04土的抗剪强度与地基承载力

第四章土的抗剪强度与地基承载力4.1土的抗剪强度与极限平衡原理4.2土的剪切试验方法4.3土的剪切特性4.4地基破坏型式和地基承载力4.5按极限荷载确定地基承载力4.1土的抗剪强度与极限平衡原理4.1.1抗剪强度的基本概念土体抵抗剪切破坏的极限能力土工建筑物（如：路堤、土坝等）沉降过大强度破坏建筑物事故土体破坏剪切破坏研究土的强度特性，就是研究土的抗剪强度特性4.1.1抗剪强度的基本概念工程中要解决的问题土坡稳定问题土压力问题地基承载力问题土坡稳定问题大阪的港口码头档土墙由于液化前倾剪切面（剪切带）：土体剪切破坏是沿某一面发生与剪切方向一致的相对位移，该面通常称为剪切面广州京光广场基坑塌方使基坑旁办公室、民工宿舍和仓库倒塌，死3人，伤17人。挡土墙的土压力问题工程实例－地基承载力问题工程实例－地基承载力问题1911年动工1913年完工自重20000吨1913年10月17日发现1小时内竖向沉降达30.5厘米，向西倾斜，并在24小时内倾倒，谷仓西端下沉7.32米，东端上抬1.52米加拿大特朗斯康谷仓4.1.1抗剪强度的基本概念抗剪强度的影响因素：（1）土的基本性质（2）土的受力状态（3）试验方法4.1.2库仑定律1776年，库仑根据砂土剪切试验得出砂土后来，根据粘性土剪切试验得出粘土c库仑定律：土的抗剪强度是剪切面上的法向总应力的线性函数tanfcftanff库伦公式tgcfcf抗剪强度指标c:土的粘聚力:土的内摩擦角土的抗剪强度一般可分为两部分：一部分与颗粒间的法向应力有关，通常呈正比例关系，其本质是摩擦力；另一部分是与法向应力无关的土粒之间的粘结力，通常称为粘聚力。影响因素土的抗剪强度内在因素外在因素：试验时的排水条件等因素颗粒间的有效法向应力土的孔隙比表达方法土的抗剪强度总应力法：总应力强度指标有效应力法：有效应力强度指标uu4.1土的抗剪强度与极限平衡原理4.1.1抗剪强度的基本概念土体抵抗剪切破坏的极限能力4.1.3土中一点的应力状态(a)(c)(b)19平面应力状态最一般的表现形式如图a所示，现先分析与已知应力所在平面xy垂直的任意斜截面(图b)上的应力。第七章应力状态和强度理论0sinsindcossindcoscosdsincosdd0AAAAAFyyxxn，0cossindsinsindsincosdsincosdd0AAAAAFyyxxt，2sin2cos22xyxyx2cos2sin2xyx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）3311θ31θ斜面上的应力4.1.3土中一点的应力状态2sin22cos22313131O131/2(1+3)θ2θA(,)土中某点的应力状态可用莫尔应力圆描述31θ莫尔圆可以表示土体中一点的应力状态，莫尔圆圆周上各点的坐标就表示该点在相应平面上的正应力和剪应力。2sin22cos22313131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：极限应力圆ττf弹性平衡状态τ=τf极限平衡状态ττf破坏状态4.1.4土的极限平衡条件莫尔－库仑破坏准则31cf2fAcctg1/2(1+3)313121cot21sinc245tan2245tan231ooc245tan2245tan213ooc无粘性土：c=0245tan231o245tan213o粘性土：)245(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＝f2f31cAcctg1/2(1+3)2459021f45max说明：剪破面并不产生于最大剪应力面，而与最大剪应力面成45°+/2的夹角。因此，土的剪切破坏并不是由最大剪应力τmax所控制。max的方法测定土抗剪强度直接剪切试验三轴压缩试验无侧限抗压强度试验现场十字板剪切仪4.2土的剪切试验方法试验仪器：直剪仪（应变控制式，应力控制式）4.2.1直接剪切试验应变控制式直剪仪的试验原理：对同一种土至少取4个平行试样，分别在不同垂直压力下剪切破坏，将试验结果绘制抗剪强度f与相应垂直压力的关系图。剪切容器与应力环在法向应力作用下，剪应力与剪切位移关系曲线。4mmab剪切位移△l(0.01mm)剪应力（kPa)12在不同的垂直压力下进行剪切试验，得相应的抗剪强度τf，绘制τf-曲线，得该土的抗剪强度包线APATf快剪：0.08mm/min固结快剪：固结不大于0.005mm/h慢剪：0.02mm/min在直剪试验过程中，根据加荷速率的快慢可将试验划分为: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：①剪切破坏面固定，且不一定是土样的最薄弱面。②不能严格控制排水条件，不能量测土样的孔隙水压力。③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。4.2.2三轴压缩试验试验仪器：应变控制式三轴仪：压力室，加压系统，量测系统组成(常用）应力控制式三轴仪试验步骤:333333△△2.施加周围压力3.施加竖向压力1.装样三轴压缩仪应变控制式三轴仪：压力室加压系统量测系统轴向加荷系统三轴压缩试验按剪切前的固结程度和剪切时的排水条件，可以分为三种试验方法：1.不固结不排水试验(UU试验)2.固结不排水试验(CU试验)3.固结排水试验(CD试验)三轴试验优缺点优点：①能控制排水条件，量测孔隙水压力。②试样的应力分布比较均匀，剪切破坏面为最薄弱面。缺点：①试验仪器复杂，操作技术要求高，试样制备较复杂。②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。分别在不同的周围压力3作用下进行剪切，得到3～4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。抗剪强度包线c抗剪强度包线ququ加压框架量表量力环升降螺杆无侧限压缩仪3=0试样4.2.3无侧限抗压强度试验无侧限压缩仪0cu0u无侧限抗压强度试验qu无侧限抗压强度试验所得的极限应力圆的水平切线就是破坏包线2uufqc4.2.4十字板剪切试验DH)62(2maxDHDcMu4.3土的剪切特性4.3.1粘性土的剪切性状1、饱和粘性土的不固结不排水强度2、固结不排水强度3、固结排水强度4、粘性土的残余强度5、粘性土的蠕变4.3.1粘性土的剪切性状总应力强度指标与有效应力强度指标cftancucftantan＝c、为土的有效粘聚力和有效内摩擦角，即土的有效应力强度指标c、为土的总应力强度指标有效应力原理：土的抗剪强度并不是由剪切面上的法向总应力决定，而是取决于剪切面上的法向有效应力。1、饱和粘性土不固结不排水强度（UU）三轴试验：施加周围压力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△△直剪试验：通过试验加荷的快慢来实现是否排水。使试样在3～5min内剪破，称之为快剪。关闭排水阀333333△△有效应力圆总应力圆u=0BCcuuAA3A1A饱和粘性土在三组3下的不排水剪试验得到A、B、C三个不同3作用下破坏时的总应力圆，但只能得到一个有效应力圆。试验表明：虽然三个试样的周围压力3不同，但破坏时的主应力差相等，三个极限应力圆的直径相等，因而强度包线是一条水平线。2.固结不排水剪（CU）三轴试验：施加周围压力3时打开排水阀门，试样完全排水固结，孔隙水压力完全消散。然后关闭排水阀门，再施加轴向压力增量△，使试样在不排水条件下剪切破坏。333333△△直剪试验：剪切前试样在垂直荷载下充分固结，剪切时速率较快，使土样在剪切过程中不排水，这种剪切方法为称固结快剪。打开排水阀关闭排水阀333333△△将总应力圆在水平轴上左移uf得到相应的有效应力圆，按有效应力圆强度包线可确定c、ccuccu饱和粘性土在三组3下进行固结不排水剪试验得到A、B、C三个不同3作用下破坏时的总应力圆，由总应力圆强度包线确定固结不排水剪总应力强度指标ccu、cuABC3.固结排水剪（CD）三轴试验：试样在围压3作用下排水固结，再缓慢施加轴向压力增量△，直至剪破，整个试验过程中打开排水阀门，始终保持试样的孔隙水压力为零。333333△△直剪试验：试样在垂直压力下固结稳定，再以缓慢的速率施加水平剪力，直至剪破，整个试验过程中尽量使土样排水，试验方法称为慢剪。打开排水阀在整个排水剪试验过程中，uf＝0，总应力全部转化为有效应力，所以总应力圆即是有效应力圆，总应力强度线即是有效应力强度线，强度指标为cd、d。cdd总结:33333＋△3＋△对于同一种土，在不同的排水条件下进行试验，总应力强度指标完全不同。有效应力强度指标不随试验方法的改变而不同，抗剪强度与有效应力有唯一的对应关系。4、粘土的残余强度5、结构性与灵敏度结构性：粘土的强度（或其它性质）随着其结构的改变而发生变化的特性灵敏度：粘土对结构扰动的敏感程度可用灵敏度表示。灵敏度定义为原状试样的无侧限抗压强度与相同含水率下重塑试样的无侧限抗压强度之比触变性：粘土因重塑而强度降低，随着时间的推移，强度又逐渐恢复的特性。6、粘性土的蠕变当主应力差很小时，轴向应变几乎在瞬间发生，之后，蠕变缓慢发展，曲线最后呈水平线，土不会发生蠕变破坏。当主应力差较大时，蠕变速率会相应增大。当主应力差达到某一值后，轴向应变不断发展，应变速率增大，最终可导致蠕变破坏。6、粘性土的蠕变（1）弹性应变阶段：OA段，应变值很小;（2）初始蠕变阶段：AB段，蠕变速率由大变小，如此时卸除主应力差，则先恢复瞬时弹性应变，继而恢复初期蠕变；（3）稳定蠕变阶段：BC段，蠕变速率为常数，这时若卸除主应力差，土将存在永久变形；（4）加速蠕变阶段：CD段，蠕变速率迅速增长，最后达到破坏。4.3.2砂性土的剪切性状1、砂土的内摩擦角2、剪胀、剪缩3、砂土的液化4.3.2砂性土的剪切性状4.4地基破坏型式和地基承载力※整体剪切破坏※局部剪切破坏※冲剪破坏4.4.1地基破坏型式1.整体剪切破坏整体剪切破坏型式的压力~沉降关系曲线ps0线性变形阶段弹塑性变形阶段塑性破坏阶段整体剪切破坏2.局部剪切破坏sp局部剪切破坏型式的压力~沉降关系曲线0压力和沉降关系曲线从一开始就呈现非线性关系局部剪切破坏3.冲剪破坏ps冲剪破坏型式的压力~沉降关系曲线0无明显的转折现象3.冲剪破坏地基剪切破坏的型式，主要与土的压缩性质有关。坚硬或密实的土松软土整体剪切破坏局部剪切破坏冲剪破坏4.4.2按塑性区发展范围确定地基承载力1、地基的临塑荷载1）定义：地基刚开始产生塑性变形，基础底面单位面积上所承受的荷载。2）计算公式dctgctgcdpcr2)(3）计算公式的推导zzbdq=dpβ△σ1△σ3)sin(31dp＝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(d＋z)）（＋＝z)sin(31ddpM点达到极限平衡状态，大、小主应力满足极限平衡条件dcd