情境基坑工程施工.pptx
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1、主要规范、规程l建筑地基基础设计规范建筑地基基础设计规范GB50007GB5000720022002l岩土工程勘察规范岩土工程勘察规范GB50021GB5002120022002l建筑地基基础工程施工质量验收规范建筑地基基础工程施工质量验收规范(GB50202-2002)(GB50202-2002)l土工试验方法标准土工试验方法标准GB/T50123GB/T5012319991999学习情境五学习情境五 基坑工程施工基坑工程施工 第1页/共158页任务任务1 1 土的抗剪强度与极限平衡土的抗剪强度与极限平衡1.11.1土的抗剪强度土的抗剪强度1 1 库仑定律库仑定律17761776年,库仑根据
2、剪切试验提出年,库仑根据剪切试验提出土的抗剪强度土的抗剪强度库仑定律。库仑定律。f=tan 砂土砂土 f=c+tan 粘土粘土c f f库仑定律:库仑定律:土的抗剪强土的抗剪强度是剪切面上的法向总应度是剪切面上的法向总应力力 的线性函数的线性函数 c:土的粘聚力土的粘聚力:土的内摩擦角土的内摩擦角砂砂 土土粘性土粘性土子情境一子情境一 土的抗剪强度土的抗剪强度 第2页/共158页有效应力说明:说明:称为称为土的土的有效应力,有效应力,c c 、为土的有效粘聚力为土的有效粘聚力和有效内摩擦角,即土的有效应力强度指标。施加于试样上和有效内摩擦角,即土的有效应力强度指标。施加于试样上的垂直法向应力的
3、垂直法向应力 为总应力,为总应力,c c、为总应力意义上的土的粘为总应力意义上的土的粘聚力和内摩擦角,称之为总应力强度指标。聚力和内摩擦角,称之为总应力强度指标。根据有效应力原理:根据有效应力原理:土的抗剪强度并不是由剪切面上的法土的抗剪强度并不是由剪切面上的法向总应力决定,而是取决于剪切面上的向总应力决定,而是取决于剪切面上的法向有效应力法向有效应力,即即 有效应力强度指标确切地表达出了土的抗剪强有效应力强度指标确切地表达出了土的抗剪强度的实质,是比较合理的表达方法度的实质,是比较合理的表达方法 剪切面上的总应力与有效应力之间关系为:剪切面上的总应力与有效应力之间关系为:子情境一子情境一 土
4、的抗剪强度土的抗剪强度 第3页/共158页子情境一子情境一 土的抗剪强度土的抗剪强度 第4页/共158页土体抗剪强度组成:土体抗剪强度组成:l摩擦力:摩擦力:大小取决于剪切面上的正应力和土的内摩擦大小取决于剪切面上的正应力和土的内摩擦角。角。l粘聚力:粘聚力:由土粒之间的胶结作用和电分子引力等因素由土粒之间的胶结作用和电分子引力等因素形成,形成,与所受压力无关与所受压力无关。摩擦力的两个来源:摩擦力的两个来源:u滑动摩擦:剪切面土粒间表面的粗糙所产生的摩擦滑动摩擦:剪切面土粒间表面的粗糙所产生的摩擦 u咬合摩擦:土粒间互相嵌入所产生的咬合力咬合摩擦:土粒间互相嵌入所产生的咬合力 子情境一子情境
5、一 土的抗剪强度土的抗剪强度 第5页/共158页1.2土的极限平衡理论1 1土中一点的应力状态土中一点的应力状态 土体内一点处不同方位的截面上应力的集合(剪应力土体内一点处不同方位的截面上应力的集合(剪应力 和法向应力和法向应力)3 3 1 1 3 1 dsdxdy楔体静楔体静力平衡力平衡子情境一子情境一 土的抗剪强度土的抗剪强度 第6页/共158页 3 1 dsdxdy斜面上的应力斜面上的应力莫尔应力圆方程莫尔应力圆方程 O 1 31/2(1+3)2 A(,)圆心坐标圆心坐标1/2(1+3),0应力圆半径应力圆半径r1/2(13)土中某点的应土中某点的应力状态可用莫力状态可用莫尔应力圆描述尔
6、应力圆描述 子情境一子情境一 土的抗剪强度土的抗剪强度 第7页/共158页强度线强度线&用莫尔应力圆与库仑强度直线相切的应力状态作为判用莫尔应力圆与库仑强度直线相切的应力状态作为判别土体破坏的准则,称为别土体破坏的准则,称为莫尔库仑破坏准则莫尔库仑破坏准则。&土的抗剪强度直线又称为土的抗剪强度直线又称为莫尔库仑强度包线莫尔库仑强度包线或或抗剪抗剪强度包线强度包线。2莫尔库仑破坏准则极限摩尔应力圆与极限摩尔应力圆与土的抗剪强度直线土的抗剪强度直线相切相切子情境一子情境一 土的抗剪强度土的抗剪强度 第8页/共158页莫尔库仑破坏准则应力圆与强度线应力圆与强度线相离:相离:强度线强度线应力圆与强度线
7、应力圆与强度线相切:相切:应力圆与强度线应力圆与强度线相割:相割:极限应极限应力圆力圆f 破坏状态破坏状态 子情境一子情境一 土的抗剪强度土的抗剪强度 第9页/共158页3土的极限平衡条件 3 1c f2 fA cctg 1/2(1+3)无粘性土:无粘性土:c=0子情境一子情境一 土的抗剪强度土的抗剪强度 第10页/共158页土体处于极限平衡状态时,破坏面与大主应力作土体处于极限平衡状态时,破坏面与大主应力作用面的夹角为用面的夹角为 f f2 f 3 1c A cctg 1/2(1+3)说明:说明:剪破面并不产生于最大剪应力面,而与最大剪剪破面并不产生于最大剪应力面,而与最大剪应力面成应力面成
8、 /2的夹角,可知,土的剪切破坏并不是由的夹角,可知,土的剪切破坏并不是由最大剪应力最大剪应力max所控制所控制 max子情境一子情境一 土的抗剪强度土的抗剪强度 第11页/共158页【例例】地基中某一单元土体上的大主应力为地基中某一单元土体上的大主应力为430kPa430kPa,小主应力为,小主应力为200kPa200kPa。通过试验测得土的。通过试验测得土的抗剪强度指标抗剪强度指标c c=15 kPa=15 kPa,=20=20o o。试问。试问该单元该单元土体处于何种状态?土体处于何种状态?单元土体最大剪应力出现单元土体最大剪应力出现在哪个面上,是否会沿剪应力最大的面发生剪破在哪个面上,
9、是否会沿剪应力最大的面发生剪破?【解解】已知已知 1=430kPa=430kPa,3=200kPa=200kPa,c=15kPa=15kPa,=20=20o o 1.1.计算法计算法计算结果表明:计算结果表明:1f大于该单元土体实际大主应力大于该单元土体实际大主应力 1,实际应力圆半径小于极限应力圆半径,所以,该,实际应力圆半径小于极限应力圆半径,所以,该单元土体处于弹性平衡状态单元土体处于弹性平衡状态 子情境一子情境一 土的抗剪强度土的抗剪强度 第12页/共158页计算结果表明:计算结果表明:3f小于该单元土体实际小主应小于该单元土体实际小主应力力 3,实际应力圆半径小于极限应力圆半径,实际
10、应力圆半径小于极限应力圆半径,所以,该单元土体处于弹性平衡状态所以,该单元土体处于弹性平衡状态 在剪切面上在剪切面上 由库仑定律由库仑定律 由于由于f ,所以,该单元土体处于弹性平衡状态,所以,该单元土体处于弹性平衡状态 子情境一子情境一 土的抗剪强度土的抗剪强度 第13页/共158页2.2.图解法图解法 c 1 1f 3f实际应力圆实际应力圆极限应力圆极限应力圆最大剪应力与主应力作用面成最大剪应力与主应力作用面成4545o o最大剪应力面上的法向应力最大剪应力面上的法向应力由库仑定律由库仑定律 最大剪应力面上最大剪应力面上f ,所以,不会沿剪应力最大的面,所以,不会沿剪应力最大的面发生破坏发
11、生破坏 max子情境一子情境一 土的抗剪强度土的抗剪强度 第14页/共158页任务2 抗剪强度指标的测定方法1 直接剪切试验直接剪切试验试验仪器:试验仪器:直剪仪(应力控制式,应变控制式)直剪仪(应力控制式,应变控制式)1轮轴;轮轴;2底座;底座;3透水石;透水石;4测微表;测微表;5活塞;活塞;6上盒;上盒;7土样;土样;8测微表;测微表;9量力环;量力环;10下盒下盒子情境一子情境一 土的抗剪强度土的抗剪强度 第15页/共158页直接剪切仪子情境一子情境一 土的抗剪强度土的抗剪强度 第16页/共158页直接剪切仪子情境一子情境一 土的抗剪强度土的抗剪强度 第17页/共158页直接剪切仪子情
12、境一子情境一 土的抗剪强度土的抗剪强度 第18页/共158页直剪试验直剪试验通过控制通过控制剪切速率来近似模剪切速率来近似模拟排水条件拟排水条件l固结慢剪:试样在垂直压力作用下,待充分排水固结稳固结慢剪:试样在垂直压力作用下,待充分排水固结稳定后(变形稳定标准为每小时不大于定后(变形稳定标准为每小时不大于0.005mm0.005mm),再缓),再缓慢施加水平剪力慢施加水平剪力(剪切速度小于剪切速度小于0.02mm/min)0.02mm/min),使剪切过,使剪切过程中试样也充分排水固结程中试样也充分排水固结 l固结快剪:试样在垂直压力下排水固结稳定后,迅速施固结快剪:试样在垂直压力下排水固结稳
13、定后,迅速施加水平剪力加水平剪力(剪切速度为剪切速度为0.8mm/min 0.8mm/min,3-53-5分钟内快速剪分钟内快速剪切破坏切破坏),以保持土样的含水量在剪切前后基本不变。,以保持土样的含水量在剪切前后基本不变。l快剪:施加正应力后立即剪切快剪:施加正应力后立即剪切(剪切速度为剪切速度为0.8mm/min 0.8mm/min,3-53-5分钟内快速剪切破坏分钟内快速剪切破坏),确保不让孔隙水排出,确保不让孔隙水排出。直接剪切试验直接剪切试验子情境一子情境一 土的抗剪强度土的抗剪强度 第19页/共158页在不同的垂直压力在不同的垂直压力 下进行剪切试验,得相应的抗下进行剪切试验,得相
14、应的抗剪强度剪强度f,绘制,绘制f-曲线,得该土的抗剪强度包曲线,得该土的抗剪强度包线线子情境一子情境一 土的抗剪强度土的抗剪强度 第20页/共158页直剪试验优缺点优点:优点:仪器构造简单,试样的制备和安装方便,仪器构造简单,试样的制备和安装方便,易于操作易于操作 缺点:缺点:剪切破坏面固定为上下盒之间的水平面不符剪切破坏面固定为上下盒之间的水平面不符合实际情况,不一定是土样的最薄弱面。合实际情况,不一定是土样的最薄弱面。试验中不能严格控制排水条件,对透水性强试验中不能严格控制排水条件,对透水性强的土尤为突出,不能量测土样的孔隙水压力。的土尤为突出,不能量测土样的孔隙水压力。上下盒的错动,剪
15、切过程中试样剪切面积逐上下盒的错动,剪切过程中试样剪切面积逐渐减小,剪切面上的剪应力分布不均匀渐减小,剪切面上的剪应力分布不均匀子情境一子情境一 土的抗剪强度土的抗剪强度 第21页/共158页三轴压缩试验l l三轴是指一个竖向和两个侧向而言,由于压力室和试三轴是指一个竖向和两个侧向而言,由于压力室和试三轴是指一个竖向和两个侧向而言,由于压力室和试三轴是指一个竖向和两个侧向而言,由于压力室和试样均为圆柱形,因此,两个侧向样均为圆柱形,因此,两个侧向样均为圆柱形,因此,两个侧向样均为圆柱形,因此,两个侧向(或称周围或称周围或称周围或称周围)的应力相等的应力相等的应力相等的应力相等并为小主应力并为小
16、主应力并为小主应力并为小主应力3 3 3 3,而竖向,而竖向,而竖向,而竖向(或轴向或轴向或轴向或轴向)的应力为大主应力的应力为大主应力的应力为大主应力的应力为大主应力1 1 1 1。在增加。在增加。在增加。在增加1 1 1 1时保持时保持时保持时保持3 3 3 3不变,这样条件下的试验称不变,这样条件下的试验称不变,这样条件下的试验称不变,这样条件下的试验称为常规三轴压缩试验。为常规三轴压缩试验。为常规三轴压缩试验。为常规三轴压缩试验。应变控制式三轴应变控制式三轴 仪:仪:由压力室,由压力室,加压系统,量测加压系统,量测系统组成。系统组成。子情境一子情境一 土的抗剪强度土的抗剪强度 第22页
17、/共158页压力室压力室量测系统量测系统三轴压缩仪三轴压缩仪子情境一子情境一 土的抗剪强度土的抗剪强度 第23页/共158页三轴压缩仪三轴压缩仪子情境一子情境一 土的抗剪强度土的抗剪强度 第24页/共158页 3 3 3 3 3 3 1.1.将土样装入压力室;将土样装入压力室;2.2.施加压力室周围液体压力施加压力室周围液体压力3 3;3.3.通过压力框架与通过压力框架与活塞杆活塞杆施加竖向施加竖向压力压力 ,则施加的竖向应力则施加的竖向应力 1 1=3 3 。三轴试验步骤:三轴试验步骤:子情境一子情境一 土的抗剪强度土的抗剪强度 第25页/共158页l固结排水试验(CDCD试验)1 打开排水
18、阀门打开排水阀门施加围压力施加围压力 后充分固结,超静孔隙水压力完全消散;后充分固结,超静孔隙水压力完全消散;2 打打开开排排水水阀阀门门,慢慢慢慢施施加加竖竖向向应应力力 后后,充充分分排排水水固固结结,超超静静孔孔压压水水压力为零。压力为零。l固结不排水试验(CUCU试验)1 打打开开排排水水阀阀门门,施施加加周周围围压压力力 后后充充分分固固结结,超超静静孔孔隙隙水水压压力力完完全全消消散;散;2 关闭排水阀门,在施加竖向应力关闭排水阀门,在施加竖向应力 过程中不排水不固结过程中不排水不固结l不固结不排水试验(UUUU试验)1 关闭排水阀门,施加周关闭排水阀门,施加周围压力围压力 ,不排
19、水不固结;不排水不固结;2 关闭排水阀门,在施加竖向应力关闭排水阀门,在施加竖向应力 后后过程中不排水不固结过程中不排水不固结cd、d ccu、cu cu、u 试验类型子情境一子情境一 土的抗剪强度土的抗剪强度 第26页/共158页抗剪强度包线分别在不同的周围压力分别在不同的周围压力 3作用下进行剪切,得作用下进行剪切,得到到3 34 4 个不同的破坏应力圆,绘出各应力圆的个不同的破坏应力圆,绘出各应力圆的公切线即为土的抗剪强度包线公切线即为土的抗剪强度包线抗剪强度包线抗剪强度包线 c 子情境一子情境一 土的抗剪强度土的抗剪强度 第27页/共158页三轴试验优缺点优点:优点:试验中能严格控制试
20、样排水条件,量测孔隙水压试验中能严格控制试样排水条件,量测孔隙水压力,了解土中有效应力变化情况力,了解土中有效应力变化情况试样中的应力分布比较均匀试样中的应力分布比较均匀 缺点:缺点:试验仪器复杂,操作技术要求高,试样制备较复试验仪器复杂,操作技术要求高,试样制备较复杂杂 试验在试验在 2 2=3 3的轴对称条件下进行,与土体实际的轴对称条件下进行,与土体实际受力情况可能不符受力情况可能不符 第28页/共158页3无侧限抗压强度试验ququ加压加压框架框架量表量表量力环量力环升降升降螺杆螺杆无侧限压缩仪无侧限压缩仪 无侧限抗压强度试验是三轴剪切试验的特例,对试样不施加周无侧限抗压强度试验是三轴
21、剪切试验的特例,对试样不施加周 围压力,即围压力,即 3 3=0=0,只施加轴向压力直至发生破坏,试样在无侧限压力条件下,剪切破坏时,只施加轴向压力直至发生破坏,试样在无侧限压力条件下,剪切破坏时试样承受的最大轴向压力试样承受的最大轴向压力q qu u,称为,称为无侧限抗压强度无侧限抗压强度 。试试样样第29页/共158页无侧限无侧限压缩仪压缩仪子情境一子情境一 土的抗剪强度土的抗剪强度 第30页/共158页对于饱和软粘土,根据三轴对于饱和软粘土,根据三轴不排水剪试验成果,其强度不排水剪试验成果,其强度包线近似于一水平线,即包线近似于一水平线,即 u u=0=0,因此无侧限抗压强度,因此无侧限
22、抗压强度试验适用于测定饱和软粘土试验适用于测定饱和软粘土的不排水强度。的不排水强度。无侧限抗压强度试验仪器构造简单,操作方便,可代替无侧限抗压强度试验仪器构造简单,操作方便,可代替三轴试验测定饱和软粘土的不排水强度。三轴试验测定饱和软粘土的不排水强度。无侧限抗压强度无侧限抗压强度 qucu u=0子情境一子情境一 土的抗剪强度土的抗剪强度 第31页/共158页适适用用于于现现场场测测定定饱饱和和粘粘性性土土的的不不排排水水强强度度,尤尤其其适适用用于于均均匀匀的的饱饱和软粘土和软粘土十字板剪切试验柱体上下平面的柱体上下平面的抗剪强度产生的抗剪强度产生的抗扭力矩抗扭力矩柱体侧面剪应力柱体侧面剪应
23、力产生的抗扭力矩产生的抗扭力矩子情境一子情境一 土的抗剪强度土的抗剪强度 第32页/共158页5.5.抗剪强度指标的选用抗剪强度指标的选用 土的抗剪强度指标随试验方法、排水条件的不同而异,对于土的抗剪强度指标随试验方法、排水条件的不同而异,对于具体工程问题,应该尽可能根据现场条件决定采用实验室的试验具体工程问题,应该尽可能根据现场条件决定采用实验室的试验方法,以获得合适的抗剪强度指标方法,以获得合适的抗剪强度指标 试验方法试验方法适用条件适用条件不排水剪不排水剪或快剪或快剪地地基基土土的的透透水水性性和和排排水水条条件件不不良良,建建筑筑物物施工速度较快施工速度较快排排水水剪剪或或慢慢剪剪地地
24、基基土土的的透透水水性性好好,排排水水条条件件较较佳佳,建建筑筑物施工速度、加荷速率较慢物施工速度、加荷速率较慢固固结结不不排排水水剪剪或或固固结结快快剪剪建建筑筑物物竣竣工工以以后后较较久久,荷荷载载又又突突然然增增大大,或地基条件等介于上述两种情况之间或地基条件等介于上述两种情况之间子情境一子情境一 土的抗剪强度土的抗剪强度 第33页/共158页【例】对某种饱和粘性土做固结不排水试验,三个对某种饱和粘性土做固结不排水试验,三个试样破坏时的大、小主应力和孔隙水压力列于表试样破坏时的大、小主应力和孔隙水压力列于表中,试用作图法确定土的强度指标中,试用作图法确定土的强度指标c ccucu、cuc
25、u和和c c 、周围压力周围压力 3/kPa 1/kPauf/kPa6060100100150150143143220220313313232340406767子情境一子情境一 土的抗剪强度土的抗剪强度 第34页/共158页【解解】按比例绘出三个总应力极限应力圆,如图所示,再绘按比例绘出三个总应力极限应力圆,如图所示,再绘出总应力强度包线出总应力强度包线 按由按由 1 1=1 1-u uf,3 3=3 3-u uf ,将总应力圆在水平,将总应力圆在水平轴上左移相应的轴上左移相应的u uf即得即得3 3个有效应力极限莫尔圆,如个有效应力极限莫尔圆,如图中虚线圆,再绘出有效应力强度包线图中虚线圆,
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