土的抗剪强度与地基承载力（内容丰富）

1、第一节 概 述第三节 土的抗剪强度试验方法 第四节 地基承载力 第二节 土的抗剪强度第五章 土的抗剪强度与 地基承载力设计程序：上部结构 荷载、地基情况 基础形式、材料 选持力层（埋深） 确定基础尺寸（地基 强度与变形） 结构计算 绘施工图回 顾持力层土抗剪强度地基承载力确定基础尺寸第五章 土的抗剪强度与 地基承载力建筑物地基基础设计必须满足变形和强度 两个基本条件。 第一节 概述剪切破坏：荷载 产生法向应力与剪应力，当剪应力土抗剪强度，土粒间相对滑动，即产生剪切强度破坏。地基破坏与地基强度：强度和变形是两个不同的控制标准，不可 互相替代，承载力要求是先决条件 。地基失稳：地基中形成连续的剪切

2、滑动破坏面，基础产生沉降或倾斜，地基土被挤出，地基破坏。滑动破坏面压密区土的抗剪强度：是指在外力作用下，土体内部产生 剪应力时，土对剪切破坏的极限抵抗能力。 地基破坏即是剪切破坏。土的强度问题实质上就是抗剪强度问题。FT土样水平测力装置竖向加压装置上下剪切盒基座上下透水石T结论本章学习要点本章将主要介绍地基的强度和稳定问题， 包括土的抗剪强度以及地基基础设计时 的地基承载力的计算问题。土的抗剪强度主要应用于地基承载力的计 算和地基稳定性分析、边坡稳定性分析、 挡土墙及地下结构物上的土压力计算等。 重点掌握：抗剪强度理论 指标测定 方法 地基承载力确定方法第二节 土的抗剪强度 一、抗剪强度 （一

3、）库仑定律土的抗剪强度可以通过试验的方法测定；土的抗剪强度并非是一个定值。不同类型的土其抗剪强度不同，即使同一类土，在不同条件下的抗剪强度也不相同； 图4-1为应变式直剪仪示意图，施加一水平力T，土样水平面上受剪，试样的水平截面积为A，则垂直压应力为=FA，此时，土的抗剪强度（土样破坏时对此推力的极限抵抗能力）为f=TA。（一般取46个物理状态相同的试样试验）直剪试验：图4-1 直剪仪工作原理示意图FT土样水平测力装置竖向加压装置上下剪切盒基座上下透水石T垂直压应力：=FA抗剪强度：f=TA上下剪切盒应变式直剪仪垂直加载水平加载测微表量力环剪切盒抗剪强度f与法向应力关系曲线：以为横坐标， 以f

4、为纵坐标绘制，如图42所示。库仑定律：库仑（Coulomb）于1773年提出下述土的f 关系规律，故称为。砂性土：粘性土：式中 在法向应力作用下土的抗剪强度（kPa）； 作用在剪切面上的法向应力（kPa）； 土的内摩擦角()； c 土的粘聚力（kPa）。 结 论0 100 200 300 400 kPa 100200300400f kPa砂性土抗剪强度线0 100 200 300 400 kPa f kPa粘性土抗剪强度线c100200300400土的抗剪强度构成：内摩擦力与粘聚力。c和称为土的抗剪强度指标（或参数）。在一定条件下c和是常数，它们是构成土的抗剪强度的基本要素，c和（tan为土的

5、内摩擦系数）的大小反映了土的抗剪强度的高低。（二）抗剪强度的构成因素主要包括以下几个方面：1土颗粒的矿物成分、形状及颗粒级配；2初始密度；3含水量；4土的结构扰动情况；5有效应力；6应力历史；7试验条件。（三）抗剪强度的影响因素二、摩尔库仑强度理论fff该点处于稳定状态该点处于极限平衡状态该点处于破坏状态（塑性变形和应力重分布） 土的极限平衡条件：极限平衡状态时，土中大小主应力与土的抗剪强度指标之间的关系。（？） 土中某点在剪应力的作用下可能处于以下三种状态：由材料力学可知，地基中任意一点M（用微元体表示）平面应力状态，其上作用的应力为正应力x、z和剪应力xz。该点上大、小主应力1、3为 ：（

6、一）土中某点的应力状态土中某点应力状态xz0 xzxzpM当主应力已知时，任意斜截面上的正应力与剪应力的大小可用摩尔圆来表示：mn3131mn31单元体上的应力摩尔应力圆mn31单元体上的应力12Ac3（二）土的极限平衡条件 将土体中某点应力状态的应力圆和土的抗剪强度线绘于同一直角坐标系中，判断土体在这一点上是否达到极限平衡状态 ：fff稳定状态极限平衡状态破坏状态 应力圆与抗剪强度线相离应力圆与抗剪强度线相切应力圆与抗剪强度线相割摩尔应力圆与抗剪强度线间的关系Aco123粘性土的极限平衡条件： 砂性土的极限平衡条件 ： 某点处于极限平衡状态时，破裂面与最大主应力作用面所呈角度（称为破裂角）为

7、 ：(b)极限状态摩尔应力圆(a)单元体上的应力312crcrAco(1+3) /2oBDCmn313cr11土的强度破坏是剪应力达到和超过抗剪强度所致。2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，而不是以最大剪应力max达到了抗剪强度f作为判断依据，亦即剪切破坏面并不一定发生在最大剪应力的作用面上；3极限平衡状态时，极限应力圆与抗剪强度线相切，一组极限应力圆的公切线即为土的强度包线。4根据土的极限平衡条件，在已测得抗剪强度指标的条件下，已知大、小主应力中的任何一个，即可求得另一个；或在已知抗剪强度指标与大、小主应力的情况下，判断土体的平衡状态；也可利用这一关系

8、求出土体中已发生剪切破坏面的位置。结 论：【例4-1】已知一组直剪试验结果，在施加的法向应力分别为100kPa、200kPa、300kPa、400kPa时，测得相应的抗剪强度分别为67kPa、119kPa、162kPa、215kPa。试作图求该土的抗剪强度指标c、值。若作用在此土中某点的最大与最小主应力分别为350kPa和100 kPa问该点处于何种状态？【解】：（1）以法向应力为横坐标，抗剪强度f为纵坐标，、f 取相同比例，将土样的直剪试验结果点在坐标系上，如图4-7所示，过点群中心绘直线即为抗剪强度曲线。 在图中量得抗剪强度线与纵轴截距值即为土的粘聚力：c =15kPa，直线与横轴的倾角即

9、为内摩擦角=27。（2）当最大主应力1=350kPa时，如果土体处于极限平衡状态，根据极限平衡条件其最大与最小主应力间关系： = 100kPa，说明该点已 处于破坏状态。=113.05(kPa)抗剪强度指标计算图400100300200f kPac0 100 200 300 400 kPa 实际应力圆极限应力圆第三节 土的抗剪强度试验方法 土的抗剪强度指标通过土工试验确定。试验方法分为室内土工试验和现场原位测试两种。室内试验常用的方法有直接剪切试验、三轴剪切试验；现场原位测试的方法有十字板剪切试验和大型直剪试验。指标c、值是土的重要力学指标，用于确定地基土的承载力、挡土墙的土压力以及验算土坡的

10、稳定性等问题。正确地测定和选择土的抗剪强度指标是土工试验与设计计算中十分重要的问题。一、不同排水条件的试验方法与适用条件l不固结不排水剪试验（Unconsolidation Undrained Shear Test,简称UU试验）（快剪试验）。模拟建筑场地土体来不及固结排水就较快地加载的情况。在实际工作中，对渗透性较差，排水条件不良，建筑物施工速度快的地基土或斜坡稳定性验算。2固结不排水剪试验（Consolidation Undrained Shear Test，简称 CU试验）（固结快剪试验）。模拟建筑场地土体在自重或正常载荷作用下已达到充分固结，而后遇到突然施加载荷的情况。对一般建筑物地基

11、的稳定性验算以及预计建筑物施工期间能够排水固结，但在竣工后将施加大量活载荷（如料仓、油罐等）或可能有突然活载荷（如风力等）情况。固结排水剪试验是模拟地基土体已充分固结后开始缓慢施加载荷的情况。在实际工程中，对土的排水条件良好（如粘土层中夹砂层）、地基土透水性较好（低塑性粘性土）以及加荷速率慢时可选用。但因工程的正常施工速度不易使孔隙水压力完全消散，试验过程既费时又费力，因而较少采用。3固结排水剪试验（Consolidation Drained Shear Test，简称 CD试验）（慢剪试验）。二、直接剪切试验由于直剪仪构造简单，土样制备和试验操作方便等特点，现仍被一般工程所采用。 地基基础设

12、计规范规定，直剪试验只适用于二级及三级建筑物的可塑状粘性土和饱和度不大于50%的粉土。 试验结果不能反映工程的实际情况，所得的抗剪强度指标过大，对高等级建筑物安全度无法保证。问题：1.不能有效地控制排水；2.上下盒间缝隙的影响； 3.剪切面是人为规定的；4.剪切面应力条件复杂。 图4-1 直剪仪工作原理示意图FT土样水平测力装置竖向加压装置上下剪切盒基座上下透水石T三、三轴剪切试验图4-8 三轴剪切仪1量力环；2活塞；3进水孔；4排水孔；5试样帽；6受压室；7试样；8乳胶膜；9接周围压力控制系统；10接排水管；11接孔隙水压力系统；12接轴向加压系统三轴剪切仪由受压室、周围压力控制系统、轴向加

13、压系统、孔隙水压力系统以及试样体积变化量测系统等组成 。13三轴试验可以在三维空间模拟实际受力状态，克服直剪试验的固有缺点，不仅用于工程试验，也被广泛应用于科学研究中，一级建筑物地基土应予采用。 0 fc用若干土样进行试验，对每个土样施加不同3，可分别求得剪切破坏时对应的最大主应力1，将这些结果绘成一组摩尔圆。通过这些摩尔圆的切点的直线就是土的抗剪强度线，由此可得抗剪强度指标c和值。四、无侧限抗压强度试验无侧限抗压强度试验方法适用于饱和粘土。本试验所用的主要仪器设备是应变控制式无侧限压缩仪。试样为原状土样 1轴向加荷架；2轴向测力计；3试样；4上、下传压板；5手轮；6升降板；7轴向位移计应变控

14、制式无侧限压缩仪五、十字板剪切试验1转盘；2摇柄；3滑轮；4弹簧秤；5槽钢；6套管；7钻杆；8十字板十字板剪切仪（现场原位测试）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所形成的圆柱面。 试验方法Pc剪切破坏时的总作用力；fc轴杆及设备的机械阻力；h、D十字板的高度和直径；R转盘的半径；kc一十字板常数； 适用于软塑状态的粘性土。 概述：第四节 地基承载力 地基承载力特征值是指在保证地基稳定条件下，地基单位面积上所能承受的最大应力。影响因素：土性质、基础埋深与宽度、施工方法地基承

15、载力特征值应按下列规定综合考虑： 1.甲、乙级的建筑物采用载荷试验、理论公式计算及其他原位试验等方法综合确定； 2.丙级的建筑物可按土的物理力学指标、标准贯入、轻便触探等方法确定。 3.次要建筑物可根据邻近建筑物的经验确定。一、平板载荷试验确定地基承载力（一）地基变形的三个阶段1直线变形阶段（压密阶段）：ppcr 土中即将出现剪切破坏（塑性变形）点时的基底压力称为临塑压力（或比例极限）。pcr 土的变形主要是由土的压实，孔隙体积减小引起的，土体处于弹性平衡状态 。2局部剪切阶段（塑性变形阶段）： pcrppupcz地基中的变形不再是线形变化，压力和变形之间成曲线关系；随着压力的增加，地基除进一

16、步压密外，在局部（一般从基础边缘开始）出现了剪切破坏区（也称为塑性区）。此段范围内的 基底压力称为 塑性荷载 pcz3.失稳阶段(完全破坏阶段）：ppu 极限荷载pu：地基刚出现整体滑裂破坏面时的基底压力。 压力增加，地基变形将急剧增大，塑性区扩大，形成连续的滑动面，土从荷载板下挤出，在地面隆起，这时地基已完全丧失稳定性 。pu连续滑动面(二)平板载荷试验确定地基承载力由试验结果可绘制ps关系曲线，并推断出地基的极限荷载与承载力特征值。 承载力特征值由载荷试验ps关系曲线确定：荷载试验ps曲线 0spcrpuabcs1p原位荷载试验装置荷 载试坑支墩次梁主梁承压板千斤顶百分表基准梁1.当ps曲

17、线上有比例界限时，取该比例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.当不能按上述要求确定时，当压板面积为0.250.50m2，可取s/b=0.010.015所对应的荷载，但其值不应大于最大加载量的一半。4同一土层实验不应少于三点，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。二、理论公式确定地基承载力塑性区范围不超过一定限度，可采用一定深度的塑性区的基底压力pcz作为地基承载力特征值。 当偏心距e0.33倍基础底面宽度时，通过抗剪强度指标计算地基土承载力特征值。 fa 地基承载力特征值（kPa）； 基

18、础底面以下土的重度，地下水位以下取 有效重度（kNm3）； m 基础底面以上土的加权平均重度，地下 水位以下取有效重度（kNm3）； Mb、Md、Mc 承载力系数，按表4-1确定； b 基底宽度（m），当基底宽度大于6m按6m考 虑，对于砂土小于3m时按3m考虑； ck 基底下一倍基础底面短边宽深度内土的粘 聚力标准值（kPa）。三、确定地基承载力的其它方法（一）其它试验方法确定地基承载力上述载荷试验只能用来测定浅层土的承载力， 如果需要测定的土层位于地下水位以下或位于比较深的地方，应采用如下载荷试验的方法：深层平板载荷试验、旁压试验和螺旋压板载荷试验，适用于地下水位以下的土层和埋藏很深的土层

19、，是较理想的原位测定地基承载力的方法。 1.间接原位测试的方法静力触探试验和标准贯入试验与载荷试验结果对比分析，建立经验关系，间接确定地基承载力。2规范推荐的地基承载力表应注意这些承载力表的局限性。新版本的建筑地基基础设计规范GB500072002已将所有的承载力表取消，可以在本地区得到验证的条件下，作为一种推荐性的经验方法使用。（二）经验方法确定地基承载力四、地基承载力特征值的修正 当基础宽度大于3m或埋置深度大于0.5m时，从载荷试验或其它原位测试、经验值等方法确定的地基承载力特征值，尚应按下式修正： 式中 fa修正后的地基承载力特征值（kPa）； fak地基承载力特征值（kPa）； 基础底面以下土的重度，地下水位以下 取有效重度（kNm3）； m 基底以上土的加权