tlxdjjc9《土力学与地基基础》第九章地基承载力.ppt
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1、tlxdjjc9土力学与地基基础第九章地基承载力 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望本章提要与学习目标地基承载力理论与计算是土力学的主要课题之一,地基承载力理论与计算是土力学的主要课题之一,也是一个非常复杂的问题,影响因素比较多。地也是一个非常复杂的问题,影响因素比较多。地基基础设计时,必须满足上部结构荷载通过基础基基础设计时,必须满足上部结构荷载通过基础传到地基土的压力不得大于地基承载力的要求,传到地基土的压力不得大于地基承载力的要求,以确保地基土不
2、丧失稳定性。本章主要学习地基以确保地基土不丧失稳定性。本章主要学习地基的破坏模式、浅基础的临塑荷载和临界荷载、极的破坏模式、浅基础的临塑荷载和临界荷载、极限承载力、容许承载力以及地基承载力特征值的限承载力、容许承载力以及地基承载力特征值的选取等方面的知识。这些内容不仅是土的强度理选取等方面的知识。这些内容不仅是土的强度理论的实际应用,也是学习基础工程设计所必备的论的实际应用,也是学习基础工程设计所必备的基本知识。基本知识。2 2通过本章学习,要求理解各种地基承载力的理论方法与基本假设,明确各种方法的应用前提,能够结合具体的实际工程情况,确定合理的符合实际的地基承载力特征值。3 3本章重点地基、
3、基础、地基承载力地基、基础、地基承载力地基的破坏模式地基的破坏模式临塑荷载和临界荷载临塑荷载和临界荷载极限承载力、容许承载力极限承载力、容许承载力地基承载力特征值地基承载力特征值4 49.1 9.1 地基的破坏模式地基的破坏模式地基:受建筑物影地基:受建筑物影响的那部分地层称响的那部分地层称为地基。为地基。基础:与地基接触基础:与地基接触的建筑物下部的扩的建筑物下部的扩大部分称为基础。大部分称为基础。持力层、下卧层持力层、下卧层地基承载力:地基承载力:地基地基所能承受荷载的能所能承受荷载的能力力5 5由于地基土在建筑物荷载作用下产生变形,引起基础过大的沉降或者沉降差,使上部结构倾斜、开裂以致毁
4、坏或失去使用价值。由于建筑物的荷载过大,超过了地基土所能承受的能力而使地基产生滑动破坏。地基中有哪些问题需要考虑呢?地基中有哪些问题需要考虑呢?建筑物建筑物建筑物建筑物 荷载荷载荷载荷载基础基础基础基础 地基地基地基地基 地基中产生附加地基中产生附加地基中产生附加地基中产生附加应力应力应力应力 地基变形地基变形地基变形地基变形6 6建筑物基础的沉降量或沉降差必须在该建筑物所允许的范围内(变形要求)。地基必须满足哪些条件呢?地基必须满足哪些条件呢?建筑物的基底压力应该在地基所允许的承载能力之内(稳定要求)。特殊的建筑物如堤坝、水闸等地基还应满足抗渗、防冲等特殊要求。7 7 地基承载力不足而使地基
5、破坏的根本原因是地基承载力不足而使地基破坏的根本原因是地基承载力不足而使地基破坏的根本原因是由于荷载过大,使地基中的剪应力达到或超过了由于荷载过大,使地基中的剪应力达到或超过了由于荷载过大,使地基中的剪应力达到或超过了地基土的抗剪强度。地基土的抗剪强度。地基土的抗剪强度。整体剪切破坏整体剪切破坏 局部剪切破坏局部剪切破坏 冲剪破坏冲剪破坏 地基中剪切破坏的型式有地基中剪切破坏的型式有 地基承载力不足而使地基破坏的实质是基础地基承载力不足而使地基破坏的实质是基础地基承载力不足而使地基破坏的实质是基础下持力层土的剪切破坏。下持力层土的剪切破坏。下持力层土的剪切破坏。8 8千斤顶荷载板荷载板9 9
6、整体剪切破坏整体剪切破坏整体剪切破坏整体剪切破坏线性变形阶段:线性变形阶段:主要产生压缩主要产生压缩变形,荷载与沉降关系接近于变形,荷载与沉降关系接近于直线直线,地基处于弹性平衡状态地基处于弹性平衡状态O Ospa b c 弹塑性变形阶段弹塑性变形阶段:荷载与沉降荷载与沉降关系呈曲线,地基中局部产生关系呈曲线,地基中局部产生剪切破坏,出现塑性变形区。剪切破坏,出现塑性变形区。破坏阶段:破坏阶段:塑性区扩大,发展塑性区扩大,发展成连续滑动面,荷载增加,沉成连续滑动面,荷载增加,沉降急剧变化。降急剧变化。1010 整体剪切破坏整体剪切破坏整体剪切破坏整体剪切破坏临塑荷载临塑荷载p pcrcr:地基
7、开始出现剪切地基开始出现剪切破坏破坏(即弹性变形阶段转变为弹即弹性变形阶段转变为弹塑性变形阶段塑性变形阶段)时,地基所承受时,地基所承受的基底压力。的基底压力。pcr puO Ospa b c 极限荷载极限荷载Pu:地基濒临破坏地基濒临破坏(即即弹塑性变形阶段转变为破坏阶段弹塑性变形阶段转变为破坏阶段)时,地基所承受的基底压力。时,地基所承受的基底压力。1111(2)(2)随随着着荷荷载载增增加加,压压密密区区I I向向两两侧侧挤挤压压,土土中中产产生生塑塑性性区区,塑塑性性区区先先在在基基础础边边缘缘产产生生,然然后后逐逐步步扩扩大大形形成成IIII、IIIIII塑塑性性区区。基基础的沉降增
8、长率较前一阶段增大,故础的沉降增长率较前一阶段增大,故 p ps s曲线呈曲线状。曲线呈曲线状。(1)(1)当基础上荷载较小时,基础下形成一个三角形压密区当基础上荷载较小时,基础下形成一个三角形压密区I I,随,随同基础压入土中,同基础压入土中,p ps s曲线呈直线关系。曲线呈直线关系。整体剪切破坏整体剪切破坏p-sp-s曲线曲线上有两个明显的转折点,区上有两个明显的转折点,区分地基变形三个阶段:分地基变形三个阶段:整体剪切破坏整体剪切破坏整体剪切破坏整体剪切破坏(3)(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,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
9、侧挤出并隆起,基础沉降急剧增加,整个地基失稳破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。坏。1212某谷仓的地基整体剪切破坏13131940年在软粘土地基上的某水泥仓的倾覆1414 随着荷载的增加,基础下随着荷载的增加,基础下也产生压密区也产生压密区I I及塑性区及塑性区IIII,但,但塑性区仅仅发展到地基某一范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围内,土中滑动面并不延伸到地面,基础两侧地面微微隆起,地面,基础两侧地面微微隆起,没有出现明显的裂缝。没有出现明显的裂缝。局部剪切破坏局部剪切破坏p-sp-s曲线没有明显曲线没有明显的直线段,地基破坏时曲线也没有的直
10、线段,地基破坏时曲线也没有明显的陡降。明显的陡降。局部剪切破坏局部剪切破坏局部剪切破坏局部剪切破坏O Osp p ps s曲线上坡度发生显著曲线上坡度发生显著变化(即变化率最大的点)所变化(即变化率最大的点)所对应的基底压力对应的基底压力p p作为地基的极作为地基的极限承载力限承载力PuPu 。1515 随着荷载的增加,基础下土层发生随着荷载的增加,基础下土层发生压缩变形,基础出现持续下沉,当荷载压缩变形,基础出现持续下沉,当荷载继续增加,基础周围附近土体发生竖向继续增加,基础周围附近土体发生竖向剪切破坏,使基础刺入土中,地基不出剪切破坏,使基础刺入土中,地基不出现连续的滑动面,基础两侧地面不
11、出现现连续的滑动面,基础两侧地面不出现隆起。隆起。冲剪破坏冲剪破坏p-sp-s曲线没有明显的转折曲线没有明显的转折点。点。冲剪破坏冲剪破坏冲剪破坏冲剪破坏 p ps s曲线上平均下沉梯度接近常数曲线上平均下沉梯度接近常数且出现不规则下沉时对应的基底压力且出现不规则下沉时对应的基底压力p p作为地基的极限承载力作为地基的极限承载力Pu。O Osp1616软粘土上的密砂地基的冲剪破坏1717 较坚硬或密实的土 较低的压缩性 整体剪切破坏 地基的破坏方式主要与地基土的性质尤其是压地基的破坏方式主要与地基土的性质尤其是压缩性有关。缩性有关。地基究竟会发生哪种方式的破坏呢?地基究竟会发生哪种方式的破坏呢
12、?地基究竟会发生哪种方式的破坏呢?地基究竟会发生哪种方式的破坏呢?软弱粘土或松砂土 中高压缩性 局部剪切破坏或冲剪破坏18189.2 9.2 浅基础的临塑荷载和临界荷载浅基础的临塑荷载和临界荷载地基容许承载力(allowable bearing capacity)是指考虑一定安全储备后的地基承载力,一般记作pa。工程实践中,根据建筑物的不同要求,可以用临塑荷载或临界荷载作为地基的容许承载力,也可以将极限承载力除以一定的安全系数作为地基容许承载力。1919地基破坏过程中的剪切阶段是土中塑性区范围随着荷载的增加而不断发展的阶段,把土中塑性区开展到不同深度时所对应的荷载称为临界荷载,而地基土中将要出
13、现但是尚未出现塑性区,即塑性区开展深度为0时的浅基础基底压力称作临塑荷载。2020浅基础的临塑荷载和临界荷载浅基础的临塑荷载和临界荷载临塑荷载:临塑荷载:2.局部塑性区局部塑性区1.弹性阶段弹性阶段地基处于弹性阶段与局部塑性阶段界限状态地基处于弹性阶段与局部塑性阶段界限状态时对应的荷载。此时地基中任一点都未达到时对应的荷载。此时地基中任一点都未达到塑性状态,但即将达到塑性状态,但即将达到2121临塑荷载与临界荷载计算临塑荷载与临界荷载计算(条形基础条形基础)q=0dp2 zM自重应力自重应力 1=0d+z 3=k0(0d+z)设设k0=1.0合力合力=附加应力附加应力B2222极限平衡条件极限
14、平衡条件:将将 1,3的解代入极限平衡条件,得到:的解代入极限平衡条件,得到:2323 由由z与与 的单值关系可求出的单值关系可求出z的极值的极值Zmax=0 pcr=0 dNq+cNc临塑荷载临塑荷载其中其中 2424Zmax=B/4 或或 B/3:p1/4=B N1/4+0 d Nq+cNc临界荷临界荷载载p1/3=B N1/3+0 d Nq+cNc其中其中 中心荷载偏心荷载2525临塑荷载是指塑性区最大深度等于基础埋深时所对应的荷载。(F )26269.3 9.3 地基极限承载力理论地基极限承载力理论地基的极限承载力(ultimate bearing capacity)是地基不致失稳时地
15、基土单位面积上所能承受的最大荷载,一般记作pu。其确定方法一般有两种:(1)通过载荷板试验;(2)根据土的极限平衡条件和已知的边界条件,建立一些半经验半理论性的计算公式。2727一、普朗特尔极限承载力理论一、普朗特尔极限承载力理论 宽度为B的条形基础,置于地基表面,在中心荷载P作用下的极限荷载Pu值普朗特尔的基本假设及结果,归纳为如下几点:(1)地基土是均匀、各向同性的无重量介质均匀、各向同性的无重量介质,即认为土的r=0,而只具有C,的材料。(2)基础底面光滑基础底面光滑,即基础底面与土之间无摩擦力存在,所以基底的压应力垂直于地面。(3)当地基处于极限平衡状态时,将出现连续的滑动面,其滑动区
16、域将由朗肯主动区I,径向剪切区II或过渡区和朗肯被动区III所组成。2828普朗特尔极限承载力理论普朗特尔极限承载力理论 Pbcc dd 4545o o /24545o o /2将无限长,将无限长,底面光滑底面光滑的荷载板至于的荷载板至于无质量的土无质量的土(0)0)的表面上,荷载板下土体处于塑性平衡的表面上,荷载板下土体处于塑性平衡状态时,塑性区分成五个区状态时,塑性区分成五个区区:区:主动朗肯区,主动朗肯区,1 1竖直向,破裂面与水竖直向,破裂面与水平面成平面成4545o o /2/2区:区:普朗特尔区,边普朗特尔区,边界是对数螺线界是对数螺线 区:区:被动朗肯区,被动朗肯区,1 1水平向
17、,破裂面与水水平向,破裂面与水平面成平面成4545o o /2/22929普朗特尔理论的极限承载力理论解普朗特尔理论的极限承载力理论解式中:式中:承载力系数承载力系数当基础有埋深当基础有埋深d d 时时式中式中:3030二、太沙基极限承载力理论二、太沙基极限承载力理论太沙基(Terzaghi,1943)从实用角度建议,当基础的长宽比l/b 5并且基础的埋深与宽度之比d/b 1时,可以作为条形浅基础。基底以上的土体看作是作用在基础两侧的均布荷载q=d。在此基础上,太沙基提出了其确定条形浅基础的极限荷载计算公式。3131l l太沙基假定基础底面太沙基假定基础底面有完全光滑、完全粗有完全光滑、完全粗
18、糙和既非完全光滑亦糙和既非完全光滑亦非完全粗糙三种情况非完全粗糙三种情况的,本节进行推导时的,本节进行推导时只按照完全粗糙的情只按照完全粗糙的情况进行讨论,地基滑况进行讨论,地基滑裂面的形状如图裂面的形状如图9-79-7所所示,也分成三个区示,也分成三个区 puABCEFDG3232二、太沙基极限承载力理论二、太沙基极限承载力理论 底面粗糙,底面粗糙,基底与土之间有较大的基底与土之间有较大的摩擦力,能阻止基底土发生剪切位摩擦力,能阻止基底土发生剪切位移,基底以下土不会发生破坏,处移,基底以下土不会发生破坏,处于弹性平衡状态于弹性平衡状态区:区:弹性压密区弹性压密区(弹弹性核性核)区:区:普朗特
19、尔区,边普朗特尔区,边界是对数螺线界是对数螺线 区:区:被动朗肯区,被动朗肯区,1水水平向,破裂面与水平面成平向,破裂面与水平面成45o /2P Pa aa a b bc cc c d dd d 4545o o /24545o o /23333太沙基理论的极限承载力理论解太沙基理论的极限承载力理论解Nr、Nq、Nc均为承载力系数,均与均为承载力系数,均与 有关,太沙基给出关系曲线,可有关,太沙基给出关系曲线,可以根据相关曲线得到以根据相关曲线得到上式适用于条形基础整体剪切破坏情况,对于局部剪切破坏,将上式适用于条形基础整体剪切破坏情况,对于局部剪切破坏,将c c和和tantan 均降低均降低1
20、/31/3 方形基础方形基础局部剪切破坏时地基极限承载力局部剪切破坏时地基极限承载力N Nr r 、N Nq q 、N Nc c 为局部剪切破坏时承载力系数,也为局部剪切破坏时承载力系数,也可以根据相关曲可以根据相关曲线得到线得到对于方形和圆形基础,太沙基提出采用经验系数修正后的公式对于方形和圆形基础,太沙基提出采用经验系数修正后的公式 圆形基础圆形基础3434三、考虑其它因素影响的承载力计算公式普朗特尔与太沙基承载力公式,都是针对中心竖向荷载作用下的条形基础,并且忽略基础底面以上土的抗剪强度的作用。因此,若基础上荷载是倾斜的或者偏心的,基底形状是矩形的或圆形的,基础埋深比较深、计算时需要考虑
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