土力学与地基基础 教学课件 ppt 作者 陈晋中地基课件2 第4章 土的抗剪强度与地基承载力

1、土力学与地基基础 陈晋中 主 编 陈晋中 刘燕宁 魏党生 陈剑波 邵明波 蔡 宁 康会宾 朱艳丽 吴卫祥 编 写,奥体中心 鸟巢工程,第4章 土的抗剪强度与地基承载力,本章学习要求 4.1 概述 4.2 土的抗剪强度 4.3 抗剪强度指标的测定方法 4.4 地基承载力的理论计算 4.5 地基承载力特征值的确定,本章学习要求,本章也是本课程学习的重点，是土力学基本内容之一。通过本章学习，要求掌握土的抗剪强度和地基承载力的基本知识。 掌握土的抗剪强度库仑定律与极限平衡理论； 了解土的抗剪强度指标常用测定方法，学会根据不同固结条件和排水条件正确选用土的抗剪强度指标； 了解地基破坏的三种形式，掌握临塑荷载、界限荷载和极限荷载的基本概念，学会使用临界荷载公式、太沙基公式等计算地基的承载力； 掌握地基承载力特征值的基本概念，能够熟练使用规范推荐公式和载荷试验等方法确定地基的承载力特征值。,4.1概述,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

2、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。,为防止地基土发生整体剪切破坏或失稳破坏，必须使作用在基础底面上的荷载不超过地基承载力。,工程中的强度问题,土的抗剪强度：土体抵抗剪切破坏的极限能力,4.2土的抗剪强度,4.2.1 库仑定律,1776年，库仑根据剪切试验提出土的抗剪强度库仑定律。,f = tan,砂土,f =c+ tan,粘土,c,库仑定律：土的抗剪强度是剪切面上的法向总应力 的线性函数,c:土的粘聚力 :土的内摩擦角,砂 土,粘性土,有效应力,说明： 称为土的有效应力， 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。施加于试样上的垂直法向应力为总应力，c、 为总应力意义上的土的粘聚力和内摩擦角，称之为总应力强度指标。,根据有效应力原理：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，即,有效应力强度指标确切地表达出了土的抗剪强度的实质，是比较合理的表达方法,剪切面上的总应力与有效应力之间关系为：,土体抗剪强度组成： 摩擦力：大小取决于剪切面上的正应力和土的内摩擦角。

3、粘聚力：由土粒之间的胶结作用和电分子引力等因素形成，与所受压力无关。 摩擦力的两个来源： 滑动摩擦：剪切面土粒间表面的粗糙所产生的摩擦 咬合摩擦：土粒间互相嵌入所产生的咬合力,4.2.2 土的极限平衡理论 1土中一点的应力状态,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）,楔体静力平衡,斜面上的应力,莫尔应力圆方程,A(, ),圆心坐标1/2(1 +3 )，0,应力圆半径r1/2(13 ),土中某点的应力状态可用莫尔应力圆描述,用莫尔应力圆与库仑强度直线相切的应力状态作为判别土体破坏的准则，称为莫尔库仑破坏准则。 土的抗剪强度直线又称为莫尔库仑强度包线或抗剪强度包线。,2莫尔库仑破坏准则,极限摩尔应力圆与土的抗剪强度直线相切,莫尔库仑破坏准则,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,3土的极限平衡条件,c,A,cctg,1/2(1 +3 ),无粘性土：c=0,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 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

4、/ 2的夹角，可知，土的剪切破坏并不是由最大剪应力max所控制,【例】地基中某一单元土体上的大主应力为430kPa，小主应力为200kPa。通过试验测得土的抗剪强度指标c=15 kPa， =20o。试问该单元土体处于何种状态？单元土体最大剪应力出现在哪个面上，是否会沿剪应力最大的面发生剪破？,【解】,已知1=430kPa，3=200kPa，c=15kPa， =20o,1.计算法,计算结果表明：1f大于该单元土体实际大主应力1，实际应力圆半径小于极限应力圆半径，所以，该单元土体处于弹性平衡状态,计算结果表明： 3f小于该单元土体实际小主应力 3，实际应力圆半径小于极限应力圆半径 ，所以，该单元土体处于弹性平衡状态,在剪切面上,由库仑定律,由于f ，所以，该单元土体处于弹性平衡状态,2.图解法,c,最大剪应力与主应力作用面成45o,最大剪应力面上的法向应力,由库仑定律,最大剪应力面上f ，所以，不会沿剪应力最大的面发生破坏,max,4.3 抗剪强度指标的测定方法,4.3.1 直接剪切试验,试验仪器：直剪仪（应力控制式，应变控制式）,1轮轴；2底座；3透水石；4测微表；5活塞；6上盒；7土样

5、；8测微表；9量力环；10下盒,直接剪切仪,直接剪切仪,直接剪切仪,直剪试验通过控制剪切速率来近似模拟排水条件,固结慢剪：试样在垂直压力作用下，待充分排水固结稳定后（变形稳定标准为每小时不大于0.005mm），再缓慢施加水平剪力(剪切速度小于0.02mm/min)，使剪切过程中试样也充分排水固结 固结快剪：试样在垂直压力下排水固结稳定后，迅速施加水平剪力(剪切速度为0.8mm/min ， 3-5分钟内快速剪切破坏)，以保持土样的含水量在剪切前后基本不变。 快剪：施加正应力后立即剪切(剪切速度为0.8mm/min ， 3-5分钟内快速剪切破坏) ，确保不让孔隙水排出。,直接剪切试验,在不同的垂直压力下进行剪切试验，得相应的抗剪强度f，绘制f - 曲线，得该土的抗剪强度包线,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： 剪切破坏面固定为上下盒之间的水平面不符合实际情况，不一定是土样的最薄弱面。 试验中不能严格控制排水条件，对透水性强的土尤为突出，不能量测土样的孔隙水压力。 上下盒的错动，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,4.3.2 三

6、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3，而竖向(或轴向)的应力为大主应力1。在增加1时保持3不变，这样条件下的试验称为常规三轴压缩试验。,应变控制式三轴 仪：由压力室，加压系统，量测系统组成。,压力室,量测系统,三轴压缩仪,三轴压缩仪,1.装样； 2.施加周围压力3； 3.施加竖向压力1（通过活塞杆施加的是应力差= 1-3） 。,三轴试验步骤：,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,试验类型,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34 个不同的破坏应力圆

7、，绘出各应力圆的公切线即为土的抗剪强度包线,c,三轴试验优缺点,优点： 试验中能严格控制试样排水条件，量测孔隙水压力，了解土中有效应力变化情况 试样中的应力分布比较均匀 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,4.3.3无侧限抗压强度试验,无侧限抗压强度试验是三轴剪切试验的特例，对试样不施加周 围压力，即3=0，只施加轴向压力直至发生破坏，试样在无侧限压力条件下，剪切破坏时试样承受的最大轴向压力qu，称为无侧限抗压强度 。,无侧限压缩仪,对于饱和软粘土，根据三轴不排水剪试验成果，其强度包线近似于一水平线，即u=0，因此无侧限抗压强度试验适用于测定饱和软粘土的不排水强度。,无侧限抗压强度试验仪器构造简单，操作方便，可代替三轴试验测定饱和软粘土的不排水强度。,无侧限抗压强度,qu,cu,u=0,适用于现场测定饱和粘性土的不排水强度，尤其适用于均匀的饱和软粘土,4.3.4十字板剪切试验,柱体上下平面的抗剪强度产生的抗扭力矩,柱体侧面剪应力产生的抗扭力矩,4.3.5抗剪强度指标的选用,土的抗剪强度指标随试验方法、排水条件

8、的不同而异，对于具体工程问题，应该尽可能根据现场条件决定采用实验室的试验方法，以获得合适的抗剪强度指标,【例】对某种饱和粘性土做固结不排水试验，三个试样破坏时的大、小主应力和孔隙水压力列于表中，试用作图法确定土的强度指标ccu、 cu和c 、 ,【解】,按比例绘出三个总应力极限应力圆，如图所示，再绘出总应力强度包线,按由1=1- uf，3=3- uf ，将总应力圆在水平轴上左移相应的uf即得3个有效应力极限莫尔圆，如图中虚线圆，再绘出有效应力强度包线,c,ccu,根据强度包线得到： ccu= 10 kPa， c u=18o c= 6 kPa，、=27o,4.4地基承载力的理论计算,4.4.1 地基的破坏形式,地基的破坏形式大致分为三种： 整体剪切破坏 局部剪切破坏 冲切破坏,1整体剪切破坏,破坏特征： 当基础上荷载较小时，基础下形成一个三角形压密区，随同基础压入土中； 随着荷载增加，压密区向两侧挤压，土中产生塑性区，塑性区先在基础边缘产生，然后逐步扩展到、塑性区，这时基础的沉降增长率较前一阶段增大； 当荷载超过极限荷载后，土中形成连续滑动面，并延伸到地面，土从基础两侧挤出并隆起，基础沉

9、降急剧增加，整个地基剪切破坏。,整体剪切破坏常发生在浅埋基础下的密砂或硬粘土等坚实地基中。,地基整体剪切破坏一般经历三个发展阶段：,塑性变形区,连续滑动面,a.线性变形阶段：oa段，荷载小，主要产生压缩变形，荷载与沉降关系接近于直线，土中f,地基处于弹性平衡状态，阶段终点的对应荷载称为比例界限或临塑荷载Pcr。,b.弹塑性变形阶段：ab段，荷载增加，荷载与沉降关系呈曲线，地基中局部产生剪切破坏，出现塑性变形区，阶段终点所对应荷载称为极限荷载Pu 。,c.破坏阶段：bc段，塑性区扩大，发展成连续滑动面，荷载增加，沉降急剧变化,2.局部剪切破坏,局部剪切破坏常发生在中等密实砂土地基中。,破坏特征： 随着荷载的增加，基础下也出现压密区及塑性区，但塑性区仅仅发展到地基某一范围内，土中滑动面并不延伸到地面，基础两侧地面微微隆起，没有出现明显的裂缝。 局部剪切破坏的ps曲线也有一个转折点，但不像整体剪切破坏那么明显。,3冲切破坏,冲切破坏常发生在松砂或软土地基中。,破坏特征： 随着荷载的增加，基础下土层发生压缩变形，基础随着下沉； 当荷载继续增加时，基础周围附近土体发生竖向剪切破坏，使基础切入土中，但侧向变形较小，基础两侧地面没有明显隆起。 冲切破坏的ps曲线上没有明显的转折点，没有比例界限，也没有极限荷载。,4.4.2 地基的临塑荷载与临界荷载,1临塑荷载 地基临塑荷载是指地基中将要出现但尚未出现塑性变形区时的基底附加压力。 其计算公式可根据土中应力计算的弹性理论和土体极限平衡条件导出。,工程实践表明，采用上述临塑荷载pcr作为地基承载力，十分安全而偏于保守。这是因为在临塑荷载作用下，地基处于压密状态的终点，即使地基发生局部剪切破坏，地基中塑性区有所发展，只要塑性区范围不超出某一限度，就不致影响建筑物的安全和正常使用。因此，可以采用临界荷载作为地基承载力。

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