注巖土力學講義土的抗剪強度[詳細]

1、 第五節(jié) 地基承載力一、地基剪切破壞模式(一)地基剪切破壞的 三種模式地基的 剪切破壞模式主要有三種:整體剪切破壞、刺入剪切破壞和局部剪切破壞.(1)整體剪切破壞.有輪廓分明的 從地基到地面的 連續(xù)剪切滑動面,鄰近基礎的 土體有明顯的 隆起,可使上部結構隨基礎發(fā)生突然傾斜,造成災難性破壞. (2)刺入剪切破壞.地基不出現(xiàn)明顯連續(xù)的 剪切滑動面,以豎向下沉變形為主.隨荷載的 增加,地基土不斷被壓縮,基礎豎向下沉,垂直刺入地基中,基礎之外的 土體無變形.基礎除在豎向有突然的 小 移動之外,既沒有明顯的 失穩(wěn),也沒有大的 傾斜.(3)局部剪切破壞.隨荷載的 增加,緊靠基礎的 土層會出現(xiàn)輪廓分明的 剪

2、切滑動面,滑動面不露出地表,在地基內某一深度處終止.基礎豎向下沉顯著,基礎周邊地表有隆起現(xiàn)象.只有產(chǎn)生大于基礎寬度之半的 下沉量時,滑動面才會露于地表.任何情況下,建筑物均不會發(fā)生災難性傾倒,基礎總是下沉,深埋于地基之中.(二)破壞模式p-s曲線的 特點三種破壞模式的 p-s曲線雖然各有特點,但整體剪切破壞明顯存在三個變形階段,見圖18-29.1線性變形階段荷載p較小 時,出現(xiàn)oa直線段,土粒發(fā)生豎向位移,孔隙減小 ,產(chǎn)生地基的 壓密變形,土中各點均處于彈性應力平衡狀態(tài),地基中應力一應變關系可用彈性力學理論求解.2塑性變形階段如圖中ac段,a點的 荷載為地基邊緣將出現(xiàn)塑性區(qū)的 臨界值,故稱a點

3、的 荷載為臨塑荷載pcr.曲線ac段表明p-s不再是線性關系,變形速率不斷加大,主要是塑性變形.隨荷載的 加大,塑性變形區(qū)從基礎邊緣逐漸開展并加大加深,荷載加大到c點時,塑性變形區(qū)擴展為連續(xù)滑動面,則地基瀕臨失穩(wěn)破壞,故稱c點對應的 荷載為極限荷載pu.p-s曲線上的 峰值荷載(圖中曲線1、2)或p-s曲線變化率變?yōu)楹阒灯鹗键c的 荷載(曲線3)均定為戶.值.ac段上任意一點對應的 荷載均稱為塑性荷載.pcr與pu可視為塑性荷載中的 特殊點.3完全破壞階段p-s曲線c點以下的 階段,基礎急劇下沉,荷載不能增加(圖中曲線1、2)或荷載增加不多(曲線3).二、臨塑荷載、界限荷載、極限荷載、破壞荷載臨

4、塑荷載pc是指地基中剛要出現(xiàn)塑性剪切區(qū)的 臨界荷載.塑性荷載是指地基中發(fā)生任一大小 塑性區(qū)時,其相應的 荷載.如基底寬度為b,塑性區(qū)開展深度為b/4或b/3時,相應的 荷載為、稱為界限荷載.極限荷載pu指使地基發(fā)生失穩(wěn)破壞前的 那級荷載.破壞荷載是指基地發(fā)生失穩(wěn)破壞時的 荷載.三、地基承載力概念 地基承載力是指單位面積上地基所能承受的 荷載.地基承受這一荷載時,在強度方面,相對于破壞狀態(tài)的 極限荷載有足夠大的 安全儲備;而所產(chǎn)生的 變形均在容許的 范圍內. 四、地基承載力的 確定方法按應地基規(guī)范規(guī)定確定地基承載力.地基承載力特征值也可由載荷試驗或其他原位測試公式計算,并結合工程實踐經(jīng)驗等方法綜

5、合確定.(一)按地基規(guī)范規(guī)定確定地基承載力當基礎寬度大于3米或埋置深度大于0.5米時,從荷載試驗或其他原位測試、經(jīng)驗值等方法確定的 地基承載力特征值,尚應按下式修正(18-51)式中:fa-修正后的 地基承載力特征值(kPa); fak -地基承載力特征值(kPa),按規(guī)范的 原則確定;、-分別為基礎寬度和埋深的 地基承載力修正系數(shù),按基底下土的 類別查規(guī)范表取值;-基礎底面以下土的 重度(kN/米3),地下水位以下取浮重度; b-基礎底面寬度(米),當基寬小 于3米按3米取值,大于6米按6米取值; 米-基礎底面以上土的 加權平均重度(kN/米3),地下水位以下取有效重度; d-基礎埋置深度(

6、米),一般自室外地面標高算起,在填方整平地區(qū),可自填土地面標高處算起,但填土在上部結構施工后完成時,應從天然地面標高處算起,對于地下室,如采用箱形基礎或筏基時,基礎埋置深度自室外地面標高處算起,當采用獨立基礎或條形基礎時,應從室內地面標高處算起.【例18-12】在相同的 砂土地基上,甲、乙兩基礎的 底面均為正方形,且埋深相同.基礎甲的 面積為基礎乙的 2倍,根據(jù)載荷試驗得到的 承載力進行深度和寬度修正后,有:A基礎甲的 承載力大于基礎乙B基礎乙的 承載力大于基礎甲C兩個基礎的 承載力相等D根據(jù)基礎寬度不同,基礎甲的 承載力可能大于或等于基礎乙的 承載力,但不會小 于基礎乙的 承載力解 增大基礎

7、寬度和埋深可以提高地基承載力.根據(jù)建筑地基基礎設計規(guī)范(GB50007-2011),可對基礎寬度在3- 6米范圍內的 基礎地基承載力進行提高修正.據(jù)題意,影響兩基礎地基承載力的 因素只有基礎寬度.答案:D【例18-13】對于相同的 場地,下面哪種情況可以提高地基承載力并減少沉降？A.加大基礎埋深,并加做一層地下室B基底壓力p(kPa)不變,加大基礎寬度C建筑物建成后抽取地下水D建筑物建成后,填高室外地坪解 A項,增大基礎埋深可減小 基底附加應力,進而減小 基礎沉降,且由地基承載力特征值計算公式:可知,埋深d值增大,可適當提高地基承載力;B項,加大基礎寬度可提高地基承載力,但當基礎寬度過大時,基

8、礎的 沉降量會增加;c項,抽取地下水會增大土的 自重應力,進而增大基礎沉降量;D項,提高室外地坪,增大了 基底附加應力,進而會增大基礎沉降量.答案:A【例18-14】關于地基承載力特征值的 深度修正式伽,下面說法不正確的 是:A. 的 最大值為B總是大于或等于0,不能為負值C總是大于或等于1D取基底以上土的 重度,地下水以下取浮重度解 建筑地基與基礎設計規(guī)范規(guī)定:“d為基礎埋深,宜為室外地面標高算起”.規(guī)范中并未對基礎埋深最大值作出限值.答案:A【例18-15】下面哪種情況不能提高地基承載力:A.加大基礎寬度B增加基礎埋深C降低地下水D增加基礎材料的 強度解:巖基的 破壞主要為剪切破壞,因此,

9、從理論上看,極限承載力應該主要取決于巖體和結構面的 抗剪強度.答案:D (二)按荷載試驗確定地基承載力載荷試驗是地基承載力的 原位測試方法.1淺層平板載荷試驗(1)地基土淺層平板載荷試驗可適用于確定淺部地基土層的 承壓板下應力主要影響范圍內的 承載力.承壓板面積不應小 于0.25米2,對于軟土不應小 于0.5米2.(2)試驗基坑寬度不應小 于承壓板寬度或直徑的 3倍.應保持試驗土層的 原狀結構和天然濕度.宜在擬試壓表面用粗砂或中砂層找平,其厚度不超過20米米.(3)加荷分級不應少于8級,最大加載量不應小 于設計要求的 兩倍.(4)每級加載后,按間隔10米in、10米in、10米in、15米in

10、、15米in,以后為每隔半小 時測讀一次沉降量,當在連續(xù)兩小 時內,每小 時的 沉降量小 于O.1米米時,則認為已趨穩(wěn)定,可加下一級荷載.(5)當出現(xiàn)下列情況之一時,即可終止加載:承壓板周圍的 土明顯地側向擠出;沉降量s急驟增大,荷載一沉降(p-s)曲線出現(xiàn)陡降段;在某一級荷載下,24h內沉降速率不能達到穩(wěn)定;沉降量與承壓板寬度或直徑之比大于或等于0.06.當滿足前三種情況之一時,將其對應的 前一級荷載定為極限荷載.(6)承載力特征值的 確定應符合下列規(guī)定:當p-s曲線上有比例界限時,取該比例界限所對應的 荷載值; 極限荷載小 于對應比倒界限的 荷載值的 2倍時,取極限荷載值的 一半; 不能按

11、上述兩款要求確定時,當壓板面積為0.250. 50米2,可取s/b=0.010.015所對應的 荷載,但其值不應大于最大加載量的 一半.(7)同一土層參加統(tǒng)計的 試驗點不應少于3個,當試驗實測值的 極差不超過其平均值的 30%時,取此平均值作為該土層的 地基承載力特征值fak.2深層平板載荷試驗要點(1)深層平板載荷試驗可適用于確定深部地基土層及大直徑樁樁端土層在承壓板下主要影響范圍內的 承載力.(2)深層平板載荷試驗的 承壓板采用直徑為0.8米的 剛性板,緊靠承壓板周圍外側的 土層高度應不少于80厘米.(3)加荷等級可按預估極限承載力的 1/101/15分級施加.(4)每級加荷后,第一個小

12、時內按間隔10米in、10米in、10米in、15米in、15米in,以后為每隔半小 時測讀一次沉降量.當在連續(xù)兩小 時內,每小 時的 沉降量小 于0.1米米時,則認為已趨穩(wěn)定,可加下一級荷載.(5)當出現(xiàn)下列情況之一時,可終止加載:沉降量s急驟增大,荷載-沉降( p-s)曲線上有可判定極限承載力的 陡降段,且沉降量超過0.04d(d為承壓板直徑);在某級荷載下,24h內沉降速率不能達到穩(wěn)定;本級沉降量大于前一級沉降量的 5倍;當持力層土層堅硬,沉降量很小 時,最大加載量不小 于設計要求的 2倍.(6)承載力特征值的 確定應符合下列規(guī)定:當p-s曲線上有比例界限時,取該比例界限所對應的 荷載值

13、;滿足前三條終止加載條件之一時,其對應的 前一級荷載定為極限荷載,當該值小 于對應比例界限的 荷載值的 2倍時,取極限荷載值的 一半;不能按上述兩款要求確定時,可取s/d=0.010.015所對應的 荷載值,但其值不應大于最大加載量的 一半.(7)同一土層參加統(tǒng)計的 試驗點不應少于三點,當試驗實測值的 極差不超過平均值的 30%時,取此平均值作為該土層的 地基承載力特征值fak.(三)按土的 抗剪強度指標計算地基承載力(不常用)當荷載偏心距e小 于或等于0.033的 基礎地面寬度(即:e0. 033l,而l指的 是彎矩作用方向的 基礎底面尺寸)時,根據(jù)由試驗和統(tǒng)計得到的 土的 抗剪強度指標標準

14、值,可按下式計算地基土承載力特征值(18-52)式中: fa由土的 抗剪強度指標確定的 地基承載力特征值(kPa);米b、米d、米c承載力系數(shù),可查相應表格;b基礎底面寬度,b6米時按6米計,對于砂土b3米時按3米計; ck-基底下一倍基寬深度范圍內的 黏聚力標準值(kPa);d、米同前.(四)按理論計算公式確定地基承載力 1斯肯普頓地基極限承載力公式 斯肯普頓公式應用于飽和軟黏土地基(=0).(18-53)它是飽和軟黏土地基在條形荷載作用下的 極限承載力公式.是普朗特爾一雷斯諾極限荷載公式在=0時的 特例.對于矩形基礎,參考前人的 研究成果,斯肯普頓( A.WSke米pton,1952)給出

15、的 地基極限承載力公式為 (18-54)式中:c-地基土黏聚力(kPa)取基底以下0.707b深度范圍內的 平均值,考慮飽和黏性土和粉土在不排水條件下的 短期承載力時,黏聚力應采用土的 不排水抗剪強度cu;b、l、d-分別為基礎的 寬度、長度和埋深(米); -基礎埋置深度d范圍內土的 加權平均重度(kN/米3).工程實際證明,用斯肯普頓公式計算的 軟土地基承載力與實際情況是比較接近的 ,安全系數(shù)K可取1.11.3.2太沙基地基極限承載力公式太沙基( K. Terzaghi,1943)提出了 條形淺基礎的 極限荷載公式.太沙基從實用的 角度考慮認為,當基礎的 長寬比l/b5及基礎的 埋置深度d6

16、時,就可視為是條形淺基礎.基底以上的 土體看作是作用在基礎兩側底面上的 均布荷載q= d,并假定基礎底面是粗糙的 .太沙基的 極限承載力公式 (18-55)式中:N、Nq、Nc為承載力系數(shù),它們都是無量綱系數(shù),僅與土的 內摩擦角有關,可由表18-4查得.太沙基公式承載力系數(shù)表表18-4O5010015020025030.350400450NOO511.201.804.011.021.845.4125326Nq1.01.642.694.457.4212.722.541.481.3173.3Nc5.717.329.5812.917.625.137.257.795.7172.2公式(18-55)只適

17、用于條形基礎,對于圓形或方形基礎,太沙基提出了 半經(jīng)驗的 極限荷載公式.圓形基礎 (18-56)式中:R-圓形基礎的 半徑;其余符號意義同前.方形基礎 (18-57)式(1855)式(18-57)只適用于地基土是整體剪切破壞的 情況,即地基土較密實,其p-s曲線有明顯的 轉折點,破壞前沉降不大等.對于松軟土質,地基破壞是局部剪切破壞,沉降較大,其極限荷載較小 .太沙基建議在這種情況下采用較小 的 ;、c值代入上述各式計算極限承載力.即令, (18-58)根據(jù)值從表18-4中查承載力系數(shù),并用代入公式計算.用太沙基極限承載力公式計算地基承載力時,其安全系數(shù)一般取為3.3漢森地基承載力公式漢森(BHanson,1961,1970)提出的 在中心傾斜荷載作用下,不同基礎形狀及不同埋置深度時的 極限承載力計算公式如下 (18-59)式中:、承載力系數(shù),、荷載傾斜系數(shù);、基礎形狀系數(shù);、深度系數(shù).其余符號意義同前.以上所有系數(shù)均可查有關表格.(五)按當?shù)亟ㄖ?jīng)驗確定基地承載力在擬建場地附近,調查鄰近已有建筑物的 形式、構造、荷載、地基土層情況與采用的 承載