1、,第一節(jié) 概 述,第三節(jié) 土的抗剪強度試驗方法,第四節(jié) 地基承載力,第二節(jié) 土的抗剪強度,第五章 土的抗剪強度與 地基承載力,回 顧,持力層,土抗剪強度,地基承載力,確定基礎尺寸,第五章 土的抗剪強度與 地基承載力,建筑物地基基礎設計必須滿足變形和強度 兩個基本條件。,第一節(jié) 概述,地基破壞與地基強度：,強度和變形是兩個不同的控制標準，不可 互相替代，承載力要求是先決條件 。,地基失穩(wěn)：地基中形成連續(xù)的剪切滑動破壞面， 基礎產(chǎn)生沉降或傾斜，地基土被擠出，地基破壞。,土的抗剪強度：是指在外力作用下，土體內部產(chǎn)生 剪應力時，土對剪切破壞的極限抵抗能力。,地基破壞即是剪切破壞。 土的強度問題實質上就

2、是抗剪強度問題。,結論,本章學習要點,本章將主要介紹地基的強度和穩(wěn)定問題， 包括土的抗剪強度以及地基基礎設計時 的地基承載力的計算問題。 土的抗剪強度主要應用于地基承載力的計 算和地基穩(wěn)定性分析、邊坡穩(wěn)定性分析、 擋土墻及地下結構物上的土壓力計算等。 重點掌握：抗剪強度理論 指標測定 方法 地基承載力確定方法,第二節(jié) 土的抗剪強度,一、抗剪強度 （一）庫侖定律 土的抗剪強度可以通過試驗的方法測定； 土的抗剪強度并非是一個定值。不同類型 的土其抗剪強度不同，即使同一類土，在不 同條件下的抗剪強度也不相同；,圖4-1為應變式直剪儀示意圖，施加一水平力T，土樣水平面上受剪，試樣的水平截面積為A，則垂

3、直壓應力為=FA，此時，土的抗剪強度（土樣破壞時對此推力的極限抵抗能力）為f=TA。（一般取46個物理狀態(tài)相同的試樣試驗）,直剪試驗：,圖4-1 直剪儀工作原理示意圖,垂直壓應力：=FA,抗剪強度：f=TA,上下剪切盒,應變式直剪儀,垂直加載,水平加載,測微表,量力環(huán),剪切盒,抗剪強度f與法向應力關系曲線：以為橫坐標， 以f為縱坐標繪制，如圖42所示。 庫侖定律：庫侖（Coulomb）于1773年提出下述土的 f 關系規(guī)律，故稱為。,砂性土：,粘性土：,式中 在法向應力作用下土的抗剪強度（kPa）； 作用在剪切面上的法向應力（kPa）； 土的內摩擦角()； c 土的粘聚力（kPa）。,結 論,

4、100,200,300,400,土的抗剪強度構成：內摩擦力與粘聚力。 c和稱為土的抗剪強度指標（或參數(shù)）。 在一定條件下c和是常數(shù)，它們是構成土 的抗剪強度的基本要素，c和（tan為土 的內摩擦系數(shù)）的大小反映了土的抗剪強度 的高低。,（二）抗剪強度的構成因素,主要包括以下幾個方面： 1土顆粒的礦物成分、形狀及顆粒級配； 2初始密度； 3含水量； 4土的結構擾動情況； 5有效應力； 6應力歷史； 7試驗條件。,（三）抗剪強度的影響因素,二、摩爾庫侖強度理論,土的極限平衡條件：極限平衡狀態(tài)時，土中大小主應力與土的抗剪強度指標之間的關系。（？）,土中某點在剪應力的作用下可能處于以下三種狀態(tài)：,由材

5、料力學可知，地基中任意一點M（用微元體表示）平面應力狀態(tài)，其上作用的應力為正應力x、z和剪應力xz。該點上大、小主應力1、3為 ：,（一）土中某點的應力狀態(tài),土中某點應力狀態(tài),x,z,0,x,z,xz,p,M,當主應力已知時，任意斜截面上的正應力與剪應力的大小可用摩爾圓來表示：,單元體上的應力,摩爾應力圓,單元體上的應力,（二）土的極限平衡條件,將土體中某點應力狀態(tài)的應力圓和土的抗剪強度線繪于同一直角坐標系中，判斷土體在這一點上是否達到極限平衡狀態(tài) ：,f,f,f,穩(wěn)定狀態(tài),極限平衡狀態(tài),破壞狀態(tài),應力圓與抗剪強度線相離,應力圓與抗剪強度線相切,應力圓與抗剪強度線相割,摩爾應力圓與抗剪強度線間

6、的關系,粘性土的極限平衡條件：,砂性土的極限平衡條件 ：,某點處于極限平衡狀態(tài)時，破裂面與最大主應力作用面所呈角度（稱為破裂角）為 ：,(b)極限狀態(tài)摩爾應力圓,(a)單元體上的應力,1土的強度破壞是剪應力達到和超過抗剪強度所致。 2破壞狀態(tài)的應力條件必須是法向應力和剪應力的某種組合符合庫侖定律的破壞準則，而不是以最大剪應力max達到了抗剪強度f作為判斷依據(jù)，亦即剪切破壞面并不一定發(fā)生在最大剪應力的作用面上； 3極限平衡狀態(tài)時，極限應力圓與抗剪強度線相切，一組極限應力圓的公切線即為土的強度包線。 4根據(jù)土的極限平衡條件，在已測得抗剪強度指標的條件下，已知大、小主應力中的任何一個，即可求得另一個

7、；或在已知抗剪強度指標與大、小主應力的情況下，判斷土體的平衡狀態(tài)；也可利用這一關系求出土體中已發(fā)生剪切破壞面的位置。,結 論：,【例4-1】已知一組直剪試驗結果，在施加的法向應力分別為100kPa、200kPa、300kPa、400kPa時，測得相應的抗剪強度分別為67kPa、119kPa、162kPa、215kPa。試作圖求該土的抗剪強度指標c、值。若作用在此土中某點的最大與最小主應力分別為350kPa和100 kPa問該點處于何種狀態(tài)？,【解】：（1）以法向應力為橫坐標，抗剪強度f為縱坐標，、f 取相同比例，將土樣的直剪試驗結果點在坐標系上，如圖4-7所示，過點群中心繪直線即為抗剪強度曲線

8、。,在圖中量得抗剪強度線與縱軸截距值即為土的粘聚力：c =15kPa，直線與橫軸的傾角即為內摩擦角=27。,（2）當最大主應力1=350kPa時，如果土體處于極限平衡狀態(tài)，根據(jù)極限平衡條件其最大與最小主應力間關系：, = 100kPa，說明該點已 處于破壞狀態(tài)。,=113.05(kPa),抗剪強度指標計算圖,實際應力圓,極限應力圓,第三節(jié) 土的抗剪強度試驗方法,土的抗剪強度指標通過土工試驗確定。試驗方法分為室內土工試驗和現(xiàn)場原位測試兩種。室內試驗常用的方法有直接剪切試驗、三軸剪切試驗；現(xiàn)場原位測試的方法有十字板剪切試驗和大型直剪試驗。,指標c、值是土的重要力學指標，用于確定地基土的承載力、擋土

9、墻的土壓力以及驗算土坡的穩(wěn)定性等問題。正確地測定和選擇土的抗剪強度指標是土工試驗與設計計算中十分重要的問題。,一、不同排水條件的試驗方法與適用條件,l不固結不排水剪試驗（Unconsolidation Undrained Shear Test,簡稱UU試驗）（快剪試驗）。模擬建筑場地土體來不及固結排水就較快地加載的情況。在實際工作中，對滲透性較差，排水條件不良，建筑物施工速度快的地基土或斜坡穩(wěn)定性驗算。 2固結不排水剪試驗（Consolidation Undrained Shear Test，簡稱 CU試驗）（固結快剪試驗）。模擬建筑場地土體在自重或正常載荷作用下已達到充分固結，而后遇到突然施

10、加載荷的情況。對一般建筑物地基的穩(wěn)定性驗算以及預計建筑物施工期間能夠排水固結，但在竣工后將施加大量活載荷（如料倉、油罐等）或可能有突然活載荷（如風力等）情況。,固結排水剪試驗是模擬地基土體已充分固結后開始緩慢施加載荷的情況。在實際工程中，對土的排水條件良好（如粘土層中夾砂層）、地基土透水性較好（低塑性粘性土）以及加荷速率慢時可選用。但因工程的正常施工速度不易使孔隙水壓力完全消散，試驗過程既費時又費力，因而較少采用。,3固結排水剪試驗（Consolidation Drained Shear Test，簡稱 CD試驗）（慢剪試驗）。,二、直接剪切試驗,由于直剪儀構造簡單，土樣制備和試驗操作方便等特

11、點，現(xiàn)仍被一般工程所采用。,地基基礎設計規(guī)范規(guī)定，直剪試驗只適用于二級及三級建筑物的可塑狀粘性土和飽和度不大于50%的粉土。,試驗結果不能反映工程的實際情況，所得的抗剪強度指標過大，對高等級建筑物安全度無法保證。,問題：1.不能有效地控制排水；2.上下盒間縫隙的影響； 3.剪切面是人為規(guī)定的；4.剪切面應力條件復雜。,圖4-1 直剪儀工作原理示意圖,三、三軸剪切試驗,圖4-8 三軸剪切儀,1量力環(huán)；2活塞；3進水孔；4排水孔；5試樣帽；6受壓室；7試樣；8乳膠膜；9接周圍壓力控制系統(tǒng)；10接排水管；11接孔隙水壓力系統(tǒng)；12接軸向加壓系統(tǒng),三軸剪切儀由受壓室、周圍壓力控制系統(tǒng)、軸向加壓系統(tǒng)、孔

12、隙水壓力系統(tǒng)以及試樣體積變化量測系統(tǒng)等組成 。,三軸試驗可以在三維空間模擬實際受力狀態(tài)，克服直剪試驗的固有缺點，不僅用于工程試驗，也被廣泛應用于科學研究中，一級建筑物地基土應予采用。,用若干土樣進行試驗，對每個土樣施加不同3，可分別求得剪切破壞時對應的最大主應力1，將這些結果繪成一組摩爾圓。通過這些摩爾圓的切點的直線就是土的抗剪強度線，由此可得抗剪強度指標c和值。,四、無側限抗壓強度試驗,無側限抗壓強度試驗方法適用于飽和粘土。本試驗所用的主要儀器設備是應變控制式無側限壓縮儀。 試樣為原狀土樣,1軸向加荷架；2軸向測力計；3試樣；4上、下傳壓板；5手輪；6升降板；7軸向位移計,應變控制式無側限壓

13、縮儀,五、十字板剪切試驗,1轉盤；2搖柄； 3滑輪；4彈簧秤； 5槽鋼；6套管； 7鉆桿；8十字板,十字板剪切儀,（現(xiàn)場原位測試）,鉆孔至需要試驗的土層深度以上750mm處，然后將裝有十字板的鉆桿放入鉆孔底部，并插入土中750mm，施加扭矩使鉆桿旋轉直至土體剪切破壞。土體剪切面為十字板旋轉所形成的圓柱面。,試驗方法,Pc剪切破壞時的總作用力； fc軸桿及設備的機械阻力； h、D十字板的高度和直徑； R轉盤的半徑； kc一十字板常數(shù)； 適用于軟塑狀態(tài)的粘性土。,概述：,第四節(jié) 地基承載力,地基承載力特征值是指在保證地基穩(wěn)定條件下，地基單位面積上所能承受的最大應力。 影響因素：土性質、基礎埋深與寬

14、度、施工方法,地基承載力特征值應按下列規(guī)定綜合考慮： 1.甲、乙級的建筑物采用載荷試驗、理論公式計算及其他原位試驗等方法綜合確定； 2.丙級的建筑物可按土的物理力學指標、標準貫入、輕便觸探等方法確定。 3.次要建筑物可根據(jù)鄰近建筑物的經(jīng)驗確定。,一、平板載荷試驗確定地基承載力,（一）地基變形的三個階段,1直線變形階段（壓密階段）：ppcr,土中即將出現(xiàn)剪切破壞（塑性變形）點時的基底壓力稱為臨塑壓力（或比例極限）。,土的變形主要是由土的壓實，孔隙體積減小引起的，土體處于彈性平衡狀態(tài) 。,2局部剪切階段（塑性變形階段）： pcrppu,pcz,地基中的變形不再是線形變化，壓力和變形之間成曲線關系；

15、 隨著壓力的增加，地基除進一步壓密外，在局部（一般從基礎邊緣開始）出現(xiàn)了剪切破壞區(qū)（也稱為塑性區(qū)）。,此段范圍內的 基底壓力稱為 塑性荷載 pcz,3.失穩(wěn)階段(完全破壞階段）：ppu,極限荷載pu：地基剛出現(xiàn)整體滑裂破壞面時的基底壓力。,壓力增加，地基變形將急劇增大，塑性區(qū)擴大，形成連續(xù)的滑動面，土從荷載板下擠出，在地面隆起，這時地基已完全喪失穩(wěn)定性 。,連續(xù)滑動面,(二)平板載荷試驗確定地基承載力,由試驗結果可繪制ps關系曲線，并推斷出地基的極限荷載與承載力特征值。,承載力特征值由載荷試驗ps關系曲線確定：,1.當ps曲線上有比例界限時，取該比例界限所對應的荷載值； 2.當極限荷載小于對應

16、比例界限的荷載值的2倍時，取極限荷載值的一半； 3.當不能按上述要求確定時，當壓板面積為0.250.50m2，可取s/b=0.010.015所對應的荷載，但其值不應大于最大加載量的一半。 4同一土層實驗不應少于三點，當試驗實測值的極差不超過其平均值的30%時，取此平均值作為該土層的地基承載力特征值fak。,二、理論公式確定地基承載力,塑性區(qū)范圍不超過一定限度，可采用一定深度的塑性區(qū)的基底壓力pcz作為地基承載力特征值。,當偏心距e0.33倍基礎底面寬度時，通過抗剪強度指標計算地基土承載力特征值。,fa 地基承載力特征值（kPa）； 基礎底面以下土的重度，地下水位以下取 有效重度（kNm3）；

17、m 基礎底面以上土的加權平均重度，地下 水位以下取有效重度（kNm3）； Mb、Md、Mc 承載力系數(shù)，按表4-1確定； b 基底寬度（m），當基底寬度大于6m按6m考 慮，對于砂土小于3m時按3m考慮； ck 基底下一倍基礎底面短邊寬深度內土的粘 聚力標準值（kPa）。,三、確定地基承載力的其它方法,（一）其它試驗方法確定地基承載力 上述載荷試驗只能用來測定淺層土的承載力， 如果需要測定的土層位于地下水位以下或位于比較深的地方，應采用如下載荷試驗的方法：深層平板載荷試驗、旁壓試驗和螺旋壓板載荷試驗，適用于地下水位以下的土層和埋藏很深的土層，是較理想的原位測定地基承載力的方法。,1.間接原位測

18、試的方法 靜力觸探試驗和標準貫入試驗與載荷試驗結果對比分析，建立經(jīng)驗關系，間接確定地基承載力。,2規(guī)范推薦的地基承載力表 應注意這些承載力表的局限性。新版本的建筑地基基礎設計規(guī)范GB500072002已將所有的承載力表取消，可以在本地區(qū)得到驗證的條件下，作為一種推薦性的經(jīng)驗方法使用。,（二）經(jīng)驗方法確定地基承載力,四、地基承載力特征值的修正,當基礎寬度大于3m或埋置深度大于0.5m時，從載荷試驗或其它原位測試、經(jīng)驗值等方法確定的地基承載力特征值，尚應按下式修正：,式中 fa修正后的地基承載力特征值（kPa）； fak地基承載力特征值（kPa）； 基礎底面以下土的重度，地下水位以下 取有效重度（kNm3）；,m 基底以上土的加權平均重度，地下水位以 下取有效重度（kNm3）； b 基底寬度(m)