土力学-04ppt课件

1、第四章 土的抗剪强度与地基承载力土的强度问题实质上是土的抗剪强度。本章主要介绍:地基强度的意义和应用土的极限平衡条件抗剪强度指标的测定地基承载力的确定影响抗剪强度指标的因素1第一节 概述地基强度条件 在建筑物的上部荷载作用下，确保地基的稳定性，不发生地基剪切破坏或滑动破坏。1.地基强度的意义 为了建筑物的安全可靠，建筑地基必须满足两个条件：地基变形条件、地基强度条件2 载荷试验与地基强度（1）用载荷试验结果p-s曲线说明地基强度的意义3加拿大特朗斯康谷仓：地基整体滑动破坏（2）用地基强度破坏的工程实例说明地基强度的意义4土体滑动破坏52.土的强度的应用 地基承载力与地基稳定性 土坡稳定性6挡土

2、墙及地下结构上的土压力7 土的强度通常是指土的抗剪强度 地基受荷载作用后，土中各点同时产生法向应力和剪应力，其中法向应力作用将对土体施加约束力，这是有利的因素；而剪应力作用可使土体发生剪切，这是不利的因素。抗剪强度是指土体抵抗剪切破坏的极限能力 若地基中某点的剪应力数值达到该点的抗剪强度，则此点的土将沿着剪应力作用方向产生相对滑动，此时称该点发生强度破坏。8本节完9第二节 土的极限平衡条件极限平衡状态 当土体的剪应力等于土的抗剪强度f 时的临界状态称为极限平衡状态极限平衡条件 指土体处于极限平衡状态时土的应力状态和土的抗剪强度指标之间的关系式，即1、 3与内摩擦角、粘聚力c之间的数学表达式。1

3、01.土体中任一点的应力状态（1）土体内一点处不同方位的截面上应 力的集合（剪应力 和法向应力）331131dldlcosdlsin地面Mz11（2）任意斜面上的应力任意截面上的法向应力与剪应力 根据楔体静力平衡条件dl31dlcosdlsin12莫尔应力圆方程O13(1 +3 ) /22A(, )圆心坐标(1 +3 ) /2，0应力圆半径r (1-3 ) /2（3）用莫尔应力圆表示斜面上的应力132.莫尔一库仑破坏理论(1)莫尔一库仑破坏理论由此函数关系 所确定的曲线称为莫尔破坏包线。莫尔一库仑破坏理论认为材料破坏是剪切破坏，在破坏面上的剪应力f是法向应力的函数：0f14库仑通过一系列土的强

4、度实验，于1776年总结出土的抗剪强度规律：(2) 库仑抗剪强度定律 NT 砂土粘性土 c15c 土的内聚力。土的内摩擦角。砂 土 f tan粘性土 f c +tan这种以库仑定律表示莫尔破坏包线的理论称为莫尔一库仑破坏理论 库仑抗剪强度破坏包线为一条直线，即f f () c +tan16应力圆与强度线相离： 强度线应力圆与强度线相切：应力圆与强度线相割：f 已破坏3.土的极限平衡条件(1)地基中任意平面上的应力状态1731cf 2f Accot (1 +3 ) /2无粘性土c =0粘性土(2)极限平衡方程18土体处于极限平衡状态时，破坏面与大主应力作用面的夹角为f说明：剪破面并不产生于最大剪

5、应力面，而与最大主应力面成45o+ /2的夹角，土的剪切破坏并不是由最大剪应力所控制 f2 f31cAccot (1 +3 )/2max19f =c+tan c 1 3 1 3 f f f f f (13)/2 (13 )/2 sinf (13 )/2 cos 2f =90o+ 2 f = 45o+ /2 = 45o /220判断土体是否发生剪切破坏f =c+tan c 1 3 相离：未破坏相切：破坏方法1应力圆与强度线的关系相割：破坏f 21f =c+tan c 1 3 方法2 应力圆心到强度线的距离 1/2(1 - 3 ) 1/2(1+3) sin+ccos 破 坏 1/2(1 -3 )

6、1/2(1+3) sin+ccos 未破坏1 3 22f =c+tan c 1 3 *3 *1 *1 3 tan2(45o+/2) +2c tan (45o+/2) 1 *1 :未破坏1 *1:破坏方法3 比较实际最大主应力1和用最小主应力计算的对应破坏的最大主应力*1 23例题分析【例】某粘性土地基的= 45o ，c=24kPa,若地基中某点的大主应力1 =140kPa，小主应力3=30kPa，问该点是否破坏？【解答】 为了加深对本节内容的理解，下面用三种方法求解。1.方法一在剪切面上 24f ：未破坏库仑定律 25 1/2(1 - 3 ) 1/2(1+3) sin+ccos 未破坏2.方法

7、二f =c+tan c 1 3 1/2(1-3 ) =55kPa1/2(1+3) sin+ccos=57.67kPa263.方法三1 *1 :未破坏3 *3 :未破坏或者27本节完281.直接剪切试验试验仪器：直剪仪（应力控制式，应变控制式）第三节 抗剪强度指标的确定 29直 剪 仪3031剪应力试验成果法向应力制备试样试验步骤安装试样测记初始读数施加竖向压力施加水平剪切荷载终止试验（测定剪切后试样含水量）重复步骤2732在不同的垂直压力下进行剪切试验，得相应的抗剪强度f，绘制f 曲线，得该土的抗剪强度包线33直剪试验优缺点优点：仪器构造简单，试样的制备和安装方便， 易于操作 缺点 剪切破坏面

8、固定为上下盒之间的水平面不符合实际情况，不一定是土样的最薄弱面。 试验中不能严格控制排水条件，不能量测土样的孔隙水压力。 上下盒错动，剪切过程中试样剪切面积逐渐减小，剪切面上的剪应力分布不均匀34应变控制式三轴仪：压力室，加压系统，量测系统组成应力控制式三轴仪试验步骤 3 3 3 3 3 3施加周围压力施加竖向压力装样2.三轴剪切试验试验仪器： 三轴仪（应力控制式，应变控制式）35三轴仪36应变控制式三轴仪：压力室，量测系统37分别在不同的周围压力3作用下进行剪切，得到34 个不同的破坏应力圆，绘出各应力圆的公切线即为土的抗剪强度包线 c试验成果 抗剪强度包线38不固结不排水剪（UU）施加周围

9、压力3、轴向压力直至剪破的整个过程都关闭排水阀门，不允许试样排水固结 3 3 3 3 3 3三种试验方法 固结不排水剪（CU）固结排水剪（CD）施加周围压力3时，试样充分排水固结，施加轴向压力直至剪破的过程中关闭排水阀门，不允许试样排水固结整个试验过程中都打开阀门排水39三轴试验优缺点试验仪器复杂，操作技术要求高，试样制备较复杂 试验在2=3的轴对称条件下进行，与土体实际受力情况可能不符 试验中能严格控制试样排水条件，量测孔隙水压力，了解土中有效应力变化情况试样中的应力分布比较均匀 缺点 优点40ququ加压框架量表量力环升降螺杆无侧限压力仪试样3.无侧限抗压强度试验试验仪器：无侧限压力仪41

10、无侧限压力仪42 无侧限抗压强度试验是三轴剪切试验的特例，对试样不施加周围压力，即3=0，只施加轴向压力直至发生破坏，试样在无侧限压力条件下，剪切破坏时试样承受的最大轴向压力qu，称为无侧限抗压强度 试验原理适用土质：饱和粘性土 根据试验结果只能作出一个极限应力圆，其坐标为（3=0，1=qu）。因此对一般粘性土，无法作出强度包线43对于饱和软粘土，根据三轴不排水剪试验成果，其强度包线近似于一水平线，即u=0，因此无侧限抗压强度试验适用于测定饱和软粘土的不排水强度qucuu=0 无侧限抗压强度试验仪器构造简单，操作方便，可代替三轴试验测定饱和软粘土的不排水强度 44灵敏度 粘性土的原状土无侧限抗

11、压强度与原土结构完全破坏的重塑土的无侧限抗压强度的比值根据灵敏度将饱和粘性土分类：低灵敏度土 1St2中灵敏度土 24反映土的结构受扰动对强度的影响程度 453.十字板剪切试验试验仪器：十字板剪切仪适用条件：适用于地基为软弱粘性土试验方法： 打入套管 将十字板插入套管 施加扭矩，直至土体破坏 46成果计算柱体上下平面的抗剪强度产生的抗扭力矩：柱体侧面剪应力产生的抗扭力矩：47本节完481.抗剪强度的来源无粘性土：抗剪强度来源于内摩擦力。滑动摩擦 咬合摩擦粘性土：抗剪强度来源于内摩擦力与粘聚力两部分。 内摩擦力 粘聚力：范德华力 库仑力 土中天然胶结物质第四节 影响抗剪强度指标的因素 492.影

12、响抗剪强度指标的各种因素（1）土的物理化学性质的影响 土粒的矿物成分 （2）孔隙水压力的影响三轴固结排水剪抗剪强度最大，三轴固结不排水剪居中，三轴不固结不排水剪最小。 土的颗粒形状与级配 土的原始密度 土含水率 土的结构50本节完511.地基的临塑荷载定义第五节 地基的临塑荷载和临界荷载地基的临塑荷载是指在外荷载作用下，地基中刚开始产生塑性变形时基础底面单位面积上所承受的荷载。临塑荷载计算公式522.地基的临界荷载定义当地基中的塑性变形区最大深度为：临界荷载计算公式中心荷载基础 Zmax=b/4偏心荷载基础 Zmax=b/3与此相对应的基础底面压力，分别以P1/4或P1/3表示，称为临界荷载5

13、3公式推导 根据弹性理论，地基中任意点由条形均布压力所引起的附加大、小主应力 塑性区的发展范围 zzbdq= dp013M54 假定在极限平衡区土的静止侧压力系数K0=1，M点土的自重应力所引起的大小主应力均为 (dz) M点达到极限平衡状态，大、小主应力满足极限平衡条件塑性区边界方程总应力55塑性区最大深度zmax当zmax0，地基所能承受的基底附加压力为临塑荷载当zmaxb/4，b/3时，地基所能承受的基底附加压力分别为界限荷载P1/4，P1/3中心荷载偏心荷载56本节完57定义极限荷载计算公式 地基的极限荷载指地基在外荷载作用下产生的应力达到极限平衡时的荷载。 太沙基公式 适用于条形基础

14、、方形基础和圆形基础斯凯普顿公式 适用于饱和软土地基，内摩擦力角=0的浅基础汉森公式 适用于倾斜荷载的情况1.地基的极限荷载概念第六节 地基的极限荷载58 地基极限荷载的一般计算公式：适用范围：太沙基极限承载力理论假定 适用于基础底面粗糙的条形基础；并推广应用于方形基础和圆形基础 条形基础，均布荷载作用 2.太沙基（K.Terzaghi)公式 地基发生滑动时，滑动面的形状，两端为直线， 中间为曲线，左右对称 滑动土体分为三区59底面粗糙，基底与土之间有较大的摩擦力，能阻止基底土发生剪切位移，基底以下土不会发生破坏，处于弹性平衡状态区：弹性压密区(弹性核)区：普朗特尔区 边界是对数螺线 区：被动

15、朗肯区 1水平向，破裂面与水平面成45o / 260公式 条形基础（较密实地基） 整体剪切破坏 条形基础（松软地基） 局部剪损 方形基础 圆形基础 地基承载力61 适用条件 极限荷载公式3.斯凯普顿（Skempton)公式 饱和软土地基，内摩擦角 =0 浅基础，基础埋深d2.5b 矩形基础半经验公式 ： 地基承载力公式式中：c地基土的粘聚力，取基础底面以下0.7b 深度范围内的平均值，kPa62 适用条件 极限荷载公式 倾斜荷载作用基础形状基础埋深 ：适用于db的情况，并考虑d/b的影响4.汉森（Hansen J.B.)公式式中：Sr、Sq、Sc 基础的形状系数ir、iq、ic 荷载倾斜系数6

16、3 地基承载力公式dr、dq、dc 深度修正系数gr、gq、gc 地面倾斜系数br、bq、bc 基底倾斜系数Nr、Nq、Nc 承载力系数说明：相关系数均可以有相关公式进行计算64地基的破坏形式整体剪切破坏5.影响极限荷载的因素局部剪切破坏冲切剪切破坏极限荷载大极限荷载小65 地基土的指标土的内摩擦角土的粘聚力c土的重度地基土的 ，c和重度越大，则极限荷载相应也越大由极限承载力公式：66基础尺寸基础宽度基础埋深荷载作用方向荷载为倾斜方向荷载为竖直方向荷载长时期作用荷载作用时间短暂荷载作用时间倾斜角越大，极限荷载越小极限荷载可提高67五、按规范确定地基承载力1. 铁路桥涵地基基础设计规范Hb地 基容许承载力基本承载力宽度