第4章土的抗剪强度与地基承载力教学课件

v一般材料的破坏：抗拉一般材料的破坏：抗拉FF第第4章章 土的抗剪强度与地基承载力土的抗剪强度与地基承载力v一般材料的破坏：抗压一般材料的破坏：抗压2BAv一般材料的破坏：抗剪一般材料的破坏：抗剪v一般材料的破坏：抗扭一般材料的破坏：抗扭MM 一般材料的破坏：一般材料的破坏：抗拉、抗剪、抗扭、抗拉、抗剪、抗扭、抗弯、抗压抗弯、抗压。但土体一般只考虑但土体一般只考虑抗剪破坏？抗剪破坏？土的单轴、三轴压缩破坏图土的单轴、三轴压缩破坏图4.1 概述v土的抗剪强度土的抗剪强度是土体抵抗剪切破坏的能力。是土体抵抗剪切破坏的能力。土的抗剪土的抗剪强强度是土的重要力学性度是土的重要力学性质质：v 1）决定地基的承）决定地基的承载载力力v 2）挡挡土土墙墙的土的土压压力力计计算算v 3）边边坡的坡的稳稳定性分析定性分析 土的剪切破坏过程：土的剪切破坏过程：土体受到荷载作用后，土中各点将产生应力。土体受到荷载作用后，土中各点将产生应力。若若某某点点的的剪剪应应力力达达到到其其抗抗剪剪强强度度，在在剪剪切切面面两两侧侧的的土土体体将将产产生生相相对对位位移而产生滑动破坏。移而产生滑动破坏。剪切面也称剪切面也称为为滑动面滑动面或或破坏面破坏面。随随着着荷荷载载继继续续增增加加，土土体体中中的的剪剪应应力力达达到到抗抗剪剪强强度度的的区区域域（塑塑性性区区）越越来来越越大大，最最后后各各滑滑动动面面连连成成整整体体，土土体体将将发发生生整整体体剪剪切切破破坏坏而丧失稳定性。而丧失稳定性。1 1、库仑公式、库仑公式17761776年年CoulombCoulomb根据砂土剪切根据砂土剪切试验试验：图4-9剪切剪切试验试验结果结果 土的粘聚力 剪切面上的法向应力 土的内摩擦角2 2、土的极限平衡条件、土的极限平衡条件Mohr-CoulomnMohr-Coulomn强度理论强度理论 Mohr-Coulomn Mohr-Coulomn 强度理论强度理论 该平面与最大主平面夹角为该平面与最大主平面夹角为a a的平面上的正应力与剪应力为的平面上的正应力与剪应力为：显然，不同方向的面的应力状态不同。强度也不同，那么怎样来显然，不同方向的面的应力状态不同。强度也不同，那么怎样来确定土体的破坏面呢？确定土体的破坏面呢？Mohr-CoulomnMohr-Coulomn强强度度理理论论就就是是将将土土的的抗抗剪剪强强度度线线画画在在MohrMohr应应力力圆圆图图上上，如如P80P80图图4-54-5。这样这样土的土的应应力状力状态态可以分可以分为为三三类类：怎样判断土体整体应力状态是否安全？怎样判断土体整体应力状态是否安全？土的能力土的能力极限平衡状态极限平衡状态 1）应应力力圆圆位于位于强强度度线线里面，里面，该该点是安全的，没有破坏。点是安全的，没有破坏。2）应力圆与强度线相切，该点）应力圆与强度线相切，该点处于极限平衡状态。处于极限平衡状态。根据根据P81图图4-6，可以求得破，可以求得破坏时主应力关系：坏时主应力关系：破坏面与第一主平面的夹角：破坏面与第一主平面的夹角：在极限平衡状态下：在极限平衡状态下：对无粘性土（砂土），对无粘性土（砂土），C=0：破坏面与第一主平面的夹角：破坏面与第一主平面的夹角：3 3）应力圆与强度线相割，表明土体在进入该应力状态之前）应力圆与强度线相割，表明土体在进入该应力状态之前早已破坏，也就是说，该应力状态是不存在的。早已破坏，也就是说，该应力状态是不存在的。已知：土样的已知：土样的 求求：判断该土样是否达到极限平衡状态。判断该土样是否达到极限平衡状态。方法？方法？解解1 1：由由 1 3f，比较，比较 3和和 3f解解2 2：由由 3 1f，比较，比较 1和和 1f解：解：由由 1,3 m，比较，比较 和和 m4.2 土的抗剪强度指标的测定土的抗剪强度指标的测定4.2.1 直接剪切试验直接剪切试验1、直剪原理图，直剪原理图，P82图图4-9。测测量量结结果如果如P83图图4-10。图4-9直剪试验直剪试验2、抗剪强度的测定方法、抗剪强度的测定方法 抗抗剪剪强强度度的的确确定定：曲曲线线出出现现峰峰值值；不不出出现现峰峰值值时时，采采用用剪剪切切位移位移4 4mmmm时时的剪的剪应应力力。抗剪强度线确定如抗剪强度线确定如P83P83图图4-10(4-10(b)b)。剪切位移剪切位移3、分类、分类(1)快剪快剪 (0.8mm/min)(2)固结快剪固结快剪 (0.8mm/min)(3)慢剪慢剪 (0.8mm/min)优点：仪器便宜，操作简单。优点：仪器便宜，操作简单。缺点：缺点：1 1）剪切破坏面人为确定，非抗剪强度弱面。剪切破坏面人为确定，非抗剪强度弱面。2 2）无法严格控制排水条件。无法严格控制排水条件。4、特点4.2.2 三轴剪切试验三轴剪切试验4.2.2.1三三轴试验轴试验原理原理 主主要要有有主主机机、稳稳压压调调压压系系统统以以及及量量测测系系统统三三部分组成。部分组成。围围压压不不变变，轴轴压压变变化化，P85图图4-13。试试样样围压围压力力 3阀门阀门阀门阀门马达马达横梁横梁量力环量力环百分表百分表量量水水管管孔压孔压量测量测试试样样水压水压力力 c轴向力轴向力Fn 方法：方法：固结：试样施加围压力固结：试样施加围压力 1 1=2 2=3 3 剪切：施加应力差剪切：施加应力差 1 1=1 1-3 3 n 应力特点：应力特点：试样是轴对称应力状态试样是轴对称应力状态垂直应力垂直应力 z z一般是大主应力一般是大主应力 1 1侧向应力总是相等侧向应力总是相等 x x=y y，且，且为中、小主应力为中、小主应力 2 2=3 3 3 3 3 3 3 3 抗剪强度包线抗剪强度包线 c 三轴试验三轴试验(a)主应力差与轴向应变关系曲线主应力差与轴向应变关系曲线 (b)莫尔圆与包络线莫尔圆与包络线 三轴剪切三轴剪切试验试验试验结果：试验结果：4.2.2.24.2.2.2 粘性土的三种剪切粘性土的三种剪切实验实验（1 1）不固）不固结结不排水剪（快剪）：在不排水状不排水剪（快剪）：在不排水状态态下，施加下，施加围压围压(土体无法土体无法固固结结），且在），且在不排水不排水情况下快速施加情况下快速施加轴轴向向应应力，直到土体剪坏。力，直到土体剪坏。v直接剪切直接剪切试验时试验时放不透水薄片。放不透水薄片。强度指标强度指标 不固结不排水剪试验结果，如不固结不排水剪试验结果，如P86P86的图的图4-154-15所示。所示。该试验指标适用于该试验指标适用于：土层厚度土层厚度H大、渗透系数小、施工快速的工程以及快速破大、渗透系数小、施工快速的工程以及快速破坏的天然土坡的验算。坏的天然土坡的验算。（2 2）固）固结结不排水剪（固不排水剪（固结结快剪）：快剪）：让试样让试样在施加在施加围压时围压时排水固排水固结结，当土体固当土体固结结完成（完成（2424小小时时）后，关）后，关闭闭排水排水阀门阀门，在不排水情况下，在不排水情况下施加施加轴轴向向应应力，直到力，直到土体剪坏。土体剪坏。固结不排水剪试验结果，下图所示。固结不排水剪试验结果，下图所示。强度指标强度指标 该试验模拟该试验模拟：地基在自重或正常荷载下已达到充分固结，而后遇突然荷载的情地基在自重或正常荷载下已达到充分固结，而后遇突然荷载的情况。（况。（e.g.施工期间能够排水固结，但竣工后施加大量活载（如料仓），或有突然活载（如施工期间能够排水固结，但竣工后施加大量活载（如料仓），或有突然活载（如风力）等情况。风力）等情况。）有效应力圆、有效应力包线有效应力圆、有效应力包线总应力圆、总应力包线总应力圆、总应力包线 （3 3）固）固结结排水剪（慢剪）：施加排水剪（慢剪）：施加围压围压后，整个后，整个试验过试验过程中始程中始终终打开排打开排水水阀阀，土体固，土体固结结完成后，在排水情况下慢速施加完成后，在排水情况下慢速施加轴轴向向应应力，直到土力，直到土体剪坏。体剪坏。强度指标强度指标 固结排水剪试验结果，如下图所示。固结排水剪试验结果，如下图所示。该试验指标适用于该试验指标适用于：土层厚度土层厚度H小、渗透系数大、施工速度慢的工程。小、渗透系数大、施工速度慢的工程。对于先加竖向荷载，长期后加水平荷载的挡土墙、水闸等地基，也可考虑采用固对于先加竖向荷载，长期后加水平荷载的挡土墙、水闸等地基，也可考虑采用固结排水剪得到的指标。结排水剪得到的指标。三种不同的工程背景三种不同的工程背景 （1)1)地基土的渗透性差或排水条件很差，而施工速度很快（相地基土的渗透性差或排水条件很差，而施工速度很快（相对对于土的渗于土的渗透性）。透性）。（2)2)建筑物竣工后建筑物竣工后较长时间较长时间后（后（变变形已形已稳稳定，突遇荷定，突遇荷载载增大。如房屋加增大。如房屋加层层，天然土坡上堆天然土坡上堆载载。）。）(3)(3)地基土的渗透性好（如砂土）或排水条件良好（粘土中夹砂层，或加排地基土的渗透性好（如砂土）或排水条件良好（粘土中夹砂层，或加排水板等强制排水措施），而施工速度很慢（相对于土的渗透性）。水板等强制排水措施），而施工速度很慢（相对于土的渗透性）。做这三种情况下的土的稳定性分析时，土的强度指标会相同吗，需要怎做这三种情况下的土的稳定性分析时，土的强度指标会相同吗，需要怎样来模拟呢样来模拟呢?优点：优点：1）没有人为确定剪切破坏面。没有人为确定剪切破坏面。2）可以严格控制排水条件，测定孔隙水压力。）可以严格控制排水条件，测定孔隙水压力。缺点：仪器较贵，操作复杂。缺点：仪器较贵，操作复杂。4.2.2.3 三轴试验结果整理与表达三轴试验结果整理与表达三种不同三种不同试验结试验结果如果如P88P88，图图4-184-18 土的抗剪强度表示方法：土的抗剪强度表示方法：总应总应力法力法 有效有效应应力法力法 土的抗剪强度土的抗剪强度 土的有效粘聚力土的有效粘聚力 剪切面上的有效法向应力剪切面上的有效法向应力 土的有效内摩擦角土的有效内摩擦角例：例：一种粘性一种粘性较较大的土，分大的土，分别进别进行快剪、固行快剪、固结结快剪和慢剪快剪和慢剪试验试验，其其试验试验成果成果见见表表4-14-1，试试用作用作图图法求法求该该土的三种抗剪土的三种抗剪强强度指度指标标。4.2.34.2.3无侧限抗压强度无侧限抗压强度 无无侧侧限限抗抗压压试试验验原原理理图图（围围压压等等于于0 0不不变变，轴轴压压变变化化，是是一一种种特特殊殊的三的三轴实验轴实验），），P90P90图图4-204-20。？单轴单轴受受压压破坏莫破坏莫尔尔圆圆。主要用于主要用于测测量土的灵敏度。量土的灵敏度。P204.2.4 十字板剪切试验十字板剪切试验4.2.4 十字板剪切试验十字板剪切试验谢谢谢谢大大家家！4.4 4.4 地基承载力地基承载力一、地基破坏形式一、地基破坏形式二、确定地基承载力的方法二、确定地基承载力的方法平板荷载试验平板荷载试验理论公式理论公式其它方法其它方法临塑荷载临塑荷载临界荷载临界荷载极限承载力极限承载力普朗特尔普朗特尔地基极限承载力公式地基极限承载力公式太沙基太沙基地基极限承载力公式地基极限承载力公式汉森汉森地基极限承载力公式地基极限承载力公式地基承载力定义地基承载力定义:地基在发生地基在发生剪切破坏时的荷剪切破坏时的荷载强度载强度p pu.u.puP(kPa)S(mm)一、地基破坏形式一、地基破坏形式:整体剪切破坏、局部剪切破坏、冲剪破坏整体剪切破坏、局部剪切破坏、冲剪破坏 整体剪切破坏整体剪切破坏 地基变形可分为三个阶段：地基变形可分为三个阶段：线弹性变形阶段、弹塑性变形阶段、线弹性变形阶段、弹塑性变形阶段、破坏阶段破坏阶段 破坏从基础边缘开始，滑动面贯穿破坏从基础边缘开始，滑动面贯穿到地表，基础两侧的地面有明显隆到地表，基础两侧的地面有明显隆起。起。破坏时基础急剧下沉或向一边倾倒。破坏时基础急剧下沉或向一边倾倒。一般发生在一般发生在紧密的砂土紧密的砂土、硬粘性土硬粘性土地基中，埋深不大。地基中，埋深不大。局部剪切破坏：局部剪切破坏：p-s曲线拐点不甚明显；曲线拐点不甚明显；地基破坏从基础边缘开始，滑动面地基破坏从基础边缘开始，滑动面未延伸到地表，而是终止在地基土未延伸到地表，而是终止在地基土内部某一位置；内部某一位置；基础两侧的地面有微微的隆起，呈基础两侧的地面有微微的隆起，呈现破坏特征；现破坏特征；基础一般不会发生倒塌或倾斜破坏。基础一般不会发生倒塌或倾斜破坏。出现在出现在中密砂土中密砂土地基。地基。冲剪破坏：冲剪破坏：p-s曲线无明显拐点；曲线无明显拐点；基础发生垂直剪切破坏，地基内部不基础发生垂直剪切破坏，地基内部不形成连续的滑动面；形成连续的滑动面；两侧土体没有隆起现象，随着基础的两侧土体没有隆起现象，随着基础的“切入切入”微微下沉；微微下沉；基础只有过大的沉降，没有倾斜的发基础只有过大的沉降，没有倾斜的发生。生。常发生在常发生在松砂松砂及及软土软土中，或埋深很中，或埋深很大时。大时。地基土的破坏受下列因素的影响：地基土的破坏受下列因素的影响：1、土的压缩性质、土的压缩性质 对于坚硬或紧密的土，将出现整体剪切破坏；对于松软土，将出对于坚硬或紧密的土，将出现整体剪切破坏；对于松软土，将出现局部剪切或冲切破坏；现局部剪切或冲切破坏；2、与基础埋深及加荷速率有关、与基础埋深及加荷速率有关 基础浅埋，加荷速率慢，出现整体剪切破坏；基础浅埋，加荷速率慢，出现整体剪切破坏；基础埋深较大，加荷速率较快时，将出现局部剪切或冲切破坏。基础埋深较大，加荷速率较快时，将出现局部剪切或冲切破坏。二、地基承载力二、地基承载力1、平板载荷试验确定地基承载力、平板载荷试验确定地基承载力 浅层平板荷载试验浅层平板荷载试验承压板面积不应小于承压板面积不应小于0.25m2，对于软土不应小于，对于软土不应小于0.5m2。可测定浅部。可测定浅部地基土层的承载力。地基土层的承载力。深层平板荷载试验深层平板荷载试验承压板一般采用直径为承压板一般采用直径为0.8m的刚性板，紧靠承压板周围外侧的土层高的刚性板，紧靠承压板周围外侧的土层高度应不小于度应不小于80cm。可测定深部地基土层的地基承载力。可测定深部地基土层的地基承载力。实验步骤：分级加载，逐级稳定、直到破坏，最后得到实验步骤：分级加载，逐级稳定、直到破坏，最后得到p-s曲线。曲线。二、地基承载力二、地基承载力临塑荷载临塑荷载是指地基土中将要而尚未出现塑性变形区时的基底压力。是指地基土中将要而尚未出现塑性变形区时的基底压力。以条形基础为例推导。以条形基础为例推导。假定：侧压力系数为假定：侧压力系数为1，附加应力按弹性理论求解。，附加应力按弹性理论求解。大主应力方向在大主应力方向在视角视角平分线上平分线上2、理论公式确定地基承载力理论公式确定地基承载力（1）地基的临塑荷载）地基的临塑荷载 假设土自重应力所引起的应力各个假设土自重应力所引起的应力各个方向均相等，任意点方向均相等，任意点 M 由于外荷载及由于外荷载及土自重所产生的主应力总值为：土自重所产生的主应力总值为：由极限平衡条件，塑性区的由极限平衡条件，塑性区的边界方程边界方程为：为：塑性区最大深度塑性区最大深度点处于极限平衡状态：点处于极限平衡状态：根据此式可绘制出塑性区的边界线根据此式可绘制出塑性区的边界线在荷载在荷载 P 的作用下，地基土的塑性区边界上任一点的作用下，地基土的塑性区边界上任一点的的 z 与与 之间的关系。之间的关系。塑性区首先从基础两边点开始向深度发塑性区首先从基础两边点开始向深度发展，塑性区发展的最大深度为：展，塑性区发展的最大深度为：令令zmax=0，可得，可得临塑荷载临塑荷载讨论：抗剪强度指标越大，临塑荷载越大讨论：抗剪强度指标越大，临塑荷载越大 埋深越大，临塑荷载越大埋深越大，临塑荷载越大 临塑荷载与基础宽度无关临塑荷载与基础宽度无关2、理论公式确定地基承载力理论公式确定地基承载力（2）地基的临界荷载）地基的临界荷载令令zmax=b/4或或b/3，可得，可得讨论：讨论：抗剪强度指标越大，界限荷载越大抗剪强度指标越大，界限荷载越大 埋深越大，界限荷载越大埋深越大，界限荷载越大 界限荷载随基础宽度增大而变大界限荷载随基础宽度增大而变大注意注意：P Pcrcr，p1/4p1/4都可以作为地基承载力设计值，对于矩形和圆形基础，其都可以作为地基承载力设计值，对于矩形和圆形基础，其结果偏于安全。结果偏于安全。已有塑性区，推导不严格。已有塑性区，推导不严格。临界荷载：临界荷载：控制地基中塑性区发展深度的荷载。控制地基中塑性区发展深度的荷载。极限承载力极限承载力pu：是地基承受基础荷载的极：是地基承受基础荷载的极限压力。限压力。其求解方法一般有两种：其求解方法一般有两种：根据土的极限平衡理论和已知边界条根据土的极限平衡理论和已知边界条件，计算出土中各点达极限平衡时的应件，计算出土中各点达极限平衡时的应力及滑动方向，求得基底极限承载力。力及滑动方向，求得基底极限承载力。复杂复杂 通过基础模型试验，研究地基滑动面通过基础模型试验，研究地基滑动面形状并进行简化，根据滑动土体的静力形状并进行简化，根据滑动土体的静力平衡条件求得极限承载力。平衡条件求得极限承载力。常用常用（2）地基的极限荷载）地基的极限荷载（1）普朗德尔公式）普朗德尔公式假定：条形荷载、底面光滑、地基土无质量假定：条形荷载、底面光滑、地基土无质量缺点：缺点：如果是砂土地基，基础无埋深时，如果是砂土地基，基础无埋深时，pu=0，不合理，不合理承载力系数承载力系数极限承载力：极限承载力：（2）太沙基公式）太沙基公式假定假定：整体剪切破坏，基础底面粗糙，这样地基下面：整体剪切破坏，基础底面粗糙，这样地基下面存在一个弹性核。存在一个弹性核。极限承载力：极限承载力：Nr、Nc、Nq地基承载力系数。地基承载力系数。整体剪切破坏局部剪切破坏（3）汉森公式）汉森公式假定：假定：均质地基、基底光滑、可考虑基础形状、倾斜均质地基、基底光滑、可考虑基础形状、倾斜荷载、基础埋深、地面倾斜、基底倾斜荷载、基础埋深、地面倾斜、基底倾斜4 4、按抗剪强度指标确定地基承载力特征值、按抗剪强度指标确定地基承载力特征值当偏心距当偏心距e0.0330.033b b，根据土的抗根据土的抗剪强度指标确定地基承载力剪强度指标确定地基承载力fa 土的抗剪强度指标确定的地基承载力特征值土的抗剪强度指标确定的地基承载力特征值Mb、Md、Mc 承载力系数（可根据承载力系数（可根据 k查表得到查表得到)g地基土的重度，地下水位以下取浮重度地基土的重度，地下水位以下取浮重度d基础埋置深度基础埋置深度(m)，从室外地面标高计算从室外地面标高计算gm基础底面以上土的加权重度，地下水位以下取浮重度基础底面以上土的加权重度，地下水位以下取浮重度b 基础地面宽度，大于基础地面宽度，大于6 6m时，按时，按6 6m取值，对于砂土小于取值，对于砂土小于 3 3m时按时按3 3m取值取值ck 基底下一倍短边宽深度内土的粘聚力标准值基底下一倍短边宽深度内土的粘聚力标准值 更多精品资请访问更多精品资请访问 更多品资源请访问更多品资源请访问