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1、第4章 土的抗剪强度与地基承载力,4.1 概述 4.2 土的极限平衡条件 4.3 抗剪强度指标的确定 4.4 影响抗剪强度指标的因素 4.5 地基的临塑荷载和临界荷载 4.6 地基的极限荷载,主要内容,第4章 土的抗剪强度与地基承载力,本章重点 土体强度理论，四种抗剪强度指标试验，临塑荷载，临界荷载与极限荷载的推导与应用。 本章难点 土体强度理论，临塑荷载的推导。,4.1 概 述,第4章土抗剪强度与地基承载力,4.1.1 地基强度的意义,地基破坏,变形破坏,强度破坏,地基整体或局部滑移、隆起， 土工构筑物失稳、 滑坡,沉降等超过规定限值(已学),4.1 概 述,第4章土抗剪强度与地基承载力,4
2、.1.1 地基强度的意义,.线性变形阶段,塑性变形区,连续滑动面,oa段，荷载与沉降关系接近于直线，土中f,地基处于弹性平衡状态。,.弹塑性变形阶段,ab段，荷载增加，荷载与沉降关系呈曲线，地基中局部产生剪切破坏，出现塑性变形区,.破坏阶段,bc段，塑性区扩大，发展成连续滑动面，荷载增加，沉降急剧变化,4.1 概 述,第4章土抗剪强度与地基承载力,4.1.2 土的强度的应用,土体抗剪强度不足造成的楼房倒塌。,1. 地基承载力与地基稳定性问题 基础下的地基土体产生整体滑动或因局部剪切破坏而导致过大的地基变形 甚至倾覆。,4.1 概 述,第4章土抗剪强度与地基承载力,4.1.2 土的强度的应用,2
3、. 土坡稳定性,土体抗剪强度不足造成的山体滑坡。,4.1 概 述,第4章土抗剪强度与地基承载力,4.1.2 土的强度的应用,3. 挡土墙及地下结构上的土压力,4.1 概 述,第4章土抗剪强度与地基承载力,4.1.2 土的强度的应用,3. 挡土墙及地下结构上的土压力,挡土墙,滑裂面,基坑支护,4.1 概 述,第4章土抗剪强度与地基承载力,4.1.2 土的强度的应用,认识:,1、破坏表现为土体相对滑动。滑动时通常可以找到贯通的滑动面。,2、在外荷载作用下，土体中将产生剪应力和剪切变形，当土中某点由外力所产生的剪应力达到土的抗剪强度时，土就沿剪应力作用方向发生相对滑动，该点便发生剪切破坏。,土的强度
4、问题实际上就是抗剪强度问题,土的强度问题实际上就是土体内的一部分与另一部分的相对滑动的抵抗力。亦即土的抗剪强度,4.2 土的极限平衡条件,第4章土抗剪强度与地基承载力,4.2.1 土体中任一点的应力状态,1. 最大主应力与最小主应力,4.2 土的极限平衡条件,第4章土抗剪强度与地基承载力,4.2.1 土体中任一点的应力状态,2. 任意斜面上的应力,4.2 土的极限平衡条件,第4章土抗剪强度与地基承载力,4.2.1 土体中任一点的应力状态,2. 任意斜面上的应力,楔体静力平衡,4.2 土的极限平衡条件,第4章土抗剪强度与地基承载力,4.2.1 土体中任一点的应力状态,2. 任意斜面上的应力,楔体
5、静力平衡,4.2 土的极限平衡条件,第4章土抗剪强度与地基承载力,4.2.1 土体中任一点的应力状态,2. 任意斜面上的应力,楔体静力平衡,4.2 土的极限平衡条件,第4章土抗剪强度与地基承载力,4.2.1 土体中任一点的应力状态,3. 用莫尔应力圆表示斜面上的应力,联立(a)、（b）式：,摩尔应力圆方程：,4.2 土的极限平衡条件,第4章土抗剪强度与地基承载力,4.2.1 土体中任一点的应力状态,3. 用莫尔应力圆表示斜面上的应力,A(, ),圆心坐标: 1/2(1 +3 )，0,应力圆半径: r1/2(13 ),土中某点的应力状态可用莫尔应力圆描述,A点的应力：,4.2 土的极限平衡条件,
6、第4章土抗剪强度与地基承载力,4.2.2 莫尔-库仑破坏理论,库仑定律： 1776年，库仑根据砂土剪切试验,施加: 量测:,上盒,A,试验原理,4.2 土的极限平衡条件,第4章土抗剪强度与地基承载力,4.2.2 莫尔-库仑破坏理论,f = tan ,砂土,库仑定律： 1776年，库仑根据砂土剪切试验,4.2 土的极限平衡条件,第4章土抗剪强度与地基承载力,4.2.2 莫尔-库仑破坏理论,库仑定律：后来，根据粘性土剪切试验,f =c+ tan,粘土,c,f = tan ,砂土,库仑定律：,4.2 土的极限平衡条件,第4章土抗剪强度与地基承载力,4.2.3 土的极限平衡条件,1. 地基中任意平面m
7、n 上的应力状态,任意平面上的应力,f,平面mn为稳定状态,=f,平面mn为极限平衡状态,f,平面mn已发生剪切破坏,4.2 土的极限平衡条件,第4章土抗剪强度与地基承载力,4.2.3 土的极限平衡条件,1. 地基中任意平面mn 上的应力状态,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,f,弹性平衡状态,=f,极限平衡状态,f,破坏状态,4.2 土的极限平衡条件,第4章土抗剪强度与地基承载力,4.2.3 土的极限平衡条件,1. 地基中任意平面mn 上的应力状态,强度线,极限应力圆,莫尔应力圆与库仑强度线相切的应力状态作为土的破坏准则 (目前判别土体所处
8、状态的最常用准则),4.2 土的极限平衡条件,第4章土抗剪强度与地基承载力,4.2.3 土的极限平衡条件,2.粘性土与无粘性土的极限平衡条件,由图可知:,粘性土,4.2 土的极限平衡条件,第4章土抗剪强度与地基承载力,4.2.3 土的极限平衡条件,2.粘性土与无粘性土的极限平衡条件,由图可知:,无粘性土：c=0,4.2 土的极限平衡条件,第4章土抗剪强度与地基承载力,4.2.3 土的极限平衡条件,2.粘性土与无粘性土的极限平衡条件,而最大剪应力面与最大主应力面夹角,说明：剪破面并不产生于最大剪应力面，与最大主应力面成 的夹角，可知，土的剪切破坏并不是由最大剪应力max所控制 。,土体处于极限平
9、衡状态时，破坏面与大主应力作用面的夹角为 f,4.2 土的极限平衡条件,第4章土抗剪强度与地基承载力,4.2.3 土的极限平衡条件,3.破坏判断方法,11f 弹性平衡状态,3= 常数：,判别对象：土体微小单元（一点）,1）根据应力状态计算出大小主应力1、3，由3计算1f，比较1与1f,1=1f 极限平衡状态,11f 破坏状态,4.2 土的极限平衡条件,第4章土抗剪强度与地基承载力,4.2.3 土的极限平衡条件,3.破坏判断方法,33f 弹性平衡状态,2）根据应力状态计算出大小主应力1、3，由1计算3f，比较3与3f,3=3f 极限平衡状态,33f 破坏状态,1= 常数：,4.2 土的极限平衡条
10、件,第4章土抗剪强度与地基承载力,4.2.3 土的极限平衡条件,3.破坏判断方法,在剪切面上：,库仑定律 ：,3）根据应力状态计算出大小主应力1、3，且极限平衡状态时的破坏面与大主应力面的夹角是一定的，求该面上与f,f 弹性平衡状态,f 破坏状态,4.2 土的极限平衡条件,第4章土抗剪强度与地基承载力,4.2.3 土的极限平衡条件,3.破坏判断方法,例题 ：某土层的抗剪强度指标=30，c=10kPa，其中某一点的1=120kPa，3=30kPa，（1）问该点是否破坏？（2）若保持3不变，该点不破坏的1最大为多少？,28.47,120,30,4.2 土的极限平衡条件,第4章土抗剪强度与地基承载力
11、,4.2.3 土的极限平衡条件,3.破坏判断方法,例题 ：某土层的抗剪强度指标=30，c=10kPa，其中某一点的1=120kPa，3=30kPa，（1）问该点是否破坏？（2）若保持3不变，该点不破坏的1最大为多少？,120,4.2 土的极限平衡条件,第4章土抗剪强度与地基承载力,4.2.3 土的极限平衡条件,3.破坏判断方法,例题 ：某土层的抗剪强度指标=30，c=10kPa，其中某一点的1=120kPa，3=30kPa，（1）问该点是否破坏？（2）若保持3不变，该点不破坏的1最大为多少？,在剪切面上:,库仑定律:,由于f ，所以，该单元土体处于弹性平衡状态,(3)求与f,4.2 本节小结,
12、第4章土抗剪强度与地基承载力,(1) 土体中任一点的应力状态,(2) 莫尔-库仑破坏理论,砂土：,粘性土：,(3) 土的极限平衡条件,粘性土,4.2 本节小结,第4章土抗剪强度与地基承载力,(1) 土体中任一点的应力状态,(2) 莫尔-库仑破坏理论,砂土：,粘性土：,(3) 土的极限平衡条件,无粘性土：c=0,4.2 本节习题,第4章土抗剪强度与地基承载力,1. 当摩尔应力圆与抗剪强度线相离时，土体处于的状态是： (A) 破坏状态; (B) 安全状态; (C) 极限平衡状态; (D) 主动极限平衡状态。,2. 内摩擦角为100的土样，发生剪切破坏时，破坏面与最大主应力方向的夹角为： (A) 4
13、00； (B) 500； (C) 800； (D) 1000,4.3 抗剪强度指标确定,第4章土抗剪强度与地基承载力,4.3.1 直接剪切试验,测定土的抗剪强度指标常采用剪切试验。土的剪切试验既可在室内进行，也可在现场进行原位测试。室内试验的特点是边界条件比较明确且容易控制，但在现场取样时，不可避免地引起应力释放和土的结构扰动。为弥补室内试验的不足，通常采取在现场进行原位测试。比较常见的土的抗剪强度指标的测定方法有：直接剪切试验、三轴剪切试验、无侧限抗压强度试验和十字剪切板试验。,直接剪切试验,快剪,固结快剪,慢剪,直接剪 切仪,应变控制式直剪仪,应力控制式直剪仪,4.3 抗剪强度指标确定,第
14、4章土抗剪强度与地基承载力,4.3.1 直接剪切试验,1.试验仪器：直剪仪（应力控制式，应变控制式）,4.3 抗剪强度指标确定,第4章土抗剪强度与地基承载力,4.3.1 直接剪切试验,1.试验仪器：直剪仪（应力控制式，应变控制式）,4.3 抗剪强度指标确定,第4章土抗剪强度与地基承载力,4.3.1 直接剪切试验,2.直剪试验步骤:,2)试验方法： a快剪（Q）：试样在垂直压力施加后立即进行快速剪切，试验全过程都不许有排水现象产生。 b固结快剪（CQ）：试样在垂直压力下经过一定程度的排水固结后，再进行快速剪切。 c慢剪（S）：试样在垂直压力排水固结后慢慢的进行剪切，剪切过程中孔隙水可自由排出。,
15、1)取样要求：环刀面积不小于30cm2，环刀高度不小于2cm，同一土样至少切取4个试样。,4.3 抗剪强度指标确定,第4章土抗剪强度与地基承载力,4.3.1 直接剪切试验,2.直剪试验步骤:,剪前施加在试样顶面上的竖向压力为剪破面上的法向应力，剪应力由剪切力除以试样面积,在法向应力作用下，剪应力与剪切位移关系曲线，根据曲线得到该作用下，土的抗剪强度,4.3 抗剪强度指标确定,第4章土抗剪强度与地基承载力,4.3.1 直接剪切试验,2.直剪试验步骤:,在不同的垂直压力下进行剪切试验，得相应的抗剪强度f，绘制f - 曲线，得该土的抗剪强度包线,4.3 抗剪强度指标确定,第4章土抗剪强度与地基承载力
16、,4.3.1 直接剪切试验,3.试验结果：,优点:,设备简单，试样制备和试验操作方便，易于掌握。,缺点:, 剪切面限定在上、下盒之间的平面，剪切面并非土样抗剪最薄弱的面; 不能严格控制排水条件和量测孔隙水压力； 剪切面上的剪应力分布不均匀，在边缘发生应力集中； 在剪切过程中，土样剪切面积逐渐减少，而在计算抗剪强度时，却按土样的原面积计算。,一般情况下，快剪所得的 值最小，慢剪所得的 值最大，固结快剪居中。,4.3 抗剪强度指标确定,第4章土抗剪强度与地基承载力,4.3.2 三轴压缩试验,三轴剪切仪,由压力室、施加周围压力系统、轴向加压系统和孔隙水压力量测系统组成。目前较为先进的三轴剪切仪还配备有自动控制系统和数据自动采集系统,2.试验装置,
