1、第三章地基承載力主要內容本課程重點n地基勘探 Site investigationn地基承載力Bearing Capacity of Foundation Soil第一節第一節 地基勘探地基勘探 Site investigation一、勘探要求：一、勘探要求：了解地基的工程地質和水文條件，為了解地基的工程地質和水文條件，為確定地基承載力和進行基礎設計提確定地基承載力和進行基礎設計提供依據供依據1 1 資料資料：平面圖和地形圖：平面圖和地形圖 建筑物的形式和荷載建筑物的形式和荷載 管線，地下室管線，地下室第一節第一節 地基勘探地基勘探 Site investigation一、勘探要求：一、勘探要

2、求：1 1 資料資料 內容內容 土層分布，水平位置和深度土層分布，水平位置和深度 每層土物理力學性質每層土物理力學性質 e e , c , c EsEs 地下水位置及性質地下水位置及性質Ground water 其他地質問題：古滑坡，古墓，其他地質問題：古滑坡，古墓， 洞穴，老河道古井洞穴，老河道古井雜填 泥炭粉質粘土粘土砂礫石 布點 一般性勘察：針對持力層，平面一般性勘察：針對持力層，平面 (11.5)b (34)b 2050m 控制性勘察：壓縮層，比一般性勘察深控制性勘察：壓縮層，比一般性勘察深 泥炭粉質粘土粘土砂礫石雜填地基勘探地基勘探二、勘探方法二、勘探方法n物探地球物理勘探物探地球物

3、理勘探n坑探明挖坑探明挖n鉆探鉆孔鉆探鉆孔n觸探觸探n現場測試原位試驗現場測試原位試驗地基勘探地基勘探1 1 物探物探Geophysical Exploration地球物理勘探地球物理勘探方法方法: :重力場重力場, ,磁電場磁電場, ,聲聲, ,彈性波彈性波, ,放射性勘探放射性勘探, ,地地震勘探震勘探( (規范規范, ,剪切波速剪切波速) )優點優點: :簡單迅速簡單迅速缺點缺點: :間接判斷間接判斷, , 較大范圍較大范圍. .地基勘探地基勘探2 坑探坑探 trial pitsn優點優點: :直觀直觀, , 取原狀樣，蘭旗營取原狀樣，蘭旗營9m9m坑坑n缺點缺點: : 一般一般34m,

4、 34m, 地下水以下危險地下水以下危險, ,地基勘探地基勘探n最常用的辦法最常用的辦法,可達可達100m以以下下n劃分地層劃分地層n確定地下水確定地下水n取樣取樣n可以進行觸探可以進行觸探及原位試驗及原位試驗鉆探 Exploration Drilling地基勘探地基勘探回轉式鉆機回轉式鉆機 4 觸探 動力觸探和靜力觸探動力觸探和靜力觸探 Dynamic Penetration, Static Cone Penetration(1) 動力觸探動力觸探Dynamic Penetration 管狀探頭 標準貫入試驗SPT, 63.5 kg, 76cm距,貫入深度30cm的擊數, N 63.5錐狀探

5、頭 輕型10 kg, 50cm落距,貫入深度30cm中型 28kg重型 63.5kg 碎石,礫石地層特重型 120kg地基勘探地基勘探SPTStandard Penetration Test地基勘探地基勘探穿心錘穿心錘錘墊錘墊觸探桿觸探桿貫入器頭貫入器頭出水孔出水孔貫入器身貫入器身貫入器靴貫入器靴標準貫入試驗標準貫入試驗地基勘探地基勘探4 觸探 動力觸探和靜力觸探動力觸探和靜力觸探 (1) 動力觸探動力觸探 管狀探頭 標準貫入試驗SPT, 63.5 kg, 76cm落距，貫入深度30cm的擊數, N 63.5SPT用測得的標準貫入垂擊數N，判定砂土的密實度或粘性土的密度，確定地基和單樁的承載力

6、；還可評定砂土的震動液化勢。標準貫入試驗適用于砂性土與粘性土。 地基勘探地基勘探4 4 觸探觸探 動力觸探和靜力觸探動力觸探和靜力觸探 (1) 動力觸探動力觸探 管狀探頭管狀探頭 標準貫入試驗標準貫入試驗SPT, 63.5 kg, 76cm距距,貫入貫入深度深度30cm的擊數的擊數, N 63.5錐狀探頭錐狀探頭 輕型輕型10 kg, 50cm落距落距,貫入深度貫入深度30cm中型中型 28kg重型重型 63.5kg 碎石碎石,礫石地層礫石地層特重型特重型 120kg地基勘探地基勘探地基勘探地基勘探輕型動力觸探輕型動力觸探10kg中型動力觸探中型動力觸探28kg重型動力觸探重型動力觸探63.5

7、kg穿心錘穿心錘錘墊錘墊觸探桿觸探桿尖錘頭尖錘頭錐狀探頭錐狀探頭(2) 靜力觸探Static Cone Penetration 單橋探頭 端部Ps=Q/A 比貫入阻力 雙橋探頭 端部和側壁土的密實度壓縮性強度樁和地基的承載力地基勘探地基勘探電纜電纜傳感器傳感器傳感器傳感器傳感器傳感器單橋探頭單橋探頭雙橋探頭雙橋探頭FF動畫貫入靜力觸探是可以迅速、連續的反映土質變化劃分土層, 承載力、壓縮性、不排水抗剪強度、砂土密實度等靜力觸探適用于粘性土和砂類土示意圖地基勘探地基勘探5 5 現場試驗現場試驗 In situ testingn十字板十字板 Vane Shear飽和軟粘土飽和軟粘土n載荷板試驗載荷

8、板試驗Loading Plate深淺均可深淺均可n旁壓儀旁壓儀 Pressuremeter 較深地基較深地基地基勘探地基勘探十字板HDHDDMf322maxFFMmax=FD地基勘探地基勘探現場載荷試驗現場載荷試驗地基勘探地基勘探現場載荷試驗地基勘探地基勘探千斤頂荷載板荷載板平板載荷試驗要點平板載荷試驗要點n0.5 0.5m, 0.71 0.71m, 1.0 1.0mn不少于不少于3點點n8-10級級n每級穩定的標準每級穩定的標準n承載力的特征值承載力的特征值地基勘探地基勘探n地基破壞的判定地基破壞的判定(1)(1)明顯側向擠出或發生裂紋明顯側向擠出或發生裂紋(2)(2)荷載增量很小荷載增量很

9、小, ,沉降急劇沉降急劇增加增加, ,(3)(3)某級荷載增量下某級荷載增量下,24,24小時小時內沉降不能穩定內沉降不能穩定(4)s/b0.06(4)s/b0.06的荷載作為破的荷載作為破壞荷載壞荷載載荷試驗載荷試驗pcr puS荷載沉降曲線荷載沉降曲線地基勘探地基勘探現場載荷試驗現場載荷試驗地基勘探地基勘探承載力的特征值fakn比例界限pcrn當pu2 pcr時，取極限承載力一半漸變型曲線漸變型曲線ns/b = 0.010.015低壓縮性土低壓縮性土ns/b = 0.02高壓縮性土高壓縮性土地基勘探地基勘探深度寬度修正的特征值深度寬度修正的特征值spbIEdbffmdbaka）（2001)

10、5 . 0()3(I0形狀影響系數形狀影響系數, 圓：圓：079；方：；方：088地基勘探地基勘探旁壓試驗旁壓試驗水箱水箱量測量測鉆孔內進行橫向載荷試驗,用以測定較深處土層的變形模量和承載力 V0 V0VPh puh pcr poh地基勘探地基勘探注 水注 水加 壓量 測 室注 水加 壓動 畫 膨 脹地基勘探地基勘探6 6 室內試驗室內試驗n物理性質n力學特性 直剪試驗,三軸, 壓縮(滲透)地基勘探地基勘探三 勘探報告1 一般情況2 結果地形和平面鉆孔布置圖土層剖面土性地下水和不良地質問題3 意見和建議 評價,設計施工建議,地基處理意見地基勘探地基勘探思考題思考題n在建筑物場地上勘探在建筑物場

11、地上勘探, ,一般要做一般要做哪些項目的勘探哪些項目的勘探? ?n對于重要建筑物一般要采用什么對于重要建筑物一般要采用什么試驗方法確定承載力？試驗方法確定承載力？n如何確定砂土地基的密實度？如何確定砂土地基的密實度？地基勘探地基勘探第2節 地基承載力Bearing Capacity of Foundation Soil第2節 地基承載力1 1 建筑物地基設計的基本要求建筑物地基設計的基本要求2 2 地基在外荷載作用下的破壞形式地基在外荷載作用下的破壞形式3 3 極限平衡理論求地基極限承載力極限平衡理論求地基極限承載力4 4 其他求極限承載力的方法其他求極限承載力的方法5 5 地基的臨塑荷載、臨

12、界荷載與容地基的臨塑荷載、臨界荷載與容許承載力許承載力一、地基承載力定義一、地基承載力定義n極限承載力極限承載力 Ultimate bearing capacity 承載地基在發生剪切破壞時的承載地基在發生剪切破壞時的荷載強度荷載強度 The intensity of bearing pressure at which the supporting ground is expected to fail in shear1 建筑物地基設計的基本要求n1）穩定要求：荷載小于承載）穩定要求：荷載小于承載力（抗力）力（抗力） p pu /Fs =f n2）變形要求）變形要求：變形小于設計允許值S S（

13、1）沉降量 （2）沉降差（3）傾斜 （4）局部傾斜2 2 地基破壞的形式地基破壞的形式1)豎直荷載下地基破壞的形式n整體破壞整體破壞 密實砂土，堅硬粘土，淺埋n局部剪切破壞局部剪切破壞 土質較軟n沖剪破壞沖剪破壞 軟粘土，深埋n液化液化 飽和松砂2)豎直和水平荷載下地基破壞形式n表面滑動 水平力大n深層滑動 豎直荷載大2.2.局部剪切局部剪切松軟地基，埋深較大；松軟地基，埋深較大；曲線開始就是非線性，曲線開始就是非線性，沒有明顯的驟降段沒有明顯的驟降段。3.3.沖剪破壞沖剪破壞松軟地基，埋深較大；松軟地基，埋深較大；荷載板幾乎垂直下切，荷載板幾乎垂直下切，兩側無土體隆起。兩側無土體隆起。1.

14、1.整體破壞整體破壞土質堅實土質堅實, ,基礎埋深淺；基礎埋深淺；曲線開始近直線，隨曲線開始近直線，隨后沉降陡增，兩側土后沉降陡增，兩側土體隆起。體隆起。General shear failureLocal shear failurePunching shear failure1. 1.整體破壞整體破壞PS2.2.局部剪切局部剪切PS3.沖剪破壞沖剪破壞PS深深土土層層表表面面土土某谷倉的地基整體破壞1940年在軟粘土地基上的某水泥倉的傾覆年在軟粘土地基上的某水泥倉的傾覆水泥倉地基水泥倉地基整體破壞整體破壞藍粘土藍粘土石頭和粘土石頭和粘土地基土可能的滑動方向地基土可能的滑動方向巖石辦公樓辦公樓

15、外墻外墻黃粘土黃粘土在軟粘土上的密砂地基的沖剪破壞2 地基破壞的形式1)豎直荷載下地基破壞的形式n整體破壞整體破壞 密實砂土，堅硬粘土，淺埋n局部剪切破壞局部剪切破壞 土質較軟n沖剪破壞沖剪破壞 軟粘土，深埋n液化液化 飽和松砂1964年日本新瀉（年日本新瀉（Niigata）地震）地震地基的大面積液化地基的大面積液化 地基液化引起的建筑物破壞3 3 豎直荷載和水平荷載下建筑豎直荷載和水平荷載下建筑物地基破壞的形式物地基破壞的形式深層滑動深層滑動PhPv表層滑動表層滑動PhPvhvsPcAfPF4 地基的變形1 建筑物地基設計的基本要求1）穩定要求：荷載小于承載力（抗力）穩定要求：荷載小于承載力

16、（抗力） p pu /Fs =f 2)變形要求：變形小于設計允許值變形要求：變形小于設計允許值S S(1)沉降量沉降量 (2)沉降差沉降差相鄰柱基相鄰柱基(3)傾斜傾斜砌體承重結構砌體承重結構 (4)局部傾斜局部傾斜某宮殿，左部某宮殿，左部分建于分建于1709年；年；右部分建于右部分建于1622年。沉降年。沉降達達2.2米，存米，存在明顯的沉降在明顯的沉降差。差。墨西哥的沉降問題是世界著名的比薩斜塔-不均勻沉降的典型始建于始建于1173年，年，60米高。米高。1271年建成年建成平均沉降平均沉降2米，米，最大沉降最大沉降4米。米。傾斜傾斜5.5 ，頂，頂部偏心部偏心2.1米米大 Nishino

17、miya 橋的橋墩破壞. 6個橋墩中至少2個嚴重破壞，其可能的原因是岸邊橋墩的大變形導致第一組橋墩過載。日本日本1995年年1月月17日阪日阪神大地震神大地震相鄰建筑物施工引起的原有建筑物的局部傾斜（軟粘土地基）膨脹土地基上建筑物的開裂（美國加拿大）潛在性膨脹土的分潛在性膨脹土的分布限與熱帶和溫帶布限與熱帶和溫帶的半干旱地區內。的半干旱地區內。這種條件助長了蒙這種條件助長了蒙特石形成。特石形成。很多國家都發現了很多國家都發現了膨脹土。膨脹土。印度的黑棉土印度的黑棉土膨脹土上的基礎膨脹土上的基礎陳孚華陳孚華TU443 1TU443 1膨脹土對建筑物的危害膨脹土對建筑物的危害活動區域活動區域小節1

18、）破壞形式）破壞形式 豎直荷載作用下，有水平荷載時豎直荷載作用下，有水平荷載時2) 變形要求變形要求(1)沉降量沉降量 (2)沉降差沉降差相鄰柱基相鄰柱基(3)傾斜傾斜砌體承重結構砌體承重結構 (4)局部傾斜局部傾斜思考題1 在垂直均布荷載作用下,地基的失穩有幾種形式?土層的性質各應該是什么樣的?2 承受垂直和水平荷載的地基其失穩形式有幾種？舉出這類土工建筑物的例子。3 如何確定地基的承載力？如何滿足地基設計的條件？n承載力？承載力？n變形？變形？確定承載力的三種方法確定承載力的三種方法載荷試驗載荷試驗理論公式計算理論公式計算經驗方法經驗方法1 極限狀態極限狀態Limit state結構或結構

19、的一部分超過某一特定狀態結構或結構的一部分超過某一特定狀態 而不能而不能滿足設計規定的某一功能要求時滿足設計規定的某一功能要求時 這一特定狀態這一特定狀態稱為結構對于該功能的極限狀態稱為結構對于該功能的極限狀態承載能力極限狀態承載能力極限狀態 一般是結構的內力超過其承一般是結構的內力超過其承載能力載能力正常使用極限狀態正常使用極限狀態 一般是以結構的變形、裂縫一般是以結構的變形、裂縫和振動參數超過設計允許的限值為依據和振動參數超過設計允許的限值為依據根據承載能力極限狀態確定地基的承載力根據承載能力極限狀態確定地基的承載力二 地基承載力的理論公式2 極限狀態定義極限狀態定義二二 地基承載力理論公

20、式法地基承載力理論公式法 普朗特普朗特- -瑞斯納承載力公式瑞斯納承載力公式一一. 極限平衡理論：極限平衡理論：1.平衡方程：平衡方程：2.極限平衡條件極限平衡條件3. 假設與邊界條件假設與邊界條件二二.普朗特普朗特-瑞斯納承載力公式瑞斯納承載力公式1. 條形基礎地基的滑裂面形狀條形基礎地基的滑裂面形狀2. 極限承載力極限承載力puD D平面問題的平衡方程平面問題的平衡方程xzxzz（1）0zxxzx（2）極限平衡條件極限平衡條件Sincctg23131（3） z zx x xz普朗特(Prandtl)的基本假設1. 基礎底面是絕對光滑的（，保證豎直荷載是主應力2. 無重介質的假設：即在式（1

21、）中 =0：根據公式（根據公式（1 1）、（）、（2 2）和（）和（3 3）以及邊界條件，利用塑性力）以及邊界條件，利用塑性力學中的滑移線法可以求解條形基礎的地基承載力學中的滑移線法可以求解條形基礎的地基承載力 P Pu u這一假定下的精確解或解析解.D D1. 極限平衡區與滑裂面的形狀無重介質地基的滑裂線網無重介質地基的滑裂線網BEFBp實際地面實際地面DC二二 地基承載力理論公式法地基承載力理論公式法 普朗特普朗特- -瑞斯納承載力公式瑞斯納承載力公式一一. 極限平衡理論：極限平衡理論：1.平衡方程：平衡方程：2.極限平衡條件極限平衡條件3. 假設與邊界條件假設與邊界條件二二.普朗特普朗特

22、-瑞斯納承載力公式瑞斯納承載力公式1. 條形基礎地基的滑裂面形狀條形基礎地基的滑裂面形狀2. 極限承載力極限承載力puD D1.朗肯主動區： pu為大主應力，與水平方向夾角4522. 過度區：r=r0e tg3.朗肯被動區：水平方向為大主應力，與水平方向夾角45- 2地基中的極限平衡區地基中的極限平衡區BEFBp實際地面實際地面DCIIIIIIr0r I 區區垂直應力垂直應力p pu u為大主應力，為大主應力，與水平方向夾角與水平方向夾角45452 2 =pu kapuPuIII 區水平方向為大主應力，水平方向為大主應力，與水平方向夾角與水平方向夾角45 - 2 3= D 1 kpDq= D2

23、區：區： 過度區過度區：極限平衡第二區：r=r0e tgr0r 作用在隔離作用在隔離體上的力：體上的力：pu 、 D 、pa 、 pp 、c、R所有力對所有力對A A點力矩平衡點力矩平衡puR隔離體隔離體r0rApppaDcaauaKcKpp2pppKcqKp2r=r0e tg =R過頂點Atg=dr/ r d = r0etgd tg r0e tgd= tg =dRdrdlrd =A+M1：puOA =B/2 +M2： paOC= B/2 tg(45+/2) -M3: cCE=dl-M4: ppGE=B/2e/2tg -M5: D AG= B/2 tg(45+/2) e /2tg puR隔離體

24、隔離體r0rApppaDc2. 極限承載力puctgNNtgeNCNDNpqctgqcqu) 1()245(2 Nq, Nc: 承載力系數承載力系數ctgNNtgeNcNDNpqctgcquq)1()245(2如果 = 0, pu = ?什么情況下可以作為 = 0?當地基中地下水上升到滑動區域內時,對極限承載力有影響嗎?哪類土影響大,哪類土影響小?思考題* 其它半經驗承載力公式n一. 太沙基公式n二.漢森公式n三.其它承載力公式一. 太沙基公式1.基本條件2. 假設的滑裂面形狀3. 極限承載力公式1.基本條件（1）考慮地基土的自重）考慮地基土的自重 基底土的重量基底土的重量0（2）基底可以是粗

25、糙的）基底可以是粗糙的 0=0 (不會超不會超過過 ,為什么為什么?)（3）忽略基底以上部分土本身的阻力）忽略基底以上部分土本身的阻力,簡簡化為上部均布荷載化為上部均布荷載q= DD mD2. 2. 假設的滑裂面形狀假設的滑裂面形狀被動區過渡區剛性核Ep=Ep1+Ep2+Ep3 Wp uB考慮剛性核的平衡1. 當基底絕對粗糙時，夾角為；2. 考慮剛性核的平衡：荷載： p u自重：W粘聚力：C被動土壓力EpEp1：土體自重Ep2：滑裂面上粘聚力Ep3 ：側向荷載qcuqNcNNBp2232221coscos1cos2pqpcpkNtgkNktgN太沙基公式中的承載力因數 N、Nq、Nc查圖8-1

26、8，以為變量比比普朗特普朗特- -瑞斯納承載力公式偏大瑞斯納承載力公式偏大，因為考慮了基底摩擦和土體自重（二）局部剪切破壞（非整體破壞）t tg g3 32 2t tg gc c3 32 2c c思考題n大型建筑物往往是由沉降控制設計n小型建筑物往往由承載力控制設計。 為什么（基礎的寬度對于地基的承載力和沉降各由什么影響？）極限承載力極限承載力p pu u的組成的組成 BN /2cNcDqNq極限承載力的三部分極限承載力的三部分qcqNcNNB2滑動土體自重產生的抗力滑動土體自重產生的抗力滑裂面上的粘聚力產生的抗力滑裂面上的粘聚力產生的抗力側荷載側荷載 D D產生的產生的抗力抗力(1) 影響滑

27、裂面形狀的大小，承載影響滑裂面形狀的大小，承載力因數的大小力因數的大小.滑動土體的體積滑動土體的體積, q的的分布范圍分布范圍, 滑裂面的大小滑裂面的大小.pu(1) 的影響的影響pu 影響滑裂面形狀的大小，承載力因影響滑裂面形狀的大小，承載力因數的大小數的大小.滑動土體的體積滑動土體的體積, q的分布的分布范圍范圍, 滑裂面的大小滑裂面的大小.(2) 寬度寬度B增加為增加為2B,滑動體體積增加為原滑動體體積增加為原來的來的22倍倍(提供的抗力提供的抗力),由此增加的承載力由此增加的承載力增加為原來的增加為原來的2倍倍.( BN /2線性增加）線性增加）B增加，增加，q的分布面積線性增加，的分

28、布面積線性增加，qNq不變。不變。B增加，滑裂面面積線性增加，增加，滑裂面面積線性增加， cNc不變不變pupu(3) qNq,與側面荷載大小，和荷載分布范圍有關-滑裂面形狀有關。滑裂面形狀與有關。 Nq, 是的函數pupu(4) cNc,與粘聚力，和滑裂面長度有關-滑裂面形狀有關。滑裂面形狀與有關。 Nc, 是的涵數pu總結上節課的內容總結上節課的內容極限承載力理論界和半理論解極限承載力理論界和半理論解1 Prantl解解 假設和滑裂面形狀假設和滑裂面形狀2 太沙基解，一般解形式太沙基解，一般解形式3 極限承載力的影響因素極限承載力的影響因素 , c, ，D, B,BEFBp實際地面實際地面

29、CIIIIIID45o /245o /2qcuqNcNNBp2三三 地基的容許承載力地基的容許承載力-地基承載力設計值地基承載力設計值n容許承載力容許承載力f及影響因素及影響因素1f pu / Fs, s s特征值fa(設計承載力)2.2.局部塑性區局部塑性區地基承受荷載的不同階地基承受荷載的不同階段段 彈性階段彈性階段- - 臨塑荷載臨塑荷載3. 極限承載力地基承載力設計值地基承載力設計值f f 的確定辦法：的確定辦法： 要求較高：要求較高：f = Pcr 一般情況下：一般情況下：f = P1/4 或或 P1/3 在中國在中國取取P1/4或者：或者： 用極限荷載計算：用極限荷載計算：f =

30、Pu / Fs Fs -安全系數安全系數1 1 荷載沉降曲線臨塑荷載、極限荷載荷載沉降曲線臨塑荷載、極限荷載pcrpupcr pu臨塑荷載連續滑動面和極限荷載塑性區發展和臨界荷載pcr pu地基土開始出現剪切破壞地基土開始出現剪切破壞s連續滑動面連續滑動面臨塑荷載 臨界荷載 極限荷載允許地基中有一定的塑性區，作為設計承載力允許地基中有一定的塑性區，作為設計承載力-考察地基中塑性區的發展n地基土中某一點應力狀態： ，n極限平衡應力狀態（塑性區）sin23131ctgc條形荷載塑性區的計算條形荷載塑性區的計算n自重應力：自重應力：n s1= (d+z)n s3=k0 (d+z)n彈性區的附加應力：

31、彈性區的附加應力：n合力合力=： 1， 3n設設k0 =1.0)2sin2(3 , 1DpDzM2 塑性區的計算n彈性區的合力： n極限平衡條件：)()2sin2 (3 , 1zDDpsin23131ctgcDzM2 塑性區的計算塑性區的計算將應力代入極限平衡將應力代入極限平衡條件式（條件式（2 2），表示），表示該點既滿足彈性區；該點既滿足彈性區；也滿足塑性區也滿足塑性區是彈是彈塑像區的邊界。在荷塑像區的邊界。在荷載載p p作用下，得到如作用下，得到如下邊界方程：下邊界方程：z=f(z=f( ) ) （3 3）DzM2 DctgcDpz)2sin2sin(DctgcDpz)2sin2sin(彈塑區邊界方程彈塑區邊界方程塑性區的最大深度塑性區的最大深度Z Zmaxmax塑性區的最大深度Zmax220zDM2 DctgcDpz)2sin2sin(塑性區的最大深度Zmaxn對應對應Zmax=0