第4章土的抗剪强度与地基承载力ppt课件

1、土力学与地基基础土力学与地基基础Ground and Foundation 老师: 张丹 .:: rockmechanicszd126v 一般材料的破坏：抗拉一般材料的破坏：抗拉FF第第4章章 土的抗剪强度与地基承载力土的抗剪强度与地基承载力v 一般材料的破坏：抗压一般材料的破坏：抗压2BAABFABFv 一般材料的破坏：抗剪一般材料的破坏：抗剪v 一般材料的破坏：抗扭一般材料的破坏：抗扭MM 一般材料的破坏：一般材料的破坏：抗拉、抗剪、抗扭、抗拉、抗剪、抗扭、抗弯、抗压抗弯、抗压。 但土体一般只考虑但土体一般只考虑抗剪破坏？抗剪破坏？ 土的单轴、三轴压缩破坏图土的单

2、轴、三轴压缩破坏图4.1 概述v 土的抗剪强度是土体抵抗剪切破坏的能力。土的抗剪强度是土体抵抗剪切破坏的能力。v 土的抗剪强度是土的重要力学性质：土的抗剪强度是土的重要力学性质：v 1 1决定地基的承载力决定地基的承载力v 2 2挡土墙的土压力计算挡土墙的土压力计算v 3 3边坡的稳定性分析边坡的稳定性分析 土的剪切破坏过程： 土体受到荷载作用后，土中各点将产生应力。 若某点的剪应力达到其抗剪强度，在剪切面两侧的土体将产生相对位移而产生滑动破坏。 剪切面也称为滑动面或破坏面。 随着荷载继续增加，土体中的剪应力达到抗剪强度的区域塑性区越来越大，最后各滑动面连成整体，土体将发生整体剪切破坏而丧失稳

3、定性。1 1、库仑公式、库仑公式17761776年年CoulombCoulomb根据砂土剪切试验：根据砂土剪切试验： 图4-9剪切试验结果 tanftan cf 土的粘聚力 剪切面上的法向应力 土的内摩擦角c2、土的极限平衡条件Mohr-Coulomn强度理论 Mohr-Coulomn 强度理论 该平面与最大主平面夹角为a的平面上的正应力与剪应力为：2sin212cos2121313131）（）（）（ 显然，不同方向的面的应力状态不同。强度也不同，那么怎样显然，不同方向的面的应力状态不同。强度也不同，那么怎样来确定土体的破坏面呢？来确定土体的破坏面呢？ Mohr-Coulomn强度理论就是将土

4、的抗剪强度线画在Mohr应力圆图上，如P80图4-5。这样土的应力状态可以分为三类：怎样判断土体整体应力状态是否安全？怎样判断土体整体应力状态是否安全？土的能力土的能力极限平衡状态极限平衡状态 1应力圆位于强度线里面，该点是安全的，没有破坏。 2应力圆与强度线相切，该点应力圆与强度线相切，该点处于极限平衡状态。处于极限平衡状态。 根据根据P81图图4-6，可以求得破，可以求得破坏时主应力关系：坏时主应力关系：cot2sin3131c)245tan(2)245(tan)245tan(2)245(tan0021300231cc2450f破坏面与第一主平面的夹角：破坏面与第一主平面的夹角：在极限平衡

5、状态下：在极限平衡状态下：对无粘性土砂土），对无粘性土砂土），C=0：2450f)245(tan)245(tan02130231破坏面与第一主平面的夹角：破坏面与第一主平面的夹角： 3 3应力圆与强度线相割，表明土体在进入该应力状态之前应力圆与强度线相割，表明土体在进入该应力状态之前早已破坏，也就是说，该应力状态是不存在的。早已破坏，也就是说，该应力状态是不存在的。知：土样的知：土样的 求：求： 判断该土样是否达到极限平衡状态。判断该土样是否达到极限平衡状态。kPakPakPac30,140,24,25310方法？方法？解解1 1： 未破坏,3024.26)22545tan(242)22545

6、(tan140)245tan(2)245(tan2213kPakPacf由由1 3f，比较，比较3和和3f解解2 2： 未破坏,14026.14934.7592.73)22545tan(242)22545(tan30)245tan(2)245(tan2231kPakPacf由由3 1f，比较，比较1和和1f解：解： 未破坏未破坏,.arcsin.cotcotsin 25772340409410217011025242301403014023131ffc 由由1 , 3 m，比较，比较和和m4.2 土的抗剪强度指标的测定土的抗剪强度指标的测定4.2.1 直接剪切试验1、 直剪原理图，P82图4-

7、9。测量结果如P83图4-10。图4-9直剪试验直剪试验2、抗剪强度的测定方法、抗剪强度的测定方法 抗剪强度的确定：曲线出现峰值；不出现峰值时，采用剪切位移4mm时的剪应力。抗剪强度线确定如P83图4-10(b)。剪切位移剪切位移3、分类(1) 快剪 (0.8mm/min)(2) 固结快剪 (0.8mm/min)(3) 慢剪 (0.8mm/min)优点：仪器便宜，操作简单。缺点： 1） 剪切破坏面人为确定，非抗剪强度弱面。 2） 无法严格控制排水条件。4、特点4.2.2 三轴剪切试验三轴剪切试验4.2.2.1三轴试验原理 主要有主机、稳压调压系统以及量测系统三部分组成。 围压不变，轴压变化，P

8、85图4-13。试样试样围压围压力力 3阀门阀门阀门阀门马达马达横梁横梁量力环量力环百分表百分表量水管量水管孔压孔压量测量测试样试样水压水压力力 c轴向力轴向力Fcy cx 1cz n 方法：方法：n固结：试样施加围压力固结：试样施加围压力 1=1= 2=2= 3 3 n剪切：施加应力差剪切：施加应力差 1=1= 1-1- 3 3 n 应力特点：应力特点：n试样是轴对称应力状态试样是轴对称应力状态n垂直应力垂直应力z z一般是大主应力一般是大主应力1 1n侧向应力总是相等侧向应力总是相等x=x=y y，且为，且为中、小主应力中、小主应力2=2=3 3 3 3 3 3 3 3 抗剪强度包线抗剪强

9、度包线 c 三轴试验三轴试验(a) 主应力差与轴向应变关系曲线主应力差与轴向应变关系曲线 (b) 莫尔圆与包络线莫尔圆与包络线 三轴剪切试验试验结果：4.2.2.2 4.2.2.2 粘性土的三种剪切实验粘性土的三种剪切实验（1 1不固结不排水剪快剪）：在不排水状态下，施加围压不固结不排水剪快剪）：在不排水状态下，施加围压( (土体无法土体无法固结），且在不排水情况下快速施加轴向应力，直到土体剪坏。固结），且在不排水情况下快速施加轴向应力，直到土体剪坏。直接剪切试验时放不透水薄片。直接剪切试验时放不透水薄片。强度指标 02231 uuuqc ,不固结不排水剪试验结果，如不固结不排水剪试验结果，如

10、P86P86的图的图4-154-15所示。所示。该试验指标适用于：土层厚度该试验指标适用于：土层厚度H H大、渗透系数小、施工快速的工程以及快大、渗透系数小、施工快速的工程以及快速破坏的天然土坡的验算。速破坏的天然土坡的验算。 （2 2固结不排水剪固结快剪）：让试样在施加围压时排水固结固结不排水剪固结快剪）：让试样在施加围压时排水固结，当土体固结完成，当土体固结完成2424小时后，关闭排水阀门，在不排水情况小时后，关闭排水阀门，在不排水情况下施加轴向应力，直到土体剪坏。下施加轴向应力，直到土体剪坏。固结不排水剪试验结果，下图所示。固结不排水剪试验结果，下图所示。强度指标强度指标 cucuc,该

11、试验模拟：地基在自重或正常荷载下已达到充分固结，而后遇突然荷该试验模拟：地基在自重或正常荷载下已达到充分固结，而后遇突然荷载的情况。（载的情况。（e.g.e.g.施工期间能够排水固结，但竣工后施加大量活载如施工期间能够排水固结，但竣工后施加大量活载如料仓），或有突然活载如风力等情况。）料仓），或有突然活载如风力等情况。）有效应力圆、有效应力包线有效应力圆、有效应力包线总应力圆、总应力包线总应力圆、总应力包线 （3固结排水剪慢剪）：施加围压后，整个试验过程中始终打开排水阀，土体固结完成后，在排水情况下慢速施加轴向应力，直到土体剪坏。强度指标 ddc,固结排水剪试验结果，如下图所示。固结排水剪试验

12、结果，如下图所示。该试验指标适用于：土层厚度该试验指标适用于：土层厚度H H小、渗透系数大、施工速度慢的工程。小、渗透系数大、施工速度慢的工程。对于先加竖向荷载，长期后加水平荷载的挡土墙、水闸等地基，也可考对于先加竖向荷载，长期后加水平荷载的挡土墙、水闸等地基，也可考虑采用固结排水剪得到的指标。虑采用固结排水剪得到的指标。三种不同的工程背景三种不同的工程背景 （1) 1) 地基土的渗透性差或排水条件很差，而施工速度地基土的渗透性差或排水条件很差，而施工速度很快相对于土的渗透性）。很快相对于土的渗透性）。 （2) 2) 建筑物竣工后较长时间后变形已稳定，突遇荷建筑物竣工后较长时间后变形已稳定，突

13、遇荷载增大。如房屋加层，天然土坡上堆载。）载增大。如房屋加层，天然土坡上堆载。）(3) (3) 地基土的渗透性好如砂土或排水条件良好粘土中夹砂层，或加排地基土的渗透性好如砂土或排水条件良好粘土中夹砂层，或加排水板等强制排水措施），而施工速度很慢相对于土的渗透性）。水板等强制排水措施），而施工速度很慢相对于土的渗透性）。 做这三种情况下的土的稳定性分析时，土的强度指标会相同吗，需要怎做这三种情况下的土的稳定性分析时，土的强度指标会相同吗，需要怎样来模拟呢样来模拟呢? ? 优点： 1） 没有人为确定剪切破坏面。 2可以严格控制排水条件，测定孔隙水压力。缺点：仪器较贵，操作复杂。4.2.2.3 三轴

14、试验结果整理与表达三轴试验结果整理与表达三种不同试验结果如三种不同试验结果如P88P88，图，图4-184-18 土的抗剪强度表示方法：土的抗剪强度表示方法：总应力法 有效应力法 tan)(tanuccftan cf 土的抗剪强度土的抗剪强度 土的有效粘聚力土的有效粘聚力 剪切面上的有效法向应力剪切面上的有效法向应力 土的有效内摩擦角土的有效内摩擦角fc例： 一种粘性较大的土，分别进行快剪、固结快剪和慢剪试验，其试验成果见表4-1，试用作图法求该土的三种抗剪强度指标。 4.2.3无侧限抗压强度 无侧限抗压试验原理图围压等于0不变，轴压变化，是一种特殊的三轴实验），P90图4-20。？ 单轴受压

15、破坏莫尔圆。主要用于测量土的灵敏度。P202uufqc uutqqS 4.2.4 十字板剪切试验十字板剪切试验4.2.4 十字板剪切试验十字板剪切试验)3(22DHDMf谢谢大家！谢谢大家！HvHvDHDDDDDHM 32261213422 4.4 4.4 地基承载力地基承载力一、地基破坏形式一、地基破坏形式二、确定地基承载力的方法二、确定地基承载力的方法平板荷载试验平板荷载试验理论公式理论公式其它方法其它方法临塑荷载临塑荷载临界荷载临界荷载极限承载力极限承载力普朗特尔地基极限承载力公式普朗特尔地基极限承载力公式太沙基地基极限承载力公式太沙基地基极限承载力公式汉森地基极限承载力公式汉森地基极限

16、承载力公式地基承载力定义地基承载力定义: 地基在发生剪切破坏地基在发生剪切破坏时的荷载强度时的荷载强度pu.puP (kPa)S(mm)一、地基破坏形式一、地基破坏形式:整体剪切破坏、局部剪切破坏、冲剪破坏整体剪切破坏、局部剪切破坏、冲剪破坏 整体剪切破坏整体剪切破坏 地基变形可分为三个阶段：地基变形可分为三个阶段：线弹性变形阶段、弹塑性变形阶段、破线弹性变形阶段、弹塑性变形阶段、破坏阶段坏阶段 破坏从基础边缘开始，滑动面贯穿到地破坏从基础边缘开始，滑动面贯穿到地表，基础两侧的地面有明显隆起。表，基础两侧的地面有明显隆起。 破坏时基础急剧下沉或向一边倾倒。破坏时基础急剧下沉或向一边倾倒。 一般

17、发生在紧密的砂土、硬粘性土地基一般发生在紧密的砂土、硬粘性土地基中，埋深不大。中，埋深不大。 局部剪切破坏：局部剪切破坏： p-s曲线拐点不甚明显；曲线拐点不甚明显；地基破坏从基础边缘开始，滑动面未延地基破坏从基础边缘开始，滑动面未延伸到地表，而是终止在地基土内部某一伸到地表，而是终止在地基土内部某一位置；位置；基础两侧的地面有微微的隆起，呈现破基础两侧的地面有微微的隆起，呈现破坏特征；坏特征；基础一般不会发生倒塌或倾斜破坏。基础一般不会发生倒塌或倾斜破坏。 出现在中密砂土地基。出现在中密砂土地基。冲剪破坏：冲剪破坏： p-s曲线无明显拐点；曲线无明显拐点； 基础发生垂直剪切破坏，地基内部不形

18、成基础发生垂直剪切破坏，地基内部不形成连续的滑动面；连续的滑动面； 两侧土体没有隆起现象，随着基础的两侧土体没有隆起现象，随着基础的“切切入微微下沉；入微微下沉； 基础只有过大的沉降，没有倾斜的发生。基础只有过大的沉降，没有倾斜的发生。 常发生在松砂及软土中，或埋深很大时。常发生在松砂及软土中，或埋深很大时。地基土的破坏受下列因素的影响：地基土的破坏受下列因素的影响：1、土的压缩性质、土的压缩性质 对于坚硬或紧密的土，将出现整体剪切破坏；对于松软土，将出对于坚硬或紧密的土，将出现整体剪切破坏；对于松软土，将出现局部剪切或冲切破坏；现局部剪切或冲切破坏；2、与基础埋深及加荷速率有关、与基础埋深及

19、加荷速率有关 基础浅埋，加荷速率慢，出现整体剪切破坏；基础浅埋，加荷速率慢，出现整体剪切破坏； 基础埋深较大，加荷速率较快时，将出现局部剪切或冲切破坏。基础埋深较大，加荷速率较快时，将出现局部剪切或冲切破坏。二、地基承载力二、地基承载力1、平板载荷试验确定地基承载力、平板载荷试验确定地基承载力 浅层平板荷载试验浅层平板荷载试验承压板面积不应小于承压板面积不应小于0.25m2，对于软土不应，对于软土不应小于小于0.5m2。可测定浅部地基土层的承载力。可测定浅部地基土层的承载力。 深层平板荷载试验深层平板荷载试验承压板一般采用直径为承压板一般采用直径为0.8m的刚性板，紧靠的刚性板，紧靠承压板周围

20、外侧的土层高度应不小于承压板周围外侧的土层高度应不小于80cm。可测定深部地基土层的地基承载力。可测定深部地基土层的地基承载力。实验步骤：分级加载，逐级稳定、直到破坏，实验步骤：分级加载，逐级稳定、直到破坏，最后得到最后得到p-s曲线。曲线。二、地基承载力二、地基承载力临塑荷载是指地基土中将要而尚未出现塑性变形区时的基底压临塑荷载是指地基土中将要而尚未出现塑性变形区时的基底压力。以条形基础为例推导。力。以条形基础为例推导。假定：侧压力系数为假定：侧压力系数为1，附加应力按弹性理论求解。，附加应力按弹性理论求解。大主应力方向在视角平分线上大主应力方向在视角平分线上2、理论公式确定地基承载力、理论

21、公式确定地基承载力（1地基的临塑荷载地基的临塑荷载 假设土自重应力所引起的应力各个假设土自重应力所引起的应力各个方向均相等，任意点方向均相等，任意点 M 由于外荷载及由于外荷载及土自重所产生的主应力总值为：土自重所产生的主应力总值为：由极限平衡条件，塑性区的边界方程为：由极限平衡条件，塑性区的边界方程为：000sin()sintanpdczd塑性区最大深度塑性区最大深度0maxcot()2tanpdczd点处于极限平衡状态：点处于极限平衡状态：根据此式可绘制出塑性区的边界线根据此式可绘制出塑性区的边界线在荷载在荷载 P 的作用下，地基土的塑性区边界上任一点的作用下，地基土的塑性区边界上任一点的

22、的 z 与与 之间的关系。之间的关系。0 塑性区首先从基础两边点开始向深度发塑性区首先从基础两边点开始向深度发展，塑性区发展的最大深度为：展，塑性区发展的最大深度为：令令zmax=0，可得临塑荷载，可得临塑荷载0cr0(cot )cot/ 2dcpd 讨论：抗剪强度指标越大，临塑荷载越大讨论：抗剪强度指标越大，临塑荷载越大 埋深越大，临塑荷载越大埋深越大，临塑荷载越大 临塑荷载与基础宽度无关临塑荷载与基础宽度无关2、理论公式确定地基承载力、理论公式确定地基承载力（2地基的临界荷载地基的临界荷载令令zmax=b/4或或b/3，可得，可得01/40141cot2pd （d+c cot +b）讨论：

23、抗剪强度指标越大，界限荷载越大讨论：抗剪强度指标越大，界限荷载越大 埋深越大，界限荷载越大埋深越大，界限荷载越大 界限荷载随基础宽度增大而变大界限荷载随基础宽度增大而变大注意：注意：Pcr，p1/4都可以作为地基承载力设计值，对于矩形和圆形基都可以作为地基承载力设计值，对于矩形和圆形基础，其结果偏于安全。础，其结果偏于安全。已有塑性区，推导不严格。已有塑性区，推导不严格。临界荷载：控制地基中塑性区发展深度的荷载。临界荷载：控制地基中塑性区发展深度的荷载。极限承载力极限承载力pupu：是地基承受基础荷载的极：是地基承受基础荷载的极限压力。限压力。其求解方法一般有两种：其求解方法一般有两种： 根据土的极限平衡理论和已知边界条根据土的极限平衡理论和已知边界条件，计算出土中各点达极限平衡时的应件，计算出土中各点达极限平衡时的应力及滑动方向，求得基底极限承载力。力及滑动方向，求得基底极限承载力。复杂复杂 通过基础模型试验，研究地基滑动面通过基础模型试验，研究地基滑动面形状并进行简化，根据滑动土体的静力形状并进行简化，根据