土的抗剪強(qiáng)度和地基承載力.ppt

1、第4章,土的抗剪強(qiáng)度 和地基承載力,4.1 土的抗剪強(qiáng)度與極限平衡條件 4.2 土的剪切試驗(yàn) 4.3 土的剪切特性 4.4 地基的臨塑荷載和臨界荷載 4.5 地基的極限承載力,本章主要內(nèi)容,土的破壞主要是由于剪切引起的，剪切破壞是土體破壞的重要特點(diǎn)。 工程實(shí)踐中與土的抗剪強(qiáng)度有關(guān)工程主要有以下3類,一、土的強(qiáng)度問題工程背景,1）是土作為材料構(gòu)成的土工構(gòu)筑物的穩(wěn)定問題；如土壩、路堤等填方邊坡及天然土坡的穩(wěn)定問題。 （2）是土作為工程構(gòu)筑物的環(huán)境的問題，即土壓力問題；如擋土墻、地下結(jié)構(gòu)等的周圍土體。 （3）是土作為建筑物地基的承載力問題,3.土工構(gòu)筑物的穩(wěn)定性問題,1. 土工構(gòu)筑物的穩(wěn)定性問題 土

2、壩、路堤等填方邊坡以及天然土坡等，在超載、滲流乃至暴雨作用下引起土體強(qiáng)度破壞后將產(chǎn)生整體失穩(wěn)邊坡滑坡等事故,2. 構(gòu)筑物環(huán)境的安全性問題即土壓力問題 擋土墻、基坑等工程中，墻后土體強(qiáng)度破壞將造成過大的側(cè)向土壓力，導(dǎo)致墻體滑動(dòng)、傾覆或支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞事故,3. 建筑物地基承載力問題 基礎(chǔ)下的地基土體產(chǎn)生整體滑動(dòng)或因局部剪切破壞而導(dǎo)致過大的地基變形 甚至傾覆,建筑物地基承載力問題(圖4,4.1 土的抗剪強(qiáng)度與極限平衡條件,土的抗剪強(qiáng)度：是指土體對于外荷載所產(chǎn)生的剪應(yīng)力的極 限抵抗能力,變形破壞 沉降、位移、不均勻沉降等超過規(guī)定限值(已學(xué)) 地基破壞 強(qiáng)度破壞 地基整體或局部滑移、隆起， 土工構(gòu)筑物失穩(wěn)

3、、 滑坡,土體強(qiáng)度破壞的機(jī)理： 在外荷載作用下，土體中將產(chǎn)生剪應(yīng)力和剪切變形，當(dāng)土中某點(diǎn)由外力所產(chǎn)生的剪應(yīng)力達(dá)到土的抗剪強(qiáng)度時(shí)，土就沿著剪應(yīng)力作用方向產(chǎn)生相對滑動(dòng)，該點(diǎn)便發(fā)生剪切破壞,一、莫爾-庫侖破壞理論 二、莫爾-庫侖破壞準(zhǔn)則 極限平衡條件,1. 庫侖公式 2. 應(yīng)力狀態(tài)與摩爾圓 3. 極限平衡應(yīng)力狀態(tài) 4. 摩爾-庫侖強(qiáng)度理論 5. 破壞判斷方法 6. 滑裂面的位置,一、摩爾-庫侖強(qiáng)度理論,固定滑裂面,一般應(yīng)力狀態(tài)如何判斷是否破壞,1. 庫侖公式,庫侖公式,1776年，庫侖根據(jù)砂土剪切試驗(yàn)得出,f = tan,砂土,后來，根據(jù)粘性土剪切試驗(yàn)得出,f =c+ tan,粘土,c,庫侖定律：土

4、的抗剪強(qiáng)度是剪切面上的法向總應(yīng)力 的線性函數(shù),庫倫公式,抗剪強(qiáng)度指標(biāo),c:土的粘聚力 :土的內(nèi)摩擦角,無粘性土：c=0,土體內(nèi)一點(diǎn)處任意方向截面上應(yīng)力的集合（剪應(yīng)力 和法向應(yīng)力,斜面上的應(yīng)力,土中任一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài),土的抗剪強(qiáng)度與極限平衡原理,A(,土中某點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)可用莫爾應(yīng)力圓描述,莫爾圓可以表示土體中一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)，莫爾圓圓周上各點(diǎn)的坐標(biāo)就表示該點(diǎn)在相應(yīng)平面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力,應(yīng)力圓與強(qiáng)度線相離,強(qiáng)度線,應(yīng)力圓與強(qiáng)度線相切,應(yīng)力圓與強(qiáng)度線相割,極限應(yīng)力圓,f,彈性平衡狀態(tài),f,極限平衡狀態(tài),f,破壞狀態(tài),土的極限平衡條件,莫爾庫侖破壞準(zhǔn)則(極限平衡狀態(tài),c,A,cctg,1/2(1 +3,

5、無粘性土：c=0,粘性土,粘性土的極限平衡條件,1= 3tg2(45+/2)2ctg (45+/2) 3= 1tg2(45/2)2ctg (45/2,無粘性土的極限平衡條件,1= 3tg2(45+/2) 3= 1tg2(45/2,土體處于極限平衡狀態(tài)時(shí)，破壞面與大主應(yīng)力作用面的夾角為 f,說明：剪破面并不產(chǎn)生于最大剪應(yīng)力面，而與最大剪應(yīng)力面成 / 2的夾角。因此，土的剪切破壞并不是由最大剪應(yīng)力max所控制,3. 極限平衡應(yīng)力狀態(tài),二、摩爾-庫侖破壞準(zhǔn)則,極限平衡應(yīng)力狀態(tài)： 有一對面上的應(yīng)力狀態(tài)達(dá)到 = f 土的強(qiáng)度包線： 所有達(dá)到極限平衡狀態(tài)的莫爾圓的公切線,f,3. 極限平衡應(yīng)力狀態(tài),f,強(qiáng)

6、度包線以內(nèi)：下任何一個(gè)面上的一對應(yīng)力與 都沒有達(dá)到破壞包線，不破壞； 與破壞包線相切：有一個(gè)面上的應(yīng)力達(dá)到破壞； 與破壞包線相交：有一些平面上的應(yīng)力超過強(qiáng)度；不可能發(fā)生,二、摩爾-庫侖破壞準(zhǔn)則,4. 莫爾庫侖強(qiáng)度理論,莫爾-庫侖強(qiáng)度理論表達(dá)式極限平衡條件,1f,3,二、摩爾-庫侖破壞準(zhǔn)則,4. 莫爾庫侖強(qiáng)度理論,莫爾-庫侖強(qiáng)度理論表達(dá)式極限平衡條件,二、摩爾-庫侖破壞準(zhǔn)則,根據(jù)應(yīng)力狀態(tài)計(jì)算出大小主應(yīng)力1、3,判斷破壞可能性,由3計(jì)算1f 比較1與1f,11f 破壞狀態(tài),5. 破壞判斷方法,判別對象：土體微小單元（一點(diǎn),3= 常數(shù),二、摩爾-庫侖破壞準(zhǔn)則,根據(jù)應(yīng)力狀態(tài)計(jì)算出大小主應(yīng)力1、3,判斷

7、破壞可能性,由1計(jì)算3f 比較3與3f,33f 彈性平衡狀態(tài) 3=3f 極限平衡狀態(tài) 33f 破壞狀態(tài),5. 破壞判斷方法,三、摩爾-庫侖強(qiáng)度理論,判別對象：土體微小單元（一點(diǎn),1= 常數(shù),O,c,1f,3,2,2,6. 滑裂面的位置,與大主應(yīng)力面夾角： =45 + /2,二、摩爾-庫侖破壞準(zhǔn)則,1、室內(nèi)試驗(yàn) 2、野外試驗(yàn),直剪試驗(yàn)、三軸試驗(yàn)等 制樣（重塑土）或現(xiàn)場取樣 缺點(diǎn)：擾動(dòng) 優(yōu)點(diǎn)：應(yīng)力條件清楚，易重復(fù),十字板扭剪試驗(yàn)、旁壓試驗(yàn)等 原位試驗(yàn) 缺點(diǎn)：應(yīng)力條件不易掌握 優(yōu)點(diǎn)：原狀土的原位強(qiáng)度,4.2 土的剪切試驗(yàn),測定土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的試驗(yàn)稱為剪切試驗(yàn): 按常用的試驗(yàn)儀器可將剪切試驗(yàn)分為直接剪

8、切試驗(yàn)、三軸壓縮試驗(yàn)、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和十字板剪切試驗(yàn)四種。 影響土的抗剪強(qiáng)度的因素： 土的密度、含水率、初始應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)力歷史及固結(jié)程度、試驗(yàn)中的排水條件等,4.2.1直接剪切試驗(yàn),直接剪切試驗(yàn)：用直接剪切儀（簡稱直剪儀）測 定土的抗剪強(qiáng)度的試驗(yàn),剪切面,剪切面,試驗(yàn)儀器：直剪儀（應(yīng)力控制式，應(yīng)變控制式,剪切位移（mm,剪應(yīng)力（kPa,f,f,= 100KPa,= 200KPa,= 300KPa,= 400KPa,4,一）快剪（Q,土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定快剪試驗(yàn)適用于滲透系數(shù)小于106cm / s的細(xì)粒土，試驗(yàn)時(shí)在試樣上施加垂直壓力后，拔去固定銷釘，立即以0.8mm/min的剪切速度進(jìn)行剪切

9、，使試樣在3min5min內(nèi)剪破。試樣每產(chǎn)生剪切位移0.2mm0.4mm測記測力計(jì)和位移讀數(shù)，直至測力計(jì)讀數(shù)出現(xiàn)峰值，繼續(xù)剪切至剪切位移為4mm時(shí)停機(jī)，記下破壞值；當(dāng)剪切過程中測力計(jì)讀數(shù)無峰值時(shí)，應(yīng)剪切至剪切位移為6mm時(shí)停機(jī)，該試驗(yàn)所得的強(qiáng)度稱為快剪強(qiáng)度，相應(yīng)的指標(biāo)稱為快剪強(qiáng)度指標(biāo)，以 表示,固結(jié)快剪試驗(yàn)也適用于滲透系數(shù)小于106cm/s的細(xì)粒土。試驗(yàn)時(shí)對試樣施加垂直壓力后，每小時(shí)測讀垂直變形一次，直至固結(jié)變形穩(wěn)定。變形穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為變形量每小時(shí)不大于0.005mm，在拔去固定銷，剪切過程同快剪試驗(yàn)。所得強(qiáng)度稱為固結(jié)快剪強(qiáng)度，相應(yīng)指標(biāo)稱為固結(jié)快剪強(qiáng)度指標(biāo)，以 表示,二）固結(jié)快剪（R,三）慢剪（S

10、,慢剪試驗(yàn)是對試樣施加垂直壓力后，待固結(jié)穩(wěn)定后，再拔去固定銷，以小于0.02mm/min的剪切速度使試樣在充分排水的條件下進(jìn)行剪切，這樣得到的強(qiáng)度稱為慢剪強(qiáng)度，其相應(yīng)的指標(biāo)稱為慢剪強(qiáng)度指標(biāo)，以 表示,直剪儀(圖2,4.2.2 直接剪切試驗(yàn),三軸壓縮試驗(yàn)原理是根據(jù)莫爾庫倫強(qiáng)度理論得出的。 三軸壓縮儀主要由壓力室、加壓系統(tǒng)和量測系統(tǒng)三大部分組成，圖6是三軸壓縮儀的壓力室示意圖，它是一個(gè)由金屬頂蓋、底座和透明有機(jī)玻璃圓筒組成的密閉容器。 取35個(gè)相同土樣，在不同的周圍壓力作用下進(jìn)行剪切破壞，可得到相應(yīng)的作用力，便可繪出幾個(gè)極限應(yīng)力圓，這些極限應(yīng)力圓的公切線，即為該土樣的抗剪強(qiáng)度線（圖7）。由此得出抗

11、剪強(qiáng)度指標(biāo),4.2.3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),三軸壓縮試驗(yàn)中當(dāng)周圍壓力30時(shí)即為無側(cè)限試驗(yàn)條件，這時(shí)只有q=1。所以，也可稱為單軸壓縮試驗(yàn)。由于試樣的側(cè)向壓力為零，在側(cè)向受壓時(shí)，其側(cè)向變形不受限制，故又稱為無側(cè)限壓縮試驗(yàn)。同時(shí)，又由于試樣是在軸向壓縮的條件下破壞的，因此，把這種情況下土所能承受的最大軸向壓力稱為無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，以qu表示。試驗(yàn)時(shí)仍用圓柱狀試樣，可在專門的無側(cè)限儀上進(jìn)行，也可在三軸儀上進(jìn)行,無側(cè)限儀,4.2.4 十字板剪切試驗(yàn),十字板剪切試驗(yàn)是一種利用十字板剪切儀在現(xiàn)場測定土的抗剪強(qiáng)度的方法。這種試驗(yàn)方法適合于在現(xiàn)場測定飽和粘性土的原位不排水強(qiáng)度，特別適用于均勻的飽和粘性土,4.3

12、.1 粘性土的剪切性狀 正常固結(jié)試樣與超固結(jié)試樣 （一）正常固結(jié)粘土 1、不固結(jié)不排水強(qiáng)度（UU,在飽和土的不固結(jié)不排水剪試驗(yàn)中，總強(qiáng)度包線為一水平線。所以,4.3 土的剪切特性,1、不固結(jié)不排水強(qiáng)度（UU,如果使試樣在另一個(gè)較高的剪前固結(jié)壓力 下固結(jié)穩(wěn)定后進(jìn)行一組不固結(jié)不排水試驗(yàn),如果使試樣在另一個(gè)較高的剪前固結(jié)壓力 下固結(jié)穩(wěn)定后進(jìn)行一組不固結(jié)不排水試驗(yàn)，那么，由于固結(jié)壓力增大，試樣的剪前孔隙比將減少，試樣的不排水強(qiáng)度 將增大。 與 通常呈線性關(guān)系，即 ，其中 為比例系數(shù)。如圖524（a）、（b）所示,2、固結(jié)不排水強(qiáng)度（CU） 固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)的過程如圖525所示,正常固結(jié)土的CU試驗(yàn)總

13、強(qiáng)度線是如圖526所示一條通過坐標(biāo)原點(diǎn)的直線，傾角為 ， 。其抗剪強(qiáng)度可表示為,若在固結(jié)不排水剪試驗(yàn)中量測孔隙水應(yīng)力，則結(jié)果可用有效應(yīng)力整理。從破壞時(shí)的總應(yīng)力中減去 ,可得到相應(yīng)破壞時(shí)的有效大主應(yīng)力 和有效小主應(yīng)力 及破壞應(yīng)力圓，繪出這些破壞應(yīng)力圓的包線，可得有效應(yīng)力強(qiáng)度包線。由于正常固結(jié)土剪破時(shí)的孔隙水應(yīng)力為正值，則剪破時(shí)的有效應(yīng)力圓總在總應(yīng)力圓的左邊。有效應(yīng)力強(qiáng)度包線也是通過坐標(biāo)原點(diǎn)的直線，直線的傾角 大于 ， ，于是用有效應(yīng)力表示的CU試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度為,3、固結(jié)排水強(qiáng)度（CD) 固結(jié)排水剪切試驗(yàn)的過程如圖528所示,如圖529所示，由于試驗(yàn)過程中孔隙水應(yīng)力始終保持為零，有效應(yīng)力就等于外加總

14、應(yīng)力，極限總應(yīng)力圓就是極限有效應(yīng)力圓，因而總應(yīng)力強(qiáng)度包線即為有效應(yīng)力強(qiáng)度包線。CD試驗(yàn)中的有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)常用 ， 表示。其強(qiáng)度包線是一條通過坐標(biāo)原點(diǎn)的直線，其傾角為 ， 。于是，CD試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度可表示為,將上述三種三軸壓縮試驗(yàn)的結(jié)果匯總 于圖530中。由圖可見，對于同一 種正常固結(jié)的飽和粘土，當(dāng)采用三種 不同的試驗(yàn)方法來測定其抗剪強(qiáng)度時(shí)， 其強(qiáng)度包線是不同的。其中UU試驗(yàn)結(jié) 果是一條水平線，CU和CD試驗(yàn)各是 一條通過坐標(biāo)原點(diǎn)的直線。三種方法 所得到的強(qiáng)度指標(biāo)間的關(guān)系是 ， 。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)用有效應(yīng)力表示試驗(yàn)結(jié)果時(shí)，三種剪切試驗(yàn)將得到基本相同的強(qiáng)度包線及十分接近的有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)，這就意味

15、著同一種土三種試驗(yàn)的試樣將沿著同一平面剪破,實(shí)測資料表明，f通常約為60，而粘性土的 一般在30左右，實(shí)測的f角接近于 ，這也是有效應(yīng)力概念下的理論剪破角。 正常固結(jié)土為應(yīng)變硬化型，體變多表現(xiàn)為剪縮,4.3.2 砂性土的剪切性狀 砂土的初始孔隙比不同，在受剪過程中將顯示出非常不同的性狀。松砂受剪時(shí)，顆粒滾落到平衡位置，排列得更緊密些，所以它的體積縮小，把這種因剪切而體積縮小的現(xiàn)象稱為剪縮性,緊砂受剪時(shí)，顆粒必須升高以離開它們原來的位置而彼此才能相互滑過，從而導(dǎo)致體積膨脹，把這種因剪切而體積膨脹的現(xiàn)象稱為剪脹性,緊砂的這種剪脹趨勢隨著周圍壓力的增大，土粒的破碎而逐漸消失。在高周圍壓力下，不論砂土

16、的松緊如何，受剪都將剪縮,松砂的強(qiáng)度逐漸增大，應(yīng)力軸向應(yīng)變關(guān)系呈應(yīng)變硬化型，它的體積則逐漸減小,緊砂的強(qiáng)度達(dá)一定值后，隨著軸向應(yīng)變的繼續(xù)增加強(qiáng)度反而減小，應(yīng)力軸向應(yīng)變關(guān)系最后呈隨應(yīng)變軟化型，它的體積開始時(shí)稍有減小，繼而增加，超過了它的初始體積,既然砂土在低周圍壓力下由于初始孔隙比的不同，剪破時(shí)的體積可能小于初始體積，也可能大于初始體積，那么，可以想象，砂土在某一初始孔隙比下受剪，它剪破時(shí)的體積將等于其初始體積，這一初始孔隙比稱為臨界孔隙比。砂土的初始孔隙比將隨周圍壓力的增加而減小,砂土的液化 液化被定義為任何物質(zhì)轉(zhuǎn)化為液體的行為或過程。對于飽和疏松的粉細(xì)砂，當(dāng)受到突發(fā)的動(dòng)力荷載時(shí)，例如地震荷載

17、，一方面由于動(dòng)剪應(yīng)力的作用有使體積縮小的趨勢，另一方面由于時(shí)間短來不及向外排水，因此就產(chǎn)生了很大的孔隙水應(yīng)力。按有效應(yīng)力原理，無粘性土的抗剪強(qiáng)度應(yīng)表達(dá)為,地基變形的三個(gè)階段： （1）線性變形階段：相應(yīng)于P-S曲線的部分。由于荷載較小，地基主要產(chǎn)生壓密變形，荷載與沉降的關(guān)系接近于直線。 （）彈塑性變形階段：相應(yīng)于P-S曲線部分。當(dāng)荷載增加到超過點(diǎn)壓力時(shí)，荷載與沉降之間成曲線。 （）破壞階段：相應(yīng)于P-S曲線的段。在這個(gè)階段塑性區(qū)已發(fā)展到形成一連續(xù)的滑動(dòng)面，荷載略有增加或不增加，沉降均有急劇變化，地基喪失穩(wěn)定,c,壓力與沉降關(guān)系曲線,4.4.1 地基變形的過程,4.4 地基的臨塑荷載和臨界荷載,2

18、)隨著荷載增加，壓密區(qū)I向兩側(cè)擠壓，土中產(chǎn)生塑性區(qū)，塑性區(qū)先在基礎(chǔ)邊緣產(chǎn)生，然后逐步擴(kuò)大形成II、III塑性區(qū)?；A(chǔ)的沉降增長率較前一階段增大，故 ps曲線呈曲線狀,1)當(dāng)基礎(chǔ)上荷載較小時(shí)，基礎(chǔ)下形成一個(gè)三角形壓密區(qū)I，隨同基礎(chǔ)壓入土中，ps曲線呈直線關(guān)系,整體剪切破壞p-s曲線上有兩個(gè)明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，區(qū)分地基變形三個(gè)階段,1、整體剪切破壞,3)當(dāng)荷載達(dá)到最大值后，土中形成連續(xù)滑動(dòng)面，并延伸到地面，土從基礎(chǔ)兩側(cè)擠出并隆起，基礎(chǔ)沉降急劇增加，整個(gè)地基失穩(wěn)破壞,4.4.2 地基的破壞類型,隨著荷載的增加，基礎(chǔ)下也產(chǎn)生壓密區(qū)I及塑性區(qū)II，但塑性區(qū)僅僅發(fā)展到地基某一范圍內(nèi)，土中滑動(dòng)面并不延伸到地面，基

19、礎(chǔ)兩側(cè)地面微微隆起，沒有出現(xiàn)明顯的裂縫,局部剪切破壞p-s曲線沒有明顯的直線段，地基破壞時(shí)曲線也沒有明顯的陡降,2、局部剪切破壞,ps曲線上坡度發(fā)生顯著變化（即變化率最大的點(diǎn)）所對應(yīng)的基底壓力p作為地基的極限承載力fu,隨著荷載的增加，基礎(chǔ)下土層發(fā)生壓縮變形，基礎(chǔ)出現(xiàn)持續(xù)下沉，當(dāng)荷載繼續(xù)增加，基礎(chǔ)周圍附近土體發(fā)生豎向剪切破壞，使基礎(chǔ)刺入土中，地基不出現(xiàn)連續(xù)的滑動(dòng)面，基礎(chǔ)兩側(cè)地面不出現(xiàn)隆起,沖剪破壞p-s曲線沒有明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn),3、沖剪破壞,ps曲線上平均下沉梯度接近常數(shù)且出現(xiàn)不規(guī)則下沉?xí)r對應(yīng)的基底壓力p作為地基的極限承載力fu,沖剪破壞,4.4.3 地基的臨塑荷載(定義,一、臨塑荷載的基本公式建立于下述理論之上： （1）應(yīng)用彈性理論計(jì)算附加應(yīng)力； （2）利用強(qiáng)度理論