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1、oA土的抗剪强度与地基承载力Stillwatersrundeep.流静水深流静水深,人静心深人静心深Wherethereislife,thereishope。有生命必有希望。有生命必有希望第一节土的抗剪强度与极限平衡条第一节土的抗剪强度与极限平衡条件件 一、土的抗剪强度一、土的抗剪强度 (一一)土的抗剪强度的概念土的抗剪强度的概念 土的强度，通常是指土的抗剪强度，而不是土的抗压强度土的强度，通常是指土的抗剪强度，而不是土的抗压强度或抗拉强度。这是因为地基受荷载作用后，土中各点同时产或抗拉强度。这是因为地基受荷载作用后，土中各点同时产生法向应力和剪应力，其中法向应力作用将对土体施加约束生法向应力
2、和剪应力，其中法向应力作用将对土体施加约束力，这是有利的因素力，这是有利的因素;而剪应力作用可使土体发生剪切，这是而剪应力作用可使土体发生剪切，这是不利的因素。若地基中某点的剪应力数值达到该点的抗剪强不利的因素。若地基中某点的剪应力数值达到该点的抗剪强度，则此点的土将沿着剪应力作用方向产生相对滑动，此时度，则此点的土将沿着剪应力作用方向产生相对滑动，此时称该点发生强度破坏。如果随着外荷不断增大，地基中达到称该点发生强度破坏。如果随着外荷不断增大，地基中达到强度破坏的点越来越多，即地基中的塑性变形区范围不断扩强度破坏的点越来越多，即地基中的塑性变形区范围不断扩大，最后形成连续的滑动面，则建筑物的
3、地基会失去整体稳大，最后形成连续的滑动面，则建筑物的地基会失去整体稳定而发生滑动破坏。定而发生滑动破坏。 土的抗剪强度是指在外力作用下，土体内部产生剪应力时，土的抗剪强度是指在外力作用下，土体内部产生剪应力时，土对剪切破坏的极限抵抗能力。土的抗剪强度主要应用于地土对剪切破坏的极限抵抗能力。土的抗剪强度主要应用于地基承载力的计算和地基稳定性分析、边坡稳定性分析、挡土基承载力的计算和地基稳定性分析、边坡稳定性分析、挡土墙及地下结构物上的土压力计算等。墙及地下结构物上的土压力计算等。下一页返回第一节土的抗剪强度与极限平衡条第一节土的抗剪强度与极限平衡条件件 砂土的抗剪强度主要取决于摩擦力。在土的湿度
4、不大时会出砂土的抗剪强度主要取决于摩擦力。在土的湿度不大时会出现一些毛细内聚力，但其值甚小，在一般计算中不予考虑。现一些毛细内聚力，但其值甚小，在一般计算中不予考虑。 黏性土的抗剪强度来源于内聚力与摩擦力。土的颗粒愈细，黏性土的抗剪强度来源于内聚力与摩擦力。土的颗粒愈细，塑性愈大，则内聚力所起的作用愈大。塑性愈大，则内聚力所起的作用愈大。 (二二)抗剪强度的库仑定律抗剪强度的库仑定律 土的抗剪强度与金属、混凝土等材料的抗剪强度不同，它土的抗剪强度与金属、混凝土等材料的抗剪强度不同，它不是定值，而是受许多因素的影响。即使同一种土，在不同不是定值，而是受许多因素的影响。即使同一种土，在不同条件下其
5、抗剪强度也不相同，它与剪损前土的密度、含水量、条件下其抗剪强度也不相同，它与剪损前土的密度、含水量、剪切方式、剪切时排水排气等条件有关。剪切方式、剪切时排水排气等条件有关。 为了研究土的抗剪强度，最简单的方法是将土样装在剪力为了研究土的抗剪强度，最简单的方法是将土样装在剪力匣中，如匣中，如图图4-1所示，在土样上施加一定的法向压力所示，在土样上施加一定的法向压力:，而后，而后再在下匣上施加剪力，再在下匣上施加剪力，T，使上下匣发生相对错动，把土样在，使上下匣发生相对错动，把土样在上下匣接触面处剪坏，从而测得土的抗剪强度上下匣接触面处剪坏，从而测得土的抗剪强度:r。取三个以。取三个以上土样，加上
6、不同的法向压力，分别测得相应的抗剪强度，上土样，加上不同的法向压力，分别测得相应的抗剪强度，并由此绘出抗剪强度曲线，如并由此绘出抗剪强度曲线，如图图4-2 (a)所示。所示。上一页 下一页返回第一节土的抗剪强度与极限平衡条第一节土的抗剪强度与极限平衡条件件试验证明，在法向压力变化范围不大时，抗剪强度与法向压试验证明，在法向压力变化范围不大时，抗剪强度与法向压力的关系近似为一条直线，这就是抗剪强度的库仑定律，如力的关系近似为一条直线，这就是抗剪强度的库仑定律，如图图4-2 (b)所示。所示。不论砂土或钻性土，抗剪强度与法向压力的关系都可用直线不论砂土或钻性土，抗剪强度与法向压力的关系都可用直线方
7、程式表示。方程式表示。对砂土对砂土: (4-1)对黏性土对黏性土 (4-2)式中式中: -土的抗剪强度土的抗剪强度(kPa) ; -作用于剪切面上的法向压力作用于剪切面上的法向压力(kPa) ; -土的内摩擦角土的内摩擦角(o); -土的黍占聚力土的黍占聚力(kPa)。 (三三)抗剪强度相关指标抗剪强度相关指标上一页 下一页返回第一节土的抗剪强度与极限平衡条第一节土的抗剪强度与极限平衡条件件 1.土的抗剪强度土的抗剪强度黏性土的抗剪强度指标变化范围颇大，诸如结构破坏、法向黏性土的抗剪强度指标变化范围颇大，诸如结构破坏、法向有效压力下的固结程度、剪切方式等因素对它们的影响要比有效压力下的固结程度
8、、剪切方式等因素对它们的影响要比对砂土大得多。黏性土内摩擦角对砂土大得多。黏性土内摩擦角 的变化范围大致为的变化范围大致为0o30o；黏聚力黏聚力c一般为一般为10100 kPa，有的坚硬钻土甚至更高。，有的坚硬钻土甚至更高。 砂土的内摩擦角一般随其粒度变细而逐渐降低。砾砂、粗砂土的内摩擦角一般随其粒度变细而逐渐降低。砾砂、粗砂、中砂的砂、中砂的 值约为值约为32o40o，细砂、粉砂的，细砂、粉砂的 值约为值约为28o36o。松散砂的。松散砂的 角与天然休止角角与天然休止角(也叫天然坡度角，也叫天然坡度角，即砂堆自然形成的最陡角度即砂堆自然形成的最陡角度)相近，密砂的相近，密砂的 角比天然休止
9、角角比天然休止角大。饱和砂土比同样密度的干砂大。饱和砂土比同样密度的干砂 值少值少1o20o 。 影响土的抗剪强度的因素很多，主要包括以下儿个方面影响土的抗剪强度的因素很多，主要包括以下儿个方面:土颗粒的矿物成分、形状及颗粒级配土颗粒的矿物成分、形状及颗粒级配;初始密度初始密度;含水量含水量;土的结构扰动情况土的结构扰动情况;有效应力有效应力;应力历史应力历史;试验条件。试验条件。 2.土的摩擦力土的摩擦力 上一页 下一页返回第一节土的抗剪强度与极限平衡条第一节土的抗剪强度与极限平衡条件件摩擦力中除包括颗粒与颗粒的表面摩擦之外，还包括颗粒间摩擦力中除包括颗粒与颗粒的表面摩擦之外，还包括颗粒间的
10、咬合力的咬合力(即联锁作用即联锁作用)。咬合力是指的当颗粒嵌人其他颗粒。咬合力是指的当颗粒嵌人其他颗粒之间，在产生相对滑动时，将嵌人的颗粒拨出所需的力。显之间，在产生相对滑动时，将嵌人的颗粒拨出所需的力。显然，密砂的咬合然，密砂的咬合(联锁联锁)作用要大于松砂，如作用要大于松砂，如图图4-3所示。所示。3.土的黏聚力土的黏聚力土的黏聚力包括原始黏聚力、加固黏聚力及毛细黏聚力三部土的黏聚力包括原始黏聚力、加固黏聚力及毛细黏聚力三部分。分。二、土的极限平衡条件二、土的极限平衡条件(一一)黏性土黏性土劲劲h土的抗剪强度曲线表达式为土的抗剪强度曲线表达式为: 。把曲线延。把曲线延伸并与伸并与 轴交于轴
11、交于O点，如点，如图图4-4所示，则所示，则当达到极限平衡状态时，从图当达到极限平衡状态时，从图4-4的儿何关系中可以得到的儿何关系中可以得到: (4-3)上一页 下一页返回第一节土的抗剪强度与极限平衡条第一节土的抗剪强度与极限平衡条件件通过三角函数关系的换算，上式变为通过三角函数关系的换算，上式变为: (4-4) (4-5)上式就是黏性土的极限平衡条件公式。上式就是黏性土的极限平衡条件公式。由图由图4-4可求出剪切破裂面的位置，即可求出剪切破裂面的位置，即 (4-6) (4-7)但在极限平衡状态时，通过土中一点可以出现不止一个，而但在极限平衡状态时，通过土中一点可以出现不止一个，而是一对滑动
12、面，如图是一对滑动面，如图4-4中中a及及a所示，这一对滑动面与最大所示，这一对滑动面与最大主应力主应力 的作用面成的作用面成 的交角，即与最小主应力作的交角，即与最小主应力作用面成用面成 的交角，而这一对滑动面之间的夹角在的交角，而这一对滑动面之间的夹角在 作作用方向上等于用方向上等于 。上一页 下一页返回第一节土的抗剪强度与极限平衡条第一节土的抗剪强度与极限平衡条件件 (二二)无钻性土无钻性土 在在图图4-5中，以应力圆表示砂土内某点的应力状态。直中，以应力圆表示砂土内某点的应力状态。直线线 表示土的抗剪强度。若该点处于极限平衡状表示土的抗剪强度。若该点处于极限平衡状态，则抗剪强度曲线必定
13、与应力圆相切，如态，则抗剪强度曲线必定与应力圆相切，如图图4-5中的圆中的圆2所所示。作用于滑动面上的法向应力示。作用于滑动面上的法向应力 与剪应力与剪应力 即为圆即为圆2上的上的点点a,若土中某点的应力圆不与该土的抗剪强度曲线相切，如若土中某点的应力圆不与该土的抗剪强度曲线相切，如图图4-5中圆中圆1所示，则说明此点的应力尚处于弹性平衡状态。所示，则说明此点的应力尚处于弹性平衡状态。若应力圆与抗剪强度曲线相割，如若应力圆与抗剪强度曲线相割，如图图4-5中圆中圆3所示，则从理所示，则从理论上讲该点早已破坏，实际上在这里已产生塑性流动和应力论上讲该点早已破坏，实际上在这里已产生塑性流动和应力重分
14、布。重分布。 土体处在极限平衡状态时，从土体处在极限平衡状态时，从图图4-5的几何关系中可以得到的几何关系中可以得到: (4-8)通过三角函数关系的换算，式通过三角函数关系的换算，式(4-8)还可写成还可写成:上一页 下一页返回第一节土的抗剪强度与极限平衡条第一节土的抗剪强度与极限平衡条件件 (4-9) (4-10)式式(4-8)和式和式(4-9)就是无黏性土的极限平衡条件。就是无黏性土的极限平衡条件。上一页 返回第二节土的抗剪强度试验方法第二节土的抗剪强度试验方法一、土的抗剪强度的测定一、土的抗剪强度的测定(一一)直接剪切试验直接剪切试验1.试验设备试验设备直剪试验仪如直剪试验仪如图图4-6
15、所示。试验盒分为上盒、下盒两部分，土所示。试验盒分为上盒、下盒两部分，土样夹在上、下两块透水石之间，上、下盒的界面处在样夹在上、下两块透水石之间，上、下盒的界面处在20 mm厚土样高度的中间，这就是固定的剪切破坏面。厚土样高度的中间，这就是固定的剪切破坏面。 2.试验过程试验过程 首先施加竖向压力，然后在仪器的一端施加剪力。在施加首先施加竖向压力，然后在仪器的一端施加剪力。在施加直剪力后，既有上下盒之间的错动直剪力后，既有上下盒之间的错动(相对位移，即剪切变形相对位移，即剪切变形)，又有上下盒的共同变形。测出钢环仪的径向变形不断增加，又有上下盒的共同变形。测出钢环仪的径向变形不断增加，当达到某
16、一数值当达到某一数值(即土的抗剪强度值即土的抗剪强度值)时，如果继续施力，就时，如果继续施力，就会出现力加不上去，量测变形的仪表指针出现倒退的情况，会出现力加不上去，量测变形的仪表指针出现倒退的情况，这就是破坏的开始，说明此时已超过厂土的抗剪强度。钢环这就是破坏的开始，说明此时已超过厂土的抗剪强度。钢环仪径向变形的最大值乘以钢环常数就是土的抗剪强度值。如仪径向变形的最大值乘以钢环常数就是土的抗剪强度值。如果继续施力，剪切变形会继续增加，果继续施力，剪切变形会继续增加，下一页返回第二节土的抗剪强度试验方法第二节土的抗剪强度试验方法量测变形的仪表指针虽然倒退，但不会退到零，基本稳定在量测变形的仪表
17、指针虽然倒退，但不会退到零，基本稳定在某一数值，这时钢环仪显示的变形值乘以钢环常数所得到的某一数值，这时钢环仪显示的变形值乘以钢环常数所得到的抗剪强度值称为残余抗剪强度。前面钢环仪径向变形的最大抗剪强度值称为残余抗剪强度。前面钢环仪径向变形的最大值乘以钢环常数所得土的抗剪强度称为峰值抗剪强度。值乘以钢环常数所得土的抗剪强度称为峰值抗剪强度。 3.试验特点试验特点 (1)直剪试验仪的优点是仪器构造简单、传力明确、操作方直剪试验仪的优点是仪器构造简单、传力明确、操作方便、试样薄、固结快、省时、仪器刚度大，不可能发生横向便、试样薄、固结快、省时、仪器刚度大，不可能发生横向变形，仅根据竖向变形量就可计
18、算试样体积的变化。这些变形，仅根据竖向变形量就可计算试样体积的变化。这些优点使直剪仪至今还被广泛应用。优点使直剪仪至今还被广泛应用。 (2)直剪试验仪的缺点是所受外力状态比较简单，试样内的直剪试验仪的缺点是所受外力状态比较简单，试样内的应力状态又比较复杂，应力、应变分布不均匀。剪切破坏面应力状态又比较复杂，应力、应变分布不均匀。剪切破坏面事先已确定，这不能真实反映实际的复杂情况。在试验直至事先已确定，这不能真实反映实际的复杂情况。在试验直至破坏的过程中，受剪切的实际面积在不断缩小，上下盒边缘破坏的过程中，受剪切的实际面积在不断缩小，上下盒边缘处的应力集中很明显，所以剪切面上的应力、应变很不均匀
19、处的应力集中很明显，所以剪切面上的应力、应变很不均匀又难测定。直剪仪有一个明显缺点就是不能控制排水条件，又难测定。直剪仪有一个明显缺点就是不能控制排水条件，不能测试试样中的孔隙水压力及其变化。不能测试试样中的孔隙水压力及其变化。上一页 下一页返回第二节土的抗剪强度试验方法第二节土的抗剪强度试验方法 (二二)三轴剪切试验三轴剪切试验 1.试验原理及设备组成试验原理及设备组成 三轴剪切仪也就是三轴压缩仪，试样破坏的本质是压一剪三轴剪切仪也就是三轴压缩仪，试样破坏的本质是压一剪型。土样是一个圆柱体，高型。土样是一个圆柱体，高75100 mm，直径为，直径为3850 mm，用橡皮薄膜套起来，置于压力室
20、中。土样三向受压，可以发用橡皮薄膜套起来，置于压力室中。土样三向受压，可以发生横向变形，通过液压加周围压力，通过杠杆系统加竖向压生横向变形，通过液压加周围压力，通过杠杆系统加竖向压力。当压力及其组合达到一定程度时，土样就会按规律产生力。当压力及其组合达到一定程度时，土样就会按规律产生一个斜向破裂面或沿弱面破裂。一个斜向破裂面或沿弱面破裂。 2.试验分类试验分类 三轴试验根据土样的排水条件可分为三轴试验根据土样的排水条件可分为: (1)不固结不排水试验。该试验简称为不固结不排水试验。该试验简称为UU试验，和直剪仪中试验，和直剪仪中的快剪相当。的快剪相当。UU试验的本质是自始至终关闭排水阀门，不能
21、试验的本质是自始至终关闭排水阀门，不能排水。因为不能排水，所以也不能固结。不能排水是问题的排水。因为不能排水，所以也不能固结。不能排水是问题的本质方面，因而，也简称不排水剪。也因为不能排水，自始本质方面，因而，也简称不排水剪。也因为不能排水，自始至终存在孔隙水压力，随着加荷增大，孔隙水压力越来越大，至终存在孔隙水压力，随着加荷增大，孔隙水压力越来越大，而有效应力是常量。而有效应力是常量。上一页 下一页返回第二节土的抗剪强度试验方法第二节土的抗剪强度试验方法 (2)固结不排水试验。该试验简称为固结不排水试验。该试验简称为CU试验，和直剪仪中的试验，和直剪仪中的固结快剪相当。固结快剪相当。CU试验
22、的前一阶段施加各向相等围压，打开试验的前一阶段施加各向相等围压，打开排水阀门，允许排水固结，直到固结完成。试验的后一阶段，排水阀门，允许排水固结，直到固结完成。试验的后一阶段，关闭排水阀门，施加竖向压力，在不排水条件和主应力差关闭排水阀门，施加竖向压力，在不排水条件和主应力差 作用下使土样剪坏。前一阶段没有孔隙水压力，后一阶段有作用下使土样剪坏。前一阶段没有孔隙水压力，后一阶段有孔隙水压力。孔隙水压力。 (3)固结排水试验。该试验简称为固结排水试验。该试验简称为CD试验，和直剪仪中的慢试验，和直剪仪中的慢剪相当。该试验自始至终开着排水阀门，允许排水，在施加剪相当。该试验自始至终开着排水阀门，允
23、许排水，在施加各向相等围压条件下实现排水固结，再在排水条件下施加竖各向相等围压条件下实现排水固结，再在排水条件下施加竖向压力直至土样剪切破坏。在试验过程中，因为能充分排水向压力直至土样剪切破坏。在试验过程中，因为能充分排水所以孔隙水压力为零。所以孔隙水压力为零。 (三三)现场剪切试验现场剪切试验 1.试验种类试验种类 现场剪切试验可分为现场剪切试验可分为:大面积直剪试验大面积直剪试验;水平推剪试验水平推剪试验;十字十字板剪切试验。板剪切试验。上一页 下一页返回第二节土的抗剪强度试验方法第二节土的抗剪强度试验方法 2.试验过程试验过程 十字板是横断面呈十字形、带刃口的金属板，高度为十字板是横断面
24、呈十字形、带刃口的金属板，高度为100120mm，转动直径为，转动直径为5075mm，板厚为，板厚为23 mm。试验。试验时先用钻机钻孔至试验土层以上时先用钻机钻孔至试验土层以上750 mm处，再下套管并用提处，再下套管并用提土器将套管底部的残土清除，或不用钻机，将套管直接压人土器将套管底部的残土清除，或不用钻机，将套管直接压人或打人到试验土层以上或打人到试验土层以上750 mm处，再清除套管内的土，然后处，再清除套管内的土，然后将十字板装在钻杆下端，穿过套管压人到试验土层中并尽量将十字板装在钻杆下端，穿过套管压人到试验土层中并尽量避免扰动。再通过地面上的扭力设备对钻杆施加扭矩，使已避免扰动。
25、再通过地面上的扭力设备对钻杆施加扭矩，使已压人试验土层中的十字板转动至土体被剪坏，切出一个圆柱压人试验土层中的十字板转动至土体被剪坏，切出一个圆柱状的破坏面状的破坏面(包括圆柱的侧面和顶、底面包括圆柱的侧面和顶、底面)。 3.试验成果试验成果 根据试验结果按下式计算十字板剪切试验得到的土的抗剪根据试验结果按下式计算十字板剪切试验得到的土的抗剪强度强度 值值: (4-11)上一页 下一页返回第二节土的抗剪强度试验方法第二节土的抗剪强度试验方法式中式中H、D一十字板的高度和转动直径一十字板的高度和转动直径(cm) ; M一剪切破坏时的扭力矩一剪切破坏时的扭力矩(kN.cm)。 二、抗剪强度指标测定
26、方法二、抗剪强度指标测定方法 (一一)总应力强度指标的侧定总应力强度指标的侧定 总应力法按排水条件的不同，在采用三轴压缩仪做试验时，总应力法按排水条件的不同，在采用三轴压缩仪做试验时，分为不排水剪、排水剪及固结不排水剪三种试验方法。当采分为不排水剪、排水剪及固结不排水剪三种试验方法。当采用直剪仪做试验时，与上述三种试验对应，分别称为快剪、用直剪仪做试验时，与上述三种试验对应，分别称为快剪、慢剪与固结快剪。慢剪与固结快剪。 (1)不排水剪不排水剪(快剪快剪)。试验时，无论在法向应力下还是在剪。试验时，无论在法向应力下还是在剪切过程中都不让土中的水排出，试验中土的含水量不变。切过程中都不让土中的水
27、排出，试验中土的含水量不变。 (2)排水剪排水剪(慢剪慢剪)。试验时，无论在法向应力作用下还是在。试验时，无论在法向应力作用下还是在整个剪切过程中都让土样排水，土样在应力变化过程中始终整个剪切过程中都让土样排水，土样在应力变化过程中始终处于孔隙水应力为零的完全固结状态。处于孔隙水应力为零的完全固结状态。 (3)固结不排水剪固结不排水剪(固结快剪固结快剪)。试验时，先让土样在法向应。试验时，先让土样在法向应力下完全固结，在剪切的全过程中则不让土样含水量变化。力下完全固结，在剪切的全过程中则不让土样含水量变化。上一页 下一页返回第二节土的抗剪强度试验方法第二节土的抗剪强度试验方法 总应力法的三种试
28、验结果是不一样的。一般慢剪所得的总应力法的三种试验结果是不一样的。一般慢剪所得的 值值最大，快剪所得的最大，快剪所得的 值最小，固结快剪居中。所得的值最小，固结快剪居中。所得的c值亦不值亦不相同，如相同，如图图4-7所示。在强度与稳定计算中究竟采用哪种方法所示。在强度与稳定计算中究竟采用哪种方法的抗剪强度指标值，应视工程实际情况而定。的抗剪强度指标值，应视工程实际情况而定。 快剪快剪(不排水剪不排水剪)的强度相当于土体受力后出现孔隙水应力且的强度相当于土体受力后出现孔隙水应力且丝毫没有消散时的强度。如地基是厚度很大的饱和钻土，预丝毫没有消散时的强度。如地基是厚度很大的饱和钻土，预计在加荷期间土
29、层来不及排水，往往施工期间就可能失去稳计在加荷期间土层来不及排水，往往施工期间就可能失去稳定，这时可采用快剪的强度指标校核施工期间的稳定。反之，定，这时可采用快剪的强度指标校核施工期间的稳定。反之，如建筑施工期长而透水性小的土层很薄，在加荷期间地基能如建筑施工期长而透水性小的土层很薄，在加荷期间地基能充分排水固结，则可采用慢剪的强度指标校核稳定。又如，充分排水固结，则可采用慢剪的强度指标校核稳定。又如，建筑物施工期内由结构自重产生的固结能基本完成，但后来建筑物施工期内由结构自重产生的固结能基本完成，但后来又有突加的使用荷载又有突加的使用荷载(如水池、水塔充水，谷仓、料仓装料等如水池、水塔充水，
30、谷仓、料仓装料等)，在新的应力情况下土层来不及排水，此类情况可采用固结，在新的应力情况下土层来不及排水，此类情况可采用固结快剪的强度指标校核稳定。一般情况下，地基在施工与使用快剪的强度指标校核稳定。一般情况下，地基在施工与使用阶段的固结程度往往不易准确估计，根据实践经验并考虑一阶段的固结程度往往不易准确估计，根据实践经验并考虑一定的安全度，实用上常采用固结快剪的强度指标来核算稳定。定的安全度，实用上常采用固结快剪的强度指标来核算稳定。上一页 下一页返回第二节土的抗剪强度试验方法第二节土的抗剪强度试验方法 总应力法由于运用方便，所以是日前用得最多的方法，但在总应力法由于运用方便，所以是日前用得最
31、多的方法，但在应用上还存在缺陷。首先它只能考虑三种特定的固结情况，应用上还存在缺陷。首先它只能考虑三种特定的固结情况，不能反映其他固结情况下的不能反映其他固结情况下的c、 值。实际上，地基受荷载值。实际上，地基受荷载作用后经历不同的固结度，即使在同一时刻，地基中不同位作用后经历不同的固结度，即使在同一时刻，地基中不同位置的土又处于不同的固结度，但总应力法对整个土层只采用置的土又处于不同的固结度，但总应力法对整个土层只采用相应于某一特定固结度的抗剪强度，与实际不符。其次，在相应于某一特定固结度的抗剪强度，与实际不符。其次，在地质条件稍复杂的情况下，哪怕是粗略地估计地基土的固结地质条件稍复杂的情况
32、下，哪怕是粗略地估计地基土的固结度也是困难的。这些都说明总应力法对地基实际情况的模拟度也是困难的。这些都说明总应力法对地基实际情况的模拟是很粗略的。因此，如果需要更精确地评定地基的强度与稳是很粗略的。因此，如果需要更精确地评定地基的强度与稳定，就应采用更完善的方法，如有效应力法。定，就应采用更完善的方法，如有效应力法。 (二二)有效应力强度指标的侧定有效应力强度指标的侧定 有效应力法中抗剪强度与有效应力的关系如有效应力法中抗剪强度与有效应力的关系如图图4-8所示。根所示。根据土样剪切试验的据土样剪切试验的 关系曲线，可求得有效应力的抗关系曲线，可求得有效应力的抗剪强度指标剪强度指标 、 。取得
33、。取得 、 后，校核地基强度与稳后，校核地基强度与稳定可按下述步骤进行定可按下述步骤进行:上一页 下一页返回第二节土的抗剪强度试验方法第二节土的抗剪强度试验方法 (1)求出欲验算阶段的地基应力分布。求出欲验算阶段的地基应力分布。 (2)按固结理论算出或根据现场实测资料得出所研究时刻地按固结理论算出或根据现场实测资料得出所研究时刻地基中孔隙水应力的分布，从而知道地基中有效应力的分布。基中孔隙水应力的分布，从而知道地基中有效应力的分布。 (3)根据根据 、 求出该阶段的地基极限承载力，并与外荷比求出该阶段的地基极限承载力，并与外荷比较，判断土的强度与稳定是否得到保证。较，判断土的强度与稳定是否得到
34、保证。 有效应力法在理论上比较严格，能比总应力法更好地反映抗有效应力法在理论上比较严格，能比总应力法更好地反映抗剪强度实质，能够检验土体处于部分固结情况下的稳定性。剪强度实质，能够检验土体处于部分固结情况下的稳定性。因此，工程中，特别是水利工程中有效应力法日益推广。应因此，工程中，特别是水利工程中有效应力法日益推广。应用有效应力法的关键在于求得孔隙水应力分布，但很多情况用有效应力法的关键在于求得孔隙水应力分布，但很多情况下得不到孔隙水应力分布的实用解答，往往会影响有效应力下得不到孔隙水应力分布的实用解答，往往会影响有效应力法的应用。法的应用。 (三三)各种剪切试验方法的适用范围各种剪切试验方法
35、的适用范围 各种剪切试验方法的适用范围如各种剪切试验方法的适用范围如图图4-9所示。所示。上一页 返回第三节不同排水条件下的剪切试验第三节不同排水条件下的剪切试验 一、固结不排水剪一、固结不排水剪 固结不排水剪习惯上称为固结快剪或固结不排水剪习惯上称为固结快剪或CU试验。饱和钻性土试验。饱和钻性土的固结不排水抗剪强度受应力历史的影响，如果土样在试验的固结不排水抗剪强度受应力历史的影响，如果土样在试验室所受到的各向等压固结压力室所受到的各向等压固结压力 小于土样曾经受到过的最大小于土样曾经受到过的最大固结压力固结压力pc，就是超固结，就是超固结;如果如果 ，就是正常固结。这，就是正常固结。这两种
36、不同的固结状态，抗剪强度性状是不同的，如两种不同的固结状态，抗剪强度性状是不同的，如图图4-10所所示。饱和钻性土在示。饱和钻性土在CU试验时，在各向等压固结压力试验时，在各向等压固结压力 作用作用下能够充分排水，实现固结，所以该阶段孔隙水压力为零。下能够充分排水，实现固结，所以该阶段孔隙水压力为零。在后半段，施加切应力在后半段，施加切应力 在不排水条件下使土样很快剪在不排水条件下使土样很快剪坏，此时因为不能排水，所以有孔隙水压力。由图坏，此时因为不能排水，所以有孔隙水压力。由图4-10可知，可知，正常固结正常固结(NC)土在剪切过程中产生剪缩并存在正的孔隙水压土在剪切过程中产生剪缩并存在正的
37、孔隙水压力，力， ，故有效应力圆在总应力圆的左侧，内摩擦角，故有效应力圆在总应力圆的左侧，内摩擦角增加而钻聚力降低。超固结增加而钻聚力降低。超固结(OC)土在剪切过程，刚开始也有土在剪切过程，刚开始也有一些剪缩并产生正的孔隙水压力，紧接着开始产生剪胀现象，一些剪缩并产生正的孔隙水压力，紧接着开始产生剪胀现象，土的超固比土的超固比(pc/p1，其中，其中pc、p1分别为历史上和当前的最大自分别为历史上和当前的最大自重压力重压力)越大，剪胀现象越显著，和剪胀相应的孔隙水压力越大，剪胀现象越显著，和剪胀相应的孔隙水压力为负值为负值(吸力吸力)， 。下一页返回第三节不同排水条件下的剪切试验第三节不同排
38、水条件下的剪切试验此时，有效应力圆在总应力圆的右侧，且抗剪强度包络线表此时，有效应力圆在总应力圆的右侧，且抗剪强度包络线表明，有效应力指标内摩擦角有所降低而钻聚力有所增加。明，有效应力指标内摩擦角有所降低而钻聚力有所增加。按总应力表示抗剪强度的方程为按总应力表示抗剪强度的方程为: (4-12)按有效应力表示抗剪强度的方程为按有效应力表示抗剪强度的方程为: (4-13) 二、固结排水剪二、固结排水剪 固结排水剪习惯上称为慢剪或固结排水剪习惯上称为慢剪或CD试验，也简称排水剪。整试验，也简称排水剪。整个试验过程能充分排水，所以孔隙水压力始终为零。总应力个试验过程能充分排水，所以孔隙水压力始终为零。
39、总应力最后全部转化为有效应力，总应力圆也是有效应力圆，二者最后全部转化为有效应力，总应力圆也是有效应力圆，二者的抗剪强度包络线相同。在剪切过程中，的抗剪强度包络线相同。在剪切过程中，NC土发生剪缩，土发生剪缩，OC土刚开始也产生剪缩，紧接着就产生剪胀，如土刚开始也产生剪缩，紧接着就产生剪胀，如图图4-11所示。所示。 试验表明，试验表明，CD试验试验NC土的抗剪强度包络线通过坐标原点即土的抗剪强度包络线通过坐标原点即cd=0，抗剪强度方程为，抗剪强度方程为: (4-14)上一页 下一页返回第三节不同排水条件下的剪切试验第三节不同排水条件下的剪切试验OC土的抗剪强度包络线近似为一条直线，抗剪强度
40、方程为土的抗剪强度包络线近似为一条直线，抗剪强度方程为: (4-15) 三、不固结不排水剪三、不固结不排水剪 不固结不排水剪试验习惯上称为快剪或不固结不排水剪试验习惯上称为快剪或UU试验。对于饱和试验。对于饱和钻性土，其钻性土，其UU试验用总应力法表示的抗剪强度包络线为一试验用总应力法表示的抗剪强度包络线为一条水平线。条水平线。 ，只有黏聚力，只有黏聚力c值存在，如值存在，如图图4-12所示，所示，总应力极限莫尔圆能够作多个，而有效应力圆只能作一个。总应力极限莫尔圆能够作多个，而有效应力圆只能作一个。变换变换 、 ，使土样达到临界破坏状态或极限平衡状态，就，使土样达到临界破坏状态或极限平衡状态
41、，就能作出多个总应力极限莫尔圆，作它们的公切线，就是抗剪能作出多个总应力极限莫尔圆，作它们的公切线，就是抗剪强度包络线。强度包络线。已们的公切线为一条水平线。此时的土样在已们的公切线为一条水平线。此时的土样在地质年代里，在一定的应力状态下，固结已完成，地质年代里，在一定的应力状态下，固结已完成，u=0,具有具有一定的有效应力。土样在进人试验室后，在一定的有效应力。土样在进人试验室后，在UU试验中固结试验中固结度不再变化，有效应力不再变化。按总应力法表示抗剪强度度不再变化，有效应力不再变化。按总应力法表示抗剪强度有有: (4-16)上一页 下一页返回第三节不同排水条件下的剪切试验第三节不同排水条
42、件下的剪切试验四、孔隙水压力计算公式四、孔隙水压力计算公式(1)毕肖普孔压计算公式毕肖普孔压计算公式: (4-17)(2)通常研究饱和土比较多，对于饱和土，通常研究饱和土比较多，对于饱和土，B=1. 0，所以在，所以在UU试验中试验中 (4-18)在在CU试验中，由于前阶段固结完成，试验中，由于前阶段固结完成， ，得，得: (4-19)式中式中A-孔压系数。斯肯普顿根据大量的三轴试验，给出孔压系数。斯肯普顿根据大量的三轴试验，给出A值值的经验系数，见的经验系数，见表表4-l。上一页 返回第四节地基的临塑荷载与临界荷载第四节地基的临塑荷载与临界荷载 一、地基的临塑荷载一、地基的临塑荷载 i陆塑荷
43、载是指理论上地基中刚开始出现剪切破坏陆塑荷载是指理论上地基中刚开始出现剪切破坏(塑性变塑性变形形)时基底单位面积上所承受的荷载。时基底单位面积上所承受的荷载。 在均布条形荷载作用下，土中任一点在均布条形荷载作用下，土中任一点M的应力来源于三方的应力来源于三方面面:基础底面的附加压力基础底面的附加压力p，基底以下土的自重压力，基底以下土的自重压力 ，基，基底处的边侧荷载底处的边侧荷载 ，如，如图图4-13所示所示(当基底以上与基底以下当基底以上与基底以下土的重度不同时，可分别代人不同值土的重度不同时，可分别代人不同值)。为了进一步简化，。为了进一步简化，假定土的侧压力系数假定土的侧压力系数K0=
44、1(实际实际K0=0. 350. 8 )。如此，土中。如此，土中任意点任意点M的最大和最小主应力应为的最大和最小主应力应为: (4-20) (4-21)下一页返回第四节地基的临塑荷载与临界荷载第四节地基的临塑荷载与临界荷载式中式中 -土的重度土的重度(kN/m3);d-基础埋深基础埋深(m);p-基底压力基底压力(kN/m2); -M点的视角点的视角(rad)。当当M点应力达到极限平衡时，应有点应力达到极限平衡时，应有: (4-22)将式将式(4-20)及式及式(4-21)代人式代人式(4-22)得得 (4-23)上式规定了处于极限平衡状态的点的坐标位置。上式规定了处于极限平衡状态的点的坐标位
45、置。 上一页 下一页返回第四节地基的临塑荷载与临界荷载第四节地基的临塑荷载与临界荷载按照定义，当临塑荷载作用时，塑性区刚刚出现，因此可认按照定义，当临塑荷载作用时，塑性区刚刚出现，因此可认为此时塑性区的最大深度为此时塑性区的最大深度zmax为零。由此即可求出临塑荷载的为零。由此即可求出临塑荷载的表达式。对式表达式。对式 (4-23)求导数，得求导数，得: (4-24)令令 ，则有：，则有： (4-25)故故 (4-26)将上式代人式将上式代人式(4-24)得得 (4-27)上一页 下一页返回第四节地基的临塑荷载与临界荷载第四节地基的临塑荷载与临界荷载当当zmax= 0时，则得临塑荷载时，则得临
46、塑荷载pcr的表达式如下的表达式如下: (4-28)式中式中 -基础埋置深度范围内土的平均重度，有地下水时取基础埋置深度范围内土的平均重度，有地下水时取浮重度浮重度(kN/m3)d-从地面起至基础底面处的基础埋置深度从地面起至基础底面处的基础埋置深度(m);c-基础底面以下土的钻聚力基础底面以下土的钻聚力(kN/m2); -基础底面以下土的内摩擦角基础底面以下土的内摩擦角(o);Nd，Nc承载力系数，由内摩擦角甲按下式求算或查承载力系数，由内摩擦角甲按下式求算或查 表表4-2确确定。定。上一页 下一页返回第四节地基的临塑荷载与临界荷载第四节地基的临塑荷载与临界荷载 (4-29) 二、地基的临界
47、荷载二、地基的临界荷载 若基底压力小于若基底压力小于pcr，地基中没有塑性区，这时，地基的安，地基中没有塑性区，这时，地基的安全度是足够的。实践证明，可以容许地基中有不大的塑性区，全度是足够的。实践证明，可以容许地基中有不大的塑性区，对于建筑物安全并无妨害。如果塑性区的最大深度对于建筑物安全并无妨害。如果塑性区的最大深度zmax达到达到基础宽度基础宽度b的的1/3或或1/4，这时的基底压力称为临界荷载，分别，这时的基底压力称为临界荷载，分别以以p1/3或或p1/4表示，地基的临界荷载可作为地基承载力的一种表示，地基的临界荷载可作为地基承载力的一种指标。指标。上一页 下一页返回第四节地基的临塑荷
48、载与临界荷载第四节地基的临塑荷载与临界荷载令令zmax=b/4，则很容易求得临界荷载，则很容易求得临界荷载p1/4 (4-30)在偏心荷载作用下，且当在偏心荷载作用下，且当 时，可令时，可令zmax=b/3，求得临，求得临界荷载界荷载p1/3作为偏心受压基石出的地基容许承载力作为偏心受压基石出的地基容许承载力: (4-31)上一页 下一页返回第四节地基的临塑荷载与临界荷载第四节地基的临塑荷载与临界荷载式中式中b-基础宽度，对矩形基础取短边长度，对圆形基础采基础宽度，对矩形基础取短边长度，对圆形基础采用用 ，F为圆形基础底面积为圆形基础底面积;N1/4、N1/3-承载力系数，由内摩擦角承载力系数
49、，由内摩擦角 按下式求算或查表按下式求算或查表4-2确定确定: (4-32)其余符号意义同前。其余符号意义同前。上一页 返回第五节地基的破坏形式第五节地基的破坏形式 试验研究表明，在荷载作用下，建筑物地基的破坏通常是由试验研究表明，在荷载作用下，建筑物地基的破坏通常是由于承载力不足而引起的剪切破坏。地基剪切破坏的形式可分于承载力不足而引起的剪切破坏。地基剪切破坏的形式可分为冲剪破坏、局部剪切破坏和整体剪切破坏三种，地基的不为冲剪破坏、局部剪切破坏和整体剪切破坏三种，地基的不同破坏形式如同破坏形式如图图4-14所示。所示。地基的破坏形式如地基的破坏形式如图图4-15所示。所示。压力压力-沉降关系
50、曲线如沉降关系曲线如图图4-16所示。所示。返回第六节深基础地基的极限承载力第六节深基础地基的极限承载力一、深基础地基的极限承载力计算一、深基础地基的极限承载力计算图图4-17 ( a)所示即为将浅基础下的地基破坏情况硬性地用于所示即为将浅基础下的地基破坏情况硬性地用于深基下的地基，滑动面形状与浅基础的一样。基础旁的土只深基下的地基，滑动面形状与浅基础的一样。基础旁的土只对地基土起上覆荷载的作用。这种假设与实际滑动面形状严对地基土起上覆荷载的作用。这种假设与实际滑动面形状严重不符，只是由于运算简单不需再引人新的概念，因使用方重不符，只是由于运算简单不需再引人新的概念，因使用方便而被应用，但求得
51、的地基极限荷载通常较小。便而被应用，但求得的地基极限荷载通常较小。 在基础相对埋深在基础相对埋深(d/b)较大时，塑性区逐渐向基底以上扩较大时，塑性区逐渐向基底以上扩展。展。图图4-18 ( a)相当于基础埋深为零相当于基础埋深为零(因上层土因上层土 ，只起荷载作用只起荷载作用)的情况，而图的情况，而图4-18 (b)则是有一定埋深时的情则是有一定埋深时的情况。当埋深很大时，则最后达到如图况。当埋深很大时，则最后达到如图4-17 ( b )所示的封闭梨所示的封闭梨形塑性区，这时形塑性区，这时 。 如图如图4-17(c)所示，在基础刺人土中时，基础下形成剪切区，所示，在基础刺人土中时，基础下形成
52、剪切区，基础旁的土则形成压密区。假定剪切区只发展到与水平成基础旁的土则形成压密区。假定剪切区只发展到与水平成45o角的界面角的界面ab处为止，处为止，ab线以上的土受到剪切区内的挤压，故线以上的土受到剪切区内的挤压，故为压密区。滑动面为压密区。滑动面bc由直线区段与对数螺旋线段所组成。图由直线区段与对数螺旋线段所组成。图中虚线以内的土的重量压在剪切区上，但应减去虑线所示的中虚线以内的土的重量压在剪切区上，但应减去虑线所示的界面上的摩擦力界面上的摩擦力 。下一页返回第六节深基础地基的极限承载力第六节深基础地基的极限承载力 图图4-17 (d)所示是由无限体中球形孔膨胀变形课题得来的理论所示是由无
53、限体中球形孔膨胀变形课题得来的理论图形。按塑性力学的理论，可得出两个临界应力值，如图形。按塑性力学的理论，可得出两个临界应力值，如图图4-19所示。所示。ps-在无限大的固体内有一个球形孔，孔内作用着临界压力在无限大的固体内有一个球形孔，孔内作用着临界压力ps、时，可使球形孔无限打时，可使球形孔无限打大大(点对称课题点对称课题);pc-在无限大的固体内有一圆柱形孔，在孔内作用着临界压在无限大的固体内有一圆柱形孔，在孔内作用着临界压力力pc时，可使圆柱孔无限扩大时，可使圆柱孔无限扩大(轴对称课题轴对称课题)。 可以论证可以论证ps仅稍大于仅稍大于pc，因此可取，因此可取ps或或pc两者中的任一个
54、作为两者中的任一个作为极限荷载极限荷载pu，并推广应用于，并推广应用于 的土中。的土中。深基础极限荷载公式一般可归纳为以下形式深基础极限荷载公式一般可归纳为以下形式: (4-33)式中式中q-基底或桩脚处的竖向有效应力基底或桩脚处的竖向有效应力(kN/m2);Nc、Nq-适用于条形基础的承载力系数适用于条形基础的承载力系数; -基础形状系数。基础形状系数。上一页 返回图图4-1剪切试验简图剪切试验简图返回图图4-2抗剪强度与法向压力的关系抗剪强度与法向压力的关系(a)砂土砂土;(b)黏性土黏性土返回图图4-3砂土颗粒间的联锁作用砂土颗粒间的联锁作用(a)密砂密砂;(b)松砂松砂返回图图4-4黏
55、性土中的极限平衡状态黏性土中的极限平衡状态返回图图4-5砂土中可能有的三种应力状态砂土中可能有的三种应力状态1未达到极限平衡未达到极限平衡(弹性平衡弹性平衡);2极限平衡状极限平衡状态态;3超过极限平衡超过极限平衡(理论上理论上)返回图图4-6应变式直剪仪应变式直剪仪1椎力椎力;2坚向变形量表坚向变形量表;3土样土样;4透水石透水石5上盒上盒;6下盒下盒;7钢环仪钢环仪;8径向变形量表径向变形量表返回图图4-7快剪、慢剪、固结快剪三种试快剪、慢剪、固结快剪三种试验结果比较验结果比较返回图图4-8抗剪强度与有效应力的关系抗剪强度与有效应力的关系返回图图4-9各种剪切试验方法的适用范围各种剪切试验
56、方法的适用范围返回图图4-10饱和黏性土的饱和黏性土的CU试验试验(a)主应力差主应力差 与轴向应变的关系与轴向应变的关系;(b)孔隙水压力与轴向应变的关系孔隙水压力与轴向应变的关系;(c)NC饱和黏性土饱和黏性土CU试验结果试验结果;(d) OC饱和黏性土饱和黏性土CU试验结果试验结果返回图图4-11 CD试验中应力试验中应力-应变关系和应变关系和体积变化体积变化返回图图4-12饱和黏土饱和黏土UU试验试验返回表表4-1 孔隙水压力参数孔隙水压力参数A(饱和土样饱和土样)返回图图4-13塑性区深度塑性区深度zmax与张角与张角 的的关系关系返回表表4-2系数系数N1/4、N1/3、Nd及及N
57、c的数值的数值返回图图4-14地基的不同破坏形式地基的不同破坏形式返回图图4-15地基的破坏形式地基的破坏形式(a)冲剪破坏冲剪破坏;(b)局部局部剪剪切破坏切破坏;(C)整体整体剪剪切破坏切破坏返回图图4-16压力压力-沉降关系曲线沉降关系曲线返回图图4-17深基础下地基破坏的各种理深基础下地基破坏的各种理论图形论图形(a)Terzaghi型型;(b)Meyerhoff型型;(c) BepeaHUCB型型;(d) Skempton型型返回图图4-18按按Meyerhoff假设假设.在基础在基础(或桩埋深不同时地基或桩埋深不同时地基)中的滑动面中的滑动面(a)相当相当d=0时时;(b) 时时返回图图4-19无限体中球形孔膨胀时的临无限体中球形孔膨胀时的临界压力界压力pc与与ps示竟图示竟图返回
