《桩基础实务》第二部分 土的抗剪强度与地基承载力2007.ppt
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1、土的抗剪强度与地基承载力,一、土的抗剪强度的工程意义 二、土的强度理论与强度指标 三、土的极限平衡条件 四、土的抗剪强度指标的测定 五、地基破坏形式及承载力的概念 六、地基承载力的确定,学习目标: 理解掌握土的抗剪强度理论和抗剪强度指标,掌握土的极限平衡理论,学会利用土的极限平衡条件分析土的状态的方法。 熟悉土的强度指标的测定方法及测定方法的选择。 了解粘性土在不同排水条件下的实验结果。 理解地基破坏的基本形式和地基承载力确定的几种方法。,抗剪强度: 土体抵抗剪切破坏的极限能力。 工程中涉及土的抗剪强度的问题:地基承载力、挡土墙土压力、土坡稳定等。,一、 土的抗剪强度,路堤,无粘性土 粘性土,
2、二、 土的强度理论与强度指标,(二)抗剪强度的来源及影响因素,1.抗剪强度的来源,(1)无粘性土:来源于土粒间的摩擦力(内摩擦力)。 包括: 1)一部分由于土颗粒粗糙产生的表面摩擦力。 2)另一部分是粗颗粒之间互相镶嵌,联锁作用 产生的咬合力。,(2)粘性土:除内摩擦力外,还有内聚力。 内聚力主要来源于:土颗粒之间的电分子吸引力 和土中胶结物质(eg.硅、铁物质和碳酸盐等)对 土粒的胶结作用。,二、 土的强度理论与强度指标,2.影响土的抗剪强度的因素,影响c,的因素可归纳为两类:,(1)土的物理化学性质的影响 1)土粒的矿物成分、颗粒形状与级配的影响。 2)土的原始密度的影响。 3)土的含水量
3、的影响。 4)土的结构的影响。,(2)孔隙水压力的影响 工程上,根据 实际地质情况和孔隙水压力消散程度,采用三种不同方法。 1)排水剪; 2)不排水剪;3)固结不排水剪。,二、 土的强度理论与强度指标,二、 土的强度理论与强度指标,(一)土体中任一点的应力状态,假定土层为均匀、连续的半空间材料,研究地面以下任一深度处M点的应力状态。,下面仅研究平面问题,在土体中取一微单元体,作用在该单元体上的两个主应力为 ,则作用在与大主应力作用面成 角的 平面上的正应力 和剪应力 可根据静力平衡条件求得:,三、 土的极限平衡条件,三、 土的极限平衡条件,三、 土的极限平衡条件,根据极限应力圆与抗剪强度包线相
4、切的几何关系,可建立以下极限平衡条件:,三、 土的极限平衡条件,破裂面,破裂角:,化简后得:,三、 土的极限平衡条件,三、 土的极限平衡条件,室内试验常用的有:直接剪切试验 三轴压缩试验 无侧限抗压强度试验 现场原位测试的有:十字板剪切试验 大型直接剪切试验,四、 土的抗剪强度指标的测定,四、 土的抗剪强度指标的测定,应变控制式直剪仪,(一)直接剪切试验 1.试验装置。 2.试验成果。,由 曲线可得抗剪强度参数 。,为了近似模拟土体在现场受剪的排水条件,直剪试验可分为快剪、固结快剪和慢剪三种方法。 直接剪切仪的优点:构造简单、操作方便。 直接剪切仪的缺点:剪切面限定在上下盒之间的平面,而不是沿
5、土样最薄弱的剪切面破坏;剪切面上剪应力分布不均,在边缘发生应力集中现象;在剪切过程中,剪切面逐渐缩小,而计算抗剪强度时却按圆截面计算;试验时不能严格控制排水条件,不能量测孔隙水压力。,四、 土的抗剪强度指标的测定,(二)三轴压缩试验 1.试验装置。 2.试验成果。,四、 土的抗剪强度指标的测定,三轴压缩试验按剪切前的固结程度和剪切时的排水条件,分为以下三种试验方法: (1)不固结不排水试验( )。 (2)固结不排水试验( )。 (3)固结排水试验( )。 三轴压缩仪的优点:能较为严格地控制排水条件以及可以量测试件中孔隙水压力的变化,试件中的应力状态比较明确,破裂面发生在最薄弱的部位。 缺点:试
6、件中的主应力 ,而实际上土体的受力状态未必都属于轴对称情况。,四、 土的抗剪强度指标的测定,,对一般粘性土就难以,作出破坏包线。而对饱和粘性土,根据在三轴不固结不排水实验的结果,其破坏包线近于一条水平线,,(三)无侧限抗压强度试验,1.试验装置。,2.试验结果。只能作出一个应力圆,即,土的不排水抗剪强度时,就可利用构造简单的无侧限抗压试验。,。这样,仅为测定饱和粘性,不排水抗剪强度。,四、 土的抗剪强度指标的测定,(四)十字板剪切试验 1.试验装置。2.抗剪强度公式:,为简化计算,设:,3.优点:构造简单、操作方便、对土的扰动小。,4.测定饱和粘性土的原位不排水剪,特别适用于均匀饱和软粘土。,
7、四、 土的抗剪强度指标的测定,三种不同排水条件下的试验结果: 如果以总应力表示,将得出完全不同的试验结果,而以有效应力表示,则不论采用那种试验方法,都得到近乎一条有效应力破坏包线(虚线),可见,抗剪强度与有效应力的唯一对应关系。,四、 土的抗剪强度指标的测定,(五)抗剪强度指标的选择 首先要根据工程问题的性质确定分析方法,进而决定采用总应力或有效应力强度指标,然后选择测试方法。一般认为,由三轴固结不排水试验确定的有效应力强度参数 和 宜用于分析地基的长期稳定性(如土坡的长期稳定分析,估计挡土结构的长期土压力等);而对于饱和粘性土的短期稳定问题,则宜采用不固结不排水试验的强度指标 ,即 ,以总应
8、力法分析。一般工程问题多采用总应力法分析,其指标和测试方法大致如下:,四、 土的抗剪强度指标的测定,若建筑物施工速度较快,而地基土的透水性和排水条件不良时,可采用三轴仪不固结不排水试验或直剪仪快剪试验的结果;如果地基荷载增长速率较慢,地基透水性不太小(如低塑性的粘土)以及排水条件又较佳时(如粘土中夹砂层),则可采用固结排水或慢剪试验;如介于上述两种情况之间,可用固结不排水或固结快剪试验结果。,四、 土的抗剪强度指标的测定,(一)剪切破坏型式 1.整体剪切破坏 破坏时形成了延续至地面的连续滑动面,破坏曲线三阶段明显,如曲线A。 2.局部剪切破坏 形成局部滑动面,压力与沉降关系一开始就呈显非线性关
9、系,如曲线B。 3.冲剪破坏 基础近乎竖直刺如土中,如 曲线C。,五、 地基破坏类型及承载力的概念,p-s曲线,五、 地基破坏类型及承载力的概念,无埋深,(1)基本假定 1)地基受条形均布荷载。 2)各向的自重应力相等。 (2)塑性区边界方程 1)无埋深情况下M点的大小主应力为:,1. 地基的临塑荷载,五、 地基破坏类型及承载力的概念,2)有埋深情况下地基中任意点的大小主应力为:,有埋深,五、 地基破坏类型及承载力的概念,当M点达到极限平衡状态时,该点的大、小主应力应满足极限平衡条件:,将 代入上式得:,(塑性区边界方程),根据上式可绘出塑性区边界线如右图。 塑性区最大深度zmax可由dz/d
10、 =0求得:,将其代入上式得:,五、 地基破坏类型及承载力的概念,当 时,表示地基中刚要出现但尚未出现塑性区,相应的荷载即为临塑荷载 :,五、 地基破坏类型及承载力的概念,五、 地基破坏类型及承载力的概念,六、 地基承载力的确定,建筑地基基础设计规范(GB50007-2002)规定,地基承载力特征值可由载荷试验或其他原位测试、公式计算并结合工程实践经验等方法综合确定。,(一)动力触探 动力触探根据探头结构的不同分为标准贯入试验和圆锥动力触探试验(见第8章)。 各地方根据地区试验成果统计分析和地方建设经验,建立了地方承载力表。如河北省建筑地基承载力技术规程(DB13(J)/T482005)规定,
11、锤击数经杆长修正和地下水影响修正后,可查表确定地基承载力,部分表格如下。,六、 地基承载力的确定,六、 地基承载力的确定,表6.1 粘性土、粉土承载力特征值(kPa),注:1. N10为轻型圆锥动力触探锤击数; 2.在饱和软粘土中不宜单一采用N10确定承载力特征值fak,应与其它原位测试方法结合使用; 3.本表中粉土指塑性指数大于或等于5的粉土。,六、 地基承载力的确定,表6.2 素填土承载力特征值(kPa),注:本表只适用于粘性土和粉土组成的素填土。,表6.3 粉、细砂承载力特征值(kPa),注:N为标准贯入试验锤击数。,表6.4 中、粗砂承载力特征值(kPa),注:N为标准贯入试验锤击数。
12、,六、 地基承载力的确定,建筑地基基础设计规范(GB50007-2002)强调,利用触探法时必须有地区经验,即当地的对比资料。当地基基础设计等级为甲级和乙级时,应结合室内试验成果综合分析,不宜单独应用。,式中: 修正后的地基承载力特征值; fak地基承载力特征值; b、d基础宽度和埋深的地基承载力修正系数,按基底下土的类别查表6.5取值。 基础底面以下土的重度,地下水位以下取有效重度; b基础底面宽度(m),当基宽小于3m按3m取值,大于6m按6m取值; 基础底面以上土的加权平均重度,地下水位以下取有效重度;,六、 地基承载力的确定,(二)地基承载力特征值的修正,d基础埋置深度(m),一般自室
13、外地面标高算起。在填方整平地区,可自填土地面标高算起,但填土在上部结构施工后完成时,应从天然地面标高算起。对于地下室,如采用箱形基础或筏基时,基础埋置深度自室外地面标高算起;当采用独立基础或条形基础时,应从室内地面标高算起。,六、 地基承载力的确定,六、 地基承载力的确定,小 结 本章主要介绍了土的强度理论与抗剪强度指标、土的极限平衡条件、土抗剪强度指标的测定方法、地基破坏的形式及地基承载力的确定方法。 1. 土的抗剪强度理论是研究与计算地基承载力和分析地基承载稳定性的基础。土的抗剪强度可以采用库仑公式表达,土的极限平衡条件是判定土中一点平衡状态的基准。 2. 土的抗剪强度指标c,值一般通过试
14、验确定,试验条件尤其是排水条件对强度指标将带来很大的影响,故在选择抗剪强度指标时应尽可能符合工程实际的受力条件和排水条件。,3. 当基础宽度大于3m或深度小于0.5m时,从载荷试验或其他原位测试、经验值等方法确定的地基承载力特征值,尚应进行深度和宽度修正。 4. 目前工程实际中使用的许多承载力指标(如载荷试验指标)已经包含了沉降控制的含义。带有较大的经验性,而规范推荐的理论公式(6.19)并未考虑地基变形的要求,应用此公式,必须进行地基特征变形的验算。 5. 触探法是确定地基承载力的重要手段,但应用时必须有地区经验,即当地的对比资料。,学习目标: 理解三种土压力的概念。 掌握朗肯土压力理论;理
15、解库伦土压力理论及其与朗肯土压力理论的比较;掌握常见情况下土压力的计算。 熟悉挡土墙的类型、构造和设计方法。 掌握土坡稳定的概念和规范对土层边坡开挖的规定;理解简单土坡稳定分析的方法。,一、 概述,(一)影响土压力的因素,1.填土性质:包括填土重度、含水量、内摩擦角、内聚力的大小及填土表面的形状(水平、向上倾斜、向下倾斜)等。 2.挡土墙形状、墙背光滑程度、结构形式。 3.挡土墙的位移方向和位移量。,(二)土压力分类:,1.静止土压力:墙本身不发生变形和任何位移(移动和转动),土处于弹性平衡状态。,2.主动土压力:墙离开填土向前发生位移至土体达到极限平衡状态。,3.被动土压力:墙向填土方向发生
16、位移至土体达到极限平衡状态。,二、 土压力的分类,(1)主动土压力 (2)被动土压力 (3)静止土压力,主动土压力 被动土压力 静止土压力,二、 土压力的分类,(三)静止土压力计算:,取单位墙长,总静止土压力:,静止土压力系数,可近似按 计 算。,二、 土压力的分类,朗肯土压力理论是根据半空间的应力状态和土的极限平衡条件得出的土压力计算方法。 在半空间中取一微单元体M,当整个土体都处于静止状态时,各点都处于弹性平衡状态:,主动状态:,被动状态:,三、朗肯土压力理论(Rankine,1857),(一)基本原理与假设,朗肯假设: 1.挡土墙墙背垂直。 2.墙后填土表面水平。 3.墙背光滑无摩擦力,
17、因而无剪应力,即墙背为主应面。,三、朗肯土压力理论(Rankine,1857),假定条件:墙背光滑(满足剪应力为零的边界条件)、直立、填土面水平。当挡墙偏离土体时, 逐渐减小到 时达到朗肯主动极限平衡状态,主动土压力强度 为:,粘性土:,无粘性土:,三、朗肯土压力理论(Rankine,1857),主动土压力合力 (取单位墙长计算):,无粘性土 粘性土,无粘性土:,粘性土:,令,得,三、朗肯土压力理论(Rankine,1857),(三)被动土压力,无粘性土: 粘性土:,三、朗肯土压力理论(Rankine,1857),无粘性土: 粘性土:,三、朗肯土压力理论(Rankine,1857),三、朗肯土
18、压力理论(Rankine,1857),三、朗肯土压力理论(Rankine,1857),三、朗肯土压力理论(Rankine,1857),【例题7.1】某挡土墙,高度为5m,墙背垂直光滑,填土面水平。填土为粘性土,其物理力学性质指标如下: , , 。试计算该挡土墙主动土压力及其作用点位置,并绘出主动土压力强度分布图。 解:(1)主动土压力系数 (2)墙底处的主动土压力强度,三、朗肯土压力理论(Rankine,1857),(3)临界深度 (4)主动土压力 主动土压力强度分布如图7.7所示。 总主动土压力 主动土压力作用点距墙底的距离为,(一)基本假设:根据墙后土体处于极限平衡状态并形成一滑动楔体,从
19、楔体的静力平衡条件得出的土压力计算理论。(为平面问题) 基本假定:墙后填土是理想的散粒体(c=0);滑动破坏面为通过墙踵的平面。 (二)主动土压力,四、 库仑土压力理论,楔体在三力作用下处于静力平衡状态,由力矢三角形按正弦定理:,力矢三角形,令,得到E为极大值时的破坏角,,代入上式得:,库伦主动土压力系数查表。,四、 库仑土压力理论,(三)被动土压力,被动土压力系数。,四、 库仑土压力理论,(四)朗肯理论与库伦理论比较 1.基本假定:前者假定挡墙光滑、直立、填土面水平;后者假定填土为散体(c=0)。 2.基本方法:前者应用半空间中应力状态和极限平衡理论;后者按墙后滑动土楔体的静力平衡条件导出计
20、算公式。 3.结果比较:朗肯理论忽略了墙背与填土之间的摩擦影响,使计算的主动土压力偏大,被动土压力偏小;库伦理论假定破坏面为一平面,而实际上为曲面。实践证明,计算的主动土压力误差不大,而被动土压力误差较大。,四、 库仑土压力理论,当填土为粘性土时,规范(GB50007-2002)对边坡支挡结构土压力计算提出如下规定: (1)计算支挡结构的土压力时,可按主动土压力计算; (2)边坡工程主动土压力应按下式进行计算:,五、 建筑地基基础设计规范推荐方法,c主动土压力增大系数,土坡高度大于5m时宜取1.0;高度为58m时宜取1.1;高度大于8m时宜取1.2; ka主动土压力系数,按规范附录L确定。,(
21、一)挡土墙的类型 1.重力式挡土墙(1)。 2.悬臂式挡土墙(2)。 3.扶壁式挡土墙(3)。,(1) (2) (3),六、 挡土墙设计,(二)挡土墙的计算 设计方法:先假定截面尺寸,然后验算稳定性及强度,若不满足要求,再修改设计。 计算内容: 1.稳定性验算,包括抗倾覆和抗滑移验算。 2.地基承载力验算。 3.墙身强度验算。,六、 挡土墙设计,六、 挡土墙设计,六、 挡土墙设计,挡土墙排水措施,六、 挡土墙设计,(三)重力式挡土墙体型选择与构造措施,无粘性土土坡稳定性分析,(二)无粘性土简单土坡稳定性分析,1.151.5。,=,K,稳定安全系数,从上式看出,只要 土坡就是稳定的。,七、 土坡
22、稳定性分析,简单土坡 指由均质土组成,坡面单一,顶面与底面均水平,且长度为无限长的土坡。,(三)土质边坡开挖规定,七、 土坡稳定性分析,规范规定,在山坡整体稳定的条件下,土质边坡的开挖应符合下列规定: (1)边坡的坡度允许值,应根据当地经验,参照同类土层的稳定坡度确定。当土质良好且均匀、无不良地质现象、地下水不丰富时,可按表7.2确定。 (2)土质边坡开挖时,应采取排水措施,边坡的顶部应设置截水沟。在任何情况下不允许在坡脚及坡面上积水。 (3)边坡开挖时,应由上往下开挖,依次进行。弃土应分散处理,不得将弃土堆置在坡顶及坡面上。当必须在坡顶或坡面上设置弃土转运站时,应进行坡体稳定性验算,严格控制
23、堆栈的土方量。 (4)边坡开挖后,应立即对边坡进行防护处理。,土质边坡坡度允许值,注:1.表中碎石土的充填物为坚硬或硬塑状态的粘性土。 2.对于砂土或充填物为砂土的碎石土, 其边坡坡度允许值均按自然休止角确定。,七、 土坡稳定性分析,小 结: 本章主要介绍了土压力的形成过程、土压力计算的朗肯理论和库仑理论、重力式挡土墙的设计以及土坡稳定的分析方法。 1.土压力的性质和大小与支挡结构位移方向和位移量直接相关,并由此形成了三种土压力静止土压力、主动土压力和被动土压力。 2.静止土压力的计算方法由水平向自重应力计算公式演变而来;朗肯土压力计算公式由土的极限平衡条件推导而来;库仑土压力公式则是由滑动土
24、楔的静力平衡条件推导获得。各种土压力公式都有其适用条件,应用中应引起注意。,3.重力式挡土墙的设计除需进行各种验算外,还必须合理的选择墙型和采取必要的构造措施。 4.在工程建设中常会遇到土坡稳定性问题,如道路路堤、基坑开挖和山体边坡等。土坡失稳是土体内部应力状态发生显著改变的结果。对无粘性土土坡,其滑动面可假设为平面,通过滑动平面上的受力平衡条件导出其土坡稳定安全系数的验算公式;对均质粘土土坡可以采用圆弧滑动面假设用瑞典圆弧法进行验算。 5.规范对土质边坡的开挖提出了要求。,学习目标: 了解岩土工程勘察三阶段、地基勘察的任务及地基勘察方法。 熟悉地基土的野外鉴别和描述。 熟悉地基勘察报告书的内
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