土抗剪強度和地基承載力

1、關于土的抗剪強度與地基承載力第1頁，共52頁，2022年，5月20日，8點1分，星期四 大量土體破壞實例和實驗表明，存在著大量的剪切破壞。例如：土坡滑動；擋土墻后填土滑移；地基失穩(wěn) 土體在自重與外力作用下，內部產生了剪應力。土體中的一點，通過該點的某一面上的剪應力與該面上的抵抗能力即抗剪強度存在三種情況:第2頁，共52頁，2022年，5月20日，8點1分，星期四第3頁，共52頁，2022年，5月20日，8點1分，星期四是判斷土體產生剪切破壞的臨界標志，隨著剪應力的增大，出現剪裂面，最后形成一個連續(xù)滑動面，土體強產生整體剪切破壞。 第4頁，共52頁，2022年，5月20日，8點1分，星期四 因此

2、，在研究土的抗剪強度時，必須注重兩個基本問題：土的應力狀態(tài)及發(fā)生剪切破壞時的極限平衡條件；土的抗剪強度的基本規(guī)律及其影響因素。二、土的抗剪強度定律庫侖定律 土是由土粒、水、氣組成的碎散性材料，土粒間的連接強度遠低于顆粒本身的強度，由此，土的剪切破壞必然發(fā)生在粒間。（見圖）因此在剪切面上構成土的抗剪強度的主要因素是土粒間的表面摩擦力和粘聚粒。土的抗剪強度可通過剪切試驗測定（見圖）第5頁，共52頁，2022年，5月20日，8點1分，星期四QQ剪切面示意圖（1）第6頁，共52頁，2022年，5月20日，8點1分，星期四PPQQ 剪切面示意圖（2）第7頁，共52頁，2022年，5月20日，8點1分，星

3、期四 上式為1776年庫侖（法國科學家C.A.Coulomb）總結出的土的抗剪強度規(guī)律。由兩部分組成，在應力變化范圍不大時，抗剪強度為一直線。稱土的抗剪強度指標。第8頁，共52頁，2022年，5月20日，8點1分，星期四第9頁，共52頁，2022年，5月20日，8點1分，星期四三、土的抗剪強度機理與影響因素庫侖抗剪強度公式由摩擦強度及松散強度1、摩擦強度 摩擦強度決定于剪切面上的正應力和土的內摩擦角。土體中顆粒之間相對移動，其物理性質過程包括兩部分：顆粒之間滑動時產生的滑動摩擦；顆粒之間脫離咬合狀態(tài)而移動時產生的咬合摩擦。 滑動摩擦是由于顆粒接觸面粗糙不平所引起，與顆粒形狀、礦物組成、級配等因

4、素。第10頁，共52頁，2022年，5月20日，8點1分，星期四 見圖，以石英為例，隨顆粒徑增大，滑動摩擦角減小。 咬合摩擦是指相鄰顆粒對于相對移動的約束作用。 剪切面產生剪切破壞時，原來的咬合狀態(tài)被破壞，產生“剪脹”現象，剪脹要消耗能量，表現為內摩擦角增大。土愈密，磨圓度愈小，咬合作用愈強，則內摩擦角愈大。 綜合以上分析，認為影響粗粒土內摩擦角的主要因素是：密度粒徑級配顆粒形狀礦物成分 細粒土的摩擦強度要比粗粒土復雜，除上述影響因素外，還要受物化作用產生的吸引力影響。第11頁，共52頁，2022年，5月20日，8點1分，星期四30。20。0.02 0.06 0.2 0.6 2顆粒直徑 (mm

5、)第12頁，共52頁，2022年，5月20日，8點1分，星期四A CB剪切面 土內剪切面A第13頁，共52頁，2022年，5月20日，8點1分，星期四2、粘聚強度 細粒土的粘聚力c取決于土粒間的各種物理化學作用力，包括庫侖力（靜電力），范德華力，膠結作用力等。 蘇聯學者把粘聚力區(qū)分為兩部分：原始粘聚力和固化作粘聚力。 原始粘聚力來源于顆粒間的靜電力和范德華力。顆粒間距離愈近，密度愈大，原始粘聚力就愈大。固化粘聚力決定于存在于顆粒之間的膠結物質的膠結作用。如：土中游離氯化物、鐵鹽、碳酸鹽和有機質等。固化粘聚力除了與膠結物質的強度有關外，還隨時間的推移而強化.四、抗剪強度測定方法第14頁，共52頁

6、，2022年，5月20日，8點1分，星期四32土的極限平衡條件與破壞理論 當土體的剪應力等于土的抗剪強度時的臨界狀態(tài)稱為極限平衡狀態(tài)。一、土中一點的應力狀態(tài)土體中任一點的應力第15頁，共52頁，2022年，5月20日，8點1分，星期四第16頁，共52頁，2022年，5月20日，8點1分，星期四根據靜力平衡條件：第17頁，共52頁，2022年，5月20日，8點1分，星期四 當截面與最大主應面夾角 變化時，相應的 與z都相應變化。用摩爾應力圓來表示。 已知M點的最大與最小主應力，可以求出任一平面上的正應力和剪應力。證明公式：第18頁，共52頁，2022年，5月20日，8點1分，星期四第19頁，共5

7、2頁，2022年，5月20日，8點1分，星期四二、土中一點應力的極限平衡條件 土中一點某一平面的剪應力等于該平面土的抗剪強度，稱該點處于應力極限平衡狀態(tài)，所繪出的圓為破壞應力圓。將該土不同應力狀態(tài)的破壞應力圓同時繪在一坐標圖上，并繪出應力圓的包線，這條包線為土的抗剪強度線，即庫侖強度線。由于該抗剪強度線與破壞應力圓相切，稱為土的應力極限平衡條件，也稱摩爾庫侖破壞準則。 第20頁，共52頁，2022年，5月20日，8點1分，星期四T1T2T3C第21頁，共52頁，2022年，5月20日，8點1分，星期四1、無粘性土的極限平衡條件 根據應力圓說明一點的三種應力狀態(tài)（見圖）。 取極限平衡狀態(tài)，根據圖

8、中的幾何關系，求無粘性土的極限平衡條件：第22頁，共52頁，2022年，5月20日，8點1分，星期四 無粘性土一點應力的三種狀態(tài) O1 O2 O30 第23頁，共52頁，2022年，5月20日，8點1分，星期四2、粘性土的極限平衡條件 粘性土一點極限平衡條件的推導原理與無粘性土相同，其區(qū)別僅在于抗剪強度曲線不同， 根據幾何關系可得: 第24頁，共52頁，2022年，5月20日，8點1分，星期四 O1Ao o 第25頁，共52頁，2022年，5月20日，8點1分，星期四土的應力極限平衡條件是土強度理論基礎。可以判斷土中任一點應力是否達到破壞狀態(tài)；計算破壞狀態(tài)下剪裂面的方位與應力值；如果能實測出破

9、壞狀態(tài)的應力，可求得土的抗剪強度指標。第26頁，共52頁，2022年，5月20日，8點1分，星期四33土的抗剪強度指標測定 土的抗剪強度指標c，值通常通過室內直剪試驗，三軸剪切試驗，無側限抗壓強度試驗測定的。為反映土的實際狀態(tài)，采用原位測試，如：原位剪切試驗，十字板剪切試驗等。第27頁，共52頁，2022年，5月20日，8點1分，星期四1、土的直剪試驗快剪法（不排水剪）最小固結快剪（固結不排水剪）中等慢剪（排水剪）最大直剪的優(yōu)點：設備簡單，方法易操作，只有垂向變形；缺點：主應力發(fā)生偏轉剪應力分布不均不能控制排水第28頁，共52頁，2022年，5月20日，8點1分，星期四2、土的三軸剪切試驗 應

10、用于重大工程，符合實際。3、無側限抗壓強度試驗4、十字板剪切試驗 原位測試儀器，測定軟弱（飽和）粘性土。第29頁，共52頁，2022年，5月20日，8點1分，星期四例題1：一組直剪試驗法向應力100200300400（KPa）抗剪強度67119161215（KPa）求：土的抗剪強度指標：c，。若土中某平面上的正應力和剪應力分別為220PKa和100PKa，是否發(fā)生剪切破壞。第30頁，共52頁，2022年，5月20日，8點1分，星期四第31頁，共52頁，2022年，5月20日，8點1分，星期四公式證明：第32頁，共52頁，2022年，5月20日，8點1分，星期四第33頁，共52頁，2022年，5

11、月20日，8點1分，星期四公式證明：第34頁，共52頁，2022年，5月20日，8點1分，星期四第35頁，共52頁，2022年，5月20日，8點1分，星期四 例題2：土中某點最大主應力 ，最小主應力為 ，求最大剪應力及方向，并計算與最大主應面成 的面上正應力和剪應力。解：畫摩爾圖第36頁，共52頁，2022年，5月20日，8點1分，星期四第37頁，共52頁，2022年，5月20日，8點1分，星期四第38頁，共52頁，2022年，5月20日，8點1分，星期四例題3：已知：土中某點的應力處于極限平衡狀態(tài)最小主應力 ，作用面的法向為水平方向，土的抗剪強度指標 試求：該點最大主應力 的大小和方向該點最

12、大剪應力 與作用面的方向該點剪切破壞面上的正應力與剪應力，作用面方向說明最大剪應力面不是剪切破壞面。第39頁，共52頁，2022年，5月20日，8點1分，星期四0 OTCDF第40頁，共52頁，2022年，5月20日，8點1分，星期四解:根據極限平衡條件求最大主應力第41頁，共52頁，2022年，5月20日，8點1分，星期四最大剪應力相應于應力圓的D點 作用面與最大主應面狀態(tài)與抗剪強度切點的坐標（ ） 第42頁，共52頁，2022年，5月20日，8點1分，星期四第43頁，共52頁，2022年，5月20日，8點1分，星期四 第44頁，共52頁，2022年，5月20日，8點1分，星期四土的剪切破壞

13、造成地基滑動實例：1、美國紐約水泥倉庫 地基土為粘土上部結構為筒形，直徑d=13mm，整塊板式基礎埋深2.8m。1940年因地基發(fā)生滑動發(fā)生傾倒，地基土被擠出地面，高達5.18m，離倉庫23m以外的辦公樓受地基滑動影響，發(fā)生傾斜。第45頁，共52頁，2022年，5月20日，8點1分，星期四第46頁，共52頁，2022年，5月20日，8點1分，星期四2、北京昆侖飯店基槽邊坡滑動 1983年7月1日，昆侖飯店施工基槽北坡發(fā)生滑坡，滑坡體長10m，寬3.5m，高7.0m。 昆侖飯店主樓29層，高102m，基坑開挖長190m，寬79m，深12m。 事故原因：排水井中的水滲透到周圍土中，使土的抗剪強度降低，導致邊坡失穩(wěn)，造成滑坡事故。第47頁，共52頁，2022年，5月20日，8點1分，星期四3、倫敦鐵路擋土墻滑動 重力式擋土墻高9.5m，最大厚4.6m，建成使用正常，13年后發(fā)生向前移動，水平距6.1m，將三根鐵軌推走，造成交通中斷。 由于長期荷載作用，粘聚力降低，產生滑動。第48頁，共52頁，2022年，5月20日，8點1分，星期四第49頁，共52頁，2022年，5月20日，8點1分，星期四本章應知應會應知基本概念： 土中一點應力狀態(tài)、土的極限平衡條件、土的抗剪