土的抗剪强度和地基承载力.ppt

第五章 土的抗剪强度和地基承载力 土的抗剪强度 土体抵抗剪切破坏的极限能力 大小等于剪切破坏面上的剪应力 土的抗剪强度 边坡稳定性问题 土压力当土墙问题 地基承载力问题 抗剪强度库伦定律 砂土 黏性土 土的抗剪强度 作用与剪切面上的正应力 土的内摩擦角 土的黏聚力 土的内摩阻力 土的内摩阻力 土颗粒之间的滑动摩擦力 土颗粒之间的咬合力 土的黏聚力 土颗粒之间的胶结作用 土颗粒之间结合水膜的分子引力作用 影响土抗剪强度的因素 1 土颗粒矿物成分 形状 大小 级配 土颗粒形状不规则的比圆卵形的摩阻力大 土颗粒越小 黏聚力越大 土颗粒越大 形状越不规则 摩阻力越大 土颗粒级配越好 黏聚力和摩阻力越大 2 土的原始密度越大 黏聚力和内摩阻力越大 影响土抗剪强度的因素 3 土的含水量增大 抗剪强度减小 含水量越高 结合水膜越厚 吸力越小 黏聚力越小 水起润滑作用 减小内摩阻力 4 土的结构扰动性 土受到扰动后 黏聚力降低 抗剪强度减小 影响土抗剪强度的因素 5 剪切面上的法向应力越大 土的抗剪强度越高 黏性土 砂土 6 土的应力历史 超固结土抗剪强度 正常固结土抗剪强度 欠固结土抗剪强度 莫尔库伦强度理论 例1 某柱下独立基础的地基土的抗剪强度指标为黏聚力c 100KPa 内摩擦角 30 已知某薄弱面上的总应力为170KPa 该应力和薄弱面的法线的夹角为 37 75 问该点是否会发生剪切破坏 应力状态 一个点在各方位截面上应力的集合称为一点的应力状态 主应力 在剪应力为零的平面上的最大或最小正应力 应力圆 在应力平面上 表示某个点的应力状态轨迹是一个圆心在x轴的圆 又称为莫尔圆 把土中某个点每一个角度方向的正应力和剪应力都标注在同一个坐标系中 就形成了我们工程力学中学到的莫尔应力圆 抗剪强度线和莫尔圆相离 该点不会发生剪切破坏 抗剪强度线和莫尔圆相切 该点处于极限平衡状态 抗剪强度线和莫尔圆相交 该点处于破坏状态 土体剪切破坏时 破裂面不是发生在最大剪应力的作用面上 而是发生在与最大主应力作用面成的平面上 若同一种土 有几个试样 在不同的最大 最小主应力组合下受剪破坏 在可以在应力平面坐标系中得到几个莫尔极限应力圆 这些应力圆的公切线就是土的抗剪强度包线 例2 地基中某点的主应力为 1 325KPa 3 135KPa 该地基土的黏聚力c 40 5KPa 内摩擦角为25 试着判断该点的土是否破坏 土抗剪强度的测定方法 室内试验 直接剪切试验 三轴剪切试验 无侧限抗压强度试验 室外试验 十字板剪切试验 大型直剪试验 应变控制式 等速水平推动试样产生位移并测得相应的剪力 常用 室内直接剪切试验 所用仪器 直剪仪 按加荷方式直剪仪分为 应力控制式 对试样分级施加水平剪力 同时测定相应的位移 应变控制式直剪仪 应变式直剪仪 采用不同加荷速率的试验方法来模拟土体在受剪时的不同排水条件 快剪 在施加法向压力后直接施加水平剪力 使土样在3 5min内剪坏 快剪试验适用于施工速度快地基土排水条件差 地基土在未固结的情况下承受荷载 如斜坡的稳定性 厚度很大的饱和黏性土 快剪试验的强度指标 cq和 q 固结快剪试验 在法向压力作用下 让土样完全固结 然后很快施加水平剪力 使土样在剪切过程中来不及排水固结快剪试验适用于一般建筑物地基的稳定性 建筑物在施工期间允许土体充分排水固结 但完工后可能有突然增加的荷载作用固结快剪试验的强度指标ccq和 cq 慢剪试验 先让土样在竖向压力下充分固结 然后再慢慢施加水平剪力 直到土样发生剪切破坏 慢剪试验适用于 工程施工速度较慢 地基土排水条件良好 土体易在短时间内固结的土慢剪试验的强度指标 cs和 s 例3 直剪仪测量某黏性土的抗剪强度指标 经测量其数据如下 试计算c和 的值 直剪试验的缺点 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切破坏 剪切面上剪应力分布不均匀 在剪切过程中 土样的剪切面逐渐减小 而在计算抗剪强度时 仍按土的原截面计算 试验不能严格控制排水条件 不能测定孔隙水压力 试验时 上下盒之间的缝隙易嵌入砂粒 使试验结果偏大 室内三轴剪切试验 所用仪器 三轴压缩仪 压力室简图 试样 排水管 橡皮膜 应力施加演示 2 1 施加围压 2 施加轴向偏差应力 试样 试验步骤 1 将土样切成圆柱体套在橡胶膜内 放在压力室中 2 施加周围压力 3 3 施加竖向压力 使试件受剪破坏 4 破坏时大主应力为 1 小主应力为 3 5 进行不同围压三轴试验绘制破坏状态的应力摩尔圆 找出公切线 得到c 例4 三轴仪测量某黏性土的抗剪强度指标 经测量其数据如下 试计算c和 的值 100 按排水条件和固结程度三轴试验可分为 1 不固结不排水试验 UU 剪切过程中始终关闭排水阀门 阻止孔隙水的排出 该实验适用于地基透水条件差 排水不良 且施工速度较快或斜坡稳定性验算 2 固结不排水试验 CU 对土样施加围压 打开阀门 让土样排水固结 然后关闭阀门 施加竖向应力 把土样剪坏 土样受剪过程中 里面的孔隙水是不能排出的 该实验适用于地基已充分固结或者建筑物竣工较久 有突然加载的情况 3 固结排水试验 CD 对土样施加围压 打开阀门 让土样排水固结 然后施加竖向应力 把土样剪坏 阀门一直是打开的 土样受剪过程中 里面的孔隙水是可以排出的 该实验适用于黏土层中夹有砂层 粉土层 砂土层等透水性好排水条件好的土层 三轴试验的优缺点 一 优点 试验可严格控制排水条件 试验可测量孔隙水压力 试件的破裂面在最薄弱处二 缺点 2 3 不符合工程实际 设备复杂 无法现场测试 无侧限抗压强度试验 是三轴试验中 围压 2 3 0时的特殊情况 工程上可以近似的认为 对于饱和的软黏土 在不固结不排水条件下 其内摩擦角 u 0 土的内摩阻力 土颗粒之间的滑动摩擦力 土颗粒之间的咬合力 cu 无侧限抗压强度试验还可以测量土的灵敏度 十字板剪切试验 十字板剪切试验流程 将套管打入预定土层 并清除管内的土 将十字板通过套管 压入预定土层约750mm深度 由地面上的扭转柄 对十字板的轴杆施加扭矩 使埋在土中的十字板扭转 读出十字板转动时的扭矩 十字板剪切试验的优点 1 无需钻孔取得原状土 而使土少受扰动2 土的排水条件和受力状态与实际条件接近3 适用于现场难于取样的饱和软黏土 十字板抗剪强度的计算方法 M 十字板转动时的扭矩H 十字板的高度D 十字板的直径 例6 某工地现场作十字板剪切试验 已知十字板的高度为0 4m 直径为0 5m 经测得十字板转动时的扭矩为30KN m 计算土的抗剪强度 地基变形的三阶段 1 线性变形阶段 又称压密阶段 oa段 土主要产生压缩变形 荷载与沉降关系接近于直线 土中各点的剪应力均小于土的抗剪强度 地基处于弹性平衡状态 地基变形的三阶段 塑性区 2 弹塑性变形阶段 又称剪切阶段 ab段荷载与沉降关系呈曲线 随着荷载增大 基础边缘的土的剪应力达到土的抗剪强度 产生剪切破坏 出现塑性区 地基变形的三阶段 滑动面 3 破坏阶段 bc段 随着荷载的增加塑性区扩大 发展成连续滑动面 沉降急剧变化 地基土发生剪切破坏 Pcr称临塑荷载 地基土开始出现剪切破坏时 所承受的基底压力 Pu称极限荷载 地基土形成整体滑动面 失去稳定性的开始 地基破坏的三种形式 1 整体剪切破坏 硬黏性土地基 A 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 B 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 C 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 地基破坏的三种形式 2 局部剪切破坏 中等密实砂土地基 A p s曲线转折点不明显没有明显的直线段 B 塑性变形区不延伸到地面 限制在地基内部某一区域内 C 荷载达到极限荷载后 基础两侧地面微微隆起 地基破坏的三种形式 3 冲剪破坏 松砂 软黏土地基 A p s曲线没有明显的转折点 B 地基不出现明显连续滑动面 地基破坏的三种形式 Pcr称临塑荷载 地基土开始出现剪切破坏时 所承受的基底压力 Nq Nc 承载力系数 只和内摩擦角有关 0 基础底面以上土的重度 d 基础的埋深 c 土的黏聚力 2m 例7 某条形基础的地质剖面如下图所示 求该地基持力层的临塑荷载Pcr 填土 黏性土 工程上认为 即使地基发生局部剪切破坏 地基的塑性变形区有所发展 但只要塑性区不超过某一容许范围 就不会影响建筑物的安全和正常使用 Zmax Zmax 在轴心荷载作用下 塑性区的最大深度不能超过基础宽度的1 4 当塑性区的最大深度Zmax为基础宽度的1 4时 所对应的基底附加压力为 Zmax Zmax 在偏心荷载作用下 塑性区的最大深度不能超过基础宽度的1 3 当塑性区的最大深度Zmax为基础宽度的1 3时 所对应的基底附加压力为 Zmax Z1 Nq Nc N 系数 只和内摩擦角有关 基础底面以下土的重度 0 基础底面以上土的重度 d 基础的埋深 b 基础的宽度 c 土的黏聚力 例8 某条形基础宽度3m 其地质剖面如下图所示 求该地基持力层的 2m 填土 黏性土 例9 某条形基础置于一均质的地基土上 宽度2m 埋深1 5m 地下水恰好位于基础底面处 土的重度为19KN m3 黏聚力18KPa 内摩擦角20 求Pcr P1 4 P1 3 1 5m 2m 课本P90例题4 2 太沙基地基极限承载力公式 条形基础 圆形基础 方形基础 b 基础的宽度 基础底面以下土的重度 c 土的黏聚力 q 基础底面以上两侧的超载q 0 d Nq Nc N 系数 只和内摩擦角有关 条形基础 方形基础 太沙基地基极限承载力公式 条形基础 圆形基础 方形基础 Nq Nc N 系数 只和内摩擦角有关 可查课本P90图4 16 此系数只用于地基土比较密实的整体剪切破坏情况 对于松砂和软土的局部剪切破坏情况 要用N q N c N 图中的虚线 条形基础 方形基础 例10 某条形基础置于一均质的地基土上 宽度2m 埋深1 5m 地下水恰好位于基础底面处 土的重度为19KN m3 黏聚力18KPa 内摩擦角20 试按太沙基公式分别求出地基发生整体剪切破坏时和局部剪切破坏时的极限承载力Pu 1 5m 2m 地基承载力 定义 地基土单位面积上所能承受的荷载 特点 不是常数 一般被地基的变形所决定 参数 地基承载力特征值 含义为地基在发挥正常使用功能时 所允许采用的抗力设计值 按地基承载力确定基础底面积 埋深时 要用标准组合 百分表 地基承载力特征值 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 地规2 1 3 承压板 千斤顶 载荷试验 浅层平板试验 确定浅部地基土层的承压板下应力主要影响范围内的承载力和变形参数 深层平板试验 确定深部地基土层及大直径桩桩端土层的承压板下应力主要影响范围内的承载力和变形参数 载荷试验的准备 1 承压板的面积 0 25m2 对于软土 0 5m22 基坑宽度 承压板宽度 直径 3倍3 在承压板底部用粗砂或中砂找平 找平厚度 20mm 载荷试验的加荷情况 1 加荷分级不应少于8级2 最大加载量不应小于设计要求的两倍3 每级加载后 按时间间隔10min 10min 10min 15min 15min 以后每隔半小时测度一次沉降 4 当在连续两小时内每小时的沉降量小于0 1mm时 可以加下一级荷载 例11 某工地现场作平板载荷试验 设备架设完成后 施加第一级荷载的时间是14 00 则测度沉降量的时间是 例12 条件同上题施加第一级荷载的时间是14 00 以后每个小时的沉降量如下表所示 问可以施加第二级荷载的时间为 载荷试验终止加载的条件 1 承压板周围的土明显的侧向挤出2 沉降急骤增大 p s曲线有陡降段3 某一级荷载下24h内不能达稳定标准满足以上三条其中一条者 前一级荷载为其极限荷载4 沉降量 承压板宽度 直径 0 06倍 例13 某工地作现场载荷试验的数据如下表所示 已知承压板的尺寸为1m 1m 试问其极限荷载的大小为多少 承载力特征值的确定方法 1 p s曲线上有比例界限时 取比例界限对应的荷载 2 当极限荷载小于对应比例界限的2倍时 取极限荷载的一半 3 若不能够按上述要求确定时 当压板的面积为0 5 0 25m2时 可取沉降量s 0 01 0 015 b对应的荷载为承载力特征值 但其值 最大加载量一半 例14 已知某地基进行载荷平板试验 承压板尺寸为0 7m 0 7m 各级荷载和对应的沉降量如下表所示 求s 0 015b时对应的承载力特征值 承载力特征值的取值方法 1 同一层土参加统计试验点不少于3个2 各个试验点实测值的极差不得超过平均值的30 3 取这3个试验点的平均值作为该层土的地基承载力特征值 例15 某一粉土层中进行浅层平板载荷试验 经整理后得3个试验点的承载力特征值为f1 238KPa f2 280KPa f3 225KPa 求该粉土层的承载力特征值 当偏心距e 0 033 b 基础宽度 承载力特征值fa可按下式计算 Mb Md Mc 只和内摩擦角标准值有关 基础底面以下土的重度 有水取浮重度 b 基础的宽度 b 6m取b 6m 对于砂土b 3m取3m d 基础的埋深 m 基底以上土加权平均重度有水取浮重度 ck 基底下一倍短边宽度内土的黏聚力标准值 例16 某矩形的独立基础轴心受压 基底尺寸为7 5m 6 5m 其地质剖面图如下图所示 求该地基的承载力特征值fa 1m 填土 粉质黏土 1 5m 例17 某条形基础轴心受压 无地下室 基底宽度1 5m 其地质剖面图如下图所示 求该地基的承载力特征值fa 1 0m 填土 砂土 2 5m 0 5m 当基础宽度大于3m 或基础埋深大于0 5m时 用载荷试验或其他原位测试 经验值确定出的地基承载力特征值要进行深宽修正 基底以上的土对承载力特征值的影响 当基础的埋深越大 基础下的土沿滑动面被挤出时 所受的阻力就越大 当基础的宽度越大 基础下的土沿滑动面被挤出时 所受的阻力就越大 但宽度越大 基础的配筋和厚度就越大 不经济 所以有限值 地基承载力深宽修正公式 fa 经深宽修正后的地基承载力特征值 fak 未经深宽修正的地基承载力特征值 b d 承载力系数 查P93 表4 3 基底以下土的重度 有水取浮重度 b 基底的短边尺寸 b6m取6m m 基底以上土加权平均重度有水取浮重度 d 基础的埋深 宜自室外地面标高算起 基础的埋深d 1 对填方整平地区 一般情况自填土地面标高算起 若上部结构施工完后再填土 应从天然地面标高算起 2 对有地下室情况 箱基 筏基从室外地面算起 独基 条基从室内地面算起 例18 某柱下独立基础 承受轴心荷载的作用 已知基础的底面尺寸为3 5m 2m 埋深1 8m 地基为均质土粉土 黏粒含量 c 10 重度 18 5KN m3 地基承载力特征值