第四章土的抗剪强度与地基承载力 第一节概述 建筑物地基基础设计必须满足变形和强度两个基本条件。设计过程中,首先 是根据上部结构荷载与地基承载力之间的关系(简单的说,即是建筑物基础底面 处的接触压力应小与等于地基承载力)来确定基础的埋置深度和平面尺寸以保证 地基土不丧失稳定性,这是承载力设计的主要目的。在此前提下还要控制建筑物 的沉降在容许的范围以内,使结构不致因过大的沉降或不均勺沉降而出现开裂 倾斜等现象,保证建筑物和管网等配套设施能够正常工作。 强度和变形是两个不同的控制标准,任何安全等级的建筑物都必须进行承载 力的设计计算,都必须满足地基的承载力和稳定性的要求,在满足地基的承载力 和稳定性的前提下,还必须满足变形要求。以上两个要求不可互相替代,承载力 要求是先决条件,但并不是所有的建筑物都必须进行沉降验算,根据工程经验 对某些特定的建筑物,强度起着控制性作用,只要强度条件满足,变形条件也能 同时得到满足,因此就不必进行沉降验算(参见《建筑地基基础设计规范》有关 规定与要求)。关于地基的变形计算己在第三章中介绍,本章将主要介绍地基的 承载力和稳定问题,它包括土的抗剪强度以及地基基础设计时的地基承载力的计 算问题。 土的抗剪强度是指在外力作用下,土体内部产生剪应力时,土对剪切破坏的 极限抵抗能力。土的抗剪强度主要应用于地基承载力的计算和地基稳定性分析、 边坡稳定性分析、挡土墙及地下结构物上的土压力计算等 实例: 第二节土的抗剪强度 抗剪强度 (-)库仑定律 土的抗剪强度和其他材料的抗剪强度一样,可以通过试验的方法测定,但土 的抗剪强度与之不同的是,工程实际中地基土体因自然条件、受力过程及状态等 诸多因素的影响,试验时必须模拟实际受荷过程,所以土的抗剪强度并非是一个 定值。不同类型的土其抗剪强度不同,即使同一类土,在不同条件下的抗剪强度 也不相同。如沙土在地面几乎没有抗剪强度而在深部就您承压 测定土的抗剪强度的方法很多,最简单的方法是直接剪切试验,简称直剪切 试验。试验用直剪仪进行(分应变控制式和应力控制式两种,应变式直剪仪应用 较为普遍)。图4-1为应变式直剪仪示意图,该仪器主要部分由固定的上盒和活 动的下盒组成。试验前,用销钉把上下盒固定成一完整的剪切盒,将环刀内土样
第四章 土的抗剪强度与地基承载力 第一节 概述 建筑物地基基础设计必须满足变形和强度两个基本条件。设计过程中，首先 是根据上部结构荷载与地基承载力之间的关系(简单的说，即是建筑物基础底面 处的接触压力应小与等于地基承载力)来确定基础的埋置深度和平面尺寸以保证 地基土不丧失稳定性，这是承载力设计的主要目的。在此前提下还要控制建筑物 的沉降在容许的范围以内，使结构不致因过大的沉降或不均勺沉降而出现开裂、 倾斜等现象，保证建筑物和管网等配套设施能够正常工作。 强度和变形是两个不同的控制标准，任何安全等级的建筑物都必须进行承载 力的设计计算，都必须满足地基的承载力和稳定性的要求，在满足地基的承载力 和稳定性的前提下，还必须满足变形要求。以上两个要求不可互相替代，承载力 要求是先决条件，但并不是所有的建筑物都必须进行沉降验算，根据工程经验， 对某些特定的建筑物，强度起着控制性作用，只要强度条件满足，变形条件也能 同时得到满足，因此就不必进行沉降验算(参见《建筑地基基础设计规范》有关 规定与要求)。关于地基的变形计算已在第三章中介绍，本章将主要介绍地基的 承载力和稳定问题，它包括土的抗剪强度以及地基基础设计时的地基承载力的计 算问题。 土的抗剪强度是指在外力作用下，土体内部产生剪应力时，土对剪切破坏的 极限抵抗能力。土的抗剪强度主要应用于地基承载力的计算和地基稳定性分析、 边坡稳定性分析、挡土墙及地下结构物上的土压力计算等。 实例: τ τ τ τ 第二节 土的抗剪强度 一、抗剪强度 (一)库仑定律 土的抗剪强度和其他材料的抗剪强度一样，可以通过试验的方法测定，但土 的抗剪强度与之不同的是，工程实际中地基土体因自然条件、受力过程及状态等 诸多因素的影响，试验时必须模拟实际受荷过程，所以土的抗剪强度并非是一个 定值。不同类型的土其抗剪强度不同，即使同一类土，在不同条件下的抗剪强度 也不相同。如:沙土在地面几乎没有抗剪强度,而在深部就您承压. 测定土的抗剪强度的方法很多，最简单的方法是直接剪切试验，简称直剪切 试验。试验用直剪仪进行（分应变控制式和应力控制式两种，应变式直剪仪应用 较为普遍）。图 4-1 为应变式直剪仪示意图，该仪器主要部分由固定的上盒和活 动的下盒组成。试验前，用销钉把上下盒固定成一完整的剪切盒，将环刀内土样
推入,土样上下各放一块透水石。试验时,先通过加压板施加竖向力F,然后拔 出销钉,在下盒上匀速施加一水平力T。此时土样在上下盒之间固定的水平面上 受剪,直到破坏。从而可以直接测得破坏面上的水平力T,若试样的水平截面积 为A,则竖向压应力为=F/A,此时,土的抗剪强度(土样破坏时对此推力 的极限抵抗能力)为r=T/A 上下透水石 竖向加压装置 水平测力装置、 上下剪切盒 基 土样 图4-1直剪仪工作原理示意图 试验时,一般用4~6个物理状态相同的试样,使它们在不同竖向压力作用 下剪切破坏,同时可测得相应的最大破坏剪应力即抗剪强度。以测得的σ为横坐 标,以『为纵坐标,绘制抗剪强度r(与法向应力口关系曲线,如图42所示。 若试样为砂土,其曲线为一条通过坐标原点并于横坐标成φ角的直线(如图 42a),其方程为 tr= olan g (4-1a) 式中(一在法向应力作用下的土的抗剪强度(KPa) d一作用下剪切面上的法向应力(KPa) φ一土的内摩擦角(°)。 对于黏性土和粉土,(与之间关系基本上也成直线关系,但这条直线不 通过原点,而与纵轴成一截距c(如图4-2b),其方程为: tr=et alan g (4-1b) 式中c一土的黏聚力(KPa); 其余符号意义与前相同
推入，土样上下各放一块透水石。试验时，先通过加压板施加竖向力 F，然后拔 出销钉，在下盒上匀速施加一水平力 T。此时土样在上下盒之间固定的水平面上 受剪，直到破坏。从而可以直接测得破坏面上的水平力 T，若试样的水平截面积 为 A，则竖向压应力为 ，此时，土的抗剪强度（土样破坏时对此推力 的极限抵抗能力）为 。 图 4-1 直剪仪工作原理示意图 试验时，一般用 4～6 个物理状态相同的试样，使它们在不同竖向压力作用 下剪切破坏，同时可测得相应的最大破坏剪应力即抗剪强度。以测得的 为横坐 标，以 为纵坐标，绘制抗剪强度 与法向应力 关系曲线，如图 4-2 所示。 若试样为砂土，其曲线为一条通过坐标原点并于横坐标成 角的直线（如图 4-2a），其方程为： （4-1a） 式中 —在法向应力作用下的土的抗剪强度（KPa）； —作用下剪切面上的法向应力（KPa）； —土的内摩擦角（°）。 对于黏性土和粉土， 与 之间关系基本上也成直线关系，但这条直线不 通过原点，而与纵轴成一截距 c（如图 4-2b），其方程为： （4-1b） 式中 c—土的黏聚力（KPa）； 其余符号意义与前相同
rr=stang tre 4+dany (a)砂性土 (b)黏性土 图4-2抗剪强度曲线 式(4-1)是库仑( Coulomb)于1773年提出的,故称为库仑定律或土的抗 剪强度定律。 (二抗剪强度的构成因素 式(4-1a)和式(4-1b)中的c和称为土的抗剪强度指标(或参数)。在一定条件 下c和9是常数,它们是构成土的抗剪强度的基本要素,c(称为土的黏聚力)和 称为土的内摩擦角,tanq为土的内摩擦系数的大小反映了土的抗剪强度的高 低 由土的三相组成特点不难看出,土的抗剪强度的构成有两个方面:即内摩擦 力与黏聚力。存在于土体内部的摩擦力由两部分组成:一是剪切面上颗粒与颗粒 之间在粗糙面上产生的摩擦力;另一个是由于颗粒之间的相互嵌入和互锁作用产 生的咬合力。土颗粒越粗,内摩擦角越大。黏聚力c是由于土粒之间的胶结作 用、结合水膜以及水分子引力作用等形成的。土颗粒越细,塑性越大,其黏聚力 也越大。 三抗剪强度的影响因素 影响土的抗剪强度的因素很多,主要包括以下几个方面 ①土颗粒的矿物成分、形状及颗粒级配:②初始密度;③含水量;④土的结 构扰动情况;⑤有效应力;⑥应力历史;⑦试验条件。 摩尔一库仑强度理论 1910年提出材料的破坏是剪切破坏,并指出抗剪面上剪应力r(为该面上法 向应力0的函数,即:Trf(0) 该函数在τ严0坐标上是一条曲线称为莫尔包线,表示滑动面上0与τf关系 土的莫尔包线通常用直线表示该直线方程就是库仑定律由库仑定律表示莫尔包 线的土,强度理论称为莫尔-库仑强度理论 根据前述第二章内容可知,建筑物地基在建筑物荷载作用下,其内任意一点 都将产生应力。土的强度问题就是抗剪强度问题,因而,我们在研究土的应力和 强度问题时,常采用最大剪应力理论,该理论认为:材料的剪切破坏主要是由于 土中某一截面上的剪应力达到极限值所致,但材料达到破坏时的抗剪强度也与该
(a)砂性土 (b)黏性土 图 4-2 抗剪强度曲线 式（4-1）是库仑（Coulomb）于 1773 年提出的，故称为库仑定律或土的抗 剪强度定律。 (二)抗剪强度的构成因素 式(4-1a)和式(4-1b)中的 c 和 称为土的抗剪强度指标(或参数)。在—定条件 下 c 和 是常数，它们是构成土的抗剪强度的基本要素，c(称为土的黏聚力)和( 称为土的内摩擦角， 为土的内摩擦系数)的大小反映了土的抗剪强度的高 低。 由土的三相组成特点不难看出，土的抗剪强度的构成有两个方面：即内摩擦 力与黏聚力。存在于土体内部的摩擦力由两部分组成：一是剪切面上颗粒与颗粒 之间在粗糙面上产生的摩擦力；另一个是由于颗粒之间的相互嵌入和互锁作用产 生的咬合力。土颗粒越粗，内摩擦角 越大。黏聚力 c 是由于土粒之间的胶结作 用、结合水膜以及水分子引力作用等形成的。土颗粒越细，塑性越大，其黏聚力 也越大。 (三)抗剪强度的影响因素 影响土的抗剪强度的因素很多，主要包括以下几个方面： ①土颗粒的矿物成分、形状及颗粒级配；②初始密度；③含水量；④土的结 构扰动情况；⑤有效应力；⑥应力历史；⑦试验条件。 二、摩尔—库仑强度理论 1910 年提出材料的破坏是剪切破坏,并指出抗剪面上剪应力 为该面上法 向应力σ的函数,即:τf=f (σ) 该函数在τf=σ坐标上是一条曲线,称为莫尔包线,表示滑动面上σ与τf关系. 土的莫尔包线通常用直线表示,该直线方程就是库仑定律.由库仑定律表示莫尔包 线的土,强度理论称为莫尔-库仑强度理论. 根据前述第二章内容可知，建筑物地基在建筑物荷载作用下，其内任意一点 都将产生应力。土的强度问题就是抗剪强度问题，因而，我们在研究土的应力和 强度问题时，常采用最大剪应力理论，该理论认为：材料的剪切破坏主要是由于 土中某一截面上的剪应力达到极限值所致，但材料达到破坏时的抗剪强度也与该
截面上的正应力有关。 If=C+otano If-f(o) 当土中某点的剪应力小于土的抗剪强度时,土体不会发生剪切破坏,即土体 处于稳定状态;当土中剪应力等于土的抗剪强度时,土体达到临界状态,称为极 限平衡状态。此时土中大小主应力与土的抗剪强度指标之间的关系,称为土的极 限平衡条件;当土中剪应力大于土的抗剪强度时,土体中这样的点从理论上讲处 于破坏状态(实际上这种应力状态并不存在,因这时该点已产生塑性变形和应力 重分布)。 图4-3土中某点应力状态 (一)土中某点的应力状态 现以平面应力状态为例进行研究。设想一无限长条形荷载作用于弹性半无限 体的表面上,根据弹性理论,这属于平面变形问题。垂直于基础长度方向的任意 横截面上,其应力状态如图4-3所示。由材料力学可知,地基中任意一点M(用 微元体表示皆为平面应力状态,其上作用的应力为正应力dx、O4和剪应力 xE。该点上大、小主应力为1、可 σx+ax (4-2) 当主应力已知时,任意截面上的正应力D与剪应力的大小可用摩尔圆来表 示,例如圆周上的A点表示与水平面成角的斜截面,A点的两个坐标表示该 斜截面上的正应力与剪应力2(图44)
截面上的正应力有关。 τf=C+σtanφ τf=f(σ) σ τf 当土中某点的剪应力小于土的抗剪强度时，土体不会发生剪切破坏，即土体 处于稳定状态；当土中剪应力等于土的抗剪强度时，土体达到临界状态，称为极 限平衡状态。此时土中大小主应力与土的抗剪强度指标之间的关系，称为土的极 限平衡条件；当土中剪应力大于土的抗剪强度时，土体中这样的点从理论上讲处 于破坏状态(实际上这种应力状态并不存在，因这时该点已产生塑性变形和应力 重分布)。 图 4-3 土中某点应力状态 (一)土中某点的应力状态 现以平面应力状态为例进行研究。设想一无限长条形荷载作用于弹性半无限 体的表面上，根据弹性理论，这属于平面变形问题。垂直于基础长度方向的任意 横截面上，其应力状态如图 4-3 所示。由材料力学可知，地基中任意一点 M(用 微元体表示)皆为平面应力状态，其上作用的应力为正应力 和剪应力 。该点上大、小主应力为 。 （4-2） 当主应力已知时，任意截面上的正应力 与剪应力 的大小可用摩尔圆来表 示，例如圆周上的 A 点表示与水平面成 角的斜截面，A 点的两个坐标表示该 斜截面上的正应力 与剪应力 （图 4-4）
62a 图4-4土中任意点的应力状态 (a)单元体上的应力;(b)隔离体上的应力:(c)摩尔应力圆 2 2 (4-3) Sing (4-4) 在1、3已知的情况下,mn斜面上的正应力与剪应力仅与该面的倾 角设有关。摩尔应力圆上的点的纵、横坐标可以表示土中任一点的应力状态 (二)土的极限平衡条件 为了建立实用的土的极限平衡条件,将土体中某点应力状态的应力圆和土的 抗剪强度与法向应力关系曲线即抗剪强度线绘于同一直角坐标系中(图4-5),对 它们之间的关系进行比较。就可以判断土体在这一点上是否达到极限平衡状态。 ri=c+otani 图45摩尔应力圆与抗剪强度线间的关系 (1)摩尔应力圆位于抗剪强度线下方(圆1)说明这个应力圆所表示的土中这 点在任何方向的平面上其剪应力都小于土的抗剪强度,因此该点不会发生剪切 破坏,处于弹性平衡状态。 2)摩尔应力圆与抗剪强度线相切(圆2),切点为A,说明应力圆上A点所 代表的平面上的剪应力刚好等于土的抗剪强度,该点处于极限平衡状态。这个应 力圆称为极限应力圆 (3)抗剪强度线与摩尔应力圆相割(圆3),说明土中过这一点的某些平面上的
(a) (b) (c) 图 4-4 土中任意点的应力状态 (a)单元体上的应力；(b)隔离体上的应力；(c)摩尔应力圆 （4-3） （4-4） 在 已知的情况下，mn 斜面上的正应力 与剪应力 仅与该面的倾 角 有关。摩尔应力圆上的点的纵、横坐标可以表示土中任一点的应力状态。 (二)土的极限平衡条件 为了建立实用的土的极限平衡条件，将土体中某点应力状态的应力圆和土的 抗剪强度与法向应力关系曲线即抗剪强度线绘于同一直角坐标系中(图 4 -5)，对 它们之间的关系进行比较。就可以判断土体在这—点上是否达到极限平衡状态。 图 4-5 摩尔应力圆与抗剪强度线间的关系 (1)摩尔应力圆位于抗剪强度线下方(圆 1)说明这个应力圆所表示的土中这 一点在任何方向的平面上其剪应力都小于土的抗剪强度，因此该点不会发生剪切 破坏，处于弹性平衡状态。 〔2)摩尔应力圆与抗剪强度线相切(圆 2)，切点为 A，说明应力圆上 A 点所 代表的平面上的剪应力刚好等于土的抗剪强度，该点处于极限平衡状态。这个应 力圆称为极限应力圆。 (3)抗剪强度线与摩尔应力圆相割(圆 3)，说明土中过这一点的某些平面上的
剪应力 已经超过了土的抗剪强度,从理论上讲该点早已破坏,因而这种应力状态是 不会存在的,实际上在这些点位上已产生塑性流动和压力重新分布,故圆3用虚 线表示 根据摩尔应力圆与抗剪强度线的几何关系,可建立极限平衡条件方程式。图 46(a所示土体中微元体的受力情况,m为破裂面,它与大主应力作用面呈cr 角。该点处于极限平衡状态,其摩尔应力圆如图461所示。根据△Ao'D的 边角关系,得到黏性土的极限平衡条件,即 1=atan(45°+ 2 ctanl 45 (4-5) (a) (b) 图46土中某点达到极限平衡状态时的摩尔应力圆 (a)单元体上的应力(b极限状态摩尔应力圆 =d1n(45-)-2cual/45°- 2 对于无黏性土,因c=,由式(45)和式(4-6)可得无黏性土的极限平 衡条件,即 14+) 3= ata 在图46(b)的△AoD中,由内外角之间的关系可知: 2anr=90°+g 即某点处于极限平衡状态时,破裂面与最大主应力作用面所呈角度(称为破 裂角)为:
剪应力 已经超过了土的抗剪强度，从理论上讲该点早已破坏，因而这种应力状态是 不会存在的，实际上在这些点位上已产生塑性流动和压力重新分布，故圆 3 用虚 线表示。 根据摩尔应力圆与抗剪强度线的几何关系，可建立极限平衡条件方程式。图 4-6(a)所示土体中微元体的受力情况，mn 为破裂面，它与大主应力作用面呈 角。该点处于极限平衡状态，其摩尔应力圆如图 4-6(b)所示。根据 的 边角关系，得到黏性土的极限平衡条件，即 （4-5） (a) (b) 图 4-6 土中某点达到极限平衡状态时的摩尔应力圆 (a)单元体上的应力(b)极限状态摩尔应力圆 (4 -6) 对于无黏性土，因 ，由式（4-5）和式（4-6）可得无黏性土的极限平 衡条件，即 (4 -7) (4 -8) 在图 4-6(b)的 中，由内外角之间的关系可知： 即某点处于极限平衡状态时，破裂面与最大主应力作用面所呈角度(称为破 裂角)为：
453 (4-9) 上式是用于判断土体达到极限平衡状态时的最大与最小主应力之间的关系, 而不是任何应力条件下的恒等式。这一表达式是土的强度理论的基本关系式,在 讨论分析地基承载力和土压力问题时应用 综合上述分析,关于土的强度理论可归纳出如下几点结论: (1)土的强度破坏是由于土中某点剪切面上的剪应力达到和超过了土的抗剪 强度所致。 (2)土中某点达到剪切破坏状态的应力条件必须是法向应力和剪应力的某种 组合符合库仑定律的破坏准则,而不是以最大剪应力达到了抗剪强度作为判断依 据,亦即剪切破坏面并不一定发生在最大剪应力的作用面上,而是在与大主应力 φ 作用面成某一夹角 2的平面上 (3)当土体处于极限平衡状态时,土中该点的极限应力圆与抗剪强度线相切 组极限应力圆的公切线即为土的强度包线。强度包线与纵坐标的截距为土的黏 聚力,与横坐标夹角为土的内摩擦角。 4)根据土的极限平衡条件,在已测得抗剪强度指标的条件下,已知大、小 力中的任何一个,即可求得另一个;或在已知抗剪强度指标与大、小主应力 的情况下,判断土体的平衡状态;也可利用这一关系求出土体中已发生剪切破坏 面的位置 【例4】)已知一组直剪试验结果,在施加的法向应力分别为10)kPa、20QPa、 300P、40kP时,測得相应的抗剪强度分别为67kPa、9kPa、162P、2Pa试作图 求该上的抗剪强虔指标c、φ值,荇作用在此土中某点的最大与最小主应力分别为350kPa 和100P问该点处于何种状念?
（4 -9） 上式是用于判断土体达到极限平衡状态时的最大与最小主应力之间的关系， 而不是任何应力条件下的恒等式。这—表达式是土的强度理论的基本关系式，在 讨论分析地基承载力和土压力问题时应用。 综合上述分析，关于土的强度理论可归纳出如下几点结论： (1)土的强度破坏是由于土中某点剪切面上的剪应力达到和超过了土的抗剪 强度所致。 (2)土中某点达到剪切破坏状态的应力条件必须是法向应力和剪应力的某种 组合符合库仑定律的破坏准则，而不是以最大剪应力达到了抗剪强度作为判断依 据，亦即剪切破坏面并不一定发生在最大剪应力的作用面上，而是在与大主应力 作用面成某一夹角 的平面上。 (3)当土体处于极限平衡状态时，土中该点的极限应力圆与抗剪强度线相切， 一组极限应力圆的公切线即为土的强度包线。强度包线与纵坐标的截距为土的黏 聚力，与横坐标夹角为土的内摩擦角。 (4)根据土的极限平衡条件，在已测得抗剪强度指标的条件下，已知大、小 主应力中的任何一个，即可求得另一个；或在已知抗剪强度指标与大、小主应力 的情况下，判断土体的平衡状态；也可利用这一关系求出土体中已发生剪切破坏 面的位置
解】(1)以法向应力σ为横坐标,抗剪强度:in r为纵坐,、x取相同比例,将土样的直剪试验0 r;=l5+da27° 结果点在坐标系上,如图47所示,过点群中心绘真 线即为抗剪强度曲线。 在图中量得抗剪强度线与纵轴截距值即为土的 點聚力:c=15NP,市线与横轴的倾角即为内摩擦“「012034 a(APa) 角g=27 (2)当最大主应力n1=350kP时,如果土体处 图47例4附图 于极限平衡状态,根据圾限平衡条件其最大与最小主应力间关系 ￥=0a 2c10{9)=350x(452/-2×15xa4127 11.05kPa 3>奖=10,说明该点已处于破坏状态。 第三节土的抗剪强度试验方法 土的抗剪强度指标C、φ值是土的重要力学指标,在确定地基土的承载力、 挡土墙的土压力以及验算土坡的稳定性等问题时都要用到土的抗剪强度指标。因 此,正确地测定和选择土的抗剪强度指标是土工试验与设计计算中十分重要的问 土的抗剪强度指标通过土工试验确定。试验方法分为室内土工试验和现场原 位测试两种。室内试验常用的方法有直接剪切试验、三轴剪切试验:现场原位测 试的方法有十字板剪切试验和大型直剪试验 、不同排水条件的试验方法与适用条件 同一种土在不同排水条件下进行试验,可以得出不同的抗剪强度指标,即土 的抗剪强度在很大程度上取决于试验方法,由于直剪仪的构造无法做到任意控制 土样是否排水的要求为了在直剪试验中能考虑这类需要,可通过快剪、固结快剪 慢剪三种直剪试验方法。根据试验时的排水条件可分为以下三种试验方法 1不固结一不排水剪试验 (对于直接剪切试验时称为快剪试验试验指标用Q,三轴剪切试验UU表示) 这种试验方法是在整个试验过程中都不让土样排水固结,简称不排水剪试 验。直剪试验时,在试样的上下两面均贴以蜡纸或将上下两块透水石换成不透水
第三节 土的抗剪强度试验方法 土的抗剪强度指标 、 值是土的重要力学指标，在确定地基土的承载力、 挡土墙的土压力以及验算土坡的稳定性等问题时都要用到土的抗剪强度指标。因 此，正确地测定和选择土的抗剪强度指标是土工试验与设计计算中十分重要的问 题。 土的抗剪强度指标通过土工试验确定。试验方法分为室内土工试验和现场原 位测试两种。室内试验常用的方法有直接剪切试验、三轴剪切试验；现场原位测 试的方法有十字板剪切试验和大型直剪试验。 一、不同排水条件的试验方法与适用条件 同一种土在不同排水条件下进行试验，可以得出不同的抗剪强度指标，即土 的抗剪强度在很大程度上取决于试验方法，由于直剪仪的构造无法做到任意控制 土样是否排水的要求,为了在直剪试验中能考虑这类需要,可通过快剪、固结快剪、 慢剪三种直剪试验方法。根据试验时的排水条件可分为以下三种试验方法。 1.不固结—不排水剪试验 (对于直接剪切试验时称为快剪试验试验指标用 Q，三轴剪切试验 UU 表示) 这种试验方法是在整个试验过程中都不让土样排水固结，简称不排水剪试 验。直剪试验时，在试样的上下两面均贴以蜡纸或将上下两块透水石换成不透水
的金属板,因而施加的是总应力,不能测定孔隙水压力u的变化。直接剪切试 验时对土样施加竖向力后,立即迅速施加水平作用力,使土样剪切破坏。在后述 的三轴剪切试验中,自始至终关闭排水阀门,无论在周围压力3作用下或随后 施加竖向压力,剪切时都不使土样排水,因而在试验过程中土样的含水量保持不 不排水剪试验是模拟建筑场地土体来不及固结排水就较快地加载的情况。在 实际工作中,对渗透性较差,排水条件不良,建筑物施工速度快的地基土或斜坡 稳定性验算时,可以采用这种试验条件来测定土的抗剪强度指标。 如:软土地基上快速填堆路堤,由于加荷速度快,地基土体渗透性低,其稳 定性指标可用直剪试验。 2.固结一不排水剪试验( Consolidation undrained test, 〔对于直接剪切试验时称为快剪试验,试验指标用CQ;三轴剪切试验简称 CU试验) 直剪试验时,施加竖向压力并使试样充分排水固结后,再快速施加水平力, 使试样在施加水平力过程中来不及排水;三轴试验时,先使试样在周围压力作用 下充分排水,然后关闭排水阀门。在不排水条件下施加压力至土样剪切破坏 固结一不排水剪试验是模似建筑场地土体在自重或正常载荷作用下已达到 充分固结,而后遇到突然施加载荷的情况。对一般建筑物地基的稳定性验算以及 预计建筑物施工期间能够排水固结,但在竣工后将施加大量活载荷〔如料仓、油 罐等〕或可能有突然活荷载(如风力、地震等)情况(受剪),就应用固结一不排 水剪试验的指标 3.固结一排水剪试验 对于直接剪切试验时称为慢剪试验,试验指标用S;三轴剪切试验简称CU 试验) 直剪试验时,施加竖向压力并使试样充分排水固结后,再慢速施加水平力, 使试样在施加水平力过程中慢到水能始终排水。三轴试验时,在周围压力作用下 持续足够的时间使土样充分排水,孔隙水压力降为零后才施加竖向压力。施加速 率仍很缓慢,不使孔隙水压力增量出现。即在应力变化过程中孔隙水压力始终处 于零的固结状态。故在试样破坏时,由于孔隙水压力充分消散,此时总应力法和 有效应力法表达的抗剪强度指标也一致 固结一排水剪试验是模拟地基土体己充分固结后开始缓慢施加载荷的情况。 在实际工程中,对土的排水条件良好(如黏土层中夹砂层)地基土透水性较好(低 塑性黏性土)以及加荷速率慢时可选用。但因工程的正常施工速度不易使孔隙水 压力完全消散。试验过程既费时又费力,因而较少采用
的金属板，因而施加的是总应力 ，不能测定孔隙水压力 u 的变化。直接剪切试 验时对土样施加竖向力后，立即迅速施加水平作用力，使土样剪切破坏。在后述 的三轴剪切试验中，自始至终关闭排水阀门，无论在周围压力 作用下或随后 施加竖向压力，剪切时都不使土样排水，因而在试验过程中土样的含水量保持不 变。 不排水剪试验是模拟建筑场地土体来不及固结排水就较快地加载的情况。在 实际工作中，对渗透性较差，排水条件不良，建筑物施工速度快的地基土或斜坡 稳定性验算时，可以采用这种试验条件来测定土的抗剪强度指标。 如：软土地基上快速填堆路堤，由于加荷速度快，地基土体渗透性低，其稳 定性指标可用直剪试验。 2．固结—不排水剪试验(Consolidation Undrained Test， (对于直接剪切试验时称为快剪试验，试验指标用 CQ；三轴剪切试验简称 CU 试验) 直剪试验时，施加竖向压力并使试样充分排水固结后，再快速施加水平力， 使试样在施加水平力过程中来不及排水；三轴试验时，先使试样在周围压力作用 下充分排水，然后关闭排水阀门。在不排水条件下施加压力至土样剪切破坏。 固结—不排水剪试验是模似建筑场地土体在自重或正常载荷作用下已达到 充分固结，而后遇到突然施加载荷的情况。对一般建筑物地基的稳定性验算以及 预计建筑物施工期间能够排水固结，但在竣工后将施加大量活载荷〔如料仓、油 罐等〕或可能有突然活荷载(如风力、地震等)情况（受剪），就应用固结—不排 水剪试验的指标。 3．固结—排水剪试验 (对于直接剪切试验时称为慢剪试验，试验指标用 S；三轴剪切试验简称 CU 试验) 直剪试验时，施加竖向压力并使试样充分排水固结后，再慢速施加水平力， 使试样在施加水平力过程中慢到水能始终排水。三轴试验时，在周围压力作用下 持续足够的时间使土样充分排水，孔隙水压力降为零后才施加竖向压力。施加速 率仍很缓慢，不使孔隙水压力增量出现。即在应力变化过程中孔隙水压力始终处 于零的固结状态。故在试样破坏时，由于孔隙水压力充分消散，此时总应力法和 有效应力法表达的抗剪强度指标也一致。 固结—排水剪试验是模拟地基土体己充分固结后开始缓慢施加载荷的情况。 在实际工程中，对土的排水条件良好(如黏土层中夹砂层)、地基土透水性较好(低 塑性黏性土)以及加荷速率慢时可选用。但因工程的正常施工速度不易使孔隙水 压力完全消散。试验过程既费时又费力，因而较少采用
二、直接剪切试验 直剪仪试验原理。由于直剪仪构造简单,土样制备和试验操作方便等特点 现仍被一般工程所采用。粘性土的抗剪强度指标,还与试验方法有关。试验方法根据试 样在法向压力作用下的排水固结情况不同,分为快剪、固结快剪和慢剪三种 快剪:指标用Cqq表示。试验时在土样的上、下两面与透水石之间都用蜡纸或塑 料薄膜隔开。竖向压力施加后立即施加水平剪力进行剪切,而且剪切的速度快,一般从加荷 到剪坏只用3~5分钟。可以认为,土样在短暂的时间内来不及排水,所以又称不排水剪。 固结快剪:指标用Ccqq表示。试验时,土样先在竖向压力作用下使其排水固结。 待固结稳定后,再施加水平剪力,并快速将土样剪坏(约3~5分钟)。换言之,土样在竖直 压力作用下充分排水固结,而在施加剪力时不让其排水 慢剪:指标用Csq表示。试验时在士样上、下两面与透水石之间不放蜡纸或塑料 薄膜。在整个试验过程中允许土样有充分的时间排水和固结。 采用不同的剪切方法,由于排水条件不同,在剪切的过程中土样密实的程度和孔隙水压 力亦不同,因此得出的土的抗剪强度指标亦不同。一般慢剪的指标大,快剪的指标小 对于砂土,由于透水性大、排水快,通常只采用一种速率进行排水剪试验 在确定地基承载力选择土的抗剪强度指标时,要根据土的性质、厚度、施工速度的快慢等选 择相应的指标。如果地基为厚粘土层,施工速度又快,这样,在施工期来不及排水固结,应 选择快剪指标:如果为薄粘土层,施工期又长,能固结排水,可选择慢剪指标。某些工程施 工期较长,能固结排水,但工程完工投入使用时,短期内荷载突増,亦选择固结快剪指标 直接剪切试验的优点是仪器构造简单,价格便宜,操作较易。缺点是不能严格控制排 水条件,剪切破坏面系人为规定,剪切面上的应力分布不均匀等 由于直剪仪的上述缺点,无论在工程实用或科学研究方面的使用都受到很大 的限制。 、三轴剪切试验 三轴剪切仪由受压室、周围压力控制系统、轴向加压系统、孔隙水压力系统 以及试样体积变化量测系统等组成(图4-8)
二、直接剪切试验 直剪仪试验原理。由于直剪仪构造简单，土样制备和试验操作方便等特点， 现仍被一般工程所采用。粘性土的抗剪强度指标，还与试验方法有关。试验方法根据试 样在法向压力作用下的排水固结情况不同，分为快剪、固结快剪和慢剪三种。 快剪：指标用 Cq、φq表示。试验时在土样的上、下两面与透水石之间都用蜡纸或塑 料薄膜隔开。竖向压力施加后立即施加水平剪力进行剪切，而且剪切的速度快，一般从加荷 到剪坏只用 3～5 分钟。可以认为，土样在短暂的时间内来不及排水，所以又称不排水剪。 固结快剪：指标用 Ccq、φcq表示。试验时，土样先在竖向压力作用下使其排水固结。 待固结稳定后，再施加水平剪力，并快速将土样剪坏（约 3～5 分钟）。换言之，土样在竖直 压力作用下充分排水固结，而在施加剪力时不让其排水。 慢剪：指标用 Cs、φs表示。试验时在土样上、下两面与透水石之间不放蜡纸或塑料 薄膜。在整个试验过程中允许土样有充分的时间排水和固结。 采用不同的剪切方法，由于排水条件不同，在剪切的过程中土样密实的程度和孔隙水压 力亦不同，因此得出的土的抗剪强度指标亦不同。一般慢剪的指标大，快剪的指标小。 对于砂土，由于透水性大、排水快，通常只采用一种速率进行排水剪试验。 在确定地基承载力选择土的抗剪强度指标时，要根据土的性质、厚度、施工速度的快慢等选 择相应的指标。如果地基为厚粘土层，施工速度又快，这样，在施工期来不及排水固结，应 选择快剪指标；如果为薄粘土层，施工期又长，能固结排水，可选择慢剪指标。某些工程施 工期较长，能固结排水，但工程完工投入使用时，短期内荷载突增，亦选择固结快剪指标。 直接剪切试验的优点是仪器构造简单，价格便宜，操作较易。缺点是不能严格控制排 水条件，剪切破坏面系人为规定，剪切面上的应力分布不均匀等。 由于直剪仪的上述缺点，无论在工程实用或科学研究方面的使用都受到很大 的限制。 三、三轴剪切试验 三轴剪切仪由受压室、周围压力控制系统、轴向加压系统、孔隙水压力系统 以及试样体积变化量测系统等组成(图 4-8)
