土力学课件(清华大学).ppt

第八章 地基承载力,主要内容 本课程重点,地基勘探 Site investigation 地基承载力 Bearing Capacity of Foundation Soil,第一节 地基勘探 Site investigation,一、勘探要求： 了解地基的工程地质和水文条件，为确定地基承载力和进行基础设计提供依据 1 资料：平面图和地形图 建筑物的形式和荷载 管线，地下室,第一节 地基勘探 Site investigation,一、勘探要求： 1 资料,内容 土层分布，水平位置和深度 每层土物理力学性质 e , c Es 地下水位置及性质Ground water 其他地质问题：古滑坡，古墓， 洞穴，老河道古井,杂填,泥炭,粉质粘土,粘土,砂砾石,布点 一般性勘察：针对持力层，平面 (11.5)b (34)b 2050m 控制性勘察：压缩层，比一般性勘察深,地基勘探,二、勘探方法,物探地球物理勘探 坑探明挖 钻探钻孔 触探 现场测试原位试验,地基勘探,1 物探Geophysical Exploration,地球物理勘探 方法:重力场,磁电场,声,弹性波,放射性勘探,地震勘探(规范,剪切波速) 优点:简单迅速 缺点:间接判断, 较大范围.,地基勘探,2 坑探 trial pits,优点:直观, 取原状样，兰旗营9m坑 缺点: 一般34m, 地下水以下危险,地基勘探,最常用的办法,可达100m以下 划分地层 确定地下水 取样 可以进行触探及原位试验,钻探 Exploration Drilling,地基勘探,回转式钻机,4 触探 动力触探和静力触探 Dynamic Penetration, Static Cone Penetration,(1) 动力触探Dynamic Penetration 管状探头 标准贯入试验SPT, 63.5 kg, 76cm距,贯入深度30cm的击数, N 63.5 锥状探头 轻型10 kg, 50cm落距,贯入深度30cm 中型 28kg 重型 63.5kg 碎石,砾石地层 特重型 120kg,地基勘探,SPT Standard Penetration Test,地基勘探,标准贯入试验,地基勘探,4 触探 动力触探和静力触探,(1) 动力触探 管状探头 标准贯入试验SPT, 63.5 kg, 76cm落距，贯入深度30cm的击数, N 63.5,SPT用测得的标准贯入垂击数N，判定砂土的密实度或粘性土的密度，确定地基和单桩的承载力；还可评定砂土的震动液化势。标准贯入试验适用于砂性土与粘性土。,地基勘探,4 触探 动力触探和静力触探,(1) 动力触探 管状探头 标准贯入试验SPT, 63.5 kg, 76cm距,贯入深度30cm的击数, N 63.5 锥状探头 轻型10 kg, 50cm落距,贯入深度30cm 中型 28kg 重型 63.5kg 碎石,砾石地层 特重型 120kg,地基勘探,地基勘探,轻型动力触探 10kg,中型动力触探 28kg,重型动力触探 63.5kg,(2) 静力触探Static Cone Penetration 单桥探头 端部Ps=Q/A 比贯入阻力 双桥探头 端部和侧壁 土的密实度 压缩性 强度 桩和地基的承载力,地基勘探,静力触探是可以迅速、连续的反映土质变化 划分土层, 承载力、 压缩性、不排水抗剪强度、砂土密实度等 静力触探适用于粘性土和砂类土,示意图,地基勘探,5 现场试验 In situ testing,十字板 Vane Shear饱和软粘土 载荷板试验Loading Plate深浅均可 旁压仪 Pressuremeter 较深地基,地基勘探,十字板,Mmax=FD,地基勘探,现场载荷试验,地基勘探,现场载荷试验,地基勘探,平板载荷试验要点,0.5 0.5m, 0.71 0.71m, 1.0 1.0m 不少于3点 8-10级 每级稳定的标准 承载力的特征值,地基勘探,地基破坏的判定 (1)明显侧向挤出或发生裂纹 (2)荷载增量很小,沉降急剧增加, (3)某级荷载增量下,24小时内沉降不能稳定 (4)s/b0.06的荷载作为破坏荷载,载荷试验,pcr,pu,地基勘探,现场载荷试验,地基勘探,承载力的特征值fak,比例界限pcr 当pu1.5 pcr时，取极限承载力一半 渐变型曲线 s/b = 0.010.015低压缩性土 s/b = 0.02高压缩性土,地基勘探,深度宽度修正的特征值,I0形状影响系数, 圆：079；方：088,地基勘探,旁压试验,水箱,钻孔内进行横向载荷试验,用以测定较深处土层的变形模量和承载力,地基勘探,地基勘探,6 室内试验,物理性质 力学特性 直剪试验, 三轴, 压缩(渗透),地基勘探,三 勘探报告,1 一般情况 2 结果 地形和平面钻孔布置图 土层剖面 土性 地下水和不良地质问题 3 意见和建议 评价,设计施工建议,地基处理意见,地基勘探,思考题,在建筑物场地上勘探,一般要做哪些项目的勘探? 对于重要建筑物一般要采用什么试验方法确定承载力？ 如何确定砂土地基的密实度？,地基勘探,第8章 地基承载力 Bearing Capacity of Foundation Soil,第1节 地基承载力,1 建筑物地基设计的基本要求 2 地基在外荷载作用下的破坏形式 3 极限平衡理论求地基极限承载力 4 其他求极限承载力的方法 5 地基的临塑荷载、临界荷载与容许承载力,一、地基承载力定义,极限承载力 Ultimate bearing capacity 承载地基在发生剪切破坏时的荷载强度 The intensity of bearing pressure at which the supporting ground is expected to fail in shear,1 建筑物地基设计的基本要求,1）稳定要求：荷载小于承载力（抗力） p pu /Fs =f 2）变形要求：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,2 地基破坏的形式,1)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 液化 饱和松砂 2)竖直和水平荷载下地基破坏形式 表面滑动 水平力大 深层滑动 竖直荷载大,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。,3.冲剪破坏 松软地基，埋深较大； 荷载板几乎垂直下切， 两侧无土体隆起。,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。,General shear failure,Local shear failure,Punching shear failure,某谷仓的地基整体破坏,1940年在软粘土地基上的某水泥仓的倾覆,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,2 地基破坏的形式,1)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 液化 饱和松砂,1964年日本新泻（Niigata）地震地基的大面积液化,地基液化引起的建筑物破坏,3 竖直荷载和水平荷载下建筑物地基破坏的形式,4 地基的变形 1 建筑物地基设计的基本要求,1）稳定要求：荷载小于承载力（抗力） p pu /Fs =f 2)变形要求：变形小于设计允许值 S S (1)沉降量 (2)沉降差相邻柱基 (3)倾斜砌体承重结构 (4)局部倾斜,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。,墨西哥的沉降问题是世界著名的,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,大 Nishinomiya 桥的桥墩破坏. 6个桥墩中至少2个严重破坏，其可能的原因是岸边桥墩的大变形导致第一组桥墩过载。,日本1995年1月17日阪神大地震,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）,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,膨胀土对建筑物的危害,活动区域,小节,1）破坏形式 竖直荷载作用下，有水平荷载时 2) 变形要求 (1)沉降量 (2)沉降差相邻柱基 (3)倾斜砌体承重结构 (4)局部倾斜,思考题,1 在垂直均布荷载作用下,地基的失稳有几种形式?土层的性质各应该是什么样的? 2 承受垂直和水平荷载的地基其失稳形式有几种？举出这类土工建筑物的例子。 3 如何确定地基的承载力？,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,1 极限状态Limit state 结构或结构的一部分超过某一特定状态 而不能满足设计规定的某一功能要求时 这一特定状态称为结构对于该功能的极限状态 承载能力极限状态 一般是结构的内力超过其承载能力 正常使用极限状态 一般是以结构的变形、裂缝和振动参数超过设计允许的限值为依据 根据承载能力极限状态确定地基的承载力,二 地基承载力的理论公式 2 极限状态定义,二 地基承载力理论公式法 普朗特-瑞斯纳承载力公式,一. 极限平衡理论： 1.平衡方程： 2.极限平衡条件 3. 假设与边界条件 二.普朗特-瑞斯纳承载力公式 1. 条形基础地基的滑裂面形状 2. 极限承载力pu,平面问题的平衡方程,（1）,（2）,极限平衡条件,（3）,普朗特(Prandtl)的基本假设,1. 基础底面是绝对光滑的（，保证竖直荷载是主应力 2. 无重介质的假设：即在式（1）中=0：,根据公式（1）、（2）和（3）以及边界条件，利用塑性力学中的滑移线法可以求解条形基础的地基承载力 Pu 这一假定下的精确解或解析解.,1. 极限平衡区与滑裂面的形状,无重介质地基的滑裂线网,1.朗肯主动区： pu为大主应力，与水平方向夹角452 2. 过度区：r=r0e tg 3.朗肯被动区：水平方向为大主应力，与水平方向夹角45- 2,地基中的极限平衡区,I 区,垂直应力pu为大主应力， 破裂面与水平方向夹角 452,III 区,水平方向为大主应力， 破裂面与水平方向夹角 45- 2,区： 过度区：,极限平衡 第二区： r=r0e tg,作用在隔离体上的力： pu 、 D 、 pa 、 pp 、 c、R 所有力对A点力矩平衡,r=r0e tg, = R过顶点A,+M1：pu OA =B/2,+M2： pa OC= B/2 tg(45+/2),-M3: c CE=dl,-M4: pp GE=B/2e/2tg ,-M5: D AG= B/2 tg(45+/2) e /2tg ,O,G,E,C,2. 极限承载力pu,Nq, Nc: 承载力系数,如果 = 0, pu = ? 什么情况下可以作为 = 0? 当地基中地下水上升到滑动区域内时,对极限承载力有影响吗?哪类土影响大,哪类土影响小?,思考题,* 其它半经验承载力公式,一. 太沙基公式 二.汉森公式 三.其它承载力公式,一. 太沙基公式,1.基本条件 2. 假设的滑裂面形状 3. 极限承载力公式,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=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= D,2. 假设的滑裂面形状,被动区,过渡区,刚性核,Ep=Ep1+Ep2+Ep3,考虑刚性核的平衡,1. 当基底绝对粗糙时，夹角为；,2. 考虑刚性核的平衡： 荷载： p u 自重：W 粘聚力：C 被动土压力Ep,Ep1：土体自重 Ep2：滑裂面上粘聚力 Ep3 ：侧向荷载,太沙基公式中的承载力因数 N、Nq、Nc 查图8-18，以为变量 比普朗特-瑞斯纳承载力公式偏大，因为考虑了基底摩擦和土体自重 （二）局部剪切破坏（非整体破坏）,思考题,大型建筑物往往是由沉降控制设计 小型建筑物往往由承载力控制设计。 为什么（基础的宽度对于地基的承载力和沉降各有什么影响？）,极限承载力pu的组成, BN /2,cNc,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,(1) 的影响,pu, 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.,(2) 宽度B增加为2B,滑动体体积增加为原来的22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，qNq不变。B增加，滑裂面面积线性增加， cNc不变,pu,pu,(3) qNq,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。 Nq, 是的函数,pu,pu,(4) cNc,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。 Nc, 是的函数,pu,小 结 极限承载力理论界和半理论解 1 Prantl解 假设和滑裂面形状 2 太沙基解，一般解形式 3 极限承载力的影响因素 , c, ，D, B,B,E,F,B,p,实际地面,C,I,II,III,D,三 地基的容许承载力-地基承载力设计值,容许承载力f及影响因素 f pu / Fs, s s,特征值fa (设计承载力),地基承受荷载的不同阶段,3. 极限承载力,地基承载力设计值f 的确定办法：, 要求较高：,f = Pcr, 一般情况下：,f = P1/4 或 P1/3,在中国 取P1/4,或者：, 用极限荷载计算：,f = Pu / Fs,Fs -安全系数,1 荷载沉降曲线临塑荷载、极限荷载,临塑荷载,连续滑动面 和极限荷载,塑性区发展 和临界荷载,临塑荷载 临界荷载 极限荷载,允许地基中有一定的塑性区，作为设计承载力 -考察地基中塑性区的发展,地基土中某一点应力状态： ， 极限平衡应力状态（塑性区）,条形荷载塑性区的计算,自重应力： s1= (d+z) s3=k0 (d+z) 弹性区的附加应力： 合力=： 1， 3 设k0 =1.0，则有下式,塑性区的计算,弹性区的合力： 极限平衡条件：,塑性区的计算,将应力代入极限平衡条件式（2），表示该点既满足弹性区；也满足塑性区是弹塑像区的边界。在荷载p作用下，得到如下边界方程： z=f() （3）,D,z,M,2,弹塑区边界方程,塑性区的最大深度Zmax,塑性区的最大深度Zmax,塑性区的最大深度Zmax,对应Zmax=0临塑荷载 对