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1、第八章 地基承载力,8.1 概述8.2 临界荷载的确定8.3 极限承载力计算8.4 按规范方法确定地基容许承载力 8.5 关于地基承载力的讨论,8.1 概 述,一、地基承载力概念,建筑物荷载通过基础作用于地基，对地基提出两个方面的要求。,1.变形要求,建筑物基础在荷载作用下产生最大沉降量或沉降差，应该在该建筑物允许的范围内。,2.强度和稳定性要求,建筑物的基底压力应在地基允许的承载能力之内。,地基承载力：地基土单位面积上所能承受荷载的能力。,极限承载力(pu): 地基不致失稳时单位面积能承受的最大荷载。,地基容许承载力(pa): 考虑一定安全储备后的地基承载力。,二、地基变形的三个阶段,0,s
2、,p,pcr,pu,a,b,c,ppcr,ppu,a. 线性变形阶段（压密阶段）,塑性变形区,连续滑动面,oa段，荷载小，主要产生压缩变形，荷载与沉降关系接近于直线，土中f ,地基处于弹性平衡状态。,b. 弹塑性变形阶段（剪切阶段）,ab段，荷载增加，荷载与沉降关系呈曲线，地基中局部产生剪切破坏，出现塑性变形区。,c. 破坏阶段,bc段，塑性区扩大，发展成连续滑动面，荷载增加，沉降急剧变化。,三、地基的破坏形式,地基开始出现剪切破坏（即弹性变形阶段转变为弹塑性变形阶段）时，地基所承受的基地压力称为临塑荷载pcr,地基濒临破坏（即弹塑性变形阶段转变为破坏阶段）时，地基所承受的基地压力称为极限荷载
3、pu,1.整体剪切破坏,(2)随着荷载增加，压密区I向两侧挤压，土中产生塑性区，塑性区先在基础边缘产生，然后逐步扩大形成II、III塑性区。基础的沉降增长率较前一阶段增大，故 ps曲线呈曲线状。,(1)当基础上荷载较小时，基础下形成一个三角形压密区I，随同基础压入土中，ps曲线呈直线关系。,整体剪切破坏p-s曲线上有两个明显的转折点，区分地基变形三个阶段：,(3)当荷载达到最大值后，土中形成连续滑动面，并延伸到地面，土从基础两侧挤出并隆起，基础沉降急剧增加，整个地基失稳破坏。ps曲线上出现明显的转折点，其相应的荷载称为极限荷载pu。,整体剪切破坏常发生在浅埋基础下的密砂或硬粘土等坚实地基中。,
4、随着荷载的增加，基础下也产生压密区I及塑性区II，但塑性区仅仅发展到地基某一范围内，土中滑动面并不延伸到地面，基础两侧地面微微隆起，没有出现明显的裂缝。其p-s曲线如图中曲线b所示。,2.局部剪切破坏,局部剪切破坏p-s曲线转折点不明显，没有明显的直线段，其破坏的特征为：,-s曲线在转折点后，其沉降量增长率虽较前一阶段为大，但不象整体剪切破坏那样急剧增加，在转折点之后，p-s曲线还是呈线性关系。 局部剪切破坏常发生于中等密实砂土中。,3.刺入剪切破坏(冲剪破坏),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，基础周围附近土体发生竖向剪切破坏，使基础刺入土中。基础两边的土
5、体没有移动，如图。刺入剪切破坏的p-s曲线如图中曲线c，沉降随着荷载的增大而不断增加，但p-s曲线上没有明显的转折点，没有明显的比例界限及极限荷载。 刺入剪切破坏常发生在松砂及软土中。,-s曲线没有明显的转折点，其破坏的特征是：,地基的剪切破坏形式，除了与地基土的性质有关外，还同基础埋置深度、加荷速度等因素有关。如在密砂地基中，一般会出现整体剪切破坏，但当基础埋置很深时，密砂在很大荷载作用下也会产生压缩变形，而出现刺入剪切破坏；在软粘土中，当加荷速度较慢时会产生压缩变形而出现刺入剪切破坏，但当加荷很快时，由于土体不能产生压缩变形，就可能发生整体剪切破坏。,四、确定地基容许承载力的方法,确定地基
6、容许承载力的方法，一般有以下三种：1. 根据载荷试验的ps曲线来确定地基容许承载力；,2. 根据设计规范确定(新规范已取消)；,3. 根据地基承载力理论公式确定地基容许承载力。,在荷载作用下地基变形的发展经历3个阶段，即压密阶段、剪切阶段及破坏阶段。地基变形的剪切阶段也是土中塑性区范围随着作用荷载的增加而不断发展的阶段，土中塑性区开展到不同深度时，其相应的荷载称为临界荷载。,8.2 临界荷载的确定,一、塑性区边界方程的推导,在地基表面作用条形均布荷载p0，计算土中任意点M由p引起的最大与最小主应力 及 时，可按前面有关均布条形荷载作用下的附加应力公式计算：,若条形基础的埋置深度为D时，计算基底
7、下深度处M点的主应力时，可将作用在基底水平面上的荷载(包括作用在基底的均布荷载p，以及基础两侧埋置深度D范围内土的自重压力 D)，分解为图c所示两部分，即无限均布荷载 D以及基底范围内的均布荷载(p- D)。这时，假定土的侧压力系数 ，即土的重力产生的压应力如同静水压力一样，在各个方向是相等的均为 (Dz)。当基础有埋置深度D时，土中任意点的主应力为：,若M点位于塑性区的边界上，它就处于极限平衡状态。根据土体强度理论中的公式，知道土中某点处于极限平衡状态时，其主应力间满足下述条件：,上式就是土中塑性区边界线的表达式。若已知条形基础的尺寸B和D、荷载p，以及土的指标 、c、 时，假定不同的视角
8、值代入上式，求出相应的深度z值。,把一系列由对应的 与z值决定其位置的点连起来，就得到条形均布荷载p作用下土中塑性区的边界线，也即绘得土中塑性区的发展范围。,一条形基础，如图，基础宽度B=3m，埋置深度D=2m，作用在基底的均布荷载 。土的内摩擦角 ，粘聚力 ，重度 。求此时地基中的塑性区范围。,解：塑性区边界线表达式,二、临塑荷载及临界荷载计算,在条形均布荷载作用下，计算地基中塑性区开展的最大深度 值时，可以把上式对 求导数，并令此导数等于零，即 由此解得 或 将 值代入公式，即得地基中塑性区开展最大深度的表达式为,还可得到如下相应的基底均布荷载的表达式 上式是计算临塑荷载及临界荷载的基本公
9、式。,如令 ，代入上式，此时的基底压力即为临塑荷载 ，其计算公式为,式中：,若地基中允许塑性区开展的深度 (B为基础宽度)，则可得相应的临界荷载 的计算公式：式中： ；其它符号意义同前。,、 、 称为承载力系数，它只与土的内摩擦角 有关，可由表查得。,8.3 极限承载力计算,地基极限承载力除可从载荷试验求得外，还可用半理论半经验公式计算，这些公式都是在刚塑体极限平衡理论基础上解得的。,一、普朗特尔地基极限承载力公式,1920年，普朗特尔根据极限平衡理论，推导出当不考虑土的重力 ，假定基底面光滑无摩擦力时，置于地基表面的条形基础的极限荷载公式如下：,式中：承载力系数,1. 普朗特尔基本解,普朗特
10、尔解得到的地基滑动面形状如图所示。地基的极限平衡区可分为3个区：,(1) 在基底下的I区，因为假定基底无摩擦力，故基底平面是最大主应力面，两组滑动面与基础底面之间成 角，也就是说I区是朗金主动状态区； (2) 随着基础下沉，I区土楔向两侧挤压，因此III区为朗金被动状态区，滑动面也是由两组平面组成，由于地基表面为最小主应力平面，故滑动面与地基表面成 角； (3) I区与III区的中间是过渡区II，第II区的滑动面一组是辐射线，另一组是对数螺旋曲线，如图中的CD及CE，其方程式为 。,2. 雷斯诺对普朗特尔公式的补充,普朗特尔公式假定基础设置于地基表面，但一般基础均有一定的埋置深度，若埋置深度较
11、浅时，为简化起见，可忽略基础底面以上土的抗剪强度，而将这部分土作为分布在基础两侧的均布荷载q = D作用在GF面上，见图。雷斯诺(Reissner，1924)在普朗特尔公式假定的基础上，导得了由超载产生的极限荷载公式：,承载力系数:,将其与上式合并，得到当不考虑土重力时，埋置深度为D的条形基础的极限荷载公式：,，即得考虑滑动土体重力时的极限荷载计算公式：,的换算高度，假定 。用 代替,来表示，其中 、 为土的重度及内摩擦角，t为滑动土体,泰勒1948年提出，若考虑土体重力时，假定其滑动面与普朗特尔公式相同，那么图中的滑动土体ABGECDF的重力，将使滑动面GECDF上土的抗剪强度增加。泰勒假定
12、其增加值可用一个换算粘聚力,3. 泰勒对普朗特尔公式的补充,普朗特尔-雷斯诺公式是假定土的重度 =0时，按极限平衡理论解得的极限荷载公式。若考虑土体的重力时，目前尚无法得到其解析解，但许多学者在普朗特尔公式的基础上作了一些近似计算。,承载力系数：,二、太沙基极限承载力公式,太沙基(Terzaghi，1943)提出了确定条形浅基础的极限荷载公式。太沙基认为从实用考虑，当基础的长宽比 及基础的埋置深度 时，就可视为是条形浅基础。基底以上的土体看作是作用在基础两侧的均布荷载q= D。,太沙基假定基础底面是粗糙的，地基滑动面的形状如图所示，也可以分成3个区：,I区：在基础底面下的土楔，由于假定基底是粗
13、糙的，具有很大的摩擦力，因此不会发生剪切位移，I区内土体不是处于朗金主动状态，而是处于弹性压密状态，它与基础底面一起移动。太沙基假定滑动面AC(或BC)与水平面成 角。,II区：滑动面一组是通过AB点的辐射线，另一组是对数螺旋曲线CD、CE。如果考虑土的重度，滑动面就不会是对数螺旋曲线，目前尚不能求得两组滑动面的解析解。因此，太沙基忽略了土的重度对滑动面形状的影响，是一种近似解。由于滑动面AC与CD间的夹角应该等于 。 III区: 朗金被动状态区，滑动面AD及DF与水平面 成 角。,太沙基认为从实际工程要求的精度，可用下述简化方法分别计算由三种因素引起的被动力的总和：(1) 土是无质量、有粘聚
14、力和内摩擦角，没有超载，即(2) 土是无质量、无粘聚力，有内摩擦角、有超载，即(3) 土是有质量，无粘聚力，有内摩擦角，无超载，即 最后代入上式可得太沙基的极限承载力公式：,取脱离体ABC，考虑单位长基础，根据平衡条件：,上式只适用于条形基础，对于圆形或方形基础，太沙基提出了半经验的极限荷载公式： 圆形基础 方形基础 上述三式只适用于地基土是整体剪切破坏的情况，即地基土较密实，其p-s曲线有明显的转折点，破坏前沉降不大等情况。对于松软土质，地基破坏是局部剪切破坏，沉降较大，其极限荷载较小。太沙基建议在这种情况下采用较小的 、 值代入上列各式计算极限荷载。即令,用太沙基极限荷载公式计算地基承载力
15、时，其安全系数应取为3。,三、汉森极限承载力理论,式中：,汉森公式:,sr、sq、sc 基础的形状系数ir、iq、ic 荷载倾斜系数dr、dq、dc 深度修正系数Nr、Nq、Nc 承载力系数,普朗特尔、太沙基等极限荷载公式，只适用于中心竖向荷载作用时的条形基础，同时不考虑基底以上土的抗剪强度的作用。若基础上作用的荷载是倾斜的或有偏心，基底的形状是矩形或圆形，基础的埋置深度较深，计算时需要考虑基底以上土的抗剪强度影响。 汉森(Hanson,1970)提出的在中心倾斜荷载作用下，不同基础形状及不同埋置深度时的极限荷载计算公式：,一、确定地基承载力特征值,当e0.033b,根据土的抗剪强度指标确定地
16、基承载力：,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基底以上土的加权重度，地下水位以下取浮重度；b 基础底面宽度，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。,8.4 按规范方法确定地基承载力,从前述临界荷载及极限荷载计算公式可以看到，当基础越宽，埋置深度越大，土的抗剪强度指标值越大时，地基承载力也增加。,二、确定地基承载力特征值修正,规范规定：当b3m或d0.5m，地基承载力特征值应该进行修正。,fa
17、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b、 d基础宽度和埋深的地基承载力修正系数(可查表),说明：规范规定地基承载力特征值还可以由载荷试验或其它原位测试、并结合工程经验等方法综合确定。,8.5 关于地基承载力的讨论,地基承载力的研究是土力学的主要课题之一，地基承载力的确定也是一个比较复杂的问题，影响因素较多。其大小的确定除了与地基土的性质有关以外，还取决于基础的形状、荷载作用方式以及建筑物对沉降控制要求等多种因素。,一、关于载荷板试验确定地基容许承载力,用载荷试验曲线确定的地基容许承载力在或为设计容许承载力时，均未包括基础埋置深度对地基承载力的影响，应进行深度修正。
18、,载荷试验的压板宽度总是小于实际基础的宽度，这种尺寸效应是不能忽略的。因此有必要时应进行地基和基础的变形验算。,从临塑荷载与临界荷载公式推导中，可以看出： 1计算公式适用于条形基础。这些计算公式是从平面问题的条形均布荷载情况下导得的，若将它近似地用于矩形基础，其结果是偏于安全的。 2计算土中由自重产生的主应力时，假定土的侧压力系数 ，这是与土的实际情况不符，但这样可使计算公式简化。一般来说，这样假定的结果会导致计算的塑性区范围比实际偏小一些。 3在计算临界荷载 时，土中已出现塑性区，但这时仍按弹性理论计算土中应力，这在理论上相互矛盾的，其所引起的误差是随着塑性区范围的扩大而加大。,二、关于临塑
19、荷载和临界荷载,对于平面问题，若不考虑基础形状和荷载的作用方式，则地基极限承载力的一般计算公式为： 上式表明，地基极限承载由换算成单位基础宽度的三部分土体抗力组成： （1）滑裂土体自重所产生的摩擦拉力； （2）基础两侧均布荷载所产生的抗力； （3）滑裂面上粘聚力所产生的抗力。,三、关于极限承载力计算公式,1极限承载力公式的含义,3. 极限承载力公式的局限性 应当指出的是，所有极限承载力公式，都是在土体刚塑性假定下推导出来的，实际上，土体在荷载作用下不但会产生压缩变形而且也会产生剪切变形，这是目前极限承载力公式中共同存在的主要问题。因此对地基变形较大时，用极限承载力公式计算的结果有时并不能反映地基土的实际情况。,2. 确定容许承载力时安全系数的选用 不同极限承载力公式是在不同假定情况下推导出来，在确定容许承载力时，其选用的安全系数不尽相同。一般用太沙基极限承载力公式，安全系数采用3，用汉森公式，对于无粘土可取2，对于粘性土可取3。,
