第四章土抗剪强度与地承载力 PPT资料课件.ppt

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1、2022/12/21,1,第四章 土的抗剪强度 与地基承载力,2022/12/21,2,土的强度，通常指土的抗剪强度，而不是土的抗压强度或抗拉强度。,2022/12/21,3,工程中的强度问题概述,土的抗剪强度：土体抵抗剪切应力的极限值，或土的抗剪切破坏的受剪能力。,2022/12/21,4,地基承载力与地基稳定性土坡稳定性 天然土坡、人工土坡挡土墙及地下结构上的土压力,4.1.2 土的强度的应用,N小,压密或塑性变形区很小,地基稳定,N大,塑性变形区变大,连成一片,整体滑动,2022/12/21,5,4.2 土的极限平衡条件,土的抗剪强度是指剪切破坏极限平衡条件：当土体的剪应力等于土的抗剪强

2、度f时的临界状态。土的极限平衡条件：指土体处于极限平衡状态时土的应力状态和土的抗剪强度指标之间的关系。,13,，c,2022/12/21,6,土中一点的应力状态,土体内一点处不同方位的截面上应力的集合（剪应力 和法向应力）,静力平衡条件,联立求解,2022/12/21,7,莫尔应力圆方程,圆心坐标1/2(1 +3 )，0,应力圆半径r1/2(13 ),A(, ),土中某点的应力状态可用莫尔应力圆描述,2022/12/21,8,莫尔-库化破坏理论,1773年，库仑根据砂土剪切试验,f = tan,砂土,后来，根据粘性土剪切试验,f =c+ tan,粘土,c,库仑定律：土的抗剪强度是剪切面上的法向

3、总应力 的线性函数,f:抗剪强度，kPa：总应力，kPac:土的粘聚力,kPa:土的内摩擦角,度,2022/12/21,9,莫尔（1910）提出材料的破坏是剪切破坏，并提出在破坏面上的剪应力，是该面上法向应力的函数。即,这是一条曲线，称为莫尔包络线，简称莫尔包线（破坏包线、抗剪强度包线）。,理论和实践证明，土的莫尔包线通常可用直线代替，该直线方程就是库伦公式表达的方程。,莫尔库伦强度理论：由库伦公式表示莫尔包线的强度理论。,2022/12/21,10,7.2 土的抗剪强度理论,7.2.2 莫尔库伦强度理论及极限平衡条件,土的极限平衡条件,应力圆与强度线相离：,强度线,应力圆与强度线相切：,应力

4、圆与强度线相割：,极限应力圆,f,弹性平衡状态,=f,极限平衡状态,f,破坏状态,2022/12/21,11,莫尔库伦强度理论及极限平衡条件,c,A,cctg,1/2(1 +3 ),无粘性土：c=0,粉土和粘性土：,说明：破坏面与1作用面的夹角(45+/2),与3夹角(45-/2)。,2022/12/21,12,土体处于极限平衡状态时，破坏面与大主应力作用面的夹角为 f,说明：剪破面并不产生于最大剪应力面，而与最大剪应力面成 / 2的夹角，可知，土的剪切破坏并不是由最大剪应力max所控制,2022/12/21,13,【例】地基中某一单元土体上的大主应力为430kPa，小主应力为200kPa。通

5、过试验测得土的抗剪强度指标c=15 kPa， =20o。试问该单元土体处于何种状态？单元土体最大剪应力出现在哪个面上，是否会沿剪应力最大的面发生剪破？,【解答】,已知1=430kPa，3=200kPa，c=15kPa， =20o,1.计算法,计算结果表明：1f大于该单元土体实际大主应力1，实际应力圆半径小于极限应力圆半径，所以，该单元土体处于弹性平衡状态,2022/12/21,14,7.2 土的抗剪强度理论,计算结果表明： 3f小于该单元土体实际小主应力 3，实际应力圆半径小于极限应力圆半径 ，所以，该单元土体处于弹性平衡状态,在剪切面上,库仑定律,由于f ，所以，该单元土体处于弹性平衡状态,

6、2022/12/21,15,7.2 土的抗剪强度理论,2.图解法,c,最大剪应力与主应力作用面成45o,最大剪应力面上的法向应力,库仑定律,最大剪应力面上f ，所以，不会沿剪应力最大的面发生破坏,max,2022/12/21,16,4.3 土的抗剪强度试验,7.3.1 直接剪切试验,试验仪器：直剪仪（应力控制式，应变控制式）,2022/12/21,17,2022/12/21,18,剪切试验,剪前施加在试样顶面上的竖向压力为剪破面上的法向应力，剪应力由剪切力除以试样面积,在法向应力作用下，剪应力与剪切位移关系曲线，根据曲线得到该作用下，土的抗剪强度,2022/12/21,19,在不同的垂直压力（

7、一般取100、200、300、400）下进行剪切试验，得相应的抗剪强度f，绘制f - 曲线，得该土的抗剪强度包线。,对于无粘性土，直线通过原点。,2022/12/21,20,快剪试验：是在试样施加竖向压力后，立即快速（0.02mm/min）施加水平剪应力使试样剪切。固结快剪试验：是允许试样在竖向压力下排水，待固结稳定后，再快速施加水平剪应力使试样剪切破坏。慢剪试验：是允许试样在竖向压力下排水，待固结稳定后，则以缓慢的速率施加水平剪应力使试样剪切。,2022/12/21,21,优点：仪器构造简单，试样的制备和安装方便，易于操作 缺点：土样在试验中不能严格控制排水条件，无法量测孔隙水压力，无法计算

8、有效应力。试验剪切面固定在剪切盒的上、下盒之间，该处不一定正好是土样的薄弱面。试样中应力状态复杂，有应力集中情况，但仍按均布计算。试样发生剪切后，土样在上、下盒之间错位，实际剪切面面积逐渐减小，但仍按初始土样面积计算。,2022/12/21,22,三轴压缩试验,应变控制式三轴仪：压力室，轴向加荷系统，施加围压系统，量测系统组成,试验步骤:,2.施加周围压力,3.施加竖向压力,1.装样,2022/12/21,23,2022/12/21,24,分别在不同的周围压力3作用下进行剪切，得到34 个不同的破坏应力圆，绘出各应力圆的公切线即为土的抗剪强度包线,c,2022/12/21,25,优点：试验中能

9、严格控制试样排水条件，量测孔隙水压力，了解土中有效应力变化情况试样中的应力分布比较均匀 缺点：试验仪器复杂，操作技术要求高，试样制备较复杂 试验在2=3的轴对称条件下进行，与土体实际受力情况可能不符,2022/12/21,26,4.3.3 无侧限抗压强度试验,无侧限抗压强度试验是三轴剪切试验的特例，对试样不施加周围压力，即3=0，只施加轴向压力直至发生破坏，试样在无侧限压力条件下，剪切破坏时试样承受的最大轴向压力qu，称为无侧限抗压强度,2022/12/21,27,无侧限抗压强度试验,根据试验结果只能作出一个极限应力圆（3=0，1=qu）。因此对一般粘性土，无法作出强度包线,说明：对于饱和软粘

10、土，根据三轴不排水剪试验成果，其强度包线近似于一水平线，即u=0，因此无侧限抗压强度试验适用于测定饱和软粘土的不排水强度,qu,cu,u=0,无侧限抗压强度试验仪器构造简单，操作方便，可代替三轴试验测定饱和软粘土的不排水强度,缺点：试样的中段部位完全不受约束，当试样接近破坏时，往往被压成鼓形，这时试样中的应力不是均匀的。,2022/12/21,28,7.3 土的抗剪强度试验,7.3.4 十字板剪切试验,适用于现场测定饱和粘性土的不排水强度，尤其适用于均匀的饱和软粘土,剪切破坏时的扭力矩,剪切破坏时圆柱体侧面抗剪强度,剪切破坏时圆柱体上下面抗剪强度,在实际土层中，V,H是不同的，对于正常固结饱和

11、软粘土，H/V1.5-2.0；对于稍超固结的饱和软粘土为1.1。,常规试验中仍假设H=V=f,2022/12/21,29,十字板剪切试验,土的抗剪强度随深度的变化,右图正常固结饱和软粘土用十字板测定的结果，在硬壳层以下的软土层中抗剪强度随深度基本上成直线变化，可用下式表示：,由十字板在现场测定的土的抗剪强度，属于不排水剪切的试验条件，因此其结果一般与无侧限抗强度试验结果接近，即fqu/2,十字板剪切试验适用于饱和软粘土（），它的优点是构造简单，操作方便，原位测试时对土的结构扰动也较小，故在实际中广泛应用。但在软土层中夹砂薄层时，测试结果可能失真或偏高。,2022/12/21,30,按剪切前的固

12、结程度和剪切过程中的排水条件三轴试验可分为三种类型：1、不固结不排水试验（UU）：简称不排水抗剪强度2、固结不排水试验（CU）3、固结排水试验（CD）：简称排水抗剪强度,2022/12/21,31,抗剪强度指标的选择,土的抗剪强度指标随试验方法、排水条件的不同而异，对于具体工程问题，应该尽可能根据现场条件决定采用实验室的试验方法，以获得合适的抗剪强度指标,2022/12/21,32,影响抗剪强度指标的因素,2022/12/21,33,抗剪强度的来源,无粘性土：（1）滑动摩擦：存在于土粒表面之间，即在土体剪切过程中，剪切面上的土粒发生相对移动所产生的摩擦。（2）咬合摩擦：指相邻颗粒对于相对移动的

13、约束。土越密，磨圆度越小，咬合作用越强。,2022/12/21,34,粘性土,（1）内摩擦力（2）粘聚力 包括：范德华力：分子间的引力； 库仑力：静电作用力； 土中天然胶结物质：胶结作用。,2022/12/21,35,影响抗剪强度指标的各个因素,（1）土的物理化学性质 土的矿物成分 土的颗粒形状与级配 土的原始密度 土的含水率 土的结构（2）孔隙水压力的影响三轴固结排水剪、不固结不排水剪、固结不排水剪,2022/12/21,36,4.5 地基的临塑荷载和临界荷载,确定地基承载力的主要依据为强度理论。理论计算：用土的抗剪强度指标。实验方法：载荷试验。临塑荷载可用作地基承载力而偏于安全。地基的临界

14、荷载作为地基承载力，既安全，又经济。,2022/12/21,37,4.5.1 地基的临塑荷载,定义：在外荷作用下，地基中刚开始产生塑性变形（即局部剪切破坏）时基础底面单位面积上所承受的荷载。,2022/12/21,38,1.地基土中应力状态的三个阶段,a.压缩阶段（线性变形阶段）,塑性变形区,连续滑动面,oa段，荷载小，主要产生压缩变形，荷载与沉降关系接近于直线，土中f,地基处于弹性平衡状态,b.剪切阶段（塑性变形阶段）,ab段，荷载增加，荷载与沉降关系呈曲线，地基中局部产生剪切破坏，出现塑性变形区,c.隆起阶段（塑性流动阶段）,bc段，塑性区扩大，发展成连续滑动面，基础两侧土体隆起，荷载增加

15、，沉降急剧变化,2022/12/21,39,9.3.1 地基塑性变形区边界方程,1.地基土中应力状态的三个阶段,地基从压缩阶段过渡到剪切阶段的界限荷载，为比例界限荷载，或称为临塑荷载pcr,地基剪节阶段过渡到隆起阶段的界限荷载称为极限荷载pu,取pcr或pu/K（K为安全系数）确定浅基础的地基容许承载力。,2022/12/21,40,NC、Nq为承载力系数，均为的函数,第一部分为地基土粘聚力c作用，第二部分为基础两侧超载q或基础埋深d的影响，这两部分都是内摩擦角的函数，pcr随 、c、rd的增大而增大。,2022/12/21,41,4.5.2 地基的临界荷载,临塑荷载作为地基承载力，往往偏于保

16、守。,在临塑荷载作用下，地基刚开始出现塑性区,实际，建筑地基中可发生少量剪切破坏,塑性变形区控制在一定限度，不影响安全,可适当提高地基承载力的数值，节省造价,确定允许塑性区发展范围的大小,建筑物规模、重要性；荷载大小、性质；土的性质,2022/12/21,42,临界荷载是指允许地基产生一定范围塑性变形区所对应的荷载。,根据工程实践经验，在中心荷载作用下，塑性区最大开展深度zmax=b/4，在偏心荷载下控制zmax=b/3，对一般建筑物是允许的。p1/4、p1/3分别是允许地基产生zmax=b/4和b/3范围塑性区所对应的两个临界荷载。,2022/12/21,43,中心荷载,偏心荷载,N1/4、

17、N1/3为承载力系数，均为的函数,两个临界荷载由三部分组成，第一、二部分分别反映了地基土粘聚力和基础埋深对承载力的影响，这两部分组成临塑荷载；第三部分表现为基础宽度和地基土重度的影响，实际上受塑性区开展深度的影响。这三部分都随内摩擦角的增大而增大,2022/12/21,44,4.6 地基的极限荷载,地基的极限荷载在外荷作用下产生的应力达到极限平衡时的荷载。,极限荷载为地基开始滑动破坏的荷载，在进行建筑物基础设计时，当然不能采用极限荷载作为地基承载力，必须有一定安全系数K。 K值的大小，应根据建筑工程的等级、规模与重要性及各种极限荷载公式的理论、假定条件与适用情况确定，取1.5-3,2022/1

18、2/21,45,极限荷载计算公式,太沙基公式：适用于条形基础、方形基础、 和圆形基础;斯凯普顿公式：适用于饱和软土地基，内摩 擦角为0的浅基础;汉森公式：适用于倾斜荷载的情况。,2022/12/21,46,9.4.2 太沙基极限承载力,太沙基对普朗德尔理论进行了修正，考虑：地基土有重量，即0; 基底粗糙；不考虑基底以上填土的抗剪强度；在极限荷载作用下基础发生整体剪切破坏；假定地基中滑动面的形状如下图所示。,区：弹性压密区(弹性核),区：普朗特尔区，边界是对数螺线,区：被动朗肯区，1水平向，破裂面与水平面成45o / 2,2022/12/21,47,9.4.2 太沙基极限承载力,太沙基理论的极限

19、承载力理论解,Nr、Nq、Nc均为承载力系数，均与有关，太沙基给出关系曲线，可以根据相关曲线得到,上式适用于条形基础整体剪切破坏情况，对于局部剪切破坏，将c和tan均降低1/3,方形基础,局部剪切破坏时地基极限承载力,Nr 、Nq 、Nc为局部剪切破坏时承载力系数，也可以根据相关曲线得到,对于方形和圆形基础，太沙基提出采用经验系数修正后的公式,圆形基础,方形基础,圆形基础,整体剪切破坏,局部剪切破坏,2022/12/21,48,4.6.5 影响极限荷载的因素p183,1. 地基的破坏形式。2. 地基土的指标。3. 基础尺寸。4. 荷载作用的方向。,2022/12/21,49,浅基础的地基破坏模

20、式：,a. p-s曲线上有两个明显的转折点，可区分地基变形的三个阶段,b. 地基内产生塑性变形区，随着荷载增加塑性变形区发展成连续的滑动面,c. 荷载达到极限荷载后，基础急剧下沉，并可能向一侧倾斜，基础两侧地面明显隆起,1.整体剪切破坏(普朗德尔，1920）,地基土良好或中等，上部荷荷载超过地基极限荷载pu时，地基中的塑性变形区扩展连成整体，导致地基发生整体滑动破坏。,2022/12/21,50,2.局部剪切破坏（太沙基，1943）,a. p-s曲线转折点不明显，没有明显的直线段,b. 塑性变形区不延伸到地面，限制在地基内部某一区域内,c. 荷载达到极限荷载后，基础两侧地面微微隆起,当基础埋深大，加荷速率快时，因基础旁侧荷载rd大，阻止地基整体滑动破坏，使地基发生基础底部局部剪切破坏。,2022/12/21,51,3. 冲剪破坏（德贝尔和魏锡克，1959）,b.地基不出现明显连续滑动面,c.荷载达到极限荷载后，基础两侧地面不隆起，而是下陷,a.p-s曲线没有明显的转折点,基地基为松砂或软土，在外荷载作用下使地基产生大量沉降，基础竖向切入土中，发生冲剪切破坏。,docin/sanshengshiyuandoc88/sanshenglu,更多精品资源请访问,