土力學-04ppt課件

1、第四章 土的抗剪強度與地基承載力土的強度問題實質上是土的抗剪強度。本章主要介紹:地基強度的意義和應用土的極限平衡條件抗剪強度指標的測定地基承載力的確定影響抗剪強度指標的因素1第一節(jié) 概述地基強度條件 在建筑物的上部荷載作用下，確保地基的穩(wěn)定性，不發(fā)生地基剪切破壞或滑動破壞。1.地基強度的意義 為了建筑物的安全可靠，建筑地基必須滿足兩個條件：地基變形條件、地基強度條件2 載荷試驗與地基強度（1）用載荷試驗結果p-s曲線說明地基強度的意義3加拿大特朗斯康谷倉：地基整體滑動破壞（2）用地基強度破壞的工程實例說明地基強度的意義4土體滑動破壞52.土的強度的應用 地基承載力與地基穩(wěn)定性 土坡穩(wěn)定性6擋土

2、墻及地下結構上的土壓力7 土的強度通常是指土的抗剪強度 地基受荷載作用后，土中各點同時產生法向應力和剪應力，其中法向應力作用將對土體施加約束力，這是有利的因素；而剪應力作用可使土體發(fā)生剪切，這是不利的因素。抗剪強度是指土體抵抗剪切破壞的極限能力 若地基中某點的剪應力數值達到該點的抗剪強度，則此點的土將沿著剪應力作用方向產生相對滑動，此時稱該點發(fā)生強度破壞。8本節(jié)完9第二節(jié) 土的極限平衡條件極限平衡狀態(tài) 當土體的剪應力等于土的抗剪強度f 時的臨界狀態(tài)稱為極限平衡狀態(tài)極限平衡條件 指土體處于極限平衡狀態(tài)時土的應力狀態(tài)和土的抗剪強度指標之間的關系式，即1、 3與內摩擦角、粘聚力c之間的數學表達式。1

3、01.土體中任一點的應力狀態(tài)（1）土體內一點處不同方位的截面上應 力的集合（剪應力 和法向應力）331131dldlcosdlsin地面Mz11（2）任意斜面上的應力任意截面上的法向應力與剪應力 根據楔體靜力平衡條件dl31dlcosdlsin12莫爾應力圓方程O13(1 +3 ) /22A(, )圓心坐標(1 +3 ) /2，0應力圓半徑r (1-3 ) /2（3）用莫爾應力圓表示斜面上的應力132.莫爾一庫侖破壞理論(1)莫爾一庫侖破壞理論由此函數關系 所確定的曲線稱為莫爾破壞包線。莫爾一庫侖破壞理論認為材料破壞是剪切破壞，在破壞面上的剪應力f是法向應力的函數：0f14庫侖通過一系列土的強

4、度實驗，于1776年總結出土的抗剪強度規(guī)律：(2) 庫侖抗剪強度定律 NT 砂土粘性土 c15c 土的內聚力。土的內摩擦角。砂 土 f tan粘性土 f c +tan這種以庫侖定律表示莫爾破壞包線的理論稱為莫爾一庫侖破壞理論 庫侖抗剪強度破壞包線為一條直線，即f f () c +tan16應力圓與強度線相離： 強度線應力圓與強度線相切：應力圓與強度線相割：f 已破壞3.土的極限平衡條件(1)地基中任意平面上的應力狀態(tài)1731cf 2f Accot (1 +3 ) /2無粘性土c =0粘性土(2)極限平衡方程18土體處于極限平衡狀態(tài)時，破壞面與大主應力作用面的夾角為f說明：剪破面并不產生于最大剪

5、應力面，而與最大主應力面成45o+ /2的夾角，土的剪切破壞并不是由最大剪應力所控制 f2 f31cAccot (1 +3 )/2max19f =c+tan c 1 3 1 3 f f f f f (13)/2 (13 )/2 sinf (13 )/2 cos 2f =90o+ 2 f = 45o+ /2 = 45o /220判斷土體是否發(fā)生剪切破壞f =c+tan c 1 3 相離：未破壞相切：破壞方法1應力圓與強度線的關系相割：破壞f 21f =c+tan c 1 3 方法2 應力圓心到強度線的距離 1/2(1 - 3 ) 1/2(1+3) sin+ccos 破 壞 1/2(1 -3 )

6、1/2(1+3) sin+ccos 未破壞1 3 22f =c+tan c 1 3 *3 *1 *1 3 tan2(45o+/2) +2c tan (45o+/2) 1 *1 :未破壞1 *1:破壞方法3 比較實際最大主應力1和用最小主應力計算的對應破壞的最大主應力*1 23例題分析【例】某粘性土地基的= 45o ，c=24kPa,若地基中某點的大主應力1 =140kPa，小主應力3=30kPa，問該點是否破壞？【解答】 為了加深對本節(jié)內容的理解，下面用三種方法求解。1.方法一在剪切面上 24f ：未破壞庫侖定律 25 1/2(1 - 3 ) 1/2(1+3) sin+ccos 未破壞2.方法

7、二f =c+tan c 1 3 1/2(1-3 ) =55kPa1/2(1+3) sin+ccos=57.67kPa263.方法三1 *1 :未破壞3 *3 :未破壞或者27本節(jié)完281.直接剪切試驗試驗儀器：直剪儀（應力控制式，應變控制式）第三節(jié) 抗剪強度指標的確定 29直 剪 儀3031剪應力試驗成果法向應力制備試樣試驗步驟安裝試樣測記初始讀數施加豎向壓力施加水平剪切荷載終止試驗（測定剪切后試樣含水量）重復步驟2732在不同的垂直壓力下進行剪切試驗，得相應的抗剪強度f，繪制f 曲線，得該土的抗剪強度包線33直剪試驗優(yōu)缺點優(yōu)點：儀器構造簡單，試樣的制備和安裝方便， 易于操作 缺點 剪切破壞面

8、固定為上下盒之間的水平面不符合實際情況，不一定是土樣的最薄弱面。 試驗中不能嚴格控制排水條件，不能量測土樣的孔隙水壓力。 上下盒錯動，剪切過程中試樣剪切面積逐漸減小，剪切面上的剪應力分布不均勻34應變控制式三軸儀：壓力室，加壓系統(tǒng)，量測系統(tǒng)組成應力控制式三軸儀試驗步驟 3 3 3 3 3 3施加周圍壓力施加豎向壓力裝樣2.三軸剪切試驗試驗儀器： 三軸儀（應力控制式，應變控制式）35三軸儀36應變控制式三軸儀：壓力室，量測系統(tǒng)37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 c試驗成果 抗剪強度包線38不固結不排水剪（UU）施加周圍

9、壓力3、軸向壓力直至剪破的整個過程都關閉排水閥門，不允許試樣排水固結 3 3 3 3 3 3三種試驗方法 固結不排水剪（CU）固結排水剪（CD）施加周圍壓力3時，試樣充分排水固結，施加軸向壓力直至剪破的過程中關閉排水閥門，不允許試樣排水固結整個試驗過程中都打開閥門排水39三軸試驗優(yōu)缺點試驗儀器復雜，操作技術要求高，試樣制備較復雜 試驗在2=3的軸對稱條件下進行，與土體實際受力情況可能不符 試驗中能嚴格控制試樣排水條件，量測孔隙水壓力，了解土中有效應力變化情況試樣中的應力分布比較均勻 缺點 優(yōu)點40ququ加壓框架量表量力環(huán)升降螺桿無側限壓力儀試樣3.無側限抗壓強度試驗試驗儀器：無側限壓力儀41

10、無側限壓力儀42 無側限抗壓強度試驗是三軸剪切試驗的特例，對試樣不施加周圍壓力，即3=0，只施加軸向壓力直至發(fā)生破壞，試樣在無側限壓力條件下，剪切破壞時試樣承受的最大軸向壓力qu，稱為無側限抗壓強度 試驗原理適用土質：飽和粘性土 根據試驗結果只能作出一個極限應力圓，其坐標為（3=0，1=qu）。因此對一般粘性土，無法作出強度包線43對于飽和軟粘土，根據三軸不排水剪試驗成果，其強度包線近似于一水平線，即u=0，因此無側限抗壓強度試驗適用于測定飽和軟粘土的不排水強度qucuu=0 無側限抗壓強度試驗儀器構造簡單，操作方便，可代替三軸試驗測定飽和軟粘土的不排水強度 44靈敏度 粘性土的原狀土無側限抗

11、壓強度與原土結構完全破壞的重塑土的無側限抗壓強度的比值根據靈敏度將飽和粘性土分類：低靈敏度土 1St2中靈敏度土 24反映土的結構受擾動對強度的影響程度 453.十字板剪切試驗試驗儀器：十字板剪切儀適用條件：適用于地基為軟弱粘性土試驗方法： 打入套管 將十字板插入套管 施加扭矩，直至土體破壞 46成果計算柱體上下平面的抗剪強度產生的抗扭力矩：柱體側面剪應力產生的抗扭力矩：47本節(jié)完481.抗剪強度的來源無粘性土：抗剪強度來源于內摩擦力?；瑒幽Σ?咬合摩擦粘性土：抗剪強度來源于內摩擦力與粘聚力兩部分。 內摩擦力 粘聚力：范德華力 庫侖力 土中天然膠結物質第四節(jié) 影響抗剪強度指標的因素 492.影

12、響抗剪強度指標的各種因素（1）土的物理化學性質的影響 土粒的礦物成分 （2）孔隙水壓力的影響三軸固結排水剪抗剪強度最大，三軸固結不排水剪居中，三軸不固結不排水剪最小。 土的顆粒形狀與級配 土的原始密度 土含水率 土的結構50本節(jié)完511.地基的臨塑荷載定義第五節(jié) 地基的臨塑荷載和臨界荷載地基的臨塑荷載是指在外荷載作用下，地基中剛開始產生塑性變形時基礎底面單位面積上所承受的荷載。臨塑荷載計算公式522.地基的臨界荷載定義當地基中的塑性變形區(qū)最大深度為：臨界荷載計算公式中心荷載基礎 Zmax=b/4偏心荷載基礎 Zmax=b/3與此相對應的基礎底面壓力，分別以P1/4或P1/3表示，稱為臨界荷載5

13、3公式推導 根據彈性理論，地基中任意點由條形均布壓力所引起的附加大、小主應力 塑性區(qū)的發(fā)展范圍 zzbdq= dp013M54 假定在極限平衡區(qū)土的靜止側壓力系數K0=1，M點土的自重應力所引起的大小主應力均為 (dz) M點達到極限平衡狀態(tài)，大、小主應力滿足極限平衡條件塑性區(qū)邊界方程總應力55塑性區(qū)最大深度zmax當zmax0，地基所能承受的基底附加壓力為臨塑荷載當zmaxb/4，b/3時，地基所能承受的基底附加壓力分別為界限荷載P1/4，P1/3中心荷載偏心荷載56本節(jié)完57定義極限荷載計算公式 地基的極限荷載指地基在外荷載作用下產生的應力達到極限平衡時的荷載。 太沙基公式 適用于條形基礎

14、、方形基礎和圓形基礎斯凱普頓公式 適用于飽和軟土地基，內摩擦力角=0的淺基礎漢森公式 適用于傾斜荷載的情況1.地基的極限荷載概念第六節(jié) 地基的極限荷載58 地基極限荷載的一般計算公式：適用范圍：太沙基極限承載力理論假定 適用于基礎底面粗糙的條形基礎；并推廣應用于方形基礎和圓形基礎 條形基礎，均布荷載作用 2.太沙基（K.Terzaghi)公式 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 滑動土體分為三區(qū)59底面粗糙，基底與土之間有較大的摩擦力，能阻止基底土發(fā)生剪切位移，基底以下土不會發(fā)生破壞，處于彈性平衡狀態(tài)區(qū)：彈性壓密區(qū)(彈性核)區(qū)：普朗特爾區(qū) 邊界是對數螺線 區(qū)：被動

15、朗肯區(qū) 1水平向，破裂面與水平面成45o / 260公式 條形基礎（較密實地基） 整體剪切破壞 條形基礎（松軟地基） 局部剪損 方形基礎 圓形基礎 地基承載力61 適用條件 極限荷載公式3.斯凱普頓（Skempton)公式 飽和軟土地基，內摩擦角 =0 淺基礎，基礎埋深d2.5b 矩形基礎半經驗公式 ： 地基承載力公式式中：c地基土的粘聚力，取基礎底面以下0.7b 深度范圍內的平均值，kPa62 適用條件 極限荷載公式 傾斜荷載作用基礎形狀基礎埋深 ：適用于db的情況，并考慮d/b的影響4.漢森（Hansen J.B.)公式式中：Sr、Sq、Sc 基礎的形狀系數ir、iq、ic 荷載傾斜系數6

16、3 地基承載力公式dr、dq、dc 深度修正系數gr、gq、gc 地面傾斜系數br、bq、bc 基底傾斜系數Nr、Nq、Nc 承載力系數說明：相關系數均可以有相關公式進行計算64地基的破壞形式整體剪切破壞5.影響極限荷載的因素局部剪切破壞沖切剪切破壞極限荷載大極限荷載小65 地基土的指標土的內摩擦角土的粘聚力c土的重度地基土的 ，c和重度越大，則極限荷載相應也越大由極限承載力公式：66基礎尺寸基礎寬度基礎埋深荷載作用方向荷載為傾斜方向荷載為豎直方向荷載長時期作用荷載作用時間短暫荷載作用時間傾斜角越大，極限荷載越小極限荷載可提高67五、按規(guī)范確定地基承載力1. 鐵路橋涵地基基礎設計規(guī)范Hb地 基容許承載力基本承載力寬度