土的抗剪强度与地基承载力

地基与基础工程SoilMechanicsandFoundationEngineering 土的抗剪强度与地基承载力 4 1概述 4 2土的抗剪强度 4 3土的抗剪强度试验方法 4 4地基承载力 第四章 4 1概述 土的抗剪强度 是指土体对于外力作用下 土体内部产生剪应力时 土对剪切破坏的极限抵抗能力 主要应用于地基承载力的计算和地基稳定性的分析 边坡稳定性分析 档土墙及地下结构物上的土压力计算等 变形破坏沉降 位移 不均匀沉降等超过规定限值 已学 地基破坏强度破坏地基整体或局部滑移 隆起 土工构筑物失稳 滑坡 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 4 1概述 工程背景1 建筑物地基承载力问题基础下的地基土体产生整体滑动或因局部剪切破坏而导致过大的地基变形甚至倾覆 建筑物地基承载力问题 图4 2 构筑物环境的安全性问题即土压力问题挡土墙 基坑等工程中 墙后土体强度破坏将造成过大的侧向土压力 导致墙体滑动 倾覆或支护结构破坏事故 3 土工构筑物的稳定性问题 3 土工构筑物的稳定性问题土坝 路堤等填方边坡以及天然土坡等 在超载 渗流乃至暴雨作用下引起土体强度破坏后将产生整体失稳边坡滑坡等事故 第二节土的抗剪强度 一 抗剪强度 一 库仑定律 剪切定律 测定方法 直接剪切试验 直剪试验 应力控制式 直剪仪 应变控制式 常用 测定仪器 直剪仪工作原理示意 1773年 库仑根据砂土剪切试验得出 f tan 砂土 f c tan 粘土 c 库仑定律 在法向压力 变化范围不大的范围内 抗剪强度 f与法向压力 之间的关系 可近似的用一条直线代替 c 土的粘聚力 土的内摩擦角 根据粘性土剪切试验得出 为土的内摩擦力 摩尔包线 f c tan 库仑公式 二 抗剪强度的构成因素 来源于土的内摩擦力 颗粒之间表面摩擦力 颗粒之间的相互嵌入和互锁作用产生的咬合力 粘性土抗剪强度构成 主要来源于黏聚力其次内摩擦力 内摩擦力 无粘性土抗剪强度 度影响因素土的抗剪强 土颗粒的矿物成分 形状 粒径及表面粗糙程度 三 抗剪强度的影响因素 原始密度 天然含水量 土的结构扰动情况 有效应力大小 应力历史 试验条件 二 摩尔 库仑强度理论 材料的剪切破坏主要是由于土中某一截面上的剪应力达到极限值致 但材料达到破坏时的抗剪强度也与该截面上的正应力有关 最大剪应力理论 土体的稳定状态 当土中某点的剪应力小于土的抗剪强度时 土体不会发生剪切破坏 极限平衡状态 当土中剪应力等于土的抗剪强度时 土体式处于极限平衡 基本概念 破坏状态 当土中剪应力大于土的抗剪强度时理论上属于破坏状态 实际上这种应力状态根本不存在 一 土中一点的应力状态 最大主应力与最小主应力假定土体是均匀的 连续的 一无限长条形荷载作用于半无限体的表面上 研究水平地面下任一深度z处M点的应力状态 由M点取一微元体dxdydz 因为土体并无外荷作用 只有土的自重作用 故在微元体各个面上没有剪应变 也就没有剪应力 凡是没有剪应力的面称为主应面 作用在主应面上的力称为主应力 因此前图中的 1为最大主应力 3为最小主应力 土中某点应力状态是个复杂的三向受力状态 为简化计算只考虑最大和最小主应力 要计算土中任意点任意截面上的正应力和剪应力可以通过数解法和图解法求得 A 土中某点的应力状态可用摩尔应力圆描述 摩尔圆可以表示土体中一点的应力状态 摩尔圆圆周上各点的坐标就表示该点在相应平面上的正应力和剪应力 斜面上的应力 竖直法向等于0 水平法向等于0 根据平衡条件 所有的力在 列出两个平衡方程 应力圆与强度线相离 圆1 强度线 应力圆与强度线相切 圆2 应力圆与强度线相割 圆3 极限应力圆 f 弹性平衡状态 f 极限平衡状态 f 破坏状态 一 土的极限平衡条件 A 123 f c tan 摩尔 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 摩尔 库仑破坏准则 c A cctg 1 2 1 3 无粘性土 c 0 粘性土 o o B C 土体处于极限平衡状态时 破坏面与最大主应力作用面的夹角为 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 因此 土的剪切破坏并不是由最大剪应力 max所控制 内外角之间的关系 c A cctg 1 2 1 3 o o B C 结论 1 土的强度破坏原因 由于土中某点剪切面上的剪应力达到和超过了土的抗剪强度所致 2 土中某点达到剪切破坏状态的应力条件 必须是法向应力和剪应力的某种组合符合库仑定律的破坏准则 大主应力作用面成某一夹角的平面上 结论 4 已测得抗剪强度指标的条件下 已知大小主应力中任何一个 即可求得另一个 或在已知抗剪指标与大小主应力的情况下 判断土体的平衡状态 3 强度包线 当土体处于极限状态时 土中该点的极限力圆与抗剪强度线相切 一组极限应力圆的公切线 内摩擦角 强度包线与纵坐标的截距为土的黏聚力 横坐标夹角为土的内摩擦角 第三节抗剪强度的测定方法 室内试验 应力状态被改变 取土过程受到干扰原位测试 精度不高 直接剪切试验 三轴压缩试验 无侧限抗压强度试验 十字板剪切试验 大型直剪试验 测定土的抗剪强度的最简单方法是直接剪切试验 这种试验使用的仪器称为直接剪切仪 简称直剪仪 仪器的主要部件见下图 1 试验装置应变控制式与应力控制式两种 前者以等应变速率使试样产生剪切位移直至剪破 后者是分级施加水平剪应力并测定相应的剪切位移 目前我国使用较多的是应变控制式直剪仪 应变控制式直剪仪 二 直接剪切试验 直剪仪 图2 主要技术指标1 上下剪切盒内径 61 8mm 2 剪应变手轮位移 0 2mm 圈 3 法向力加荷杠杆 杠杆比 1 12 最大法向力 1 2kN 直剪仪 图2 使用方法1 将剪切盒上下各加上 61 5 12 7mm透水石壹块 装上传压活塞 将加荷框上横梁轻放于传压活塞上 此时杠杆目测基本水平 2 调整平衡锤进退使杠杆稍离传压活塞 不接触活塞 在砝码上加24g砝码 此时杠杆向下压至传压活塞 目测保持杠杆稍向上倾斜 3 摇动手轮使剪切盒前进接触到测力计 百分表指针稍动即停止 4 提杠杆末端 使加荷框离开传压活塞 靠在推动座上 5 剪切盒上插有两个螺杆插销 试验开始时 应将螺杆插销旋下 6 摇动手轮 每转一圈 推动轴前进0 20mm 7 试验完成后 加荷框上横梁 传压活塞接触螺杆及平衡锤不需调整 只需将卸荷下杠杆向上提离剪切盒即可 取出试样 清洗剪切盒后再做第二次试验 8 仪器使用完毕后 应清洗擦干 蜗轮蜗杆注意上稀黄油 杠杆的向心球轴承内注意上机油 妥善保管剪切盒与插销 不得弯曲变形 通过控制剪切速率来近似模拟排水条件 1 快剪Q 施加正应力后立即剪切3 5分钟内剪坏 适用于渗透系数小于10 6cm s的细粒土 以cq fq表示 2 固结快剪R 施加正应力 充分固结在3 5分钟内剪切破坏 也适用于渗透系数小于10 6cm s的细粒土 以ccq fcq表示 3 慢剪S 施加正应力 充分固结 慢慢施加剪应力 小于0 02mm 分 以保证无超静孔压 以cs fs表示 上述三种方法的试验结果如图所示 从图中可以看出 cq ccq cs 而fq fcq fs 为了考虑固结程度和排水条件对抗剪强度的影响根据加荷速率的快慢将直剪试验划分为快剪 固结快剪和慢剪三种试验类型 f 设备简单 土样制备操作方便结果便于整理测试时间短 优点 不能控制排水条件应变不均匀试样应力状态复杂剪切面固定 人定 缺点 直接剪切验 一 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 三轴剪切试验 二 三轴剪切试验 试验仪器 应变控制式三轴仪 应力控制式三轴仪 受压室 周围压力控制系统 轴向加压系统 孔隙水压力系统 试样体积变化量测系统 试验步骤 2 施加周围压力 3 施加竖向压力 1 装样 三轴压缩试验三轴是指一个竖向和两个侧向而言 由于压力室和试样均为圆柱形 因此 两个侧向 或称周围 的应力相等并为小主应力s3 而竖向 或轴向 的应力为大主应力s1 在增加s1时保持s3不变 这样条件下的试验称为常规三轴压缩试验 三轴压缩仪 主机 量测系统 稳压调压系统 应用范围 重大工程与科学研究 一级建筑物试验仪器和试验方法三轴压缩试验直接量测的是试样在不同恒定周围压力下的抗压强度 然后利用莫尔 库仑准则间接推求土的抗剪强度 三轴压缩仪 又称三轴剪切仪 应变控制式三轴仪 压力室加压系统量测系统 轴向加压系统 方法 首先试样施加静水压力 室压 围压 1 2 3 然后通过活塞杆施加的是应力差 1 1 3 1 试样应力特点与试验方法 特点 试样是轴向对称应力状态 垂直应力 z一般是最大主应力 径向与切向应力总是相等 r x 亦即 1 z 2 3 r 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 cd d ccu cu cu u 2 试验类型 3 三轴试验结果 三轴试验结果 抗剪强度包线 c 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 有效应力圆 总应力圆 u 0 cu uA 1 不固结不排水剪 UU 不同试验方法的剪切试验结果 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 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 虚线应力圆 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 实线应力圆 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 2 固结不排水剪 CU 3 固结排水剪 CD cd 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 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 优点 1应力状态和应力路径明确 2排水条件清楚 可控制 3破坏面不是人为固定的 4试验单元体试验 缺点 设备相对复杂 现场无法试验 说明 3 0即为无侧限抗压强度试验 4 优点和缺点 3 0 三 无侧限抗压强度试验 三轴压缩试验中当周围压力 3 0时即为无侧限试验条件 这时只有q 1 所以 也可称为单轴压缩试验 由于试样的侧向压力为零 在轴向受压时 其侧向变形不受限制 故又称为无侧限压缩试验 把这种情况下所能承受的最大轴向压力称为无侧限抗压强度以qu表示 试验时仍用圆柱状试样 可在专门的无侧限仪上进行 也可在三轴仪上进行 1 适用土质 饱和粘性土2 试验原理 相当三轴压缩试验中 3 0时的不排水剪 3 试验装置 无侧限压缩仪 试验成果与计算 轴向应变e1 应按下式计算 轴向应力 应按下式计算 无侧限抗压强度Aa 取e s曲线上峰值为无侧限抗压强度 0 cu 无侧限抗压强度试验 qu 无侧限抗压强度试验所得的极限应力圆的水平切线就是破坏包线 一般适用于测定软弱粘性土的不排水强度指标 钻孔到指定的土层 插入十字形的探头 通过施加的扭矩计算土的抗剪强度 四 十字板剪切试验 试验时 先钻孔至需要试验的土层深度以上750mm处 然后将装有十字板的钻杆放入钻孔底部 并插入土中750mm 施加扭矩使钻杆旋转直至土体剪切破坏 土体剪切面为十字板旋转形成的圆柱面 1 适用土质条件 软弱粘性土 取原状土困难的条件2 试验设备3 试验方法 土的抗剪强度 优点 1 不需取样 对土的结构扰动较小 2 仪器构造简单 操作方便 具有快速经济的优点 3 所得的软粘土不排水抗剪强度常比无侧限抗压强度试验的结果大 但较反映实际条件 4 可测定软粘土的灵敏度 5 涉及的土体积比室内试验样品大很多 6 可连续进行 可得到完整的土层剖面及物理力学指标缺点 1 难于控制测试中的边界条件 如排水条件和应力条件 2 测试数据和土的工程性质的关系建立在统计经验关系上 3 测试设备进入土层对土层也有一定扰动 4 试验应力路径无法很好控制 试验时的主应力方向与实际工程往往不一致 5 应变场不均匀 应变速率大于实际工程的正常固结 平板载荷试验确定地基承载力理论公式确定地基承载力确定地基承载力的其他方法 主要内容 第四节地基承载力 指由载荷试验测定的地基土压力变形曲线线性变形内规定的变形所对应的压力值 其最大值为比例界限值 地基破坏的模式 地基破坏主要是由于基础下持力层抗剪强度不够 土体产生剪切破坏所致 地基的破坏模式可分为 1 整体破坏 密实砂土 坚硬粘土 2 局部剪切破坏 土质较软 3 冲剪破坏 软粘土 深埋 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 1 整体破坏 P S 2 局部剪切 P S 地基破坏的模式特征 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 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 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 这种条件助长了蒙脱石形成 很多国家都发现了膨胀土 印度的黑棉土 荷载试验沉降曲线 p s 临塑荷载 连续滑动面和极限荷载 塑性区发展和临界荷载 p 一 平板载荷试验确定地基承载力 特征值fa 设计承载力 一 地基变形的三个阶段 3 失稳阶段 二 平板荷载试验确定地基承载力 1 荷载板周围的土有明显侧向挤出 2 荷载p增加很小 但沉降量s却急剧增大 荷载沉降曲线出现陡降段 3 在某一级荷载下 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 大于或等于0 06 当满足前三种情况之一时 取该比例界限所对应的荷载值 出现下列情况土体被认为已经达到破坏状态 1 当p s曲线上有比例界限时 取该比较界限所对应的荷载值 2 当极限荷载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 当不能按上述两款确定时 当压板面积为0 25 0 50m2 可s b 0 01 0 015所对应的荷载 但其值不应大于最大家荷载量的一半 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fak 承载力特