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1、上海展览馆上海展览馆650mme=1.8,w=60%Es=1.45MPa521mm第1页/共77页比萨斜塔比萨斜塔第2页/共77页Transcona谷仓地基第3页/共77页建筑物基础与地基相互作用可能出建筑物基础与地基相互作用可能出现的工程地质问题现的工程地质问题1 强度问题（剪切破坏、承载力问题）2 变形问题（过度沉陷、不均匀沉陷）3 倾覆、滑移问题（水平力、近水平力作用）决定因素1.地基土本身的力学性质2.建筑物、地基对土体的作用力第4页/共77页地基土变形的三个阶段地基土变形的三个阶段压密变形阶段局部剪切阶段整体破坏阶段第5页/共77页压密变形阶段OaO p（kPa）aS（mm）基础 地
2、面 p s第6页/共77页局部剪切阶段局部剪切阶段ababO p（kPa）a b S（mm）基础 地面 p p第7页/共77页整体破坏阶段整体破坏阶段bcbcO p（kPa）a b cS（mm）基础 地面 p第8页/共77页两种不同性质的变形两种不同性质的变形压密变形计算地基的压缩变形量，即地基沉降量剪切变形（剪切破坏）土体强度和稳定性问题第9页/共77页两种研究途径两种研究途径将土体变形和强度分开研究简化估算法将土体变形和强度统一研究严格分析法建立在土体本构关系本构关系研究的基础上本构关系应力应变关系的数学表达式第10页/共77页（一）（一）土的压缩性土的压缩性定义：土的压缩性是指在压力作用
3、下体积压缩变小的性能定义：土的压缩性是指在压力作用下体积压缩变小的性能压缩变形的本质土的三相组成决定了土的压缩变形由三部分组成1)土粒本身的压缩变形2)孔隙中水和气的压缩变形3)孔隙中水和气被挤出，土颗粒相互靠拢，孔隙体积缩小土的压缩主要原因是由于孔隙中水和气被挤出，土颗粒相互靠拢，致使孔隙体积减小而引起的。第11页/共77页压力作用下作为三相组成的土各相之间的力是怎样分担的？怎样转化的？思考一下第12页/共77页饱和土受力模型饱和土受力模型1、有效应力原理 s su受力平衡方程受力平衡方程设s 为颗粒间的接触应力，颗粒间的接触面积为Fsuw为孔隙水压力，水的面积Fw=F-Fs则有：F=sFs
4、+uw（F-Fs）F=1第13页/共77页设设一般情况下 Fs/F=0.01-0.03则有=+u uF=1第14页/共77页 =+u u饱和土的有效应力原理（TerzaghiTerzaghi，19201920）总应力 有效应力u u 孔隙水压力 uF=1第15页/共77页 uF=1 有效应力有效应力受压时，使土粒间发生位移受剪时，全部剪应力由粒间应力造成的摩擦作用来承受 对土的位移和变形是有效的或者说起控制作用1u u 孔隙水压力由孔隙水承担和传递的那部分压力。为静水压力不引起颗粒的位移，不能承受剪应力不直接引起土体变形和强度变化，故又称中性压力。第16页/共77页由泰沙基在1920年提出的这
5、一表面上很简单的概念，标志着从理性上认识许多土力学现象的开始。Terzaghi，1936：所有可测得的应力变化效应，例如压缩形变以及抗剪强度的变化，无一不是由于有效应力变化所引起的 =+u u第17页/共77页饱和土的有效应力原理的完整表述：（1）土的有效应力等于总应力减去孔隙水压力；（2）土的有效应力控制了土的变形和强度性能。=+u u第18页/共77页 =+u u 3 h h 2 h=0 1 =0，=0，=u=u=0 u=0饱和土的力学模型用有效应力原理解释土体承受和传递附加应力第19页/共77页几个基本概念几个基本概念饱和土压缩变形过程的实质是超静孔隙水压力随饱和土压缩变形过程的实质是超
6、静孔隙水压力随着水的渗流排出而逐渐消散和有效应力逐渐增长着水的渗流排出而逐渐消散和有效应力逐渐增长的过程，即超静孔隙水压力向有效应力转移的过的过程，即超静孔隙水压力向有效应力转移的过程程。超静孔隙水压力：由附加应力作用引起的孔隙水压力超出静水压力水头，称为超静孔隙水压力。土的渗透固结：这种由孔隙水的渗流而引起的压缩过程。第20页/共77页非饱和土的有效应力原理第21页/共77页2.土的压缩性与变形指标土的压缩性与变形指标1）室内压缩试验与压缩定律2）压缩模量、变形模量3）体积压缩系数4）侧压力系数、泊松比第22页/共77页1）室内压缩试验与压缩定律P1,.第23页/共77页1）室内压缩试验与压
7、缩定律p2第24页/共77页1.室内压缩试验与压缩定律p3,.h可以测量高度的变化，如何转变成孔隙比的变化第25页/共77页VsoVvoF=1Vs1Vv1F=1 h0 h1h加压前 e0加压后 e1第26页/共77页一般地，第27页/共77页p1，p2，p3，h1，h2，h3，e1，e2，e3，.ee1e2p1p2pa称为压缩系数（coefficiennt of compression），单位1/KPa，或1/MPa第28页/共77页压缩定律压缩定律在压力不大的情况下，孔隙比的变化与压力的变化成正比。第29页/共77页3.压缩模量、变形模量压缩模量、变形模量压缩模量（有侧限 ）变形模量（无侧限
8、）4.体积压缩系数土压缩时竖向应变增量与竖向应力增量之比，第30页/共77页5.侧压力系数、泊松比侧压力系数、泊松比泊松比无侧限条件下，侧向膨胀应变与竖向压缩应变之比侧压力系数侧限条件下侧向压力与竖向压力之比第31页/共77页（二）（二）土的抗剪性土的抗剪性材料的强度理论最大正应力理论最大正应变理论最大拉应力理论最大剪应力理论最大剪应力理论认为，材料破坏的原因是材料中的最大剪应力造成的第32页/共77页试验和观察表明岩体、混凝土、土体的破坏主要是剪切破坏。在最大剪应力理论的基础上发展了符合土体破坏的莫尔库仑强度理论第33页/共77页大地的局部化开裂多之形雁形锯齿形第34页/共77页第35页/共
9、77页桥梁支敦中出现的局部化剪切破坏桥梁支敦中出现的局部化剪切破坏第36页/共77页 岩土工程材料中的局部化现象实验室发现的剪胀带和剪缩带（Lin,2002），花岗岩第37页/共77页o 粘土的拉伸和压缩试验与局部化条带（Desrues&Chambon,2002）左：拉伸 右：压缩 岩土工程材料中的局部化现象第38页/共77页试验和观察表明岩体、混凝土、土体的破坏主要是剪切破坏。在最大剪应力理论的基础上发展了符合土体破坏的莫尔库仑强度理论第39页/共77页1.库仑定律库仑定律在一定载荷范围内，土的抗剪强度与法向应力之间呈直线关系。其中C、被称为土的抗剪强度指标。第40页/共77页粘性土cC 称
10、为土的粘聚力 称为土的内摩擦角第41页/共77页2.莫尔库仑强度理论莫尔库仑强度理论莫尔认为土中某点达到该点的抗剪强度时，即土发生破坏。莫尔库仑强度理论莫尔认为 f=f（）为曲线f=f（）用直线（库仑定律 ）代替，故称为莫尔库仑强度理论第42页/共77页 =C+tg 1 破坏 2临界状态（极限平衡状态）3安全（弹性平衡状态）第43页/共77页 =c+tg 第44页/共77页莫尔圆与破坏线的关系莫尔圆与破坏线的关系不相交：表明通过该点的任意平面上的剪应力小于f，土体处于弹性状态相割：表明通过该点的任意平面上的剪应力大于f，土体已经破坏，不存在相切：表明通过该点的任意平面上的剪应力等于f，土体处于
11、极限平衡状态极限平衡状态下的莫尔圆称为极限应力圆，根据极限应力圆可以得出在极限平衡状态下主应力的关系第45页/共77页极限平衡条件在极限平衡状态下主应力之间的关系，叫做极限平衡条件cAOO第46页/共77页注意：只有当土中某点处于极限平衡条件时，才满足上式，并非任何情况均满足。即只有A点才满足。第47页/共77页第48页/共77页直剪仪直剪预压仪第49页/共77页直剪试验第50页/共77页直剪试验第51页/共77页直剪试验第52页/共77页直剪试验第53页/共77页直剪试验的三种类型1.快剪（Q）2.固结快剪（CQ）3.慢剪（S）第54页/共77页直剪试验第55页/共77页实验室（法国）第56
12、页/共77页实验室Local Strain MeasurementMid-Plane PWP MeasurementTriaxialHollow CylinderBender ElementsSmall StrainSoftwareUnsaturated SoilDynamic Triaxial局部的应变测量中平面孔隙水压力测量第57页/共77页GDSTAS 北方交通大学第58页/共77页 5Hz/60kN 100/150mm动三轴系统（中国科学院成都山地所）第59页/共77页 GDSTAS 大连理工大学 第60页/共77页 STDTTS 成都理工大学 第61页/共77页 1Pc2.三轴剪切试
13、验 3第62页/共77页1Pc2.三轴剪切试验 3第63页/共77页1Pc2.三轴剪切试验 3第64页/共77页4.砂土液化第65页/共77页日本新泻日本新泻19641964年地震时砂土液化引起震陷。这些设计为抗震年地震时砂土液化引起震陷。这些设计为抗震的建筑物倾斜而未受损坏。的建筑物倾斜而未受损坏。第66页/共77页加州沃森维尔附近的野外涌沙加州沃森维尔附近的野外涌沙第67页/共77页唐山地造成的唐山地造成的喷水冒砂区分喷水冒砂区分布图布图第68页/共77页砂土液化（横向移动）系因地震时球粒（理想砂粒）的重新堆集。砂土液化（横向移动）系因地震时球粒（理想砂粒）的重新堆集。地震振动造成这种固体
14、颗粒堆集更加有效，这会占据少量体积。地震振动造成这种固体颗粒堆集更加有效，这会占据少量体积。一部分覆盖层荷载由水来支撑，这就无法阻止水体横向运移。一部分覆盖层荷载由水来支撑，这就无法阻止水体横向运移。震前，水，不稳定（立体）堆集，震后，液化土中剩余孔隙水负担覆盖层荷震前，水，不稳定（立体）堆集，震后，液化土中剩余孔隙水负担覆盖层荷载载 稳定（六边形）堆集稳定（六边形）堆集第69页/共77页砂土液化（Liquefaction of sand）饱和砂土受震动时颗粒间趋于紧密，使孔隙水压力增大，有效应力减小。当有效应力趋于零时，砂土的抗剪强度消失，从而引起地面沉陷、斜坡失稳或者地基失效的现象称为砂土
15、液化。常伴随又喷水冒砂。震动来源：机械震动（局部场地）、地震（区域性）第70页/共77页砂土液化的影响因素内因土类及其颗粒级配土的密实程度、饱水特性土结构的抗剪强度外因地震作用特征地震强度（震级、烈度）地震频率和周期震动历时环境条件场地地貌单元饱水砂土的埋藏条件地下水条件建筑物类型、基础特性第71页/共77页砂土液化评价步骤：判别、分级、建议措施液化可能性判定经验判定法标贯试验判定法剪切波速判定法静力触探判定法液化等级划分：液化指数抗液化措施第72页/共77页液化等级划分存在液化土层的地基应进一步探明各液化土层的深度和厚度，计算液化指数液化等级液化指数地面喷水冒砂情况对建筑物的危害程度轻微0I
16、le5地面无喷水冒砂或在洼地、河边有零星喷冒点液化危害程度小，一般不致引起明显的震害中等515一般喷水冒砂都很严重，地面变形很明显液化危害性大，一般可产生大于200mm的不均匀沉陷，高重心结构可能产生不容许的倾斜第73页/共77页重锤法:采用80400kN的重锤，从很高处(820m)自由落下，对土体进行强力夯实的方法。这是在的基础上发展起来的一项技术。强夯法是用很大的冲击能，使土体中出现冲击波和很大的应力，致使孔隙被压缩，土体局部液化，夯实点周围产生裂隙，形成良好排水通道，土体迅速固结。最大加固深度可达1112m或更大。此法不仅能加固陆上土层，也能加固水中土层；适用于多种土类：粗粒土、低饱和度的细粒土、杂填土、素填土、湿陷性黄土；不仅能提高地基承载力，也可防止地基液化。对于饱和细粒土，要慎用。第74页/共77页第75页/共77页青藏铁路压实路基广州白云机场扩建工程京福高速公路第76页/共77页感谢您的观看！第77页/共77页