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教学
课件
吴能森
地基
基础
- 资源描述：
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教学课件-吴能森-地基与基础,教学,课件,吴能森,地基,基础
- 内容简介：
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第五章土的抗剪强度与地基承载力 5 1土的抗剪强度理论 5 2土的抗剪强度试验 5 3土的抗剪强度指标 5 4地基承载力 主要内容 工程中的强度问题概述 土的抗剪强度 土体抵抗剪切破坏的极限能力 5 1土的抗剪强度理论 一 库仑定律 剪切试验播放 1776年 库仑根据砂土剪切试验 f tan 砂土 后来 根据粘性土剪切试验 f c tan 粘土 c 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 二 土体抗剪强度影响因素 摩擦力的两个来源1 滑动摩擦 剪切面土粒间表面的粗糙所产生的摩擦2 咬合摩擦 土粒间互相嵌入所产生的咬合力粘聚力 由土粒之间的胶结作用和电分子引力等因素形成抗剪强度影响因素摩擦力 剪切面上的法向总应力 土的初始密度 土粒级配 土粒形状以及表面粗糙程度粘聚力 土中矿物成分 粘粒含量 含水量以及土的结构 三 土中一点的应力状态 土体内一点处不同方位的截面上应力的集合 剪应力 和法向应力 楔体静力平衡 斜面上的应力 莫尔应力圆方程 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 四 土的极限平衡条件 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 弹性平衡状态 f 极限平衡状态 f 破坏状态 莫尔 库仑破坏准则 莫尔应力圆与库仑强度线相切的应力状态作为土的破坏准则 目前判别土体所处状态的最常用准则 莫尔 库仑破坏准则 c 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 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 五 例题分析 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 15kPa 20o 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 解答 已知 1 430kPa 3 200kPa c 15kPa 20o 1 计算法 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 计算结果表明 3f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 库仑定律 由于 f 所以 该单元土体处于弹性平衡状态 2 图解法 c 最大剪应力与主应力作用面成45o 最大剪应力面上的法向应力 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 5 2土的抗剪强度试验 一 直接剪切试验 试验仪器 直剪仪 应力控制式 应变控制式 剪切试验 剪前施加在试样顶面上的竖向压力为剪破面上的法向应力 剪应力由剪切力除以试样面积 在法向应力 作用下 剪应力与剪切位移关系曲线 根据曲线得到该 作用下 土的抗剪强度 在不同的垂直压力 下进行剪切试验 得相应的抗剪强度 f 绘制 f 曲线 得该土的抗剪强度包线 直剪试验优缺点 优点 仪器构造简单 试样的制备和安装方便 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 二 三轴剪切试验 应变控制式三轴仪 压力室 加压系统 量测系统组成应力控制式三轴仪 试验步骤 2 施加周围压力 3 施加竖向压力 1 装样 应变控制式三轴仪 压力室 量测系统 抗剪强度包线 分别在不同的周围压力 3作用下进行剪切 得到3 4个不同的破坏应力圆 绘出各应力圆的公切线即为土的抗剪强度包线 c 三轴试验优缺点 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 无侧限抗压强度试验 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qu 称为无侧限抗压强度 无侧限压缩仪 根据试验结果只能作出一个极限应力圆 3 0 1 qu 因此对一般粘性土 无法作出强度包线 说明 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 qu cu u 0 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 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1 St 2 中灵敏度土2 St 4 高灵敏度土St 4 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 四 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 5 3土的抗剪强度指标 一 总应力强度指标与有效应力强度指标 库仑定律 说明 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 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 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 二 不同排水条件时的剪切试验方法及成果表达 1 不固结不排水剪 UU 三轴试验 施加周围压力 3 轴向压力 直至剪破的整个过程都关闭排水阀门 不允许试样排水固结 直剪试验 通过试验加荷的快慢来实现是否排水 使试样在3 5min之内剪破 称之为快剪 有效应力圆 总应力圆 u 0 cu uA 饱和粘性土在三组 3下的不排水剪试验得到A B C三个不同 3作用下破坏时的总应力圆 试验表明 虽然三个试样的周围压力 3不同 但破坏时的主应力差相等 三个极限应力圆的直径相等 因而强度包线是一条水平线 三个试样只能得到一个有效应力圆 2 固结不排水剪 CU 三轴试验 施加周围压力 3时打开排水阀门 试样完全排水固结 孔隙水压力完全消散 然后关闭排水阀门 再施加轴向压力增量 使试样在不排水条件下剪切破坏 直剪试验 剪切前试样在垂直荷载下充分固结 剪切时速率较快 使土样在剪切过程中不排水 这种剪切方法为称固结快剪 将总应力圆在水平轴上左移uf得到相应的有效应力圆 按有效应力圆强度包线可确定c ccu c 饱和粘性土在三组 3下进行固结不排水剪试验得到A B C三个不同 3作用下破坏时的总应力圆 由总应力圆强度包线确定固结不排水剪总应力强度指标ccu cu 3 固结排水剪 CD 三轴试验 试样在周围压力 3作用下排水固结 再缓慢施加轴向压力增量 直至剪破 整个试验过程中打开排水阀门 始终保持试样的孔隙水压力为零 直剪试验 试样在垂直压力下固结稳定 再以缓慢的速率施加水平剪力 直至剪破 整个试验过程中尽量使土样排水 试验方法称为慢剪 在整个排水剪试验过程中 uf 0 总应力全部转化为有效应力 所以总应力圆即是有效应力圆 总应力强度线即是有效应力强度线 强度指标为cd d cd 总结 对于同一种土 在不同的排水条件下进行试验 总应力强度指标完全不同 有效应力强度指标不随试验方法的改变而不同 抗剪强度与有效应力有唯一的对应关系 三 抗剪强度指标的选用 土的抗剪强度指标随试验方法 排水条件的不同而异 对于具体工程问题 应该尽可能根据现场条件决定采用实验室的试验方法 以获得合适的抗剪强度指标 四 例题分析 例 对某种饱和粘性土做固结不排水试验 三个试样破坏时的大 小主应力和孔隙水压力列于表中 试用作图法确定土的强度指标ccu cu和c 解答 按比例绘出三个总应力极限应力圆 如图所示 再绘出总应力强度包线 按由 1 1 uf 3 3 uf 将总应力圆在水平轴上左移相应的uf即得3个有效应力极限莫尔圆 如图中虚线圆 再绘出有效应力强度包线 c ccu 根据强度包线得到 ccu 10kPa cu 18oc 6kPa 27o 5 4地基承载力的确定 1 地基承载力概述2 按极限平衡区发展范围确定地基承载力3 按极限荷载确定地基极限承载力4 按原位测试成果确定地基承载力5 按 地基规范 确定地基承载力 1地基承载力概述 一 地基承载力概念 建筑物荷载通过基础作用于地基 对地基提出两个方面的要求 1 变形要求 建筑物基础在荷载作用下产生最大沉降量或沉降差 应该在该建筑物所允许的范围内 2 稳定要求 建筑物的基底压力 应该在地基所允许的承载能力之内 地基承载力 地基所能承受荷载的能力 二 地基变形的三个阶段 a 线性变形阶段 塑性变形区 连续滑动面 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 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 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 三 地基的破坏形式 地基开始出现剪切破坏 即弹性变形阶段转变为弹塑性变形阶段 时 地基所承受的基地压力称为临塑荷载pcr 地基濒临破坏 即弹塑性变形阶段转变为破坏阶段 时 地基所承受的基地压力称为极限荷载pu 1 整体剪切破坏 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 2 局部剪切破坏 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 3 冲剪破坏 b 地基不出现明显连续滑动面 c 荷载达到极限荷载后 基础两侧地面不隆起 而是下陷 a p s曲线没有明显的转折点 2按塑性区发展范围确定地基承载力 一 塑性区的发展范围 根据弹性理论 地基中任意点由条形均布压力所引起的附加大 小主应力 假定在极限平衡区土的静止侧压力系数K0 1 M点土的自重应力所引起的大小主应力均为 d z M点达到极限平衡状态 大 小主应力满足极限平衡条件 塑性区边界方程 塑性区最大深度zmax 二 临塑荷载pcr和界限荷载 当zmax 0 地基所能承受的基底附加压力为临塑荷载 塑性区开展深度在某一范围内所对应的荷载为界限荷载 中心荷载 偏心荷载 三 例题分析 例 某条基 底宽b 1 5m 埋深d 2m 地基土的重度 19kN m3 饱和土的重度 sat 21kN m3 抗剪强度指标为 20 c 20kPa 求 1 该地基承载力p1 4 2 若地下水位上升至地表下1 5m 承载力有何变化 解答 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 3按极限荷载确定地基承载力 一 普朗特尔极限承载力理论 1920年 普朗特尔根据塑性理论 在研究刚性物体压入均匀 各向同性 较软的无重量介质时 导出达到破坏时的滑动面形状及极限承载力公式 将无限长 底面光滑的荷载板至于无质量的土 0 的表面上 荷载板下土体处于塑性平衡状态时 塑性区分成五个区 区 主动朗肯区 1竖直向 破裂面与水平面成45o 2 区 普朗特尔区 边界是对数螺线 区 被动朗肯区 1水平向 破裂面与水平面成45o 2 普朗特尔理论的极限承载力理论解 式中 承载力系数 当基础有埋深d时 式中 二 太沙基极限承载力理论 底面粗糙 基底与土之间有较大的摩擦力 能阻止基底土发生剪切位移 基底以下土不会发生破坏 处于弹性平衡状态 区 弹性压密区 弹性核 区 普朗特尔区 边界是对数螺线 区 被动朗肯区 1水平向 破裂面与水平面成45o 2 太沙基理论的极限承载力理论解 Nr Nq Nc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 Nr Nq Nc 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 三 汉森极限承载力理论 对于均质地基 基础底面完全光滑 受中心倾斜荷载作用 式中 汉森公式 Sr Sq Sc 基础的形状系数ir iq ic 荷载倾斜系数dr dq dc 深度修正系数gr gq gc 地面倾斜系数br bq bc 基底倾斜系数Nr Nq Nc 承载力系数 说明 相关系数均可以有相关公式进行计算 4按原位测试成果确定地基承载力 一 载荷试验法 由拐点得地基极限承载力pu 除以安全系数Fs得容许承载力 p p s曲线确定地基承载力特征值 1 p s曲线有明确的比例界限时 取比例界限所对应的荷载值 2 极限荷载能确定 且值小于对应比例界限的荷载值的2倍时 取极限荷载值的一半 3 不能按上述两点确定时 取s b 0 01 0 015对应荷载值 但值不应大于最大加载量的一半 二 静力触探试验法 Qf Qc 用静压力将装有探头的触探器压入土中 通过压力传感器及电阻应变仪测出土层对探头的贯入阻力 探头贯入阻力的大小直接反映了土的强度的大小 把贯入阻力与荷载试验所得到的地基容许承载力建立相关关系 从而即可按照实测的贯入阻力确定地基的容许承载力值 还可以把土的贯入阻力与土的变形模量及压缩模量建立相关关系 从而可以确定变形模量和压缩模量 方法介绍 探头阻力Q可分为两个部分 1 锥头阻力Qc 2 侧壁摩阻力Qf 比贯入阻力 探头单位截面积的阻力 三 标准贯入试验法 试
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