土質(zhì)土力學06土的抗剪性與地基土承載力計算課件

6土的抗剪性與地基土承載力計算6.1土的抗剪性6.2地基承載力概述6.3土的極限平衡條件6.4地基承載力理論計算6土的抗剪性與地基土承載力計算6.1土的抗剪性1土是一種抗壓不抗拉的材料，其破壞一般認為符合庫侖—莫爾強度理論，即土在外力作用下發(fā)生的破壞通常屬于剪切破壞。土抵抗外力剪切破壞的性能稱為土的抗剪性。土的抗剪性是土的重要的力學性質(zhì)之一。抗剪性的指標是抗剪強度，即土受到外力作用以后，土粒間發(fā)生滑動，土抵抗剪切破壞的極限強度，或土發(fā)生剪切破壞時，在剪切破壞面上的最大剪應(yīng)力。土體的抗剪能力來自于土粒間的摩擦阻力(即內(nèi)摩擦力)和土粒間的連結(jié)力(凝聚力、粘聚力)。土是一種抗壓不抗拉的材料，其破壞一般認為符合庫侖—莫爾強度理21、土的抗剪強度的測定土的抗剪性通過試驗方法進行測定，主要是測定抗剪強度指標：（1）反映土粒間摩擦阻力的指標——內(nèi)摩擦角；（2）反映土粒間結(jié)構(gòu)連接強度的指標——粘聚力c。試驗方法包括室內(nèi)試驗和野外試驗，具體有直接剪切試驗、三軸剪切試驗、十字板剪切試驗等。1、土的抗剪強度的測定31）直接剪切試驗(直剪試驗)水平力Tp垂直壓力水平力Tp垂直壓力實驗前實驗后直剪試驗一般平行做3個以上的相同土樣不同正壓力的試驗。試驗成果包括剪應(yīng)力與剪應(yīng)變的關(guān)系曲線和剪應(yīng)力與正應(yīng)力的關(guān)系曲線。1）直接剪切試驗(直剪試驗)水平力Tp垂直壓力水平力Tp4剪應(yīng)力與剪應(yīng)變關(guān)系曲線上有一個峰值點，其對應(yīng)的剪應(yīng)力即為相應(yīng)正壓力下的抗剪強度，不同正壓力下的剪應(yīng)力與剪應(yīng)變曲線的形狀基本上一樣的，但之間存在位移。利用剪應(yīng)力與剪應(yīng)變曲線，可以獲得不同正壓力下的抗剪強度值。同時，該曲線也表明，當剪應(yīng)力超過抗剪強度后，土體發(fā)生剪切破壞，但破壞以后土體仍具有一定的強度，具體表現(xiàn)為剪應(yīng)力與剪應(yīng)變曲線在峰值后下降到一定程度后曲線變的平緩，其對應(yīng)的剪應(yīng)力稱為殘余抗剪強度。殘余抗剪強度在評價土坡穩(wěn)定性時經(jīng)常被使用，通常在研究堅硬粘土坡首次滑動、正在滑動或剛停止不久的滑坡以及古滑坡復(fù)活等時應(yīng)提供殘余抗剪強度。剪應(yīng)力與剪應(yīng)變關(guān)系曲線上有一個峰值點，其對應(yīng)的剪應(yīng)力即為相應(yīng)5取不同正壓力下的抗剪強度作與正壓力的關(guān)系曲線，即為抗剪強度曲線。所謂正壓力是指垂直作用在剪切破壞面上的壓力，即剪切面的正壓應(yīng)力。剪應(yīng)力與正應(yīng)力關(guān)系曲線實際上莫爾包絡(luò)線(一系列極限莫爾圓的公切線，三軸剪切試驗所確定)，當該曲線為直線時，稱為庫侖強度曲線，其方程稱為庫侖定律。抗剪強度曲線與正壓應(yīng)力軸的夾角稱為內(nèi)摩擦角，該曲線在剪應(yīng)力軸上的截距稱為粘聚力c。取不同正壓力下的抗剪強度作與正壓力的關(guān)系曲線，即為抗剪強度曲6干或飽和砂土、濕砂土及粘性土的庫侖定律有些差別。干或飽和砂土的抗剪強度曲線為通過原點的曲線；而濕砂土和粘性土的抗剪強度曲線不通過原點，即曲線在縱軸上存在截距，粘性土的截距較大，而濕砂土的截距往往很小。當抗剪強度曲線呈直線時，其方程為：干或飽和砂土：f=tg濕砂土：f=tg+c粘性土：f=tg+c上述各式中，tg——內(nèi)摩擦力，是強度曲線的斜率；——內(nèi)摩擦角；c——粘聚力。干或飽和砂土、濕砂土及粘性土的庫侖定律有些差別。干或飽和砂土7通常濕砂土的強度曲線在縱軸上的截距稱為表觀粘聚力，是毛細連結(jié)力所引起的，一般很小，在工程實踐中往往忽略不計。而粘性土強度曲線在縱軸上的截距c稱為粘聚力，是粘性土顆粒之間的水膠連接甚至膠結(jié)連接力所引起的，其數(shù)值往往較大，粘性土的抗剪強度往往主要由粘聚力構(gòu)成的，土粒間的摩擦阻力通常較小，表現(xiàn)在曲線斜率一般不大，因此，其粘聚力是不能被忽略的。

通常濕砂土的強度曲線在縱軸上的截距稱為表觀粘聚力，是毛細連結(jié)8對于砂土，其內(nèi)摩擦角近似等于土的天然休止角，其大小與土的密實程度有關(guān)，中密砂的內(nèi)摩擦角一般在26~30，密實砂的內(nèi)摩擦角一般為30~35。對于粘性土，內(nèi)摩擦角一般較小，而粘聚力較大，其大小與土的類型有關(guān)，粘土的內(nèi)摩擦角一般6~22，粘聚力為5~100kpa，粉質(zhì)粘土的內(nèi)摩擦角一般為10~25，粘聚力為5~60kpa，粘質(zhì)粉土一般為14~28，粘聚力為0~20kpa。對于砂土，其內(nèi)摩擦角近似等于土的天然休止角，其大小與土的密實92）三軸剪切試驗直接剪切試驗存在以下四個方面的問題：（1)試驗過程中不能控制排水條件，這是試驗裝置本身的缺陷，沒有測定孔隙水壓力的裝置，而土在剪切過程中，隨著正壓力的施加以及剪應(yīng)力的增加，孔隙水壓力也發(fā)生變化，從而使有效應(yīng)力發(fā)生相應(yīng)的變化，對測定結(jié)果產(chǎn)生影響，由于無法測定孔隙水壓力，因此也就無從了解有效應(yīng)力的變化，測定的結(jié)果通常用總應(yīng)力表示，忽略了孔隙水壓力的影響，使結(jié)果與實際不符；（2)直接剪切試驗時，剪切面是固定的，即土體沿著指定的剪切面發(fā)生剪切位移和破壞，這個面不一定是實際土體的破壞面，實際土體在受到外力發(fā)生剪切破壞時，破壞面是土體中剪應(yīng)力超過抗剪強度的面(即所謂的最薄弱面)；2）三軸剪切試驗10（3)直接剪切試驗時剪切面的應(yīng)力狀態(tài)很復(fù)雜，往往在某些部位產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，正壓力也容易因上下盒的中軸線不重合發(fā)生偏轉(zhuǎn)，而且剪切面在剪切位移的過程中其面積由于產(chǎn)生空洞或剪切位移作用而發(fā)生改變(變小)，剪應(yīng)力相應(yīng)增加，計算抗剪強度時仍按照土樣的原截面面積計算，使試驗結(jié)果與實際存在偏差；（4)試驗時容易在上下盒間嵌入砂粒，使試驗結(jié)果偏大。（3)直接剪切試驗時剪切面的應(yīng)力狀態(tài)很復(fù)雜，往往在某些部位11因此在工程實踐中采用三軸剪切試驗來測定土的抗剪強度。通常所做的三軸試驗屬于準三軸試驗，即圍壓2=3的試驗。試驗時對土樣施加三個方向的壓力作用，土體將沿一個與三個壓力方向均斜交的面發(fā)生剪切破壞。這種試驗又稱三軸壓縮試驗。所施加的三個壓力為主應(yīng)力，試驗時其方向是固定的，試驗條件是1>2=3，而破壞面則是不固定的。因此在工程實踐中采用三軸剪切試驗來測定土的抗剪強度。通常所做121Pc3實驗裝置13實驗裝置131Pc3單一破壞面13單一破壞面1413X共軛破壞面13X共軛破壞面15為了獲得強度曲線，確定抗剪強度指標，通常要制備3~4個土樣進行不同圍壓的壓縮試驗，其成果是一組土樣發(fā)生剪切破壞時的(1i，3i)(i=1，2……，n)(n為土樣數(shù)量)。由這些資料作每個土樣發(fā)生破壞時的莫爾圓(在~坐標系中)(極限莫爾圓)，這些極限莫爾圓的包絡(luò)線即為強度曲線，若為直線則為庫侖強度曲線，其方程即為庫侖定律。31為了獲得強度曲線，確定抗剪強度指標，通常要制備3~4個土樣進16三軸剪切試驗的優(yōu)點之一是在試驗過程中能隨時測定孔隙水壓力的變化。當符合庫侖定律時，抗剪強度與正應(yīng)力之間存在如下關(guān)系——即庫侖定律：f=tg+c——無孔隙水壓力時f=(-u)tg’+c’——有孔隙水壓力時其中，’——有效內(nèi)摩擦角；c’——有效粘聚力；——剪切破壞面上的總正應(yīng)力；u——孔隙水壓力(超靜)，由正應(yīng)力和剪應(yīng)力所引起孔隙水壓力的增加值。三軸剪切試驗的優(yōu)點之一是在試驗過程中能隨時測定孔隙水壓力的變172、土的抗剪強度的組成從庫侖定律可以看出，砂土及碎石土的抗剪強度由內(nèi)摩擦阻力構(gòu)成，粘性土的抗剪強度則由內(nèi)摩擦阻力和粘聚力兩個部分構(gòu)成：內(nèi)摩擦阻力包括土粒之間相對位移所產(chǎn)生的表面摩擦力、土粒間連鎖作用而產(chǎn)生的咬合力。咬合力是土體相對位移滑動時，將嵌在其他顆粒之間的土粒拔出所需要的力，土越密實，連鎖作用越強，咬合力越大。2、土的抗剪強度的組成18粘聚力包括原始粘聚力、固化粘聚力和毛細粘聚力。原始粘聚力即為水膠連接力，可因擾動而喪失部分或全部，但會隨著時間而恢復(fù)其中的一部分或全部，土越密實，原始粘聚力越大。固化粘聚力即為膠結(jié)連接力，是土因膠結(jié)作用而產(chǎn)生的粘聚力，當土的天然結(jié)構(gòu)破壞時，固化粘聚力隨之喪失，而且不能恢復(fù)。毛細粘聚力是毛細作用引起的，一般很小，往往忽略不計。粘聚力包括原始粘聚力、固化粘聚力和毛細粘聚力。原始粘聚力即為193、影響土的抗剪強度的因素1)土的礦物成分、顆粒形狀和級配的影響對于粘性土，主要是礦物成分的影響。不同粘土礦物具有不同的晶格結(jié)構(gòu)，它們的穩(wěn)定性、親水性和膠體特性也各不相同，因而對粘性土的抗剪強度（主要是對粘聚力）產(chǎn)生顯著的影響。一般來說，粘性土的抗剪強度隨著粘粒和粘土礦物含量的增加而增大，或者說隨著膠體活動性的增強而增大。對于砂性土，主要是顆粒的形狀、大小及級配的影響。一般來說，在土的顆粒級配中，粗顆粒越多、形狀越不規(guī)則、表面越粗糙，則內(nèi)摩擦角越大，因而抗剪強度越高。3、影響土的抗剪強度的因素202)含水量的影響含水量的增高一般會使土的抗剪強度降低。這種影響主要表現(xiàn)在兩方面，一是水分在較粗顆粒之間起著潤滑作用，使摩擦阻力降低；一是粘土顆粒表面結(jié)合水膜的增厚使粘聚力（水膠連接力）減小。但試驗研究表明，砂土在干燥狀態(tài)時的內(nèi)摩擦角值與飽和狀態(tài)時的內(nèi)摩擦角值差別很小，僅1~2，即含水量對砂土的抗剪強度的影響很小。而對于粘性土，含水量對抗剪強度有重大影響，通常粘性土在相同法向壓力下的不排水抗剪強度隨含水量的增高而急劇下降。2)含水量的影響213)天然密實度的影響一般地，土的天然密實度越大，抗剪強度就越高。對于粗顆粒土如砂土，密實度越大，顆粒之間的咬合作用越強，因而摩擦阻力越大；對于細顆粒土如粘性土，密實度大則意味著顆粒之間的距離越近，水膜越薄，粘聚力就越大。同一種粗顆粒土如砂土，不同密實度時，剪切過程中，剪應(yīng)力與剪應(yīng)變曲線的形態(tài)是不同的。密砂的剪應(yīng)力隨剪應(yīng)變的增加而很快增大到某個峰值，而后逐漸減小一些，最后趨于某一穩(wěn)定的終值，體積變化開始時稍有減小，隨后不斷增加（呈剪脹性）；松砂的剪應(yīng)力隨著剪應(yīng)變的增加而緩慢地增大并趨于某一最大值，不出現(xiàn)峰值，體積在受剪時相應(yīng)地減?。ǔ始艨s性）。所以，在實際允許較小剪應(yīng)變的條件下，密砂的抗剪強度顯然大于松砂。3)天然密實度的影響224)粘性土觸變性的影響粘性土的強度會因受到擾動而削弱，但經(jīng)過靜置又可得到一定程度的恢復(fù)，對于粘性土的這一特性稱為觸變性。由于粘性土具有觸變性，故在粘性土地基中進行鉆探取樣時，若土樣受到明顯擾動，則試樣就不能反映其天然強度，土的靈敏度越大，這種影響就越顯著；又如在靈敏度較高的粘性土地基中開挖基坑，地基土也會因為施工擾動而發(fā)生強度削弱。粘性土的觸變性對強度的影響應(yīng)值得注意。另一方面，當擾動停止后，粘性土的強度又會隨時間而逐漸增長。如在粘性土中進行打樁時，樁側(cè)土因受到擾動而導致強度降低，但在停止打樁后，土的強度逐漸恢復(fù)，樁的承載力也隨之增加，這種現(xiàn)象是土的觸變性影響的表現(xiàn)。4)粘性土觸變性的影響235)土的應(yīng)力歷史土的受壓過程所造成的受力歷史狀態(tài)，對土的強度的試驗結(jié)果也有影響?？梢詮膲嚎s曲線相應(yīng)的強度曲線的形態(tài)特征得到證明。6)孔隙水壓力孔隙水壓力不會產(chǎn)生土顆粒之間的摩擦力，只有作用在顆粒之間的有效應(yīng)力才能產(chǎn)生內(nèi)摩擦強度。根據(jù)有效應(yīng)力原理，孔隙水壓力升高，有效應(yīng)力下降，抗剪強度也下降。5)土的應(yīng)力歷史244、剪切試驗三種排水條件類型1）根據(jù)試驗時的排水條件的不同，將土的抗剪強度試驗(直剪試驗)分為：（1)慢剪——排水剪（CD），土在受到外力(通常為正壓力作用后，壓縮達到穩(wěn)定、土體充分固結(jié)后，再施加剪切力作用使其剪切破壞，剪切過程中能夠充分排水。這種試驗過程中，不會產(chǎn)生孔隙水壓力，即無孔隙水壓力。通常對于排水條件好的土(如砂土等粗粒土)，當施工時間較長且加荷速率較小時，評價其強度采用慢剪試驗。4、剪切試驗三種排水條件類型25（2)固結(jié)快剪——固結(jié)不排水剪（CU），土在受到外力作用后，壓縮穩(wěn)定、充分固結(jié)后，加剪力在3~5min內(nèi)將其剪壞，剪切過程中不排水。一般地質(zhì)條件下、一般建筑工程中采用。（3)快剪——不排水剪（UU），土在受到外力作用后，立即在3~5min內(nèi)將其剪壞，剪切過程中不排水。適用于加荷速率大、排水條件差、施工時間短的情況，以及評價土坡穩(wěn)定和飽和粘土的強度時。一般直剪試驗儀無測定孔隙水壓力的裝置。（2)固結(jié)快剪——固結(jié)不排水剪（CU），土在受到外力作用后262）三軸剪切試驗根據(jù)試驗排水條件也分為慢剪、固結(jié)快剪和快剪三種試驗。（1)慢剪（CD）——對土樣施加三向相等的壓力3，待孔隙水壓力完全消散后，在保持圍壓3不變的前提下則逐漸加大1，直至土樣發(fā)生剪切破壞。期間保持孔隙水壓力為0，即不產(chǎn)生孔隙水壓力。試驗獲得的強度曲線是斜線，存在c和，極限應(yīng)力圓隨位置而變化?？倯?yīng)力與有效應(yīng)力相等。2）三軸剪切試驗根據(jù)試驗排水條件也分為慢剪、固結(jié)快剪和快剪三272)固結(jié)快剪（CU）——對土樣施加三向相等的壓力3，待孔隙水壓力完全消散后，在保持圍壓3不變的前提下則加大軸向壓力1，直至土樣發(fā)生剪切破壞。期間孔隙水壓力不為0，即產(chǎn)生孔隙水壓力u’，剪切面上的正應(yīng)力>孔隙水壓力u’。試驗獲得的強度曲線也是斜線，存在c和，極限應(yīng)力圓隨位置而變化。3)快剪（UU）——對土樣施加三向相等的壓力3后，立即在保持圍壓3不變的前提下則加大軸向壓力1，直至土樣發(fā)生剪切破壞。期間孔隙水壓力沒有消散，且剪切面上的正應(yīng)力與孔隙水壓力u相等，有效應(yīng)力等于0。試驗獲得的強度曲線是平行于軸，僅存在c。正常固結(jié)的飽和粘性土，慢剪時的抗剪強度約等于其固結(jié)快剪時的有效抗剪強度。

2)固結(jié)快剪（CU）——對土樣施加三向相等的壓力3，待孔28UUCUCDcUUcCUcCDUUCUCDcUUcCUcCD295、土的無側(cè)限抗壓強度試驗與靈敏度的測定三軸剪力儀壓縮試驗時，周圍壓力3=0，當試樣發(fā)生剪切破壞時，施加在試樣上的軸向壓力稱為無側(cè)限抗壓強度，以qu表示，這種試驗稱為無側(cè)限抗壓強度試驗。由于沒有周圍壓力，因而根據(jù)試驗結(jié)果，只能作一個極限應(yīng)力圓，很難得到破壞包絡(luò)線。飽和粘性土的三軸不固結(jié)不排水試驗結(jié)果表明，其破壞包絡(luò)線為一水平線，即u=0，因此，對于飽和粘性土的不排水抗剪強度，就可以利用無側(cè)限抗壓強度qu來確定，飽和粘性土不排水抗剪強度為：cu=qu/2cuqu=5、土的無側(cè)限抗壓強度試驗與靈敏度的測定cu=qu/2c30利用無側(cè)限抗壓強度試驗可以測定飽和粘性土的靈敏度St。土的靈敏度是以原狀土的強度與同一土經(jīng)重塑后（完全擾動但含水量不變）的強度之比來表示，即根據(jù)靈敏度的大小，可將飽和粘性土分為：低靈敏土（1<St2）中靈敏土（2<St4）高靈敏土（St>4）土的靈敏度越高，其結(jié)構(gòu)性越強，受擾動后土的強度降低越多。粘性土受擾動而強度降低的性質(zhì)，一般來說對工程建設(shè)是不利的，如在基坑開挖過程中，因施工可能造成土的擾動而使地基強度降低。利用無側(cè)限抗壓強度試驗可以測定飽和粘性土的靈敏度St。土的靈316、強度試驗方法與指標的選用從前面介紹中可以看出，土的抗剪強度及其指標的確定將因所采用的分析方法（總應(yīng)力法或有效應(yīng)力法）的不同而不同。目前常用的試驗手段主要是直接剪切試驗和三軸剪切試驗兩種，三軸剪切試驗?zāi)軌蚩刂婆潘畻l件并可測量土樣中孔隙水壓力的變化，直接剪切試驗則不能。三軸剪切試驗與直接剪切試驗各自的三種試驗方法，理論上是一一對應(yīng)的。直接剪切試驗方法中“快”與“慢”只是“不排水”和“排水”的等義詞，并不是為了解決剪切速率對強度的影響問題，而僅是為了通過快和慢的剪切速率來解決土樣的排水條件問題。所以，當把慢剪與排水剪，快剪與不排水剪，固結(jié)快剪與固結(jié)不排水剪一一對比分析之后，便可以明確在實際工程中不同試驗方法及相應(yīng)的強度指標的選用條件。6、強度試驗方法與指標的選用32土的抗剪強度的有效應(yīng)力指標c,=c+tg=-u符合土的破壞機理，但有時孔隙水壓力u無法確定土的抗剪強度的總應(yīng)力指標c,=c+tg便于應(yīng)用,但u不能產(chǎn)生抗剪強度，不符合強度機理，應(yīng)用時要符合工程條件強度指標抗剪強度簡單評價有效應(yīng)力指標最科學、最準確地反映了土強度實質(zhì)。盡管有效應(yīng)力決定強度，但在很多情況下，，其中u并不能準確確定，而外加荷載產(chǎn)生的總應(yīng)力一般已知。這樣，總應(yīng)力指標還是有用的，如解決某些工程問題：土石壩水位驟降、基礎(chǔ)及建筑物快速施工等。但由于u本身不能產(chǎn)生抗剪強度，但對于合理或正確模擬排水條件還是由一定的意義。土的抗剪強度的=c+tg符合土的破壞機33(’)ccff超固結(jié)粘土的總應(yīng)力與有效應(yīng)力強度包線(CU)u(-)強度包線與破壞主應(yīng)力線u(+)總應(yīng)力有效應(yīng)力(’)ccff超固結(jié)粘土的總應(yīng)力與有效應(yīng)346土的抗剪性與地基土承載力計算6.1土的抗剪性6.2地基承載力概述6.3土的極限平衡條件6.4地基承載力理論計算6土的抗剪性與地基土承載力計算6.1土的抗剪性35一、地基承載力概念

建筑物荷載通過基礎(chǔ)作用于地基，對地基提出兩個方面的要求：1、變形要求建筑物基礎(chǔ)在荷載作用下產(chǎn)生最大沉降量或沉降差，應(yīng)該在該建筑物所允許的范圍內(nèi)

2、穩(wěn)定要求建筑物的基底壓力，應(yīng)該在地基所允許的承載能力之內(nèi)

地基承載力：地基土單位面積所能承受荷載的能力。地基承載力問題是屬于地基的強度和穩(wěn)定性問題一、地基承載力概念建筑物荷載通過基礎(chǔ)作用于地基，對地基提出36二、地基變形的三個階段0sppcrpuabca.線性變形階段oa段，荷載小，主要產(chǎn)生壓縮變形，荷載與沉降關(guān)系接近于直線，土中τ＜τf,地基處于彈性平衡狀態(tài)b.彈塑性變形階段ab段，荷載增加，荷載與沉降關(guān)系呈曲線，地基中局部產(chǎn)生剪切破壞，出現(xiàn)塑性變形區(qū)c.破壞階段bc段，塑性區(qū)擴大，發(fā)展成連續(xù)滑動面，荷載增加，沉降急劇變化二、地基變形的三個階段0sppcrpuabca.線性變形階37地基開始出現(xiàn)剪切破壞（即彈性變形階段轉(zhuǎn)變?yōu)閺椝苄宰冃坞A段）時，地基所承受的基底壓力稱為臨塑荷載pcr地基瀕臨破壞（即彈塑性變形階段轉(zhuǎn)變?yōu)槠茐碾A段）時，地基所承受的基底壓力稱為極限荷載pup＜pcrpcr＜p＜pup≥pu塑性變形區(qū)連續(xù)滑動面土中塑性區(qū)發(fā)展到不同深度時，其相應(yīng)的荷載稱為臨界荷載地基開始出現(xiàn)剪切破壞（即彈性變形階段轉(zhuǎn)變?yōu)閺椝苄宰冃坞A38三、地基的破壞形式

1、整體剪切破壞1）p-s曲線上有兩個明顯的轉(zhuǎn)折點，可區(qū)分地基變形的三個階段2）地基內(nèi)產(chǎn)生塑性變形區(qū)，隨著荷載增加塑性變形區(qū)發(fā)展成連續(xù)的滑動面3）荷載達到極限荷載后，基礎(chǔ)急劇下沉，并可能向一側(cè)傾斜，基礎(chǔ)兩側(cè)地面明顯隆起連續(xù)滑動面連續(xù)滑動面整體剪切破壞常發(fā)生于淺埋基礎(chǔ)下的密砂或硬粘性土等堅實地基中。三、地基的破壞形式1、整體剪切破壞1）p-s曲線上有兩個明392、局部剪切破壞1）p-s曲線轉(zhuǎn)折點不明顯，沒有明顯的直線段2）塑性變形區(qū)不延伸到地面，限制在地基內(nèi)部某一區(qū)域內(nèi)3）荷載達到極限荷載后，基礎(chǔ)兩側(cè)地面微微隆起局部剪切破壞常發(fā)生于中等密實砂土中2、局部剪切破壞1）p-s曲線轉(zhuǎn)折點不明顯，沒有明顯的直線段403、沖剪破壞2）地基不出現(xiàn)明顯連續(xù)滑動面3）荷載達到極限荷載后，基礎(chǔ)兩側(cè)地面不隆起，而是下陷1）p-s曲線沒有明顯的轉(zhuǎn)折點沖剪破壞形式發(fā)生于松砂或軟土中3、沖剪破壞2）地基不出現(xiàn)明顯連續(xù)滑動面3）荷載達到極限荷41地基的剪切破壞形式，除與地基土的性質(zhì)有關(guān)外，還與基礎(chǔ)埋置深度、加荷速率等因素有關(guān)。如在密砂地基中，一般會出現(xiàn)整體剪切破壞，但當基礎(chǔ)埋置很深時，密砂在很大荷載作用下也會產(chǎn)生壓縮變形，而出現(xiàn)刺入剪切破壞；在軟粘土中，當加荷速率較小時，會產(chǎn)生壓縮變形而出現(xiàn)刺入剪切破壞，但當加荷速率很快時，由于土體不能產(chǎn)生壓縮變形，就可能發(fā)生整體剪切破壞。地基的剪切破壞形式，除與地基土的性質(zhì)有關(guān)外，還與基礎(chǔ)埋置深度421、根據(jù)原位測試確定——包括載荷試驗、標準貫入試驗、靜力觸探等2、根據(jù)理論公式計算——根據(jù)土的強度理論推導出的有關(guān)公式，再除于安全系數(shù)或限制地基中塑性區(qū)發(fā)育程度確定3、根據(jù)經(jīng)驗取值——根據(jù)大量測試資料和建筑經(jīng)驗，通過數(shù)理統(tǒng)計分析，總結(jié)出各類型土在某種條件下的承載力。使用時只要根據(jù)土的物理、力學性質(zhì)指標或標準貫入試驗等的結(jié)果，查表確定。體現(xiàn)在地方規(guī)范中。4、根據(jù)模型試驗確定——重大工程采用。四、地基承載力確定途徑1、根據(jù)原位測試確定——包括載荷試驗、標準貫入試驗、靜力觸探436土的抗剪性與地基土承載力計算6.1土的抗剪性6.2地基承載力概述6.3土的極限平衡條件6.4地基承載力理論計算6土的抗剪性與地基土承載力計算6.1土的抗剪性44土的強度破壞通常為剪切破壞。一般將土體的剪應(yīng)力等于土的抗剪強度時的臨界狀態(tài)稱為極限平衡狀態(tài)。土在外力作用下達到極限平衡狀態(tài)時，土中的應(yīng)力與抗剪強度指標之間的關(guān)系，稱為土的極限平衡條件。土的強度破壞通常為剪切破壞。45一、土體中任一點的應(yīng)力狀態(tài)1、幾點假設(shè)土是均勻連續(xù)的非彈性的直線變形體——適用彈性理論飽和粘性土的應(yīng)力為穩(wěn)定后的終值應(yīng)力和終值變形

一、土體中任一點的應(yīng)力狀態(tài)462、土體受外力作用而處于靜力平衡狀態(tài)時土中一點的應(yīng)力狀態(tài)（平面問題）單元微體中任一截面上的正應(yīng)力與剪應(yīng)力與主應(yīng)力（1和3）之間的關(guān)系為（——截面與最大主應(yīng)力面夾角）：2、土體受外力作用而處于靜力平衡狀態(tài)時土中一點的應(yīng)力狀態(tài)（平473、土中某一平面的應(yīng)力狀態(tài)——莫爾圓與強度曲線的關(guān)系當剪應(yīng)力<f時，土處于穩(wěn)定狀態(tài)，莫爾圓位于強度曲線之下，土處于彈性狀態(tài)。當剪應(yīng)力=f時，土處于極限平衡狀態(tài)，莫爾圓與強度曲線相切。當剪應(yīng)力>f時，土處于破壞狀態(tài)，莫爾圓部分位于強度曲線之上。3、土中某一平面的應(yīng)力狀態(tài)——莫爾圓與強度曲線的關(guān)系48二、

土的極限平衡條件1、非粘性土極限平衡條件非粘性土的粘聚力c=0，強度曲線通過原點。極限平衡狀態(tài)時，莫爾圓與強度曲線相切。當強度滿足庫侖定律時，則切點所代表的平面是土中處于極限平衡狀態(tài)的平面。該平面與最大主應(yīng)力面之間的夾角根據(jù)幾何關(guān)系為：=（——土的內(nèi)摩擦角）。當莫爾圓處于強度曲線之下時，<；相切時，=；莫爾圓超出強度曲線的部分，>。二、土的極限平衡條件492、粘性土極限平衡條件粘性土的粘聚力c>0，強度曲線不通過原點。利用莫爾圓與強度曲線的關(guān)系分析其極限平衡條件。當莫爾圓與強度曲線相切時，切點代表極限平衡的截面（潛在破裂面），該面上的剪應(yīng)力與相應(yīng)正應(yīng)力下的抗剪強度相等。根據(jù)幾何關(guān)系，潛在破裂面與最大主應(yīng)力面之間的夾角=45+/2。2、粘性土極限平衡條件503、極限平衡條件的主應(yīng)力與抗剪強度指標之間關(guān)系的表達利用極限莫爾圓進行分析，推導出有關(guān)表達式：或土的極限平衡條件不僅具有理論意義，也具有工程實用意義，可用于地基承載力的理論計算和土壓力計算。土的極限平衡條件土的極限平衡條件3、極限平衡條件的主應(yīng)力與抗剪強度指標之間關(guān)系的表達土的極限516土的抗剪性與地基土承載力計算6.1土的抗剪性6.2地基承載力概述6.3土的極限平衡條件6.4地基承載力理論計算6土的抗剪性與地基土承載力計算6.1土的抗剪性52一、按塑性區(qū)發(fā)展范圍確定地基承載力1、塑性區(qū)的發(fā)展范圍

zzbdq=dpβ0σ1σ3根據(jù)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(yīng)力

假定在極限平衡區(qū)土的靜止側(cè)壓力系數(shù)K0=1，M點土的自重應(yīng)力所引起的大小主應(yīng)力均為(d＋z)M一、按塑性區(qū)發(fā)展范圍確定地基承載力1、塑性區(qū)的發(fā)展范圍zz53M點達到極限平衡狀態(tài)，大、小主應(yīng)力滿足極限平衡條件，則——塑性區(qū)邊界方程塑性區(qū)最大深度zmax：由zZmax0塑性區(qū)邊界M點達到極限平衡狀態(tài)，大、小主應(yīng)力滿足極限平衡條件，則——塑542、臨塑荷載pcr和臨界荷載當zmax＝0，地基所能承受的基底附加壓力為臨塑荷載塑性區(qū)開展深度在某一范圍內(nèi)所對應(yīng)的荷載為界限荷載(臨界荷載)中心荷載，塑性區(qū)深度為基礎(chǔ)寬度的1/4偏心荷載，塑性區(qū)深度為基礎(chǔ)寬度的1/32、臨塑荷載pcr和臨界荷載當zmax＝0，地基所能承受的基553、例題分析

【例】某條基，底寬b=1.5m，埋深d=2m，地基土的重度＝19kN/m3，飽和土的重度sat＝21kN/m3,抗剪強度指標為=20°，c=20kPa,求(1)該地基承載力p1/4,(2)若地下水位上升至地表下1.5m，承載力有何變化【解答】(1)(2)地下水位上升時，地下水位以下土的重度用有效重度說明：當?shù)叵滤簧仙龝r，地基的承載力將降低3、例題分析【例】某條基，底寬b=1.5m，埋深d=2m，56二、按極限荷載確定地基承載力1、普朗特爾極限承載力理論

1920年，普朗特爾根據(jù)塑性理論，在研究剛性物體壓入均勻、各向同性、較軟的無重量介質(zhì)時，導出達到破壞時的滑動面形狀及極限承載力公式。PbccddⅠⅡⅡ45o＋/245o－/2ⅢⅢ將無限長，底面光滑的荷載板至于無質(zhì)量的土(＝0)的表面上，荷載板下土體處于塑性平衡狀態(tài)時，塑性區(qū)分成五個區(qū)Ⅰ區(qū)：主動朗肯區(qū)，1豎直向，破裂面與水平面成45o＋/2Ⅱ區(qū)：普朗特爾區(qū)，邊界是對數(shù)螺線Ⅲ區(qū)：被動朗肯區(qū)，1水平向，破裂面與水平面成45o－/2二、按極限荷載確定地基承載力1、普朗特爾極限承載力理論57普朗特爾理論的極限承載力理論解式中：承載力系數(shù)當基礎(chǔ)有埋深d時式中：普朗特爾理論的極限承載力理論解式中：承載力系數(shù)當基礎(chǔ)有埋深d582、太沙基極限承載力理論

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)。PaabccddⅠⅡⅡⅢ45o＋/245o－/2ⅢⅠ區(qū)：彈性壓密區(qū)(彈性核)Ⅱ區(qū)：普朗特爾區(qū)，邊界是對數(shù)螺線Ⅲ區(qū)：被動朗肯區(qū)，1水平向，破裂面與水平面成45o－/2對數(shù)螺旋線直線2、太沙基極限承載力理論底面粗糙，基底與土之間有較大的摩擦59太沙基理論的極限承載力理論解Nr、Nq、Nc均為承載力系數(shù)，均與有關(guān)，太沙基給出關(guān)系曲線，可以根據(jù)相關(guān)曲線得到上式適用于條形基礎(chǔ)整體剪切破壞情況，對于局部剪切破壞，將c和tan均降低1/3

方形基礎(chǔ)局部剪切破壞時地基極限承載力Nr

、Nq

、Nc為局部剪切破壞時承載力系數(shù)，也可以根據(jù)相關(guān)曲線得到對于方形和圓形基礎(chǔ)，太沙基提出采用經(jīng)驗系數(shù)修正后的公式

圓形基礎(chǔ)太沙基理論的極限承載力理論解Nr、Nq、Nc均為承載力系數(shù)，603、漢森極限承載力理論

對于均質(zhì)地基、基礎(chǔ)底面完全光滑，受中心傾斜荷載作用式中：漢森公式Sr、Sq、Sc

——基礎(chǔ)的形狀系數(shù)ir、iq、ic

——荷載傾斜系數(shù)dr、dq、dc

——深度修正系數(shù)gr、gq、gc

——地面傾斜系數(shù)br、bq、bc

——基底傾斜系數(shù)Nr、Nq、Nc

——承載力系數(shù)說明：相關(guān)系數(shù)均可以有相關(guān)公式進行計算3、漢森極限承載力理論對于均質(zhì)地基、基礎(chǔ)底面完全光滑，受中614、地基承載力特征值應(yīng)用上述極限荷載公式進行基礎(chǔ)設(shè)計時，地基的承載力特征值為：式中：K——地基承載力安全系數(shù)，其取值依據(jù)公式的不同按下述方法確定：太沙基公式計算極限荷載時，一般取大于等于3.0漢森公式計算極限荷載時，一般取大于等于2.0普朗特爾公式計算極限荷載時，一般取大于等于3.0建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計時所采用的地基承載力一般稱為地基承載力特征值4、地基承載力特征值應(yīng)用上述極限荷載公式進行基礎(chǔ)設(shè)計時，地基626土的抗剪性與地基土承載力計算6.1土的抗剪性6.2地基承載力概述6.3土的極限平衡條件6.4地基承載力理論計算6土的抗剪性與地基土承載力計算6.1土的抗剪性63土是一種抗壓不抗拉的材料，其破壞一般認為符合庫侖—莫爾強度理論，即土在外力作用下發(fā)生的破壞通常屬于剪切破壞。土抵抗外力剪切破壞的性能稱為土的抗剪性。土的抗剪性是土的重要的力學性質(zhì)之一。抗剪性的指標是抗剪強度，即土受到外力作用以后，土粒間發(fā)生滑動，土抵抗剪切破壞的極限強度，或土發(fā)生剪切破壞時，在剪切破壞面上的最大剪應(yīng)力。土體的抗剪能力來自于土粒間的摩擦阻力(即內(nèi)摩擦力)和土粒間的連結(jié)力(凝聚力、粘聚力)。土是一種抗壓不抗拉的材料，其破壞一般認為符合庫侖—莫爾強度理641、土的抗剪強度的測定土的抗剪性通過試驗方法進行測定，主要是測定抗剪強度指標：（1）反映土粒間摩擦阻力的指標——內(nèi)摩擦角；（2）反映土粒間結(jié)構(gòu)連接強度的指標——粘聚力c。試驗方法包括室內(nèi)試驗和野外試驗，具體有直接剪切試驗、三軸剪切試驗、十字板剪切試驗等。1、土的抗剪強度的測定651）直接剪切試驗(直剪試驗)水平力Tp垂直壓力水平力Tp垂直壓力實驗前實驗后直剪試驗一般平行做3個以上的相同土樣不同正壓力的試驗。試驗成果包括剪應(yīng)力與剪應(yīng)變的關(guān)系曲線和剪應(yīng)力與正應(yīng)力的關(guān)系曲線。1）直接剪切試驗(直剪試驗)水平力Tp垂直壓力水平力Tp66剪應(yīng)力與剪應(yīng)變關(guān)系曲線上有一個峰值點，其對應(yīng)的剪應(yīng)力即為相應(yīng)正壓力下的抗剪強度，不同正壓力下的剪應(yīng)力與剪應(yīng)變曲線的形狀基本上一樣的，但之間存在位移。利用剪應(yīng)力與剪應(yīng)變曲線，可以獲得不同正壓力下的抗剪強度值。同時，該曲線也表明，當剪應(yīng)力超過抗剪強度后，土體發(fā)生剪切破壞，但破壞以后土體仍具有一定的強度，具體表現(xiàn)為剪應(yīng)力與剪應(yīng)變曲線在峰值后下降到一定程度后曲線變的平緩，其對應(yīng)的剪應(yīng)力稱為殘余抗剪強度。殘余抗剪強度在評價土坡穩(wěn)定性時經(jīng)常被使用，通常在研究堅硬粘土坡首次滑動、正在滑動或剛停止不久的滑坡以及古滑坡復(fù)活等時應(yīng)提供殘余抗剪強度。剪應(yīng)力與剪應(yīng)變關(guān)系曲線上有一個峰值點，其對應(yīng)的剪應(yīng)力即為相應(yīng)67取不同正壓力下的抗剪強度作與正壓力的關(guān)系曲線，即為抗剪強度曲線。所謂正壓力是指垂直作用在剪切破壞面上的壓力，即剪切面的正壓應(yīng)力。剪應(yīng)力與正應(yīng)力關(guān)系曲線實際上莫爾包絡(luò)線(一系列極限莫爾圓的公切線，三軸剪切試驗所確定)，當該曲線為直線時，稱為庫侖強度曲線，其方程稱為庫侖定律?？辜魪姸惹€與正壓應(yīng)力軸的夾角稱為內(nèi)摩擦角，該曲線在剪應(yīng)力軸上的截距稱為粘聚力c。取不同正壓力下的抗剪強度作與正壓力的關(guān)系曲線，即為抗剪強度曲68干或飽和砂土、濕砂土及粘性土的庫侖定律有些差別。干或飽和砂土的抗剪強度曲線為通過原點的曲線；而濕砂土和粘性土的抗剪強度曲線不通過原點，即曲線在縱軸上存在截距，粘性土的截距較大，而濕砂土的截距往往很小。當抗剪強度曲線呈直線時，其方程為：干或飽和砂土：f=tg濕砂土：f=tg+c粘性土：f=tg+c上述各式中，tg——內(nèi)摩擦力，是強度曲線的斜率；——內(nèi)摩擦角；c——粘聚力。干或飽和砂土、濕砂土及粘性土的庫侖定律有些差別。干或飽和砂土69通常濕砂土的強度曲線在縱軸上的截距稱為表觀粘聚力，是毛細連結(jié)力所引起的，一般很小，在工程實踐中往往忽略不計。而粘性土強度曲線在縱軸上的截距c稱為粘聚力，是粘性土顆粒之間的水膠連接甚至膠結(jié)連接力所引起的，其數(shù)值往往較大，粘性土的抗剪強度往往主要由粘聚力構(gòu)成的，土粒間的摩擦阻力通常較小，表現(xiàn)在曲線斜率一般不大，因此，其粘聚力是不能被忽略的。

通常濕砂土的強度曲線在縱軸上的截距稱為表觀粘聚力，是毛細連結(jié)70對于砂土，其內(nèi)摩擦角近似等于土的天然休止角，其大小與土的密實程度有關(guān)，中密砂的內(nèi)摩擦角一般在26~30，密實砂的內(nèi)摩擦角一般為30~35。對于粘性土，內(nèi)摩擦角一般較小，而粘聚力較大，其大小與土的類型有關(guān)，粘土的內(nèi)摩擦角一般6~22，粘聚力為5~100kpa，粉質(zhì)粘土的內(nèi)摩擦角一般為10~25，粘聚力為5~60kpa，粘質(zhì)粉土一般為14~28，粘聚力為0~20kpa。對于砂土，其內(nèi)摩擦角近似等于土的天然休止角，其大小與土的密實712）三軸剪切試驗直接剪切試驗存在以下四個方面的問題：（1)試驗過程中不能控制排水條件，這是試驗裝置本身的缺陷，沒有測定孔隙水壓力的裝置，而土在剪切過程中，隨著正壓力的施加以及剪應(yīng)力的增加，孔隙水壓力也發(fā)生變化，從而使有效應(yīng)力發(fā)生相應(yīng)的變化，對測定結(jié)果產(chǎn)生影響，由于無法測定孔隙水壓力，因此也就無從了解有效應(yīng)力的變化，測定的結(jié)果通常用總應(yīng)力表示，忽略了孔隙水壓力的影響，使結(jié)果與實際不符；（2)直接剪切試驗時，剪切面是固定的，即土體沿著指定的剪切面發(fā)生剪切位移和破壞，這個面不一定是實際土體的破壞面，實際土體在受到外力發(fā)生剪切破壞時，破壞面是土體中剪應(yīng)力超過抗剪強度的面(即所謂的最薄弱面)；2）三軸剪切試驗72（3)直接剪切試驗時剪切面的應(yīng)力狀態(tài)很復(fù)雜，往往在某些部位產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，正壓力也容易因上下盒的中軸線不重合發(fā)生偏轉(zhuǎn)，而且剪切面在剪切位移的過程中其面積由于產(chǎn)生空洞或剪切位移作用而發(fā)生改變(變小)，剪應(yīng)力相應(yīng)增加，計算抗剪強度時仍按照土樣的原截面面積計算，使試驗結(jié)果與實際存在偏差；（4)試驗時容易在上下盒間嵌入砂粒，使試驗結(jié)果偏大。（3)直接剪切試驗時剪切面的應(yīng)力狀態(tài)很復(fù)雜，往往在某些部位73因此在工程實踐中采用三軸剪切試驗來測定土的抗剪強度。通常所做的三軸試驗屬于準三軸試驗，即圍壓2=3的試驗。試驗時對土樣施加三個方向的壓力作用，土體將沿一個與三個壓力方向均斜交的面發(fā)生剪切破壞。這種試驗又稱三軸壓縮試驗。所施加的三個壓力為主應(yīng)力，試驗時其方向是固定的，試驗條件是1>2=3，而破壞面則是不固定的。因此在工程實踐中采用三軸剪切試驗來測定土的抗剪強度。通常所做741Pc3實驗裝置13實驗裝置751Pc3單一破壞面13單一破壞面7613X共軛破壞面13X共軛破壞面77為了獲得強度曲線，確定抗剪強度指標，通常要制備3~4個土樣進行不同圍壓的壓縮試驗，其成果是一組土樣發(fā)生剪切破壞時的(1i，3i)(i=1，2……，n)(n為土樣數(shù)量)。由這些資料作每個土樣發(fā)生破壞時的莫爾圓(在~坐標系中)(極限莫爾圓)，這些極限莫爾圓的包絡(luò)線即為強度曲線，若為直線則為庫侖強度曲線，其方程即為庫侖定律。31為了獲得強度曲線，確定抗剪強度指標，通常要制備3~4個土樣進78三軸剪切試驗的優(yōu)點之一是在試驗過程中能隨時測定孔隙水壓力的變化。當符合庫侖定律時，抗剪強度與正應(yīng)力之間存在如下關(guān)系——即庫侖定律：f=tg+c——無孔隙水壓力時f=(-u)tg’+c’——有孔隙水壓力時其中，’——有效內(nèi)摩擦角；c’——有效粘聚力；——剪切破壞面上的總正應(yīng)力；u——孔隙水壓力(超靜)，由正應(yīng)力和剪應(yīng)力所引起孔隙水壓力的增加值。三軸剪切試驗的優(yōu)點之一是在試驗過程中能隨時測定孔隙水壓力的變792、土的抗剪強度的組成從庫侖定律可以看出，砂土及碎石土的抗剪強度由內(nèi)摩擦阻力構(gòu)成，粘性土的抗剪強度則由內(nèi)摩擦阻力和粘聚力兩個部分構(gòu)成：內(nèi)摩擦阻力包括土粒之間相對位移所產(chǎn)生的表面摩擦力、土粒間連鎖作用而產(chǎn)生的咬合力。咬合力是土體相對位移滑動時，將嵌在其他顆粒之間的土粒拔出所需要的力，土越密實，連鎖作用越強，咬合力越大。2、土的抗剪強度的組成80粘聚力包括原始粘聚力、固化粘聚力和毛細粘聚力。原始粘聚力即為水膠連接力，可因擾動而喪失部分或全部，但會隨著時間而恢復(fù)其中的一部分或全部，土越密實，原始粘聚力越大。固化粘聚力即為膠結(jié)連接力，是土因膠結(jié)作用而產(chǎn)生的粘聚力，當土的天然結(jié)構(gòu)破壞時，固化粘聚力隨之喪失，而且不能恢復(fù)。毛細粘聚力是毛細作用引起的，一般很小，往往忽略不計。粘聚力包括原始粘聚力、固化粘聚力和毛細粘聚力。原始粘聚力即為813、影響土的抗剪強度的因素1)土的礦物成分、顆粒形狀和級配的影響對于粘性土，主要是礦物成分的影響。不同粘土礦物具有不同的晶格結(jié)構(gòu)，它們的穩(wěn)定性、親水性和膠體特性也各不相同，因而對粘性土的抗剪強度（主要是對粘聚力）產(chǎn)生顯著的影響。一般來說，粘性土的抗剪強度隨著粘粒和粘土礦物含量的增加而增大，或者說隨著膠體活動性的增強而增大。對于砂性土，主要是顆粒的形狀、大小及級配的影響。一般來說，在土的顆粒級配中，粗顆粒越多、形狀越不規(guī)則、表面越粗糙，則內(nèi)摩擦角越大，因而抗剪強度越高。3、影響土的抗剪強度的因素822)含水量的影響含水量的增高一般會使土的抗剪強度降低。這種影響主要表現(xiàn)在兩方面，一是水分在較粗顆粒之間起著潤滑作用，使摩擦阻力降低；一是粘土顆粒表面結(jié)合水膜的增厚使粘聚力（水膠連接力）減小。但試驗研究表明，砂土在干燥狀態(tài)時的內(nèi)摩擦角值與飽和狀態(tài)時的內(nèi)摩擦角值差別很小，僅1~2，即含水量對砂土的抗剪強度的影響很小。而對于粘性土，含水量對抗剪強度有重大影響，通常粘性土在相同法向壓力下的不排水抗剪強度隨含水量的增高而急劇下降。2)含水量的影響833)天然密實度的影響一般地，土的天然密實度越大，抗剪強度就越高。對于粗顆粒土如砂土，密實度越大，顆粒之間的咬合作用越強，因而摩擦阻力越大；對于細顆粒土如粘性土，密實度大則意味著顆粒之間的距離越近，水膜越薄，粘聚力就越大。同一種粗顆粒土如砂土，不同密實度時，剪切過程中，剪應(yīng)力與剪應(yīng)變曲線的形態(tài)是不同的。密砂的剪應(yīng)力隨剪應(yīng)變的增加而很快增大到某個峰值，而后逐漸減小一些，最后趨于某一穩(wěn)定的終值，體積變化開始時稍有減小，隨后不斷增加（呈剪脹性）；松砂的剪應(yīng)力隨著剪應(yīng)變的增加而緩慢地增大并趨于某一最大值，不出現(xiàn)峰值，體積在受剪時相應(yīng)地減?。ǔ始艨s性）。所以，在實際允許較小剪應(yīng)變的條件下，密砂的抗剪強度顯然大于松砂。3)天然密實度的影響844)粘性土觸變性的影響粘性土的強度會因受到擾動而削弱，但經(jīng)過靜置又可得到一定程度的恢復(fù)，對于粘性土的這一特性稱為觸變性。由于粘性土具有觸變性，故在粘性土地基中進行鉆探取樣時，若土樣受到明顯擾動，則試樣就不能反映其天然強度，土的靈敏度越大，這種影響就越顯著；又如在靈敏度較高的粘性土地基中開挖基坑，地基土也會因為施工擾動而發(fā)生強度削弱。粘性土的觸變性對強度的影響應(yīng)值得注意。另一方面，當擾動停止后，粘性土的強度又會隨時間而逐漸增長。如在粘性土中進行打樁時，樁側(cè)土因受到擾動而導致強度降低，但在停止打樁后，土的強度逐漸恢復(fù)，樁的承載力也隨之增加，這種現(xiàn)象是土的觸變性影響的表現(xiàn)。4)粘性土觸變性的影響855)土的應(yīng)力歷史土的受壓過程所造成的受力歷史狀態(tài)，對土的強度的試驗結(jié)果也有影響?？梢詮膲嚎s曲線相應(yīng)的強度曲線的形態(tài)特征得到證明。6)孔隙水壓力孔隙水壓力不會產(chǎn)生土顆粒之間的摩擦力，只有作用在顆粒之間的有效應(yīng)力才能產(chǎn)生內(nèi)摩擦強度。根據(jù)有效應(yīng)力原理，孔隙水壓力升高，有效應(yīng)力下降，抗剪強度也下降。5)土的應(yīng)力歷史864、剪切試驗三種排水條件類型1）根據(jù)試驗時的排水條件的不同，將土的抗剪強度試驗(直剪試驗)分為：（1)慢剪——排水剪（CD），土在受到外力(通常為正壓力作用后，壓縮達到穩(wěn)定、土體充分固結(jié)后，再施加剪切力作用使其剪切破壞，剪切過程中能夠充分排水。這種試驗過程中，不會產(chǎn)生孔隙水壓力，即無孔隙水壓力。通常對于排水條件好的土(如砂土等粗粒土)，當施工時間較長且加荷速率較小時，評價其強度采用慢剪試驗。4、剪切試驗三種排水條件類型87（2)固結(jié)快剪——固結(jié)不排水剪（CU），土在受到外力作用后，壓縮穩(wěn)定、充分固結(jié)后，加剪力在3~5min內(nèi)將其剪壞，剪切過程中不排水。一般地質(zhì)條件下、一般建筑工程中采用。（3)快剪——不排水剪（UU），土在受到外力作用后，立即在3~5min內(nèi)將其剪壞，剪切過程中不排水。適用于加荷速率大、排水條件差、施工時間短的情況，以及評價土坡穩(wěn)定和飽和粘土的強度時。一般直剪試驗儀無測定孔隙水壓力的裝置。（2)固結(jié)快剪——固結(jié)不排水剪（CU），土在受到外力作用后882）三軸剪切試驗根據(jù)試驗排水條件也分為慢剪、固結(jié)快剪和快剪三種試驗。（1)慢剪（CD）——對土樣施加三向相等的壓力3，待孔隙水壓力完全消散后，在保持圍壓3不變的前提下則逐漸加大1，直至土樣發(fā)生剪切破壞。期間保持孔隙水壓力為0，即不產(chǎn)生孔隙水壓力。試驗獲得的強度曲線是斜線，存在c和，極限應(yīng)力圓隨位置而變化。總應(yīng)力與有效應(yīng)力相等。2）三軸剪切試驗根據(jù)試驗排水條件也分為慢剪、固結(jié)快剪和快剪三892)固結(jié)快剪（CU）——對土樣施加三向相等的壓力3，待孔隙水壓力完全消散后，在保持圍壓3不變的前提下則加大軸向壓力1，直至土樣發(fā)生剪切破壞。期間孔隙水壓力不為0，即產(chǎn)生孔隙水壓力u’，剪切面上的正應(yīng)力>孔隙水壓力u’。試驗獲得的強度曲線也是斜線，存在c和，極限應(yīng)力圓隨位置而變化。3)快剪（UU）——對土樣施加三向相等的壓力3后，立即在保持圍壓3不變的前提下則加大軸向壓力1，直至土樣發(fā)生剪切破壞。期間孔隙水壓力沒有消散，且剪切面上的正應(yīng)力與孔隙水壓力u相等，有效應(yīng)力等于0。試驗獲得的強度曲線是平行于軸，僅存在c。正常固結(jié)的飽和粘性土，慢剪時的抗剪強度約等于其固結(jié)快剪時的有效抗剪強度。

2)固結(jié)快剪（CU）——對土樣施加三向相等的壓力3，待孔90UUCUCDcUUcCUcCDUUCUCDcUUcCUcCD915、土的無側(cè)限抗壓強度試驗與靈敏度的測定三軸剪力儀壓縮試驗時，周圍壓力3=0，當試樣發(fā)生剪切破壞時，施加在試樣上的軸向壓力稱為無側(cè)限抗壓強度，以qu表示，這種試驗稱為無側(cè)限抗壓強度試驗。由于沒有周圍壓力，因而根據(jù)試驗結(jié)果，只能作一個極限應(yīng)力圓，很難得到破壞包絡(luò)線。飽和粘性土的三軸不固結(jié)不排水試驗結(jié)果表明，其破壞包絡(luò)線為一水平線，即u=0，因此，對于飽和粘性土的不排水抗剪強度，就可以利用無側(cè)限抗壓強度qu來確定，飽和粘性土不排水抗剪強度為：cu=qu/2cuqu=5、土的無側(cè)限抗壓強度試驗與靈敏度的測定cu=qu/2c92利用無側(cè)限抗壓強度試驗可以測定飽和粘性土的靈敏度St。土的靈敏度是以原狀土的強度與同一土經(jīng)重塑后（完全擾動但含水量不變）的強度之比來表示，即根據(jù)靈敏度的大小，可將飽和粘性土分為：低靈敏土（1<St2）中靈敏土（2<St4）高靈敏土（St>4）土的靈敏度越高，其結(jié)構(gòu)性越強，受擾動后土的強度降低越多。粘性土受擾動而強度降低的性質(zhì)，一般來說對工程建設(shè)是不利的，如在基坑開挖過程中，因施工可能造成土的擾動而使地基強度降低。利用無側(cè)限抗壓強度試驗可以測定飽和粘性土的靈敏度St。土的靈936、強度試驗方法與指標的選用從前面介紹中可以看出，土的抗剪強度及其指標的確定將因所采用的分析方法（總應(yīng)力法或有效應(yīng)力法）的不同而不同。目前常用的試驗手段主要是直接剪切試驗和三軸剪切試驗兩種，三軸剪切試驗?zāi)軌蚩刂婆潘畻l件并可測量土樣中孔隙水壓力的變化，直接剪切試驗則不能。三軸剪切試驗與直接剪切試驗各自的三種試驗方法，理論上是一一對應(yīng)的。直接剪切試驗方法中“快”與“慢”只是“不排水”和“排水”的等義詞，并不是為了解決剪切速率對強度的影響問題，而僅是為了通過快和慢的剪切速率來解決土樣的排水條件問題。所以，當把慢剪與排水剪，快剪與不排水剪，固結(jié)快剪與固結(jié)不排水剪一一對比分析之后，便可以明確在實際工程中不同試驗方法及相應(yīng)的強度指標的選用條件。6、強度試驗方法與指標的選用94土的抗剪強度的有效應(yīng)力指標c,=c+tg=-u符合土的破壞機理，但有時孔隙水壓力u無法確定土的抗剪強度的總應(yīng)力指標c,=c+tg便于應(yīng)用,但u不能產(chǎn)生抗剪強度，不符合強度機理，應(yīng)用時要符合工程條件強度指標抗剪強度簡單評價有效應(yīng)力指標最科學、最準確地反映了土強度實質(zhì)。盡管有效應(yīng)力決定強度，但在很多情況下，，其中u并不能準確確定，而外加荷載產(chǎn)生的總應(yīng)力一般已知。這樣，總應(yīng)力指標還是有用的，如解決某些工程問題：土石壩水位驟降、基礎(chǔ)及建筑物快速施工等。但由于u本身不能產(chǎn)生抗剪強度，但對于合理或正確模擬排水條件還是由一定的意義。土的抗剪強度的=c+tg符合土的破壞機95(’)ccff超固結(jié)粘土的總應(yīng)力與有效應(yīng)力強度包線(CU)u(-)強度包線與破壞主應(yīng)力線u(+)總應(yīng)力有效應(yīng)力(’)ccff超固結(jié)粘土的總應(yīng)力與有效應(yīng)966土的抗剪性與地基土承載力計算6.1土的抗剪性6.2地基承載力概述6.3土的極限平衡條件6.4地基承載力理論計算6土的抗剪性與地基土承載力計算6.1土的抗剪性97一、地基承載力概念

建筑物荷載通過基礎(chǔ)作用于地基，對地基提出兩個方面的要求：1、變形要求建筑物基礎(chǔ)在荷載作用下產(chǎn)生最大沉降量或沉降差，應(yīng)該在該建筑物所允許的范圍內(nèi)

2、穩(wěn)定要求建筑物的基底壓力，應(yīng)該在地基所允許的承載能力之內(nèi)

地基承載力：地基土單位面積所能承受荷載的能力。地基承載力問題是屬于地基的強度和穩(wěn)定性問題一、地基承載力概念建筑物荷載通過基礎(chǔ)作用于地基，對地基提出98二、地基變形的三個階段0sppcrpuabca.線性變形階段oa段，荷載小，主要產(chǎn)生壓縮變形，荷載與沉降關(guān)系接近于直線，土中τ＜τf,地基處于彈性平衡狀態(tài)b.彈塑性變形階段ab段，荷載增加，荷載與沉降關(guān)系呈曲線，地基中局部產(chǎn)生剪切破壞，出現(xiàn)塑性變形區(qū)c.破壞階段bc段，塑性區(qū)擴大，發(fā)展成連續(xù)滑動面，荷載增加，沉降急劇變化二、地基變形的三個階段0sppcrpuabca.線性變形階99地基開始出現(xiàn)剪切破壞（即彈性變形階段轉(zhuǎn)變?yōu)閺椝苄宰冃坞A段）時，地基所承受的基底壓力稱為臨塑荷載pcr地基瀕臨破壞（即彈塑性變形階段轉(zhuǎn)變?yōu)槠茐碾A段）時，地基所承受的基底壓力稱為極限荷載pup＜pcrpcr＜p＜pup≥pu塑性變形區(qū)連續(xù)滑動面土中塑性區(qū)發(fā)展到不同深度時，其相應(yīng)的荷載稱為臨界荷載地基開始出現(xiàn)剪切破壞（即彈性變形階段轉(zhuǎn)變?yōu)閺椝苄宰冃坞A100三、地基的破壞形式

1、整體剪切破壞1）p-s曲線上有兩個明顯的轉(zhuǎn)折點，可區(qū)分地基變形的三個階段2）地基內(nèi)產(chǎn)生塑性變形區(qū)，隨著荷載增加塑性變形區(qū)發(fā)展成連續(xù)的滑動面3）荷載達到極限荷載后，基礎(chǔ)急劇下沉，并可能向一側(cè)傾斜，基礎(chǔ)兩側(cè)地面明顯隆起連續(xù)滑動面連續(xù)滑動面整體剪切破壞常發(fā)生于淺埋基礎(chǔ)下的密砂或硬粘性土等堅實地基中。三、地基的破壞形式1、整體剪切破壞1）p-s曲線上有兩個明1012、局部剪切破壞1）p-s曲線轉(zhuǎn)折點不明顯，沒有明顯的直線段2）塑性變形區(qū)不延伸到地面，限制在地基內(nèi)部某一區(qū)域內(nèi)3）荷載達到極限荷載后，基礎(chǔ)兩側(cè)地面微微隆起局部剪切破壞常發(fā)生于中等密實砂土中2、局部剪切破壞1）p-s曲線轉(zhuǎn)折點不明顯，沒有明顯的直線段1023、沖剪破壞2）地基不出現(xiàn)明顯連續(xù)滑動面3）荷載達到極限荷載后，基礎(chǔ)兩側(cè)地面不隆起，而是下陷1）p-s曲線沒有明顯的轉(zhuǎn)折點沖剪破壞形式發(fā)生于松砂或軟土中3、沖剪破壞2）地基不出現(xiàn)明顯連續(xù)滑動面3）荷載達到極限荷103地基的剪切破壞形式，除與地基土的性質(zhì)有關(guān)外，還與基礎(chǔ)埋置深度、加荷速率等因素有關(guān)。如在密砂地基中，一般會出現(xiàn)整體剪切破壞，但當基礎(chǔ)埋置很深時，密砂在很大荷載作用下也會產(chǎn)生壓縮變形，而出現(xiàn)刺入剪切破壞；在軟粘土中，當加荷速率較小時，會產(chǎn)生壓縮變形而出現(xiàn)刺入剪切破壞，但當加荷速率很快時，由于土體不能產(chǎn)生壓縮變形，就可能發(fā)生整體剪切破壞。地基的剪切破壞形式，除與地基土的性質(zhì)有關(guān)外，還與基礎(chǔ)埋置深度1041、根據(jù)原位測試確定——包括載荷試驗、標準貫入試驗、靜力觸探等2、根據(jù)理論公式計算——根據(jù)土的強度理論推導出的有關(guān)公式，再除于安全系數(shù)或限制地基中塑性區(qū)發(fā)育程度確定3、根據(jù)經(jīng)驗取值——根據(jù)大量測試資料和建筑經(jīng)驗，通過數(shù)理統(tǒng)計分析，總結(jié)出各類型土在某種條件下的承載力。使用時只要根據(jù)土的物理、力學性質(zhì)指標或標準貫入試驗等的結(jié)果，查表確定。體現(xiàn)在地方規(guī)范中。4、根據(jù)模型試驗確定——重大工程采用。四、地基承載力確定途徑1、根據(jù)原位測試確定——包括載荷試驗、標準貫入試驗、靜力觸探1056土的抗剪性與地基土承載力計算6.1土的抗剪性6.2地基承載力概述6.3土的極限平衡條件6.4地基承載力理論計算6土的抗剪性與地基土承載力計算6.1土的抗剪性106土的強度破壞通常為剪切破壞。一般將土體的剪應(yīng)力等于土的抗剪強度時的臨界狀態(tài)稱為極限平衡狀態(tài)。土在外力作用下達到極限平衡狀態(tài)時，土中的應(yīng)力與抗剪強度指標之間的關(guān)系，稱為土的極限平衡條件。土的強度破壞通常為剪切破壞。107一、土體中任一點的應(yīng)力狀態(tài)1、幾點假設(shè)土是均勻連續(xù)的非彈性的直線變形體——適用彈性理論飽和粘性土的應(yīng)力為穩(wěn)定后的終值應(yīng)力和終值變形

一、土體中任一點的應(yīng)力狀態(tài)1082、土體受外力作用而處于靜力平衡狀態(tài)時土中一點的應(yīng)力狀態(tài)（平面問題）單元微體中任一截面上的正應(yīng)力與剪應(yīng)力與主應(yīng)力（1和3）之間的關(guān)系為（——截面與最大主應(yīng)力面夾角）：2、土體受外力作用而處于靜力平衡狀態(tài)時土中一點的應(yīng)力狀態(tài)（平1093、土中某一平面的應(yīng)力狀態(tài)——莫爾圓與強度曲線的關(guān)系當剪應(yīng)力<f時，土處于穩(wěn)定狀態(tài)，莫爾圓位于強度曲線之下，土處于彈性狀態(tài)。當剪應(yīng)力=f時，土處于極限平衡狀態(tài)，莫爾圓與強度曲線相切。當剪應(yīng)力>f時，土處于破壞狀態(tài)，莫爾圓部分位于強度曲線之上。3、土中某一平面的應(yīng)力狀態(tài)——莫爾圓與強度曲線的關(guān)系110二、

土的極限平衡條件1、非粘性土極限平衡條件非粘性土的粘聚力c=0，強度曲線通過原點。極限平衡狀態(tài)時，莫爾圓與強度曲線相切。當強度滿足庫侖定律時，則切點所代表的平面是土中處于極限平衡狀態(tài)的平面。該平面與最大主應(yīng)力面之間的夾角根據(jù)幾何關(guān)系為：=（——土的內(nèi)摩擦角）。當莫爾圓處于強度曲線之下時，<；相切時，=；莫爾圓超出強度曲線的部分，>。二、土的極限平衡條件1112、粘性土極限平衡條件粘性土的粘聚力c>0，強度曲線不通過原點。利用莫爾圓與強度曲線的關(guān)系分析其極限平衡條件。當莫爾圓與強度曲線相切時，切點代表極限