土力学第九章.ppt

,第,九,章,地基承载力,9.1,概述,9.2,浅基础的地基破坏模式,9.3,地基临界荷载,9.4,地基极限承载力,9.5,地基容许承载力和地基承载,力特征值,第九章 地基承载力,9.1,概述,1,、地基承载力定义,地基承载力,:,地基承担荷载的能力。,极限承载力：地基在发生剪切破坏时的荷载强度,p,u,Ultimate bearing capacity,p,u,P,(kPa),S,(mm),2,、竖直荷载下地基破坏的形式,整体破坏,密实砂土，坚硬粘土，浅埋,局部剪切破坏,土质较软,冲剪破坏,软粘土，深埋,9.1,概述,3,、竖直荷载和水平荷载下地基破坏形式,水闸表层滑动水平荷载大,P,h,P,v,坝深层滑动，竖向荷载大,P,h,P,v,P,v,9.1,概述,4,、建筑物地基设计的基本要求,1),稳定：荷载小于承载力,(,抗力,),p,(,p,u,/,F,s,),=,f,2),变形：变形小于设计允许值,S,S,(1),沉降量,(2),沉降差,(3),倾斜,(4),局部倾斜,9.1,概述,1964,年日本新泻地震引起的大面积地基液化,某谷仓的地基整体破坏,1),整体破坏,土质坚实,基础埋深浅土体隆起,P,S,1940,年软粘土地基上的某水泥仓的倾覆,-,整体破坏,水泥仓地基整体破坏,蓝粘土,石头和粘土,地基土可能的滑动方向,岩石,办公楼外墙,黄粘土,在软粘土上的密砂地基的冲剪破坏,比萨斜塔,-,不均匀沉降的典型,始建于,1173,年，,60,米高。,1271,年建成,平均沉降,2,米，最大沉降,4,米。倾斜,5.5,，顶部偏心,2.1,米,地基变形,某宫殿，左部分建于,1709,年；右部分建于,1622,年。沉降达,2.2,米，存在明显的沉降差。,墨西哥的沉降问题世界著名,地基变形,相邻建筑物施工引起的原有建筑物的局部倾斜,（软粘土地基）,地基变形,膨胀土地基上建筑物的开裂,（美国,加拿大）,潜在性膨胀土的分布限与热带和温带的半干旱地区内。这种条件助长了蒙特石形成。,很多国家都发现了膨胀土。,印度的黑棉土,膨胀土上的基础,陈孚华,TU443 1,地基变形,膨胀土对建筑物的危害,活动区域,地基变形,如何满足地基设计的条件？,承载力？,变形？,确定承载力的三种方法,载荷试验,理论公式计算,经验方法,千斤顶,荷载板,地基破坏形式与变形,9.1,概述,9.2,浅基础的地基破坏模式,9.3,地基临界荷载,9.4,地基极限承载力,9.5,地基容许承载力和地基承载,力特征值,第九章 地基承载力,General shear failure,1),整体破坏,土质坚实,基础埋深浅,曲线开始近直线，随后沉降陡增，两侧土体隆起。,整体破坏,P,S,2),局部剪切,松软地基，埋深较大；,曲线开始就是非线性，,没有明显的骤降段,。,Local shear failure,局部剪切,P,S,9.2.1,三种破坏模式,9.2,浅基础的地基破坏模式,3),冲剪破坏,松软地基，埋深大,基础垂直下切,两侧土体无隆起,P,S,深土层,表面土,Punching shear failure,9.2.1,三种破坏模式,9.2,浅基础的地基破坏模式,地基土：种类、密度、软硬、压缩性、强度,基础条件：形式、埋深、尺寸,荷载形式：大小，方向，作用时间及类型,请见图,9-2,9.2.2,破坏模式的影响因素和判别,9.2,浅基础的地基破坏模式,9.1,概述,9.2,浅基础的地基破坏模式,9.3,地基临界荷载,9.4,地基极限承载力,9.5,地基容许承载力和地基承载,力特征值,第九章 地基承载力,2),剪切阶段,局部塑性区,3),隆起阶段,极限承载力,压缩阶段,弹性阶段,-,临塑荷载,9.3,地基临界荷载,9.3.1,地基塑性区边界方程,1,、地基土中应力状态的三个阶段,p,cr,临塑荷载,p,u,连续滑动面,和极限荷载,p,cr,p,u,塑性区发展,和临界荷载,p,cr,p,u,地基土开始出现剪切破坏,s,连续滑动面,1,、地基土中应力状态的三个阶段,9.3,地基临界荷载,9.3.1,地基塑性区边界方程,p,cr,p,u,地基土开始出现剪切破坏,s,连续滑动面,1,、地基土中应力状态的三个阶段,9.3,地基临界荷载,9.3.1,地基塑性区边界方程,P,cr,：,压缩,j,阶段过渡到剪切阶段时的界限荷载，称为比例界限荷载或临界荷载。,p,u,：,从剪切阶段过渡到隆起阶段时的界限荷载，称为极限荷载。一般取,p,u,/K,为浅基础的地基容许承载力。,以条形荷载塑性区的计算为基础,自重应力：,c1,=,(,D+z,),c3,=k,0,(,D+z,),弹性区的附加应力,:,D,z,M,2,合力：,1,，,3,设,k,0,=1.0,2,、地基塑性区边界方程,9.3,地基临界荷载,9.3.1,地基塑性区边界方程,塑性区的计算,弹性区的合力：,D,z,M,2,极限平衡条件：,2,、地基塑性区边界方程,9.3,地基临界荷载,9.3.1,地基塑性区边界方程,将,1,3,代入极限平衡条件，表示该点既满足弹性区；也满足塑性区,是弹塑性区的边界。在荷载,p,作用下，得到方程：,z=f(,),D,z,M,2,2,、地基塑性区边界方程,9.3,地基临界荷载,9.3.1,地基塑性区边界方程,塑性区的最大深度,Z,max,D,M,2,1,、临塑荷载,9.3,地基临界荷载,9.3.2,地基的临塑荷载和临界荷载,塑性区的最大深度,Z,max,对应,Z,max,=0,临塑荷载,1,、临塑荷载,9.3,地基临界荷载,9.3.2,地基的临塑荷载和临界荷载,对应,Z,max,=B/4,，,B/3,临界荷载。,2,、临界荷载,9.3,地基临界荷载,9.3.2,地基的临塑荷载和临界荷载,对应,Z,max,=B/4,，,B/3,临界荷载。,2,、临界荷载,9.3,地基临界荷载,9.3.2,地基的临塑荷载和临界荷载,各种临界荷载的承载力系数,N,q,N,c,N,P,cr,1+,/ctg-,/2+)(1-N,q,)ctg,0,p,1/4,1+,/ctg-,/2+)(1-N,q,)ctg,(N,q,-1)/2,p,1/3,1+,/ctg-,/2+)(1-N,q,)ctg,2(N,q,-1)/3,9.3,地基临界荷载,9.3.2,地基的临塑荷载和临界荷载,临界荷载的组成为三部分,以上公式由条形荷载弹性理论推出,例题,9-1,已知：条基,B=3m,，,d=1m,匀质地基，天然地基,=18kN/m,3,=38%,Gs=2.73,c=15kPa,=12,0,求：,P,cr,P,1/4,P,1/3,解：计算得出,N,c,=4.42,N,q,=1.94,N,1/4,=0.23,N,1/3,=0.31,P,cr,=cN,c,+qN,q,=101kPa,P,1/4,=cN,c,+qN,q,+,B N,1/4,=114kPa,P,1/3,cN,c,+qNq+,B N,1/3,=119kPa,再求：地下水位上升后，,P,cr,P,1/4,P,1/3,=,？,解：计算,=(Gs-1),/Gs(1+,),=8.27kN/m,3,P,cr,=cN,c,+qN,q,=101kPa,P,1/4,=cN,c,+qN,q,+,B N,1/4,=107kPa,P,1/3,cN,c,+qNq+,B N,1/3,=109kPa,9.1,概述,9.2,浅基础的地基破坏模式,9.3,地基临界荷载,9.4,地基极限承载力,9.5,地基容许承载力和地基承载,力特征值,第九章 地基承载力,1.,地基极限承载力,/,荷载定义：,地基剪切破坏发展即将失稳时所能承受的极限荷载。,2.,求解方法,极限平衡理论，假设土体为钢塑体,假定滑动面,D,m,D,9.4,地基极限承载力,(1),(2),（,3,）,z,zx,x,x,z,Z,9.4.1,普朗特,-,赖斯纳极限承载力,9.4,地基极限承载力,极限平衡条件,普朗特,-,赖斯纳的基本假设,1),基础底面绝对光滑,(,，竖直荷载是主应力,2),无重介质的假设：即,=0,：,3),基础底面为地表面，,q,m,D,做为均布荷载,D,m,D,p,u,9.4.1,普朗特,-,赖斯纳极限承载力,9.4,地基极限承载力,条形基础地基的滑裂面形状,无重介质地基的滑裂线网,B,E,F,B,实际地面,D,C,p,9.4.1,普朗特,-,赖斯纳极限承载力,9.4,地基极限承载力,I,区,垂直应力,p,u,为大主应力，,与水平方向夹角,45,2,=p,u,k,a,p,u,P,u,9.4.1,普朗特,-,赖斯纳极限承载力,9.4,地基极限承载力,III,区,水平方向为大主应力，,与水平方向夹角,45,-2,3,=,m,D,1,k,p,m,D,q=,m,D,9.4.1,普朗特,-,赖斯纳极限承载力,9.4,地基极限承载力,II,区：过度区,：,极限平衡,第二区：,r=r,0,e,tg,r,0,r,9.4.1,普朗特,-,赖斯纳极限承载力,9.4,地基极限承载力,作用在隔离体上的力：,p,u,、,D,、,p,a,、,p,p,、,c,、,R,所有力对,A,点力矩平衡,p,u,R,隔离体,r,0,r,A,p,p,p,a,D,c,9.4.1,普朗特,-,赖斯纳极限承载力,9.4,地基极限承载力,9.4.1,普朗特,-,赖斯纳极限承载力,9.4,地基极限承载力,m,D=q,1.,基本条件,(1),考虑地基土的自重,基底土的重量,0,(2),基底可以是粗糙的,=0,(,不会超过,为什么,?),(3),忽略基底以上部分土本身的阻力,简化为上部均布荷载,q=,m,D,(4),基础发生整体 剪切破坏,D,m,D,9.4.2,太沙基极限承载力,9.4,地基极限承载力,2.,假设的滑裂面形状,被动区,过渡区,刚性核,9.4.2,太沙基极限承载力,9.4,地基极限承载力,G,p,u,b,3.,考虑刚性核的平衡,1.,当基底绝对粗糙时，夹角为,，即,=,；,2.,考虑刚性核的平衡：,荷载：,p,u,自重：,G,粘聚力：,c,被动土压力,P,p,9.4.2,太沙基极限承载力,9.4,地基极限承载力,9.4.2,太沙基极限承载力,9.4,地基极限承载力,当基底完全粗糙时：,当基底不完全粗糙时：,N,c,、,N,q,、,N,是,和,的函数。,太沙基公式中的承载力因数,N,、,N,q,、,N,c,查图,9-10,，以,为变量,比,普朗特,-,赖斯纳承载力公式偏大，因为考虑了基底摩擦和土体自重,局部剪切破坏（非整体破坏）,公式（,9-17,）,-,（,9-21,）,9.4.2,太沙基极限承载力,9.4,地基极限承载力,9.4.3,汉森和魏锡克极限承载力,N:,承载力系数；,S,：基础形状修正系数；,i,：荷载倾斜修正系数；,d:,基础埋深修正系数；,g:,地面倾斜修正系数；,b,：基底倾斜修正系数。,9.4,地基极限承载力,例题,9-2,已知：条基,B=3m,，,d=1m,匀质地基，天然地基,=18kN/m,3,=38%,Gs=2.73,c=15kPa,=12,0,求：,1,、太沙基极限承载力：条基、圆形基础、方形基础；整体剪切破坏、局部剪切破坏,2,、地下水位上升后的变化,解：计算得出,N,c,=10.9,N,q,=3.32,N,=1.66,N,c,=8.5,N,q,=2.2,N,=0.86,基础,类型,Pu(kPa),整体剪切破坏,Pu(kPa),局部剪切破坏,原地下水位,地下水位上升,原地下水位,地下水位上升,条基,268.08,243.85,147.82,135.27,圆基,282.85,268.32,155.53,148.00,方基,291.82,272.43,160.18,150.13,9.4.4,极限承载力公式的比较,太沙基承载力公式：未考虑基底以上土体的抗剪强度,迈耶霍夫公式：考虑了超载的抗剪强度，图（,9-12,）,魏西克和汉森公式：基底为光滑，未考虑基底以上土体的抗剪强度,比较见表,9-9,、,9-10,9.4,地基极限承载力,极限承载力,p,u,的组成,BN,/2,cN,c,D,qN,q,讨论,极限承载力的三部分,滑动土体自重产生的抗力,滑裂面上的粘聚力产生的抗力,侧荷载,D,产生的,抗力,讨论,(1),影响滑裂面形状的大小，承载力因数的大小。滑动土体的体积,q,的分布范围,滑裂面的大小。,p,u,讨论,(2),宽度,B,增加为,2B,滑动体体积增加为原来的,2,2,倍,(,提供的抗力,),由此增加的承载力增加为原来的,2,倍,(,BN,/2,线性增加）。,B,增加，,q,的分布面积线性增加，,qN,q,不变。,B,增加，滑裂面面积线性增加，,cN,c,不变。,p,u,p,u,讨论,(3),qN,q,与侧面荷载大小和荷载分布范围有关,-,滑裂面形状有关。滑裂面形状与,有关。,N,q,是,的函数,p,u,p,u,讨论,(4),cN,c,与粘聚力和滑裂面长度有关,-,滑裂面形状有关。滑裂面形状与,有关。,N,c,是,的函数,p,u,讨论,地基容许承载力：,地基稳定有足够安全度的承载能力,=p,u,/k,，同时必须验算变形。,地基承载力特征值：,地基稳定有保证可靠度的承载能力，同时必须验算变形。,确定地基承载力设计值的方法：,1.,现场试验法：载荷试验、标准贯入试验、静力触探等。要进行修正,2.,规范公式计算法，不做宽度深度修正,3.,根据经验确定容许承载力，做宽度深度修正,9.5,地基容许承载力和地基承载力特征值,目前规范中设计承载力的确定,1.,静载荷试验,f,a,=f,ak,+,b,(b-3)+,d,m,(d-0.5),f,ak,:,静载荷试验确定的承载力,-,特征值,确定方法见书中,253,页。,f,a,：深宽修正后的承载力特征值,荷载板,9.5,地基容许承载力和地基承载力特征值,2.,承载力 公式法：,f,a,=M,b,b+M,d,m,d+M,c,c,k,f,a,:,承载力特征值（设计值）,相当与,p,1/4,=N,B/2+N,q,d+N,c,c;,但当内摩擦角比较大时,，,2,M,b,N,。查表,9-11,3.,经验类比法确定设计承载力,9.5,地基容许承载力和地基承载力特征值,极限承载力和容许承载力的区别,极限承载力,p,u,地基达到完全剪切破坏时的荷载,容许承载力（特征值）,f,同时满足强度和变形要求的荷载,9.5,地基容许承载力和地基承载力特征值,