工程地质与地基基础第4章 土的抗剪强度与地基承载力.ppt

第4章 土的抗剪强度与地基承载力,第一节 概述 第二节 土的极限平衡条件 第三节 抗剪强度指标 的确定 第四节 影响抗剪强度指标 的因素 第五节 地基的临塑荷载和临界荷载 第六节 地基的极限荷载,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,2,土的抗剪强度：是指土体对于外荷载所产生的剪应力的极限抵抗能力。,变形破坏 沉降、位移、不均匀沉降等超过规定限值 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： 当土体受到荷载作用后，土中各点将产生剪应力。当某一点的剪应力达到土的抗剪强度，在剪切面两侧的土体将产生相对位移而发生滑动破坏，该剪切面也称滑动面或破坏面。随着荷载的继续增加，土体中的剪应力达到抗剪强度的区域（塑性区）越来越大，最后各个破坏点的滑动面连成一个连续的滑动面，土体将因此发生整体剪切破坏而丧失稳定性，发生剪切破坏。,4.1 概述,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,3,工程实践中与土的抗剪强度有关工程主要有以下3类： （1）是土作为材料构成的土工构筑物的稳定问题；如土坝、路堤等填方边坡及天然土坡的稳定问题。 （2）是土作为工程构筑物的环境的问题，即土压力问题；如挡土墙、地下结构等的周围土体。 （3）是土作为建筑物地基的承载力问题 。,土的强度问题工程背景,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,4,一、土体内一点处任意方向截面上应力的集合（剪应力 和法向应力） 1、剪切面应力状态,斜面上的应力,4.2 土的极限平衡理论,极限平衡状态：土体中某一点在某方向的平面上的剪应力达到土的抗剪强度时，认为该点处于极限平衡状态。,静力平衡条件 联立求解得：,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,5,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,6,O,1,3,1/2(1 +3 ),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。,2 用摩尔圆求、,3 剪切面的应力状态 任意点A的应力状态 用摩尔半圆上的点的横坐标和纵坐标表示地基中某个点的某个平面上的正应力和剪应力,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,7,二、莫尔库仑破坏理论,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,8,（一）土的抗剪强度规律,砂土：,粘性土：,，土的内摩擦角，与土颗粒的大小形状、粗糙程度、土的密实程度 和 饱和度有关，对于中砂、粗 砂、砾砂，约为2836 c为土粘聚力,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,9,莫尔包线表示材料在不同应力作用下达到极限状态时，滑动面上法向应力与剪应力f 的关系。,莫尔包线,三、极限平衡状态（摩尔圆与抗剪强度曲线的关系）,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,莫尔应力圆在强度包线以内：任何一个面上的剪应力小于该面上相应的抗剪强度，土单元处于稳定状态；,莫尔应力圆与破坏包线相切：有一对面上的剪应力达到了该面上的抗剪强度，处于极限平衡状态。莫尔库仑破坏准则；,莫尔应力圆与破坏包线相交：有一些平面上的应力超过强度；不可能发生。,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,11,1f,3f,c,对于无粘性土，c=0,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,12,破裂角：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max所控制。,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,13,已知土中大小主应力状态判断土体所处的状态 1.先求得剪破面上的正应力和剪应力，再求得剪破面上的抗剪强度，根据剪应力和抗剪强度之间的关系进行判断。,稳定状态,极限平衡状态,不可能，土体早已破坏,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,14,1 假定此时的大主应力为破坏时的大主应力，求得破坏时的小主应力 。根据破坏时的小主应力和实际的小主应力之间的关系进行判断。,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,15,2 假定此时的小主应力为破坏时的小主应力，求得破坏时的大主应力 。根据破坏时的大主应力和实际的大主应力之间的关系进行判断。,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,16,应用,【解答】,已知1=450kPa，3=150kPa，c=20kPa， =26o,方法1：,计算结果表明：1f接近该单元土体实际大主应力1，所以，该单元土体处于极限平衡状态。,问题解答：,【例1】地基中某一单元土体上的大主应力为450kPa，小主应力为150kPa。通过试验测得土的抗剪强度指标c=20 kPa， =26o。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？,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,17,计算结果表明： 3f接近该单元土体实际小主应力 3，该单元土体处于极限平衡状态 。,在剪切面上,库仑定律,方法2：,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,18,方法3： 作图法,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,库仑定律：最大剪应力面上的极限抗剪强度,max,问题解答：,4.3 抗剪强度指标的确定,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,19,土的抗剪强度指标包括内摩擦角与粘聚力c 测定土抗剪强度指标的试验称为剪切试验: 按常用的试验仪器可将剪切试验分为直接剪切试验、三轴压缩试验、无侧限抗压强度试验和十字板剪切试验四种。 影响土的抗剪强度的因素： 土的密度、含水率、初始应力状态、应力历史及固结程度、试验中的排水条件等。,4.3.1 直接剪切实验,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,20,1、试验仪器：直剪仪（应力控制式，应变控制式）,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,21,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,22,剪切位移（mm）,剪应力（kPa),f,f,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,23, = 100KPa, = 200KPa, = 300KPa, = 400KPa,4,2、直剪优缺点 优点：仪器简单，便宜，操作简便。 缺点：排水条件不严格（仍有可能排水），无法测量孔隙水压力， 剪切面上应力分布不均（边缘应力集中），不是沿最薄弱面剪坏。 安全等级低的建筑采用（一般工程） 安全等级高的建筑采用三轴试验指标,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,24,4.3.2 三轴压缩试验（静三轴）,1、试验简介 仪器静三轴压缩仪构造 试验方法：套橡皮膜圆柱状土样 数据测读：各级压力作用下对应的体积变形和竖向变形以及孔隙水压力 数据整理（多个试样）： 曲线作应力圆,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,25,三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。,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,26,接围压系统,透水石,透水石,橡皮膜,三轴压缩仪主要由压力室、加压系统和量测系统三大部分组成。,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,27,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,28,不固结不排水剪（UU）,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,29,固结不排水剪（CU）,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,30,固结排水剪（CD）,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,31,不固结或固结是对周围压力增量而言的； 不排水或排水是对附加轴向压力而言的。,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,32,1,1- 3,(1-)f,c,(1-)f,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,33,(1-)f,c,(1-)f,uf,uf,c,2、三轴试验与直剪试验比较,优缺点： 优点： 能严格地控制排水条件 能量测孔隙水压力的变化，计算有效应力 试件中的应力状态较明确 没有人为地限定剪切破坏面，破裂面发生在试件的最弱部位 试件受压比较符合地基土的实际受力情况，结果较可靠 缺点： 仪器较复杂、价格昂贵、操作技术要求较高。一级建筑物用三轴压缩试验测定 、 。,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,34,4.3.3 无侧限抗压强度试验,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,35,三轴压缩试验中当周围压力30时即为无侧限试验条件，这时只有q=1。所以，也可称为单轴压缩试验。由于试样的侧向压力为零，在轴向受压时，其侧向变形不受限制，故又称为无侧限压缩试验。同时，又由于试样是在轴向压缩的条件下破坏的，因此，把这种情况下土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。 _实际上也是一种剪切试验,2、饱和软粘土的不排水抗剪强度 与 不排水剪切试验可以得到一系列的极限摩尔圆，其强度包线为一水平线. 无侧限试验等同于30的不排水剪切试验，但只能得到一个摩尔圆，强度包线也是水平线。因此，可用无侧限试验得到的强度包线求三轴不排水剪的抗剪强度， 图,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,36,1、试验简介 仪器：无侧限压力仪（构造简单） 方法：不加侧压3 ，只加1 直至土样剪切破坏 量测数据：量力环百分表换算应力1 无侧限抗压强度qu 在无侧限抗压强度试验里,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,37,无侧限压缩示意图,3、灵敏度St反映土的结构性强弱 St是原状土和重塑土的无侧限抗压强度的比值。 其中 分别是原状土、重塑土的无侧限抗压强度（kpa）,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,38,4.3.4 十字板剪切试验,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,39,十字板剪切试验是一种利用十字板剪切仪在现场测定土的抗剪强度的方法。这种试验方法适合于在现场测定饱和粘性土的原位不排水强度，特别适用于均匀的饱和粘性土。,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,40,1 .剪破面为圆柱面，圆柱面的直径和高度分别等于十字板板头的宽度和高度；,2 .圆柱面的侧面和上下端面上的抗剪强度为均匀分布并相等。,假定：,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,41,4.4 影响抗剪强度指标的因素,4.4.1 抗剪强度的来源 无粘性土的f主要来源于内摩擦力； 粘性土 粘聚力（原始粘聚力、固化粘聚力、内聚力） c 占较大的分量，内摩擦力较小 原始粘聚力 土颗粒之间的分子引力， 固化粘聚力 化合物的胶结作用。 其中，固化粘聚力会因土结构的破坏而丧失，故不能扰动基底土。 4.4.2 影响抗剪强度指标的因素 1、土的物理化学性质(土的初始孔隙比、粗糙程度、颗粒级配、应力历史、沉积方法、各向异性等) 2、 孔隙水压力的影响,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,42,同一种土的 C 、 也不是常数，主要受试验方法、试验条件（固结、排水条件）以及试验的应力水平（可以说成法向应力大小）等的影响 。,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,43,据排水固结情况分 粘性土在不同固结和排水条件下的抗剪强度指标不同 三种试验方法： 由于排水条件不同，剪切过程中土样密实程度和孔隙水压力不同，得出的f 也不同。 密实度土颗粒之间的接触面积,2、如何选择粘性土的抗剪强度指标（在确定地基承载力时） 根据土性、排水条件、施工的快慢选择： 厚粘土层，施工速度快，施工期来不及排水 不固结快剪 薄粘土层，施工期长 慢剪 施工期长，能固结排水，使用荷载突增 固结快剪(介于二者之间),【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,44,工程实践中许多情况下难以取得孔隙水压力的分布，因此，较多采用土的总应力强度指标，为了解决这个问题，应尽可能近似模拟现场土体在受剪时的固结和排水条件，如能解决这个问题则不必测定土在剪切过程中孔隙水压力的变化。,4.5 地基破坏型式及地基承载力,一、地基变形的典型三个阶段 （此处着重从与f关系，平衡状态来、塑性区发展阐述） 利用静荷载试验的PS曲线进行分析，可发现地基变形的发展可分为三个阶段。,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,45,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,46,（1）压密阶段 线性变形阶段：特征：荷载小，变形源自孔隙被压缩而产生的变形，土中各点 ,处于弹性平衡状态。荷载与沉降的关系接近于直线。 Pa 临塑荷载（比例界限荷载） （2）剪切阶段 弹塑性变形阶段：特征：地基土在局部范围内 ，处于极限状态。 塑性区地基土产生剪切破坏的区域。 荷载增加，塑性区加大，体现 为较大，P S曲线出现弯曲段，塑性平衡状态。 （3）破坏阶段：特征：塑性区随着荷载增加而进一步扩大，形成连续贯通的滑动面，地基土向周围挤出，承压板四周隆起，荷载略有增加或不增加，沉降均有急剧变化，地基土因失稳而破坏。 Pu极限荷载 体现在PS曲线上的陡直降段,c,压力与沉降关系曲线,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,47,(2)随着荷载增加，压密区I向两侧挤压，土中产生塑性区，塑性区先在基础边缘产生，然后逐步扩大形成II、III塑性区。基础的沉降增长率较前一阶段增大，故 ps曲线呈曲线状。,(1)当基础上荷载较小时，基础下形成一个三角形压密区I，随同基础压入土中，ps曲线呈直线关系。,整体剪切破坏p-s曲线上有两个明显的转折点，区分地基变形三个阶段：,整体剪切破坏,(3)当荷载达到最大值后，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，基础沉降急剧增加，整个地基失稳破坏。,二、地基土的破坏类型,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,48,随着荷载的增加，基础下也产生压密区I及塑性区II，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p-s曲线没有明显的直线段，地基破坏时曲线也没有明显的陡降。,局部剪切破坏,ps曲线上坡度发生显著变化（即变化率最大的点）所对应的基底压力p作为地基的极限承载力fu。,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,49,随着荷载的增加，基础下土层发生压缩变形，基础出现持续下沉，当荷载继续增加，基础周围附近土体发生竖向剪切破坏，使基础刺入土中，地基不出现连续的滑动面，基础两侧地面不出现隆起。,冲剪破坏p-s曲线没有明显的转折点。,冲剪破坏,ps曲线上平均下沉梯度接近常数且出现不规则下沉时对应的基底压力p作为地基的极限承载力fu 。,三种破坏型式分别会导致(a)基础下沉或倾倒；(b)不明显倾斜和倒塌；(c)基础明显下沉，没有很大的倾斜,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,50,冲剪破坏,三、 地基的临塑和临界荷载 荷载达一定数值后，土产生塑性变形,在地基中形成塑性变形区，荷载增大,塑性区范围亦增大，深度加深，容易形成连续的滑动面，导致破坏。 （一）临塑荷载是指在外荷作用下，地基中刚开始产生塑性变形（局部剪切破坏）时基础底面单位面积上所承受的荷载。 临塑荷载的基本公式建立于下述理论之上： （1）应用弹性理论计算附加应力； （2）利用强度理论建立极限平衡条件。,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,51,塑性区的边界方程 通过研究，根据弹性理论地基中任一点M处产生的大、小主应力（如下图所示）和该点的大、小主应力应满足的极限平衡条件。,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,52,均布条形荷载作用下地基中的应力,极限平衡状态下 由上式可得：,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,53,1、塑性区开展的最大深度 塑性区的最大深度Zmax，可由 的条件求得，即：,2、临塑荷载Pcr 令最大深度Zmax 0，表示地基中即将出现塑性区，相应的荷载即为临塑荷载Pcr 。,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,54,经验证明：即使地基发生局部剪切破坏，地基中的塑性区有所发展，只要塑性区的范围不超出某一限度，就不致影响建筑物的安全和使用，因此，如果用 作为浅基础的地基承载力偏于保守 国内某些地区的经验认为，在中心垂直荷载作用下，塑性区的最大深度 可以控制在基础宽度的1/4，相应的荷载用 表示因此，在Z式中，令最大深度 ，得出荷载公式为： 在偏心荷载下,（二）临界荷载,四、 地基极限承载力 定义：地基即将破坏时作用在基底上的压力。（在整体剪切破坏的型式下，是地基形成连续滑动面时的基底压力。 室内模型实验，对其进行简化、分析、计算，推导出公式。,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,55,（一）太沙基极限承载力公式,1.基本假设,均质地基，条形基础，中心荷载，地基破坏形式为整体剪切破坏。,基础底面粗糙，即它与土之间有摩擦力存在。,当基础有埋置深度d时，将基础底面以上的两侧土体用当量均布荷载q=0d来代替。,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,56,太沙基极限承载力公式,c,d,基本假设,1、条形荷载作用下 条形荷载作用下地基土整体剪切破坏时极限承载力计算公式为： （适用于坚硬粘土和密实砂土） (4.37) 承载力系数据值查图4.30（p173）中的实线。,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,57,2、若地基为松砂或软粘土，将发生局部剪切破坏，公式中的承载力因数应改为由查图4.30中的虚线确定。,3、方形、矩形和圆形作用下 方形基础 (4.39) 圆形基础 (4.40) 4、地基承载力 地基承载力 K为太沙基公式的安全系数，3,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,58,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,59,（二）斯凯普顿(Skempton)公式 适用于饱和软地基，内摩擦角为0的浅基础 斯凯普顿公式安全系数K=1.11.5,（三）汉森公式 此公式是个半经验公式，适用范围广，北欧各国应用较多，我国港口工程技术规范亦推荐使用该公式。,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,60,（四）极限荷载的影响因素 1、地基的破坏形式 2、地基土的指标 3、基础尺寸 4、荷载作用方法 5、荷载作用时间,【岩土力学】,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,61,