第七章地基承载力

1、第三章地基承载力主要内容本课程重点n地基勘探 Site investigationn地基承载力Bearing Capacity of Foundation Soil第一节第一节 地基勘探地基勘探 Site investigation一、勘探要求：一、勘探要求：了解地基的工程地质和水文条件，为了解地基的工程地质和水文条件，为确定地基承载力和进行基础设计提确定地基承载力和进行基础设计提供依据供依据1 1 资料资料：平面图和地形图：平面图和地形图 建筑物的形式和荷载建筑物的形式和荷载 管线，地下室管线，地下室第一节第一节 地基勘探地基勘探 Site investigation一、勘探要求：一、勘探要

2、求：1 1 资料资料 内容内容 土层分布，水平位置和深度土层分布，水平位置和深度 每层土物理力学性质每层土物理力学性质 e e , c , c EsEs 地下水位置及性质地下水位置及性质Ground water 其他地质问题：古滑坡，古墓，其他地质问题：古滑坡，古墓， 洞穴，老河道古井洞穴，老河道古井杂填 泥炭粉质粘土粘土砂砾石 布点 一般性勘察：针对持力层，平面一般性勘察：针对持力层，平面 (11.5)b (34)b 2050m 控制性勘察：压缩层，比一般性勘察深控制性勘察：压缩层，比一般性勘察深 泥炭粉质粘土粘土砂砾石杂填地基勘探地基勘探二、勘探方法二、勘探方法n物探地球物理勘探物探地球物

3、理勘探n坑探明挖坑探明挖n钻探钻孔钻探钻孔n触探触探n现场测试原位试验现场测试原位试验地基勘探地基勘探1 1 物探物探Geophysical Exploration地球物理勘探地球物理勘探方法方法: :重力场重力场, ,磁电场磁电场, ,声声, ,弹性波弹性波, ,放射性勘探放射性勘探, ,地地震勘探震勘探( (规范规范, ,剪切波速剪切波速) )优点优点: :简单迅速简单迅速缺点缺点: :间接判断间接判断, , 较大范围较大范围. .地基勘探地基勘探2 坑探坑探 trial pitsn优点优点: :直观直观, , 取原状样，兰旗营取原状样，兰旗营9m9m坑坑n缺点缺点: : 一般一般34m,

4、 34m, 地下水以下危险地下水以下危险, ,地基勘探地基勘探n最常用的办法最常用的办法,可达可达100m以以下下n划分地层划分地层n确定地下水确定地下水n取样取样n可以进行触探可以进行触探及原位试验及原位试验钻探 Exploration Drilling地基勘探地基勘探回转式钻机回转式钻机 4 触探 动力触探和静力触探动力触探和静力触探 Dynamic Penetration, Static Cone Penetration(1) 动力触探动力触探Dynamic Penetration 管状探头 标准贯入试验SPT, 63.5 kg, 76cm距,贯入深度30cm的击数, N 63.5锥状探

5、头 轻型10 kg, 50cm落距,贯入深度30cm中型 28kg重型 63.5kg 碎石,砾石地层特重型 120kg地基勘探地基勘探SPTStandard Penetration Test地基勘探地基勘探穿心锤穿心锤锤垫锤垫触探杆触探杆贯入器头贯入器头出水孔出水孔贯入器身贯入器身贯入器靴贯入器靴标准贯入试验标准贯入试验地基勘探地基勘探4 触探 动力触探和静力触探动力触探和静力触探 (1) 动力触探动力触探 管状探头 标准贯入试验SPT, 63.5 kg, 76cm落距，贯入深度30cm的击数, N 63.5SPT用测得的标准贯入垂击数N，判定砂土的密实度或粘性土的密度，确定地基和单桩的承载力

6、；还可评定砂土的震动液化势。标准贯入试验适用于砂性土与粘性土。 地基勘探地基勘探4 4 触探触探 动力触探和静力触探动力触探和静力触探 (1) 动力触探动力触探 管状探头管状探头 标准贯入试验标准贯入试验SPT, 63.5 kg, 76cm距距,贯入贯入深度深度30cm的击数的击数, N 63.5锥状探头锥状探头 轻型轻型10 kg, 50cm落距落距,贯入深度贯入深度30cm中型中型 28kg重型重型 63.5kg 碎石碎石,砾石地层砾石地层特重型特重型 120kg地基勘探地基勘探地基勘探地基勘探轻型动力触探轻型动力触探10kg中型动力触探中型动力触探28kg重型动力触探重型动力触探63.5

7、kg穿心锤穿心锤锤垫锤垫触探杆触探杆尖锤头尖锤头锥状探头锥状探头(2) 静力触探Static Cone Penetration 单桥探头 端部Ps=Q/A 比贯入阻力 双桥探头 端部和侧壁土的密实度压缩性强度桩和地基的承载力地基勘探地基勘探电缆电缆传感器传感器传感器传感器传感器传感器单桥探头单桥探头双桥探头双桥探头FF动画贯入静力触探是可以迅速、连续的反映土质变化划分土层, 承载力、压缩性、不排水抗剪强度、砂土密实度等静力触探适用于粘性土和砂类土示意图地基勘探地基勘探5 5 现场试验现场试验 In situ testingn十字板十字板 Vane Shear饱和软粘土饱和软粘土n载荷板试验载荷

8、板试验Loading Plate深浅均可深浅均可n旁压仪旁压仪 Pressuremeter 较深地基较深地基地基勘探地基勘探十字板HDHDDMf322maxFFMmax=FD地基勘探地基勘探现场载荷试验现场载荷试验地基勘探地基勘探现场载荷试验地基勘探地基勘探千斤顶荷载板荷载板平板载荷试验要点平板载荷试验要点n0.5 0.5m, 0.71 0.71m, 1.0 1.0mn不少于不少于3点点n8-10级级n每级稳定的标准每级稳定的标准n承载力的特征值承载力的特征值地基勘探地基勘探n地基破坏的判定地基破坏的判定(1)(1)明显侧向挤出或发生裂纹明显侧向挤出或发生裂纹(2)(2)荷载增量很小荷载增量很

9、小, ,沉降急剧沉降急剧增加增加, ,(3)(3)某级荷载增量下某级荷载增量下,24,24小时小时内沉降不能稳定内沉降不能稳定(4)s/b0.06(4)s/b0.06的荷载作为破的荷载作为破坏荷载坏荷载载荷试验载荷试验pcr puS荷载沉降曲线荷载沉降曲线地基勘探地基勘探现场载荷试验现场载荷试验地基勘探地基勘探承载力的特征值fakn比例界限pcrn当pu2 pcr时，取极限承载力一半渐变型曲线渐变型曲线ns/b = 0.010.015低压缩性土低压缩性土ns/b = 0.02高压缩性土高压缩性土地基勘探地基勘探深度宽度修正的特征值深度宽度修正的特征值spbIEdbffmdbaka）（2001)

10、5 . 0()3(I0形状影响系数形状影响系数, 圆：圆：079；方：；方：088地基勘探地基勘探旁压试验旁压试验水箱水箱量测量测钻孔内进行横向载荷试验,用以测定较深处土层的变形模量和承载力 V0 V0VPh puh pcr poh地基勘探地基勘探注 水注 水加 压量 测 室注 水加 压动 画 膨 胀地基勘探地基勘探6 6 室内试验室内试验n物理性质n力学特性 直剪试验,三轴, 压缩(渗透)地基勘探地基勘探三 勘探报告1 一般情况2 结果地形和平面钻孔布置图土层剖面土性地下水和不良地质问题3 意见和建议 评价,设计施工建议,地基处理意见地基勘探地基勘探思考题思考题n在建筑物场地上勘探在建筑物场

11、地上勘探, ,一般要做一般要做哪些项目的勘探哪些项目的勘探? ?n对于重要建筑物一般要采用什么对于重要建筑物一般要采用什么试验方法确定承载力？试验方法确定承载力？n如何确定砂土地基的密实度？如何确定砂土地基的密实度？地基勘探地基勘探第2节 地基承载力Bearing Capacity of Foundation Soil第2节 地基承载力1 1 建筑物地基设计的基本要求建筑物地基设计的基本要求2 2 地基在外荷载作用下的破坏形式地基在外荷载作用下的破坏形式3 3 极限平衡理论求地基极限承载力极限平衡理论求地基极限承载力4 4 其他求极限承载力的方法其他求极限承载力的方法5 5 地基的临塑荷载、临

12、界荷载与容地基的临塑荷载、临界荷载与容许承载力许承载力一、地基承载力定义一、地基承载力定义n极限承载力极限承载力 Ultimate bearing capacity 承载地基在发生剪切破坏时的承载地基在发生剪切破坏时的荷载强度荷载强度 The intensity of bearing pressure at which the supporting ground is expected to fail in shear1 建筑物地基设计的基本要求n1）稳定要求：荷载小于承载）稳定要求：荷载小于承载力（抗力）力（抗力） p pu /Fs =f n2）变形要求）变形要求：变形小于设计允许值S S（

13、1）沉降量 （2）沉降差（3）倾斜 （4）局部倾斜2 2 地基破坏的形式地基破坏的形式1)竖直荷载下地基破坏的形式n整体破坏整体破坏 密实砂土，坚硬粘土，浅埋n局部剪切破坏局部剪切破坏 土质较软n冲剪破坏冲剪破坏 软粘土，深埋n液化液化 饱和松砂2)竖直和水平荷载下地基破坏形式n表面滑动 水平力大n深层滑动 竖直荷载大2.2.局部剪切局部剪切松软地基，埋深较大；松软地基，埋深较大；曲线开始就是非线性，曲线开始就是非线性，没有明显的骤降段没有明显的骤降段。3.3.冲剪破坏冲剪破坏松软地基，埋深较大；松软地基，埋深较大；荷载板几乎垂直下切，荷载板几乎垂直下切，两侧无土体隆起。两侧无土体隆起。1.

14、1.整体破坏整体破坏土质坚实土质坚实, ,基础埋深浅；基础埋深浅；曲线开始近直线，随曲线开始近直线，随后沉降陡增，两侧土后沉降陡增，两侧土体隆起。体隆起。General shear failureLocal shear failurePunching shear failure1. 1.整体破坏整体破坏PS2.2.局部剪切局部剪切PS3.冲剪破坏冲剪破坏PS深深土土层层表表面面土土某谷仓的地基整体破坏1940年在软粘土地基上的某水泥仓的倾覆年在软粘土地基上的某水泥仓的倾覆水泥仓地基水泥仓地基整体破坏整体破坏蓝粘土蓝粘土石头和粘土石头和粘土地基土可能的滑动方向地基土可能的滑动方向岩石办公楼办公楼

15、外墙外墙黄粘土黄粘土在软粘土上的密砂地基的冲剪破坏2 地基破坏的形式1)竖直荷载下地基破坏的形式n整体破坏整体破坏 密实砂土，坚硬粘土，浅埋n局部剪切破坏局部剪切破坏 土质较软n冲剪破坏冲剪破坏 软粘土，深埋n液化液化 饱和松砂1964年日本新泻（年日本新泻（Niigata）地震）地震地基的大面积液化地基的大面积液化 地基液化引起的建筑物破坏3 3 竖直荷载和水平荷载下建筑竖直荷载和水平荷载下建筑物地基破坏的形式物地基破坏的形式深层滑动深层滑动PhPv表层滑动表层滑动PhPvhvsPcAfPF4 地基的变形1 建筑物地基设计的基本要求1）稳定要求：荷载小于承载力（抗力）稳定要求：荷载小于承载力

16、（抗力） p pu /Fs =f 2)变形要求：变形小于设计允许值变形要求：变形小于设计允许值S S(1)沉降量沉降量 (2)沉降差沉降差相邻柱基相邻柱基(3)倾斜倾斜砌体承重结构砌体承重结构 (4)局部倾斜局部倾斜某宫殿，左部某宫殿，左部分建于分建于1709年；年；右部分建于右部分建于1622年。沉降年。沉降达达2.2米，存米，存在明显的沉降在明显的沉降差。差。墨西哥的沉降问题是世界著名的比萨斜塔-不均匀沉降的典型始建于始建于1173年，年，60米高。米高。1271年建成年建成平均沉降平均沉降2米，米，最大沉降最大沉降4米。米。倾斜倾斜5.5 ，顶，顶部偏心部偏心2.1米米大 Nishino

17、miya 桥的桥墩破坏. 6个桥墩中至少2个严重破坏，其可能的原因是岸边桥墩的大变形导致第一组桥墩过载。日本日本1995年年1月月17日阪日阪神大地震神大地震相邻建筑物施工引起的原有建筑物的局部倾斜（软粘土地基）膨胀土地基上建筑物的开裂（美国加拿大）潜在性膨胀土的分潜在性膨胀土的分布限与热带和温带布限与热带和温带的半干旱地区内。的半干旱地区内。这种条件助长了蒙这种条件助长了蒙特石形成。特石形成。很多国家都发现了很多国家都发现了膨胀土。膨胀土。印度的黑棉土印度的黑棉土膨胀土上的基础膨胀土上的基础陈孚华陈孚华TU443 1TU443 1膨胀土对建筑物的危害膨胀土对建筑物的危害活动区域活动区域小节1

18、）破坏形式）破坏形式 竖直荷载作用下，有水平荷载时竖直荷载作用下，有水平荷载时2) 变形要求变形要求(1)沉降量沉降量 (2)沉降差沉降差相邻柱基相邻柱基(3)倾斜倾斜砌体承重结构砌体承重结构 (4)局部倾斜局部倾斜思考题1 在垂直均布荷载作用下,地基的失稳有几种形式?土层的性质各应该是什么样的?2 承受垂直和水平荷载的地基其失稳形式有几种？举出这类土工建筑物的例子。3 如何确定地基的承载力？如何满足地基设计的条件？n承载力？承载力？n变形？变形？确定承载力的三种方法确定承载力的三种方法载荷试验载荷试验理论公式计算理论公式计算经验方法经验方法1 极限状态极限状态Limit state结构或结构

19、的一部分超过某一特定状态结构或结构的一部分超过某一特定状态 而不能而不能满足设计规定的某一功能要求时满足设计规定的某一功能要求时 这一特定状态这一特定状态称为结构对于该功能的极限状态称为结构对于该功能的极限状态承载能力极限状态承载能力极限状态 一般是结构的内力超过其承一般是结构的内力超过其承载能力载能力正常使用极限状态正常使用极限状态 一般是以结构的变形、裂缝一般是以结构的变形、裂缝和振动参数超过设计允许的限值为依据和振动参数超过设计允许的限值为依据根据承载能力极限状态确定地基的承载力根据承载能力极限状态确定地基的承载力二 地基承载力的理论公式2 极限状态定义极限状态定义二二 地基承载力理论公

20、式法地基承载力理论公式法 普朗特普朗特- -瑞斯纳承载力公式瑞斯纳承载力公式一一. 极限平衡理论：极限平衡理论：1.平衡方程：平衡方程：2.极限平衡条件极限平衡条件3. 假设与边界条件假设与边界条件二二.普朗特普朗特-瑞斯纳承载力公式瑞斯纳承载力公式1. 条形基础地基的滑裂面形状条形基础地基的滑裂面形状2. 极限承载力极限承载力puD D平面问题的平衡方程平面问题的平衡方程xzxzz（1）0zxxzx（2）极限平衡条件极限平衡条件Sincctg23131（3） z zx x xz普朗特(Prandtl)的基本假设1. 基础底面是绝对光滑的（，保证竖直荷载是主应力2. 无重介质的假设：即在式（1

21、）中 =0：根据公式（根据公式（1 1）、（）、（2 2）和（）和（3 3）以及边界条件，利用塑性力）以及边界条件，利用塑性力学中的滑移线法可以求解条形基础的地基承载力学中的滑移线法可以求解条形基础的地基承载力 P Pu u这一假定下的精确解或解析解.D D1. 极限平衡区与滑裂面的形状无重介质地基的滑裂线网无重介质地基的滑裂线网BEFBp实际地面实际地面DC二二 地基承载力理论公式法地基承载力理论公式法 普朗特普朗特- -瑞斯纳承载力公式瑞斯纳承载力公式一一. 极限平衡理论：极限平衡理论：1.平衡方程：平衡方程：2.极限平衡条件极限平衡条件3. 假设与边界条件假设与边界条件二二.普朗特普朗特

22、-瑞斯纳承载力公式瑞斯纳承载力公式1. 条形基础地基的滑裂面形状条形基础地基的滑裂面形状2. 极限承载力极限承载力puD D1.朗肯主动区： pu为大主应力，与水平方向夹角4522. 过度区：r=r0e tg3.朗肯被动区：水平方向为大主应力，与水平方向夹角45- 2地基中的极限平衡区地基中的极限平衡区BEFBp实际地面实际地面DCIIIIIIr0r I 区区垂直应力垂直应力p pu u为大主应力，为大主应力，与水平方向夹角与水平方向夹角45452 2 =pu kapuPuIII 区水平方向为大主应力，水平方向为大主应力，与水平方向夹角与水平方向夹角45 - 2 3= D 1 kpDq= D2

23、区：区： 过度区过度区：极限平衡第二区：r=r0e tgr0r 作用在隔离作用在隔离体上的力：体上的力：pu 、 D 、pa 、 pp 、c、R所有力对所有力对A A点力矩平衡点力矩平衡puR隔离体隔离体r0rApppaDcaauaKcKpp2pppKcqKp2r=r0e tg =R过顶点Atg=dr/ r d = r0etgd tg r0e tgd= tg =dRdrdlrd =A+M1：puOA =B/2 +M2： paOC= B/2 tg(45+/2) -M3: cCE=dl-M4: ppGE=B/2e/2tg -M5: D AG= B/2 tg(45+/2) e /2tg puR隔离体

24、隔离体r0rApppaDc2. 极限承载力puctgNNtgeNCNDNpqctgqcqu) 1()245(2 Nq, Nc: 承载力系数承载力系数ctgNNtgeNcNDNpqctgcquq)1()245(2如果 = 0, pu = ?什么情况下可以作为 = 0?当地基中地下水上升到滑动区域内时,对极限承载力有影响吗?哪类土影响大,哪类土影响小?思考题* 其它半经验承载力公式n一. 太沙基公式n二.汉森公式n三.其它承载力公式一. 太沙基公式1.基本条件2. 假设的滑裂面形状3. 极限承载力公式1.基本条件（1）考虑地基土的自重）考虑地基土的自重 基底土的重量基底土的重量0（2）基底可以是粗

25、糙的）基底可以是粗糙的 0=0 (不会超不会超过过 ,为什么为什么?)（3）忽略基底以上部分土本身的阻力）忽略基底以上部分土本身的阻力,简简化为上部均布荷载化为上部均布荷载q= DD mD2. 2. 假设的滑裂面形状假设的滑裂面形状被动区过渡区刚性核Ep=Ep1+Ep2+Ep3 Wp uB考虑刚性核的平衡1. 当基底绝对粗糙时，夹角为；2. 考虑刚性核的平衡：荷载： p u自重：W粘聚力：C被动土压力EpEp1：土体自重Ep2：滑裂面上粘聚力Ep3 ：侧向荷载qcuqNcNNBp2232221coscos1cos2pqpcpkNtgkNktgN太沙基公式中的承载力因数 N、Nq、Nc查图8-1

26、8，以为变量比比普朗特普朗特- -瑞斯纳承载力公式偏大瑞斯纳承载力公式偏大，因为考虑了基底摩擦和土体自重（二）局部剪切破坏（非整体破坏）t tg g3 32 2t tg gc c3 32 2c c思考题n大型建筑物往往是由沉降控制设计n小型建筑物往往由承载力控制设计。 为什么（基础的宽度对于地基的承载力和沉降各由什么影响？）极限承载力极限承载力p pu u的组成的组成 BN /2cNcDqNq极限承载力的三部分极限承载力的三部分qcqNcNNB2滑动土体自重产生的抗力滑动土体自重产生的抗力滑裂面上的粘聚力产生的抗力滑裂面上的粘聚力产生的抗力侧荷载侧荷载 D D产生的产生的抗力抗力(1) 影响滑

27、裂面形状的大小，承载影响滑裂面形状的大小，承载力因数的大小力因数的大小.滑动土体的体积滑动土体的体积, q的的分布范围分布范围, 滑裂面的大小滑裂面的大小.pu(1) 的影响的影响pu 影响滑裂面形状的大小，承载力因影响滑裂面形状的大小，承载力因数的大小数的大小.滑动土体的体积滑动土体的体积, q的分布的分布范围范围, 滑裂面的大小滑裂面的大小.(2) 宽度宽度B增加为增加为2B,滑动体体积增加为原滑动体体积增加为原来的来的22倍倍(提供的抗力提供的抗力),由此增加的承载力由此增加的承载力增加为原来的增加为原来的2倍倍.( BN /2线性增加）线性增加）B增加，增加，q的分布面积线性增加，的分

28、布面积线性增加，qNq不变。不变。B增加，滑裂面面积线性增加，增加，滑裂面面积线性增加， cNc不变不变pupu(3) qNq,与侧面荷载大小，和荷载分布范围有关-滑裂面形状有关。滑裂面形状与有关。 Nq, 是的函数pupu(4) cNc,与粘聚力，和滑裂面长度有关-滑裂面形状有关。滑裂面形状与有关。 Nc, 是的涵数pu总结上节课的内容总结上节课的内容极限承载力理论界和半理论解极限承载力理论界和半理论解1 Prantl解解 假设和滑裂面形状假设和滑裂面形状2 太沙基解，一般解形式太沙基解，一般解形式3 极限承载力的影响因素极限承载力的影响因素 , c, ，D, B,BEFBp实际地面实际地面

29、CIIIIIID45o /245o /2qcuqNcNNBp2三三 地基的容许承载力地基的容许承载力-地基承载力设计值地基承载力设计值n容许承载力容许承载力f及影响因素及影响因素1f pu / Fs, s s特征值fa(设计承载力)2.2.局部塑性区局部塑性区地基承受荷载的不同阶地基承受荷载的不同阶段段 弹性阶段弹性阶段- - 临塑荷载临塑荷载3. 极限承载力地基承载力设计值地基承载力设计值f f 的确定办法：的确定办法： 要求较高：要求较高：f = Pcr 一般情况下：一般情况下：f = P1/4 或或 P1/3 在中国在中国取取P1/4或者：或者： 用极限荷载计算：用极限荷载计算：f =

30、Pu / Fs Fs -安全系数安全系数1 1 荷载沉降曲线临塑荷载、极限荷载荷载沉降曲线临塑荷载、极限荷载pcrpupcr pu临塑荷载连续滑动面和极限荷载塑性区发展和临界荷载pcr pu地基土开始出现剪切破坏地基土开始出现剪切破坏s连续滑动面连续滑动面临塑荷载 临界荷载 极限荷载允许地基中有一定的塑性区，作为设计承载力允许地基中有一定的塑性区，作为设计承载力-考察地基中塑性区的发展n地基土中某一点应力状态： ，n极限平衡应力状态（塑性区）sin23131ctgc条形荷载塑性区的计算条形荷载塑性区的计算n自重应力：自重应力：n s1= (d+z)n s3=k0 (d+z)n弹性区的附加应力：

31、弹性区的附加应力：n合力合力=： 1， 3n设设k0 =1.0)2sin2(3 , 1DpDzM2 塑性区的计算n弹性区的合力： n极限平衡条件：)()2sin2 (3 , 1zDDpsin23131ctgcDzM2 塑性区的计算塑性区的计算将应力代入极限平衡将应力代入极限平衡条件式（条件式（2 2），表示），表示该点既满足弹性区；该点既满足弹性区；也满足塑性区也满足塑性区是弹是弹塑像区的边界。在荷塑像区的边界。在荷载载p p作用下，得到如作用下，得到如下边界方程：下边界方程：z=f(z=f( ) ) （3 3）DzM2 DctgcDpz)2sin2sin(DctgcDpz)2sin2sin(弹塑区边界方程弹塑区边界方程塑性区的最大深度塑性区的最大深度Z Zmaxmax塑性区的最大深度Zmax220zDM2 DctgcDpz)2sin2sin(塑性区的最大深度Zmaxn对应对应Zmax=0