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1、5.1 概述5.2 土的抗剪强度理论5.3 土的抗剪强度试验5.4 砂土的振动液化问题5.5 挡土墙的土压力计算,第5章 土的抗剪强度及土压力,1,地基破坏模式 a)整体剪切破坏 b)局部剪切破坏 c)冲剪破坏,1）地基强度的意义,5.1 概述,第5章 土的抗剪强度及土压力,2,（1）密砂和坚硬粘土地基：整体剪切破坏，但当基础埋置很深时，会出现冲剪破坏。（2）松砂和软黏土地基：当加荷速度较慢时，会产生压缩变形而出现冲剪破坏，但当加荷很快时，可能发生整体剪切破坏。基础埋置深度较大，一般为局部剪切破坏。,地基破坏模式判断：,为工程安全可靠，要求地基同时满足下列两个条件：,（1）地基变形条件。包括地
2、基的沉降量、沉降差、倾斜与局部倾斜都不超过相关规范规定的地基变形允许值。已在第4章阐述。（2）地基强度条件。在上部荷载作用下，确保地基的稳定性，不发生地基剪切或滑动破坏。剪切破坏是土体强度破坏的主要形式，土的强度问题实质上就是土的抗剪强度问题。,3,2）地基强度的应用,（1）土作为建筑物地基的承载力问题。当上部荷载较小，地基处于压密阶段或地基中塑性变形区很小时，地基是稳定的。当上部荷载很大，地基中的塑性变形区越来越大，最后连成一片，则地基发生整体滑动（剪切破坏），地基是不稳定的。太沙基课题（2）土作为材料构成的土工构筑物的稳定性问题。天然构筑物。为自然界天然形成的山坡、河岸、海滨等。人工构筑物
3、。人类活动造成的构筑物，如土坝、路基、基坑等。（3）土作为工程构筑物的环境的问题，即土压力问题。若边坡较陡不能保持稳定或场地不容许采用平缓边坡时，可以修筑挡土墙来保持力的平衡，如挡土墙、地下结构等。,4,土的抗剪强度：土体抵抗剪切破坏的极限能力。,5,主动土压力作用边坡不稳定地基承载力不足,挡土结构物破坏各种类型的滑坡地基的破坏,6,5.2.1 抗剪强度的库仑定律,砂土,黏性土,5.2 土的抗剪强度理论,库仑（Coulomb）通过土的抗剪强度实验，于1776年提出了土的抗剪强度定律：,7,a）无黏性土 b）黏性土,抗剪强度与法向应力之间的关系,黏性土的抗剪强度由两部分组成，一部分是摩擦力，另一
4、部分是土粒间的粘聚力，它是由土颗粒之间的胶结作用和静电引力效应等因素引起的。,8,太沙基（Terzaghi）有效应力概念，土体内剪应力仅能由土骨架承担。,试验表明：土的抗剪强度取决于土粒间的有效应力，然而，由库仑公式建立的概念在应用上比较方便，被应用于许多土工问题的分析方法中。,土的抗剪强度定律的有效应力表达式：,9,5.2.2 莫尔-库仑强度理论,由库仑公式表示莫尔破坏包线的强度理论，称为莫尔一库仑强度理论。,10,5.2.2 土的极限平衡条件,当土体中任意一点在某一平面上发生剪切破坏时，该点即处于极限平衡状态，根据莫尔一库伦强度理论，可得到土体中一点的剪切破坏条件。,11,莫尔圆与抗剪强度
5、之间的关系,圆I：,圆：,圆：,莫尔圆位于抗剪强度包线下方，不会发生剪切破坏。,剪应力正好等于抗剪强度，该点处于极限平衡状态。,该点早已破坏。,12,推导出黏性土的极限平衡条件计算公式：,13,化简并通过三角函数间的变换关系，可得到极限平衡条件为：,或,对于无黏性土（c=0），则其极限平衡条件为：,由直角三角形ARD 外角与内角的关系可得：,（5-7a）,（5-7b）,（5-7c）,（5-7d）,（5-8）,14,几点结论：,15,16,5.1 概述,本次课小结：,1、地基强度的意义,（1）整体剪切破坏（2）局部剪切破坏（3）冲剪破坏,2、地基强度的应用,1、抗剪强度的库仑定律,2、土的极限平
6、衡条件,5.2 土的抗剪强度理论,17,一、室内试验二、野外试验,直剪试验、三轴试验等 制样（重塑土）或现场取样 缺点：扰动 优点：应力条件清楚，易重复,十字板扭剪试验、旁压试验等 原位试验 缺点：应力条件不易掌握 优点：原状土的原位强度,5.3 土的抗剪强度试验,18,直接剪切仪分为应变控制式和应力控制式两种，前者是等速推动试样产生位移，测定相应的剪应力，后者则是对试件分级施加水平剪应力测定相应的位移。我国普遍采用的是应变控制式直剪仪。,1轮轴；2底座；3透水石；4量表；5活塞；6上盒；7土样；8量表；9量力环；10下盒,5.3.1 直接剪切试验,19,应变控制式直剪仪的试验原理,20,应变
7、控制式直剪仪,21,在不同的垂直压力下进行剪切试验，得相应的抗剪强度f，绘制f-曲线，得该土的抗剪强度包线,22,a）剪应力与剪切位移之间关系 b）粘性土试验结果,对同一种土至少取4个重度和含水量相同的试样，分别在不同法向压力 下剪切破坏，一般可取垂直压力为100、200、300、400kPa。,23,直剪试验的剪切位移及剪应力计算公式如下：,24,在直剪试验过程中，根据加荷速率的快慢可将试验划分为:快剪；固结快剪；慢剪三种。,25,1）试验装置,2）试验结果,因只能作出一个应力圆，当仅为测定饱和粘性土的不排水抗剪强度时：,1 百分表；2 试样；3 升降螺杆4 量力环；5 加压框架；6 手轮,
8、5.3.2 无侧限抗压强度试验,26,3=0,无侧限压缩仪,27,利用无侧限抗压强度试验可以测定饱和粘性土的灵敏度St。,28,主机系统 稳压调压系统 量测系统,孔压传感器,体变管,轴向位移量测,轴向力量测,压力泵,调压阀,压力表,压力室,压力室底座,主机马达,主机框架,离合器,常规三轴试验仪:,5.3.3 三轴压缩试验,29,1-调压筒；2一周围压力表；3一体变管；4一排水管；5一周围压力阀；6一排水阀；7一变形量表；8一量力环；9一排气孔；10一轴向加压设备；11一试样；12一压力室；13一孔隙压力阀；14一离合器；15一手轮；16一量管阀；17一零位指示器；18一孔隙水压力表；19一量管
9、,30,压力室,压力水,排水管,阀门,轴向加压杆,有机玻璃罩,橡皮膜,透水石,顶帽,测定：轴向应变轴向应力体积应变或孔压,横梁,量力环,百分表,量测体变或孔压,常规三轴试验方法：,31,三轴压缩试验三种试验方法：,三轴试验优点：能够控制排水条件，可量测土样中孔隙水压力的变化。三轴试验中试件的应力状态明确，剪切破坏时的破裂面在试件的最弱处，不像直接剪切仪那样限定在上下盒之间。三轴压缩仪还可用以测定土的弹性模量等其他力学性质。常规三轴压缩试验的主要缺点：试样所受的力是轴对称的，也即试件所受的三个主应力中，有两个是相等的，但在工程际中土体的受力情况并非轴对称的情况。真三轴仪可在不同三个主应力（）作用
10、下进行试验。,32,三轴试验莫尔破坏强度包线,三轴压缩试验强度包线,33,【解】采用有效应力法,34,英国A.W.斯肯普顿（Skempton，1954）首先提出孔隙压力系数的概念，用以表示孔隙水压力的发展和变化，他认为土中的孔隙水压力不仅是由于法向应力产生，而且剪应力的作用也会产生新的孔隙水压力增量。根据三轴试验结果，引用孔隙压力系数A和B，建立了轴对称应力状态下土中孔隙压力与大、小主应力之间的关系。,地基中初始孔隙水压力计算,5.3.4 孔隙压力系数A 和 B,35,令孔隙水压力参数：,M点的孔隙水压力：,全量表达式：,式中 A、B分别为不同应力条件下的孔隙压力系数。,36,孔隙水压力参数B
11、 与土的饱和度有关，当土完全饱和时，孔隙中的水是不可压缩的，B1；当土是干燥时，B=0，B的变化范围在01之间。,孔隙水压力参数A 表示在偏应力增量作用下的孔隙水压力参数，它随偏应力增加呈非线性变化，高压缩性土的 A 值比较大。可参考表中的数值。,对于A值很高的土，应特别注意由于扰动或其他因素引发很高的孔隙水压力而造成工程事故。,土体在剪损时的孔隙水压力参数Af：,37,38,1）适用土质条件软弱粘性土、取原状土困难的条件,2）试验设备3）试验方法,设土体剪切破坏时所施加的扭矩为M max，则它应该与剪切破坏圆柱面（包括侧面和上、下面）上土的抗剪强度所产生的抵抗力矩相等。,十字板剪切试验：,3
12、9,（5-13）,40,十字板剪切试验直接在现场进行试验，不必取土样，故土体所受的扰动较小，被认为是比较能反映土体原位强度的测试方法，在软弱粘性土的工程勘察中得到了广泛应用。但如果在软土层中夹有薄层粉砂，测试结果可能失真或偏高。,41,5.3.5 试验方法与强度指标的选用,当土中的孔隙水压力能通过实验、计算或其他方法加以确定时，宜采用有效应力法。有效应力强度可用直剪的慢剪、三轴排水剪和三轴固结不排水剪（测孔隙水压力）等方法。若建筑物施工速度较快，而地基土的渗透性较小和排水条件不良时，可采用三轴仪不固结不排水试验或直剪仪快剪试验；如果地基荷载增长速率较慢，地基土的渗透性不太小、排水条件较佳时，可
13、采用固结排水或慢剪试验。直剪试验设备构造简单，操作方便，比较普及。,42,为分析应力变化过程对土的抗剪强度的影响，在应力图中用应力点的移动轨迹来描述土体在加荷过程中的应力状态的变化，这种应力点的移动轨迹称为应力路径。,5.3.6 应力路径的概念,43,三轴固结不排水试验的应力路径,44,本次课小结：,5.3 土的抗剪强度试验,5.3.1 直接剪切试验5.3.2 无侧限抗压强度试验,5.3.3 三轴压缩试验5.3.4 孔隙压力系数A和B5.3.5 试验方法与强度指标的选用5.3.6 应力路径的概念,45,静力固结 动载试验 典型试验结果,动三轴试验:,在动荷载作用下，土的强度和变形特性都将受到影
14、响。动荷载作用对土体产生的影响有：土的强度降低；地基产生附加沉降；砂土与粉土的液化；粘性土产生蠕变。,5.4 砂土振动液化问题,5.4.1 砂土振动液化的现象,46,饱和松砂在振动情况下孔压急剧升高在瞬间砂土呈液态,饱和松砂在振动情况下孔压急剧升高，在瞬间砂土就呈液态，使地基承载力丧失或减弱，这种现象一般称为砂土液化或地基土液化。,5.4.1 砂土振动液化的现象,47,（1）初始处于疏松状态,（3）振后处于密实状态,（2）振动过程中处于悬浮状态-孔压升高（液化）,液化定义：在饱和砂土中，由于振动引起颗粒的悬浮，超静孔隙水压力急剧升高，直到其孔隙水压力等于总应力时，有效应力为零，砂土的强度丧失，
15、砂土呈液体流动状态，称为液化现象。,48,振前松砂的结构,振中颗粒悬浮，有效应力为零,振后砂土变密实,5.4.2 砂土的振动液化机理及影响因素,1）砂土的振动液化机理,49,（1）在振动（地震）作用前。土中应力由土颗粒组成的土骨架所承担，饱和松砂层中的颗粒处于相对稳定位置。（2）当振动（地震）作用时。足够大的振动惯性力使砂土颗粒离开原来的稳定位置而开始运动，力图达到新的稳定位置，将使砂土趋于密实。对于饱和砂土，由于地震作用时间非常短（几十秒钟），受挤压的孔隙水来不急排出，导致孔隙水压力的急剧上升。根据有效应力原理，当上升的水压力达到土中原先由土骨架承担并传递的全部有效应力时，土体中的有效应力为
16、零，土粒处于悬浮状态，其抗剪强度为零，成为液化土。（3）在振动（地震）作用后。随孔隙水的逐渐排出，孔隙水应力随之下降并消散，砂土颗粒之间的有效应力逐渐增大，颗粒又重新接触并开始传递应力，组成新的骨架。砂土又达到稳定状态。此时砂土已被压缩，与振动荷载作用前相比，更为密实了。,50,液化危害:,51,日本阪神地震引起的路面塌陷,52,由于液化引起的河道破坏日本神户,53,桩基础（房屋基础露出地面）,54,（1）内因方面。土的类别、土的初始密实度、土的饱和度等对砂土的振动液化影响很大。粉细砂、粉土较粗砂易发生液化；不均匀系数小的砂土较易发生液化。粘性土因有粘聚力作用，很难发生液化。一般平均粒径小于2
17、mm，粘粒含量低于10%15%，塑性指数低于7 的饱和土在振动作用下，易发生液化。,2）影响砂土液化的主要因素,土的初始密实度越大，越不容易发生振动液化。,1964年日本新泻地震，相对密实度Dr0.7 的土没有发生液化，而相对密实度Dr=0.5 的土普遍发生了液化。,（2）外因方面。土的初始应力状态、往复应力（地震）强度与作用持续时间、地下水位的变化等对砂土的振动液化都有影响。,55,5.4.3 砂土液化的可能性判别,液化可分“两步判别”，即初步判断和标准贯入试验判断。,1）初步判别,饱和的砂土或粉土，当符合下列条件之一时，可初步判别为不液化或不考虑液化影响：1）第四纪晚更新世（Q3）及其以前
18、时，且设防烈度为7、8度时。2）粉土的粘粒（粒径小于0.005mm的颗粒）含量百分率c（），当烈度为7度、8度、9度是分别大于10、13、16时。,3）地下水位深度和覆盖非液化土层厚度满足以下各式之一时。,56,2）建筑抗震设计规范的液化判别方法,57,3）岩土工程勘察规范的液化判别方法,58,4）基于室内试验的计算对比经验判别方法,59,5）地基的液化等级划分,60,61,【解】（1）初步判别,均不满足不液化条件，需进一步判别。,62,（2）标准贯入试验判别：,63,64,5.4.4 抗液化的工程措施,可采用桩基、深基础、土层加密法或挖除全部液化土层等措施。对深基础，基础底面埋入液化深度以下
19、稳定土层中的深度0.5m。采用加密方法（如振动加密、强夯等）对可液化地基进行加固。当直接位于基底下的可液化土层较薄时，可采用全部挖除液化土层，然后分层会填非液化土。在采用加密法或换土法处理时，在基础边缘以外处理宽度，应超过基础底面下处理深度1/2，且不小于处理宽度1/5。,1）全部消除地基液化沉陷工程措施,65,2）部分消除液化地基沉陷工程措施,处理深度应使处理后地基液化指数减少，当判别深度为15m时，其值不宜大于4，当判别深度为20m时，其值不宜大于5；对于独立基础和条形基础，尚不应小于基础底面下液化土特征深度和基础宽度的较大值。采用振冲或挤密碎石桩加固后，桩间土的标准贯入锤击数不宜小于液化
20、判别标准贯入锤击数临界值。基础边缘以外的处理宽度，应超过基础底面处理深度的1/2，且不小于基础宽度的1/5。,3）减轻液化影响的基础和上部结构处理的综合措施,选择合适的基础埋置深度；调整基础底面积，减少基础偏心。加强基础的整体性和刚度，如采用箱基、筏基或钢筋混凝土交叉条形基础，加设基础圈梁等。减轻荷载，增强上部结构的整体刚度和均匀对称性，合理设置沉降缝，避免采用不均匀沉降敏感的结构形式。管道穿过建筑处应预留足够尺寸或采用柔性接头等。,66,本次课小结：,1.砂土振动液化的现象2.砂土的振动液化机理3.影响砂土液化的主要因素4.砂土液化的可能性判别5.抗液化的工程措施,5.4 砂土振动液化问题,
21、67,5.5.1 土压力的种类和影响因素,墙身位移与土压力的关系,5.5 挡土墙的土压力计算,1）土压力试验,68,（3）被动土压力（Passive earth pressure),（1）静止土压力（Earth pressure at rest),（2）主动土压力（Active earth pressure),岩石,拱桥桥台,2）土压力种类,69,（1）挡土墙的位移 墙体方向和位移量大小决定着所产生的土压力的大小。其它条件相同，挡土墙的移动方向相反，土压力的数值相差可达20倍。（2）挡土墙类型 挡土墙的剖面形状，包括墙背为竖值还是倾斜、光滑还是粗糙，都关系采用何种土压力计算理论公式和计算结果。
22、挡土墙的材料采用素混凝土或钢筋混凝土，可认为墙背表面光滑，不计摩擦力；若是砌石挡土墙，须计入摩擦力。（3）填土的性质 填土松密程度(重度)、干湿程度（含水率）、土的强度指标（内摩擦角和粘聚力）的大小，以及填土表面的形状（水平、上斜或下斜）等，都将会影响土压力的大小。,3）影响土压力的因素,70,5.5.2 静止土压力计算,岩基重力式挡土墙，墙自重大，地基坚硬，墙体不会产生位移和转动。地下室外墙在楼面和内隔墙的支撑作用下也无位移和转动。拱座不允许产生位移，故按静止土压力计算。水闸、船闸边墙因为与闸底板连成整体，边墙位移忽略不计，可按静止土压力计算。,1）静止土压力产生条件,71,2）静止土压力计
23、算公式,（1)按照经典弹性力学理论计算,72,（2)半经验公式,对于无粘性土及正常固结粘土：,对于超固结粘性土：,（3）经验取值,73,1/3H,2）总静止土压力,总静止土压力的作用点位于静止土压力三角形分布图形的重心，即墙底面以上H/3 处。,74,形心,1/3H2,若墙后填土中有地下水，则计算静止土压力时，水中土的重度应取浮重度。,75,静止土压力沿墙背的分布及其合力的作用点位置如图。,76,5.5.3 朗肯土压力理论,1）基本原理,朗肯（W.J.M RanKine）研究了半无限土体在自重应力作用下，土体内各点从弹性平衡状态发展为极限平衡状态的应力条件，即朗肯土压力理论。,朗肯土压力理论假
24、设条件：表面水平的半无限土体，处于极限平衡状态。,朗肯土压力理论适用条件为：挡土墙的墙背垂直、光滑；挡土墙墙后填土表面水平。,77,a）计算简图 b）应力状态示意图 c）主动破坏剪切面示意图,剪切破坏面与大主应力作用面的夹角是:,2）朗肯主动土压力,（1)理论研究,78,（2）主动土压力计算公式,由于,则有,79,a）无粘性土朗肯主动土压力 b）粘性土朗肯主动土压力,80,粘性土,无粘性土,（3）总主动土压力,81,1f,v=z,K0v,s1,s3,45-f/2,ep,3）朗肯被动土压力,被动极限平衡应力状态,（1）理论研究,82,a）计算简图 b）应力状态示意图 c）被动破坏剪切面示意图,（
25、2)被动土压力强度计算,83,由于,则有,84,a）无粘性土朗肯被动土压力 b）粘性土朗肯被动土压力,85,（3）总被动土压力计算,无粘性土,粘性土,作用点位于被动土压力梯形分布图形的重心。,作用点位于被动土压力分布图形的重心，墙底面以上H/3 处。,86,87,3）绘制挡土墙上的主动土压力、被动土压力沿深度分布图。,a)主动土压力 b)被动土压力,88,如果墙背倾斜，具有倾角；墙背粗糙，与填土摩擦角为；墙后填土面任意。如何计算挡土墙后的土压力？,89,5.5.4 库仑土压力理论,1）基本原理,库仑研究的课题,库仑土压力的基本假定,（1）库仑研究的课题模型,（2）库仑土压力理论的基本假设,平面
26、滑裂面假设刚体滑动假设楔体状态假设,90,2）库仑主动土压力计算,（1）土压力分析,91,或,（2)库仑主动土压力计算,92,（3）库仑主动土压力的分布,作用点位于三角形图形的重心，即墙底面以上H/3处。,93,94,3）库仑被动土压力计算,（1）受力分析,库仑被动土压力计算,95,（2）计算公式,96,（3）库仑被动土压力的分布,总被动土压力的作用点位于被动土压力三角形分布图形的重心，即墙底面以上H/3 处。,97,4）朗肯土压力理论与库仑土压力理论的比较,（1)分析原理的异同：朗肯理论从半无限土体中一点的极限平衡应力状态出发，求得墙背上各点的土压力强度。库仑理论根据挡土墙墙背和滑裂面之间的
27、土楔体整体处于极限平衡状态，用静力平衡条件，求得墙背上的总土压力。,（2)墙背条件不同：朗肯理论假定墙背垂直光滑；库仑土压力理论墙背可以是倾斜的，也可以是非光滑的，使其能适用于较为复杂的各种实际边界条件。（3)填土条件不同：朗肯土压力理论对于黏性土和无黏性土均适用，而库仑土压力理论不能直接应用于黏性土的挡土墙。朗肯土压力理论假定填土表面水平；库仑土压力理论填土表面可以是水平的，也可以是倾斜的，应用范围广泛。,98,朗肯主动土压力偏大,墙背垂直填土水平实际 d 0,朗肯被动土压力偏小,（4)计算误差不同,99,5.5.5 几种常见情况的土压力,1）建筑地基基础设计规范GB50007-2002推荐
28、的公式法,100,2）地面均布荷载作用下的土压力计算,（1）挡土墙墙背垂直，填土表面水平的情况,土压力梯形分布，作用在梯形的重心。,101,（2）挡土墙墙背倾斜，填土表面倾斜的情况,被动土压力：,102,qKa,局部荷载-朗肯土压力理论：,103,粘性土被动土压力的计算：,104,3）车辆荷载引起的土压力计算,a）土压力计算原理 b）重车的挡土墙计算长度,公路桥涵设计通用规范（JTGD60-2004）,105,106,4）墙后填土分层情况,107,5）填土中有地下水情况,（1）水土分算,对于地下水位以下的碎石土和砂土，一般采用“水土分算”法。分别计算作用在墙背上的土压力和水压力，然后进行叠加。
29、,（2）水土合算,对于地下水位以下粘性土、粉土、淤泥及淤泥质土，通常采用“水土合算”法，土的重度采用饱和重度，土压力系数采用总应力抗剪强度指标。,108,水土分算：,109,构造要求：一般用砂性土，墙设排水孔以及反滤层，填土表面设沟、堤等截流。水下部分：土压力 Pa=Kasz水压力 pu=u(静水压力、渗流压力、超静孔压),填土中有水,排水管,排水孔,土工织物反滤,砂砾石料,110,111,112,本次课总结：,5.5 挡土墙的土压力计算,5.5.1 土压力的种类和影响因素5.5.2 静止土压力计算5.5.3 朗肯土压力理论 1）基本原理 2）朗肯主动土压力 3）朗肯被动土压力5.5.4 库仑土压力理论5.5.5 几种常见情况的土压力计算 1）建筑地基基础设计规范推荐的公式法 2）地面均布荷载作用下的土压力计算 3）车辆荷载引起的土压力计算 4）墙后填土分层的情况,113,
