土力学及地基基础

1、土力学及地基基础课程设计土的抗剪强度试验一、 直剪剪切试验直剪剪切试验是测定土的抗剪强度指标的一种方法。试验使用的仪器称为直剪剪切仪。试验时先对正上、下剪切盒（用插销固定），再将扁圆柱形试样放在盒内上、下两块透水石之间。施力时先拔插销，通过传压板（活塞）加垂直荷载P，设试样的水平面积为A，则剪切面上的正应力为=P/A。然后对下盒徐徐施加水平力Q，下盒能在滚珠上移动，此时试样在限定的剪切面上开始产生剪切力=Q/A，剪力的大小可通过量力环测得。当剪应力增大到使土样在剪切面发生剪切破坏时，该剪切力就是土样的抗剪强度f.对同一种土通常取4个试样，分别在不同垂直压力下剪切破坏，一般可取垂直压力为100，

2、200，300，400kPa。将试验结果绘在以抗剪强度f为纵坐标、垂直压力为横坐标的图上，通过各试验点绘一直线，此即为抗剪强度包线。该直线在纵坐标上的截距为粘聚力c，与横坐标的夹角为内摩擦角，直线方程可用库伦公式f=c+tan表示。为了模拟土体在现场可能受到的剪切条件，按剪切前的固结程度、剪切时的排水条件及加荷速率，把直接剪切试验分为快剪、固结快剪和慢剪三种试验方法。（1） 快剪。这是在整个实验过程中，都不让土样排水固结，亦即不让孔隙水压力消散。先将试样的上、下两面均贴以不透水薄膜，在施加垂直压力后，立即快速施加水平剪力，使试样35min内剪切破坏。由于剪切速率快，可认为试样在短暂的剪切过程中

3、来不及排水固结。得到的强度指标用cq、q表示。（2） 固结快剪。施加垂直压力后，让试样充分排水固结，待固结完成后，再快速施加水平剪力，使试样在35min内剪切破坏。得到的强度指标用ccq、cq表示。（3） 慢剪。施加垂直压力并待试样固结完成后，以缓慢的剪切速率施加水平剪力，使试样在剪切过程中有充分的时间排水固结，直至剪切破坏。得到的强度指标用cs、s表示。二、 轴压缩试验三轴压缩试验所采用的三轴压缩仪，是目前测定土的强度指标的较为完善的仪器。它由压力室、轴向加荷设备、施加周围压力系统、孔隙水压力量测系统等组成。试验时，将试样套在橡胶膜内，放入密封的压力室中，然后向压力室压入水，使试样在各向受到

4、周围压力3，并使液压在整个试验过程中保持不变。此时试样处于各向等压状态，因此试样中不产生剪切力。然后再通过传力杆对试样施加竖向压力1，这样竖向主应力1=3+1就大于水平主应力3。当3保持不变，而1逐渐增大时，相应的应力圆也不断增大。当应力圆达到一定大小时，试样终于受剪而破坏，相应的应力圆即为极限应力圆。在给定的周围压力3作用下，一个试样的试验只能得到一个极限应力圆。为了求得强度包线，需要选用同一种土的34个试样在不同的3作用下进行剪切，画出相应的极限应力圆。这些应力圆的公切线即为抗剪强度包线，又称破坏包线，一般取此包线为一直线。直线与纵轴的截距为土的聚力c，与横轴的夹角为内摩擦角。三轴压缩试验

5、亦可分为不固结不排水剪、固结不排水剪和固结排水剪三种试验方法。1. 不固结不排水剪（UU试验）试样在施加周围压力和随后施加竖向压力直至剪切破坏的整个过程中都不允许排水，试验自始至终关闭排水阀门。2. 固结不排水剪（CU试验）试样在施加周围压力3时打开排水阀门，允许试样排水固结，待固结完成后关闭排水阀门，再施加竖向压力，使试样在不排水的条件下剪切破坏。3. 固结排水剪（CD试验）试样在施加周围压力3时允许排水固结，待固结完成后，再在排水条件下施加竖向压力至试样剪切破坏。三、 无侧限抗压强度试验无侧限抗压强度试验如同三轴仪中进行3=0的不排水剪切试验一样。试验时，将圆柱形试样放在无侧限压力仪中，在

6、不加任何侧向压力的情况下施加垂直压力直到使试样剪切破坏为止，剪切破坏时试样所能承受的最大轴向压力qu称为无侧限抗压强度。这一试验只适用于饱和粘性土。无侧限抗压强度试验宜在812min内完成。由于试验时间较短，可以认为试样在受剪过程中处于不排水条件。由于3=0，试验结果只能作出一个极限应力圆（1=qu，3=0），。根据三轴不固结不排水剪切试验的结果，饱和粘性土的抗剪强度包线为一条水平线，即u=0，因此，由无侧限抗压强度试验所得的极限应力圆的水平切线就是抗剪强度包线，于是有：f=cu=qu/2。四、 十字板剪切试验在抗剪强度的原位测试方法中，十字板剪切试验常用于现场测定饱和粘性土的原位不排水抗剪强

7、度。试验采用的仪器为十字板剪力仪。试验时，先将套管打到预定深度，并清除管内的土。把十字板安装在钻杆的下端，通过套管压入土中，压入深度约为750mm。然后由地面的扭力设备对钻杆施加扭矩，带动十字板旋转，使十字板内的圆柱形土体与周围不动的土体之间发生相对的剪切位移直至土剪切破坏。这时土的剪切面为十字板旋转所形成的圆柱面及上、下端面。设圆柱侧面和上下表面的抗剪强度相等，通过量力设备可测得破坏时的扭矩M，它应等于圆柱形土体侧面和上、下表面上的抵抗力矩之和，由此可求的土的不排水抗剪强度。十字板剪切试验的优点是不需取样，对土的结构扰动较小，仪器构造简单，操作方便，被认为是目前测定饱和粘性土抗剪强度的较好方

8、法。这种试验得到的软粘土不排水抗剪强度常比无侧限抗剪强度试验的结果大，但较能反映实际情况。土的抗剪强度在工程中的应用地基承载力问题建筑物对地基施加荷载后，地基产生滑动的趋势，在滑动面上由土的抗剪强度抵抗外荷载引起的应力。地基极限承载力计算公式：pu=cNc+qNq+1/2bN上海地区的资料工程基础尺寸m2埋深m基底压力kPa计算极限荷载kPa配煤房10.7×46.51.5119122堆载试验20×300150183上海展览馆46.4×46.50.5130205注：由于荷载的面积比较大，极限荷载都按下卧层的不排水强度指标计算上海焦化厂配煤房焦化厂配煤房由图示的5个圆

9、形的钢筋混凝土储煤筒仓组成，储煤筒仓直径8m，高31m，并排置于带肋的钢筋混凝土筏板基础上，基础面积为46.5m×10.76m，基础板厚度为30cm，埋置深度1.5m。储煤筒仓的结构自重为38000kN，可装煤21500kN。结构自重产生的基础底面压力为76kPa，总荷载（结构自重加储煤重量）产生的基础底面压力为119kPa。地基上的抗剪强度指标淤泥质粘土的抗剪强度指标试验方法 强度指标（°）C（kPa）直剪固结快剪试验1312三轴不固结不排水试验020原位十字板剪切试验022配煤房在上部结构竣工前后3个月内的平均沉降为47mm，沉降速率为0.5mm/d，已发现沉降稍有不均

10、，南侧沉降较大，整体倾斜仅为2.7。竣工后6个月投入生产将5个储煤筒仓全部装满煤，荷载突然增加了21500Kn,平均加荷速率为4300kN/d，基础底面压力的增长速率为8.6kPa/d。此时发现沉降速率迅速加快，加煤停止时，基础南边的沉降速率为10mm/d，北边为8mm/d；停止加煤后4天时沉降速率增大至最大值，南边达45mm/d，北边为27mm/d。由于南北两侧的沉降不均匀，配煤房出现了明显的倾斜，实测倾斜的发展过程曲线见图3-22.最大的倾斜达到24，储煤筒仓的重心明显偏离基础形心，不利于建筑的稳定，于是决定采取工程措施进行纠偏。在配煤房的北侧堆放钢锭30000kN，控制堆载的速度不超过5

11、00kN/d，在纠偏荷载作用下，配煤房的倾斜逐渐减少，压载3年后逐渐卸载，但沉降仍在继续发展，卸载后6年实测的最大沉降量为1200mm，最小沉降量1100mm。地基承载力安全度分析分别采用固结不排水试验指标和不固结不排水试验指标计算地基极限承载力。取直剪试验结果的内摩擦角=13°，粘聚力c=12kPa时，用Hansen公式求得极限承载力等于202kPa。取原位十字板剪切试验结果粘聚力c=22kPa时，求得极限承载力等于135kPa。原位十字板强度相当于土的天然强度，适用于土的天然强度，适用于加荷速度很快，地基土来不及排水固结时的地基稳定验算。对于焦化厂配煤房正常的施工期来说，由于加荷

12、速度比较慢，采用不固结不排水强度指标就低估了地基承载力；固结不排水试验强度的影响，如果用于快速加荷条件下的地基承载力计算，则过高地估计了地基承载力，得到了偏于危险的计算结果。在这个工程实例中，采用固结不排水试验指标计算得到的安全系数为1.70，与安全系数的一般经验值相比已经是偏小了。如按一般考虑取安全系数为2，则得容许承载力101kPa，而基底压力已达119kPa，显然即使没有快速装煤，这个设计也是偏于不安全的。如果考虑到由于装煤的时间很短，地基土来不及排水固结，则应采用不固结不排水试验指标验算。按不固结不排水指标得到的安全系数只有1.13，已经临近极限状态了。当然，这个估计是偏于保守的。因为

13、实际情况可能介于两者之间。即结构自重部分的加荷速度比较慢，施工结速后又有6个月的间歇时间，可以考虑部分的排水固结，而活载加荷速度又很快，后一部分加荷过程中不应考虑强度的增长。则实际的安全系数应介于上述两种情况的安全系数1.131.70之间。土压力问题土压力的计算也需要用土的抗剪强度指标，如主动土压力计算公式：pa=ztan2（45°-/2）在基坑工程设计中，土压力是作用于基坑支护结构上的侧向荷载，土压力估计值的大小直接影响基坑工程设计的安全与经济。目前上海地区的工程经验是建立在采用直剪固快强度指标的基础上，关于计算土压力是如何考虑地下水作用的问题是十分重要的，存在不同的方法，称为水土分算还是水土合算。按有效应力原理计算地下水的作用单独考虑，则土压力采用浮重度计算，内摩擦角也采用有效内摩擦角，即按有效应力原