第8章地基承载力全解

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,土,力,学,加拿大,特朗斯康谷仓,地基事故,加拿大特郎斯康谷仓由65个圆柱形筒仓组成，高31m，底面长59.4m。其下为钢筋混凝土片筏基础，厚2m。谷仓自重20万kN，当装谷27万kN后，发现谷仓明显失稳，24小时内西端下沉8.8m，东端上抬1.5m，整体倾斜2653。事后进行勘查分析，发现基底之下为厚十余米的淤泥质软粘土层。地基的极限承载力为251kPa，而谷仓的基底压力已超过300kPa，从而造成地基的整体滑动破坏。基础底面以下一部分土体滑动，向侧面挤出，使东端地面隆起。,我们的思考！,思考1：该谷仓,为什么倒,？,思考2：,承载力,如何衡量,？,第一节 地基的破坏模式,第二节,临塑荷载、临界荷载的确定,第三节 地基,极限承载力的计算,第四节 地基承载力的确定,第八章 地基承载力,基 本 概 念,地基破坏,地基土不能满足上部结构物强度或变形要求，或由于动力荷载作用产生液化、失稳，其上的结构物会发生急剧沉降、倾斜、导致结构物失去使用功能，这种状态称为,地基破坏,或,丧失承载能力,。,地基承载力：,土在单位面积上所能承受荷载的能力。,整体剪切破坏 局部剪切破坏 冲剪破坏,第一节,地基的破坏模式,一、整体的剪切破坏,整体剪切破坏的特征,（1）,P,-,S,(荷载-沉降)曲线有明显的直线段、曲线段与陡降段；,（2）破坏从基础边缘开始，滑动面贯通到地表；,（3）基础两侧的土体有明显的隆起；,（4）破坏时，基础急剧下沉或向一边倾倒。,某谷仓的地基整体破坏,二、局部剪切破坏,局部剪切破坏的特征,（1）,P,-,S,曲线无明显的三阶段，呈非线性关系；,（2）地基破坏从基础边缘开始，但滑动面未延伸到地表，而是终止 在地基土内部某一位置；,（3）基础两侧的土体有微微隆起，不如整体剪切破坏时明显；,（4）基础一般不会发生倒塌或倾斜破坏。,注：介于整体剪切破坏与冲剪破坏之间的一种破坏型式。,三、冲剪破坏,冲剪破坏特征,冲剪破坏一般发生于基础刚度很大，且地基土十分软弱的情况。,（1）ps曲线呈非线性关系，无转折点。,（2）基础发生垂直剪切破坏，地基内部不形成连续的滑动面；,（3）基础两侧的土体没有隆起现象，还随基础的“切入”微微下沉；,（4）基础破坏时只伴随过大的沉降，没有倾斜的发生。,冲剪破坏,四、,地基破坏模式的影响因素,（一）,土的压缩性,密实砂土和坚硬的粘土将发生整体剪切破坏；,松散砂土或软粘土可能出现局部剪切或冲剪破坏,。,（二）,基础埋深及加荷速率,基础浅埋、加荷速率慢整体剪切破坏；,基础埋深较大、加荷速率较快局部剪切或冲剪破坏。,1,2,3,s,p,O,临塑荷载,极,限,荷,载,p,cr,p,u,1,阶段,2,阶段,3,阶段,p,s,曲线,地基的破坏过程,第二节 临塑荷载、临界荷载的确定,一、,临塑荷载P,cr,地基中即将出现塑性区时对应的荷载；,对应,P-S,曲线直线段的终点,二、,临塑荷载的理论推导,临塑荷载的计算思路,（1）地基由,压密阶段,过渡到,剪切阶段,的分界点。, 地基中部分土体满足极限平衡条件,“摩尔-库伦”强度准则,（节）,第六章 土的抗剪强度（189）,6.2 土的强度理论与破坏,.（191）,6.2.1 土的屈服与破坏,.（191）,6.2.3 土的破坏准则,.（194）,6.2.3 摩尔库伦强度准则（196）,1,3,3,1,zx,z,xz,x, 基础边缘处的土体率先达到极限平衡状态,临塑荷载的计算思路,（2） 地基即将出现,塑性破坏区,。, 塑性区最大深度,z,max,=,0,p,p,塑性区,z,max,p,z,M,临塑荷载的计算,d,基本假定：,（1）土质均匀、各向同性,（2）条形基础、底部均载,弹性体内浅部,d,处，均布荷载,p,，在该深度以下任意深度,z,的,附加应力问题,！,1902 年密,歇尔,（Michell）,b,临塑荷载的计算,q,=,d,p,z,M,d,Michell 的解答：,土的天然重度,视角,基底总压力,基底附加压力,基底附加压力,（第四章）,是引起地基土内附加应力和变形的直接因素！,总应力场=自重应力场+附加应力场,假定地基的,自重应力场如同静水应力场,（土的各方向侧压系数都为 1）,极限平衡条件：,临塑荷载的计算,1,3,摩尔-库伦强度准则,zx,z,xz,x,1,3,土中一点的应力状态,3,1,将,修正后的,Michell,的,1,、,3,解,代入极限平衡条件，得到,塑性区边界深度,z,与,视角,的关系：,塑性区展开的最大深度,z,max,可由 求出：,由临塑荷载定义可知，,z,max,=,0时,即为,临塑荷载,：,：重度、深度,：粘聚力,将式子简化 可得,临塑荷载,：,式中：,N,c,N,q,为：承载力系数,p,cr,（9-9）,在实际工程中，可以用临塑荷载预估地基承载力。,临塑荷载的作用,经验表明，基底下局部出现塑性区，只要,控制在一定范围,，就不影响建筑物安全和正常使用！,范围,中心荷载、小偏心荷载,（偏保守）,容许最大深度：,临界荷载的提出,将,z,max,=,b,/4,带入：,可得：,临界荷载的计算,p,cr,临塑荷载,P,cr,（说明：,b,为条形基础宽度）,塑性临界荷载,偏心荷载作用下,中心荷载作用下,公式的统一形式：,上述承载力系数都是,土的内摩擦角,的函数，,为方便查用，已制成表格。,5.2 承载力的计算,（一）,的应用,5.2.5 当偏心距,e,0.033,b,可,根据土的抗剪强度指标确定,地基承载力公式：,p,1/4, 土的抗剪强度确定的地基承载力特征值；, 承载力系数, 基础底面宽度, 基底下一倍短边宽度内土的粘聚力标准值。,（三）,应注意的问题：,（1）,公式是基于条形基础（,l,/b,10）得到，属于,平面应变,问题。,图1 条形基础,图2 独立基础,（三）,应注意的问题：,（2）公式中荷载为,均布荷载,，即,中心荷载,。,p,图1 均布荷载,p,图2 偏心荷载,工程中,偏心荷载,，应进行修正。,（三）,应注意的问题：,（3）求解中将地基看成,弹性半无限体,，采用弹性理论计算。,p,图2 基地压力,图1 塑性破坏区,p,（三）,应注意的问题：,（4）假定,自重应力为静水压力,，各方向相同。,（5）假定地基为,均质土体,。,第三节 地基极限承载力的计算,地基的极限承载力,地基内部整体达到极限平衡时的荷载。,求解方法,：,（,1,）根据,静力平衡,和,极限平衡,条件建立微分方程，根据,边界条件,求出,地基整体,达到,极限平衡,时各点应力的精确解。由于这一方法只对一些简单的条件得到了解析解，其他情况则存在求解困难，故此法,不常用,；,（,2,）求极限承载力的方法,假定滑动面法,假设滑动面的形状，然后以滑动面所包围的土体为,隔离体,，根据,静力平衡,条件求出,极限荷载,。这种方法概念明确，计算简单，得到广泛的应用。,一、按极限平衡理论求解极限荷载（方法1）,1、静力平衡条件,2、极限平衡条件,在较简单的边界条件下求得其解析解,另外一种方法就是假定滑动面方法。,先假设滑动面的形状，然后以滑动面所包围的土体为隔离体，根据静力平衡条件求解极限荷载。该方法概念明确，计算简单，得到广泛应用。,二、按假定滑动面确定极限荷载,（方法2）,（一）普朗特尔极限承载力公式（,1920,年）,根据塑性理论研究了刚性体压入介质中，介质达到破坏时，滑动面的形状及极限压应力的公式。推导时，,假设：介质是无质量的(,=0),；荷载为无限长的条形荷载；荷载板底面是光滑的,。,二、按假定滑动面确定极限荷载,（方法2）,普郎特尔导出极限承载力的理论解:,（二）瑞斯诺极限承载力公式,若考虑基础有,埋深,d,，则将基底平面以上的覆土以压应力,q,代替，瑞斯诺,(Reissuer,1924),得出极限承载力的表达式为：,（三）,太沙基极限承载力公式,1、假定,（1）,基底粗糙,：由于在基底下存在摩擦力，阻止了基底下 I 区土楔体的剪切位移，这部分土体不发生破坏而处于弹性状态，象一个“弹性核”随着基础一起向下移动。,（,2,）地基土有重量,（, 0,）,，但忽略地基土重度对滑移形状的影响。,（,3,）不考虑基底两侧土体的抗剪强度，只作为超载考虑。,太沙基滑动面的形状,2、太沙基极限承载力公式,N,r,、,N,c,、,N,q,为无量纲的承载力系数，都是,的函数，可通过查表图的方法求得。,（四）魏西克极限承载力公式,条形基础在中心荷载作用下的极限承载力公式,公式的形式虽然与太沙基公式相同，但承载力系数取值都有所不同,。,魏西克还研究了,基础底面的形状,、,荷载偏心,、,倾斜,、,基础两侧覆盖土层的抗剪强度,、,基底和地面倾斜,、,土的压缩性影响,等，对,承载力公式进行了修正,。,承载力公式修正,（,1,）基础形状的影响：,（,2,）荷载偏心和倾斜的影响,（,3,）基础两侧的覆盖层抗剪强度的影响,（五）汉森极限承载力公式,考虑了基础形状与荷载倾斜的影响；,系数,查表,1,地基承载力,地基土单位面积上所能承受荷载的能力。,2,极限承载力,地基土体内部整体达到极限平衡时的承载力。,当荷载超过地基极限承载力时，地基将失稳。,3,容许承载力,使土的强度、变形均满足要求的承载力。,一、基 本 概 念,第四节 地基承载力的确定,说明：,地基容许承载力,的确定是长期工程实践的结果，反映了一个国家地基基础研究的水平。,以建筑地基基础设计规范为例，其名称在1957、1974、1989、2002、2011年的规范中分别为地耐力、标准值、设计值、特征值。,4,地基承载力特征值,由,载荷试验,测定的地基土,压力变形曲线,线性变化,段内规定的变形所对应的压力值，其最大值为,比例界限值,。,二、地基承载力特征值的确定方法,（一）理论公式法,根据整体剪切破坏的模式，假设滑裂面，按极限平衡条件求得的极限承载力公式，用,极限承载力除以安全系数,获得地基承载力。在建筑地基基础设计规范中的理论公式为临界荷载的计算公式。,港口工程技术规范,JTJ219-87,中推荐的地基极限承载力公式，安全系数为,23,。,（二）地基载荷试验法,浅层平板载荷试验,深层平板载荷试验,确定方法：,p-s曲线直线段末端陡降型曲线,极限荷载除以安全系数,变形控制缓变型曲线,三、公式计算地基承载力特征值,当偏心距,e,小于或等于0.033倍基础底面宽度时，根据,土的抗剪强度指标,确定,f,a,可按下式计算，并应满足变形要求：,基础底面,以下,土的重度，地下水位以下取浮重度；,m,基础底面,以上,土的加权平均重度，地下水位以下,取浮重度；,c,k,基底下,一倍短边宽,深度内土的粘聚力标准值。,（一）公路桥涵地基与基础设计规范 （,JTJ 024,）,1、,规范承载力表,根据大量的地基,载荷试验,资料及已,建成桥梁,的使用经验，经过统计分析后得到的,。,2、,承载力的深宽修正,设计的基础宽度b 2m，埋置深度d3m（但d/b4时），地基容许承载力可以在查表的基础上修正提高，规范给出了下述计算公式：,四、按规范确定,（二）港口工程地基规范（JTJ250）,当地基有效宽度小于或等于3.0m、基础埋深为0.51.5m时，地基承载力设计值根据岩石和土的,野外特征,、,密实度,或,标准贯入锤击数,，按表格确定。,（三）建筑地基基础规范50007-2002,当基础,宽度大于,3m,或,埋深大于,0.5m,时，从载荷试验或其他原位测试、经验值等方法确定地基承载力特征值，尚应按下式修正：,地基承载力特征值可由,荷载试验,或,其他原位测试,、公式计算、并结合工程实践经验确定。,