土力學-土的抗剪強度與地基承載力.ppt
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第4章土的抗剪強度與,土力學,教學課件,地基承載力,,土的抗剪強度是土的重要力學性質(zhì)之一,也是土力學的基本問題之一,本章討論土的抗剪強度定律(庫侖定律)、土的強度理論、抗剪強度指標的測定方法、試驗成果的整理以及地基的臨塑荷載和地基極限承載力的確定方法。,,,,各類建筑工程設(shè)計中,為了建筑物的安全可靠,要求建筑地基必須同時滿足下列兩個技術(shù)條件:⑴地基變形條件包括地基的沉降量、沉降差、傾斜與局部傾斜,都不超過國家《規(guī)范》規(guī)定的地基變形允許值;⑵地基強度條件在建筑物的上部荷載作用下,確保地基的穩(wěn)定性,不發(fā)生地基剪切或滑動破壞。這兩個技術(shù)條件中,第一個地基變形條件已在第3章中闡述,本章著重研究地基強度問題。,,1、地基承載力與地基穩(wěn)定性地基承載力與地基穩(wěn)定性,是每一項建筑工程都遇到的問題,具有普遍意義。當上部荷載N較小,地基處于壓密階段或地基中塑性變形區(qū)很小時,地基是穩(wěn)定的。若上部荷載N很大,地基中的塑性變形區(qū)越來越大,最后邊成一片,則地基發(fā)生整體滑動,即強度破壞,這種情況下地基是不穩(wěn)定的。,2、土坡穩(wěn)定性土坡穩(wěn)定性也是工程中經(jīng)常遇到的問題。土坡包括兩類:⑴天然土坡天然土坡為自然界天然形成的土坡,如山坡、河岸、海濱等。⑵人工土坡人工土坡為人類活動造成的土坡,如基坑開挖、修筑堤防、土壩、路基等等。,,3、擋土墻及地下結(jié)構(gòu)上的土壓力當?shù)鼗芡夂勺饔煤螅林懈鼽c產(chǎn)生法向應(yīng)力和剪應(yīng)力。若某點的剪應(yīng)力達到該點的抗剪強度,則土沿著剪應(yīng)力作用方向產(chǎn)生相對滑動。此時稱該點強度破壞。如果達到強度破壞的點隨著外荷的增大而愈來愈多,最后將形成一個連續(xù)的滑動面,整個地基失去穩(wěn)定而發(fā)生破壞。由此可見,土的強度問題,實質(zhì)上就是土的抗剪強度問題。為了對地基的穩(wěn)定性進行力學分析和計算,必須了解土的抗剪強度的來源、影響因素和測試方法,研究土的極限平衡理論、地基受力狀況與承載力。,土的抗剪強度問題涉及面很廣,現(xiàn)將基本內(nèi)容和常見的問題闡述如下:,,1、最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力假定土體是均勻的、連續(xù)的半空間材料,研究水平地面下任一深度Z處M點的應(yīng)力狀態(tài)。如圖4.4(a)所示。由M點取一微元體dxdydz,并使微元體的上、下面平行于地面。因這微元體很小,可忽略微元體本身的質(zhì)量?,F(xiàn)分析此微元體的受力情況,將微元體放大,如圖4.4(b)所示。,土的強度破壞通常是指剪切破壞。1、極限平衡狀態(tài)——當土體的剪應(yīng)力τ等于土的抗剪強度τf時的臨界狀態(tài)稱為“極限平衡狀態(tài)”。2、極限平衡條件——土體處于極限平衡狀態(tài)時土的應(yīng)力狀態(tài)和土的抗剪強度指標之間的關(guān)系式,即σ1、σ3與內(nèi)摩擦角ф、粘聚力c之間的數(shù)學表達式。,,,1、最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力,,微元體頂面和底面作用力,均為σ1=γZ(4.1)式中σ1----作用在微元體上的豎向法向應(yīng)力,即土的自重應(yīng)力,kpa。,σ1=γZ(4.1),微元體側(cè)面作用力為:σ2=σ3=ξγZ(4.2)式中σ2、σ3----作用在微元體側(cè)面的水平向法向應(yīng)力,kpa;ξ----土的靜止側(cè)壓力系數(shù),小于1,可查表3.1。,σ2=σ3=ξγZ(4.2),因為土體并無外荷作用,只有土的自重作用,故在微元體各個面上沒有剪應(yīng)變,也就沒有剪應(yīng)力,凡是沒有剪應(yīng)力的面稱為主應(yīng)面。作用在主應(yīng)面上的力稱為主應(yīng)力,因此圖4.4中的σ1為最大主應(yīng)力,σ3為最小主應(yīng)力。同時σ2=σ3。,,2、任意斜面上的應(yīng)力,在微元體上取任一截面mn,與大主應(yīng)力面即水平面成α角,斜面mn上作用法向應(yīng)力σ和剪應(yīng)力τ,如圖4.4(c)所示?,F(xiàn)在求σ、τ與σ1、σ3之間的關(guān)系。取dy=1,按平面問題計算。設(shè)直角坐標:以m點為坐標原點O,ox向右為正,oz向下為正。根據(jù)靜力平衡條件與豎向合力為零。,,水平方向,垂直方向,解聯(lián)立方程(a)、(b)可求得任意截面mn上的法向應(yīng)力σ與剪應(yīng)力τ:,,,2、任意斜面上的應(yīng)力,,式中σ——與大主應(yīng)面成α角的截面mn上的法向應(yīng)力,kPa;τ——同一截面上的剪應(yīng)力,kPa。,(4.3),(4.4),,3、用摩爾應(yīng)力圓表示斜面上的應(yīng)力,將(4.3)、(4.4)兩邊分別平方并相加,整理得:,(4.4)‘,顯見,在σ~τ坐標系中,上式表示圓心為[(σ1+σ2)/2,0],半徑為(σ1-σ3)/2的圓的方程。,,從圓心逆時針轉(zhuǎn)2α角與圓周交于a點,a點的坐標σ,τ,即為M點處與最大主應(yīng)力面成α角的斜面mn上的法向應(yīng)力和剪應(yīng)力值。證明如下:,,,,關(guān)于土的強度理論有多種,通常認為摩爾----庫侖理論最適合土體的情況。摩爾最初提出的強度理論,認為材料破壞是剪切破壞,在破壞面上τf=f(σ),由此函數(shù)關(guān)系所定的曲線,稱為摩爾破壞包線,如圖4.7所示。,,,1776年,庫侖總結(jié)出土的抗剪強度規(guī)律:,砂土:τf=σtgф(4.5),粘性土:τf=σtgф+c(4.6),τf=σtgф(4.5),τf=σtgф+c(4.6),式中…,,公式(4.5)與(4.6)為著名的庫侖定律,如圖4.8所示。庫侖定律是摩爾強度理論的特例。此時摩爾破壞包線τf=σtgф+c為一直線。,以庫侖定律表示摩爾破壞包線的理論稱摩爾——庫侖破壞理論。,,1、地基中任意平面mn上的應(yīng)力狀態(tài),現(xiàn)將作用在平面mn上的剪應(yīng)力τ與地基土的抗剪強度τf進行比較:當τ<τf,平面mn為穩(wěn)定狀態(tài);當τ>τf,平面mn發(fā)生剪切破壞;當τ=τf,平面mn極限平衡狀態(tài)。,,2、無粘性土的極限平衡條件,由圖4.9可見,任意平面mn作用的總應(yīng)力σ0與法向應(yīng)力σ之間的夾角θ稱為傾斜角。根據(jù)力三角形中,tgθ=τ/σ,可得:τ=σtgθ(a)由庫侖定律公式(4.5)τf=σtgφ(b),τ=σtgθ(a),τf=σtgφ(b),當τ=τf時,即式(a)=式(b),可得θ=φ,此時,平面mn處于極限平衡狀態(tài)。,,,,,土中某點的應(yīng)力是否達到破壞,通常用摩爾圓與庫侖抗剪強度曲線的關(guān)系來說明。從圖可直接看出土中某點各方向代表的平面是否達到極限平衡狀態(tài)。,2、無粘性土的極限平衡條件,圓在抗剪強度曲線的下方,兩者分離。過O點作圓的切線,θmaxσ1p,則據(jù)σ1與σ3作的應(yīng)力圓必與強度包線相割,該點已破壞;若σ1>σ1p該點穩(wěn)定?,F(xiàn)σ1=100kPa>σ1p=90kPa,故可判斷該點已破壞。,⑵把σ1、φ、C代入(4.12),得:σ3p=σ1tg2(45-φ/2)=100tg230=33.33kPa這表明:在σ1=1000kPa的條件下,該點如處于極限平衡,則σ3=33.33kPa。σ1不變時,σ3p愈小愈易破壞,因(σ1-σ3)增加。若實際值σ3σ3p,該點穩(wěn)定?,F(xiàn)σ3=30kPaφp,則該點穩(wěn)定。,⑷由(4.3)、(4.4)可計算出破壞面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力:σ=(σ1+σ3)/2+(σ1-σ3)/2cos2α=(100+30)/2+(100-30)/2cos2(45+30/2)=47.5kPaτ=(σ1-σ3)/2sin2α=(100-30)/2sin2(45+30/2)=30.31kPa破壞面上土的抗剪強度為:τf=c+σtgφ=47.5tg30=27.42kPa固結(jié)不排水>不固結(jié)不排水cd、фd>ccu、фcu>c、ф,6、三軸剪切試驗的優(yōu)缺點⑴優(yōu)點①在主應(yīng)力σ1及σ3作用下,試樣沿最薄弱的面產(chǎn)生剪切破壞或試樣產(chǎn)生塑性流動,試樣受力情況明確。②可根據(jù)工程實際需要,嚴格控制試樣中孔隙水的排出,并能準確地測定土樣在剪切過程中的孔隙水壓力的變化。③除抗剪強度指標外,還可測定孔隙水壓力隨σ3和σ1-σ3的變化及其相應(yīng)的系數(shù),或測定靜止側(cè)壓力系數(shù)以及進行其它項目的試驗。⑵缺點:儀器設(shè)備與試驗操作較復(fù)雜等方面。,,1、適用土質(zhì)——飽和粘性土,⑵軸向應(yīng)力,應(yīng)按下式計算:,2、試驗原理——相當三軸壓縮試驗中,σ3=0時的不排水剪。,3、試驗裝置,,4、試驗成果與計算⑴軸向應(yīng)變ε1,應(yīng)按下式計算:ε1=Δh/h0(4.18)(Δh=nΔl-R),ε1=Δh/h0(4.18),(4.19),⑶無側(cè)限抗壓強度qu取ε—σ曲線上峰值σmax為無側(cè)限抗壓強度qu:qu=σmax,,,4、試驗成果與計算,⑷土的粘聚力cu飽和粘性土不排水剪,內(nèi)摩擦角фu=0,無側(cè)限抗壓強度的摩爾破損應(yīng)力圓,σ3=0,σ1=qu,фu=0切線與縱坐標的截距,即為土的粘聚力cu:cu=qu/2(4.20),cu=qu/2(4.20),,⑸土的靈敏度St,(2.16),,1、適用土質(zhì)條件——軟弱粘性土、取原狀土困難的條件,2、試驗設(shè)備,,3、試驗方法,,十字板剪切破壞扭力矩,由兩部分組成:,4、成果計算,,①十字板旋轉(zhuǎn)破壞土柱周圍強度由土柱圓周πD乘以土柱高H為土柱周圍面積,再乘以半徑D/2,即扭力臂,再乘以土柱側(cè)面的抗剪強度τv,可得土柱周圍強度,如公式(4.22)等號右側(cè)第一項所示。②土柱上、下面強度土柱圓面積πD2/4乘以扭矩力臂D/3,再乘以土柱水平抗剪強度τH,再乘以2,可得土柱上、下面強度,如公式(4.22)等號右側(cè)第二項所示。,十字板剪切破壞扭力矩M為:,(4.22),,4、成果計算,為簡化計算,可令τv=τH=τ+,代入公式(4.22)可得:,(4.22),(4.23),十字板現(xiàn)場剪切試驗為不排水剪切試驗。因此,其結(jié)果與無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果接近,飽和軟土фu=0,則:,(4.24),,5、優(yōu)點,⑴不需取樣,對土的結(jié)構(gòu)擾動較?。虎苾x器構(gòu)造簡單、操作方便;⑶所得的軟粘土不排水抗剪強度常比無側(cè)限抗壓強度試驗的結(jié)果大,但較反映實際條件;⑷可測定軟粘土的靈敏度。此外,也應(yīng)看到,上述假定圓柱側(cè)面和上下端面的抗剪強度相等是不夠合理的。因為土的各向異性與固結(jié)程度的不同,都會使土的水平向和豎直向的抗剪強度不一致。,,1、試樣條件應(yīng)與工程實際條件一致當建筑地基為薄層粘性土、粉土或粘性土與砂土相層,施工速度慢,應(yīng)采用三軸固結(jié)排水試驗或直接剪切慢剪試驗。若建筑地基為飽和狀態(tài)厚層粘土,快速施工,則可進行三軸不固結(jié)排水試驗,或直接剪切快剪試驗。地基已充分固結(jié)或竣工較久,荷載突增及一般地基的穩(wěn)定驗算采用固結(jié)不排水(固結(jié)快剪)試驗。,2、同一類土的試樣數(shù)量在基礎(chǔ)底面以下一倍基礎(chǔ)寬度的深度土層內(nèi),同一類土至少取6組試樣,使試樣具有代表性并減少試驗的偶然誤差。,3、抗剪強度指標基本值4、抗剪強度指標的標準值,,1、無粘性土無粘性土抗剪強度指標的來源,傳統(tǒng)的觀念為內(nèi)摩擦力。作者認為,除內(nèi)摩擦力外還存在一種新的力----咬合力。⑴內(nèi)摩擦力內(nèi)摩擦力是指土粒表面之間的摩擦力。內(nèi)摩擦力由作用于剪切面的法向壓力σ與土的內(nèi)摩擦系數(shù)tgф組成,內(nèi)摩擦力的數(shù)值為這兩項的乘積σtgф⑵咬合力①天然休止角α②密實卵石的穩(wěn)定坡角θ,2、粘性土粘性土的抗剪強度包括內(nèi)磨擦力與粘聚力兩部分。⑴內(nèi)摩擦力⑵粘聚力①電分子吸引力②土中天然膠結(jié)物質(zhì),,土的抗剪強度非標準定值,受很多因素的影響,不同地區(qū)、不同成因、不同類型土的抗剪強度往往有很大的差別,即使同一種土,在不同的密度、含水量、剪切速率、儀器型式等不同的條件下,其抗剪強度的數(shù)值也不相等。根據(jù)庫侖定律中公式(4.6)可知:土的抗剪強度與法向壓力σ、土的內(nèi)摩擦角ф和土的粘聚力c三者有關(guān)。因此,影響抗剪強度的因素可歸納為兩類:,1、土的物理化學性質(zhì)的影響⑴土粒的礦物成分砂土中石英礦物含量多,ф大;云母礦物含量多,則ф小。粘性土的礦物成分不同,土粒表面結(jié)合水和電分子力不同,其粘聚力c也不同。土中含有各種膠結(jié)物質(zhì),可使c增大。⑵土的顆粒形狀與級配土的顆粒越粗,表面越粗糙,ф大。土的級配良好,ф大;土粒均勻,ф小。,,1、土的物理化學性質(zhì)的影響⑶土的原始密度土的原始密度越大,土粒之間接觸點多且緊密,則土粒之間的表面摩擦力和粗粒土之咬合力越大,即ф和Ф越大。同時,土的原始密度大,土的孔隙小,接觸緊密,粘聚力c也必然大。⑷土的含水量當土的含水量增加時,水分在土粒表面形成潤滑劑,使內(nèi)摩擦角ф減小。對粘性土來說,含水量增加,將使薄膜水變厚,甚至增加自由水,則填料之間的電分子力減弱,使粘聚力降低。聯(lián)系實際,凡是山坡滑動,通常都在雨后,雨水入滲使山坡土中含水量增加,降低土的抗剪強度,導致山坡失穩(wěn)滑動。⑸土的結(jié)構(gòu)粘性土具有結(jié)構(gòu)強度,如粘性土的結(jié)構(gòu)受擾動,則其粘聚力c降低。,,2、孔隙水壓力的影響⑴固結(jié)排水剪(慢剪)測得的抗剪強度cd、фd值最大。⑵不固結(jié)不排水剪(快剪)測得的抗剪強度c、ф值最小。⑶固結(jié)不排水剪(固結(jié)快剪)測得的抗剪強度ccu、фcu值居中。由此可見,試樣中是否存在孔隙水壓力,對抗剪強度有重要影響。如前所述,這三種不同的試驗方法,各適用于不同的土層分布、土質(zhì)、排水條件和施工的速度。,,地基的承載力——地基土單位面積上承受荷載(壓力)的能力,地基極限承載力——地基土體完全剪切破壞時所承受的荷載。本節(jié)和下一節(jié)將介紹據(jù)極限平衡原理,按土的抗剪強度確定淺基礎(chǔ)地基承載力的方法。本節(jié)通過控制地基塑性變形區(qū)的發(fā)展范圍來確定承載力,下一節(jié)討論確定地基極限承載力的方法。下面要介紹的方法,其思路是:先建立基底附加壓力(p0)與地基中塑性變形區(qū)(或稱極限平衡區(qū))開展深度(Zmax)之間的關(guān)系。然后通過控制塑性區(qū)的允許發(fā)展深度(根據(jù)實踐經(jīng)驗)來確定地基承載力。,,1、地基變形的三個階段⑴線性變形(壓密)階段⑵塑性變形(局部剪切)階段⑶完全(滑動)破壞階段,,2、地基破壞的三種型式⑴整體剪切破壞——p—s曲線可明顯分出上述三個變形階段。當?shù)鼗系膲毫_到極限后,地基內(nèi)塑性變形區(qū)發(fā)展接合而出現(xiàn)連續(xù)的滑動面,地基土發(fā)生整體剪切破壞。只要荷載稍有增加,基礎(chǔ)就會急劇下沉、傾斜、地面嚴重隆起,并往往使建筑物發(fā)生破壞。對于壓縮性較小的土,如密實砂土和堅硬粘土,當壓力p足夠大時,一般都發(fā)生這種型式的破壞。也可能在承載力低、相對埋深小的基礎(chǔ)下出現(xiàn)。,,,2、地基破壞的三種型式,,⑵刺入剪切破壞——地基不出現(xiàn)明顯的連續(xù)滑動面,基礎(chǔ)四周的地面也不隆起,基礎(chǔ)沒有很大傾斜,其p—s曲線無明顯的轉(zhuǎn)折點。地基的破壞是由基礎(chǔ)下面軟弱土變形并沿基礎(chǔ)周邊產(chǎn)生豎向剪切,導致基礎(chǔ)連續(xù)下沉,就象基礎(chǔ)“切入”土中。此種型式多出現(xiàn)于基礎(chǔ)相對埋深較大和壓縮性較大的松砂和軟土中。,,2、地基破壞的三種型式,,⑶局部剪切破壞——界于整體剪切破壞與剌入剪切破壞之間。破壞時地基的塑性變形區(qū)局限于基礎(chǔ)下方,滑動面也不延伸到地面??赡苡休p微隆起,但基礎(chǔ)不會明顯傾斜或倒塌,p—s曲線轉(zhuǎn)折點也不明顯。,,2、地基破壞的三種型式,,,1、定義——在外荷作用下,地基中剛開始產(chǎn)生塑性變形(即局部剪切破壞)時基礎(chǔ)底面單位面積上所承受的荷載。,,a點對應(yīng)的荷載pcr稱為臨塑荷載,也就是隨著荷載的增大,地基土由彈性變形開始產(chǎn)生塑性變形的界限荷載。,2、臨塑荷載計算公式地基的臨塑荷載pcr,按下式計算:,(4.26),Nd、Nc----承載力系數(shù),可據(jù)ф值按公式(4.27)、(4.28)計算或查表(4.4)確定。,(4.27),(4.28),,公式(4.26)推導如下:在條形基礎(chǔ)均布荷載作用下,地基中任一點M的應(yīng)力來源于下列幾方面,如圖4.29所示:,⑴基底的附加應(yīng)力p0=p-γd;⑵基底以下深度Z處,土的自重壓力γZ;⑶由基礎(chǔ)埋深d構(gòu)成的旁載γd。,,嚴格地說,M點土的自重應(yīng)力在各向是不等的,因此,p0與γZ、γd在M點產(chǎn)生的應(yīng)力在數(shù)值上不能疊加,但為簡化起見,在推導臨塑荷載公式時,假定土的自重應(yīng)力在各向相等(即假定土的側(cè)壓力系數(shù)ξ=1.0(實際上ξ=0.25~0.72))。因而地基中任意一點M的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力為:(由地基在條形均布p作用下,地基中任一點M處產(chǎn)生的大小主應(yīng)力以極坐標表示),,,(4.30),(4.29),式中p----基底接觸壓力,kpa;2β----M點至基礎(chǔ)邊緣兩連線的夾角,度。,當M點的應(yīng)力達到極限平衡時,由“4.2土的極限平衡”中公式(4.10)可知:,,將公式(4.29)與公式(4.30)代入上式,整理后得:,(4.31),,,(4.31)式即為塑性變形區(qū)(極限平衡區(qū)的邊界方程。當已知p、γ、d、c和ф時塑性邊界線上任一點坐標Z僅與視角2β有關(guān)。假定不同的2β值,代入式(4.31)可求出相應(yīng)的ZI,將一系列的ZI點連接起來就得到塑性變形區(qū)的邊界,也即繪出得土中塑性區(qū)的發(fā)展范圍(圖中陰影區(qū))。,(4.31),在塑性區(qū)邊界線上(以內(nèi))剪應(yīng)力τ=τf,已達極限平衡狀態(tài);在塑性區(qū)外(邊界線以外)剪應(yīng)力τ<τf,未達極限平衡狀態(tài)。在實際應(yīng)用時,我們并不一定需要知整個塑性區(qū)的邊界,而只需了解在一定壓力p作用下,塑性區(qū)開展的最大深度Zmax,,,根據(jù)臨塑荷載的定義,可用塑性區(qū)的最大深度Zmax=0來表達。為了求得塑性區(qū)開展的最大深度Zmax,將(4.31)式對β求導數(shù),并令其等于零(按微分學求極值的方法)。,將此2β=π/2-ф值代入公式(4.31)可得:,,,(4.32),由上式可見,Zmax隨著荷載p的增大而增大。按照定義,在臨塑荷載作用下,可認為Zmax=0,此時的基底壓力即為臨塑荷載(臨塑壓力)。,,(4.32),當Zmax=0,即得臨塑荷載pcr的計算公式:,,,,(4.26),式中:Nd、Nc可據(jù)φ值按(4.27)、(4.28)計算或查表(4.4)確定。,3、工程應(yīng)用公式(4.26)計算臨塑荷載pcr,即可用作地基承載力,本身包含安全系數(shù),不需另加安全系數(shù)。,,1、意義——…工程中允許塑性區(qū)發(fā)展范圍的大小,與建筑物的規(guī)模、重要性、荷載大小與荷載性質(zhì)以及地基土的物理力學性質(zhì)等因素有關(guān)。,2、定義當?shù)鼗械乃苄宰冃螀^(qū)最大深度為:中心荷載基礎(chǔ)Zmax=b/4偏心荷載基礎(chǔ)Zmax=b/3與此相對應(yīng)的基礎(chǔ)底面壓力,分別以p1/4或p1/3表示,統(tǒng)稱為臨界荷載(或界限壓力)。,,3、臨界荷載的計算公式⑴中心荷載將Zmax=b/4代入公式(4.32),整理可得中心荷載作用下地基的臨界荷載計算公式:,(4.33),式中b----基礎(chǔ)寬度,m;矩形基礎(chǔ)短邊,圓形基礎(chǔ)采用b=,A為圓形基礎(chǔ)的面積N1/4----承載力系數(shù),據(jù)基礎(chǔ)底面下ф值,按公式(4.35)計算,或查表4.4確定。,,3、臨界荷載的計算公式⑵偏心荷載將Zmax=b/3代入公式(4.32),整理可得偏心荷載作用下地基的臨界荷載計算公式:,(4.34),式中N1/3----承載力系數(shù),據(jù)基礎(chǔ)底面下ф值,按公式(4.36)計算,或查表4.4確定。,⑶承載力系數(shù),(4.35),(4.36),,對公式的評價:⑴pcr、p1/4和p1/3的計算公式(4.26)、(4.33)、(4.34)都是按條形基礎(chǔ)受均布荷載的情況推導而得的,如用于矩形及圓形基礎(chǔ)時有一定的誤差,但結(jié)果偏于安全。⑵計算土中的自重應(yīng)力時,假定ξ=1,這與土的一般情況不符,但這樣可使計算公式簡化。⑶在計算臨界荷載p1/3、p1/4時,土中已出現(xiàn)塑性區(qū),但仍按彈性力學計算土中應(yīng)力,這在理論上是相互矛盾的,但塑性區(qū)不大時,由此引起的誤差在工程上還是允許的。⑷pcr與基礎(chǔ)寬度B無關(guān),而p1/3、p1/4與B有關(guān),Pcr、P1/3、P1/4都隨埋深D的增加而加大。⑸對飽和軟土,在不排水條件下,ф=0,查表7.26得Mb=0,Md=1.00,Mc=3.14,即N1/4=0,Nd=1.00,Nc=3.14,代入式(4.33)后,可得到飽和軟粘土短期(不排水條件下)的承載力設(shè)計值如下:f=3.15Cu+γ0D(式中Cu----土的不排水抗剪強度,kpa),,目前極限承載力的計算理論僅限于整體剪切破壞型式,這是因為,這種破壞型式比較明確,有完整連續(xù)的滑動面,且已被試驗和工程實踐所證實。對于局部剪切破壞及刺入剪切破壞,尚無可靠的計算方法,通常是先按整體剪切破壞型式進行計算,再作某種修正。極限承載力(Pu)的求解有兩類途徑:⑴一類是根據(jù)土體的極限平衡原理,利用已知的邊界條件求解,由于數(shù)學上的困難,只有少數(shù)情況可得解析解。⑵另一類是根據(jù)模型試驗,先假定在極限荷載(Pu)作用時土中滑動面的形狀,然后根據(jù)滑動土體的靜力平衡條件,求解極限荷載。這類方法又由于假設(shè)的滑動面形狀不同,導出了多種形式的計算公式。,,1、定義——地基在外荷作用下產(chǎn)生的應(yīng)力達到極限平衡時的荷載。在P—S曲線b點所對應(yīng)的荷載Pu,稱為地基的極限荷載。設(shè)計建筑物基礎(chǔ)時,當然不能使基礎(chǔ)荷載達到極限荷載,必須有一定的安全系數(shù)。,2、極限荷載計算公式世界各國計算極限荷載的公式很多,僅介紹幾種最常用的。⑴太沙基公式適用于條形基礎(chǔ)、方形基礎(chǔ)和圓形基礎(chǔ)。⑵斯凱普頓公式適用于飽和軟土地基,內(nèi)摩擦角ф=0的淺基礎(chǔ)。⑶漢森公式適用于傾斜荷載的情況。(普朗德爾公式、魏斯克公式、梅耶霍夫公式),,2、極限荷載計算公式,現(xiàn)以最簡單的情況推導地基極限荷載的一般計算公式。Pu=γbNγ+cNc+qNq(4.37)式中Pu----地基極限荷載,kpa;γ----基底以下地基土的天然重度,kn/m3;c----基底以下地基土的粘聚力,kpa;q----基礎(chǔ)的旁側(cè)荷載,其值為基礎(chǔ)埋深范圍土的自重壓力γd,kpa;Nγ、Nc、Nq----地基承載力系數(shù),均為tgα=tg(45+ф/2)的函數(shù),亦即ф的函數(shù)??芍苯佑嬎慊虿橛嘘P(guān)圖表確定。,Pu=γbNγ+cNc+qNq(4.37),公式(4.37)的推導如下:按條形基礎(chǔ)承受均勻荷載情況,基礎(chǔ)寬度為b,基礎(chǔ)埋深d,地基土的天然重度γ,內(nèi)摩擦角ф,粘聚力c。以基礎(chǔ)底面為計算地面,并假定:,,2、極限荷載計算公式,①地基滑裂面形狀為折線AC+CE,如圖4.30所示?;衙鍭C與大主應(yīng)面即基礎(chǔ)底面之夾角α=45+ф/2;②基礎(chǔ)埋深范圍土的自重壓力q=γd,視為基礎(chǔ)兩邊的旁側(cè)荷載;③滑裂體本身的土重γZ=γbtgα,簡化為平分作用于滑裂體上、下兩面,各為1/2γbtgα。,,,2、極限荷載計算公式,當?shù)鼗軜O限荷載pu而發(fā)生剪切破壞時,土體的受力情況可視為類似于三軸壓縮試驗中的受力情況。將地基滑裂體范圍的土體,分為Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)兩個矩形分別進行分析:,,在pu作用下Ⅰ區(qū)首先滑動,然后推動右側(cè)的Ⅱ區(qū)滑動。在Ⅰ區(qū):σ1Ⅰ為豎向應(yīng)力,σ3Ⅰ為水平應(yīng)力。在Ⅱ區(qū):σ1Ⅱ為水平應(yīng)力,σ3Ⅱ為豎向應(yīng)力。,,2、極限荷載計算公式,,Ⅱ區(qū)的極限平衡條件:由圖4.30c,應(yīng)用公式(4.11):,(4.11),式中σ1——最大主應(yīng)力,即σ1Ⅱ,未知;σ3——最小主應(yīng)力,即σ3Ⅱ,σ3Ⅱ=q+(γbtgα)/2;α——滑裂面AC與基礎(chǔ)底面的夾角,45+φ/2。將上列數(shù)據(jù)代入(4.11)可得:,(4.38),σ3Ⅱ,,2、極限荷載計算公式,,I區(qū)的極限平衡條件:由圖4.30b,應(yīng)用公式(4.11):,(4.11),式中σ1——最大主應(yīng)力,即σ1Ⅰ,其值為pu+γbtgα/2;σ3——最小主應(yīng)力,即σ3Ⅰ,σ3Ⅰ=σ1Ⅱ,其值為(4.38);將上列數(shù)據(jù)代入(4.11)可得:,,σ1Ⅰ,σ3Ⅰ=σ1Ⅱ,,2、極限荷載計算公式,,,故,,即,(4.37),式中Nγ——承載力系數(shù),Nγ=tg5α-tgα;Nc——承載力系數(shù),Nc=2(tg3α+tgα);Nq——承載力系數(shù),Nq=tg4α.,,3、極限荷載工程應(yīng)用,在進行基礎(chǔ)設(shè)計時,不能采用極限荷載作為地基承載力,必須有一定的安全系數(shù)K。K值的大小,應(yīng)根據(jù)建筑物工程的等級、規(guī)模與重要性及各種極限荷載公式的理論、假定條件與適用情況而確定。通常取K=1.5~3.0。,,1、適用范圍——均質(zhì)地基,基底粗糙的條基;并推廣應(yīng)用于方形基礎(chǔ)與圓形基礎(chǔ)。,2、理論假定①條形基礎(chǔ),均布荷載作用。②地基發(fā)生滑動時,滑動面的形狀,兩端為直線,中間為曲線,左右對稱,如圖4.31所示。③滑動土體分為三個區(qū):,,彈性壓密區(qū),滑動面為曲面,呈對數(shù)螺旋線。,滑動面為斜向平面,剖面上呈等腰三角形。,,3、條形基礎(chǔ)(較密實地基)⑴作用于Ⅰ區(qū)土楔上諸力——在Pu作用下,地基處于極限平衡狀態(tài)下,①土楔ab’a’頂面的Pu(↓);②土楔aba’的自重(↓);③土楔斜面ab’上作用的粘聚力c的豎向分力(↑);④Ⅱ、Ⅲ區(qū)土體滑動時,對斜面ab’的被動土壓力(EP)的豎向分力(↑)。,,Pu(↓),被動土壓力Ep(↑),,,,3、條形基礎(chǔ)(較密實地基)⑴作用于Ⅰ區(qū)土楔上諸力——在Pu作用下,地基處于極限平衡狀態(tài)下,①土楔ab’a’頂面的Pu(↓);②土楔aba’的自重(↓);③土楔斜面ab’上作用的粘聚力c的豎向分力(↑);④Ⅱ、Ⅲ區(qū)土體滑動時,對斜面ab’的被動土壓力(EP)的豎向分力(↑)。,⑵太沙基公式——根據(jù)作用于土楔上的諸力和在豎直方向的靜力平衡條件,可得:,,如Ep已知,則可解得pu,太按擋土墻土壓力理論,將ab’面作為擋土墻面,求得Ep,得出著名的太沙基公式:,(4.39),,3、條形基礎(chǔ)(較密實地基),(4.39),,公式(4.39)與公式(4.37)形式完全相同,但這公式的承載力系數(shù)各異。太沙基公式的承載力系數(shù)Nγ、Nc與Nq均可根據(jù)地基土的內(nèi)摩擦角ф值,查專用的承載力系數(shù)圖4.32中的曲線(實線)確定。,,3、條形基礎(chǔ)(較密實地基),,⑶適用條件①地基土較密實;②地基完全剪切整體滑動破壞,即載荷試驗結(jié)果p—s曲線上有明顯的b點的情況;,4、條形基礎(chǔ)(松軟地基)松軟地基,p—s曲線沒有明顯拐點的情況,如②曲線。建議采用降低土的抗剪強度指標φ、c的方法對公式進行修正(tgф’=2/3tgф,c’=2/3c)。此時極限荷載按下式計算:,(4.40),式中Nγ’、Nc’、Nq’----局部剪損時的承載力系數(shù),根據(jù)內(nèi)摩擦角查圖4.32中的虛線。,,,5、方形基礎(chǔ)⑴整體剪切破壞,⑵局部剪切破壞,Pu=0.4γb0Nγ+1.2cNc+γdNq(4.41),Pu=0.4γb0Nγ+0.8cNc+γdNq)(4.41)‘,式中b0----方形基礎(chǔ)的邊長。,Pu=0.3γb0Nγ+1.2cNc+γdNq(4.42),Pu=0.3γb0Nγ’+0.8cNc’+γdNq’(4.42)’,⑵局部剪切破壞,6、圓形基礎(chǔ)⑴整體剪切破壞,式中b0----圓形基礎(chǔ)的直徑。,,7、矩形基礎(chǔ)對于矩形基礎(chǔ)(寬為b,長為l),可近似按b/l值,在條形基礎(chǔ)(b/l=0)與方形基礎(chǔ)(b/l=1)的承載力之間用插入法求得。,8、地基承載力應(yīng)用太沙基極限荷載公式進行基礎(chǔ)設(shè)計時,地基承載力為:f=Pu/K(4.43)式中K----地基承載力安全系數(shù),K≥3.0.,f=Pu/K(4.43),[例題4-7、4-8、4-9],,1、適用條件⑴飽和軟土地基,內(nèi)摩擦角ф=0當?shù)鼗膬?nèi)摩擦角ф=0時,太沙基公式難以應(yīng)用,這是因為太沙基公式中的承載力系數(shù)Nγ、Nc、Nq都是ф的函數(shù)。斯凱普頓專門研究了ф=0的飽和軟土地基的極限荷載計算。⑵淺基礎(chǔ)斯凱普頓公式適用于淺基礎(chǔ),基礎(chǔ)的埋深d≤2.5b,即d/b≤2.5。此條件通常都能滿足。⑶矩形基礎(chǔ)斯凱普頓還考慮了基礎(chǔ)寬度與長度的比值b/l的影響。(考慮了埋深D的效應(yīng)和基礎(chǔ)形狀的影響),2、極限荷載公式斯凱普頓在上述條件下,提出極限荷載的半經(jīng)驗公式如下:,(4.44),式中c----地基土的粘聚力,取基礎(chǔ)底面以下0.7b深度范圍內(nèi)的平均值;,,3、地基承載力F=Pu/K式中K----斯凱普頓公式安全系數(shù),可?。篕=1.1~1.5。,4、評論斯凱普頓公式,只限于地基內(nèi)摩擦角ф=0的飽和軟土地基和淺基礎(chǔ)并考慮了基礎(chǔ)的寬度與長度比值等多方面因素,理論符合實際。工程實踐表明,按斯凱普頓公式計算的地基極限荷載與實際接近。,[例4-11、4-12],,漢森公式除考慮基礎(chǔ)埋深(D)和土的性質(zhì)(ф、C)外,還包括荷載作用方向,與基礎(chǔ)形狀對地基極限荷載的影響。1、適用條件⑴傾斜荷載作用漢森公式最主要的特點是適用于傾斜荷載作用,這是太沙基公式和斯凱普頓公式都無法解決的問題。⑵基礎(chǔ)形狀基礎(chǔ)寬與長的比值、矩形基礎(chǔ)和條形基礎(chǔ)的影響都已計入。⑶基礎(chǔ)埋深漢森公式適用基礎(chǔ)埋深d- 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