土的抗剪强度与地基承载力

1、第四章土的抗剪强度与地基承载力,4.1土的抗剪强度与极限平衡原理4.2土的剪切试验方法4.3土的剪切特性4.4地基破坏型式和地基承载力4.5按极限荷载确定地基承载力,4.1土的抗剪强度与极限平衡原理,4.1.1抗剪强度的基本概念土体抵抗剪切破坏的极限能力,土工建筑物（如：路堤、土坝等）,沉降过大,强度破坏,建筑物事故,土体破坏,剪切破坏,研究土的强度特性，就是研究土的抗剪强度特性,4.1.1抗剪强度的基本概念,工程中要解决的问题土坡稳定问题土压力问题地基承载力问题,土坡稳定问题,大阪的港口码头档土墙由于液化前倾,剪切面（剪切带）：土体剪切破坏是沿某一面发生与剪切方向一致的相对位移，该面通常称为

2、剪切面,广州京光广场基坑塌方,使基坑旁办公室、民工宿舍和仓库倒塌，死3人，伤17人。,挡土墙的土压力问题,工程实例地基承载力问题,工程实例地基承载力问题,1911年动工1913年完工自重20000吨1913年10月17日发现1小时内竖向沉降达30.5厘米，向西倾斜，并在24小时内倾倒，谷仓西端下沉7.32米，东端上抬1.52米,加拿大特朗斯康谷仓,4.1.1抗剪强度的基本概念,抗剪强度的影响因素：（1）土的基本性质（2）土的受力状态（3）试验方法,4.1.2库仑定律,1776年，库仑根据砂土剪切试验得出,f=tan,砂土,后来，根据粘性土剪切试验得出,f=c+tan,粘土,c,库仑定律：土的抗

3、剪强度是剪切面上的法向总应力的线性函数,库伦公式,抗剪强度指标,c:土的粘聚力:土的内摩擦角,土的抗剪强度一般可分为两部分：一部分与颗粒间的法向应力有关，通常呈正比例关系，其本质是摩擦力；另一部分是与法向应力无关的土粒之间的粘结力，通常称为粘聚力。,影响因素土的抗剪强度,内在因素,外在因素：试验时的排水条件等因素,颗粒间的有效法向应力,土的孔隙比,表达方法土的抗剪强度,总应力法：总应力强度指标,有效应力法：有效应力强度指标,4.1土的抗剪强度与极限平衡原理,4.1.1抗剪强度的基本概念土体抵抗剪切破坏的极限能力,4.1.3土中一点的应力状态,19,平面应力状态最一般的表现形式如图a所示，现先分

4、析与已知应力所在平面xy垂直的任意斜截面(图b)上的应力。,第七章应力状态和强度理论,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）,斜面上的应力,4.1.3土中一点的应力状态,A(,),土中某点的应力状态可用莫尔应力圆描述,莫尔圆可以表示土体中一点的应力状态，莫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。,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：,极限应力圆,f,弹性平衡状态,=f,极限平衡状态,f,破坏状态,4.1.4土的极限平衡条件,莫尔库仑破坏准则,c,A,cctg,1/2(1+3),无粘性土：c=0,粘性土：,土体处于极限平

5、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，而与最大剪应力面成45+/2的夹角。因此，土的剪切破坏并不是由最大剪应力max所控制。,的方法测定土抗剪强度,直接剪切试验,三轴压缩试验,无侧限抗压强度试验,现场十字板剪切仪,4.2土的剪切试验方法,试验仪器：直剪仪（应变控制式，应力控制式）,4.2.1直接剪切试验,应变控制式直剪仪的试验原理：对同一种土至少取4个平行试样，分别在不同垂直压力下剪切破坏，将试验结果绘制抗剪强度f与相应垂直压力的关系图。,剪切容器与应力环,在法向应力作用下，剪应力与剪切位移关系曲线。,在不同的垂直压力下进行剪切试验，得相应的抗剪强度f

6、，绘制f-曲线，得该土的抗剪强度包线,快剪：0.08mm/min固结快剪：固结不大于0.005mm/h慢剪：0.02mm/min,在直剪试验过程中，根据加荷速率的快慢可将试验划分为:,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，且不一定是土样的最薄弱面。不能严格控制排水条件，不能量测土样的孔隙水压力。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。,4.2.2三轴压缩试验,试验仪器：应变控制式三轴仪：压力室，加压系统，量测系统组成(常用）应力控制式三轴仪,试验步骤:,2.施加周围压力,3.施加竖向压力,1.装样,三轴压缩仪,应变控制式三

7、轴仪：压力室加压系统量测系统,轴向加荷系统,三轴压缩试验按剪切前的固结程度和剪切时的排水条件，可以分为三种试验方法：1.不固结不排水试验(UU试验)2.固结不排水试验(CU试验)3.固结排水试验(CD试验),三轴试验优缺点,优点：能控制排水条件，量测孔隙水压力。试样的应力分布比较均匀，剪切破坏面为最薄弱面。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。,分别在不同的周围压力3作用下进行剪切，得到34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,抗剪强度包线,3=0,4.2.3无侧限抗压强度试验,无侧限压缩仪

8、,0,cu,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,4.2.4十字板剪切试验,4.3土的剪切特性,4.3.1粘性土的剪切性状1、饱和粘性土的不固结不排水强度2、固结不排水强度3、固结排水强度4、粘性土的残余强度5、粘性土的蠕变,4.3.1粘性土的剪切性状,总应力强度指标与有效应力强度指标,c、为土的有效粘聚力和有效内摩擦角，即土的有效应力强度指标,c、为土的总应力强度指标,有效应力原理：土的抗剪强度并不是由剪切面上的法向总应力决定，而是取决于剪切面上的法向有效应力。,1、饱和粘性土不固结不排水强度（UU）,三轴试验：施加周围压力3、轴向压力直至剪破的

9、整个过程都关闭排水阀门，不允许试样排水固结。,直剪试验：通过试验加荷的快慢来实现是否排水。使试样在35min内剪破，称之为快剪。,有效应力圆,总应力圆,u=0,cu,uA,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，但只能得到一个有效应力圆。,试验表明：虽然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。,2.固结不排水剪（CU）,三轴试验：施加周围压力3时打开排水阀门，试样完全排水固结，孔隙水压力完全消散。然后关闭排水阀门，再施加轴向压力增量，使试样在不排水条件下剪切破坏。,直剪试验：剪切前试样在垂直

10、荷载下充分固结，剪切时速率较快，使土样在剪切过程中不排水，这种剪切方法为称固结快剪。,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、,ccu,c,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、cu,3.固结排水剪（CD）,三轴试验：试样在围压3作用下排水固结，再缓慢施加轴向压力增量，直至剪破，整个试验过程中打开排水阀门，始终保持试样的孔隙水压力为零。,直剪试验：试样在垂直压力下固结稳定，再以缓慢的速率施加水平剪力，直至剪破，整个试验过程中尽量使土样排水，试验方法称

11、为慢剪。,在整个排水剪试验过程中，uf0，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。,cd,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。,4、粘土的残余强度,5、结构性与灵敏度,结构性：粘土的强度（或其它性质）随着其结构的改变而发生变化的特性灵敏度：粘土对结构扰动的敏感程度可用灵敏度表示。灵敏度定义为原状试样的无侧限抗压强度与相同含水率下重塑试样的无侧限抗压强度之比触变性：粘土因重塑而强度降低，随着时间的推移，强度又逐渐恢

12、复的特性。,6、粘性土的蠕变,当主应力差很小时，轴向应变几乎在瞬间发生，之后，蠕变缓慢发展，曲线最后呈水平线，土不会发生蠕变破坏。当主应力差较大时，蠕变速率会相应增大。当主应力差达到某一值后，轴向应变不断发展，应变速率增大，最终可导致蠕变破坏。,6、粘性土的蠕变,（1）弹性应变阶段：OA段，应变值很小;（2）初始蠕变阶段：AB段，蠕变速率由大变小，如此时卸除主应力差，则先恢复瞬时弹性应变，继而恢复初期蠕变；（3）稳定蠕变阶段：BC段，蠕变速率为常数，这时若卸除主应力差，土将存在永久变形；（4）加速蠕变阶段：CD段，蠕变速率迅速增长，最后达到破坏。,4.3.2砂性土的剪切性状,1、砂土的内摩擦角

13、2、剪胀、剪缩3、砂土的液化,4.3.2砂性土的剪切性状,4.4地基破坏型式和地基承载力,整体剪切破坏局部剪切破坏冲剪破坏,4.4.1地基破坏型式,1.整体剪切破坏,整体剪切破坏型式的压力沉降关系曲线,p,s,0,线性变形阶段,弹塑性变形阶段,塑性破坏阶段,整体剪切破坏,2.局部剪切破坏,s,p,局部剪切破坏型式的压力沉降关系曲线,0,压力和沉降关系曲线从一开始就呈现非线性关系,局部剪切破坏,3.冲剪破坏,p,s,冲剪破坏型式的压力沉降关系曲线,0,无明显的转折现象,3.冲剪破坏,地基剪切破坏的型式，主要与土的压缩性质有关。,4.4.2按塑性区发展范围确定地基承载力,1、地基的临塑荷载1）定义

14、：地基刚开始产生塑性变形，基础底面单位面积上所承受的荷载。2）计算公式,3）计算公式的推导,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,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(dz),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,塑性区最大深度zmax,按塑性区开展深度确定地基的容许承载力,当zmax0，地基所能承受的基底附加压力为临塑荷载,塑性区开展深度在某一范围内所对应的荷载为界限荷载,中心荷载,偏心荷载,4.5按极限荷载确定地基承载力,首先假定滑动面形状，根据土体平衡建立方程求解极限承载力。再考虑一定

15、的安全系数1.52.0,确定地基极限承载力的理论公式,1、普朗特尔极限承载力理论,普朗特尔公式是求解宽度为B的条形基础，置于地基表面，在中心荷载P作用下的极限荷载Pu值。普朗特尔的基本假设及结果，归纳为如下几点：（1）地基土是均匀，各向同性的无重量介质，即认为土的r=0，而只具有C，的材料。（2）基础底面光滑，即基础底面与土之间无摩擦力存在，所以基底的压应力垂直于地面。（3）当地基处于极限平衡状态时，将出现连续的滑动面，其滑动区域将由朗肯主动区I，径向剪切区II或过渡区和朗肯被动区III所组成。,确定地基极限承载力的理论公式,1、普朗特尔极限承载力理论,将无限长，底面光滑的荷载板至于无质量的土(0)的表面上，荷载板下土体处于塑性平衡状态时，塑性区分成五个区,区：主动朗肯区，1竖直向，破裂面与水平面成45o/2,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,确定地基极限承载力的理论公式,普朗特尔理论的极限承载力理论解,式中：,承载力系数,当基础有埋深d时,式中：,2、太沙基极限承载力理论,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