土的抗剪强度与地基承载力.ppt

土力学与地基基础 Ground and Foundation,教师: 张丹 电话.:Email : ,一般材料的破坏：抗拉,第4章 土的抗剪强度与地基承载力,一般材料的破坏：抗压,一般材料的破坏：抗剪,一般材料的破坏：抗扭,一般材料的破坏：抗拉、抗剪、抗扭、抗弯、抗压。 但土体一般只考虑抗剪破坏？,土的单轴、三轴压缩破坏图,4.1 概述,土的抗剪强度是土体抵抗剪切破坏的能力。 土的抗剪强度是土的重要力学性质： 1）决定地基的承载力 2）挡土墙的土压力计算 3）边坡的稳定性分析,土的剪切破坏过程： 土体受到荷载作用后，土中各点将产生应力。 若某点的剪应力达到其抗剪强度，在剪切面两侧的土体将产生相对位移而产生滑动破坏。 剪切面也称为滑动面或破坏面。,随着荷载继续增加，土体中的剪应力达到抗剪强度的区域（塑性区）越来越大，最后各滑动面连成整体，土体将发生整体剪切破坏而丧失稳定性。,1、库仑公式 1776年Coulomb根据砂土剪切试验：,图4-9,剪切试验结果, 土的粘聚力 剪切面上的法向应力 土的内摩擦角,2、土的极限平衡条件 Mohr-Coulomn强度理论,Mohr-Coulomn 强度理论 该平面与最大主平面夹角为a的平面上的正应力与剪应力为：,显然，不同方向的面的应力状态不同。强度也不同，那么怎样来确定土体的破坏面呢？,Mohr-Coulomn强度理论就是将土的抗剪强度线画在Mohr应力圆图上，如P80图4-5。这样土的应力状态可以分为三类：,怎样判断土体整体应力状态是否安全？,土的能力,极限平衡状态,1）应力圆位于强度线里面，该点是安全的，没有破坏。,2）应力圆与强度线相切，该点处于极限平衡状态。 根据P81图4-6，可以求得破坏时主应力关系：,破坏面与第一主平面的夹角：,在极限平衡状态下：,对无粘性土（砂土），C=0：,破坏面与第一主平面的夹角：,3）应力圆与强度线相割，表明土体在进入该应力状态之前早已破坏，也就是说，该应力状态是不存在的。,已知：土样的 求： 判断该土样是否达到极限平衡状态。,方法？,解1：,由1 3f，比较3和3f,解2：,由3 1f，比较1和1f,解：,由1 , 3 m，比较和m,4.2 土的抗剪强度指标的测定,4.2.1 直接剪切试验 1、 直剪原理图，P82图4-9。 测量结果如P83图4-10。,图4-9,直剪试验,2、抗剪强度的测定方法,抗剪强度的确定：曲线出现峰值；不出现峰值时，采用剪切位移4mm时的剪应力。 抗剪强度线确定如P83图4-10(b)。,剪切位移,3、分类 (1) 快剪 (0.8mm/min) (2) 固结快剪 (0.8mm/min) (3) 慢剪 (0.8mm/min),优点：仪器便宜，操作简单。 缺点： 1） 剪切破坏面人为确定，非抗剪强度弱面。 2） 无法严格控制排水条件。,4、特点,4.2.2 三轴剪切试验,三轴试验原理 主要有主机、稳压调压系统以及量测系统三部分组成。 围压不变，轴压变化，P85图4-13。,方法： 固结：试样施加围压力1=2=3 剪切：施加应力差1=1-3,应力特点： 试样是轴对称应力状态 垂直应力z一般是大主应力1 侧向应力总是相等x=y，且为中、小主应力2=3,c,三轴试验,(a) 主应力差与轴向应变关系曲线 (b) 莫尔圆与包络线,三轴剪切试验试验结果：, 粘性土的三种剪切实验 （1）不固结不排水剪（快剪）：在不排水状态下，施加围压(土体无法固结），且在不排水情况下快速施加轴向应力，直到土体剪坏。 直接剪切试验时放不透水薄片。,强度指标,不固结不排水剪试验结果，如P86的图4-15所示。,该试验指标适用于：土层厚度H大、渗透系数小、施工快速的工程以及快速破坏的天然土坡的验算。,（2）固结不排水剪（固结快剪）：让试样在施加围压时排水固结，当土体固结完成（24小时）后，关闭排水阀门，在不排水情况下施加轴向应力，直到土体剪坏。,固结不排水剪试验结果，下图所示。,强度指标,该试验模拟：地基在自重或正常荷载下已达到充分固结，而后遇突然荷载的情况。（e.g.施工期间能够排水固结，但竣工后施加大量活载（如料仓），或有突然活载（如风力）等情况。）,有效应力圆、有效应力包线,总应力圆、总应力包线,（3）固结排水剪（慢剪）：施加围压后，整个试验过程中始终打开排水阀，土体固结完成后，在排水情况下慢速施加轴向应力，直到土体剪坏。,强度指标,固结排水剪试验结果，如下图所示。,该试验指标适用于：土层厚度H小、渗透系数大、施工速度慢的工程。 对于先加竖向荷载，长期后加水平荷载的挡土墙、水闸等地基，也可考虑采用固结排水剪得到的指标。,三种不同的工程背景 （1) 地基土的渗透性差或排水条件很差，而施工速度很快（相对于土的渗透性）。 （2) 建筑物竣工后较长时间后（变形已稳定，突遇荷载增大。如房屋加层，天然土坡上堆载。）,(3) 地基土的渗透性好（如砂土）或排水条件良好（粘土中夹砂层，或加排水板等强制排水措施），而施工速度很慢（相对于土的渗透性）。 做这三种情况下的土的稳定性分析时，土的强度指标会相同吗，需要怎样来模拟呢?,优点： 1） 没有人为确定剪切破坏面。 2）可以严格控制排水条件，测定孔隙水压力。 缺点：仪器较贵，操作复杂。, 三轴试验结果整理与表达,三种不同试验结果如P88，图4-18,土的抗剪强度表示方法：,总应力法 有效应力法, 土的抗剪强度 土的有效粘聚力 剪切面上的有效法向应力 土的有效内摩擦角,例： 一种粘性较大的土，分别进行快剪、固结快剪和慢剪试验，其试验成果见表4-1，试用作图法求该土的三种抗剪强度指标。,4.2.3无侧限抗压强度 无侧限抗压试验原理图（围压等于0不变，轴压变化，是一种特殊的三轴实验），P90图4-20。,？ 单轴受压破坏莫尔圆。 主要用于测量土的灵敏度。P20,4.2.4 十字板剪切试验,4.2.4 十字板剪切试验,谢谢大家！,4.4 地基承载力 一、地基破坏形式 二、确定地基承载力的方法,平板荷载试验,理论公式,其它方法,临塑荷载,临界荷载,极限承载力,普朗特尔地基极限承载力公式,太沙基地基极限承载力公式,汉森地基极限承载力公式,地基承载力定义: 地基在发生剪切破坏时的荷载强度pu.,一、地基破坏形式:,整体剪切破坏、局部剪切破坏、冲剪破坏, 整体剪切破坏 地基变形可分为三个阶段： 线弹性变形阶段、弹塑性变形阶段、破坏阶段 破坏从基础边缘开始，滑动面贯穿到地表，基础两侧的地面有明显隆起。 破坏时基础急剧下沉或向一边倾倒。 一般发生在紧密的砂土、硬粘性土地基中，埋深不大。, 局部剪切破坏： p-s曲线拐点不甚明显； 地基破坏从基础边缘开始，滑动面未延伸到地表，而是终止在地基土内部某一位置； 基础两侧的地面有微微的隆起，呈现破坏特征； 基础一般不会发生倒塌或倾斜破坏。 出现在中密砂土地基。,冲剪破坏： p-s曲线无明显拐点； 基础发生垂直剪切破坏，地基内部不形成连续的滑动面； 两侧土体没有隆起现象，随着基础的“切入”微微下沉； 基础只有过大的沉降，没有倾斜的发生。 常发生在松砂及软土中，或埋深很大时。,地基土的破坏受下列因素的影响： 1、土的压缩性质 对于坚硬或紧密的土，将出现整体剪切破坏；对于松软土，将出现局部剪切或冲切破坏； 2、与基础埋深及加荷速率有关 基础浅埋，加荷速率慢，出现整体剪切破坏； 基础埋深较大，加荷速率较快时，将出现局部剪切或冲切破坏。,二、地基承载力 1、平板载荷试验确定地基承载力 浅层平板荷载试验 承压板面积不应小于0.25m2，对于软土不应小于0.5m2。可测定浅部地基土层的承载力。 深层平板荷载试验 承压板一般采用直径为0.8m的刚性板，紧靠承压板周围外侧的土层高度应不小于80cm。可测定深部地基土层的地基承载力。 实验步骤：分级加载，逐级稳定、直到破坏，最后得到p-s曲线。,二、地基承载力,临塑荷载是指地基土中将要而尚未出现塑性变形区时的基底压力。以条形基础为例推导。 假定：侧压力系数为1，附加应力按弹性理论求解。,大主应力方向在视角平分线上,2、理论公式确定地基承载力,（1）地基的临塑荷载,假设土自重应力所引起的应力各个方向均相等，任意点 M 由于外荷载及土自重所产生的主应力总值为：,由极限平衡条件，塑性区的边界方程为：,塑性区最大深度,点处于极限平衡状态：,根据此式可绘制出塑性区的边界线,在荷载 P 的作用下，地基土的塑性区边界上任一点的 z 与 之间的关系。,塑性区首先从基础两边点开始向深度发展，塑性区发展的最大深度为：,令zmax=0，可得临塑荷载,讨论：抗剪强度指标越大，临塑荷载越大 埋深越大，临塑荷载越大 临塑荷载与基础宽度无关,2、理论公式确定地基承载力,（2）地基的临界荷载,令zmax=b/4或b/3，可得,讨论：抗剪强度指标越大，界限荷载越大 埋深越大，界限荷载越大 界限荷载随基础宽度增大而变大,注意：Pcr，p1/4都可以作为地基承载力设计值，对于矩形和圆形基础，其结果偏于安全。 已有塑性区，推导不严格。,临界荷载：控制地基中塑性区发展深度的荷载。,极限承载力pu：是地基承受基础荷载的极限压力。 其求解方法一般有两种： 根据土的极限平衡理论和已知边界条件，计算出土中各点达极限平衡时的应力及滑动方向，求得基底极限承载力。复杂 通过基础模型试验，研究地基滑动面形状并进行简化，根据滑动土体的静力平衡条件求得极限承载力。常用,（2）地基的极限荷载,（1）普朗德尔公式,假定：条形荷载、底面光滑、地基土无质量,缺点：如果是砂土地基，基础无埋深时，pu=0，不合理,承载力系数,极限承载力：,（2）太沙基公式,假定：整体剪切破坏，基础底面粗糙，这样地基下面存在一个弹性核。,极限承载力：,Nr 、Nc、 Nq地基承载力系数。,整体剪切破坏,局部剪切破坏,（3）汉森公式,假定：均质地基、基底光滑、可考虑基础形状、倾斜荷载、基础埋深、地面倾斜、基底倾斜,4、按