土的抗剪强度与地基承载力内容丰富

第一节概述第三节

土的抗剪强度试验方法

第四节地基承载力第二节土的抗剪强度第五章土的抗剪强度与

地基承载力设计程序：上部结构荷载、地基情况基础形式、材料

选持力层（埋深）

确定基础尺寸（地基强度与变形）结构计算绘施工图回顾持力层土抗剪强度地基承载力确定基础尺寸第五章土的抗剪强度与

地基承载力建筑物地基基础设计必须满足变形和强度两个基本条件。

第一节概述剪切破坏：荷载产生法向应力与剪应力，当剪应力≥土抗剪强度，土粒间相对滑动，即产生剪切强度破坏。地基破坏与地基强度：强度和变形是两个不同的控制标准，不可互相替代，承载力要求是先决条件。地基失稳：地基中形成连续的剪切滑动破坏面，基础产生沉降或倾斜，地基土被挤出，地基破坏。滑动破坏面压密区土的抗剪强度：是指在外力作用下，土体内部产生剪应力时，土对剪切破坏的极限抵抗能力。

地基破坏即是剪切破坏。土的强度问题实质上就是抗剪强度问题。FT土样水平测力装置竖向加压装置上下剪切盒基座上下透水石T结论本章学习要点本章将主要介绍地基的强度和稳定问题，包括土的抗剪强度以及地基基础设计时的地基承载力的计算问题。土的抗剪强度主要应用于地基承载力的计算和地基稳定性分析、边坡稳定性分析、挡土墙及地下结构物上的土压力计算等。

重点掌握：①抗剪强度理论②指标测定方法③地基承载力确定方法第二节土的抗剪强度一、抗剪强度（一）库仑定律土的抗剪强度可以通过试验的方法测定；土的抗剪强度并非是一个定值。不同类型的土其抗剪强度不同，即使同一类土，在不同条件下的抗剪强度也不相同；图4-1为应变式直剪仪示意图，施加一水平力T，土样水平面上受剪，试样的水平截面积为A，则垂直压应力为σ=F／A，此时，土的抗剪强度（土样破坏时对此推力的极限抵抗能力）为τf=T／A。（一般取4～6个物理状态相同的试样试验）直剪试验：图4-1直剪仪工作原理示意图FT土样水平测力装置竖向加压装置上下剪切盒基座上下透水石T垂直压应力：σ=F／A抗剪强度：τf=T／A上下剪切盒应变式直剪仪垂直加载水平加载测微表量力环剪切盒抗剪强度τf与法向应力σ关系曲线：以σ为横坐标，以τf为纵坐标绘制，如如图4－2所示。库仑定律：库仑（Coulomb））于1773年提出出下述土的σ～τf关系规律，故称为为。砂性土：粘性土：式中—在法向应力作用下土的抗剪强度（kPa）；—作用在剪切面上的法向应力（kPa）；—土的内摩擦角(°)；

c—土的粘聚力（kPa）。结论0100200300400σkPa100200300400τfkPaφ砂性土抗剪强度线0100200300400σkPaτfkPaφ粘性土抗剪强度线c100200300400土的抗剪强度构成成：内摩擦力与粘聚力力。c和φ称为土的抗剪强度度指标（或参数）。在一定条件下c和φ是常数，它们是构构成土的抗剪强度的基本本要素，c和φ（tanφ为土的内摩擦系数）的的大小反映了土的的抗剪强度的高低。（二）抗剪强度的的构成因素主要包括以下几个个方面：1．土颗粒的矿物物成分、形状及颗颗粒级配；2．初始密度；3．含水量；4．土的结构扰动动情况；5．有效应力；6．应力历史；7．试验条件。（三）抗剪强度的的影响因素二、摩尔—库仑强强度理论τ＜τfτ＞τfτ＝τf该点处于稳定状态该点处于极限平衡状态该点处于破坏状态（塑性变形和应力重分布）

土的极限平衡条件件：极限平衡状态时，，土中大小主应力力与土的抗剪强度度指标之间的关系系。（？）土中某点在剪应力力τ的作用下可能处于于以下三种状态：：由材料力学可知，，地基中任意一点点M（用微元体表示））平面应力状态态，其上作用的的应力为正应力力σx、σz和剪应力τxz。该点上大、小主主应力σ1、σ3为：（一）土中某点点的应力状态土中某点应力状状态xz0σxσzτxzpM当主应力已知时时，任意斜截面面上的正应力σ与剪应力τ的大小可用摩尔尔圆来表示：mnσ3σ1σ3ασ1στmnσ3σ1α单元体上的应力力摩尔应力圆στmnσ3σ1α单元体上的应力力σσ1τ2αφαAcσσ3（二）土的极限限平衡条件将土体中某点应应力状态的应力力圆和土的抗剪剪强度线绘于同同一直角坐标系系中，判断土体体在这一点上是是否达到极限平平衡状态：τ＜τfτ＞τfτ＝τf稳定状态极限平衡状态破坏状态应力圆与抗剪强强度线相离应力圆与抗剪强强度线相切应力圆与抗剪强强度线相割摩尔应力圆与抗抗剪强度线间的的关系στφAco123粘性土的极限平平衡条件：砂性土的极限平平衡条件：某点处于极限平平衡状态时，破破裂面与最大主主应力作用面所所呈角度（称为为破裂角）为：(b)极限状态摩尔应应力圆(a)单元体上的应力力στσ3σ12αcrφαcrAco(σ1+σ3)/2o′BDCmnσ3σ1σ3αcrσ11．土的强度破破坏是剪应力达达到和超过抗剪剪强度所致。2．破坏状态的的应力条件必须须是法向应力和和剪应力的某种种组合符合库仑仑定律的破坏准准则，而不是以以最大剪应力τmax达到了抗剪强度度τf作为判断依据，，亦即剪切破坏坏面并不一定发发生在最大剪应应力的作用面上上；3．极限平衡状状态时，极限应应力圆与抗剪强强度线相切，一一组极限应力圆圆的公切线即为为土的强度包线线。4．根据土的极极限平衡条件，，在已测得抗剪剪强度指标的条条件下，已知大大、小主应力中中的任何一个，，即可求得另一一个；或在已知知抗剪强度指标标与大、小主应应力的情况下，，判断土体的平平衡状态；也可可利用这一关系系求出土体中已已发生剪切破坏坏面的位置。结论：【例4-1】已知一组直剪试试验结果，在施施加的法向应力力分别为100kPa、200kPa、300kPa、400kPa时，测得相应的的抗剪强度分别别为67kPa、119kPa、162kPa、215kPa。。试作图求该土的的抗剪强度指标标c、φ值。若作用在此此土中某点的最最大与最小主应应力分别为350kPa和100kPa问该点处于何种种状态？【解】：（1）以法向应应力σ为横坐标，抗剪剪强度τf为纵坐标，σ、τf取相同比例，将将土样的直剪试试验结果点在坐坐标系上，如图图4-7所示，，过点群中心绘绘直线即为抗剪剪强度曲线。在图中量得抗剪剪强度线与纵轴轴截距值即为土土的粘聚力：c=15kPa，直线与横轴的倾倾角即为内摩擦擦角φ=27°。（2）当最大主主应力σ1=350kPa时，如果土体处处于极限平衡状状态，根据极限限平衡条件其最最大与最小主应应力间关系：＞=100kPa，说明该点已处于破坏状态。=113.05(kPa)抗剪强度指标计计算图400100300200τfkPaφc0100200300400σkPa实际应力圆极限应力圆第三节土的抗剪强度试试验方法土的抗剪强度指指标通过土工试验确定。试验方法法分为室内土工试验和现场原位测试两种。室内内试验常用的方方法有直接剪切试验、、三轴剪切试验验；现场原位测试试的方法有十字板剪切试验验和大型直剪试试验。指标c、φ值是土的重要力力学指标，用于于确定地基土的的承载力、挡土土墙的土压力以以及验算土坡的的稳定性等问题题。正确地测定定和选择土的抗抗剪强度指标是是土工试验与设设计计算中十分分重要的问题。。一、不同排水条条件的试验方法法与适用条件l．不固结—不排水水剪试验（UnconsolidationUndrainedShearTest,简称UU试验）（快剪试验）。模拟建筑场地土土体来不及固结结排水就较快地地加载的情况。。在实际工作中中，对渗透性较较差，排水条件件不良，建筑物物施工速度快的的地基土或斜坡坡稳定性验算。。2．固结—不排水剪剪试验（ConsolidationUndrainedShearTest，简称CU试验）（固结快剪试验）。模拟建筑场地土土体在自重或正正常载荷作用下下已达到充分固固结，而后遇到到突然施加载荷荷的情况。对一一般建筑物地基基的稳定性验算算以及预计建筑筑物施工期间能能够排水固结，，但在竣工后将将施加大量活载载荷（如料仓、、油罐等）或可可能有突然活载载荷（如风力等等）情况。固结—排水剪试试验是模拟地基基土体已充分固固结后开始缓慢慢施加载荷的情情况。在实际工工程中，对土的的排水条件良好好（如粘土层中中夹砂层）、地地基土透水性较较好（低塑性粘粘性土）以及加加荷速率慢时可可选用。但因工工程的正常施工工速度不易使孔孔隙水压力完全全消散，试验过过程既费时又费费力，因而较少少采用。3．固结—排水剪试试验（ConsolidationDrainedShearTest，简称CD试验）（慢剪试验）。二、直接剪切试试验由于直剪仪构造造简单，土样制制备和试验操作作方便等特点，，现仍被一般工工程所采用。《地基基础设计计规范》规定，，直剪试验只适适用于二级及三三级建筑物的可可塑状粘性土和和饱和度不大于于50%的粉土。试验结结果不不能反反映工工程的的实际际情况况，所所得的的抗剪剪强度度指标标过大大，对对高等等级建建筑物物安全全度无无法保保证。。问题：：1.不能能有效效地控控制排排水；；2.上下下盒间间缝隙隙的影影响；；3.剪剪切面面是人人为规规定的的；4.剪剪切面面应力力条件件复杂杂。图4-1直直剪仪仪工作作原理理示意意图FT土样水平测力装置竖向加压装置上下剪切盒基座上下透水石T三、三三轴剪剪切试试验图4-8三三轴剪剪切仪仪1—量量力环环；2—活活塞；；3——进水水孔；；4——排水水孔；；5——试样样帽；；6——受压压室；；7——试样样；8—乳乳胶膜膜；9—接接周围围压力力控制制系统统；10——接排排水管管；11——接孔孔隙水水压力力系统统；12——接轴轴向加加压系系统三轴剪剪切仪仪由受受压室室、周周围压压力控控制系系统、、轴向向加压压系统统、孔孔隙水水压力力系统统以及及试样样体积积变化化量测测系统统等组组成。σ1σ3三轴试试验可可以在在三维维空间间模拟拟实际际受力力状态态，克克服直直剪试试验的的固有有缺点点，不不仅用用于工工程试试验，，也被被广泛泛应用用于科科学研研究中中，一一级建建筑物物地基基土应应予采采用。。0στfφc用若干干土样样进行行试验验，对对每个个土样样施加加不同同σ3，，可分别别求得得剪切切破坏坏时对对应的的最大大主应应力σ1，，将这些些结果果绘成成一组组摩尔尔圆。。通过过这些些摩尔尔圆的的切点点的直直线就就是土土的抗抗剪强强度线线，由由此可可得抗抗剪强强度指指标c和φ值。四、无无侧限限抗压压强度度试验验无侧限限抗压压强度度试验验方法法适用用于饱饱和粘粘土。。本试试验所所用的的主要要仪器器设备备是应应变控控制式式无侧侧限压压缩仪仪。试样为为原状状土样样1—轴向加荷架；；2—轴向测力计计；3—试样；4—上、下传压板板；5—手轮；6—升降板；7——轴向位移计应变控制式无侧限限压缩仪五、十字板剪切试试验1—转盘；2—摇摇柄；3—滑轮；4—弹弹簧秤；5—槽钢；6—套套管；7—钻杆；8—十十字板十字板剪切仪（现场原位测试））钻孔至需要试验的的土层深度以上750mm处，然后将装有十十字板的钻杆放入入钻孔底部，并插插入土中750mm，施加扭矩使钻杆旋旋转直至土体剪切切破坏。土体剪切切面为十字板旋转转所形成的圆柱面面。试验方法Pc—剪切破坏时的总作作用力；fc—轴杆及设备的机械械阻力；h、D—十字板的高度和直直径；R—转盘的半径；kc一十字板常数；适用于软塑状态的的粘性土。概述：第四节地基承载力地基承载力特征值值是指在保证地基稳稳定条件下，地基基单位面积上所能能承受的最大应力力。影响因素：土性质质、基础埋深与宽宽度、施工方法地基承载力特征值值应按下列规定综综合考虑：1.甲、乙级的建建筑物采用载荷试试验、理论公式计计算及其他原位试试验等方法综合确确定；2.丙级的建筑物物可按土的物理力力学指标、标准贯贯入、轻便触探等等方法确定。3.次要要建筑物物可根据据邻近建建筑物的的经验确确定。一、平板板载荷试试验确定定地基承承载力（一）地地基变形形的三个个阶段1．直线变变形阶段段（压密阶阶段）：：p≤pcr土中即将将出现剪剪切破坏坏（塑性性变形））点时的的基底压压力称为为临塑压力力（或比例极限限）。pcr土的变形形主要是是由土的的压实，，孔隙体体积减小小引起的的，土体体处于弹弹性平衡衡状态。2．局部剪剪切阶段段（塑性变变形阶段段）：pcr＜p＜pupcz地基中的的变形不不再是线线形变化化，压力力和变形形之间成成曲线关关系；随着压力力的增加加，地基基除进一一步压密密外，在在局部（（一般从从基础边边缘开始始）出现现了剪切切破坏区区（也称称为塑性区）。此段范围内的的基底压力称为为塑性荷载pcz3.失稳阶段(完全破坏阶段段）：p≥pu极限荷载pu：地基刚出现整整体滑裂破坏坏面时的基底底压力。压力增加，地地基变形将急急剧增大，塑塑性区扩大，，形成连续的的滑动面，土土从荷载板下下挤出，在地地面隆起，这这时地基已完完全丧失稳定定性。pu连续滑动面(二)平板载载荷试验确定定地基承载力力由试验结果可可绘制p～s关系曲线，并并推断出地基基的极限荷载载与承载力特特征值。承载力特征值值由载荷试验验p～s关系曲线确定：荷载试验p～s曲线

0spcrpuabcs1p原位荷载试验装置荷载试坑支墩次梁主梁承压板千斤顶百分表基准梁1.当p～s曲线上有比例例界限时，取取该比例界限限所对应的荷荷载值；2.当极限荷载小小于对应比例例界限的荷载载值的2倍时，取极限限荷载值的一一半；3.当不能按上述述要求确定时时，当压板面面积为0.25～0.50m2，可取s/b=0.01～0.015所对应的荷荷载，但其其值不应大大于最大加加载量的一一半。4．同一土层层实验不应应少于三点点，当试验验实测值的的极差不超超过其平均均值的30%时，取此平平均值作为为该土层的的地基承载力力特征值fak。二、理论公公式确定地地基承载力力塑性区范围围不超过一一定限度，，可采用一一定深度的的塑性区的的基底压力力pcz作为地基承承载力特征征值。当偏心距e≤0.33倍基础底面面宽度时，，通过抗剪剪强度指标标计算地基基土承载力力特征值。。fa—地基承载力力特征值（（kPa）；γ—基础底面以以下土的重重度，地下下水位以下下取有效重度（（kN／m3）；γm—基础底面以以上土的加加权平均重重度，地下下水位以下取取有效重度度（kN／m3）；Mb、Md、Mc—承载力系数数，按表4-1确定定；b—基底宽度（（m），当基底宽度度大于6m按6m考虑，对于砂砂土小于3m时按3m考虑；ck—基底下一倍倍基础底面面短边宽深深度内土的的粘聚力标准值值（kPa）。三、确定地地基承载力力的其它方方法（一）其它它试验方法法确定地基基承载力上述载荷试试验只能用用来测定浅浅层土的承承载力，如如果需要要测定的土土层位于地地下水位以以下或位于于比较深的的地方，应应采用如下下载荷试验验的方法：：深层平板载载荷试验、、旁压试验验和螺旋压压板载荷试试验，适用于地下下水位以下下的土层和和埋藏很深深的土层，，是较理想想的原位测测定地基承承载力的方方法。1.间接原原位测试的的方法静力触探试试验和标准准贯入试验验与载荷试试验结果对对比分析，，建立经验验关系，间间接确定地地基承载力。2．规范推推荐的地基基承载力表表应注意这些些承载力表表的局限性性。新版本本的《建筑筑地基基础础设计规范范》GB50007—2002已将所有的的承载力表表取消，可可以在本地地区得到验验证的条件件下，作为为一种推荐荐性的经验验方法使用用。（二）经验验方法确定定地基承载载力四、地基承承载力特征征值的修正正当基础宽度度大于3m或埋置深度度大于0.5m时，从载荷荷试验或其其它原位测测试、经验验值等方法法确定的地地基承载力力特征值，，尚应按下下式修正：：式中fa