地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)思考與實(shí)踐-土的抗剪

1、Word文檔 地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)思考與實(shí)踐土的抗剪 當(dāng)材料被拉斷時(shí)，拉應(yīng)力超過(guò)了材料分子原子間的化學(xué)鍵的引力而斷裂。但壓力會(huì)使材料分子、原子間的間距越來(lái)越緊密，所以理論上不存在材料被壓壞這種狀況，除非像黑洞那樣的壓力才可能把原子本身壓塌縮。但許多的構(gòu)件的確受到壓縮而破壞，本質(zhì)是材料找到了側(cè)向逃脫的渠道而避開了過(guò)大的壓縮荷載?；炷恋膲簼?，鋼材的壓扁本質(zhì)都是形成側(cè)向逃脫的剪應(yīng)力的存在導(dǎo)致的。 土顆粒內(nèi)部存在大量的空隙，壓縮首先是顆粒空隙的被壓縮，建筑地基的壓縮變形造成的基礎(chǔ)沉降，是土顆粒之間的空隙的壓縮，不行能造成土顆粒自身的壓縮。 從材料力學(xué)我們知道，水平面上的垂直應(yīng)力會(huì)產(chǎn)生斜截面上的剪應(yīng)力。當(dāng)顆粒

2、足夠密時(shí)，連續(xù)增加的上部壓力產(chǎn)生的某斜截面上的剪應(yīng)力達(dá)到該截面的抗剪應(yīng)力的時(shí)候，土體就會(huì)滑動(dòng)，也就是我們常說(shuō)的土體失穩(wěn)。所以地基有兩種破壞狀況，一種是失穩(wěn)，比如滑坡、基坑坍塌、地基極限承載力等本質(zhì)上都屬于這個(gè)。 二是壓縮變形即基礎(chǔ)的沉降，其本質(zhì)并不是地基土的破壞，而是土體壓縮變形到肯定程度（土體還可以承受壓力的增加造成的土體變形，距離其局部剪切破壞仍有很大的富有），上部結(jié)構(gòu)無(wú)法承受了，即規(guī)范所謂的變形掌握。 所以建筑地基結(jié)構(gòu)地基基礎(chǔ)既要保證不能失穩(wěn)破壞，也要保證地基土的壓縮變形不能超過(guò)結(jié)構(gòu)允許的程度?？聪聢D： Pcr 代表的是土體僅僅壓縮變形時(shí)的最大應(yīng)力，對(duì)應(yīng)的變形模量用來(lái)算建筑的沉降，這個(gè)距

3、離土體的剪切破壞的失穩(wěn)還有好遠(yuǎn)一段距離。Pcr后開頭土體最大的剪應(yīng)力處開頭剪切破壞，即所謂的土體局部塑性，逐步進(jìn)展，直到Pu時(shí)，剪切面連在一起形成整體滑切失穩(wěn)破壞，叫極限穩(wěn)定平衡狀態(tài)，也即我們所謂的地基極限承載力。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不能用這個(gè)極限承載力，太擔(dān)心全了，所以一般用剛開頭時(shí)候的那個(gè)承載力比Pcr略微大一點(diǎn)。 本文擬談?wù)劦鼗恋氖Х€(wěn)破壞問(wèn)題，首先就是土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。 一：土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo) 無(wú)需多言，結(jié)構(gòu)人都知道土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)是黏聚力c和內(nèi)摩擦角地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)思索與實(shí)踐土的抗剪_4。 見下圖： 這就是聞名的庫(kù)倫公式。黏聚力c可以理解為土顆粒之間的簡(jiǎn)單的電化學(xué)作用，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)思索與實(shí)踐土的抗剪_

4、6更簡(jiǎn)單理解，就是土顆粒之間的咬合力，我們學(xué)校學(xué)到的摩擦系數(shù)。 有水的時(shí)候，狀況就變了，這些參數(shù)都變小了。水在地基里面是一個(gè)特別重要的課題，本系列還未涉及，后文會(huì)特地描述。 砂土的地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)思索與實(shí)踐土的抗剪_7一般比粘性土，大約為30400，但c比粘性土?。s10KPa以內(nèi)），粘性土地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)思索與實(shí)踐土的抗剪_8一般為0300，c從10KPa200 KPa。 得到這些土的指標(biāo)及保證精確性是特別不簡(jiǎn)單的事兒，是巖土工程的重要課題之一，結(jié)構(gòu)師只需理解這些概念即可，以便正確的運(yùn)用地勘給出的這些參數(shù)。 二：土的剪切破壞（極限平衡理論） 土中任何一點(diǎn)既有剪應(yīng)力又有壓應(yīng)力，當(dāng)該點(diǎn)的剪應(yīng)力等于該點(diǎn)的

5、抗剪應(yīng)力時(shí)就是平衡狀態(tài)。上文我們知道了土的抗剪應(yīng)力的公式，那土中外荷載作用下的剪應(yīng)力是多少呢？ 這是材料力學(xué)的應(yīng)力求解在地基中的應(yīng)用，本無(wú)需講的，但考慮許多工程師估量都忘的差不多了，我們概念上一塊復(fù)習(xí)一下。 圖中某處微單元受到到兩對(duì)正應(yīng)力和兩對(duì)剪應(yīng)力的平衡力作用，見下圖（不考慮垂直紙面的方向），通過(guò)力的平衡方程總可以得到兩個(gè)相互垂直的微單元面上只有兩對(duì)正應(yīng)力而沒有剪應(yīng)力，這兩個(gè)正應(yīng)力就叫主應(yīng)力，知道了這個(gè)主應(yīng)力的大小和方向，就可以用公式求出任何一對(duì)垂直面上的正應(yīng)力和相應(yīng)的剪應(yīng)力，也可以用作圖的方法很簡(jiǎn)單的求解，這就是莫爾應(yīng)力圓。 見下圖： 莫爾應(yīng)力圓上的力是外力作用下的土體內(nèi)部某點(diǎn)單元體某個(gè)角

6、度面上的應(yīng)力，而庫(kù)倫公式斜線上的是正應(yīng)力外力作用下的抗剪力量，所以抗剪力量關(guān)系斜線和莫爾圓的關(guān)系如上圖,假如剛好如土2的相切就正好是剪切平衡狀態(tài)。 留意，與主應(yīng)力面角度為地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)思索與實(shí)踐土的抗剪_10的應(yīng)力在莫爾應(yīng)力圓上直接量取2地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)思索與實(shí)踐土的抗剪_11角度的圓上的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)就是對(duì)應(yīng)的該面上的正應(yīng)力和剪切應(yīng)力，這是幾何作圖很簡(jiǎn)單算出來(lái)的。 假如我們假設(shè)一個(gè)如下圖的護(hù)坡，土自重產(chǎn)生垂直應(yīng)力，護(hù)坡墻供應(yīng)水平應(yīng)力，這兩個(gè)垂直面正好沒有剪應(yīng)力，可以當(dāng)成主應(yīng)力。那么該土體的滑切面與水平面的夾角就是地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)思索與實(shí)踐土的抗剪_12 郎肯、庫(kù)倫土壓力理論、靜止土壓力系數(shù)等都和這個(gè)所謂

7、的滑切面有關(guān)（下文另說(shuō)）。 受到基礎(chǔ)壓力的地基土的極限承載力大小也和這個(gè)角度有關(guān)（下文另說(shuō)），見下圖： 三：擋土墻側(cè)向土壓力 1、靜止土壓力系數(shù) 假如擋土墻剛性特別大，例如建筑地下室的外墻，土體沒有任何位移，圖中的剪應(yīng)力遠(yuǎn)小于其抗剪應(yīng)力，類似于材料彈性階段。所以可以用泊松比算出，當(dāng)然實(shí)際土體比較簡(jiǎn)單，一般試驗(yàn)得出（見系列三），閱歷公式為地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)思索與實(shí)踐土的抗剪_16，下圖為常見圖的地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)思索與實(shí)踐土的抗剪_17。 2、主動(dòng)土壓力理論 當(dāng)土體側(cè)壓力推動(dòng)擋土墻向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，土體沿地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)思索與實(shí)踐土的抗剪_19滑切面對(duì)下維持平衡狀態(tài)時(shí)，這個(gè)滑動(dòng)土楔體對(duì)擋墻的推力，叫主動(dòng)土壓力。 對(duì)于

8、有粘性的土，粘聚力C表現(xiàn)為負(fù)壓力，其值為常量不隨深度變化。在土體上部自重應(yīng)力較小處，會(huì)消失負(fù)值，但實(shí)際是沒有負(fù)值的，只是土體和擋墻會(huì)脫開，見上圖。 3、被動(dòng)土壓力 當(dāng)墻推動(dòng)土體產(chǎn)生向斜上的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)達(dá)到滑切面的平衡狀態(tài)時(shí)，墻體受到的土壓力叫被動(dòng)土壓力，一般的建筑結(jié)構(gòu)這種狀況比較少見，比如推力拱橋的基礎(chǔ)受到耳朵土壓力。 留意這時(shí)土壓力大于土垂直壓力，側(cè)壓力為應(yīng)力莫爾圓的那個(gè)大的主應(yīng)力地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)思索與實(shí)踐土的抗剪_21，所以滑切面與垂直面夾角為地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)思索與實(shí)踐土的抗剪_22。見下圖： 被動(dòng)土壓力也分兩部分，摩擦力產(chǎn)生的和黏聚力產(chǎn)生的。 4、三種土壓力的爭(zhēng)論 從上述分析可以看出幾點(diǎn)： （1）主

9、動(dòng)土壓力系數(shù)地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)思索與實(shí)踐土的抗剪_24靜止土壓力系數(shù) span=地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)思索與實(shí)踐土的抗剪_25被動(dòng)土壓力系數(shù) span=地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)思索與實(shí)踐土的抗剪_26。壓力的大小取決于擋土墻與土的相對(duì)位移，所以并不是一個(gè)常數(shù)。上述的三個(gè)地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)思索與實(shí)踐土的抗剪_27只是三種特別的狀況而已。 有資料顯示，中密的砂時(shí)檔土墻的變形地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)思索與實(shí)踐土的抗剪_28與土壓力的關(guān)系如下圖： 從圖中可以看出，產(chǎn)生被動(dòng)土壓力那種平衡狀態(tài)的難度比產(chǎn)生主動(dòng)土壓力時(shí)要難的多，其變形約為1/201/100,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于了建筑物或構(gòu)筑物允許的變形，所以實(shí)際的建筑工程很難發(fā)生被動(dòng)土壓力，由于在發(fā)生被動(dòng)土壓力之

10、前建筑已經(jīng)破壞了。 地震下的建筑地下室有朝向土體移動(dòng)的位移，可能造成被動(dòng)土壓力，從上述數(shù)據(jù)來(lái)看，這種相對(duì)土體的的推動(dòng)的位移實(shí)際很小，一般地下室的位移約為1/5000，從上圖看出，地震下的外墻土壓力特別接近靜止土壓力，對(duì)于巖石等很硬的土體，由于巖石與外墻之間的防水愛護(hù)等，實(shí)際的產(chǎn)生的土壓力會(huì)小于靜止土壓力。所以在地震作用下的山地建筑的外墻考慮1.2倍的靜止土壓力平安度是足夠的。 對(duì)于坡頂有建筑物或地面荷載時(shí)，靜止土壓力也包含坡頂有建筑物或存在地面荷載時(shí)產(chǎn)生的壓力。 山地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)JGJ/T-472-2021中對(duì)巖土對(duì)建筑外墻的力作如下規(guī)定： 山地規(guī)范地震下結(jié)構(gòu)外墻的土壓力的取值，被動(dòng)土壓力

11、肯定是太大了，彈性地震作用與靜止土壓力之和表述模糊，不如直接取靜止土壓力的1.2倍簡(jiǎn)潔并且牢靠。 （2）很簡(jiǎn)單推斷，摩擦角越大、粘聚力越大，靜止土壓力和主動(dòng)土壓力越小。被動(dòng)土壓力正相反，不過(guò)我們很少用到，消失這種狀況時(shí)要知道土越硬土壓力越大。 （3）對(duì)于擋土墻的設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)工程師一般只能做比較矮的擋土墻，按靜止土壓力進(jìn)行計(jì)算基本上滿意要求，對(duì)于比較高的，狀況比較簡(jiǎn)單的，一般應(yīng)當(dāng)由巖土工程師進(jìn)行設(shè)計(jì)。 上述均未涉及的水的影響，實(shí)際上其影響特別大，本系列擬特地另外論述。 四：土坡的穩(wěn)定（滑坡）分析的簡(jiǎn)潔概念 滑坡是巖土工程設(shè)計(jì)師的工作重點(diǎn)，是特別簡(jiǎn)單的問(wèn)題。結(jié)構(gòu)工程師一般無(wú)法設(shè)計(jì)，但理解其概念也很重

12、要。結(jié)構(gòu)工程師對(duì)于一塊山地的場(chǎng)地能夠敏感的感覺到坡地的穩(wěn)定性，以及當(dāng)建筑位于坡頂時(shí)場(chǎng)地的穩(wěn)定性都是特別重要的概念。理解這點(diǎn)可以很好的和巖土工程師去合作完成項(xiàng)目。 土坡的穩(wěn)定本質(zhì)上是一塊土體沿斜面的滑動(dòng)，也是剪切平衡的問(wèn)題，和土體的摩擦角和粘聚力兩個(gè)參數(shù)有關(guān)，和土坡本身的坡度關(guān)系也很大，與水的關(guān)系更大。土體的簡(jiǎn)單性使確定滑動(dòng)面變的很難。砂土的滑動(dòng)一般是斜平面，所以砂土確定其滑切面相對(duì)簡(jiǎn)單，按滑動(dòng)面上的土楔體的平衡進(jìn)行計(jì)算。粘性土是一般是斜向的弧面，確定特別簡(jiǎn)單，計(jì)算理論許多，主要是各種分條法，按沿弧面轉(zhuǎn)動(dòng)的平衡力矩進(jìn)行平衡計(jì)算，結(jié)構(gòu)工程師不需太關(guān)注。 五：地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值及設(shè)計(jì)值的確定 本文開頭

13、已經(jīng)說(shuō)道，地基承載力是在地基壓縮到肯定程度，開頭消失局部滑切破壞時(shí)的承載力叫臨塑承載力，而極限承載力為滑切面形成整體時(shí)平衡的承載力。規(guī)范的地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值一般是按極限承載力的1/21/3確定。但很軟的土，幾乎從一開頭就伴隨著壓縮開頭消失局部剪切即局部塑性變形，對(duì)這種承載力只好按某一較小的變形量來(lái)確定為地基承載力了。 建筑基礎(chǔ)沉降的掌握值一般要求是小于臨塑荷載時(shí)的沉降。理論上變形計(jì)算滿意了，地基承載力也自然滿意，但是沉降計(jì)算比較簡(jiǎn)單，不好掌握，所以對(duì)重要的建筑兩者一般都需要計(jì)算。 對(duì)于一般的要求不高的建筑，按上述原則確定的地基承載力設(shè)計(jì)的建筑其變形一般都在臨塑荷載以前的階段，變形主要是壓縮變形，

14、不會(huì)發(fā)生剪切的塑性變形（可以很小范圍的塑性變形），承載力滿意時(shí)，其沉降變形自然滿意，所以地基承載力的確定暗含這變形的掌握要求。 從上圖可以看出，極限承載力和土體的抗剪指標(biāo)黏聚力和內(nèi)摩擦角以及基礎(chǔ)地面以上肯定范圍（約2倍的基礎(chǔ)寬度）的荷載（填土或建筑重量）有關(guān)。規(guī)范給出的未修正的承載力特征值是沒有考慮地基頂面上部荷載的狀況下得出的，所以應(yīng)當(dāng)依據(jù)實(shí)際狀況進(jìn)行修正。知道極限承載力來(lái)歷的概念，就很簡(jiǎn)單理解規(guī)范的承載力修正的道理了。 （1）寬度修正系數(shù)是由于基礎(chǔ)實(shí)際寬度帶來(lái)地基土滑切面的比實(shí)測(cè)值或試驗(yàn)值的擴(kuò)大帶來(lái)的有利影響，故和基底以下的土的重量地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)思索與實(shí)踐土的抗剪_35有關(guān)。而深度修正系數(shù)是

15、基底越深，基底上部的荷載越大，所以和基底以上的土重地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)思索與實(shí)踐土的抗剪_36有關(guān) 。當(dāng)位于水位以下時(shí)，由于有效的荷載變小了（一部分荷載直接被水傳到下面地層了）所以要采納浮重度。 （2）無(wú)論深度修正和寬度修正都和基底下土的抗剪特性有關(guān)，即土內(nèi)摩擦角越大，粘聚力越大，即抗剪強(qiáng)度越大，修正系數(shù)越大。規(guī)范給出承載力修正表中的這種趨勢(shì)是特別明顯的。 （3）結(jié)構(gòu)施工完成時(shí)，對(duì)于基坑沒有回填時(shí)，地基承載力應(yīng)當(dāng)按未回填的地面計(jì)算，就很簡(jiǎn)單理解了。 （4）地規(guī)5.2.5直接利用地基的抗剪指標(biāo)進(jìn)行承載力計(jì)算，原理就是上面敘述的，規(guī)范的承載力調(diào)整系數(shù)相對(duì)于極限承載力的三個(gè)系數(shù)小的多，明顯已經(jīng)考慮了足夠的平安度。但要留意，第一這個(gè)