土力學地基基礎第四章土抗剪強度及地基承載力

4概述1235土的極限平衡條件抗剪強度指標的確定地基的臨塑荷載和臨界荷載土的抗剪強度與地基承載力14地基的極限荷載第一頁，共55頁。土的剪切破壞實例4.1概述第二頁，共55頁。第三頁，共55頁。第四頁，共55頁。第五頁，共55頁。崩塌平移滑動旋轉滑動流滑滑裂面第六頁，共55頁。第七頁，共55頁。使基坑旁辦公室、民工宿舍和倉庫倒塌，死3人，傷17人廣州京光廣場基坑塌方第八頁，共55頁。土的強度特點碎散性：強度不是土顆粒本身的強度，而是顆粒間相互作用三相體系：三相承受與傳遞荷載——有效應力原理；復雜性：土的強度的結構性與復雜性。4.1概述第九頁，共55頁。定義：是指土體抵抗剪切破壞的能力，其數(shù)值等于土體產生剪切破壞時滑動面上的剪應力土的抗剪強度指標

土的抗剪強度4.1概述第十頁，共55頁。土本身的性質：物質組成；結構應力組合（土體破壞準則，常用莫爾—庫倫破壞準則）yyzxyzxxz三維應力狀態(tài)二維應力狀態(tài)zxzxzx土抗剪強度影響因素4.1概述第十一頁，共55頁。摩擦強度摩擦強度：決定于剪切面上的正應力σ和土的內摩擦角由顆粒之間發(fā)生滑動時顆粒接觸面粗糙不平所引起，與顆粒的形狀，礦物組成，級配等因素有關0.020.060.20.623020顆粒直徑(mm)滑動摩擦角u粗粉細砂中砂粗砂滑動摩擦咬合摩擦包括如下兩個組成部分：滑動摩擦4.1概述第十二頁，共55頁?；瑒幽Σ烈Ш夏Σ涟ㄈ缦聝蓚€組成部分：是指相鄰顆粒對于相對移動的約束作用當發(fā)生剪切破壞時，相互咬合著的顆粒A必須抬起，跨越相鄰顆粒B，或在尖角處被剪斷（C），才能移動，土體中的顆粒重新排列，也會消耗能量咬合摩擦CABCAB剪切面摩擦強度4.1概述第十三頁，共55頁。摩擦強度密度粒徑級配顆粒的礦物成分粒徑的形狀粘土顆粒表面的吸附水膜影響土的摩擦強度的主要因素:4.1概述第十四頁，共55頁。凝聚強度細粒土：粘聚力c取決于土粒間的各種物理化學作用力作用機理：庫倫力（靜電力）、范德華力、

膠結作用力和毛細力等影響因素：地質歷史、粘土顆粒礦物成分、

密度與離子濃度粗粒土：一般認為是無粘性土，不具有粘聚強度：當粗間有膠結物質存在時可具有一定的粘聚強度非飽和砂土，粒間受毛細力，具有假粘聚力4.1概述第十五頁，共55頁。4.2土的極限平衡條件極限平衡狀態(tài)當土體的剪應力τ等于土的抗剪強度τf時的臨界狀態(tài)土體處于極限平衡狀態(tài)時土的應力狀態(tài)σ1、σ3于土的抗剪強度指標(內摩擦角φ、粘聚力c)之間的數(shù)學表達式極限平衡條件無粘結土粘結土第十六頁，共55頁。土體中任一點的應力狀態(tài)1、最大主應力與最小主應力321dxdydzMγz地面微元體頂面和底面的作用力為1=

zγ微元體側面作用力為2=

3=

ξzγ主應面：沒有剪應力的面主應力：作用在主應面上的力4.2土的極限平衡條件第十七頁，共55頁。土體內一點處不同方位的截面上應力的集合（剪應力

和法向應力）

331131dldlcosdlsin楔體靜力平衡2、任意斜面上的應力4.2土的極限平衡條件第十八頁，共55頁。31dldlcosdlsin斜面上的應力4.2土的極限平衡條件第十九頁，共55頁。O13(1+3)/22A(,)圓心坐標[(1+3)/2，0]應力圓半徑r＝(1－3

)

/2土中某點的應力狀態(tài)可用莫爾應力圓描述

3、用莫爾應力圓表示斜面上的應力4.2土的極限平衡條件第二十頁，共55頁。第二十一頁，共55頁。莫爾-庫侖破壞理論各種破壞理論對土最適合的是莫爾-庫侖，可表述為以下3點：1.剪切破壞面上，材料的抗剪強度是法向應力的函數(shù)：2.法向應力不是很大時，抗剪強度可簡化為法向應力的線性函數(shù)砂土：粘性土：3.土單元體中，任意一個面上的剪應力大于該面上土體的抗剪強度，土單元體即發(fā)生剪切破壞4.2土的極限平衡條件第二十二頁，共55頁。

oφ

砂土粘性土c

φ

強度線強度線庫侖定律4.2土的極限平衡條件第二十三頁，共55頁。莫爾—庫倫破壞準則①應力圓與強度線相離：

應力圓與強度線相切：應力圓與強度線相割：極限應力圓τ<τf

彈性平衡狀態(tài)

τ=τf

極限平衡狀態(tài)

τ>τf

破壞狀態(tài)

強度線土的極限平衡條件4.2土的極限平衡條件第二十四頁，共55頁。Ocf=c+tg13莫爾-庫侖強度理論的破壞準則土的極限平衡條件：處于極限平衡狀態(tài)時，1和3之間應滿足的關系無粘性土4.2土的極限平衡條件第二十五頁，共55頁。1.無粘性土的極限平衡條件

4.2土的極限平衡條件第二十六頁，共55頁。2.粘性土的極限平衡條件

4.2土的極限平衡條件第二十七頁，共55頁。土體處于極限平衡狀態(tài)時，破壞面與大主應力作用面的夾角為

f

f2

f31cAcctg1/2(1+3)說明：剪破面并不產生于最大剪應力面，而與最大剪應力面成

/2的夾角，可知，土的剪切破壞并不是由最大剪應力τmax所控制

max4.2土的極限平衡條件第二十八頁，共55頁。Oc1f3231f45°＋/2破裂面23.滑裂面的位置與大主應力面夾角：α=45+/24.2土的極限平衡條件第二十九頁，共55頁。判斷破壞可能性由σ3計算σ1f比較σ1與σ1fσ1<σ1f

彈性平衡狀態(tài)σ1=σ1f

極限平衡狀態(tài)σ1>σ1f

破壞狀態(tài)Oc1f311判別對象：土體微小單元（一點）當3=常數(shù)：4.土的極限平衡條件的應用4.2土的極限平衡條件第三十頁，共55頁。判斷破壞可能性由σ1計算σ3f,比較σ3與σ3fσ3>σ3f

彈性平衡狀態(tài)σ3=σ3f

極限平衡狀態(tài)σ3<σ3f

破壞狀態(tài)Oc13f33判別對象：土體微小單元（一點）當1=常數(shù)：4.2土的極限平衡條件第三十一頁，共55頁?！窘獯稹恳阎?=450kPa，3=150kPa，c=20kPa，

=26o

方法1：計算結果表明：1f接近該單元土體實際大主應力1，所以，該單元土體處于極限平衡狀態(tài)。

問題①解答：【例】地基中某一單元土體上的大主應力為450kPa，小主應力為150kPa。通過試驗測得土的抗剪強度指標c=20kPa，

=26o。試問①該單元土體處于何種狀態(tài)？②單元土體最大剪應力出現(xiàn)在哪個面上，是否會沿剪應力最大的面發(fā)生剪破？

第三十二頁，共55頁。計算結果表明：

3f接近該單元土體實際小主應力

3，該單元土體處于極限平衡狀態(tài)。在剪切面上

庫侖定律

由于ττf

，所以，該單元土體處于彈性平衡狀態(tài)

方法2：第三十三頁，共55頁。方法3：作圖法

c11f3f實際應力圓極限應力圓最大剪應力與主應力作用面成45o

最大剪應力面上的法向應力庫侖定律

最大剪應力面上τ<τf

，所以，不會沿剪應力最大的面發(fā)生破壞τmax問題②解答：例題分析1（方法3）第三十四頁，共55頁。4.3抗剪強度指標的確定土的抗剪強度指標內摩察角φ粘聚力c測定方法第三十五頁，共55頁。直接剪切試驗4.3抗剪強度指標的確定第三十六頁，共55頁。應變控制式直剪儀應力控制式直剪儀4.3抗剪強度指標的確定第三十七頁，共55頁。

直剪儀(圖2)4.3抗剪強度指標的確定第三十八頁，共55頁。OcPT土樣下盒上盒S面積A直剪儀(directsheartestapparatus)1S23f1f2f31.試驗成果:砂土：粘性土：4.3抗剪強度指標的確定第三十九頁，共55頁。2.直剪試驗的類型:(1)固結慢剪施加正應力-充分固結剪切速率很慢，<0.02mm/分，以保證無超靜孔壓(2)固結快剪施加正應力-充分固結在3-5分鐘內剪切破壞(3)快剪施加正應力后立即剪切3-5分鐘內剪切破壞通過控制剪切速率近似模擬排水條件4.3抗剪強度指標的確定第四十頁，共55頁。設備簡單，操作方便結果便于整理測試時間短優(yōu)點試樣應力狀態(tài)復雜應變不均勻不能控制排水條件剪切面固定缺點PT土樣下盒上盒S面積A適宜：二、三級建筑的可塑狀態(tài)粘性土與飽和度不大于0.5的粉土4.3抗剪強度指標的確定第四十一頁，共55頁。試樣圍壓

力3閥門閥門馬達橫梁量力環(huán)百分表量水管孔壓量測1.試樣應力特點

與試驗方法2.試驗類型3.強度包線4.優(yōu)缺點三軸壓縮試驗4.3抗剪強度指標的確定第四十二頁，共55頁。試驗裝置：試樣水壓

力c軸向力F4.3抗剪強度指標的確定第四十三頁，共55頁。應變控制式三軸儀：壓力室加壓系統(tǒng)量測系統(tǒng)軸向加荷系統(tǒng)第四十四頁，共55頁。三軸壓縮儀第四十五頁，共55頁。1.應力特點與試驗方法方法：固結：試樣施加圍壓力1=2=3

剪切：施加應力差Δ1=1-3

應力特點：試樣是軸對稱應力狀態(tài)垂直應力z一般是大主應力1側向應力總是相等x=y，且為中、小主應力2=3試樣水壓

力c軸向力F4.3抗剪強度指標的確定第四十六頁，共55頁。固結排水試驗（CD試驗）1打開排水閥門，施加圍壓后充分固結，超靜孔隙水壓力完全消散；2打開排水閥門，慢慢施加軸向應力差以便充分排水，避免產生超靜孔壓固結不排水試驗（CU試驗）1打開排水閥門，施加圍壓后充分固結，超靜孔隙水壓力完全消散；2關閉排水閥門，很快剪切破壞，在施加軸向應力差過程中不排水不固結不排水試驗（UU試驗）1關閉排水閥門，圍壓下不固結；2關閉排水閥門，很快剪切破壞，在施加軸向應力差過程中不排水cd、d

ccu、cu

cu、u

2.試驗類型4.3抗剪強度指標的確定第四十七頁，共55頁?？辜魪姸劝€

c

分別在不同的周圍壓力3作用下進行剪切，得到3～4個不同的破壞應力圓，繪出各應力圓的公切線即為土的抗剪強度包線3.三軸試驗結果4.3抗剪強度指標的確定第四十八頁，共55頁。優(yōu)點：1應力狀態(tài)和應力路徑明確；2排水條件清楚，可控制；3破壞面不是人為固定的；4試驗單元體試驗缺點：設備相對復雜，現(xiàn)場無法試驗說明：3＝0即為無側限抗壓強度試驗4.優(yōu)點和缺點4.3抗剪強度指標的確定第四十九頁，共55頁。4.4地基的臨塑荷載和臨界荷載地基的臨塑荷載定義：在外荷作用下，地基中剛開始產生塑性變形(即局部剪切破壞)時基礎底面單位面積上所承受的荷載oppopusabcα1.壓密階段(p<po)2.局部剪損階段(po<p<pu)3.完全破壞階段(p>p