1、,6.1 概 述,地基承受建筑物荷载的作用后，一方面附加应力引起地基内土体变形，造成建筑物沉降。另一方面，引起地基内土体的剪应力增加。当某一点的剪应力达到土的抗剪强度时，土就处于极限平衡状态。若土体中某一区域内各点都达到极限平衡状态，就形成极限平衡区（塑性区）。如荷载继续增大，地基内极限平衡区的范围不断增大，局部塑性区发展成为连续贯穿到地表的整体滑动面。这时，基础下一部分土体将沿滑动面产生整体滑动，称为地基失去稳定。,1911年动工，1913年完工谷仓自重20000吨，1913年10月17日发现1小时内竖向沉降达30.5厘米，结构物向西倾斜，在24小时内倾倒，谷仓西端下沉7.32米，东端上抬1
2、.52米。 原因：地基承载力不够，超载引发强度破坏而产生滑动。,加拿大特朗斯康谷仓,工程实例地基承载力问题,极限承载力：地基即将破坏时，地基单位面积上承受的荷载。,几个基本概念：,（1）天然地基和人工地基： （2）地基承载力：地基所能承受荷载的能力。,容许承载力：保证满足地基强度与地基变形不超过允许值要求，地基单位面积上所能承受的荷载。,用两个指标衡量地基承载力,（3）地基承载力基本值：按标准方法试验，未经数理统计处理的数据。可由土的物理性质指标查规范得出的承载力。,（4）地基承载力标准值：按标准方法试验，并经数理统计处理得出的数据。可由野外鉴别结果和动力触探试验的锤击数直接查规范确定，也可根
3、据承载力基本值乘以回归修正系数即得.,（5）地基承载力的特征值：正常使用极限状态计算时的地基承载力。即在发挥正常使用功能时地基所允许采用抗力的设计值。它是以概率理论为基础，也是在保证地基稳定的条件下，使建筑物基础沉降计算值不超过允许值的地基承载力。（一般为承载力设计值）,正常使用极限状态： 结构或结构构件达到正常使用或耐久性能的某一规定限值。 （1）影响正常使用或外观的变形 （2）影响正常使用或耐久性能的局部破坏； （3）影响正常使用的震动 （4）影响正常使用的其它状态,在设计结构物基础时，各行业使用规范不同，地基容许承载力、地基承载力设计值与特征值在概念上有所不同，但在使用含义上相当。,地基
4、需满足三方面要求：,变形,强度,稳定性,理论计算法,确定地基容许承载力方法,按塑性区开展深度方法临塑荷载临界荷载zmax=b/4(中),=b/3(偏),求极限承载力/安全系数,规范法: 根据土工实验、工程实践和地基荷载试验总结出来的，有一定安全储备。,原位测试法,一、地基的破坏形态,地基破坏的三种形态：地基在荷载作用下将发生沉降，若荷载进一步增大到极限荷载地基开始破坏。地基破坏的形式大分为三种：整体剪切破坏、局部剪切破坏、冲切破坏。,整体剪切破坏基底剪切破坏面与地面贯通，形成一弧形滑动面。密实砂土，基础埋深很浅；或饱和粘土，荷载急速增加的情况下，极易造成整体剪切破坏。,局部剪切破坏 地基中剪切
5、面延伸到一定位置，未扩展到地面。一般性粘土或中密砂土，基础埋深较浅；或基础埋深较大时，无论是砂性土或粘性土地基，最常见的破坏形态是局部剪切破坏。,冲切破坏 松砂或其它松散结构的土，易造成冲切破坏。基础边形成的剪切破坏面垂直向下的发展。,以上三种破坏形态，第一种在理论上研究较多；第三种在理论上研究得很少，因为作为建筑物地基，很少选择在松砂或其它松散结构的土层上，故无研究必要；第二种破坏形态在天然地基中经常遇到，其理论工作在前一阶段进展较慢，近年来研究已有了突破性进展。,地基剪切破坏的型式，主要与土的压缩性质有关。,二、地基变形的三个阶段 当P Pa 时，为弹性变形阶段； 当Pa Pk 时，为塑性
6、变形阶段。,Pa称为临塑荷载，Pk为极限荷载，在分析地基的强度时，我们主要只需定出Pa、Pk。因为在设计地基时，可以采用Pa作为地基的计算强度（或计算承载力），或直接计算地基的极限压力Pk，采用Pk/k作为地基的计算强度（k为安全系数）。,6.2 地基临塑压力(critical edge pressure),地基临塑压力定义 当地基土中仅个别12个点的应力达到极限平衡时，基底压力称为临塑压力Pa。,地基临塑压力Pa的推导过程,地基临塑压力公式 设地基上有一浅埋条形基础，埋深为H，地基的天然容重为，抗剪强度参数为C,，则:,图6.2 求临塑压力Pa,由P79公式(3-46)可知， 条形基础下一点
7、N的大小主应力1和3可表示为：,假设自重作用下，在地基中产生的应力1、3在各个方向上大小一样，相当于静水压（即静止侧压力系数K0=1）。1 = (H+Z) ; 3 = K0 1 = (H+Z) 故两者可以叠加：,图6.2 求临塑压力Pa, N点达到了极限平衡时，则1、3应满足极限平衡条件方程，则将上述1、3代入极限平衡方程P139（5-5a）得：,由上式可求得N点的深度z：,因此塑性区的最大深度Zmax 可由dz/d=0 得到:,解得：=/2 ，并代入（6-3），得:,当Zmax=0时，意味着塑性区收缩成了一点，位于基底边缘上，相应的压力就是临塑压力Pa.,即令上式 (6-5) 中，Zmax=
8、0 求得 Pa,得：, 当=0时，即：,求得： Pa=cH,当=0，H=0时（即地基在表面荷载作用下）：Pa=c,当 0时，用pa作为地基的容许承载力是足够安全的，因为此时的地基只有位于基础两端点处达到极限平衡，而整个地基仍处于弹性应力状态。如塑性区再扩大一些，也不至于引起整个地基的破坏。故有人建议用塑性区的最大深度达到基础宽度的1/4或1/3时的基底压力作为地基容许承载力临界荷载。,思考：由上述Pa计算式可知，Pa仅与C、H、有关，而与基础宽度无关。（为什么？阅读教材找答案）,用式（65）确定塑性区最大深度在理论上是有矛盾的：用弹性理论解决塑性问题。,6.3 浅基础地基极限承载力的近似解,设
9、基础埋深为H，宽度为b,地基土的天然容重为，抗剪强度参数为C、，则极限压力 ：,此式为勃朗特魏西克（PrandtlVesic）公式，式中的,称为承载力系数，都是的函数,也可由P173图6-4，根据查得。,式（6-20）只适用于中心竖向荷载作用下的条形基础。,若荷载是倾斜的，则乘上相应的倾斜修正系数iq、ic和i，其值同样可以查表6-1。若基础形状改变和倾斜荷载同时发生，则式（6-18）可改写成：,当基础形状改变，荷载出现偏心或倾斜，地基的极限荷载将相应发生变化。例如，对矩形、方形等不同的基础形状，可对式（6-20）的Nq、Nc和N各乘上适当的形状修正系数q、c和，其值可按维西克所推荐的表6-1
10、查得。,pk,考察上述计算地基承载力的公式，分析影响地基承载力的因素？,6.4 按规范确定地基承载力(bearing capacity),一、按铁路桥涵地基规范确定地基承载力,容许承载力系指在保证地基稳定（不破坏）的条件下，建筑物的沉降量不超过容许值的地基承载力，以表示，它相当于=Pk/k （k 一般为2）。,在桥规中根据基础宽度为b，埋深为h的大小，将计算分为以下两种情况:,（一）第一种情况地基容许承载力计算方法当基础宽度b2米，埋置深度h3米时。地基的容许承载力： = 0,0为地基土的基本容许承载力，可根据土的分类和有关物理指标，从P175-177有关表中直接查到地基基本容许承载力。,（二
11、）第二种情况地基容许承载力计算方法,当基础宽度b 2米，埋置深度h 3米,且h/b4时，要考虑基础深度、宽度对提高地基承载力的影响，可按下述规范公式计算： =0 +k11(b-2)+ k22(h-3),h基础埋深（m），不受水流冲刷者，由天然地面算起；受水流冲刷者，由一般冲刷线算起；位于挖方内，由开挖后地面算起。b基础宽度（m），当b大于10米时，按10米计算。,k1、k2宽度、深度修正系数，按基底以下持力层土的类型决定，按P178表6-9选取。对于稍松砂土和松散的碎石类土，k1、k2值可取中密值的50%。,2基底以上土的重度：如基底以上为多层土，则取重度的加权平均值；,1基底以下持力层土的天
12、然容重；若基底以下土处于水中，且为透水土，1取浮容重。,若基础（或部分）在水面以下，且基底以下持力层为透水者，则基底以上浸没在水中的土层不论是否透水，2取浮容重。,若持力层为不透水者，不论基底以上土是否透水，2取饱和容重。,（三）软土地基容许承载力软土地基，包括淤泥和淤泥质土地基，必须满足稳定、变形要求，在检算沉降量的同时，还应按下式计算： = 5.14Cu/m+2H 对于小桥和涵洞基础，亦可采用 =0+2(H-3),m安全系数，视软土灵敏度及建筑物对变形要求选用（1.52.5）；Cu不排水剪切强度（Kpa）;2基底以上土的容重；H基础埋深；0由P179表6-10查得。,【例6-1】有一厚层Q
13、4冲积黏性土层，地下水面在地表下3m处。测得水面 以下土的资料为：w=25%，wL=26%，wP=15%，s=27kN/m3。水面以上的=19kN/m3。设基础为长条形，宽5m，准备埋深4 m。试按铁路地基规范求地基的容许承载力。,【解】,求地基的容许承载力按公式(6-23),已知wL=26%，wP=15%，故塑性指数Ip=26-15=11，按铁路地基规范中土的分类，10Ip17，确定地基土为粉质黏土。,需要知道，IL,e,由于基础埋深4m，基底在地下水面以下1m，故基底土为饱和土，即Sr=1.0。又知地基土的w=25%， s= 27kN/m3，可以推算出地基土的IL、e和浮重度 如下：,由于
14、是Q4黏性土，可根据P175表6-2由IL和e用线性内插法求得土的基本承载力0=198kPa。,因为基础宽度超过2m，埋深超过3m，故承载力应予修正，可按式（6-33）计算。由表6-9查得：k1=0，k2=1.5，而公式中的2应采用基底以上土的加权重度，即：,计算时从安全角度出发，考虑为透水土层，故水下土的重度用浮重度 。修正后的容许承载力为：,二、按建筑地基规范确定地基承载力建筑地基规范更加强调按变形控制设计的思想，并将地基的容许承载力称为承载力特征值（定义：由载荷试验测定的地基土压力变形曲线线性变形段内规定的变形所对应的压力值，其最大值为比例界限值）。,不同建筑物级别采用不同方法,一级：以
15、荷载试验或承载力公式计算为主，结合静力触探、旁压试验等确定；,二级：规范和有关公式计算； 三级：参考邻近建筑物确定。,（6-26）,建筑地基规范推荐按下述经验公式计算地基的承载力特征值,fa修正后的地基承载力特征值； fak地基承载力特征值，可由载荷试验或其他原位测试、公式计算、并结合工程实践经验等方法综合确定； b、d分别为基础宽度和埋置深度的承载力修正系数，按基底下土的类别查表6-12确定；,根据土的强度指标确定地基承载力,当偏心距e小于或等于0.033倍基础底面宽度时,根据土的抗剪强度指标确定地基承载力特征值可按下式计算,并应满足变形要求:,例62：设地基为均匀的粉质粘土，现已由地基载荷
16、试验确定fak=190kPa,并已知地基土的平均IL=0.75，平均e=0.60，其他所有资料同例6-1。试按建筑地基规范计算基础埋深4m时经修正后的地基承载力特征值。,【解】,根据例6-1得知，地下水位深3m，基础为长条形，宽5m，准备埋深4 m，水面以上的=19kN/m3。水面以下的=10.15kN/m3。,按式(6-26)计算，根据表6-12，得b=0.3,d=1.6，可算出修正后的地基承载力特征值为, 6.5 原位测试确定地基承载力,原位测试方法： 荷载试验(plate loading test)：直接测试方法，相当于在原位进行地基和基础的模拟是试验。 静力触探试验(cone pene
17、tration test，CPT)； 动力触探试验(dynamic penetration test)；,原位测试是确定地基承载力最可靠的方法，它是在现场对地基土进行直接测试。,标准贯入试验(standard penetration test)； 旁压试验(pressure meter test，PMT)； 十字板试验(vane shear test)。第26种为间接测试方法。以上方法详细内容自学。,道路工程基底承载力研究研究报告潭邵高速公路建设开发有限公司 湖南省交通科学研究院 中南大学二三年八月,目 录 第一章 前 言 1.1 研究的目的意义及国内外情况 1.2 课题研究思路 第二章 现场
18、试验及分析 2.1 现场钻探试验、原位实验与整理分析 2.2 资料整理与分析内容简介 2.3 试验实施情况 2.4 试验结果与地基承载力的统计分析和相关性研究 2.5 原位试验小结 2.6 承载力与压实度及含水量关系 2.7 潭邵高速公路现场沉降测试与分析 第三章 承载力参数室内试验研究 3.1 室内试验内容 3.2 室内试验数据与整理分析 第四章 软粘土抗剪强度参数与荷载、固结度关系的试验研究 4.1 试验研究目的 4.2 试验方法和类型 4.3 试验程序 4.4 试验结果分析,第五章 基于强度增长理论的路基动态施工控制计算方法5.1 土体强度理论 5.2 强度增长的计算方法 5.3 考虑强
19、度随固结度增长的施工控制分析 5.4 程序研制 第六章 道路基底承载力计算理论研究 6.1 基于塑性区开展的承载力计算理论 6.2 考虑地基土因固结承载力提高的计算方法 6.3 确定基底承载力提高的改进方法 6.4 工程实例对比分析 第七章 基底承载力和路堤填筑允许高度实用化研究 7.1 前言 7.2 路基规范理论体系的实用化研究 7.3 本课题研究成果的实用化研究 第八章 承载力及土层参数的原位测试 8.1 概述 8.2 动力触探 8.3 动惯入阻力的应用 8.4 不排水抗剪强度Cu的测定8.5 不排水强度Cu与动惯入阻力R的关系式8.6 结论,2.1 现场钻探试验、原位实验与整理分析现场钻探与原位实验从2002年7月22日正式开始，于2002年8月24结束，现场进行了钻探取样、轻便触探、十字板剪切试验和平板载荷试验，其基本情况见表2-1。,表2-1 钻探与原位实验基本情况表,Cu=1.7708N10 4.9092,fk =2.7795N10 + 19.1145,作业： P201：6-1、6-3、6-7 补充题： (1)地基的典型破坏形态有哪三种？ (2)表述地基的三个变形阶段及对应的承载力（荷载压力）名称。 (3)地基临塑压力的定义。 (4)影响地基承载力的因素有哪些?,
