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1、- -课题:第三章土的抗剪强度与地基承载力一、 教学目的：1.熟悉土体抗剪强度的库仑定律；2.了解抗剪强度的测定方法；3.能够根据强度特性和地基破坏的特点进展地基承载力计算。二、教学重点：土体抗剪强度的库仑定律，地基承载力计算三、教学难点：地基承载力计算四、教学时数：6学时。五、习题：第三章土的抗剪强度与地基承载力一、概述1.地基强度的意义1土的抗剪强度：土的抗剪强度是指土体抵抗剪切破坏的极限能力，是土的重要力学性质之一。当土中某点剪应力到达其抗剪强度，在剪切面两侧的土体产生相对位移而产生滑动破坏，该破裂面也称滑动面、破坏面或滑裂面。2土的强度的应用1地基承载力与地基稳定性2土坡稳定性3挡土墙
2、及地下构造的土压力2.库伦公式库伦于1776年根据砂土剪切试验，提出如下砂土的抗剪强度公式：3.1式中破坏面上的剪应力；破坏面上的法向应力；土的内摩擦角。后来，根据公式又提出适合粘性土的抗剪强度公式：3.2式中土的粘聚力；图3.1 库仑定律3土体抗剪强度的组成及影响因素1组成粒状无粘性土的抗剪强度由粒间摩擦力组成，包括：1剪切面土粒间的滑动摩擦；2土粒间互相嵌入所产生的咬合摩擦。粘性土抗剪强度包括摩擦力和粘聚力两个局部组成，粘聚力由土粒间的胶结作用和电分子引力等因素组成。（1） 影响因素摩擦力：剪切面上的法向总应力、土的初始密度、土粒级配、土粒形状以及外表粗糙程度。粘聚力：土中矿物成分、粘粒含
3、量、含水量以及土的构造范德华力、库仑力、胶结作用。4.有效应力强度表达式按有效应力原理，土的抗剪强度并不简单地取决于剪切面上的总法向应力，而是取决于该面上的有效法向应力。3.33.45.土中一点的应力状态某点的应力状态，求过该点任意截面上的剪应力和法向应力。a (b) (c)图3.2土体中任意一点的应力在微元体上任取一截面,与大主应力面即水平面成角，斜面上作用法向应力和剪应力，在平面直角坐标系中，取向右向下为正，根据平衡条件：联立可求得任意截面上的法向应力和剪应力：3.53.6将上述方程消参可得3.7这样可作出摩尔应力圆，圆心坐标，0，半径。6.摩尔圆与强度线的关系及土体的状态1应力圆与强度线
4、相离：，弹性平衡状态；2应力圆与强度线相切：，极限平衡状态；3应力圆与强度线相割：，破坏状态； 7.摩尔库伦强度理论图3.3 应力圆与强度线的关系土的极限平衡状态：抗剪强度包线用库伦公式表示，摩尔应力圆与库伦强度线相切的应力状态作为土的极限平衡状态。是目前判别土体所处状态的常用理论之一。（1） 极限平衡状态在极限平衡状态下的摩尔应力圆如下列图，破裂面与最大主应力作用面的夹角根据几何条件：3.83.93.10图3.4土的极限平衡状态当土体为无粘性土时，土的粘聚力=0，此时：3.113.12（2） 破裂面位置确定由几何条件知，3.13由于最大剪应力作用面与大主应力作用面夹角为45。可得出如下结论：
5、1破裂面并不产生于最大剪应力作用面，而与最大剪应力面呈角，可知土的剪切破坏并不是由最大剪应力所控制。2破裂面是一对，在大主应力作用方向夹角为。二、 抗剪强度指标确实定土的抗剪强度是决定建筑物地基和土工建筑物稳定性的关键因素，因此正确测定土的抗剪强度指标十分重要。测定方法主要有室内试验直接剪切试验、三周压缩试验、无侧限抗压试验和室外试验十字板剪切试验。3.5 应变控制式直剪仪1.直接剪切试验应变控制式1试验仪器，如图3.52试验方法与步骤：3实验成果抗剪强度的选取：在法向应力作用下，得到剪应力与剪切位移的关系，根据曲线得到土的抗剪强度。如图，对于硬粘土和密砂，曲线出现峰值，随后强度随剪切位移增大
6、而减小，称为应变软图3.6剪应力与剪切位移的关系化特征，取峰值强度为抗剪强度；对于软粘土和松砂，不出现峰值，强度随剪切位移增大而增大，称为应变硬化特征，应按某一剪切位移一般4毫米作为控制破坏的标准。4试验结果整理对同一种土至少取4个试样，分别在不同垂直压力下剪切破坏，一般可取垂直压力为100、200图3.7直剪试验结果整理 300、400，得到相应的抗剪强度，绘制曲线，得到土的抗剪强度包线，拟合成直线后夹角为内摩擦角，截距为粘聚力,如图3.7。5直剪试验的优缺点优点：仪器构造简单，试样制备和安装方便，易于操作。缺点：1） 剪切过程中试样内的剪应变与剪应力分布不均匀；2） 剪切面人为限制在上下盒
7、接触面，而该水平面并非试样的抗剪最弱剪切面；3） 剪切过程中试样面积逐渐减小，但计算强度是却按受剪面积不变和剪应力均匀分布计算；4） 试验中不能严格控制排水条件，不能测量土样的孔隙水压力；5根据试样破坏时的法向应力和剪应力，虽可计算大小主应力，但中间主应力无法确定。2.三轴压缩试验应变控制式1实验仪器2试验方法与步骤3抗剪强度包线分别在不同的周围压力作用下进展剪切，得到34个不同的破坏应力圆，绘出各应力圆的公切线即为土的抗图3.8 莫尔破损应力圆包线剪强度包线。4三周压缩试验的优缺点优点：1） 试验中能严格控制试样排水条件，量测孔隙水压力，了解土中有效应力变化情况；2） 试样中的应力分布比较均
8、匀；3） 除抗剪强度指标外，还可测定土的灵敏度、侧压力系数、空压系数等力学指标。缺点：1） 试验仪器复杂，操作技术要求高，试样制备较复杂；2） 试验在的对称条件下进展，与土体实际受力情况可能不符。3.无侧限抗压强度试验1试验仪器2试验步骤3无侧限抗压强度一般粘性土，只能做出一个极限应力圆，无法做出强度包线。对于饱和软粘土，根据三轴不排水剪切实验成果，其强度包线近似于一水平线，即，因此无侧限抗压强度试验适用于测定饱和粘性土的不排水强度。图3.9 无侧限抗压强度3.14无侧限抗压强度试验仪器构造简单，操作方便，可代替三轴试验测定饱和软粘土的不排水强度。5灵敏度原状试样的无侧限抗压强度与原土构造完全
9、破坏的重塑试样的无侧限抗压强度的比值，称为灵敏度。灵敏度反映土的构造受扰动对强度的影响程度3.15根据灵敏度将饱和粘性土分类：低灵敏度：中灵敏度：高灵敏度：4.十字板剪切试验1适用条件适用于现场测定饱和粘性土的不排水强度，尤其适用于均匀的饱和软粘土。2实验步骤：3抗剪强度： (3.16)相当于不排水剪切试验，所以3.17三、地基破坏形式及地基承载力1.概述1地基强度的意义地基变形的三个阶段：1） 压密阶段：线弹性阶段，p-s曲线线性分布。2） 局部剪切破坏阶段：出现塑性变形区。3） 滑动破坏阶段：塑性变形区扩展，连成一个整体滑动面。建筑地基满足条件：1地基变形条件：沉降量、沉降差、倾斜不超过标
10、准允许值。2地基强度条件：不发生剪切或滑动破坏。2地基破坏形式1整体剪切破坏形成连续的滑裂面，根底急剧下沉或向一侧倾斜，根底四周底面隆起；一般发生在严密的砂土、硬粘性土地基中，埋深不大。2冲切破坏地基不出现连续破裂面，根底四周无隆起，常发生在松砂及软土中，或埋深很大时。3局部剪切破坏地基出现连续滑裂面但没有延伸至地面，根底四周稍有隆起，出现在中密砂土地基。2.地基承载力地基承载力是指地基承受荷载的能力。1地基的临塑荷载1定义临塑荷载是指地基土中将要而尚未出现塑性区变形时的基底压力。2计算公式 (3.18)式中地基的临塑荷载；根底埋深范围内土的重度；根底埋深；根底底面下土的粘聚力；根底底面下土的
11、内摩擦角；，承载力系数，查表或按下式计算：3.193.20结论：n 抗剪强度指标越大，临塑荷载越大；n 埋深越大，临塑荷载越大；n 临塑荷载与根底宽度无关。2地基的临界荷载1定义与地基塑性变形区最大深度中心荷载，偏心荷载相对应的基底压力称为临界荷载。2计算公式中心荷载3.21式中根底宽度；原型根底采用为根底底面积；承载力系数，查表或按下式计算：3.22偏心荷载3.23式中承载力系数，查表或按下式计算：3.24结论：n 抗剪强度指标越大，界限荷载越大；n 埋深越大，界限荷载越大；n 临塑荷载随根底宽度增大而增大；n 临界荷载与临塑荷载都可以作为地基承载力来进展设计，对于矩形和圆形根底，其结果偏于
12、平安。四、地基的极限荷载1.定义：地基在外荷作用下产生的应力到达极限平衡时的荷载。2.极限荷载计算公式(1)一般计算公式3.25式中地基的临塑荷载；根底底面以下地基土的重度；根底底面下土的粘聚力；根底的旁侧荷载，其值为根底埋深范围内土的自重压力；承载力系数，。2太沙基公式1根本假定：l 条形根底，均布荷载作用；l 地基发生滑动时，滑动面的形状，两端为直线，中间为曲线，左右对称；l 滑动土体分为三区：如图3） 条形根底较密实地基 (3.26)式中的承载力系数查图或按下式计算：4） 条形根底松软地基太沙基将此类情况看做局部减损，调整抗剪强度指标，将指标折减到原来的2/3，即带入上式得 图3.10太
13、沙基公式地基滑动面3.27 承载力系数可计算或查图。 4方形根底太沙基对公式中数字做适当修改后的如下公式：3.283.11太沙基公式的承载力系数式中方形根底的边长。 5圆形根底3.29式中圆形根底的直径。 6地基承载力3.30式中地基承载力平安系数，。4斯凯普顿公式1适用条件l 饱和软土地基，内摩擦角为0；l 浅根底：；l 矩形根底。2） 公式3.31式中根底埋深范围内的天然重度；地基土的粘聚力，取根底地面以下深度范围内的平均值； 3地基承载力：，式中地基承载力平安系数。5汉森公式1假定适用条件：均质地基、基底光滑、可考虑根底形状、倾斜荷载、根底埋深、地面倾斜、基底倾斜。2公式3.32式中地基极限荷载的竖向分力；根底底面以下持力层土的重度；基底平面处的旁侧荷载；承载力系数，查表求得；根底形状系数，按下式计算，对于条形根底：3
