三轴试验中，排水阀门始终打开，试件先在周围压力の，作用下充分固结。稳定后缓慢增加轴向偏差应力△o，让剪切过程中充分排水。这样，试件中恒不出现超静孔隙水压力，总应力恒等于有效应力。用这种试验方法测得的抗剪强度称为排水强度。相应的抗剪强度指标为排水强度指标ca和ga。因为试件内的应力始终为有效应力，所以ca和。也可视为就是有效应力抗剪强度指标c和方法测定的抗剪强度包线通过原点（图5-35）即粘聚强度C=0，这并不意味着这种不具有粘聚强度，而是因为本实验方法测定的土的粘聚强度隐含于摩擦强度之内，两者区分不排水强度是指加载过程中孔隙水压力全部并及时消散，密度不断增加情况下的强度。工程中国当建筑物的施工速度较慢，而地基土的粘性小或无粘性、透水性大、排水条件良好时，在地基极限承载力的计算中可用排水试验的抗剪强度指标）慢剪试验与三轴排水试验方法相对应方法为慢剪试验。在慢剪试验中，为了保证试件直前试能充分固结排水，试件的上下面垫以可以透水的滤纸代替不透水的腊纸。加垂直应力，后，让试件充分固结，待变形稳定后再加剪应力。加剪应力的速率也很缓慢，让剪切过程中孔隙水压力完全消散。用这种试验方法测得的指标称为慢剪强度指标，标为和。由于试件中没有孔隙水压力，总应力就是有效应力，所以这种指标与有效应力强度指标相当。五、三轴固结不排水试验和直剪固结快剪试验三轴固结不排水试验（CU试验让几个试件分别在几种不同的周围应力，作用下固结，将固结后的试件进行不排水剪切试验，就得到几个不同的极限应力圆（图5一38），这几个应力圆的公切线就是固结不排水试验

10 u = 0、 ( ) 2 1 Cu =  1 − 3 并不意味着土不具有摩擦强度，因为剪切面上存在有效应力就 应该有摩擦强度，但这种试验方法将摩擦强度隐含于粘聚强度内，两者难以区分。 非饱和土由于土样中含有空气，试验过程中，虽然不让试件排水，但在加载中，气体能压 缩或部分溶解于水中，使土的密度有所提高，抗剪强度也随之增长，故破坏包线的起始段为曲 线，直至土样完全饱和后才趋于水平线（图 5－34）。 不排水强度用于荷载增加所引起的孔隙水压力不消散、密度保持不变的情况。如果建筑物 的施工速度快、地基土的粘性大、透水性小、排水条件差时就应该采用不排水强度。不排水强 度在软土地基的稳定分析中是一种常用的方法。天然饱水粘性土坡的稳定分析也常采用这种方 法。此外，辗压粘性土坝施工期的边坡稳定分析，如果采用总应力法时，也应采用不排水强度。 （二）快剪试验 与三轴不固结不排水试验方法相对应，在直剪试验中称为快剪试验。因为直剪仪不能控制 排水条件，所以只能用加荷速度来模拟不同工况下土的性状。遇到不能排水的工况时，就用快 剪试验来模拟。 快剪试验的要点是在试件的上下面贴不透水腊纸或薄膜，以模拟不排水的边界条件。加垂 直法向应力  v 后，不让试件固结，立即施加剪应力。剪应力的施加速度很快，要求在 3－5 分 钟内将试件剪坏。用这种试验方法测得的抗剪强度指标称为快剪强度指标 cq、 q 。如果是粘性 较大的土样，则快剪试验与三轴不固结不排水试验性质基本相同。但是对于低粘性土或无粘性 土，因为试件很薄、边界不能保证绝对不透水，则快剪试验测得的抗剪强度指标与三轴不排水 试验测得的强度指标就会有较大的差别。 四、三轴固结排水试验和直剪慢剪试验 （一）三轴固结排水试验（CD 试验） 固结排水试验是指在三轴试验中，排水阀门始终打开，试件先在周围压力  3 作用下充分固 结。稳定后缓慢增加轴向偏差应力  1 ，让剪切过程中充分排水。这样，试件中恒不出现超静 孔隙水压力，总应力恒等于有效应力。用这种试验方法测得的抗剪强度称为排水强度。相应的 抗剪强度指标为排水强度指标 cd 和  d 。因为试件内的应力始终为有效应力，所以 cd 和  d 也可 视为就是有效应力抗剪强度指标 c  和  。 本方法测定的抗剪强度包线通过原点（图 5－35）即粘聚强度 Cd=0，这并不意味着这种土 不具有粘聚强度，而是因为本实验方法测定的土的粘聚强度隐含于摩擦强度之内，两者区分不 开。 排水强度是指加载过程中孔隙水压力全部并及时消散，密度不断增加情况下的强度。工程 中，当建筑物的施工速度较慢，而地基土的粘性小或无粘性、透水性大、排水条件良好时，在 地基极限承载力的计算中可用排水试验的抗剪强度指标。 （二）慢剪试验 在直剪试验中与三轴排水试验方法相对应方法为慢剪试验。在慢剪试验中，为了保证试件 能充分固结排水，试件的上下面垫以可以透水的滤纸代替不透水的腊纸。加垂直应力  v 后，让 试件充分固结，待变形稳定后再加剪应力。加剪应力的速率也很缓慢，让剪切过程中孔隙水压 力完全消散。用这种试验方法测得的指标称为慢剪强度指标，标为 cs 和 s 。由于试件中没有孔 隙水压力，总应力就是有效应力，所以这种指标与有效应力强度指标相当。 五、三轴固结不排水试验和直剪固结快剪试验 （一）三轴固结不排水试验（CU 试验） 让几个试件分别在几种不同的周围应力  3 作用下固结，将固结后的试件进行不排水剪切试 验，就得到几个不同的极限应力圆（图 5－38），这几个应力圆的公切线就是固结不排水试验