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土的抗剪强度与地基承载力

第9章

第9章土的抗剪强度与地基承载力

9.1.1土的抗剪强度的基本定律

9.1.2直接剪切试验的三种方法

1.快剪试验

2.固结快剪试验

3.慢剪试验

作业及思考题：

1.为什么直接剪切试验要分慢剪、快剪、固结快剪？

如何选用合理的抗剪强度指标以满足工程设计需要？

2.土的抗剪强度的基本定律？

3．什么情况下采用慢剪试验？

土的抗剪强度：

指土体对于外荷载所产生的剪应力的极限抵抗能力，是土的主要力学性质之一。

与土的抗剪强度有关的工程问题，主要有以下三类：

（1）土质边坡；

（2）土压力问题；

（3）建筑物地基的承载力问题。

抗剪强度线的表达式为

砂土

粘性土

c、ф称为抗剪强度指标或抗剪强度参数，砂土的抗剪强度是由内摩阻力构成，而粘性土的抗剪强度则由内摩阻力和粘聚力两个部分所构成。

考虑到固结程度和排水条件对土体抗剪强度的影响，使室内试验条件更符合土体的实际受力情况，一般将直剪试验分为快剪、固结快剪和慢剪三种。

适用于渗透系数小于10-6cm/s的细粒土。

该实验所的强度指标为快剪强度指标。

当地基土透水性较差、排水不良，工程施工进度又快，土体未固结时承受荷载，可采用此法。

该实验所的强度指标为固结快剪强度指标。

当建筑物在施工期间后以后，地基已充分固结，但完工后可能突然增加荷载作用时，可采用此法。

该实验所得的强度指标称为慢剪强度指标。

当地基土排水条件较好，地基已在较短时间内固结，且施工进度慢，可采用此法。

9.2土的极限平衡条件与三轴压缩试验

9.2土的极限平衡条件与三轴压缩试验

9.2.1土的极限平衡条件

1.地基中任意平面上mn的应力状态

2.抗剪强度包线与摩尔应力圆的关系

9.2.2三轴压缩试验

1.三轴压缩试验的基本原理和试验装置

2.三轴压缩试验步骤

1.某土样c＝0，φ＝30°

如果该土受到最小主应力σ3＝150kPa,最大主应力

σ1=200kPa，问该土样是否破坏？

2.一土样经三轴剪切试验，结果σ1为166.6，264.6，352.8，411.6kPa,σ3为0，48.0，83.1，122.5kPa，试绘应力圆，并求φ、c值。

9.2.1土的极限平衡条件

如图9-1所示，在直角坐标σ-τ中，按一定比例尺沿σ轴截取OB和OC分别表示σ3和σ1，以D

为圆心，以

为半径做一圆，从DC开始逆时针旋转

，使DA与圆交于A点，根据几何条件得A点坐标：

图9－1摩尔应力圆

因此可以证明A点的横坐标为斜面上的法向正应力，纵坐标为剪应力。

这样摩尔应力圆就可以表示土体中一点的应力状态，摩尔圆圆周上各点的坐标就表示该点在相应平面上的正应力和剪应力。

1.地基中任意平面上mn的应力状态

在地基中取任意平面，此平面上作用着总应力

，此总应力可分解为两个分力：

垂直于面的法向应力

和平行于面的剪应力τ。

现将作用在平面上的剪应力τ，与地基的抗剪强度进行比较：

当τ<

τf时，平面为稳定状态，即弹性平衡状态；

τ>

τf时，平面发生剪切破坏；

τ=τf时，平面处于极限平衡状态。

2.抗剪强度包线与摩尔应力圆的关系

为了建立土体中一点的极限平衡条件，可将抗剪强度包线和摩尔应力圆绘制在同一坐标上，如图9-2所示。

它们之间的关系有以下三中情况：

图9-2抗剪强度包线与摩尔应力圆的关系

（1）整个摩尔应力圆位于抗剪强度包线的下方（圆Ⅰ），说明通过该点的任意平面上的剪应力都小于土的抗剪强度，因此该点不会发生剪切破坏；

（2）摩尔应力圆和抗剪强度包线相交（圆Ⅲ），表明该点某些平面上的剪应力已经超过了土的抗剪强度，实际表明该应力圆所代表的应力状态是不存在的；

（3）摩尔应力圆与抗剪强度包线相切（圆Ⅱ），切点为A，说明在A点所代表的平面上，剪应力刚好等于土的抗剪强度，即该点处于极限平衡状态，圆Ⅱ称为极限摩尔应力圆。

根据极限摩尔应力圆与抗剪强度包线之间的几何关系，就可建立土的极限平衡条件。

9.2.2三轴压缩试验

土的抗剪强度试验有很多种方法，目前室内最常用的是直接剪切试验和三轴压缩试验。

三轴压缩试验也称为三轴剪切试验，是测定抗剪强度的一种较为完善的方法。

1．三轴压缩试验的基本原理和试验装置

三轴压缩试验直接量测的是试样在不同恒定周围压力下的抗压强度，然后利用摩尔－库仑准则间接推求土的抗剪强度。

三轴是指一个竖向和两个侧向而言，由于压力室和试样均为圆柱形，因此，两个侧向（或称周围）的应力相等并为小主应力σ3，而竖向（或轴向）的应力为大主应力σ1。

在增加σ1时保持σ3不变，这样条件下的试验称为常规三轴压缩试验。

三轴压缩试验所使用的仪器是三轴压缩仪（也称三轴剪切仪），其主要由三个部分所组成：

主机、稳压调压系统以及量测系统。

各系统之间用管路和各种阀门开关连接。

主机部分包括压力室、轴向加荷系统等。

2．三轴压缩试验步骤

常规三轴试验的一般步骤：

将土样切制成圆柱体套在橡胶膜内，放在密闭的压力室中。

然后向压力室内注入气压或液压，使试件在各向均受到周围压力σ3，并使该周围压力在整个试验过程中保持不变。

这时试件内各向的主应力都相等，因此在试件内不产生任何剪应力。

然后通过轴向加荷系统即活塞杆对试样加竖向压力，随着竖向压力逐渐增大，试样最终将因受剪而破坏。

设剪切破坏时轴向加荷系统加在试样上的竖向压应力（称为偏应力）为△

，则试样上的大主应力为

=

+△

，而小主应力为

，据此可作出一个极限应力圆。

用同一种土样的若干个试件（一般3～4个）分别在不同的周围压力

下进行试验，可得一组极限应力圆。

作出这些极限应力圆的公切线，即为该土样的抗剪强度包络线，由此便可求得土样的抗剪强度指标c,

值。

（a）试样围压；

（b）破坏时试样主应力；

（c）应力圆与强度包线

图9-3三轴试验基本原理

9.3地基承载力

了解地基破坏的形式，地基承载力的确定方法；

掌握地基整体剪切破坏的三个变形阶段。

地基整体剪切破坏的三个变形阶段和地基承载力的确定方法。

9.3.1地基的变形与破坏形式

1.地基变形的三个阶段

2.地基破坏的模式

（1）整体剪切破坏的特征

（2）冲切剪切破坏的特征

（3）局部剪切破坏的特征

9.3.2确定地基承载力的方法

1.什么叫地基承载力？

确定地基承载力的方法有哪些？

　　2.影响地基承载力的因素有哪些？

3.地基剪切破坏的形式有几种？

其主要特征是什么？

9.3.1地基的变形与破坏形式

1.地基变形的三个阶段:

（1）直线变形阶段

（1）（压密阶段）

p-s曲线接近于直线，处于弹性平衡状态。

p-s曲线上的oa段。

通常将p-s曲线上相应于a点的荷载称为临塑荷载（比例界限荷载）Pcr。

（2）局部剪切阶段（塑性变形阶段）p-s曲线已不再保持线性关系，塑性区。

b点对应的荷载称为极限荷载pu

（3）破坏阶段

当荷载超过极限荷载后，土中形成连续滑动面，土从载荷板四周挤出隆起，地基发生整体剪切破坏，p-s曲线上的bc段。

2.地基破坏的模式

地基在荷载作用下，由于承载能力不足会引起破坏，而这种破坏通常是由于基础下持力层土体的剪应力达到或超过了土的抗剪强度，出现了剪切破坏所造成的，这种剪切破坏的形式可分为：

整体剪切破坏、局部剪切破坏和刺人剪切破坏3种。

整体剪切破坏的特征是：

当基础荷载较小时，基底压力p与基础沉降s基本上是直线关系。

当荷载增加到某一值（临塑荷载）时，在基础边缘处的土最先产生塑性剪切破坏，随着基础荷载的增加，塑性剪切破坏区域逐步扩大，基底压力p与基础沉降s不再呈直线关系，表现为曲线关系。

（2）冲切剪切破坏的特征

刺入剪切破坏常发生在基础埋深相对较大的软弱地基中，如松砂和软土地基，其破坏特征是：

随着荷载的增加，基础下土层发生压缩变形，基础随之下沉，当荷载继续增加，基础之下的软弱土沿基础周边发生竖向剪切破坏，使基础刺入土中，就像利器刺入其他物体一样，表面不仅没有隆起现象，还有稍微的凹陷，故称为刺入剪切破坏，又称为冲切破坏。

破坏时，地基中不出现明显的滑动面和较大的建筑物倾斜。

局部剪切破坏的特征是：

随着荷载的增加，塑性剪切破坏区首先从基础边缘处开始，但塑性区的发展局限在地基某一范围内，土中滑动面没有延伸到地面，基础四周地面微微隆起，建筑物没有明显的倾斜或倒塌，破坏的特征介于整体剪切破坏和刺人剪切破坏之间，基底压力与基础沉降关系曲线p-s从开始就呈非线性关系。

9.3.2确定地基承载力的方法

地基承载力的确定在浅基础设计中是一项非常重要而又十分复杂的问题。

影响地基承载力的因素很多，诸如土的物理、力学性质指标，基础形式、基础埋置深度与基础底面尺寸，建筑物的类型、结构特点和施工速率等，要精确的确定地基承载力是比较困难的。

合理的确定地基承载力既能保证建筑物的安全和正常使用，又能达到降低工程造价的目的。

确定地基承载力常用的方法有以下几种：

（1）按现场静载荷试验方法确定；

（2）按其它原位测试结果确定，如静力触探、标准贯入试验、旁压试验等；

（3）按土的抗剪强度指标利用理论公式计算确定；

（4）按当地建筑经验方法确定；