单元3土的抗剪强度和地基承载力

3 土的抗剪强度和地基承载力

同济大学出版社

目录3.1 土的抗剪特性 3.2 抗剪强度指标的测定方法

3.3 地基破坏形式3.4 地基承载力的理论计算

3.5 地基土的极限承载力3.6 地基承载力的确定

一、土的抗剪特性 土的抗剪强度：土体抵抗剪切破坏的能力。 研究抗剪强度的意义：为了保证土木工程建设 中建(构)筑物的安全和稳定，就必须详细研究 土的抗剪强度和土的极限平衡等问题。

土坝、基槽和建筑物地基失稳示意图 (a)土坝 (b)基槽 (c)建筑物地基

在实际工程中，与土的抗剪强度有关的工程问 题主要有三类:第一类是建筑物地基承载力问题， 即基础下的地基土体产生整体滑动或因局部剪 切破坏而导致过大的地基变形甚至倾覆粘 土 地 基 上 某 谷 仓 的 地 基 破 坏

第二类是构筑物环境的安全性问题即土压力问题， 如挡土墙、基坑等工程中，墙后土体强度破坏将 造成过大的侧向土压力，导致墙体滑动、倾覆或 支护结构破坏事故广 州 京 光 广 场 基 坑 塌 方

第三类是土工构筑物的稳定性问题，如土坝、路 堤等填方边坡以及天然土坡等在超载、渗流乃至 暴雨作用下引起土体强度破坏后产生整体失稳边 坡滑坡等事故香 港 1972 Po Shan 滑 坡

土的剪切特性与试验1776年，法国学者库仑(C. A.Coulomb)根据一系列试验，得出土的抗剪 强度曲线，,提出了库伦定理，土体的抗剪强度表达式为：

式中：

f

f c tan :土的抗剪强度(kPa); :破坏面上的正应力(kPa); :土的粘聚力(kPa),对于非黏性土c=0;

c

:土的内摩擦角(°)。

土中一点的应力状态

1 1 ( 1 3 ) ( 1 3 ) cos 2 2 2 1 ( 1 3 ) sin 2 2

二、抗剪强度指标的测定方法直接剪切试验如图所示为应变控制式直剪仪的示意图。垂直压 力由杠杆系统通过加压活塞和透水石传给土样， 水平剪应力则由轮轴推动活动的下盒施加给土样。 土体的抗剪强度可由量力环测定，剪切变形由百 分表测定。在施加每一级法向应力后，匀速增加 剪切面上的剪应力，直至试件剪切破坏。将试验 结果绘制成剪应力τ和剪切变形S的关系曲线， 如图。一般地，将曲线的峰值作为该级法向应力 f 下相应的抗剪强度

应变控制式直剪仪

剪应力-剪变形 关系曲线

三轴剪切试验三轴剪切试验 仪由受压室、 周围压力控制 系统、轴向加 压系统、孔隙 水压力系统以 及试样体积变 化量测系统等 组成，如图所 示。

三轴剪切试验仪示意图

试验时，将圆柱体土样用乳胶膜包裹，固定在 压力室内的底座上。先向压力室内注入液体(

一 般为水),使试样受到周围压力 ，并使 在 试验过程中保持不变。然后在压力室上端的活 塞杆上施加垂直压力直至土样受剪破坏。设土 样破坏时由活塞杆加在土样上的垂直压力为Δ , 则土样上的最大主应力为 ，而最 小主应力为 。由 和 可绘制出一个 莫尔圆。用同一种土制成3~4个土样，按上述 方法进行试验，对每个土样施加不同的周围压 力 ，可分别求得剪切破坏时对应的最大主 应力，将这些结果绘成一组莫尔圆。根据土的 极限平衡条件可知，通过这些莫尔圆的切点的 直线就是土的抗剪强度线，由此可得抗剪强度 指标c、 值如图所示。 3 31f 3f 3 1

3f

1f

3

无侧限抗压试验——三轴试验的一种特殊情况 三轴试验时，如果对土样不施加周围压力，而只施加轴向压 力，则土样剪切破坏的最小主应力 =0,最大主应力 =qu,此时绘出的莫尔极限应力圆如图3-17所示。qu称为 土的无侧限抗压强度。 对于饱和软粘土，可以认为 =0,此时其抗剪强度线与 σ轴平行，且有cu = qu /2。所以，可用无侧限抗压试验测 定饱和软粘土的强度，该试验多在无侧限抗压仪上进行。3f 1f

无侧限试验极限应力圆

大型直剪试验 对于无法取得原状土样的 土类，《建筑地基基础设 计规范》(GBJ7—89)采 用现场大型直剪试验。该 试验方法适用于测定边坡 和滑坡的岩体软弱结合面、 岩石和土的接触面、滑动 面和粘性土、砂土、碎石 土的混合层及其它粗颗粒 土层的抗剪强度。由于大 型直剪试验土样的剪切面 面积较室内试验大得多， 又在现场测试，因此它更 能符合实际情况。有关大 型直剪试验的设备及试验 方法可参见有关土工试验 专著。十 字 板 剪 切 仪 示 意 图

三、地基破坏类型剪切破坏型式1、整体剪切破坏破坏时形成了延续至地面的 连续滑动面，破坏曲线三阶 段明显，如曲线(A)。整体剪切破坏

2、局部剪切破坏 形成局部滑动面，压力与 P-S曲线 沉降关系一开始就呈显非 线性关系，如曲线(B)。 3、冲剪破坏 基础近乎竖直刺如土中，如曲线(C)。 地基发生哪种破坏，既取决于地基土的类型和性 质，又与基础的特性、埋深以及受荷条件等有关。

局部剪切破坏

冲剪破坏

地基承载力的确定 地基承载力：在满足变形和稳定性要求的前 提下地基能承受荷载的能力。 建筑物的荷载是由地基承担的，地基必须有 足够的承载力，才能使建筑物安全并且能正 常使用。所以确定地基承载力是天然浅基础 基础设计中的一个关键环节。 地基基础设计步骤：1、确定地基承载力特 征值 2、对特征值进行修

正 3、用修正后 的特征值进行基础底面尺寸设计计算

1.按强度理论公式计算地基承载力当e≤0.033b,根据土的抗剪 强度指标确定地基承载力 f a M b b M d m d M c ck fa ——土的抗剪强度指标确定的地基承载力特征值 Mb、Md、Mc ——承载力系数(可根据 k查表得到) ——地基土的重度，地下水位以下取浮重度 d——基础埋置深度(m),从室外地面标高计算 m——基础底面以上土的加权重度，地下水位以下取浮重度

b ——基础地面宽度，大于6m时，按6m取值，对于砂土小于3m时按3m取值 ck ——基底下一倍短边宽深度内土的粘聚力标准值(查表)

2.按荷载试验确定地基承载力特征值《规范》规定：当b>3m或d>0.5m,地基承载力特征值应 该进行修正 f a f ak b (b 3) b m (d 0.5) fa ——修正后的地基承载力特征值 fak ——地基承载力特征值，根据强度指标确定 ηb、 η d——基础宽度和埋深的地基承载力修正系数(可查表)

——基础底面以下土的重度，地下水位下取浮重度b——基础底面宽度，当基宽小于3m按3m取值，大于6m按6m取 值

m——基础底面以上土的加权平均重度，地下水位以下去浮密度 d——基础埋置深度，一般自室外地面标高算起