地基与基础土的抗剪强度与地基承载力

地基与基础土的抗剪强度与地基承载力第一页，共六十九页，2022年，8月28日土的抗剪强度

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地基承载力第四章第二页，共六十九页，2022年，8月28日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。第三页，共六十九页，2022年，8月28日4.1概述第四页，共六十九页，2022年，8月28日工程背景

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。

1.建筑物地基承载力问题(图1)第五页，共六十九页，2022年，8月28日建筑物地基承载力问题(图2)第六页，共六十九页，2022年，8月28日建筑物地基承载力问题(图4)第七页，共六十九页，2022年，8月28日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。

2.构筑物环境的安全性问题即土压力问题第八页，共六十九页，2022年，8月28日

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。第九页，共六十九页，2022年，8月28日

2006年3月27日下午4时45分，太原到旧关高速公路寿阳段发生严重塌陷，路面整体沉陷，路基向外滑移，塌陷处长130米，宽12米，深8.5米，所幸没有发生交通事故，未造成人员伤亡。专家勘察后，初步确定此地段原是旧河槽，底层土壤渗水液化造成塌陷。石太高速寿阳段塌陷现场严重2006年03月30日星期四央视《焦点访谈》第十页，共六十九页，2022年，8月28日石太高速寿阳段塌陷现场严重石太高速公路寿阳段塌陷现场（3月28日摄）。2006年03月30日星期四央视《焦点访谈》第十一页，共六十九页，2022年，8月28日石太高速寿阳段塌陷现场严重石太高速公路寿阳段塌陷现场（3月28日摄）。3月28日，公路勘察人员在查看石太高速公路寿阳段塌陷后的裂缝。2006年03月30日星期四央视《焦点访谈》第十二页，共六十九页，2022年，8月28日2000年西藏易贡巨型滑坡第十三页，共六十九页，2022年，8月28日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

第十四页，共六十九页，2022年，8月28日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τf与法向压力σ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ff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

·····第十五页，共六十九页，2022年，8月28日库伦公式（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：第十六页，共六十九页，2022年，8月28日度影响因素土的抗剪强①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

②原始密度③天然含水量④土的结构扰动情况⑤有效应力大小⑦应力历史⑥试验条件第十七页，共六十九页，2022年，8月28日二、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所致，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）第十八页，共六十九页，2022年，8月28日（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，并使微元体的上、下面平行于地面。因微元体很小，可忽略微元体本身的质量。现分析此微元体的受力情况，将微元体放大。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σ1为最大主应力，σ3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。第十九页，共六十九页，2022年，8月28日O131/2(1+3)2A(,)土中某点的应力状态可用摩尔应力圆描述

31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。3311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：第二十页，共六十九页，2022年，8月28日⑴应力圆与强度线相离（圆1）：

强度线⑵应力圆与强度线相切（圆2）：⑶应力圆与强度线相割（圆3）：极限应力圆τ<τf

弹性平衡状态

τ=τf

极限平衡状态

τ>τf

破坏状态

（一）、土的极限平衡条件A123f=c+tan

第二十一页，共六十九页，2022年，8月28日摩尔－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)

抗剪强度包线

第二十二页，共六十九页，2022年，8月28日摩尔－库仑破坏准则31c

cr2

crAcctg1/2(1+3)无粘性土：c=0粘性土：oo′BC第二十三页，共六十九页，2022年，8月28日

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τmax所控制。

内外角之间的关系：31c

cr2

crAcctg1/2(1+3)oo′BC第二十四页，共六十九页，2022年，8月28日结论:（4）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；（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。（3）强度包线：当土体处于极限状态时，土中该点的极限应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，与横坐标夹角为土的内摩擦角。（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。第二十五页，共六十九页，2022年，8月28日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实验第二十六页，共六十九页，2022年，8月28日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、直接剪切试验第二十七页，共六十九页，2022年，8月28日

直剪仪(图2)第二十八页，共六十九页，2022年，8月28日通过控制剪切速率来近似模拟排水条件PSTA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。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

。第二十九页，共六十九页，2022年，8月28日PSTAOc·f第三十页，共六十九页，2022年，8月28日设备简单，操作方便结果便于整理测试时间短优点试样应力状态复杂应变不均匀不能控制排水条件剪切面固定缺点PSTA直接剪切验：第三十一页，共六十九页，2022年，8月28日（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。

抗剪强度包线

c三、三轴接剪切试验第三十二页，共六十九页，2022年，8月28日（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第三十三页，共六十九页，2022年，8月28日试验步骤:

3

3

3

3

3

3△△2.施加周围压力3.施加竖向压力1.装样第三十四页，共六十九页，2022年，8月28日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第三十五页，共六十九页，2022年，8月28日应用范围⑴重大工程与科学研究；⑵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。

第三十六页，共六十九页，2022年，8月28日三轴压缩仪（又称三轴剪切仪）第三十七页，共六十九页，2022年，8月28日应变控制式三轴仪：压力室加压系统量测系统轴向加压系统第三十八页，共六十九页，2022年，8月28日三轴压缩试样第三十九页，共六十九页，2022年，8月28日方法：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Δ1=

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第四十页，共六十九页，2022年，8月28日固结排水试验（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）试验类型第四十一页，共六十九页，2022年，8月28日（3）三轴试验结果三轴试验结果—抗剪强度包线抗剪强度包线

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

第四十二页，共六十九页，2022年，8月28日有效应力圆总应力圆u=0B

C

cu

uAA

3A

1A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

（1）不固结不排水剪（UU）不同试验方法的剪切试验结果

（1）不固结不排水剪的剪切试验结果第四十三页，共六十九页，2022年，8月28日虚线应力圆：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、

ccuc

cu

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、

cuABC（2）固结不排水剪（CU）

（2）固结不排水剪的剪切试验结果第四十四页，共六十九页，2022年，8月28日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

cdd

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（3）固结排水剪（CD）

（3）固结排水剪的剪切试验结果第四十五页，共六十九页，2022年，8月28日剪切过程中的超静孔隙水压力u对于饱和土试样：孔压系数B=1.0

u=BA(=A(对于剪切过程中无体积变化：

A=1/3剪切过程中发生剪缩：

A>1/3剪切过程中发生剪胀：

A<1/3(甚至可能A<0，u<0）第四十六页，共六十九页，2022年，8月28日优点：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）优点和缺点第四十七页，共六十九页，2022年，8月28日

三轴压缩试验中当周围压力s3=0时即为无侧限试验条件，这时只有q=s1。所以，也可称为单轴压缩试验。由于试样的侧向压力为零，在侧向受压时，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，s3=0时的不排水剪。3.试验装置ququ3=0（三）、无侧限抗压强度试验加压框架量表量力环升降螺杆无侧限压缩仪试样第四十八页，共六十九页，2022年，8月28日无侧限压缩仪第四十九页，共六十九页，2022年，8月28日试验成果与计算⑴轴向应变e1，应按下式计算：

⑵轴向应力，应按下式计算：

⑶无侧限抗压强度Aa取e-s曲线上峰值为无侧限抗压强度第五十页，共六十九页，2022年，8月28日0cu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第五十一页，共六十九页，2022年，8月28日一般适用于测定软粘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）、十字板剪切试验第五十二页，共六十九页，2022年，8月28日

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：第五十三页，共六十九页，2022年，8月28日M1HDM2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第五十四页，共六十九页，2022年，8月28日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第五十五页，共六十九页，2022年，8月28日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）第五十六页，共六十九页，2022年，8月28日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。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PS（2）局部剪切PS（3）冲剪破坏PS深土层表面土地基破坏的模式特征第五十七页，共六十九页，2022年，8月28日1940年在软粘土地基上的某水泥仓的倾覆第五十八页，共六十九页，2022年，8月28日水泥仓地基

整体破坏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第五十九页，共六十九页，2022年，8月28日在软粘土上的密砂地基的冲剪破坏第六十页，共六十九页，2022年，8月28日相邻建筑物施工引起的原有建筑物的局部倾斜（软粘土地基）第六十一页，共六十九页，2022年，8月28日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。这种条件助长了蒙特石形成。很多国家都发现了膨胀土。印度的黑棉土第六十二页，共六十九页，2022年，8月28日膨胀土对建筑物的危害活动区域第六十三页，共六十九页，2022年，8月28日荷载试验沉降曲线（p-s)pcrpupcr~pu临塑荷载连续滑动面和极限荷载塑性区发展和临界荷载pcr

pu地基土开始出现剪切破坏s连续滑动面p一、平板载荷试验确定地基承载力··第六十四页，共六十九页，2022年，8月28日特征值fa(设计承载力)2.局部剪切阶段（一）地基变形的三个阶段直线变形阶段-

压密阶段3.失稳阶段第六十五页，共六十九页，2022年，8月28日（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。（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）当不能按上诉两款确定时，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。当满足前三种情况之一时，取该比例界限所