三轴剪切试验

4土的抗剪强度和地基承载力
图4.3三轴压缩仪
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三轴剪切试验时土样的受力状态如图4.4所示。 三轴剪切试验突出优点是： （1） 能严格控制排水条件，准确测定试样在剪切过程中孔隙 水压力变化情况，从而可定量获得土中有效应力的变化情况。 （2） 土样的破坏面是在最弱的面上，试样中的应力条件明确。 （3） 除测定抗压强度指标外，还可测孔隙水压力系数、侧压 力系数等土工参数。三轴剪切试验的缺点是试件中的主应力σ2=σ3， 而实际上土体的受力状态未必都属于这类轴对称情况。
绪论 1 土的物理性质及工程分类 2土中应力计算 3地基的变形 4土的抗剪强度和地基承载力 5天然地基上浅基础设计
6边坡稳定及挡土墙 7箱型基础 8桩基础 9地基处理 10特殊土地基 11土工试验
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【职业能力目标】通过课堂学习和试验技能训练，学生依据建 筑物的实际情况和所在场地的地质条件能准确地选择土的抗剪强 度指标和确定地基承载力，使学生具有一定的土工试验动手能力。
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图4.2应变控制式直剪仪示意图
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直剪试验设备简单，操作方便，易于掌握，因而在工程中普 遍采用。但它的缺点也不少，主要有：
（1） 剪切面限定在上、下盒之间的平面，而不是沿土样最薄 弱的面剪坏；
（2） 剪切过程中剪应变分布不均匀，应力状态复杂，但仍按 均匀分布计算；
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土的抗剪强度用直接剪切试验是最早的试验方法，国 内外应用很广泛。直接剪切试验的主要仪器为直剪仪，直 剪仪分为应力控制式和应变控制式两种。两种仪器的区别 在于施加水平剪切的荷载方式不同，后者优于前者。下面 介绍应变控制式直剪仪的试验方法。
应变控制式直剪仪的构造如图4.2所示。
图4.8 十字板示意图
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计算时假定： （1） 剪破面为一圆柱面，圆柱的高度和直径就等于十字 板的高度和宽度，如图4.8中虚线所示； （2） 圆柱侧面和上下端的抗剪强度相等。于是，就可根 据作用力矩应等于圆柱侧面和上、下端面上的抵抗力矩之和 计算其抗剪强度，即
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4 十字板剪切试验当地基为软黏土时，取原状土困难。为避 免在取土、运送与制备土样过程中受扰动而影响室内土工试验 结果的可靠性，可采用抗剪强度的原位测试方法，即十字板剪 切试验。该试验所用仪器是十字板剪切仪，其板头由两片正交 的金属板及垂直的轴杆组成，如图4.8所示。
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4.1.2库仑定律 4.1.2.1库仑定律
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式（4.1）与式（4.2）一起统称为库仑定律，可分别用图4.1 （a）、（b）表示。
图4.1抗剪强度与法向应力之间的关系
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依据排水条件不同可分为： (1) 慢剪。施加垂直压应力后，允许试样充分排水固结，待 固结稳定后，再以缓慢的剪切速率施加水平剪应力，使试样在 剪切过程中有充分时间排水，直至剪切破坏。 (2) 快剪。施加垂直压应力后，不待试样固结，立即快速施 加水平应力，使试样快速剪切而破坏。由于剪切速率快，可认 为试样在短暂的剪切过程中来不及排水固结。
图4.6饱和土不排水剪切试验
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无侧限压缩试验时只需对一个试样加压破坏就能求得 强度包线，如图4.7所示。
图4.7无侧限压缩试验
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无侧限抗压强度试验还可用来测定土的灵敏度。其方法是 先将同一种土的原状土和重塑土分别进行无侧限抗压强度试验， 所得原状土与重塑土的强度比值为灵敏度St，即
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（3） 剪切过程中，土样剪切面逐渐缩小，且垂直荷载发生偏 心，但在计算强度时仍按面积不变和剪应力均匀分布计算；
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（4） 试验不能严格控制排水条件和测量孔隙水压力值，快 剪仍有排水，这对试验结果有很大影响。
2三轴剪切试验 三轴剪切试验是一种较完善的测定土抗 剪强度的实验方法，与直接剪切试验相比，三轴剪切试验试样 中的应力比较明确和均匀。试验所用三轴压缩仪同样分为应力 控制式和应变控制式两种。下面介绍应变控制式三轴压缩仪的 试验方法，其构造如图4.3所示。由压力室、周围压力系统、轴 向加压系统、孔隙水压力系统、反压力系统和主机等组成。
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(3) 固结快剪。施加垂直压力后，允许试样充分排水固结， 待试样固结稳定后，再快速施加水平剪应力，使试样快速剪切而 破坏，可认为在剪切过程中来不及排水固结。
4.1.2.2土的抗剪强度测定方法 土的抗剪强度测定方法有多 种，室内有直接剪切试验、三轴剪切试验、无侧限抗压试验、现 场原位十字板剪切试验。
【学习目标】理解抗剪强度的概念及土的极限平衡条件；掌 握库仑定律、抗剪强度试验方法及土的应力状态；了解地基变形 三阶段及临塑荷载、临界荷载和极限荷载的概念及计算；掌握地 基承载力特征值的确定与修正计算；了解地基勘察内容。
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4.1土的抗剪强度 土的抗剪强度是土的重要力学性质之一。在土木工程建设工 作中，对于土体稳定性的计算而言，抗剪强度是其中最重要的计 算参数。能否正确测定土的抗剪强度，往往是设计质量和工程成 败的关键所在。 4.1.1土的抗剪强度的基本概念 土的抗剪强度是指土体抵抗 剪切破坏的极限能力。当土体受到荷载作用后，土体的破坏通常 表现为它的一部分相对于另一部分的滑动。
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三轴压缩仪比较复杂，价格也较贵，操作技术要求高，故目前国内 应用还不普遍。《规范》规定，对于一级建筑物应采用三轴压缩试 验，测定地基土的φ、c值。
图4.4三轴试验时土样受力状态
图4.5三轴试验结果
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3无侧限抗压强度试验 无侧限抗压强度试验如同三轴剪切 试验中σ3=0时的特殊情况。饱和黏性土样在三轴仪上进行试验时， 不排水剪切试验的破坏包线接近于一条水平线，如图4.6所示。