土力学与地基基础课件学习情境四--确定地基承载力.pptx

1、计算土的抗剪强度计算土的抗剪强度抗剪强度的库仑抗剪强度的库仑定律定律抗剪强度相关指标 土的抗剪强度与金属、混凝土等材料的抗剪强度不同，它不是定值，而是受许多因素的影响。即使同一种土，在不同条件下其抗剪强度也不相同，它与剪切前土的密度、含水量、剪切方式、剪切时排水、排气等条件有关。为了研究土的抗剪强度，最简单的方法是将土样装在剪力盒中，如图4-1所示，在土样上 施加一定的法向压力，而后再在下盒上施加剪力T，使上下盒发生相对错动，把土样在上下盒接触面处剪坏，从而测得土的抗剪强度。1 1计算土的抗剪强度计算土的抗剪强度抗剪强度的库仑抗剪强度的库仑定律定律抗剪强度相关指标 取三个以上土样，加上不同的法

2、向压力，分别测得相应的抗剪强度，并由此绘出抗剪强度线，如图4-2(a)所示。试验证明，在法向压力变化范围不大时，抗剪强度与法向压力的关系近似为一条直线，这就是抗剪强度的库仑定律，如图4-2(b)所示。1 1计算土的抗剪强度计算土的抗剪强度抗剪强度的库仑抗剪强度的库仑定律定律抗剪强度相关指标1 1图4-1 剪切试验简图图4-2 抗剪强度与法向压力的关系 (a)砂土；(b)黏性土计算土的抗剪强度计算土的抗剪强度抗剪强度相关指抗剪强度相关指标标抗剪强度的库仑定律（一）土的抗剪强度 黏性土的抗剪强度指标变化范围颇大，诸如结构破坏、法向有效压力下的固结程度、剪切方式等因素对它们的影响要比对砂土大得多。黏

3、性土内摩擦角的变化范围大致为030；黏聚力c一般为10100 kPa，有的坚硬黏土甚至更高。1 1计算土的抗剪强度计算土的抗剪强度抗剪强度相关指抗剪强度相关指标标抗剪强度的库仑定律 砂土的内摩擦角一般随其粒度变细而逐渐降低。砾砂、粗砂、中砂的值为3240，细砂、粉砂的值为2836。松散砂的与天然休止角(也叫天然坡度角，即砂堆自然形成的最陡角度)相近，密砂的比天然休止角大。饱和砂土比同样密度的干砂值小12。1 1计算土的抗剪强度计算土的抗剪强度抗剪强度相关指抗剪强度相关指标标抗剪强度的库仑定律（二）土的摩擦力 土的摩擦力中除包括颗粒与颗粒的表面摩擦之外，还包括颗粒间的咬合力(即联锁作用)。咬合力

4、是指当颗粒嵌入其他颗粒之间，在产生相对滑动时，将嵌入的颗粒拨出所需的力。显然，密砂的咬合(联锁)作用要大于松砂，如图4-3所示。1 1计算土的抗剪强度计算土的抗剪强度抗剪强度相关指抗剪强度相关指标标抗剪强度的库仑定律1 1图4-3 砂土颗粒间的联锁作用 (a)密砂；(b)松砂计算土的抗剪强度计算土的抗剪强度抗剪强度相关指抗剪强度相关指标标抗剪强度的库仑定律（三）土的黏聚力 土的黏聚力包括原始黏聚力、加固黏聚力及毛细黏聚力三部分。1 12 2试验土的抗剪强度试验土的抗剪强度土的抗剪强度的测土的抗剪强度的测定定抗剪强度指标测定方法不同排水条件时的剪切试验(一)直接剪切(直剪)试验1.试验设备 应变

5、式直剪试验仪如图4-4所示。试验盒分为上盒、下盒两部分，土样夹在上下两块透水石之间，上、下盒的界面处在20 mm厚土样高度的中间，这就是固定的剪切破坏面。2 2试验土的抗剪强度试验土的抗剪强度土的抗剪强度的测土的抗剪强度的测定定抗剪强度指标测定方法不同排水条件时的剪切试验 图4-4 应变式直剪试验仪1推力；2竖向变形量表；3土样；4透水石；5上盒；6下盒；7钢环仪；8径向变形量表2 2试验土的抗剪强度试验土的抗剪强度土的抗剪强度的测土的抗剪强度的测定定抗剪强度指标测定方法不同排水条件时的剪切试验（二）试验过程 首先施加竖向压力，然后在仪器的一端施加剪力。在施加直剪力后，既有上下盒之间的错动(相

6、对位移，即剪切变形)，又有上下盒的共同变形。测出钢环仪的径向变形不断增加，当达到某一数值(即土的抗剪强度值)时，如果继续施力，就会出现力加不上去，量测变形的仪表指针出现倒退的情况，这就是破坏的开始，说明此时已超过了土的抗剪强度。2 2试验土的抗剪强度试验土的抗剪强度土的抗剪强度的测土的抗剪强度的测定定抗剪强度指标测定方法不同排水条件时的剪切试验 钢环仪径向变形的最大值乘以钢环常数就是土的抗剪强度值。如果继续施力，剪切变形会继续增加，量测变形的仪表指针虽然倒退，但不会退到零点，基本稳定在某一数值，这时钢环仪显示的变形值乘以钢环常数所得到的抗剪强度值称为残余抗剪强度。前面钢环仪径向变形的最大值乘以

7、钢环常数所得土的抗剪强度称为峰值抗剪强度。2 2试验土的抗剪强度试验土的抗剪强度土的抗剪强度的测土的抗剪强度的测定定抗剪强度指标测定方法不同排水条件时的剪切试验（三）试验特点1.直剪试验仪的优点 直剪试验仪的优点是仪器构造简单、传力明确、操作方便、试样薄、固结快、省时、仪器刚度大，不可能发生横向变形，仅根据竖向变形量就可计算试样体积的变化。这些优点使直剪仪至今还被广泛使用。2 2试验土的抗剪强度试验土的抗剪强度土的抗剪强度的测土的抗剪强度的测定定抗剪强度指标测定方法不同排水条件时的剪切试验2.直剪试验仪的缺点 直剪试验仪的缺点是试样所受外力状态比较简单，试样内的应力状态又比较复杂，应力、应变分

8、布不均匀。剪切破坏面事先已确定，这不能真实反映实际的复杂情况。在试验直至破坏的过程中，受剪切的实际面积在不断缩小，上下盒边缘处的应力集中很明显，所以剪切面上的应力、应变很不均匀又难以测定。直剪仪有一个明显缺点就是不能控制排水条件，不能测试试样中的孔隙水压力及其变化。2 2试验土的抗剪强度试验土的抗剪强度土的抗剪强度的测土的抗剪强度的测定定抗剪强度指标测定方法不同排水条件时的剪切试验(二)三轴剪切试验1.试验原理及设备组成 三轴剪切仪即三轴压缩仪，试样破坏的本质是压-剪型。土样是一个圆柱体，高为75100 mm，直径为3850 mm，用橡皮薄膜套起来，置于压力室中。土样三向受压，可以发生横向变形

9、，通过液压加周围压力，通过杠杆系统加竖向压力。当压力及其组合达到一定程度时，土样就会按规律产生一个斜向破裂面或沿弱面破裂。2 2试验土的抗剪强度试验土的抗剪强度土的抗剪强度的测土的抗剪强度的测定定抗剪强度指标测定方法不同排水条件时的剪切试验2.试验分类三轴剪切试验根据土样的排水条件可分为以下三种：1)不固结不排水试验。2)固结不排水试验。3)固结排水试验。(三)现场剪切试验试验原理及过程 现场剪切试验可分为大面积直剪试验、水平推剪试验及十字板剪切试验。本书仅简单介绍了十字板剪切试验。2 2基础土的抗剪强度的测定抗剪强度指标测定抗剪强度指标测定方法方法不同排水条件时的剪切试验试验土的抗剪强度试验

10、土的抗剪强度（一）总应力法 总应力法按排水条件的不同，在采用三轴压缩仪做试验时，分为不排水剪、排水剪及固结不排水剪三种试验方法。当采用直剪仪做试验时，与上述三种试验对应，分别称为快剪、慢剪与固结快剪。2 2基础土的抗剪强度的测定抗剪强度指标测定抗剪强度指标测定方法方法不同排水条件时的剪切试验试验土的抗剪强度试验土的抗剪强度（二）有效应力法 有效应力法中抗剪强度与有效应力的关系如图4-5所示。根据土样剪切试验的关系曲线，可求得有效应力的抗剪强度指标、c。取得、c后，校核地基强度与稳定可按下述步骤进行：2 2基础土的抗剪强度的测定抗剪强度指标测定抗剪强度指标测定方法方法不同排水条件时的剪切试验试验

11、土的抗剪强度试验土的抗剪强度图4-5 抗剪强度与有效应力的关系2 2基础土的抗剪强度的测定抗剪强度指标测定抗剪强度指标测定方法方法不同排水条件时的剪切试验试验土的抗剪强度试验土的抗剪强度 1)求出欲验算阶段的地基应力分布。2)按固结理论算出或根据现场实测资料得出所研究时刻地基中孔隙水应力的分布，从而知道地基中有效应力的分布。3)根据、c求出该阶段的地基极限承载力，并与外荷比较，判断土的强度与稳定是否得到保证。2 2基础土的抗剪强度的测定抗剪强度指标测定抗剪强度指标测定方法方法不同排水条件时的剪切试验试验土的抗剪强度试验土的抗剪强度（三）各种剪切试验方法的适用范围1.排水剪 加荷速率慢，排水条件

12、好，如透水性较好的低塑黏性土做挡土墙填土、明堑的稳定性验算、超压密土的蠕变等。2.固结不排水剪 一般建筑物地基的稳定性验算，如透水性较差的黏性土地基在施工期间有一定的固结作用。2 2基础土的抗剪强度的测定抗剪强度指标测定抗剪强度指标测定方法方法不同排水条件时的剪切试验试验土的抗剪强度试验土的抗剪强度3.不排水剪 透水性差的黏土地基，且施工速度快，或斜坡稳定性验算。2 2土的抗剪强度的测定抗剪强度指标测定方法不同排水条件时的不同排水条件时的剪切试验剪切试验试验土的抗剪强度试验土的抗剪强度（一）总应力强度指标和有效应力强度指标 在土的直接剪切试验中，因无法测定土样的孔隙水压力，施加于试样上的垂直法

13、向应力是总应力，所以土的抗剪强度表达式中的c、是土的黏聚力和内摩擦角，被称为总应力强度指标。2 2土的抗剪强度的测定抗剪强度指标测定方法不同排水条件时的不同排水条件时的剪切试验剪切试验试验土的抗剪强度试验土的抗剪强度（二）不同排水条件时的剪切试验方法 土的抗剪强度与试验时的排水条件密切相关，根据土体现场受剪的排水条件，有3种特定的试验方法可供选择，即三轴剪切试验中的不固结不排水剪、固结不排水剪和固结排水剪，对应直剪试验中的快剪、固结快剪和慢剪。2 2土的抗剪强度的测定抗剪强度指标测定方法不同排水条件时的不同排水条件时的剪切试验剪切试验试验土的抗剪强度试验土的抗剪强度（三）抗剪强度指标的选用 土

14、的抗剪强度指标随试验方法、排水条件的不同而异，因而在实际工程中应该尽可能根据现场条件决定室内试验方法，以获得合适的抗剪强度指标。指标的选用见表4-1。测定地基的承载力测定地基的承载力地基变形地基变形地基的临塑荷载 对地基进行静荷载试验时，一般可以得到如图4-6所示的荷载p和沉降s的关系曲线。从荷载开始施加至地基发生破坏，地基的变形经过以下三个阶段。3 3地基的临界荷载地基的极限承载力测定地基的承载力测定地基的承载力地基变形地基变形地基的临塑荷载3 3地基的临界荷载地基的极限承载力 图4-6 地基荷载试验的p-s曲线(a)地基荷载试验p-s曲线分段图；(b)地基土中不同压力时的变形测定地基的承载

15、力测定地基的承载力地基变形地基变形地基的临塑荷载(一)线性变形阶段 相应于p-s曲线的Oa部分。由于荷载较小，地基主要产生压密变形，荷载与沉降关系接近于直线。此时土体中各点的剪应力均小于抗剪强度，地基处于弹性平衡状态。(二)弹塑性变形阶段 相应于p-s曲线的ab部分。当荷载增加到超过a点压力_时，荷载与沉降之间呈曲线关系。此时土中局部范围内产生剪切破坏，即出现塑性变形区。随着荷载增加，剪切破坏区逐渐扩大。3 3地基的临界荷载地基的极限承载力测定地基的承载力测定地基的承载力地基变形地基变形地基的临塑荷载(三)破坏阶段 相应于p-s曲线的bc部分。在这个阶段塑性区已发展到形成一连续的滑动面，荷载略

16、有增加或不增加，沉降均有急剧变化，地基丧失稳定。3 3地基的临界荷载地基的极限承载力测定地基的承载力测定地基的承载力地基变形地基的临塑荷载地基的临塑荷载 地基的临塑荷载是指地基土中将要出现但尚未出现塑性变形区时的基底压力。其计算公式可根据土中应力计算的弹性理论和土体极限平衡条件导出。3 3地基的临界荷载地基的极限承载力测定地基的承载力测定地基的承载力地基变形地基的临塑荷载地基的临塑荷载 地基的临界荷载是指允许地基产生一定范围塑性区所对应的荷载。工程实践表明，即使地基发生局部剪切破坏，地基中塑性区有所发展，只要塑性区范围不超出某一限度，就不致影响建筑物的安全和正常使用，因此，用不允许地基产生塑性

17、区的临塑荷载pcr作为地基承载力，往往不能充分发挥地基的承载能力，取值偏于保守。3 3地基的临界荷载地基的临界荷载地基的极限承载力测定地基的承载力测定地基的承载力地基变形地基的临塑荷载地基的临塑荷载 对于中等强度以上地基土，把控制地基中塑性区发展深度的临界荷载作为地基承载力，使地基既有足够的安全度以保证稳定性，又能比较充分地发挥地基的承载能力，从而达到优化设计，减少基础工程量，节约投资的目的，符合经济合理的原则。允许塑性区开展深度的范围大小与建筑物重要性、荷载性质和大小、基础形式、地基土的物理力学性质等有关。3 3地基的临界荷载地基的临界荷载地基的极限承载力测定地基的承载力测定地基的承载力地基

18、变形地基的临塑荷载地基的临塑荷载（一）地基的破坏形式 在荷载作用下，建筑物地基的破坏通常是由于承载力不足而引起的剪切破坏。地基剪切破坏的形式可分为冲剪破坏、局部剪切破坏和整体剪切破坏三种。1.冲剪破坏 冲剪破坏的原因是基础下软弱土的压缩变形使基础连续下沉，如荷载继续增加到某一数值时，基础可能向下“切入”土中，基础侧面附近的土体因垂直剪切而破坏，如图4-7(a)所示。3 3地基的临界荷载地基的临界荷载地基的极限承载力地基的极限承载力测定地基的承载力测定地基的承载力地基变形地基的临塑荷载地基的临塑荷载3 3地基的临界荷载地基的临界荷载地基的极限承载力地基的极限承载力 图4-7 地基的破坏形式(a)冲剪破坏；(b)局部剪切破坏；(c)整体剪切破坏测定地基的承载力测定地基的承载力地基变形地基的临塑荷载地基的临塑荷载（二）地基极限承载力的求解方法 地基极限承载力的求解方法一般有两种：一种是根据土的极限平衡理论和已知的边界条件，计算出土中各点达到极限平衡时的应力及滑动方向，求得基底极限承载力；另一种是通过基础模型试验，研究地基的滑动面形状并进行简化，根据滑动土体的静力平衡条件求得极限承载力。3 3地基的临界荷载地基的临界荷载地基的极限承载力地基的极限承载力谢 谢谢 谢