土力学与基础工程第2版教学作者代国忠第6章节地基承载力及土坡稳定性课件

1、第6章 地基承载力及土坡稳定性,6.1 概述 6.2 地基临塑荷载和临界荷载 6.3 地基的极限荷载 6.4 地基的承载力和稳定性 6.5 土坡的稳定性分析,第6章 地基承载力及土坡稳定性,6.1 概述,6.1.1 地基承载力的概念,地基承载力是指地基土单位面积上承受荷载的能力。 建筑物因地基问题引起的两种破坏类型： 1）由于建筑物基础在荷载作用下产生过大的变形或不均匀沉降，导致建筑物严重下沉、倾斜或挠屈，上部结构开裂，建筑功能变坏； 2）由于建筑物的荷重过大，超过地基的承载能力，导致地基产生剪切破坏或丧失稳定性。,a）压密阶段；b）剪切阶段；c）隆起破坏阶段,格尔谢万诺夫根据载荷试验结果，提出了地基破坏的过程经历三个发展阶段。,利用载荷试验的荷载与沉降关系曲线（p-s曲线）可直观地说明上述地基承载力的概念。,6.1.2 载荷试验方法应用,根据载荷试验的p-s曲线来确定地基承载力：,地基破坏模式 a)整体剪切破坏 b)局部剪切破坏 c)冲剪破坏,6.1.3 地基的破坏模式,6.2 地基临塑荷载和临界荷载,6.2.1地基的临塑荷载,临塑荷载是指基础边缘地基中刚要出现塑性区时基底单位面积上

2、所承担的荷载，它相当于地基土中应力状态从压缩阶段过渡到剪切阶段时的界限荷载。,1）地基临塑荷载的概念,2）地基塑性区边界方程,a）无埋置深度 b）有埋置深度,根据弹性理论，它在地表下任一点M处产生的大、小主应力可按下式表达。,（6.1）,（6.2）,考虑自重应力及条形基础两侧荷载时：,当M 点应力达到极限平衡状态时，该点应力极限平衡条件为：,（6.3）,将式（6.2）代入式（6.3）有：,（6.4）,3）临塑荷载,（6.5）,解得,（6.6）,将式（6.6）代入式（6.4）得zmax的表达式：,（6.7）,临塑荷载是指基础边缘地基中刚要出现塑性区时基底单位 面积上所承担的荷载，即zmax=0时的荷载：,或,6.2.2 地基的临界荷载,临界荷载是指允许地基产生一定范围塑性区所对应的荷载。,临界荷载由三部分组成： 第一、二部分反映了地基土粘聚力和基础埋深对承载力的影响，这两部分组成了临塑荷载。 第三部分为基础宽度和地基土重度的影响，即受塑性区发展深度的影响。,6.3 地基的极限荷载,6.3.1地基的极限荷载概念,1）地基的极限荷载定义,指地基剪切破坏发展即将失稳时所能承受的极限荷载，亦称地

3、基极限荷载。,2）地基的极限荷载计算公式,地基极限承载力求解： 微分极限平衡解法，如普朗德尔（L.Prandtl）解等。 假定滑动面求解法，根据模型试验，研究地基整体剪切破坏模式的滑动面形状，再根据简化后滑动面上的静力平衡条件求得。,以最简单的受力分析，推导地基极限荷载的一般计算公式为：,（6.11）,以基础底面为计算地面，并假定：,区的极限平衡条件,整理得,6.3.2 普朗德尔赖斯诺计算公式,(a) 滑动面假设,(b) ODEC脱离体平衡分析（刚体）,将上列各式代入并经整理后得到：,对于黏性大、排水条件差的饱和黏性土地基，视,6.3.3 太沙基（K.Terzaghi）计算公式,太沙基假定基础底面是粗糙的，条形基础在均布荷载作用下，将地基滑动面的形状分成三个区：,I区楔形弹性压密区。,区过渡区。,区朗金被动状态区。,取脱离体ABC，考虑单位长度基础，根据平衡条件，有,土楔体ABC受力示意图,式中,太沙基简化式(条形基础):,圆形或方形基础属于三维问题，太沙基提出了半经验极限荷载公式：,圆形基础：,方形基础：,式中 b为圆形基础的半径，其余符号意义同前。,上式适用于地基土整体剪切破坏情况

4、，其 p-s 曲线有明显转折点，破坏前沉降不大等情况。 对于松软土质，地基破坏是局部剪切破坏，沉降较大，极限荷载较小， 太沙基建议将c 和tan 均降低2/3：,【解】 梯形断面路堤折算成等面积和等高度矩形断面，b=24m。,6.3.4 斯凯普顿（Skempton）计算公式,1）适用条件,2）极限荷载计算公式,对于不排水条件，圆形和方形基础下简化计算式为：,6.3.5 汉森（Hansen.J.B.） 计算公式,汉森（Hansen）建议，对于均质地基，基底完全光滑，在中心倾斜荷载作用下，不同基础形状及不同埋置深度时的极限承载力计算公式。,地基承载力系数：,基础形状修正系数：,深度修正系数:,荷载倾斜修正系数：,地面倾斜修正系数：,基底倾斜修正系数：,【例题6.2】 若例题6.1的地基属于整体剪切破坏，试分别采用太沙基公式及汉森公式求极限承载力。,由式（6.24）计算得：,本次课小结,1） 地基临塑荷载和临界荷载,（1）地基的临塑荷载：,（2）地基的临界荷载：,2）地基的极限荷载,（1）普朗德尔赖斯诺计算公式 （2）太沙基（K.Terzaghi）计算公式 （3） 斯凯普顿（Skempton

5、）计算公式 （4）汉森（Hansen.J.B.） 计算公式,6.4 地基的承载力和稳定性,6.4.1 地基计算的基本规定,1）地基基础设计等级,2）地基计算的规定,（1）基础应有足够的强度，刚度与耐久性。 （2）地基应具有足够的强度和稳定性。 （3）地基应满足变形方面的要求。 设计等级为甲级、乙级建筑物，均应按地基变形设计；设计等级为丙级建筑物可不做变形验算，但有下列情况之一时，仍应做变形验算： 地基承载力特征值小于130kPa，且体型复杂的建筑； 在基础上及其附近有地面堆载或相邻基础荷载差异较大，可能引起地基产生过大的不均匀沉降时； 软弱地基上的建筑物存在偏心荷载时； 相邻建筑距离过近，可能发生倾斜时； 地基内有厚度较大或厚薄不匀的填土，其自重固结未完成时。 （4）当地下水埋藏较浅，尚应进行抗浮验算。,3）荷载取值的规定,确定基础底面积及埋深时:正常使用极限状态下荷载效应的标准组合值。 计算地基变形时:正常使用极限状态下荷载效应的准永久组合值，且不计入风荷载和地震作用。 计算挡土墙土压力、地基和斜坡稳定及滑坡推力时:承载能力极限状态下荷载效应的基本组合值,但其分项系数均为1.0。 确

6、定基础高度、支挡结构截面、计算基础或支挡结构内力、确定配筋和验算材料强度时:承载能力极限状态下荷载效应的基本组合值。 永久荷载效应基本组合值取标准组合值的1.35倍。,6.4.2 地基承载力特征值的确定,1）确定地基承载力的方法,“两种极限状态设计”。,（1）根据载荷试验的p-s曲线来确定地基承载力,（2）根据设计规范确定,（3）根据地基承载力理论公式确定地基承载力,2）按地基基础规范确定地基承载力特征值,（1）地基承载力特征值的计算,（2）地基承载力特征值的修正,3）按公路桥涵地基与基础设计规范 (JTG D63-2007) 确定地基承载力容许值,对于软土地基的地基承载力容许值，必须同时满足稳定和变形的要求，可按以下方法确定：,6.4.3 地基变形计算,地基变形特征：沉降量、沉降差、倾斜和局部倾斜。,若建筑物均匀下沉，即使沉降量较大，也不会对结构本身造成损坏，但可能会影响建筑物的正常使用，或使邻近建筑物倾斜，或导致与建筑物有联系的其他设施的损坏。,条形基础：,矩形基础：,6.4.4 软弱下卧层承载力验算,地质作用自然形成的土坡，如山坡、江河的岸坡等称为天然土坡。人工开挖，填土工程建造

7、物，如基坑、渠道、土坡、路堤等的边坡，通常称为人工土坡。,在土体自重和外力作用下，坡体内将产生切应力，当切应力大于土的抗剪强度时，产生剪切破坏。,6.5 土坡的稳定性分析,6.5.1 土坡稳定性分析的工程意义,天然土坡：,贵州洪家渡,人工土坡：,露天矿,滑坡:,什么是滑坡？ 为什么会滑坡？,一部分土体在外因作用下，相对于另一部分土体滑动。,滑坡的形式：,造成滑坡的原因：,降雨、蓄水、使岩土软化， (坝背水坡浸润线),存在渗透力,1）振动：地震、爆破,2）土中含水量和水位变化,3）水流冲刷：使坡脚变陡,4）冻融：冻胀力及融化含水量升高,5）人工开挖：基坑、船闸、坝肩、隧洞出入口,6.5.2 无黏性土土坡的稳定性分析,各分力在AC上引起的正应力及剪应力为：,无黏性土土坡的滑动稳定安全系数：,6.5.3 黏性土土坡的稳定性分析,1）滑动面的形式,(a)沿软弱夹层滑动 (b)沿岩层滑动 非均质黏性土层中的滑动面,(a) 坡脚圆 (b) 坡面圆 (c) 中点圆 均质黏性土层中的滑动面,（1） 瑞典圆弧法,土坡稳定分析圆弧滑动面法，由瑞典人贺尔汀和彼得森于1916年首先提出的，此后瑞典人费伦纽斯(

8、Fellenius，1927）做了研究和改进并在世界各国得到普遍应用，故称瑞典圆弧法。,2）土坡稳定分析的圆弧法,（2）瑞典条分法（费伦纽斯条分法）,瑞典条分法土坡稳定分析,总应力法：,该土条滑动面上的抗剪强度为：,该土条对O点的滑动力矩为：,该土条对O点的抗滑稳定力矩为：,整个滑体对O点的滑动力矩和抗滑稳定力矩为：,稳定安全系数：,有效应力法：,（3）毕肖普条分法,毕肖普1955年提出了考虑土条侧面作用力的土坡稳定分析法，假定每个土条底部滑动面上的稳定安全系数均相同。,毕肖普条分法土坡稳定分析,总应力法：,稳定安全系数：,考虑到,有效应力法：,简化毕肖普法计算土坡稳定性安全系数的公式：,3） 费伦纽斯确定最危险滑动面圆心的方法,4）泰勒稳定图解法,6.5.4 土坡稳定性分析的若干问题,1）土体抗剪强度指标和安全系数的选用,2）土坡稳定的允许高度,公路软土地基路堤设计与施工技术规范(JTJ017-1996)规定抗滑稳定安全系数为1.101.40。 公路路基设计规范（JTGD302004）规定路堤稳定性安全系数宜采用1.201.40，路堑边坡安全系数为1.051.30。 建筑边坡工程技术

9、规范（GB50330-2002）规定3至1级边坡的稳定安全系数为1.201.35。,3）坡顶开裂时的土坡稳定性,4）土中水渗流时的土坡稳定性,渗流力：,总应力法：,有效应力法：,5）成层土坡或坡顶超载时的土坡稳定性,成层土坡的费伦纽斯条分法土坡稳定安全系数计算式（总应力法）为：,6.5.5 地基的稳定性验算,1）采用圆弧滑动面法进行地基的稳定性验算,2）位于稳定土坡坡顶上的建筑地基稳定性的设计要求,条形基础,矩形基础,当垂直于坡顶边缘线的基础底面边长小于或等于3m时，其基础底面外边缘线至坡顶的水平距离应符合下式要求，但不得小于2.5m。,3）挡土墙滑动稳定性验算,（1）整体滑动的稳定性验算,其中,（2）贯入软土层深处的圆弧滑动稳定性验算,可采用类似于边坡稳定分析的条分法求算稳定安全系数：,（3）硬土层底的非圆弧滑动面稳定性验算,本次课总结：,1） 土坡稳定的作用 2）影响土坡稳定的因素 3）土坡稳定分析的圆弧法 （1）瑞典圆弧法 （2）瑞典条分法（费伦纽斯条分法） （3）毕肖普条分法 4） 费伦纽斯确定最危险滑动面圆心的方法 5） 泰勒稳定图解法 6） 土坡稳定分析的几个问题,1）总应力法 2）有效应力法,

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