第四章 土的抗剪强度与地基承载力.doc

第四章土的抗剪强度与地基承载力
第一节概述
建筑物地基基础设计必须满足变形和强度两个基本条件。设计过程中,首先是根据上部结构荷载与地基承载力之间的关系(简单的说,即是建筑物基础底面处的接触压力应小与等于地基承载力)来确定基础的埋置深度和平面尺寸以保证地基土不丧失稳定性,这是承载力设计的主要目的。在此前提下还要控制建筑物的沉降在容许的范围以内,使结构不致因过大的沉降或不均勺沉降而出现开裂、倾斜等现象,保证建筑物和管网等配套设施能够正常工作。
强度和变形是两个不同的控制标准,任何安全等级的建筑物都必须进行承载力的设计计算,都必须满足地基的承载力和稳定性的要求,在满足地基的承载力和稳定性的前提下,还必须满足变形要求。以上两个要求不可互相替代,承载力要求是先决条件,但并不是所有的建筑物都必须进行沉降验算,根据工程经验,对某些特定的建筑物,强度起着控制性作用,只要强度条件满足,变形条件也能同时得到满足,因此就不必进行沉降验算(参见《建筑地基基础设计规范》有关规定与要求)。关于地基的变形计算已在第三章中介绍,本章将主要介绍地基的承载力和稳定问题,它包括土的抗剪强度以及地基基础设计时的地基承载力的计算问题。
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。
实例:
第二节土的抗剪强度
一、抗剪强度
(一)库仑定律
土的抗剪强度和其他材料的抗剪强度一样,可以通过试验的方法测定,但土的抗剪强度与之不同的是,工程实际中地基土体因自然条件、受力过程及状态等诸多因素的影响,试验时必须模拟实际受荷过程,所以土的抗剪强度并非是一个定值。不同类型的土其抗剪强度不同,即使同一类土,在不同条件下的抗剪强度也不相同。如:沙土在地面几乎没有抗剪强度,而在深部就您承压.
测定土的抗剪强度的方法很多,最简单的方法是直接剪切试验,简称直剪切试验。试验用直剪仪进行(分应变控制式和应力控制式两种,应变式直剪仪应用较为普遍)。图4-1为应变式直剪仪示意图,该仪器主要部分由固定的上盒和活动的下盒组成。试验前,用销钉把上下盒固定成一完整的剪切盒,将环刀内土样推入,土样上下各放一块透水石。试验时,先通过加压板施加竖向力F,然后拔出销钉,在下盒上匀速施加一水平力T。此时土样在上下盒之间固定的水平面上受剪,直到破坏。从而可以直接测得破坏面上的水平力T,若试样的水平截面积为A,则竖向压应力为
,此时,土的抗剪强度(土样破坏时对此推力的极限抵抗能力)为。
图4-1 直剪仪工作原理示意图
试验时,一般用4~6个物理状态相同的试样,使它们在不同竖向压力作用下剪切破坏,同时可测得相应的最大破坏剪应力即抗剪强度。以测得的为横坐标,以为纵坐标,绘制抗剪强度与法向应力关系曲线,如图4-2所示。若试样为砂土,其曲线为一条通过坐标原点并于横坐标成角的直线(如图4-2a),其方程为:
(4-1a)
式中—在法向应力作用下的土的抗剪强度(KPa);
—作用下剪切面上的法向应力(KPa);
—土的内摩擦角(°)。
对于黏性土和粉土,与之间关系基本上也成直线关系,但这条直线不通过原点,而与纵轴成一截距c(如图4-2b),其方程为:
(4-1b)
式中 c—土的黏聚力(KPa);
其余符号意义与前相同。
(a)砂性土(b)黏性土
图4-2 抗剪强度曲线
式(4-1)是库仑(Coulomb)于1773年提出的,故称为库仑定律或土的抗剪强度定律。
(二)抗剪强度的构成因素
式(4-1a)和式(4-1b)中的c和称为土的抗剪强度指标(或参数)。在—定条件下c和是常数,它们是构成土的抗剪强度的基本要素,c(称为土的黏聚力)和(称为土的内摩擦角,为土的内摩擦系数)的大小反映了土的抗剪强度的高低。
由土的三相组成特点不难看出,土的抗剪强度的构成有两个方面:即内摩擦力与黏聚力。存在于土体内部的摩擦力由两部分组成:一是剪切面上颗粒与颗粒之间在粗糙面上产生的摩擦力;另一个是由于颗粒之间的相互嵌入和互锁作用产生的咬合力。土颗粒越粗,内摩擦角越大。黏聚力c是由于土粒之间的胶结作用、结合水膜以及水分子引力作用等形成的。土颗粒越细,塑性越大,其黏聚力也越大。
(三)抗剪强度的影响因素
影响土的抗剪强度的因素很多,主要包括以下几个方面:
①土颗粒的矿物成分、形状及颗粒级配;②初始密度;③含水量;④土的结构扰动情况;⑤有效应力;⑥应力历史;⑦试验条件。
二、摩尔—库仑强度理论
1910年提出材料的破坏是剪切破坏,并指出抗剪面上剪应力为该面上法向应力σ的函数,即:τf=f (σ)
该函数在τf=σ坐标上是一条曲线,称为莫尔包线,表