土的强度和地基承载力

第四章土的抗剪强度与地基承载力 土的强度问题实质上是土的抗剪强度 本章主要介绍 地基强度的意义和应用 土的极限平衡条件 抗剪强度指标的测定 地基承载力的确定 影响抗剪强度指标的因素 第一节概述 地基强度条件 在建筑物的上部荷载作用下 确保地基的稳定性 不发生地基剪切破坏或滑动破坏 1 地基强度的意义 为了建筑物的安全可靠 建筑地基必须满足两个条件 地基变形条件 地基强度条件 载荷试验与地基强度 1 用载荷试验结果p s曲线说明地基强度的意义 加拿大特朗斯康谷仓 地基整体滑动破坏 2 用地基强度破坏的工程实例说明地基强度的意义 土体滑动破坏 2 土的强度的应用 地基承载力与地基稳定性 土坡稳定性 挡土墙及地下结构上的土压力 土的强度通常是指土的抗剪强度 地基受荷载作用后 土中各点同时产生法向应力和剪应力 其中法向应力作用将对土体施加约束力 这是有利的因素 而剪应力作用可使土体发生剪切 这是不利的因素 抗剪强度是指土体抵抗剪切破坏的极限能力 若地基中某点的剪应力数值达到该点的抗剪强度 则此点的土将沿着剪应力作用方向产生相对滑动 此时称该点发生强度破坏 本节完 第二节土的极限平衡条件 极限平衡状态 当土体的剪应力 等于土的抗剪强度 f时的临界状态称为极限平衡状态 极限平衡条件 指土体处于极限平衡状态时土的应力状态和土的抗剪强度指标之间的关系式 即 1 3与内摩擦角 粘聚力c之间的数学表达式 1 土体中任一点的应力状态 1 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 地面 M z 2 任意斜面上的应力 任意截面上的法向应力 与剪应力 根据楔体静力平衡条件 莫尔应力圆方程 A 圆心坐标 1 3 2 0 应力圆半径r 1 3 2 3 用莫尔应力圆表示斜面上的应力 2 莫尔一库仑破坏理论 1 莫尔一库仑破坏理论 由此函数关系所确定的曲线称为莫尔破坏包线 莫尔一库仑破坏理论认为材料破坏是剪切破坏 在破坏面上的剪应力 f是法向应力 的函数 库仑通过一系列土的强度实验 于1776年总结出土的抗剪强度规律 2 库仑抗剪强度定律 砂土 粘性土 c c 土的内聚力 土的内摩擦角 砂土 f tan 粘性土 f c tan 这种以库仑定律表示莫尔破坏包线的理论称为莫尔一库仑破坏理论 库仑抗剪强度破坏包线为一条直线 即 f f c tan 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 f 稳定状态 f 极限平衡状态 f 已破坏 3 土的极限平衡条件 1 地基中任意平面上的应力状态 c A ccot 1 3 2 无粘性土c 0 粘性土 2 极限平衡方程 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 而与最大主应力面成45o 2的夹角 土的剪切破坏并不是由最大剪应力所控制 f 1 3 2 1 3 2 sin f 1 3 2 cos f 45o 2 45o 2 判断土体是否发生剪切破坏 相离 未破坏 相切 破坏 方法1应力圆与强度线的关系 相割 破坏 f f f 方法2应力圆心到强度线的距离 1 2 1 3 1 2 1 3 sin c cos 破坏 1 2 1 3 1 2 1 3 sin c cos 未破坏 3 1 1 3 tan2 45o 2 2c tan 45o 2 1 1 未破坏 1 1 破坏 方法3比较实际最大主应力 1和用最小主应力计算的对应破坏的最大主应力 1 例题分析 例 某粘性土地基的 45o c 24kPa 若地基中某点的大主应力 1 140kPa 小主应力 3 30kPa 问该点是否破坏 解答 为了加深对本节内容的理解 下面用三种方法求解 1 方法一 在剪切面上 f 未破坏 库仑定律 1 2 1 3 1 2 1 3 sin c cos 未破坏 2 方法二 1 2 1 3 55kPa 1 2 1 3 sin c cos 57 67kPa 3 方法三 1 1 未破坏 3 3 未破坏 或者 本节完 1 直接剪切试验 试验仪器 直剪仪 应力控制式 应变控制式 第三节抗剪强度指标的确定 直剪仪 剪应力 试验成果 法向应力 制备试样 试验步骤 安装试样 测记初始读数 施加竖向压力 施加水平剪切荷载 终止试验 测定剪切后试样含水量 重复步骤2 7 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 不能量测土样的孔隙水压力 上下盒错动 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 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 施加周围压力 施加竖向压力 装样 2 三轴剪切试验 试验仪器 三轴仪 应力控制式 应变控制式 三轴仪 应变控制式三轴仪 压力室 量测系统 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 试验成果 抗剪强度包线 不固结不排水剪 UU 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 三种试验方法 固结不排水剪 CU 固结排水剪 CD 施加周围压力 3时 试样充分排水固结 施加轴向压力 直至剪破的过程中关闭排水阀门 不允许试样排水固结 整个试验过程中都打开阀门排水 三轴试验优缺点 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 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 优点 3 无侧限抗压强度试验 试验仪器 无侧限压力仪 无侧限压力仪 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 试验原理 适用土质 饱和粘性土 根据试验结果只能作出一个极限应力圆 其坐标为 3 0 1 qu 因此对一般粘性土 无法作出强度包线 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 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 反映土的结构受扰动对强度的影响程度 3 十字板剪切试验 试验仪器 十字板剪切仪 适用条件 适用于地基为软弱粘性土 试验方法 打入套管 将十字板插入套管 施加扭矩 直至土体破坏 成果计算 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 本节完 1 抗剪强度的来源 无粘性土 抗剪强度来源于内摩擦力 滑动摩擦 咬合摩擦粘性土 抗剪强度来源于内摩擦力与粘聚力两部分 内摩擦力 粘聚力 范德华力 库仑力 土中天然胶结物质 第四节影响抗剪强度指标的因素 2 影响抗剪强度指标的各种因素 1 土的物理化学性质的影响 土粒的矿物成分 2 孔隙水压力的影响 三轴固结排水剪抗剪强度最大 三轴固结不排水剪居中 三轴不固结不排水剪最小 土的颗粒形状与级配 土的原始密度 土含水率 土的结构 本节完 1 地基的临塑荷载 定义 第五节地基的临塑荷载和临界荷载 地基的临塑荷载是指在外荷载作用下 地基中刚开始产生塑性变形时基础底面单位面积上所承受的荷载 临塑荷载计算公式 2 地基的临界荷载 定义 当地基中的塑性变形区最大深度为 临界荷载计算公式 中心荷载基础Zmax b 4 偏心荷载基础Zmax b 3 与此相对应的基础底面压力 分别以P1 4或P1 3表示 称为临界荷载 公式推导 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 塑性区的发展范围 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 总应力 塑性区最大深度zmax 当zmax 0 地基所能承受的基底附加压力为临塑荷载 当zmax b 4 b 3时 地基所能承受的基底附加压力分别为界限荷载P1 4 P1 3 中心荷载 偏心荷载 本节完 定义 极限荷载计算公式 地基的极限荷载指地基在外荷载作用下产生的应力达到极限平衡时的荷载 太沙基公式适用于条形基础 方形基础和圆形基础斯凯普顿公式适用于饱和软土地基 内摩擦力角 0的浅基础汉森公式适用于倾斜荷载的情况 1 地基的极限荷载概念 第六节地基的极限荷载 地基极限荷载的一般计算公式 适用范围 太沙基极限承载力理论假定 适用于基础底面粗糙的条形基础 并推广应用于方形基础和圆形基础 条形基础 均布荷载作用 2 太沙基 K Terzaghi 公式 地基发生滑动时 滑动面的形状 两端为直线 中间为曲线 左右对称 滑动土体分为三区 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 公式 条形基础 较密实地基 整体剪切破坏 条形基础 松软地基 局部剪损 方形基础 圆形基础 地基承载力 适用条件 极限荷载公式 3 斯凯普顿 Skempton 公式 饱和软土地基 内摩擦角 0浅基础 基础埋深d 2 5b矩形基础 半经验公式 地基承载力公式 式中 c 地基土的粘聚力 取基础底面以下0 7b深度范围内的平均值 kPa 适用条件 极限荷载公式 倾斜荷载作用基础形状基础埋深 适用于d b的情况 并考虑d b的影响 4 汉森 HansenJ B 公式 式中 Sr Sq Sc 基础的形状系数ir iq ic 荷载倾斜系数 地基承载力公式 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 地基的破坏形式 整体剪切破坏 5 影响极限荷载的因素 局部剪切破坏 冲切剪切破坏 极限荷载大 极限荷载小 地基土的指标 土的内摩擦角 土的粘聚力c 土的重度 地基土的 c和重度 越大 则极限荷载相应也越大 由极限承载力公式 基础尺寸 基础宽度 基础埋深 荷载作用方向 荷载为倾斜方向 荷载为竖直方向 荷载长时期作用 荷载作用时间短暂 荷载作用时间 倾斜角越大 极限荷载越小 极限荷载可提高 五 按规范确定地基承载力 1 铁路桥涵地基基础设计规范 容许承载力 基本承载力 宽度修正系数 深