PPT地基基础高校讲义课件49章苏德利老师原创

第4章土的抗抗剪强度与地地基承载力第一节概概述第二节土土的抗剪强度度第三节土的抗剪强度度试验方法第四节地地基承载力本章讲授内容容结构荷载基底压力上部结构、基基础、地基示示意图压力扩散线持力层下卧层地基基础自重设计程序：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寸第五章土土的抗剪强度度与地地基承载载力建筑物地基基基础设计必须须满足变形和强度两个基本条件。第一节概概述述剪切破坏：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。地基破坏与地地基强度：强度和变形是是两个不同的的控制标准，，不可互相替替代，承载力要求是是先决条件——基底压力pk≤地基承载力fa地基失稳：基底荷载增加加（超过地基基承载力），，地基中形成成连续的剪切切滑动破坏面面，基础产生生沉降或倾斜斜，地基土被被挤出，地基基破坏。基底荷荷载滑动破坏面面压密区区土的抗抗剪强强度：：是指在在外力力作用用下，，土体体内部部产生生剪应力力时，，土对对剪切切破坏坏的极极限抵抵抗能能力。。地基破破坏即即是剪剪切破破坏。。土的强强度问问题实实质上上就是是抗剪剪强度度问题题。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结论本章学学习要要点本章将将主要要介绍绍地基基的强强度和和稳定定问题题，包括土土的抗抗剪强强度以以及地地基基基础设设计时时的地基基承载载力的的计算算问题题。土的抗抗剪强强度主主要应应用于于地基基承载载力的的计算和地地基稳稳定性性分析析、边边坡稳稳定性性分析析、挡土墙墙及地地下结结构物物上的的土压压力计计算等等。重点掌掌握：：①抗剪剪强度度理论论②②指标标测定定方法③③地地基承承载力力确定定方法法第二节节土土的的抗剪剪强度度一、抗抗剪强强度（一））库仑仑定律律土的抗抗剪强强度可可以通通过试试验的的方法法测定定；直剪试试验：：图4-1为应变变式直直剪仪仪示意意图，，施加加一水水平力力T，土样样水平平面上上受剪剪，试试样的的水平平截面面积为为A，则垂垂直压压应力力为σ=F／A，此时时，土土的抗抗剪强强度（（土样样破坏坏时对对此推推力的的极限限抵抗抗能力力）为为τf=T／A。（一一般取取4～6个物理理状态态相同同的试试样试试验））土的抗抗剪强强度并并非是是一个个定值值。不同同类型型的土土其抗抗剪强强度不不同，，即使使同一一类土土，在在不同同条件件下的的抗剪剪强度度也不不相同同。图4-1直剪仪仪工作作原理理示意意图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垂直压压应力力：σ=F／A抗剪强强度：：τf=T／A上下剪剪切盒盒应变式式直剪剪仪垂直加加载水平加加载测微表表量力环环剪切盒盒后页抗剪强强度τf与法向向应力力σ关系曲曲线：：以σ为横坐坐标，，以τf为纵坐坐标绘绘制，，如图图4－2所示。。砂性土土：粘性土土：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）。结论论库仑定定律：：库仑（（Coulomb）于1773年提出出下述述土的的σ～τf关系规规律，，故称称为。。土的内内摩擦擦系数数0100200300400σ(kPa)100200300400τf(kPa)φ砂性土抗剪强度线通过原原点0100200300400σ(kPa)τf(kPa)φ粘性土抗剪强度线c100200300400土的抗抗剪强强度构构成：：内摩擦擦力与与粘聚聚力。c和φ称为土土的抗抗剪强强度指指标（或参参数））。在一定定条件件下c和φ是常数数，它它们是是构成成土的的抗剪强强度的的基本本要素素，c和φ（tanφ为土的的内摩擦擦系数数）的的大小小反映映了土土的抗抗剪强强度的的高低低。（二））抗剪剪强度度的构构成因因素主要包包括以以下几几个方方面：：1．土颗颗粒的的矿物物成分分、形形状及及颗粒粒级配配；2．初始始密度度；3．含水水量；；4．土的的结构构扰动动情况况；5．有效效应力力；6．应力力历史史；7．试验验条件件。（三））抗剪剪强度度的影影响因因素二、摩摩尔—库仑强强度理理论τ＜τfτ＞τfτ＝τf该点处处于稳定状状态该点处处于极限平平衡状状态该点处处于破坏状状态（塑性性变形形和应应力重重分布布）土的极极限平平衡条条件：：极限平平衡状状态时时，土土中大大小主主应力力与土土的抗抗剪强强度指指标之之间的的关系系。（？））土中某某点在在剪应应力τ的作用用下可可能处处于以以下三种状状态：：由材料料力学学可知知，地地基中中任意意一点点M（用微微元体体表示示）平平面应应力状状态，，其上上作用用的应应力为为正应应力σx、σz和剪应应力τxz。该点点上大大、小小主应应力σ1、σ3为：（一））土中中某点点的应应力状状态土中某点应力状态示意图xz0σxσzτxzpM当主主应应力力已已知知时时，，任任意意斜斜截截面面上上的的正正应应力力σ与剪应应力力τ的大大小小可可用用摩摩尔尔圆圆来来表表示示：：mnσ3σ1σ3ασ1στmnσ3σ1α单元元体体上上的的应应力力摩尔尔应应力力圆圆单元元体体上上的的应应力力σσ1τ2αφαAcσσ3στmnσ3σ1α（二二））土土的的极极限限平平衡衡条条件件将土土体体中中某某点点应应力力状状态态的的应应力力圆圆和和土土的的抗抗剪剪强强度度线线绘绘于于同同一一直直角角坐坐标标系系中中，，判判断断土土体体在在这这一一点点上上是是否否达达到到极极限限平平衡衡状状态态：τ＜τfτ＞τfτ＝τf稳定定状状态态极限限平平衡衡状状态态破坏坏状状态态应力力圆圆与与抗抗剪剪强强度度线线相相离离应力力圆圆与与抗抗剪剪强强度度线线相相切切应力力圆圆与与抗抗剪剪强强度度线线相相割割στφAco123摩尔尔应应力力圆圆与与抗抗剪剪强强度度线线间间的的关关系系粘性性土土的的极极限限平平衡衡条条件件：：砂性性土土的的极极限限平平衡衡条条件件：某点点处处于于极极限限平平衡衡状状态态时时，，破破裂裂面面与与最最大大主主应应力力作用用面面所所呈呈角角度度（（称称为为破破裂裂角角））为为：(b)极限限状状态态摩摩尔尔应应力力圆圆(a)单元元体体上上的的应应力力στσ3σ12αcrφαcrAco(σ1+σ3)/2o′BDCmnσ3σ1σ3αcrσ11．土土的的强强度度破破坏坏是是剪剪应应力力达达到到和和超超过过抗抗剪剪强强度度所所致致。。2．破破坏坏状状态态的的应应力力条条件件必必须须是是法法向向应应力力和和剪剪应应力力的的某某种种组组合合符符合合库库仑仑定定律律的的破破坏坏准准则则，，而而不不是是以以最最大大剪剪应应力力τmax达到到了了抗抗剪剪强强度度τf作为为判判断断依依据据，，亦亦即即剪剪切切破破坏坏面面并并不不一一定定发发生生在在最最大大剪剪应应力力的的作作用用面面上上；；3．极极限限平平衡衡状状态态时时，，极极限限应应力力圆圆与与抗抗剪剪强强度度线线相相切切，，一一组组极极限限应应力力圆圆的的公公切切线线即即为为土土的的强强度度包包线线。。4．根根据据土土的的极极限限平平衡衡条条件件，，在在已已测测得得抗抗剪剪强强度度指指标标的的条条件件下下，，已已知知大大、、小小主主应应力力中中的的任任何何一一个个，，即即可可求求得得另另一一个个；；或或在在已已知知抗抗剪剪强强度度指指标标与与大大、、小小主主应应力力的的情情况况下下，，判判断断土土体体的的平平衡衡状状态态；；也也可可利利用用这这一一关关系系求求出出土土体体中中已已发发生生剪剪切切破破坏坏面面的的位位置置。。结论论：：【例4-1】已知知一一组组直直剪剪试试验验结结果果，，在在施施加加的的法法向向应应力力分分别别为为100kPa、200kPa、300kPa、400kPa时，，测测得得相相应应的的抗抗剪剪强强度度分分别别为为67kPa、119kPa、162kPa、215kPa。试试作作图图求求该该土土的的抗抗剪剪强强度度指指标标c、φ值。。若若作作用用在在此此土土中中某某点点的的最最大大与与最最小小主主应应力力分分别别为为350kPa和100kPa问该该点点处处于于何何种种状状态态？？【解】：（1）以以法法向向应应力力σ为横横坐坐标标，，抗抗剪剪强强度度τf为纵纵坐坐标标，，σ、τf取相相同同比比例例，，将将土土样样的的直直剪剪试试验验结结果果点点在在坐坐标标系系上上，，如如图图4-7所示示，，过过点点群群中中心心绘绘直直线线即即为为抗抗剪剪强强度度曲曲线线。。在图图中中量量得得抗抗剪剪强强度度线线与与纵纵轴轴截截距距值值即即为为土土的的粘粘聚聚力力：：c=15kPa，直直线线与与横横轴轴的的倾倾角角即即为为内内摩摩擦擦角角φ=27°°。（2）当当最最大大主主应应力力σ1=350kPa时，，如如果果土土体体处处于于极极限限平平衡衡状状态态，，根根据据极极限限平平衡衡条条件件其其最最大大与与最最小小主主应应力力间间关关系系：：＞=100kPa，说明该点已处于破坏状态。=113.05(kPa)抗剪剪强强度度指指标标计计算算图图400100300200τfkPaφc0100200300400σkPa实际际应应力力圆圆极限限应应力力圆圆第三三节节土的的抗抗剪剪强强度度试试验验方方法法土的的抗抗剪剪强强度度指指标标通通过过土工工试试验验确定定。。试试验验方方法法分分为为室内内土工工试试验验和和现场场原原位位测试试两两种种。。室室内内试试验验常常用用的的方方法法有有直接接剪剪切切试试验验、、三三轴轴剪剪切切试试验验；现现场场原原位位测测试试的的方方法法有有十字字板板剪剪切切试试验验和和大大型型直直剪剪试试验验。指标标c、φ值是是土土的的重重要要力力学学指指标标，，用用于于确确定定地地基基土土的的承承载载力力、、挡挡土土墙墙的的土土压压力力以以及及验验算算土土坡坡的的稳稳定定性性等等问问题题。。正正确确地地测测定定和和选选择择土土的的抗抗剪剪强强度度指指标标是是土土工工试试验验与与设设计计计计算算中中十十分分重重要要的的问问题题。。一、、不不同同排排水水条条件件的的试试验验方方法法与与适适用用条条件件l．不固固结结—不排排水水剪剪试试验验（UnconsolidationUndrainedShearTest,简称称UU试验验）（（快剪剪试试验验）。。模拟拟建建筑筑场场地地土土体体来来不不及及固固结结排排水水就就较较快快地地加加载载的的情情况况。。在在实实际际工工程程中中，，对对渗渗透透性性较较差差，，排排水水条条件件不不良良，，建建筑筑物物施施工工速速度度快快的的地地基基土土或或斜斜坡坡进进行行稳稳定定性性验验算算时时应应用用。。2．固结—不排水剪剪试验（ConsolidationUndrainedShearTest，简称CU试验）（固结快剪剪试验）。模拟建筑筑场地土土体在自自重或正正常载荷荷作用下下已达到到充分固固结，而而后遇到到突然施施加载荷荷的情况况。对一一般建筑筑物地基基的稳定定性验算算以及预预计建筑筑物施工工期间能能够排水水固结，，但在竣竣工后将将施加大大量活载载荷（如如料仓、、油罐等等）或可可能有突突然活载载荷（如如风力等等）情况况。固结—排水剪试试验是模模拟地基基土体已已充分固固结后开开始缓慢慢施加载载荷的情情况。在在实际工工程中，，对土的的排水条条件良好好（如粘粘土层中中夹砂层层）、地地基土透透水性较较好（低低塑性粘粘性土））以及加加荷速率率慢时可可选用。。但因工工程的正正常施工工速度不不易使孔孔隙水压压力完全全消散，，试验过过程既费费时又费费力，因因而较少少采用。。3．固结—排水剪试试验（ConsolidationDrainedShearTest，简称CD试验）（（慢剪试验验）。二、直接接剪切试试验由于直剪仪构造简单单，土样样制备和和试验操操作方便便等特点点，现仍仍被一般般工程所所采用。。《地基基础础设计规规范》规定，直直剪试验验只适用用于二级级及三级级建筑物物的可塑塑状粘性性土和饱饱和度不不大于50%的粉土。。试验结果果不能反反映工程程的实际际情况，，所得的的抗剪强强度指标标过大，，对高等等级建筑筑物安全全度无法法保证。。问题：1.不能有效效地控制制排水；；2.上下盒间间缝隙的的影响；；3.剪切面是是人为规规定的；；4.剪切面应应力条件件复杂。。前图图4-1直剪仪工工作原理理示意图图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、三轴轴剪切试试验图4-8三轴剪切切仪示意意图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—接周围压压力控制制系统；；10—接排水管管；11—接孔隙水水压力系系统；12—接轴向加加压系统统三轴剪切切仪由受受压室、、周围压压力控制制系统、、轴向加加压系统统、孔隙隙水压力力系统以以及试样样体积变变化量测测系统等等组成。。σ1σ3三轴试验验可以在在三维空空间模拟拟实际受受力状态态，克服服直剪试试验的固固有缺点点，不仅仅用于工工程试验验，也被被广泛应应用于科科学研究究中，一一级建筑筑物地基基土应予予采用。。0στfφc用若干土土样进行行试验，，对每个个土样施施加不同同σ3，可分别别求得剪剪切破坏坏时对应应的最大大主应力力σ1，将这些些结果绘绘成一组组摩尔圆圆。通过过这些摩摩尔圆的的切点的的直线就就是土的的抗剪强强度线，，由此可可得抗剪剪强度指指标c和φ值。四、无侧侧限抗压压强度试试验无侧限抗抗压强度度试验方方法适用用于饱和和粘土。。本试验验所用的的主要仪仪器设备备是应变变控制式式无侧限限压缩仪仪。试样为原原状土样样1—轴向加荷荷架；2—轴向测力力计；3—试样；4—上、下传传压板；；5—手轮；6—升降板；；7—轴向位移移计应变控制制式无侧侧限压缩缩仪五、十字字板剪切切试验1—转盘；2—摇柄；3—滑轮；4—弹簧秤；；5—槽钢；6—套管；7—钻杆；8—十字板十字板剪剪切仪（现场原原位测试试）钻孔至需需要试验验的土层层深度以以上750mm处，然后后将装有有十字板板的钻杆杆放入钻钻孔底部部，并插插入土中中750mm，施加扭扭矩使钻钻杆旋转转直至土土体剪切切破坏。。土体剪剪切面为为十字板板旋转所所形成的的圆柱面面。试验方法法Pc—剪切破坏坏时的总总作用力力；fc—轴杆及设设备的机机械阻力力；h、D—十字板的的高度和和直径；R—转盘的半半径；kc一十字板板常数；；适用于软软塑状态态的粘性性土。概述：第四节地基破坏坏形式与与地基承载载力地基承载载力特征征值是指在保保证地基基稳定条条件下，，地基单单位面积积上所能能承受的的最大应应力。地基承载载力特征征值应按按下列规规定综合合考虑：：1.甲、乙级级的建筑筑物采用用载荷试试验、理理论公式式计算及及其他原原位试验验等方法法综合确确定；2.丙级的建建筑物可可按土的的物理力力学指标标、标准准贯入试试验、轻轻便触探探试验等等方法确确定。3.次要建筑筑物可根根据邻近近建筑物物的经验验确定。影响因素素：土性性质、基基础埋深深与宽度度、施工工方法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一、平板板载荷试试验确定定地基承承载力（一）地地基变形形的三个个阶段现场平板板载荷试试验时，，地基在在局部荷荷载作用用下，从从开始施施加荷载载并逐渐渐增加至至地基发发生破坏坏，地基基的变形形大致经经过以下下三个阶阶段：荷载试验p～s曲线0spcrpuabcs1p土中即将将出现剪剪切破坏坏（塑性性变形））点时的的基底压压力称为为临塑压力力（或比例极限限）。pcr1．直线变变形阶段段（压密阶阶段）：：p≤pcr（图中oa段）此阶段土土的变形形主要是是由土的的压实，，孔隙体体积减小小引起的的，土体体处于弹弹性平衡衡状态。2．局部剪剪切阶段段（塑性变变形阶段段）：pcr＜p＜pu（图中ab段）pcz地基中的的变形不不再是线线形变化化，压力力和变形形之间成成曲线关关系；随着压力力的增加加，地基基除进一一步压密密外，在在局部（（一般从从基础边边缘开始始）出现现了剪切切破坏区区（也称称为塑性区）。此段范围围内的基基底压力力称为塑塑性荷载载pcz3.失稳阶段段(完全破坏坏阶段））：p≥pu极限荷载载pu：地基刚出出现整体体滑裂破破坏面时时的基底底压力。。压力继续续增加，，地基变变形将急急剧增大大，塑性性区扩大大，形成成连续的的滑动面面，土从从荷载板板下挤出出，在地地面隆起起，这时时地基已已完全丧丧失稳定定性。pu连续滑动动面(二)平板载荷荷试验确确定地基基承载力力由试验结结果可绘绘制p～s关系曲线线，并推推断出地地基的极极限荷载载与承载载力特征征值。承载力特特征值由由载荷试试验p～s关系曲线确定定：荷载试验p～s曲线0spcrpuabcs1p1.当p～s曲线上有有比例界界限时，，取该比比例界限限所对应应的荷载载值；2.当极限荷荷载小于于对应比比例界限限的荷载载值的2倍时（pu≤2pcr），取极极限荷载载值的一一半；3.当不能按按上述要要求确定定时，当当压板面面积为0.25～0.50m2，可取s/b=0.01～0.015所对应的的荷载，，但其值值不应大大于最大大加载量量的一半半；4.同一土层层实验不不应少于于三点，，当试验验实测值值的极差差不超过过其平均均值的30%时，取此此平均值值作为该该土层的的地基承载载力特征征值fak。二、理论论公式确确定地基基承载力力塑性区范范围不超超过一定定限度，，可采用用一定深深度的塑塑性区的的基底压压力pcz作为地基基承载力力特征值值。当荷载偏偏心距e≤0.33倍基础底底面宽度度时，通通过抗剪剪强度指指标计算算地基土土承载力力特征值值。fa—地基承载载力特征征值（kPa）；γ—基础底面面以下土土的重度度，地下下水位以以下取有效重度度（kN／m3）；γm—基础底面面以上土土的加权权平均重重度，地地下水位以下下取有效效重度（（kN／m3）；Mb、Md、Mc—承载力系系数，按按表4-1确定；b—基底宽度度（m），当基基底宽度度大于6m按6m考虑，对于于砂土小小于3m时按3m考虑；ck—基底下一一倍基础础底面短短边宽深深度内土土的粘聚力标准准值（kPa）。三、确定定地基承承载力的的其它方方法（一）其其它试验验方法确确定地基基承载力力上述载荷荷试验只只能用来来测定浅浅层土的的承载力力，如如果需要要测定的的土层位位于地下下水位以以下或位位于比较较深的地地方，应应采用如如下载荷荷试验的的方法：：深层平板板载荷试试验、旁旁压试验验和螺旋旋压板载载荷试验验，适用于于地下水水位以下下的土层层和埋藏藏很深的的土层，，是较理理想的原原位测定定地基承承载力的的方法。。1.间接原位测试试的方法静力触探试验验和标准贯入入试验与载荷荷试验结果对对比分析，建建立经验关系系，间接确定定地基承载力。2.规范推荐的地地基承载力表表应注意这些承承载力表的局局限性。新版版本的《建筑地基基础础设计规范》GB50007—2002已将所有的承承载力表取消消，可以在本本地区得到验验证的条件下下，作为一种种推荐性的经经验方法使用用。（二）经验方方法确定地基基承载力四、地基承载载力特征值的的修正当基础宽度大大于3m