土力學(xué)地基基礎(chǔ)第四章土抗剪強(qiáng)度及地基承載力

4概述1235土的極限平衡條件抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的確定地基的臨塑荷載和臨界荷載土的抗剪強(qiáng)度與地基承載力14地基的極限荷載第一頁，共55頁。土的剪切破壞實例4.1概述第二頁，共55頁。第三頁，共55頁。第四頁，共55頁。第五頁，共55頁。崩塌平移滑動旋轉(zhuǎn)滑動流滑滑裂面第六頁，共55頁。第七頁，共55頁。使基坑旁辦公室、民工宿舍和倉庫倒塌，死3人，傷17人廣州京光廣場基坑塌方第八頁，共55頁。土的強(qiáng)度特點碎散性：強(qiáng)度不是土顆粒本身的強(qiáng)度，而是顆粒間相互作用三相體系：三相承受與傳遞荷載——有效應(yīng)力原理；復(fù)雜性：土的強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)性與復(fù)雜性。4.1概述第九頁，共55頁。定義：是指土體抵抗剪切破壞的能力，其數(shù)值等于土體產(chǎn)生剪切破壞時滑動面上的剪應(yīng)力土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

土的抗剪強(qiáng)度4.1概述第十頁，共55頁。土本身的性質(zhì)：物質(zhì)組成；結(jié)構(gòu)應(yīng)力組合（土體破壞準(zhǔn)則，常用莫爾—庫倫破壞準(zhǔn)則）yyzxyzxxz三維應(yīng)力狀態(tài)二維應(yīng)力狀態(tài)zxzxzx土抗剪強(qiáng)度影響因素4.1概述第十一頁，共55頁。摩擦強(qiáng)度摩擦強(qiáng)度：決定于剪切面上的正應(yīng)力σ和土的內(nèi)摩擦角由顆粒之間發(fā)生滑動時顆粒接觸面粗糙不平所引起，與顆粒的形狀，礦物組成，級配等因素有關(guān)0.020.060.20.623020顆粒直徑(mm)滑動摩擦角u粗粉細(xì)砂中砂粗砂滑動摩擦咬合摩擦包括如下兩個組成部分：滑動摩擦4.1概述第十二頁，共55頁。滑動摩擦咬合摩擦包括如下兩個組成部分：是指相鄰顆粒對于相對移動的約束作用當(dāng)發(fā)生剪切破壞時，相互咬合著的顆粒A必須抬起，跨越相鄰顆粒B，或在尖角處被剪斷（C），才能移動，土體中的顆粒重新排列，也會消耗能量咬合摩擦CABCAB剪切面摩擦強(qiáng)度4.1概述第十三頁，共55頁。摩擦強(qiáng)度密度粒徑級配顆粒的礦物成分粒徑的形狀粘土顆粒表面的吸附水膜影響土的摩擦強(qiáng)度的主要因素:4.1概述第十四頁，共55頁。凝聚強(qiáng)度細(xì)粒土：粘聚力c取決于土粒間的各種物理化學(xué)作用力作用機(jī)理：庫倫力（靜電力）、范德華力、

膠結(jié)作用力和毛細(xì)力等影響因素：地質(zhì)歷史、粘土顆粒礦物成分、

密度與離子濃度粗粒土：一般認(rèn)為是無粘性土，不具有粘聚強(qiáng)度：當(dāng)粗間有膠結(jié)物質(zhì)存在時可具有一定的粘聚強(qiáng)度非飽和砂土，粒間受毛細(xì)力，具有假粘聚力4.1概述第十五頁，共55頁。4.2土的極限平衡條件極限平衡狀態(tài)當(dāng)土體的剪應(yīng)力τ等于土的抗剪強(qiáng)度τf時的臨界狀態(tài)土體處于極限平衡狀態(tài)時土的應(yīng)力狀態(tài)σ1、σ3于土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)(內(nèi)摩擦角φ、粘聚力c)之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式極限平衡條件無粘結(jié)土粘結(jié)土第十六頁，共55頁。土體中任一點的應(yīng)力狀態(tài)1、最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力321dxdydzMγz地面微元體頂面和底面的作用力為1=

zγ微元體側(cè)面作用力為2=

3=

ξzγ主應(yīng)面：沒有剪應(yīng)力的面主應(yīng)力：作用在主應(yīng)面上的力4.2土的極限平衡條件第十七頁，共55頁。土體內(nèi)一點處不同方位的截面上應(yīng)力的集合（剪應(yīng)力

和法向應(yīng)力）

331131dldlcosdlsin楔體靜力平衡2、任意斜面上的應(yīng)力4.2土的極限平衡條件第十八頁，共55頁。31dldlcosdlsin斜面上的應(yīng)力4.2土的極限平衡條件第十九頁，共55頁。O13(1+3)/22A(,)圓心坐標(biāo)[(1+3)/2，0]應(yīng)力圓半徑r＝(1－3

)

/2土中某點的應(yīng)力狀態(tài)可用莫爾應(yīng)力圓描述

3、用莫爾應(yīng)力圓表示斜面上的應(yīng)力4.2土的極限平衡條件第二十頁，共55頁。第二十一頁，共55頁。莫爾-庫侖破壞理論各種破壞理論對土最適合的是莫爾-庫侖，可表述為以下3點：1.剪切破壞面上，材料的抗剪強(qiáng)度是法向應(yīng)力的函數(shù)：2.法向應(yīng)力不是很大時，抗剪強(qiáng)度可簡化為法向應(yīng)力的線性函數(shù)砂土：粘性土：3.土單元體中，任意一個面上的剪應(yīng)力大于該面上土體的抗剪強(qiáng)度，土單元體即發(fā)生剪切破壞4.2土的極限平衡條件第二十二頁，共55頁。

oφ

砂土粘性土c

φ

強(qiáng)度線強(qiáng)度線庫侖定律4.2土的極限平衡條件第二十三頁，共55頁。莫爾—庫倫破壞準(zhǔn)則①應(yīng)力圓與強(qiáng)度線相離：

應(yīng)力圓與強(qiáng)度線相切：應(yīng)力圓與強(qiáng)度線相割：極限應(yīng)力圓τ<τf

彈性平衡狀態(tài)

τ=τf

極限平衡狀態(tài)

τ>τf

破壞狀態(tài)

強(qiáng)度線土的極限平衡條件4.2土的極限平衡條件第二十四頁，共55頁。Ocf=c+tg13莫爾-庫侖強(qiáng)度理論的破壞準(zhǔn)則土的極限平衡條件：處于極限平衡狀態(tài)時，1和3之間應(yīng)滿足的關(guān)系無粘性土4.2土的極限平衡條件第二十五頁，共55頁。1.無粘性土的極限平衡條件

4.2土的極限平衡條件第二十六頁，共55頁。2.粘性土的極限平衡條件

4.2土的極限平衡條件第二十七頁，共55頁。土體處于極限平衡狀態(tài)時，破壞面與大主應(yīng)力作用面的夾角為

f

f2

f31cAcctg1/2(1+3)說明：剪破面并不產(chǎn)生于最大剪應(yīng)力面，而與最大剪應(yīng)力面成

/2的夾角，可知，土的剪切破壞并不是由最大剪應(yīng)力τmax所控制

max4.2土的極限平衡條件第二十八頁，共55頁。Oc1f3231f45°＋/2破裂面23.滑裂面的位置與大主應(yīng)力面夾角：α=45+/24.2土的極限平衡條件第二十九頁，共55頁。判斷破壞可能性由σ3計算σ1f比較σ1與σ1fσ1<σ1f

彈性平衡狀態(tài)σ1=σ1f

極限平衡狀態(tài)σ1>σ1f

破壞狀態(tài)Oc1f311判別對象：土體微小單元（一點）當(dāng)3=常數(shù)：4.土的極限平衡條件的應(yīng)用4.2土的極限平衡條件第三十頁，共55頁。判斷破壞可能性由σ1計算σ3f,比較σ3與σ3fσ3>σ3f

彈性平衡狀態(tài)σ3=σ3f

極限平衡狀態(tài)σ3<σ3f

破壞狀態(tài)Oc13f33判別對象：土體微小單元（一點）當(dāng)1=常數(shù)：4.2土的極限平衡條件第三十一頁，共55頁?！窘獯稹恳阎?=450kPa，3=150kPa，c=20kPa，

=26o

方法1：計算結(jié)果表明：1f接近該單元土體實際大主應(yīng)力1，所以，該單元土體處于極限平衡狀態(tài)。

問題①解答：【例】地基中某一單元土體上的大主應(yīng)力為450kPa，小主應(yīng)力為150kPa。通過試驗測得土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c=20kPa，

=26o。試問①該單元土體處于何種狀態(tài)？②單元土體最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在哪個面上，是否會沿剪應(yīng)力最大的面發(fā)生剪破？

第三十二頁，共55頁。計算結(jié)果表明：

3f接近該單元土體實際小主應(yīng)力

3，該單元土體處于極限平衡狀態(tài)。在剪切面上

庫侖定律

由于ττf

，所以，該單元土體處于彈性平衡狀態(tài)

方法2：第三十三頁，共55頁。方法3：作圖法

c11f3f實際應(yīng)力圓極限應(yīng)力圓最大剪應(yīng)力與主應(yīng)力作用面成45o

最大剪應(yīng)力面上的法向應(yīng)力庫侖定律

最大剪應(yīng)力面上τ<τf

，所以，不會沿剪應(yīng)力最大的面發(fā)生破壞τmax問題②解答：例題分析1（方法3）第三十四頁，共55頁。4.3抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的確定土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)內(nèi)摩察角φ粘聚力c測定方法第三十五頁，共55頁。直接剪切試驗4.3抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的確定第三十六頁，共55頁。應(yīng)變控制式直剪儀應(yīng)力控制式直剪儀4.3抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的確定第三十七頁，共55頁。

直剪儀(圖2)4.3抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的確定第三十八頁，共55頁。OcPT土樣下盒上盒S面積A直剪儀(directsheartestapparatus)1S23f1f2f31.試驗成果:砂土：粘性土：4.3抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的確定第三十九頁，共55頁。2.直剪試驗的類型:(1)固結(jié)慢剪施加正應(yīng)力-充分固結(jié)剪切速率很慢，<0.02mm/分，以保證無超靜孔壓(2)固結(jié)快剪施加正應(yīng)力-充分固結(jié)在3-5分鐘內(nèi)剪切破壞(3)快剪施加正應(yīng)力后立即剪切3-5分鐘內(nèi)剪切破壞通過控制剪切速率近似模擬排水條件4.3抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的確定第四十頁，共55頁。設(shè)備簡單，操作方便結(jié)果便于整理測試時間短優(yōu)點試樣應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜應(yīng)變不均勻不能控制排水條件剪切面固定缺點PT土樣下盒上盒S面積A適宜：二、三級建筑的可塑狀態(tài)粘性土與飽和度不大于0.5的粉土4.3抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的確定第四十一頁，共55頁。試樣圍壓

力3閥門閥門馬達(dá)橫梁量力環(huán)百分表量水管孔壓量測1.試樣應(yīng)力特點

與試驗方法2.試驗類型3.強(qiáng)度包線4.優(yōu)缺點三軸壓縮試驗4.3抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的確定第四十二頁，共55頁。試驗裝置：試樣水壓

力c軸向力F4.3抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的確定第四十三頁，共55頁。應(yīng)變控制式三軸儀：壓力室加壓系統(tǒng)量測系統(tǒng)軸向加荷系統(tǒng)第四十四頁，共55頁。三軸壓縮儀第四十五頁，共55頁。1.應(yīng)力特點與試驗方法方法：固結(jié)：試樣施加圍壓力1=2=3

剪切：施加應(yīng)力差Δ1=1-3

應(yīng)力特點：試樣是軸對稱應(yīng)力狀態(tài)垂直應(yīng)力z一般是大主應(yīng)力1側(cè)向應(yīng)力總是相等x=y，且為中、小主應(yīng)力2=3試樣水壓

力c軸向力F4.3抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的確定第四十六頁，共55頁。固結(jié)排水試驗（CD試驗）1打開排水閥門，施加圍壓后充分固結(jié)，超靜孔隙水壓力完全消散；2打開排水閥門，慢慢施加軸向應(yīng)力差以便充分排水，避免產(chǎn)生超靜孔壓固結(jié)不排水試驗（CU試驗）1打開排水閥門，施加圍壓后充分固結(jié)，超靜孔隙水壓力完全消散；2關(guān)閉排水閥門，很快剪切破壞，在施加軸向應(yīng)力差過程中不排水不固結(jié)不排水試驗（UU試驗）1關(guān)閉排水閥門，圍壓下不固結(jié)；2關(guān)閉排水閥門，很快剪切破壞，在施加軸向應(yīng)力差過程中不排水cd、d

ccu、cu

cu、u

2.試驗類型4.3抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的確定第四十七頁，共55頁。抗剪強(qiáng)度包線

c

分別在不同的周圍壓力3作用下進(jìn)行剪切，得到3～4個不同的破壞應(yīng)力圓，繪出各應(yīng)力圓的公切線即為土的抗剪強(qiáng)度包線3.三軸試驗結(jié)果4.3抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的確定第四十八頁，共55頁。優(yōu)點：1應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力路徑明確；2排水條件清楚，可控制；3破壞面不是人為固定的；4試驗單元體試驗缺點：設(shè)備相對復(fù)雜，現(xiàn)場無法試驗說明：3＝0即為無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗4.優(yōu)點和缺點4.3抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的確定第四十九頁，共55頁。4.4地基的臨塑荷載和臨界荷載地基的臨塑荷載定義：在外荷作用下，地基中剛開始產(chǎn)生塑性變形(即局部剪切破壞)時基礎(chǔ)底面單位面積上所承受的荷載oppopusabcα1.壓密階段(p<po)2.局部剪損階段(po<p<pu)3.完全破壞階段(p>p