土力學及地基基礎

1、土力學及地基基礎課程設計土的抗剪強度試驗一、 直剪剪切試驗直剪剪切試驗是測定土的抗剪強度指標的一種方法。試驗使用的儀器稱為直剪剪切儀。試驗時先對正上、下剪切盒（用插銷固定），再將扁圓柱形試樣放在盒內(nèi)上、下兩塊透水石之間。施力時先拔插銷，通過傳壓板（活塞）加垂直荷載P，設試樣的水平面積為A，則剪切面上的正應力為=P/A。然后對下盒徐徐施加水平力Q，下盒能在滾珠上移動，此時試樣在限定的剪切面上開始產(chǎn)生剪切力=Q/A，剪力的大小可通過量力環(huán)測得。當剪應力增大到使土樣在剪切面發(fā)生剪切破壞時，該剪切力就是土樣的抗剪強度f.對同一種土通常取4個試樣，分別在不同垂直壓力下剪切破壞，一般可取垂直壓力為100，

2、200，300，400kPa。將試驗結果繪在以抗剪強度f為縱坐標、垂直壓力為橫坐標的圖上，通過各試驗點繪一直線，此即為抗剪強度包線。該直線在縱坐標上的截距為粘聚力c，與橫坐標的夾角為內(nèi)摩擦角，直線方程可用庫倫公式f=c+tan表示。為了模擬土體在現(xiàn)場可能受到的剪切條件，按剪切前的固結程度、剪切時的排水條件及加荷速率，把直接剪切試驗分為快剪、固結快剪和慢剪三種試驗方法。（1） 快剪。這是在整個實驗過程中，都不讓土樣排水固結，亦即不讓孔隙水壓力消散。先將試樣的上、下兩面均貼以不透水薄膜，在施加垂直壓力后，立即快速施加水平剪力，使試樣35min內(nèi)剪切破壞。由于剪切速率快，可認為試樣在短暫的剪切過程中

3、來不及排水固結。得到的強度指標用cq、q表示。（2） 固結快剪。施加垂直壓力后，讓試樣充分排水固結，待固結完成后，再快速施加水平剪力，使試樣在35min內(nèi)剪切破壞。得到的強度指標用ccq、cq表示。（3） 慢剪。施加垂直壓力并待試樣固結完成后，以緩慢的剪切速率施加水平剪力，使試樣在剪切過程中有充分的時間排水固結，直至剪切破壞。得到的強度指標用cs、s表示。二、 軸壓縮試驗三軸壓縮試驗所采用的三軸壓縮儀，是目前測定土的強度指標的較為完善的儀器。它由壓力室、軸向加荷設備、施加周圍壓力系統(tǒng)、孔隙水壓力量測系統(tǒng)等組成。試驗時，將試樣套在橡膠膜內(nèi)，放入密封的壓力室中，然后向壓力室壓入水，使試樣在各向受到

4、周圍壓力3，并使液壓在整個試驗過程中保持不變。此時試樣處于各向等壓狀態(tài)，因此試樣中不產(chǎn)生剪切力。然后再通過傳力桿對試樣施加豎向壓力1，這樣豎向主應力1=3+1就大于水平主應力3。當3保持不變，而1逐漸增大時，相應的應力圓也不斷增大。當應力圓達到一定大小時，試樣終于受剪而破壞，相應的應力圓即為極限應力圓。在給定的周圍壓力3作用下，一個試樣的試驗只能得到一個極限應力圓。為了求得強度包線，需要選用同一種土的34個試樣在不同的3作用下進行剪切，畫出相應的極限應力圓。這些應力圓的公切線即為抗剪強度包線，又稱破壞包線，一般取此包線為一直線。直線與縱軸的截距為土的聚力c，與橫軸的夾角為內(nèi)摩擦角。三軸壓縮試驗

5、亦可分為不固結不排水剪、固結不排水剪和固結排水剪三種試驗方法。1. 不固結不排水剪（UU試驗）試樣在施加周圍壓力和隨后施加豎向壓力直至剪切破壞的整個過程中都不允許排水，試驗自始至終關閉排水閥門。2. 固結不排水剪（CU試驗）試樣在施加周圍壓力3時打開排水閥門，允許試樣排水固結，待固結完成后關閉排水閥門，再施加豎向壓力，使試樣在不排水的條件下剪切破壞。3. 固結排水剪（CD試驗）試樣在施加周圍壓力3時允許排水固結，待固結完成后，再在排水條件下施加豎向壓力至試樣剪切破壞。三、 無側限抗壓強度試驗無側限抗壓強度試驗如同三軸儀中進行3=0的不排水剪切試驗一樣。試驗時，將圓柱形試樣放在無側限壓力儀中，在

6、不加任何側向壓力的情況下施加垂直壓力直到使試樣剪切破壞為止，剪切破壞時試樣所能承受的最大軸向壓力qu稱為無側限抗壓強度。這一試驗只適用于飽和粘性土。無側限抗壓強度試驗宜在812min內(nèi)完成。由于試驗時間較短，可以認為試樣在受剪過程中處于不排水條件。由于3=0，試驗結果只能作出一個極限應力圓（1=qu，3=0），。根據(jù)三軸不固結不排水剪切試驗的結果，飽和粘性土的抗剪強度包線為一條水平線，即u=0，因此，由無側限抗壓強度試驗所得的極限應力圓的水平切線就是抗剪強度包線，于是有：f=cu=qu/2。四、 十字板剪切試驗在抗剪強度的原位測試方法中，十字板剪切試驗常用于現(xiàn)場測定飽和粘性土的原位不排水抗剪強

7、度。試驗采用的儀器為十字板剪力儀。試驗時，先將套管打到預定深度，并清除管內(nèi)的土。把十字板安裝在鉆桿的下端，通過套管壓入土中，壓入深度約為750mm。然后由地面的扭力設備對鉆桿施加扭矩，帶動十字板旋轉，使十字板內(nèi)的圓柱形土體與周圍不動的土體之間發(fā)生相對的剪切位移直至土剪切破壞。這時土的剪切面為十字板旋轉所形成的圓柱面及上、下端面。設圓柱側面和上下表面的抗剪強度相等，通過量力設備可測得破壞時的扭矩M，它應等于圓柱形土體側面和上、下表面上的抵抗力矩之和，由此可求的土的不排水抗剪強度。十字板剪切試驗的優(yōu)點是不需取樣，對土的結構擾動較小，儀器構造簡單，操作方便，被認為是目前測定飽和粘性土抗剪強度的較好方

8、法。這種試驗得到的軟粘土不排水抗剪強度常比無側限抗剪強度試驗的結果大，但較能反映實際情況。土的抗剪強度在工程中的應用地基承載力問題建筑物對地基施加荷載后，地基產(chǎn)生滑動的趨勢，在滑動面上由土的抗剪強度抵抗外荷載引起的應力。地基極限承載力計算公式：pu=cNc+qNq+1/2bN上海地區(qū)的資料工程基礎尺寸m2埋深m基底壓力kPa計算極限荷載kPa配煤房10.7×46.51.5119122堆載試驗20×300150183上海展覽館46.4×46.50.5130205注：由于荷載的面積比較大，極限荷載都按下臥層的不排水強度指標計算上海焦化廠配煤房焦化廠配煤房由圖示的5個圓

9、形的鋼筋混凝土儲煤筒倉組成，儲煤筒倉直徑8m，高31m，并排置于帶肋的鋼筋混凝土筏板基礎上，基礎面積為46.5m×10.76m，基礎板厚度為30cm，埋置深度1.5m。儲煤筒倉的結構自重為38000kN，可裝煤21500kN。結構自重產(chǎn)生的基礎底面壓力為76kPa，總荷載（結構自重加儲煤重量）產(chǎn)生的基礎底面壓力為119kPa。地基上的抗剪強度指標淤泥質粘土的抗剪強度指標試驗方法 強度指標（°）C（kPa）直剪固結快剪試驗1312三軸不固結不排水試驗020原位十字板剪切試驗022配煤房在上部結構竣工前后3個月內(nèi)的平均沉降為47mm，沉降速率為0.5mm/d，已發(fā)現(xiàn)沉降稍有不均

10、，南側沉降較大，整體傾斜僅為2.7。竣工后6個月投入生產(chǎn)將5個儲煤筒倉全部裝滿煤，荷載突然增加了21500Kn,平均加荷速率為4300kN/d，基礎底面壓力的增長速率為8.6kPa/d。此時發(fā)現(xiàn)沉降速率迅速加快，加煤停止時，基礎南邊的沉降速率為10mm/d，北邊為8mm/d；停止加煤后4天時沉降速率增大至最大值，南邊達45mm/d，北邊為27mm/d。由于南北兩側的沉降不均勻，配煤房出現(xiàn)了明顯的傾斜，實測傾斜的發(fā)展過程曲線見圖3-22.最大的傾斜達到24，儲煤筒倉的重心明顯偏離基礎形心，不利于建筑的穩(wěn)定，于是決定采取工程措施進行糾偏。在配煤房的北側堆放鋼錠30000kN，控制堆載的速度不超過5

11、00kN/d，在糾偏荷載作用下，配煤房的傾斜逐漸減少，壓載3年后逐漸卸載，但沉降仍在繼續(xù)發(fā)展，卸載后6年實測的最大沉降量為1200mm，最小沉降量1100mm。地基承載力安全度分析分別采用固結不排水試驗指標和不固結不排水試驗指標計算地基極限承載力。取直剪試驗結果的內(nèi)摩擦角=13°，粘聚力c=12kPa時，用Hansen公式求得極限承載力等于202kPa。取原位十字板剪切試驗結果粘聚力c=22kPa時，求得極限承載力等于135kPa。原位十字板強度相當于土的天然強度，適用于土的天然強度，適用于加荷速度很快，地基土來不及排水固結時的地基穩(wěn)定驗算。對于焦化廠配煤房正常的施工期來說，由于加荷

12、速度比較慢，采用不固結不排水強度指標就低估了地基承載力；固結不排水試驗強度的影響，如果用于快速加荷條件下的地基承載力計算，則過高地估計了地基承載力，得到了偏于危險的計算結果。在這個工程實例中，采用固結不排水試驗指標計算得到的安全系數(shù)為1.70，與安全系數(shù)的一般經(jīng)驗值相比已經(jīng)是偏小了。如按一般考慮取安全系數(shù)為2，則得容許承載力101kPa，而基底壓力已達119kPa，顯然即使沒有快速裝煤，這個設計也是偏于不安全的。如果考慮到由于裝煤的時間很短，地基土來不及排水固結，則應采用不固結不排水試驗指標驗算。按不固結不排水指標得到的安全系數(shù)只有1.13，已經(jīng)臨近極限狀態(tài)了。當然，這個估計是偏于保守的。因為

13、實際情況可能介于兩者之間。即結構自重部分的加荷速度比較慢，施工結速后又有6個月的間歇時間，可以考慮部分的排水固結，而活載加荷速度又很快，后一部分加荷過程中不應考慮強度的增長。則實際的安全系數(shù)應介于上述兩種情況的安全系數(shù)1.131.70之間。土壓力問題土壓力的計算也需要用土的抗剪強度指標，如主動土壓力計算公式：pa=ztan2（45°-/2）在基坑工程設計中，土壓力是作用于基坑支護結構上的側向荷載，土壓力估計值的大小直接影響基坑工程設計的安全與經(jīng)濟。目前上海地區(qū)的工程經(jīng)驗是建立在采用直剪固快強度指標的基礎上，關于計算土壓力是如何考慮地下水作用的問題是十分重要的，存在不同的方法，稱為水土分算還是水土合算。按有效應力原理計算地下水的作用單獨考慮，則土壓力采用浮重度計算，內(nèi)摩擦角也采用有效內(nèi)摩擦角，即按有效應力原