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1、地基與基礎工程SoilMechanicsandFoundationEngineering,土的抗剪強度與地基承載力,4.1概述4.2土的抗剪強度4.3土的抗剪強度試驗方法4.4地基承載力,第四章,,4.1概述,土的抗剪強度：是指土體對于外力作用下，土體內(nèi)部產(chǎn)生剪應力時，土對剪切破壞的極限抵抗能力。主要應用于地基承載力的計算和地基穩(wěn)定性的分析、邊坡穩(wěn)定性分析、檔土墻及地下結構物上的土壓力計算等。,變形破壞沉降、位移、不均勻沉降等超過規(guī)定限值(已學)地基破壞強度破壞地基整體或局部滑移、隆起，土工構筑物失穩(wěn)、滑坡,,,,土體強度破壞的機理：在外荷載作用下，土體中將產(chǎn)生剪應力和剪切變形，當土中某點由外
2、力所產(chǎn)生的剪應力達到土的抗剪強度時，土就沿著剪應力作用方向產(chǎn)生相對滑動，該點便發(fā)生剪切破壞。,,4.1概述,,工程背景1.建筑物地基承載力問題基礎下的地基土體產(chǎn)生整體滑動或因局部剪切破壞而導致過大的地基變形甚至傾覆。,1.建筑物地基承載力問題(圖1),,建筑物地基承載力問題(圖2),,建筑物地基承載力問題(圖4),,2.構筑物環(huán)境的安全性問題即土壓力問題擋土墻、基坑等工程中，墻后土體強度破壞將造成過大的側向土壓力，導致墻體滑動、傾覆或支護結構破壞事故。,2.構筑物環(huán)境的安全性問題即土壓力問題,,3.土工構筑物的穩(wěn)定性問題,3.土工構筑物的穩(wěn)定性問題土壩、路堤等填方邊坡以及天然土坡等，在超載、滲
3、流乃至暴雨作用下引起土體強度破壞后將產(chǎn)生整體失穩(wěn)邊坡滑坡等事故。,2006年3月27日下午4時45分，太原到舊關高速公路壽陽段發(fā)生嚴重塌陷，路面整體沉陷，路基向外滑移，塌陷處長130米，寬12米，深8.5米，所幸沒有發(fā)生交通事故，未造成人員傷亡。專家勘察后，初步確定此地段原是舊河槽，底層土壤滲水液化造成塌陷。,石太高速壽陽段塌陷現(xiàn)場嚴重,2006年03月30日星期四央視焦點訪談,石太高速壽陽段塌陷現(xiàn)場嚴重,石太高速公路壽陽段塌陷現(xiàn)場（3月28日攝）。,2006年03月30日星期四央視焦點訪談,石太高速壽陽段塌陷現(xiàn)場嚴重,石太高速公路壽陽段塌陷現(xiàn)場（3月28日攝）。,3月28日，公路勘察人員在查
4、看石太高速公路壽陽段塌陷后的裂縫。,2006年03月30日星期四央視焦點訪談,2000年西藏易貢巨型滑坡,第二節(jié)土的抗剪強度,一、抗剪強度,（一）、庫侖定律（剪切定律）,測定方法：,直接剪切試驗（直剪試驗）,應力控制式,直剪儀,應變控制式（常用）,測定儀器：,,直剪儀工作原理示意,1773年，庫侖根據(jù)砂土剪切試驗得出,,f=tan,砂土,,f=c+tan,粘土,c,庫侖定律：在法向壓力變化范圍不大的范圍內(nèi)，抗剪強度f與法向壓力之間的關系，可近似的用一條直線代替。,c:土的粘聚力:土的內(nèi)摩擦角,根據(jù)粘性土剪切試驗得出,,,,:為土的內(nèi)摩擦力,,,,,,,,摩爾包線,f=c+tan,,,,,,,,
5、,,,,,,庫倫公式,（二）、抗剪強度的構成因素,來源于土的內(nèi)摩擦力,顆粒之間表面摩擦力；顆粒之間的相互嵌入和互鎖作用產(chǎn)生的咬合力。,粘性土抗剪強度構成,主要來源于黏聚力其次內(nèi)摩擦力,內(nèi)摩擦力,,,,無粘性土抗剪強度：,度影響因素土的抗剪強,,土顆粒的礦物成分、形狀、粒徑及表面粗糙程度,（三）、抗剪強度的影響因素,原始密度,天然含水量,土的結構擾動情況,有效應力大小,應力歷史,試驗條件,二、摩爾庫侖強度理論,材料的剪切破壞主要是由于土中某一截面上的剪應力達到極限值所致，但材料達到破壞時的抗剪強度也與該截面上的正應力有關。,最大剪應力理論,,土體的穩(wěn)定狀態(tài),當土中某點的剪應力小于土的抗剪強度時，
6、土體不會發(fā)生剪切破壞。,極限平衡狀態(tài),當土中剪應力等于土的抗剪強度時，土體式處于極限平衡,,,基本概念,破壞狀態(tài),當土中剪應力大于土的抗剪強度時理論上屬于破壞狀態(tài)（實際上這種應力狀態(tài)根本不存在）,,,（一）、土中一點的應力狀態(tài),最大主應力與最小主應力假定土體是均勻的、連續(xù)的，一無限長條形荷載作用于半無限體的表面上，研究水平地面下任一深度z處M點的應力狀態(tài)。由M點取一微元體dxdydz，并使微元體的上、下面平行于地面。因微元體很小，可忽略微元體本身的質量?，F(xiàn)分析此微元體的受力情況，將微元體放大。,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變，也就沒有剪應力，凡是沒有剪應力
7、的面稱為主應面。作用在主應面上的力稱為主應力，因此前圖中的1為最大主應力，3為最小主應力。,土中某點應力狀態(tài)是個復雜的三向受力狀態(tài)，為簡化計算只考慮最大和最小主應力。要計算土中任意點任意截面上的正應力和剪應力可以通過數(shù)解法和圖解法求得。,,,A(,),土中某點的應力狀態(tài)可用摩爾應力圓描述,摩爾圓可以表示土體中一點的應力狀態(tài)，摩爾圓圓周上各點的坐標就表示該點在相應平面上的正應力和剪應力。,,,,斜面上的應力,,豎直法向等于0:水平法向等于0：,根據(jù)平衡條件,所有的力在,列出兩個平衡方程：,,應力圓與強度線相離（圓1）：,,,,,,強度線,,應力圓與強度線相切（圓2）：,,應力圓與強度線相割（圓3
8、）：,,極限應力圓,
9、o,o,B,C,,,結論:,（4）已知大小主應力中任何一個，即可求得另一個；或在已知抗剪指標與大小主應力的情況下，判斷土體的平衡狀態(tài)；,（1）土的強度破壞原因：由于土中某點剪切面上的剪應力達到和超過了土的抗剪強度所致。,（3）強度包線：當土體處于極限狀態(tài)時，土中該點的極限應力圓與抗剪強度線相切，一組極限應力圓的公切線。內(nèi)摩擦角：強度包線與縱坐標的截距為土的黏聚力，與橫坐標夾角為土的內(nèi)摩擦角。,（2）土中某點達到剪切破壞狀態(tài)的應力條件：必須是法向應力和剪應力的某種組合符合庫侖定律的破壞準則（大主應力作用面成某一夾角的平面上。,第三節(jié)抗剪強度的測定方法,室內(nèi)試驗：應力狀態(tài)被改變，取土過程受到干擾原
10、位測試：精度不高,,直接剪切試驗,,三軸壓縮試驗,,無側限抗壓強度試驗,,十字板剪切實驗,,測定土的抗剪強度的最簡單方法是直接剪切試驗。這種試驗使用的儀器稱為直接剪切儀(簡稱直剪儀)，儀器的主要部件見下圖。1.試驗裝置應變控制式與應力控制式兩種，前者以等應變速率使試樣產(chǎn)生剪切位移直至剪破，后者是分級施加水平剪應力并測定相應的剪切位移。目前我國使用較多的是應變控制式直剪儀。,應變控制式直剪儀,二、直接剪切試驗,,直剪儀(圖2),通過控制剪切速率來近似模擬排水條件,為了考慮固結程度和排水條件對抗剪強度的影響根據(jù)加荷速率的快慢將直剪試驗劃分為快剪、固結快剪和慢剪三種試驗類型。1.快剪Q(施加正應力后
11、立即剪切35分鐘內(nèi)剪壞)適用于滲透系數(shù)小于10-6cm/s的細粒土，以cq，fq表示。2.固結快剪R（施加正應力-充分固結在3-5分鐘內(nèi)剪切破壞)也適用于滲透系數(shù)小于10-6cm/s的細粒土，以ccq，fcq表示。3.慢剪S(施加正應力-充分固結慢慢施加剪應力-小于0.02mm/分，以保證無超靜孔壓)以cs，fs表示。上述三種方法的試驗結果如圖所示。從圖中可以看出，cqccqcs，而fqfcqfs。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,f,,設備簡單，操作方便結果便于整理測試時間短,優(yōu)點,,試樣應力狀態(tài)復雜應變不均勻不能控制排水條件剪切面固定,缺點,直接剪切驗：,（一）、抗剪強度包線,分別在不
12、同的周圍壓力3作用下進行剪切，得到34個不同的破壞應力圓，繪出各應力圓的公切線即為土的抗剪強度包線。,,,,,c,三、三軸接剪切試驗,（二）、三軸剪切試驗,試驗儀器：應變控制式三軸儀：應力控制式三軸儀,,受壓室,周圍壓力控制系統(tǒng),軸向加壓系統(tǒng),孔隙水壓力系統(tǒng),試樣體積變化量測系統(tǒng),,,,試驗步驟:,,2.施加周圍壓力,3.施加豎向壓力,1.裝樣,三軸壓縮試驗三軸是指一個豎向和兩個側向而言，由于壓力室和試樣均為圓柱形，因此，兩個側向(或稱周圍)的應力相等并為小主應力s3，而豎向(或軸向)的應力為大主應力s1。在增加s1時保持s3不變，這樣條件下的試驗稱為常規(guī)三軸壓縮試驗。,三軸壓縮儀,,,,主機
13、,量測系統(tǒng),穩(wěn)壓調(diào)壓系統(tǒng),應用范圍重大工程與科學研究；一級建筑物試驗儀器和試驗方法三軸壓縮試驗直接量測的是試樣在不同恒定周圍壓力下的抗壓強度，然后利用莫爾庫侖準則間接推求土的抗剪強度。,三軸壓縮儀（又稱三軸剪切儀）,,應變控制式三軸儀：壓力室加壓系統(tǒng)量測系統(tǒng),軸向加壓系統(tǒng),三軸壓縮試樣,方法：首先試樣施加靜水壓力室壓（圍壓）1=2=3；然后通過活塞桿施加的是應力差1=1-3。,（1）試樣應力特點與試驗方法：,特點：試樣是軸向對稱應力狀態(tài)。垂直應力z一般是最大主應力；徑向與切向應力總是相等r=x，亦即1=z；2=3=r,固結排水試驗（CD試驗）1打開排水閥門，施加圍壓后充分固結，超靜孔隙水壓力完
14、全消散；2打開排水閥門，慢慢施加軸向應力差以便充分排水，避免產(chǎn)生超靜孔壓,固結不排水試驗（CU試驗）1打開排水閥門，施加圍壓后充分固結，超靜孔隙水壓力完全消散；2關閉排水閥門，很快剪切破壞，在施加軸向應力差過程中不排水,不固結不排水試驗（UU試驗）1關閉排水閥門，圍壓下不固結；2關閉排水閥門，很快剪切破壞，在施加軸向應力差過程中不排水,cd、d,ccu、cu,cu、u,（2）試驗類型,（3）三軸試驗結果,,三軸試驗結果抗剪強度包線,,,,,c,分別在不同的周圍壓力3作用下進行剪切，得到34個不同的破壞應力圓，繪出各應力圓的公切線即為土的抗剪強度包線,,,,有效應力圓,總應力圓,u=0,cu,u
15、A,飽和粘性土在三組3下的不排水剪試驗得到A、B、C三個不同3作用下破壞時的總應力圓,試驗表明：三個試樣的周圍壓力3不同，但破壞時的主應力差相等，三個極限應力圓的直徑相等，因而強度包線是一條水平線,三個試樣只能得到一個有效應力圓,（1）不固結不排水剪（UU）,不同試驗方法的剪切試驗結果,（1）不固結不排水剪的剪切試驗結果,,虛線應力圓：將總應力圓在水平軸上左移uf得到相應的有效應力圓，按有效應力圓強度包線可確定c、,,,,,,ccu,c,實線應力圓：飽和粘性土在三組3下進行固結不排水剪試驗得到A、B、C三個不同3作用下破壞時的總應力圓，由總應力圓強度包線確定固結不排水剪總應力強度指標ccu、c
16、u,（2）固結不排水剪（CU）,（2）固結不排水剪的剪切試驗結果,,在整個排水剪試驗過程中，uf0，總應力全部轉化為有效應力，所以總應力圓即是有效應力圓，總應力強度線即是有效應力強度線。強度指標為cd、d,,,,,cd,總結:,對于同一種土，在不同的排水條件下進行試驗，總應力強度指標完全不同,有效應力強度指標不隨試驗方法的改變而不同，抗剪強度與有效應力有唯一的對應關系,（3）固結排水剪（CD）,（3）固結排水剪的剪切試驗結果,剪切過程中的超靜孔隙水壓力u對于飽和土試樣：孔壓系數(shù)B=1.0u=BA(=A(對于剪切過程中無體積變化：A=1/3剪切過程中發(fā)生剪縮：A1/3剪切過程中發(fā)生剪脹：A<1/
17、3(甚至可能A<0，u<0）,優(yōu)點：1應力狀態(tài)和應力路徑明確；2排水條件清楚，可控制；3破壞面不是人為固定的；4試驗單元體試驗,缺點：設備相對復雜，現(xiàn)場無法試驗,說明：30即為無側限抗壓強度試驗,（4）優(yōu)點和缺點,三軸壓縮試驗中當周圍壓力s3=0時即為無側限試驗條件，這時只有q=s1。所以，也可稱為單軸壓縮試驗。由于試樣的側向壓力為零，在側向受壓時，其側向變形不受限制，故又稱為無側限壓縮試驗。把這種情況下所能承受的最大軸向壓力稱為無側限抗壓強度以qu表示。試驗時仍用圓柱狀試樣，可在專門的無側限儀上進行，也可在三軸儀上進行。1.適用土質飽和粘性土2.試驗原理相當三軸壓縮試驗中，s3=0時的不排水
18、剪。3.試驗裝置,,3=0,（三）、無側限抗壓強度試驗,無側限壓縮儀,試驗成果與計算軸向應變e1，應按下式計算：軸向應力，應按下式計算：無側限抗壓強度Aa,取e-s曲線上峰值為無側限抗壓強度,,,,0,,,cu,無側限抗壓強度試驗,,qu,無側限抗壓強度試驗所得的極限應力圓的水平切線就是破壞包線,,一般適用于測定軟粘土的不排水強度指標；,鉆孔到指定的土層，插入十字形的探頭；,通過施加的扭矩計算土的抗剪強度,（四）、十字板剪切試驗,試驗時，先鉆孔至需要試驗的土層深度以上750mm處，然后將裝有十字板的鉆桿放入鉆孔底部，并插入土中750mm，施加扭矩使鉆桿旋轉直至土體剪切破壞。土體剪切面為十字板旋
19、轉形成的圓柱面。,1.適用土質條件軟弱粘性土、取原狀土困難的條件2.試驗設備3.試驗方法,土的抗剪強度：,,優(yōu)點(1)不需取樣，對土的結構擾動較小；(2)儀器構造簡單、操作方便，具有快速經(jīng)濟的優(yōu)點；(3)所得的軟粘土不排水抗剪強度常比無側限抗壓強度試驗的結果大，但較反映實際條件；(4)可測定軟粘土的靈敏度。(5)涉及的土體積比室內(nèi)試驗樣品大很多(6)可連續(xù)進行，可得到完整的土層剖面及物理力學指標缺點(1)難于控制測試中的邊界條件，如排水條件和應力條件(2)測試數(shù)據(jù)和土的工程性質的關系建立在統(tǒng)計經(jīng)驗關系上(3)測試設備進入土層對土層也有一定擾動(4)試驗應力路徑無法很好控制，試驗時的主應力方向與
20、實際工程往往不一致(5)應變場不均勻，應變速率大于實際工程的正常固結,平板載荷試驗確定地基承載力理論公式確定地基承載力確定地基承載力的其他方法,主要內(nèi)容,第四節(jié)地基承載力,地基破壞的模式,地基破壞主要是由于基礎下持力層抗剪強度不夠，土體產(chǎn)生剪切破壞所致，地基的破壞模式可分為：1.整體破壞（密實砂土，堅硬粘土）2.局部剪切破壞（土質較軟）3.沖剪破壞（軟粘土，深埋）,2.局部剪切松軟地基，埋深較大；曲線開始就是非線性，沒有明顯的驟降段。,3.沖剪破壞松軟地基，埋深較大；荷載板幾乎垂直下切，兩側無土體隆起。,1.整體破壞土質堅實,基礎埋深淺；曲線開始近直線，隨后沉降陡增，兩側土體隆起。,（1）整體
21、破壞,,,,,,,,,,,,,P,S,（2）局部剪切,,,,,,,,,,,,,,,P,S,地基破壞的模式特征,1940年在軟粘土地基上的某水泥倉的傾覆,水泥倉地基整體破壞,,,,,,,,,藍粘土,石頭和粘土,,,地基土可能的滑動方向,,巖石,辦公樓外墻,黃粘土,在軟粘土上的密砂地基的沖剪破壞,相鄰建筑物施工引起的原有建筑物的局部傾斜（軟粘土地基）,膨脹土地基上建筑物的開裂（美國加拿大）,潛在性膨脹土的分布限與熱帶和溫帶的半干旱地區(qū)內(nèi)。這種條件助長了蒙特石形成。很多國家都發(fā)現(xiàn)了膨脹土。印度的黑棉土,膨脹土對建筑物的危害,,,活動區(qū)域,荷載試驗沉降曲線（p-s),臨塑荷載,連續(xù)滑動面和極限荷載,塑
22、性區(qū)發(fā)展和臨界荷載,p,一、平板載荷試驗確定地基承載力,,,特征值fa(設計承載力),,（一）地基變形的三個階段,3.失穩(wěn)階段,（二）、平板荷載試驗確定地基承載力：,（1）荷載板周圍的土有明顯側向擠出；（2）荷載p增加很小，但沉降量s卻急劇增大，荷載沉降曲線出現(xiàn)陡降段；（3）在某一級荷載下，24h內(nèi)沉降速率不能達到穩(wěn)定標準。（4）沉降量與承壓板寬度或直徑之比(s/b)大于或等于0.06。,（1）當ps曲線上有比例界限時，取該比較界限所對應的荷載值；（2）當極限荷載小于對應比例界限的荷載值的2倍時，取極限荷載值的一半；（3）當不能按上訴兩款確定時，當壓板面積為0.250.50m2,可s/b=0.
23、010.015所對應的荷載，但其值不應大于最大家荷載量的一半。（4）同一土層參加統(tǒng)計的實驗點不應少于三點，當試驗實測值的極差不超過其平均值的30%時，取此平均值作為該土層的地基承載力特征值fak。,當滿足前三種情況之一時，取該比例界限所對應的荷載值；,承載力特征值按載荷試驗ps關系曲線確定，應滿足的要求：,出現(xiàn)下列情況土體被認為已經(jīng)達到破壞狀態(tài)：,當偏心距e0.33倍基礎底面寬度時：地基土承載力特征值：fa=Mbb+Mdmd+Mcckfa：相當于深寬修正后的承載力特征值（設計值）：基礎底面以下土的重度，地下水位以下取有效重度m:基礎底面以上土的加權平均重度，地下水位以下取有效重度Mb、Md、M
24、c為承載力系數(shù)：根據(jù)內(nèi)摩擦角k，按表4-1確定b:基底寬度，當b6m時，按6m考慮。對于沙土小于3m時，按3m考慮。ck:基底下一倍基礎底面短邊寬深度內(nèi)土的黏聚力標準值。d:基礎埋置深度,二、理論公式確定地基承載力,（一）其他試驗方法確定地基承載力,1、深層平板載荷試驗,2、旁壓試驗,3、螺旋壓板載荷試驗,（二）經(jīng)驗方法確定地基承載力,1、間接原位測試的方法,2、建立經(jīng)驗關系的方法,三、確定地基承載力的其他方法,,,3、規(guī)范推薦的地基載力表,當基礎寬度3m且埋置深度0.5m時，從荷載試驗或其他原位測試、經(jīng)驗值等方法確定的地基承載力特征值，按下式修正：fa=fak+b(b-3)+dm(d-0.5)b3m和b未知的情況下，都取b=3m所以上式可寫成：fa=fak+dm(d-0.5)fak:靜載荷試驗確定的承載力特征值（標準值）fa：修正后的承載力特征值（設計值）b、d：基礎寬度和埋深的地基承載力系數(shù)，按基地下土的類別查表4-2曲值。、,四、地基承載力特征值的修正,：基礎底面以下土的重度，地下水位以下取有效重度m:基礎底面以上土的加權平均重度，地下水位以下取有效重度b:基底寬度，當b3m和b未知的情況下，都取b=3m;b6m時按6m計算。d:基礎埋置深度,一般自室外地面標高算起。,
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