地基与基础课件土的抗剪强度与地基承载力.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,地基与基础,奥体中心,鸟巢工程,第四章,土的抗剪强度与地基承载力,学习重点,4.1 概述,4.2 土的抗剪强度,4.3 抗剪强度指标的测定,4.4 地基承载力,学习重点,【重要概念】土的抗剪强度、土的极限平衡理论、摩尔圆、地基破坏形式和地基承载力,掌握库仑定律、土的抗剪强度的组成与影响因素,掌握土的极限平衡理论；,了解土的抗剪强度指标常用测定方法，学会根据不同固结条件和排水条件正确选用土的抗剪强度指标；,了解地基破坏的三种形式,掌握,地基承载力特征值的基本,概念、确定方法及修正,4.1概述,变形破坏,地基破坏,强度破坏,土体强度破坏的机理：,在外荷载作用下，土体中将产生剪应力和剪切变形，当土中某点由外力所产生的剪应力达到土的抗剪强度时，土就沿着剪应力作用方向产生相对滑动，该点便发生,剪切破坏。,为防止地基土发生整体剪切破坏或失稳破坏，必须使作用在基础底面上的荷载不超过地基承载力,。,沉降超过规定限值,地基整体或局部滑移、隆起，土工构筑物失稳、滑坡,工程中的强度问题,土的抗剪强度：,土体抵抗剪切破坏的极限能力,4.2 土的抗剪强度,4.2.1 库仑定律（1776）,f,=tan,砂土,f,=c+tan,粘土,c,f,f,库仑定律：,土的抗剪强度是剪切面上的法向总应力,的线性函数,c,:,土的粘聚力土的内摩擦角,砂土,粘性土,有效应力,说明：,称为,土的,有效应力，,c,、,为土的有效粘聚力和有效内摩擦角，即土的有效应力强度指标。施加于试样上的垂直法向应力,为总应力，,c,、,为总应力意义上的土的粘聚力和内摩擦角，称之为总应力强度指标。,根据有效应力原理：,土的抗剪强度并不是由剪切面上的法向总应力决定，而是取决于剪切面上的,法向有效应力,，,即,有效应力强度指标确切地表达出了土的抗剪强度的实质，是比较合理的表达方法,剪切面上的总应力与有效应力之间关系为：,4.2.2 土的极限平衡理论,3,3,1,1,3,1,ds,dx,dy,楔体静力平衡,1土中一点的应力状态,3,1,ds,dx,dy,斜面上的应力,莫尔应力圆方程,O,1,3,1/2(,1,+,3,),2,A(,),圆心坐标,1/2(,1,+,3,),，,0,应力圆半径,r,1/2(,1,3,),土中某点的应力状态可用莫尔应力圆描述,强度线,用莫尔应力圆与库仑强度直线相切的应力状态作为判别土体破坏的准则，称为,莫尔库仑破坏准则,。,土的抗剪强度直线又称为,莫尔库仑强度包线,或,抗剪强度包线,。,2莫尔库仑破坏准则,相切,莫尔库仑破坏准则,应力圆与强度线,相离：,强度线,应力圆与强度线,相切：,应力圆与强度线,相割：,极限应力圆,f,破坏状态,3土的极限平衡条件,3,1,c,f,2,f,A,cctg,1/2(,1,+,3),无粘性土：,c=0,土体处于极限平衡状态时，破坏面与大主应力作用面的夹角为,f,f,2,f,3,1,c,A,cctg,1/2(,1,+,3,),说明：,剪破面并不产生于最大剪应力面，而与最大剪应力面成,/2,的夹角，可知，土的剪切破坏并不是由最大剪应力,max,所控制,max,【例】,地基中某一单元土体上的大主应力为430kPa，小主应力为200kPa。通过试验测得土的抗剪强度指标,c,=15 kPa，,=20,o,。试问该单元土体处于何种状态？单元土体最大剪应力出现在哪个面上，是否会沿剪应力最大的面发生剪破？,【解】已知,1,=430kPa，,3,=200kPa，,c,=15kPa，,20,o,计算结果表明：,1f,大于该单元土体实际大主应力,1,，实际应力圆半径小于极限应力圆半径，所以，该单元土体处于弹性平衡状态,1.计算法,计算结果表明：,3,f,小于该单元土体实际小主应力,3,，实际应力圆半径小于极限应力圆半径,，所以，该单元土体处于弹性平衡状态,在剪切面上,由库仑定律,由于,f,，所以，该单元土体处于弹性平衡状态,c,1,1f,3f,实际应力圆,极限应力圆,最大剪应力与主应力作用面成45,o,最大剪应力面上的法向应力,由库仑定律,最大剪应力面上,f,，所以，不会沿剪应力最大的面发生破坏,max,2.图解法,4.3,抗剪强度指标的测定,4.3.1 直接剪切试验,4.3.2 三轴剪切试验,4.3.3无侧限压缩试验,4.3.1 直接剪切试验,直剪仪,构造示意,直剪仪,实物,直接剪切试验,原理,直接剪切试验的,速率,直接剪切试验的,优缺点,直剪仪,构造示意,试验仪器：,直剪仪（应力控制式，应变控制式）,1轮轴；2底座；3透水石；4测微表；5活塞；6上盒；7土样；8测微表；9量力环；10下盒,直接剪切仪,百分表,剪切盒,量力环,直接剪切仪,直接剪切仪,直接剪切试验,原理,慢剪,：,试样在垂直压力作用下，待充分排水固结稳定后（变形稳定标准：0.005mm/hr），再缓慢施加水平剪力(剪切速度小于0.02mm/min)，使剪切过程中试样也充分排水固结,固结快剪：,试样在垂直压力下排水固结稳定后，迅速施加水平剪力(0.8mm/min，35min)，以保持土样的含水量在剪切前后基本不变。,快剪：,施加正应力后立即剪切(0.8mm/min，3-5分钟内快速剪切破坏)，确保不让孔隙水排出,。,直接剪切试验的,速率,直剪试验,通过控制剪切速率来近似模拟排水条件,c,s,s,c,cq,cq,c,q,q,试验结果,适用条件,试验结果,适用条件,快剪,用于模拟在土体,来不及固结排水,就较快加载的情况，对实际工程中，对渗透性差，排水条件不良，建筑物,施工速度快,的地基土或斜坡稳定分析时，可采用快剪；,固结快剪,用于模拟建筑场地上土体在自重和正常荷载下作用下达到,完全固结,而后遇到,突然施加荷载,的情况例如地基土受到地震荷载的作用属于此情况；,慢剪,指标用于模拟在实际工程中，土的,排水条件良好,（如砂土层中夹砂层）、地基土,透水性良好,（如低塑性黏土）且,加荷速率慢,的情况。,因此，应根据实际的工程情况选择合适的试验方法。,直剪试验优缺点,【优点】,仪器构造简单，易于操作,【缺点】,剪切破坏面固定为上下盒之间的水 平面不符合实际情况，不一定是土样的最薄弱面。,试验中不能严格控制排水条件，对透水性强的土尤为突出，不能量测土样的孔隙水压力。,上下盒的错动，剪切过程中试样剪切面积逐渐减小，剪切面上的剪应力分布不均匀,4.3.2 三轴压缩试验,三轴剪切仪构造示意,三轴剪切仪实物,三轴剪切试验原理,三轴剪切试验类型,三轴 仪构造示意,压力室,量测系统,三轴压缩仪,三轴压缩仪,三轴剪切试验原理,三轴试验是根据摩尔库仑破坏准则测定土的黏聚力,c,和 内摩擦角 。常规的三轴试验是取三个性质相同的圆柱体试件，分别先在其四周施加不同的围压（即小主应力），随后逐渐增大大主应力直到破坏为止,。,固结排水试验（,CD,试验）,1,打开排水阀门，,施加围压,后充分固结，超静孔隙水压力完全消散；,2,打开排水阀门，慢慢施加轴向应力差,以便充分排水，避免产生超静孔压,固结不排水试验（,CU,试验）,1,打开排水阀门，,施加围压,后充分固结，超静孔隙水压力完全消散；,2,关闭排水阀门，很快剪切破坏，在施加轴向应力差,过程中不排水,不固结不排水试验（,UU,试验）,1,关闭排水阀门，,围压,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,过程中不排水,c,d、,d,c,cu、,cu,c,u、,u,三轴剪切试验类型,不固结不排水试验（,UU,）,不固结不排水剪,快剪,对于饱和黏性土，在不同围压下测得不固结不排水剪的破损摩尔圆直径相等，其包络线为水平线,固结排水试验（,CD,）,固结排水剪,慢剪,孔隙水压力=0,抗剪强度指标,即为,有效抗剪强度指标,c,d,=c、,d,=,固结不排水剪试验（测孔压）确定,c,和 的方法,将所得的总应力摩尔圆（,图 中各实线圆,）向坐标原点平移一相应的孔隙水压力,u,值，圆的半径保持不变,固结,不排,水试验,（,CU,）,【,例4-2,】,对某饱和土做固结不排水试验，4个试样破坏时的 、和相应的孔隙水压力,u,列表于3-1中。试确定该试样 、和 、。,表3-1 三轴试验成果,【机械社教材】P54例3-2,【例4-2,解】,（1）采用直角坐标系，在横坐标上，按适当比例尺绘制，绘制 、点，以 -为直径，（，0）为圆心绘制摩尔圆，4组试样共4个圆，如图3-13中实线所示，然后作此4圆的公切线，即为土的抗剪强度包线。量得 =17 kPa，=17,（2）采用表3-2的数据作有效应力圆，如图3-13中虚线所示，方法同上，然后作此4圆的公切线，量得 =12 kPa，=25,表3-2 三轴试验成果（有效应力）,(,单位：,kPa),例4-2图,【优点】,试验中能严格控制试样排水条件，量测孔隙水压力，了解土中有效应力变化情况,试样中的应力分布比较均匀,【缺点】,试验仪器复杂，操作技术要求高，试样制备较复杂,试验在,2,=,3,的轴对称条件下进行，与土体实际受力情况可能不符,三轴试验优缺点,4.3.3无侧限压缩试验,无侧限抗压强度试验是三轴剪切试验的特例，对试样不施加周围压力，即,3,=0,，只施加轴向压力直至发生破坏，试样在无侧限压力条件下，剪切破坏时试样承受的最大轴向压力,q,u,，称为,无侧限抗压强度,饱和软粘土,无侧限压缩仪,对于饱和软粘土，根据三轴不排水剪试验成果，其强度包线近似于一水平线，即,u,=0，因此无侧限抗压强度试验适用于测定饱和软粘土的不排水强度。,无侧限抗压强度试验仪器构造简单，操作方便，可代替三轴试验测定饱和软粘土的不排水强度。,无侧限抗压强度,q,u,c,u,u,=0,土的灵敏度,粘性土的原状土无侧限抗压强度与原土结构完全破坏的重塑土的无侧限抗压强度的比值,反映土的结构受挠动对强度的影响程度,根据灵敏度将饱和粘性土分类：,低灵敏度土,1S,t,2,中灵敏度土,24,适用于现场测定饱和粘性土的不排水强度，尤其适用于均匀的饱和软粘土,4.3.4十字板剪切试验,柱体上下平面的抗剪强度产生的抗扭力矩,柱体侧面剪应力产生的抗扭力矩,4.4地基承载力,4.4.1 地基的破坏形式,4.4.2 地基的临塑荷载与临界荷载,4.4.3 地基的极限荷载,4.4.4 地基承载力的确定方法,4.4.5 地基承载力的修正,4.4.1 地基的破坏形式,整体剪切破坏,局部剪切破坏,冲切破坏,4.4.1 地基的破坏形式,试验研究表明，在荷载作用下，建筑物地基的破坏通常是由承载力不足而引起的剪切破坏，地基剪切破坏的形式可分为,整体剪切破坏、局部剪切破坏,和,冲剪破坏,三种形式,整体剪切破坏,局部剪切破坏,冲剪破坏,1)p-s曲线上有两个明显的转折点，可区分地基变形的三个阶段,2)地基内产生塑性变形区，随着荷载增加塑性变形区发展成连续的滑动面,3)荷载达到极限荷载后，基础急剧下沉，并可能向一侧倾斜，基础两侧地面明显隆起,整体剪切破坏,整体剪切破坏的曲线1有两个转折点,a,和,b,，相应于,a,点的荷载称为,临塑荷载,p,cr,，指地基土即将出现剪切破坏时的基础底面的压力；相应于,b,点压力称为,极限荷载,p,u,，是地基承受基础荷载的极限压力，当基底压力达到,P,u,时，地基就会发生整体剪切破坏。临塑荷载,p,cr,和极限荷载,p,u,称为地基的两个临界荷载。,地基整体剪切破坏一般经历三个发展阶段：,0,s,p,p,cr,p,u,a,b,c,p,p,cr,p,cr,p,p,u,p,p,u,塑性变形区,连续滑动面,a.线性变形阶段：,oa段，荷载小，主要产生压缩变形，荷载与沉降关系接近于直线，土中,f,地基处于弹性平衡状态，阶段终点的对应荷载称为,比例界限或临塑荷载P,cr,。,b.弹塑性变形阶段：,ab段，荷载增加，荷载与沉降关系呈曲线，地基中局部产生剪切破坏，出现塑性变形区，阶段终点所对应荷载称为,极限荷载,P,u,。,c.破坏阶段：,bc段，塑性区扩大，发展成连续滑动面，荷载增加，沉降急剧变化,1)p-s曲线转折点不明显，没有明显的直线段。,2)塑性变形区不延伸到地面，限制在地基内部某一区域内。,3)荷载达到极限荷载后，基础两侧地面微微隆起。,1)p-s曲线没有明显的转折点。,2)地基不出现明显连续滑动面。,3)荷载达到极限荷载后，基础两 侧地面不隆起，而是下陷。,2.局部剪切破坏,3.冲剪破坏,4.4.2 地基的临塑荷载与临界荷载,1临塑荷载,地基临塑荷载是指地基中将要出现但尚未出现塑性变形区时的基底附加压力。,其计算公式可根据土中应力计算的弹性理论和土体极限平衡条件导出。,工程实践表明，采用上述临塑荷载,p,c,r,作为地基承载力，十分安全而偏于保守。这是因为在临塑荷载作用下，地基处于压密状态的终点，即使地基发生局部剪切破坏，地基中塑性区有所发展，只要塑性区范围不超出某一限度，就不致影响建筑物的安全和正常使用。因此，可以采用临界荷载作为地基承载力。,临塑荷载的计算公式为2临界荷载,临界荷载是指地基中已经出现塑性变形区，但尚未达到极限破坏时的基底附加压力。,一般认为，在中心垂直荷载下，塑性区的最大发展深度z,max,可控制在基础宽度的1/4，相应的临界荷载用P,1/4,表示。,对于偏心荷载作用的基础，塑性区的最大发展深度也可取z,mzx,=1/3，相应的临界荷载用P,1/3,表示。,地基临界荷载的计算公式,中心荷载,偏心荷载,【,例,】,某条基，底宽,b,=1.5m,，,埋深,d,=2m,，,地基土的重度,19,kN/m,3,，,饱和土的重度,sat,21,kN/m,3,抗剪强度指标为,=20,，,c,=20kPa,求,(1),该地基承载力,p,1/4,(2),若地下水位上升至地表下,1.5,m,，,承载力有何变化,【,解】,(1),(2)地下水位上升时，地下水位以下土的重度用有效重度,说明：,当地下水位上升时，地基的承载力将降低,该地基承载力,p,1/4,为,1.太沙基极限承载力理论,4.4.3 地基的极限荷载,地基剪切破坏发展到即将失稳时所能承受的荷载，称为地基的,极限荷载,。相当于地基土中应力状态从剪切阶段过渡到隆起阶段时的界限荷载,。,太沙基理论的极限承载力理论解,N,r,、N,q,、N,c,均为承载力系数，均与,有关，太沙基给出关系曲线，可以根据相关曲线得到,上式适用于条形基础整体剪切破坏情况，对于局部剪切破坏，将c和tan,均降低,1/3,方形基础,局部剪切破坏时地基极限承载力,N,r,、,N,q,、,N,c,为局部剪切破坏时承载力系数，也,可以根据相关曲线得到,对于方形和圆形基础，太沙基提出采用经验系数修正后的公式：,圆形基础,用太沙基公式计算地基承载力时，应除以安全系数K(K3),即,该公式适用于浅基础下，内摩擦角,=,0,的饱和软土地基，并考虑了基础宽度与长度比值的影响。工程实践表明，按斯凯普顿公式计算的饱和软土地基极限荷载与实际接近。,2斯凯普顿（Skempton）公式,斯凯普顿专门研究了饱和软土地基的极限荷裁计算，提出了斯凯普顿极限荷载计算公式。,用斯凯普顿极限荷载公式计算地基承载力时，应除以安全系数K，K=111.5。,3.汉森极限承载力理论,汉森公式适用于倾斜荷载作用下，不同基础形状和埋置深度的极限荷载的计算。由于适用范围较广，对水利工程有实用意义，已被我国港口工程技术规范所采用。,式中,汉森公式,S,r,、S,q,、S,c,基础的形状系数,i,r,、i,q,、i,c,荷载倾斜系数,d,r,、d,q,、d,c,深度修正系数,g,r,、g,q,、g,c,地面倾斜系数,b,r,、b,q,、b,c,基底倾斜系数,N,r,、N,q,、N,c,承载力系数,说明：,相关系数均可以有相关公式进行计算,4.4.4 地基承载力的确定,地基承载力特征值的概念,地基承载力特征值是指由载荷试验测定的地基土压力变形曲线线性变形段内规定的变形所对应的压力值，其最大值为比例界限值。,建筑地基基础设计规范（GB500072002）规定：当按地基承载力计算以确定基础底面积和埋深或按单桩承载力确定桩的数量时，传至基础或承台底面上的荷载效应应按正常使用极限状态采用标准组合，相应的抗力限值应采用修正后的地基承载力特征值或单桩承载力特征值。,地基承载力特征值可由载荷试验或其它原位测试、公式计算、并结合工程实践经验等方法综合确定。,按理论公式确定地基承载力特征值,按地基临塑荷载P,cr,、临界荷载P,1/4,和P,1/3,、极限荷载 P,u,确定地基承载力特征值。,当采用极限荷载P,u,确定地基的承载力特征值时，应除以安全系数K。,按规范推荐公式确定,建筑地基基础设计规范（GB500072002）推荐采用以临界荷载 P,1/4,为基础的理论公式计算地基承载力特征值。规范规定：当偏心距,e,小于或等于0.033倍基础底面宽度时，根据土的抗剪强度指标确定地基承载力特征值可按下式计算，并应满足变形要求。,按载荷试验确定地基承载力特征值,将一个刚性承压板平置于欲试验的土层表面，通过千斤顶或重块在板上分级施加荷载，观测记录沉降随时间的发展以及稳定时的沉降量s，将上述试验得到的各级荷载与相应的稳定沉降量绘制成ps曲线，由此曲线即可确定地基承载力和地基土变形模量,。,1,承压板,2,千斤顶,3,百分表,4,平台,5,支墩,6,堆载,现场浅层平板载荷试验示意图,反力梁,千斤顶,地基现场载荷试验,载荷板,百分表,基准梁,试验加荷标准应符合下列要求：,加荷等级应不小于,8,级，最大加荷量不应小于设计荷载的,2,倍；,每级加荷后，按间隔,10,、,10,、,10,、,15,、,15min,，以后为每,30min,读一次沉降量，沉降量,0.1mm/h,认为稳定可以加下一次荷载；,除第一次，其后每次加荷，对松软土,10,25kPa,，对坚硬土,50kPa,。凭观测累计荷载下的沉降量,s,，直到达到以下状况终止加载,.,荷载试验p,S曲线,o,P,cr,P,u,P,S,1,a,r,b,c,s,当出现下列情况之一时终止加载:,1）荷载板周围的土有明显基础；,2）荷载p增量很小，但沉降量s却急剧增大：,3）在某一荷载下，24h内沉降速率不能达到稳定标准；,4）沉降量与承压板宽度或直径之比（s/b)0.06。,载荷试验,（,1）当ps曲线上有比例界限时，取该比较界限所对应的荷载值；,（2）对于比例界限荷载值与极限荷载很接近的土，当极限荷载P,U,小于对应比例界限荷载值P,cr,的2倍时，取极限荷载值的一半；,（3）当不能按上述两款确定时，且压板面积为0.250.50m,2,，可取s/b=0.010.015所对应的荷载，但其值不应大于最大加荷载量的一半。,（4）同一土层参加统计的实验点不应少于三点，当试验实测值的极差不超过其平均值的30%时，取此平均值作为该土层的地基承载力特征值f,ak,。,由p-s曲线确定地基承载力特征值:,地基承载力特征值的修正,规范规定：,当基础宽度大于3m或埋置深度大于0.5m时，从载荷试验或其他原位测试、经验值等方法确定的地基承载力特征值应该进行修正。,f,a,修正后的地基承载力特征值,f,ak,地基承载力特征值，根据强度指标确定,b,、,d,基础宽度和埋深的地基承载力修正系数（可查表）,