土力学全套完整ppt课件

.,土力学全套课件,.,土力学,.,绪论土力学是力学的一个分支，是以土为研究对象的学科。研究内容：通过研究土的物理、力学、物理化学性质及微观结构，进一步认识土和土体在荷载、水、温度等外界因素作用下的反应特性即土的压缩性、剪切性、渗透性及动力特性。,需要研究和解决的工程中的三大类问题：土体稳定或强度问题；土体变形问题；渗流：渗透变形与渗透稳定。,.,2005年7月21日在广州海珠区江南大道南海珠广场深基坑南边发生滑坡,绪论,.,比萨斜塔是意大利比萨城大教堂的独立式钟楼，位于比萨大教堂的后面,钟楼始建于1173年，设计为垂直建造，但是在工程开始后不久便由于地基不均匀和土层松软而倾斜,绪论,.,比萨(Pisa)斜塔,绪论,.,该城市人口密集。1850年开始抽取地下水，18911973年，整个老城下沉达8.7m造成地面道路、建筑及其他建筑设施的破坏。,墨西哥城的下沉,土层中地下水位的下降，使有效应力增加，使地基进一步固结沉降。,绪论,.,圣母教堂，因地表不均匀下沉使其发生严重倾斜，并成为危房,绪论,.,LaConchita滑坡,1996年发生在美国加州的LaConchita，因居民已提前撤离固未造成人员伤亡,绪论,.,SantaTecla滑坡,2001年1月13日，萨尔瓦多发生了7.6级的强震，震中位于SantaMiguel西南60英里。因此在SantaTecla造成山体滑坡，最终导致700多人遇难,绪论,.,绪论,舟曲泥石流,.,绪论,舟曲泥石流,.,舟曲发生泥石流的主要因素：一、是三眼峪沟内部有滑坡、崩塌等大量的松散固体物质存在，为泥石流的发生提供了充分的物质条件，其中多数为1879年7月1日甘肃文县8级地震所诱发。同时舟曲位于龙门山地震活动带北缘，又临近天水地震活动带，此前也曾受汶川地震波及，土质相对疏松，一遇强降雨容易形成泥石流。二、是三眼峪沟流域上游植被以幼林为主，灌草比例高，局部裸露，储水能力较弱，在经历今年入夏以来长时间严重干旱后，表层土变得更加干松。三、是在近期强降雨作用下，土体强度极大地降低，形成坡面泥石流，并逐步带动沟坡崩滑岩土形成冲击力巨大的泥石流，在从中上游汇流至中下游过程中，使得因地震形成的天然堆石坝逐级溃决，并最终导致泥石流流量的增大和破坏力的增强。,绪论,.,本章主要内容,1.1土的生成1.2土的三相组成1.3土的结构、构造1.4土的三相物理性质指标的测定及计算1.5无粘性土的特性1.6粘性土及粉土的特性1.7粘性土水-土系统的工程（物理-化学）特性1.8土的工程分类,第1章土的物理性质及工程分类,.,1.1土的生成,风化、搬运、堆积岩石土压密、岩化,一、土的概念土：覆盖在地表上的碎散矿物集合体。岩石：构成地壳的基本物质，是一种或多种矿物的聚合体。统称为大自然的产物,土是岩石经过风化后在不同条件下形成的自然历史的产物,.,岩石风化分为物理风化、化学风化和生物风化。物理风化：岩石经受风、霜、雨、雪的侵蚀，或受波浪的冲击、地震等引起各种力的作用，温度的变化、冻胀等因素使整体岩石产生裂隙、崩解碎裂成岩块、岩屑的过程。化学风化：岩体（或岩块、岩屑）与氧气、二氧化碳等各种气体、水和各种水溶液等物质相接触，经氧化、碳化和水化作用，使这些岩石或岩屑逐渐产生化学变化，分解为极细颗粒的过程。,特征：物理风化：量变过程，形成的土颗粒较粗；化学风化：质变过程，形成的土颗粒很细。,对一般的土而言，通常既经历过物理风化，又有化学风化，只不过哪种占优势而已。,1.1土的生成,.,土从其堆积或沉积的条件来看可分为：,残积土：岩石风化后仍留在原地的堆积物。特点：湿热地带，粘土，深厚，松软，易变；寒冷地带，岩块或砂，物理风化，稳定。,1.1土的生成,.,运积土：岩石风化后经流水、风和冰川以及人类活动等搬运离开生成地点后再沉积下来的堆积物。又分为冲积土、风积土、冰碛土和沼泽土等。冲积土：由水流冲积而成；颗粒分选、浑圆光滑风积土：由风力带动土粒经过一段搬运距离后沉积下来的堆积物；没有层理、细砂或粉粒；黄土冰碛（qi）土：由冰川剥落、搬运形成的堆积物；不成层、从漂石到粘粒沼泽土：在沼泽地的沉积物；含有机质、压缩性高、强度低,1.1土的生成,.,气相,固相,液相,+,+,构成土骨架，起决定作用,重要影响,土体,次要作用,1.2土的三相组成,.,土是固体颗粒、水和空气的混合物，常称土为三相系。固相：土的颗粒、粒间胶结物；液相：土体孔隙中的水；气相：孔隙中的空气。,1.2土的三相组成,.,当土骨架的孔隙全部被水占满时，这种土称为饱和土；当土骨架的孔隙仅含空气时，就成为干土；一般在地下水位以上地面以下一定深度内的土的孔隙中兼含空气和水，此时的土体属三相系，称为湿土。根据土的粘性分：粘性土：颗粒很细；无粘性土：颗粒较粗，甚至很大。砂、碎石、甚至堆石（直径几十cm甚至1m）,不同类型的土,1.2土的三相组成,.,一、土的固相土的固相物质包括无机矿物颗粒和有机质，是构成土的骨架最基本的物质，称为土粒。对土粒应从其矿物成分、颗粒的大小来描述。（一）成土矿物：原生矿物，次生矿物原生矿物是指岩浆在冷凝过程中形成的矿物，如石英、长石、云母等。次生矿物是由原生矿物经过风化作用后形成的新矿物，如三氧化二铝、三氧化二铁、次生二氧化硅、粘土矿物以及碳酸盐等。,1.2土的三相组成,.,（二）土粒的大小和土的级配粒度，粒径粒组：把工程性质相近的土粒合并为一组；某粒组的土粒含量定义为该粒组的土粒质量与干土总质量之比土的级配：土中各种大小的粒组中土粒的相对含量随着颗粒大小的不同，土的性质可以有很大的差异。因此，人们常常按照粒径的范围，将土粒分为若干组，粒组之间的分界尺寸称为界限粒径。表1-1是国内常用的一种粒组划分。,1.2土的三相组成,.,土粒粒组的划分表1-1,砂粒,粉粒,圆砾或角砾,1.2土的三相组成,.,颗粒大小,粒组按粗细进行分组，将粒径接近的归成一类界限粒径,1.2土的三相组成,.,（三）颗粒大小分析试验测定土中各粒组颗粒质量所占该土总质量的百分数，确定粒径分布范围的试验称为土的颗粒大小分析试验。常用的方法：筛分法：粒径0.075mm密度计法：粒径0.075mm,1.2土的三相组成,.,1.筛分法利用一套孔径由大到小的筛子，将按规定方法取得的一定质量的干试样放入一次叠好的筛中，置振筛机上充分振摇后，称出留在各级筛上的土粒的质量，按下式计算出小于某土粒粒径的土粒含量百分数X（）式中：mi，m分别为小于某粒径的土粒质量及试样总质量,1.2土的三相组成,.,105.02.01.00.50.250.1,200g,10161824223872,小于某粒径之土质量百分数P（）,粒径(mm),P%958778665536,土的粒径级配累积曲线,水分法,1.2土的三相组成,.,2.密度计法用于分析粒径小于0.1mm（0.075mm）的土，根据粗颗粒下沉速度快，细颗粒下沉速度慢的原理，可以把颗粒按下沉速度进行粗细分组。实验室常用比重计来进行细粒土的粒径分析，称为密度计法。,1.2土的三相组成,.,3.土的级配曲线,1-1颗粒分析试验曲线,1.2土的三相组成,.,(四)颗粒分析试验曲线的主要用途按粒径分布曲线可求得：（1）土中各粒组的土粒含量，用于粗粒土的分类和大致评估土的工程性质；（2）某些特性粒径，用于建筑材料的选择和评价土级配的好坏。根据某些特征粒径，可得到两个有用的指标，即不均匀系数Cu和曲率系数Cc，它们的定义为：（12）,1.2土的三相组成,.,(13)式中：d10，d30和d60为粒径分布曲线上小于某粒径的土粒含量分别为10，30和60时所对应的粒径。d10称为有效粒径；d60称为限制粒径。土的级配的好坏可由土中的土粒均匀程度和粒径分布曲线的形状来决定，而土粒的均匀程度和曲线的形状又可用不均匀系数和曲率系数来衡量。Cu小，曲线陡；Cu大，易压密；Cc过大，台阶在d10d30间；Cc过小，台阶在d30d60间；规范：纯净砾、砂，Cu=5，且Cc=13时，级配良好，否则，不良。,1.2土的三相组成,.,图土的颗粒级配曲线,1.2土的三相组成,.,二、土的液相（一）结合水强结合水性质接近于固体，冰点很低，沸点较高，且不能传递压力。弱结合水也称为薄膜水，不能传递压力，也不能在孔隙水中自由流动，但它可以因电场引力的作用从水膜厚的地方向水膜薄的地方转移。由于它的存在，使土具有塑性、粘性、影响土的压缩性和强度，并使土的透水性变小。吸着水厚度影响因素：成土矿物；阳离子浓度及化学性质(阳离子价低,厚;阳离子浓度高,薄)。,1.2土的三相组成,.,（二）自由水离开土颗粒表面较远，不受土颗粒电分子引力作用，且可自由移动的水称为自由水。（分为毛细管水和重力水）,1.毛细管水土中存在许多大小不同的相互连通的弯曲孔道，由于水分子与土粒分子之间的附着力和水气界面上的表面张力，于是，将引起迫使相邻土粒相互积紧的压力，这个压力称为毛管水压力。,1.2土的三相组成,.,2.重力水在重力或水位差作用下能在土中流动的自由水称微重力水。具有溶解能力，能传递静水和动水压力，对土颗粒有浮力作用。当它在土孔隙中流动时，对所流经的土体施加渗流力（亦称动水压力、渗透力），计算中应考虑其影响。,三、土的气相存在土中的气体分为两种基本类型：一种是与大气连通的气体；另一种是与大气不连通的以气泡形式存在的封闭气体。,1.2土的三相组成,.,一、土的结构1.定义土粒或土粒集合体在空间的排列和互相联结形式称为土的结构.,1.3土的结构、构造,2.类型,(a)单粒结构(b)峰窝结构(c)絮状结构,.,(1)单粒结构如图(a)所示。由颗粒大的土粒在水或空气中下沉堆积而成。粗粒土都具有单粒结构。单粒结构可以分为疏松的和紧密的。疏松单粒结构的土孔隙大，骨架不稳定，在外载作用下容易发生错位，产生很大的变形或沉降，因此，这种土未经处理一般不宜作为建筑物的地基。紧密单粒结构的土，由于颗粒排列紧密，强度高，压缩性小，在动、静载作用下都不会发生较大的沉降，是良好的天然地基。,1.3土的结构、构造,.,(2)峰窝结构如图(b)所示。粒径大约在0.020.002mm范围内的粉土或粘土颗粒，在水中单个下沉时，途中碰到已沉积的土粒时，由于土粒之间的分子引力大于土粒自重，使得土粒只能停留在最初的接触位置不能继续下沉，这样，一粒一粒相互吸引，最终将能形成具有很大孔隙的蜂窝状结构。,1.3土的结构、构造,.,(3)絮状结构如图(c)所示。直径小于0.002mm的极细粘粒，在水中能够长期悬浮而不下沉，如果水中掺有某些电解质，颗粒间的排斥力能被动削弱，运动着的土粒能够相互碰撞凝聚成絮状的小集粒而下沉，并相继与已沉积的絮状集粒接触，形成类似蜂窝而孔隙很大絮状结构（又称为二级蜂窝结构）。以上三种结构中，密实的单粒结构工程性质最好；蜂窝结构和絮状结构如果受到扰动，强度就会降低，压缩性变高，难以作为天然地基。,1.3土的结构、构造,.,二、土的构造,1.定义同一土层中颗粒或颗粒结合体相互间的位置与充填空间情况称为土的构造。其实，这一定义与大多书本一样仍然比较模糊，未交代结构与构造的关系。其实，土的结构着重于细微观，而构造可以理解为土体的宏观结构。,1.3土的结构、构造,.,2.类型土体的构造一般可以分为以下四类：(1)层状构造顾名思义，层状构造是由不同颜色和粒径的土粒构成的一层一层的结构状态。大部分细粒土的土层是这种构造。(2)分散构造土层中的土粒分布均匀，性质相近，粗粒土大都是分散构造。,1.3土的结构、构造,.,(3)裂隙状构造土体被许多不连续的小裂隙所分割，破坏了原状土的整体性，使其工程性质变差，一些坚硬和硬塑状态的粘土具有这种结构。(4)结核状构造在细粒土中明显掺有粗颗粒或各种结核。如含结核的黄土等，该类土的性质主要决定于细粒土部分。,1.3土的结构、构造,.,1.4土的三相物理性质指标的测定及计算,土的物理、力学性质不仅决定于它的三相组成性质和它的结构，而且还与三相之间量的比例关系密切相关。可分为两类：通过试验测定，如含水量、密度和土粒相对密度，称为直接指标；根据直接指标换算，如孔隙比、孔隙率、饱和度等，称为间接指标。,土的三相图,从右图可以容易得到以下关系：Vv=Vw+VaV=Vs+Vv=Vs+Vw+Vam=ms+mw,.,一、试验直接测定的物理性质指标（一）土粒相对密度（土粒比重）ds土粒相对密度定义为土粒的质量（或重量）与同体积4时纯水的质量（或重量）之比（无因次），其表达式为：（1.4.1）或（1.4.2）式中：土粒的密度，即土粒单位体积的质量；4时纯水的密度，1.0g/cm3,土粒相对密度在数值上等于土粒的密度,1.4土的三相物理性质指标的测定及计算,.,土粒相对密度常用比重瓶法测定，事先将比重瓶注满纯水，称瓶加水的质量。然后把烘干土若干克装入该空比重瓶内，再加纯水至满，称瓶加土加水的质量，按下式计算土粒相对密度：,式中：m1瓶+水的质量；m2瓶+土+水的质量；ms烘干土的质量；,1.4土的三相物理性质指标的测定及计算,.,m0msm1m2空瓶质量烘干土的质量瓶+水的质量瓶+土+水的质量m1+ms瓶+水（满）的质量+干土的质量；m1+ms-m2与土粒体积相同的水的质量。,比重瓶法,1.4土的三相物理性质指标的测定及计算,.,（二）土的天然含水量w土的天然含水量，定义为土中水的质量与土粒的质量之比，以百分数表示，其表达式为：（1.4.3）将式（1.4.2）代入（1.4.3）中得测定含水率常用的方法是烘干法，先称出天然土的质量，然后放在烘箱中，在100105常温下烘干，称得干土质量，按上式可算得。,1.4土的三相物理性质指标的测定及计算,.,（三）土的天然密度与重度土的密度定义为单位体积土的质量，用表示，单位为Mg/m3(或g/cm3)。表达式如下：（1.4.5）对于粘性土，土的密度常用环刀法测定。,1.4土的三相物理性质指标的测定及计算,.,二、间接换算得物理性质指标（一）土的孔隙比e定义：土中孔隙的体积与土粒的体积之比，以小数表示，其表达式为：（1.4.10）（二）土的孔隙率n定义：土中孔隙的体积与土的总体积之比，或单位体积内孔隙的体积，以百分数表示，其表达式为：（1.4.11）,1.4土的三相物理性质指标的测定及计算,.,（三）土的饱和度Sr定义：土中孔隙水的体积与孔隙体积之比，以百分数表示，其表达式为：（1.4.12）,1.4土的三相物理性质指标的测定及计算,.,土的干重度：单位体积内土粒的重量，表达式为：（1.4.14）土烘干，体积要减小，因而，土的干密度不等于烘干土的密度。土的干密度或干重度也是评定土密实程度的指标，干密度或干重度愈大表明土愈密实，反之愈疏松。,（四）干密度d与干重度d土的干密度：单位体积内土粒的质量，表达式：（1.4.13）,1.4土的三相物理性质指标的测定及计算,.,（五）饱和密度sat与饱和重度sat饱和密度定义：土中孔隙完全被水充满土处于饱和状态时单位体积土的质量。表达式为（1.4.15）,在饱和状态下，单位体积土的重量称为饱和重度，其表达式为：（1.4.16）,1.4土的三相物理性质指标的测定及计算,.,（六）浮密度与浮重度（有效重度）土在水下，受到重力水的浮力作用，此时土中固体颗粒的质量再扣去固体颗粒排开水的质量与土样总体积之比（1.4.17）,浮密度,1.4土的三相物理性质指标的测定及计算,.,与其相应，提出了浮密度的概念，土的浮密度是单位体积内的土粒质量与同体积水质量之差，其表达式为：（1.4.18）或（1.4.19）从上述四种土的密度或重度的定义可知，同一土样各种密度或重度在数值上有如下关系：,1.4土的三相物理性质指标的测定及计算,.,三、常用物理性质指标的实用计算公式(重点、难点)常用的土的物理指标共有九个。已知其中任意三个，通过换算可以求出其余的六个。（一）孔隙比与孔隙率的关系设土体内土粒的体积为1，则可知，孔隙的体积Vv为e，土体的体积V为（1e），于是有：或,三相示意图（a）,1.4土的三相物理性质指标的测定及计算,.,（二）干密度与天然密度和含水量的关系设土体的体积V为1，则d=ms/V，土体内土粒的质量ms为d，由w=mw/ms水的质量mw为wd。于是，按t天然密度的定义可得：或（1-22）,1.4土的三相物理性质指标的测定及计算,.,（三）孔隙比与土粒相对密度和干密度的关系设土体内土粒的体积为1，则按，孔隙的体积Vv为e；由sms/Vs得土粒的质量ms为s。于是，按d的定义可得：应用式（16）整理得：,1.4土的三相物理性质指标的测定及计算,.,（四）饱和度与含水量、相对密度和孔隙比的关系设土体内土粒的体积为1，则按e=VV/VS得体积VV=e；由sms/Vs得土粒的质量ms=s。按w=mw/ms，得质量mw=ws，则得体积Vw=mw/w=ws/w。于是，当土饱和时，即Sr为100，则：式中：wsat饱和含水率。,1.4土的三相物理性质指标的测定及计算,.,（五）浮密度与土粒相对密度和孔隙比的关系设土体内土粒体积为1，则按e=VV/VS，孔隙的体积VV为e；由sms/Vs得土粒的质量ms为s。于是，按式浮密度的定义可得,1.4土的三相物理性质指标的测定及计算,.,例题,【例题1-1】某干砂试样，经细雨后，体积未变，饱和度达到Sr=40%，试问细雨后砂样的密度、重度和含水量各是多少？,解：对于干砂试样，其密度应为,孔隙比：,雨后含水量：,雨后砂样密度：,雨后砂样重度：,1.4土的三相物理性质指标的测定及计算,.,【例题1-2】有一个完全饱和的粘土土样，测得总体积V1=100cm3，已知土粒对水的相对密度ds=2.66，土样含水量w1=45%，将该土样置于烘箱中烘了一段时间之后，测得土样的体积V2=95cm3，w2=35%，问土样烘干前后的密度、干密度、孔隙比、饱和度各为多少？,解：烘烤前因为土样完全饱和即Sr1=100%所以孔隙比：,干密度：,密度：,烘烤后土样中的干土质量不变即,此时土样的总质量：,土样密度：,土样干密度：,土样孔隙比：,土样的饱和度：,1.4土的三相物理性质指标的测定及计算,.,【例题1-3】某一块试样在天然状态下的体积为60cm3，称得其质量为108g，将其烘干后称得质量为96.43g，根据试验得到的土粒比重ds为2.7，试求试样的湿密度、干密度、饱和密度、含水率、孔隙比、孔隙率和饱和度。【解】（1）已知V60cm3，m=108g，则由式（14）得=mv=180/60=1.8g/cm3,1.4土的三相物理性质指标的测定及计算,.,（2）已知ms=96.43g，则mw=mms=10896.43=11.57g按式（18），于是w=mwms11.5796.43=12%（3）已知ds=2.7，则Vs=ms/s=96.432.735.7cm3Vv=VVs=6035.724.3cm3按式（111），于是,（4）按式（112）n=Vv/V24.360=40.5（5）根据w的定义Vw=mw/w=11.57111.57cm3于是按式（113）Sr=Vw/Vv=11.5724.348,=24.335.7=0.68,1.4土的三相物理性质指标的测定及计算,.,【例1-4】某土样在天然状态下的孔隙比e=0.8，土粒比重ds=2.68，含水量=24%，求：(a)天然状态下的重度、干重度和饱和度；(b)若该土样加水后，达到饱和状态，计算饱和时的含水量及饱和重度(假定土的孔隙比保持不变)。,1.4土的三相物理性质指标的测定及计算,.,解:(a),(b),1.4土的三相物理性质指标的测定及计算,.,【例1-5】某饱和土样重0.4N，体积为21.5cm3。放入烘箱内烘一段时间后取出，称得其重量为0.33N，体积减小至15.7cm3，饱和度为75%。试求该土样烘烤前的含水量w、孔隙比e及干容重d。,1.4土的三相物理性质指标的测定及计算,.,解：设烘一段时间后，孔隙体积为Vv2，孔隙水所占体积为Vw2，则：在烘后状态：在烘前状态：联立求解得：,=4.8cm3，,=3.6cm3,1.4土的三相物理性质指标的测定及计算,.,上一节讲的9个三相指标主要是反映土的物理性质的，还不能直接表现土的物理状态，本节讲授反映土的物理状态的有关指标。所谓土的物理状态，对于粗粒土来讲，就是指它的密实程度；对于细粒土，则是指它的软硬程度即粘性土的稠度(consistency）,1.5和1.6土的物理状态指标,.,一、无粘性土（粗粒土）的密实度（1.5节）,土的密实度:指单位体积的土体中固体颗粒的含量。干容量d和孔隙比e（或孔隙率n）都是表示土的密实度的指标。但这种直接用土粒的含量或孔隙含量表示密实度的方法具有明显的缺点:最主要的就是它们没有考虑到土粒粒径级配这一重要因素的影响，不同级配的砂土，即使孔隙比相同，所处的松密状态并不会相同。,1.5和1.6土的物理状态指标,.,为了更好的表明粗粒土的密实状态，可以将天然孔隙比e与同一种土的最密实状态的孔隙比emin和最松散状态孔隙比emax进行对比，看天然的e是靠近emin还是靠近emax，以此来判别它的密实度。这种度量密实度的指标称为相对密度(relativedensity)Dr。式中：Dr相对密实度；emax无粘性土处在最松状态时的孔隙比；emin无粘性土处在最密状态时的孔隙比；e无粘性土得天然孔隙比或填筑孔隙比。,1.5和1.6土的物理状态指标,.,显然，当e接近于emin时，Dr接近于1，土呈密实状态，当e接近于emax时，Dr接近于零，土呈松散状态。通常根据Dr可以把粗粒土的松密状态分为下列三种：0Dr0.33松散0.33Dr0.67中密0.67Dr1密实,1.5和1.6土的物理状态指标,.,天然砂土的密实度只能在现场利用标准贯入试验、静力触探试验等原位测试方法来获得。通常根据标准贯入试验的锤击数N，将天然砂土分为表1.5.2中的四种密实度状态。,表1.5.2天然砂土的密实度划分,1.5和1.6土的物理状态指标,.,碎石土可以用可挖性、可钻性等方法进行现场鉴别，一般也可区分为密实、中密和稍密三种密实度状态。细粒土（粘性土）无法在实验室测定最大和最小孔隙比，实际上也不存在emax和emin，因此只能根据孔隙比e或干密度d来判断其密实度。,1.5和1.6土的物理状态指标,.,稠度：指粘性土的干湿程度或在某一含水率下抵抗外力作用而变形或破坏的能力，是粘性土最主要的物理状态指标。,二、粘性土的稠度（1.6节）,（一）粘性土的稠度状态,粘性土的稠度状态常用流动、软、可塑、硬等描述。,粘性土,1.5和1.6土的物理状态指标,.,粘性土从一种状态过渡到另一种状态，可用某一界限含水率来区分，这种界限含水率称为稠度界限或阿太堡界限。,（二）界限含水率及其测定,1.界限含水率,1.5和1.6土的物理状态指标,.,液限（WL）从流动状态转变为可塑状态的界限含水率，也就是可塑状态的上限含水率；,塑限（Wp）从可塑状态转变为半固体状态的界限含水率,也就是可塑状态的下限含水率；,缩限（Ws）从半固体状态转变为固体状态的界限含水率,亦即粘性土随着含水率的减小而体积开始不变时的含水率。,1.5和1.6土的物理状态指标,.,测定塑限的方法：搓滚法和液、塑限联合测定法。,2.液、塑限的测定,测定液限的方法：碟式仪法、锥式液限仪、和液、塑限联合测定法。,1.5和1.6土的物理状态指标,.,联合测定仪,1.5和1.6土的物理状态指标,.,锥式液限仪,1.5和1.6土的物理状态指标,.,蝶式仪,25击合拢长度13mm时含水率为液限,1.5和1.6土的物理状态指标,.,土的缩限用收缩皿法测定。,3.缩限的测定,式中：ws土的缩限（）w制备时的含水率（）V1湿试样的体积（cm3），V2干试样的体积（cm3）,1.5和1.6土的物理状态指标,.,1.塑性指数,（三）塑性指数和液性指数,塑性指数：液限和塑限之差的百分数值（去掉百分号）。用Ip表示，取整数。,粘土粉质粘土粉土,1.5和1.6土的物理状态指标,.,2.液性指数,式中：IL液性指数，以小数表示；w土的天然含水率。,1989和2002建筑地基基础设计规范都根据IL将粘性土划分成了表1.6.1中的五种状态。粘性土的软硬状态表1.6.1,1.5和1.6土的物理状态指标,.,（四）灵敏度、触变性及活动度土的结构形成后就获得了一定的强度，并且这种强度会随时间而增长。在含水量不变的情况下，将原状土捏碎，重新按原来的密度制备成重塑土，由于原状结构遭到了彻底破坏，重塑土样的强度会比原状土样有明显的降低。原状土样的单轴抗压强度qu与重塑土样的单轴抗压强度qu之比称为土的灵敏度St，即：St=qu/qu(1.6.6)根据灵敏度的大小可以将粘性土分为三类：低灵敏土（14）。,1.5和1.6土的物理状态指标,.,与灵敏度密切相关的另一特性是触变性。结构受破坏，强度降低以后的土，若静置不动，则土颗粒与水分子和离子会重新组合排列，形成新的结构，强度又将得到一定程度的恢复。这种在含水量和密度不变的条件下，土因重塑而软化，又因静置而逐渐硬化的性质称为土的触变性。,1.5和1.6土的物理状态指标,.,在实际工程中，有时两种粘土的塑性指数Ip很接近，但性质可能会有很大差异，为了进一步加以区别，英国土力学家斯肯普顿在1953年又引入了活动度A的概念，即：A=Ip/m式中m为粒径小于0.002mm的土粒质量占土样总质量的百分数。,1.5和1.6土的物理状态指标,.,试验设备击实筒V=1000cm3；击实锤w=25牛顿试验条件土样分层n=3层；落高d=30cm；击数N=27/层击实能量,试验方法对=常数的土；分三层压实；测定击实后的、，算定d,注意：仅适用于细粒土；对粗粒土，可用较大尺寸的击实仪,土,1.7粘性土水-土系统的工程特性,击实试验,土的压实性：指在一定的含水率下，以人工或机械的方法，使土能够压实到某种密实度的性质。,.,1.8地基土的工程分类,一、土的工程分类依据按前面的分析，影响土的工程性质的三个主要因素是土的三相组成、土的物理状态和土的结构。在这三者中，起主要作用的无疑是三相组成。在三相组成中，关键又是土的固体颗粒，而颗粒的粗细是最为重要的。,.,1.碎石土指粒径大于2mm的颗粒含量超过总土重50%的土。根据粒组含量及颗粒形状，还可按表1.8.1细分为漂石、块石、卵石、碎石、圆砾和角砾六类。,碎石土的分类表1.8.1,注：分类时应根据粒组含量由大到小以最先符合者确定。,1.8地基土的工程分类,.,2.砂土指粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重的50%，而粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重的50%的土。砂土根据粒组含量不同又被细分为砾砂、粗砂、中砂、细砂和粉砂五类。如表1.8.2所示。,砂土的分类表1.8.2,注：分类时应根据粒组含量由大到小以最先符合者确定。,1.8地基土的工程分类,.,3.粉土指粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过50%，且塑性指数3L/6,.,五、地基中附加应力的计算（空间问题）,(一)布森涅斯克解,(二)矩形基底均布荷载作用下地基中的附加应力,角点下的应力,.,2.任意点的应力角点法,z=(C+C)p0,地基中的附加应力空间问题的解及其应用,.,z=(C+C-C-C)p0,z=(C-C-C+C)p0,.,(三)矩形面积上作用竖直三角形荷载在零角点下任意深度z处所引起的竖直附加应力z为z=tcp0(四)圆形面积均布荷载作用中心点的附加应力,.,五、地基中附加应力的计算（平面问题）,（1）弗拉曼解及其应用（2）条形面积上的竖直均布荷载,.,（3）条形基底三角形分布荷载作用下地基附加应力,zaspm,n=x/b，m=z/b的函数,.,EndofChapter2结束,.,第四章土的压缩性和地基沉降计算,.,主要内容,4.1概述4.2土的压缩性及压缩性指标4.3地基的沉降量计算4.4应力历史对地基沉降的影响4.5地基沉降与时间的关系4.6地基沉降计算的其他情况4.7二维、三维渗流固结课题4.8地基允许变形值及防止地基有害变形的措施,.,4.1概述,如果在地基上修建建筑物，地基土内各点不仅要承受土体本身的自重应力，而且要承担由建筑物通过基础传递给地基的荷载产生的附加应力作用，这都将导致地基土体的变形。在附加应力作用下，地基土土体变形，从而将引起建筑物沉降。为什么要研究沉降？基础的沉降量或者各部位的沉降差过大，那么将影响上部建筑物的正常使用，甚至会危及建筑物的安全。,.,沉降、不均匀沉降工程实例,问题：沉降2.2米，且左右两部分存在明显的沉降差。,墨西哥某宫殿,地基：20多米厚的粘土,概述,.,由于沉降相互影响，两栋相邻的建筑物上部接触,沉降、不均匀沉降工程实例,概述,.,长高比过大的建筑物因不均匀沉降墙体产生裂缝,中部沉降大“八”字形裂缝,沉降、不均匀沉降工程实例,概述,.,在外力作用下，土颗粒重新排列，土体体积缩小的现象称为压缩。,通常，土粒本身和孔隙水的压缩量可以忽略不计，在研究土的压缩时，认为土体压缩主要是孔隙中体积一部分水和空气被挤出，封闭气泡被压缩。,土的压缩随时间增长的过程称为土的固结。,4.2土的压缩性及压缩性指标,渗透性较大的土砂土，加荷后，孔隙中的水较快排出，压缩完成得快；渗透性小的土粘土，加荷后，孔隙中的水缓慢排出，且土颗粒间的力作用使压缩完成得慢。,4.2.1土的压缩性,.,1土的压缩试验为了研究土的压缩特性，通常可在试验室内进行压缩（固结）试验，从而测定土的压缩性指标。室内压缩（固结）试验的主要装置为侧限压缩仪（固结仪）。,用这种仪器进行试验时，由于刚性护环所限，试样只能在竖向产生压缩，而不能产生侧向变形，故称为侧限压缩试验。,4.2.2压缩试验及压缩性指标,土的压缩性及压缩性指标,.,侧限压缩试验,固结容器：环刀、护环、导环、透水石、加压上盖和量表架等加压设备：杠杆比例1:10变形测量设备,侧限压缩仪（固结仪）,支架,加压设备,固结容器,变形测量,土的压缩性及压缩性指标,.,只在竖直方向上进行压缩变形是由孔隙体积的减小引起的,土的压缩性及压缩性指标,.,根据固结试验各级荷载pi相应的稳定压缩量Si，可求得相应孔隙比ei建立压力p与相应的稳定孔隙比的关系曲线，称为土的压缩曲线。,固体颗粒,孔隙,Howtodetermineit?,土的压缩性及压缩性指标,.,2、压缩性指标（1）压缩系数压缩曲线反映了土受压后的压缩特性。土的压缩系数是指土体在侧限条件下孔隙比减小量与有效应力增量的比值，即ep曲线某范围的割线斜率。,e,(kPa),单位：Mpa-1,土的压缩性及压缩性指标,.,图中所示为0.1、0.2MPa两级压力下对应的压缩系数，称为a1-2，常用来衡量土的压缩性高低。,e,(kPa),土工试验方法标准,土的压缩性及压缩性指标,.,土的固结试验的结果也可以绘在半对数坐标上，即坐标横轴p用对数坐标，而纵轴e用普通坐标，由此得到的压缩曲线称为elgp曲线。在较高的压力范围内，elgp曲线近似地为一直线，可用直线的斜率压缩指数Cc来表示土的压缩性高低，即,式中，e1，e2分别为p1，p2所对应的孔隙比。,（2）压缩指数,土的压缩性及压缩性指标,压缩系数和压缩指数区别:前者随所取的初始压力及压力增量的大小而异，而后者在较高的压力范围内是常数。,.,（3）土的压缩模量是指土体在侧限条件下的竖向附加应力与相应的竖向应变之比：,固体颗粒,孔隙,土的体积压缩系数mv定义为土体在单位应力作用下体积应变,它与土的压缩模量互为倒数。,土的压缩性及压缩性指标,.,1、现场荷载试验,教材117,4.2.3土的荷载试验及变形模量,土的压缩性及压缩性指标,.,土的压缩性及压缩性指标,.,2、土的侧压力系数及变形模量,土的侧压力系数，K0，是指侧限条件下土中侧向应力与竖向应力之比。,土的变形模量，E0，是土体在无侧限条件下的应力与应变的比值。相当于理想弹性体的弹性模量，但是由于土体不是理想弹性体,故称为变形模量。E0的大小反映了土体抵抗弹塑性变形的能力。前面定义侧限条件下的压缩模量Es，与之有如下关系：,K0与泊松比有如下关系：,土的压缩性及压缩性指标,.,变形模量E0与压缩模量Es之间的关系推导：,所以有,根据定义,土的压缩性及压缩性指标,.,土的弹性模量（杨氏模量）E，是指土体在无侧限条件下瞬时压缩的应力与弹性应变的比值。常用于估算建筑物初始瞬时沉降。,压缩模量Es和变形模量E0的应变为总应变，包括弹性应变和塑性应变。弹性模量E的应变只包含弹性应变。,通常变形模量取值,土的压缩性及压缩性指标,.,4.3地基沉降量计算,地基沉降量是指地基土压缩变形达固结稳定的最大沉降量。,地基沉降有两方面的原因：一是建筑物荷载在土中产生附加应力，二是土具有压缩性。,地基沉降计算方法有分层总和法、弹性理论法、应力历史法、应力路径法等等。,分层总和法是目前被广泛采用的沉降计算方法。,.,分层总和法是以无侧向变形条件下的压缩量公式为基础。,一、分层总和法,无侧向变形条件下单向压缩量计算假设：(1)地基土的一个分层为一均匀、连续、各向同性的半无限空间弹性体。(2)土的压缩完全是由于孔隙体积减小导致骨架变形的结果，土粒本身的压缩可忽略不计；(3)土体仅产生竖向压缩，而无侧向变形；(4)土层均质且在土层厚度范围内，压力是均匀分布的。,4.3地基沉降量计算,.,无侧向变形条件下单向压缩量公式,4.3地基沉降量计算,.,根据av，mv和Es的定义,上式又可表示为,4.3地基沉降量计算,.,4.3地基沉降量计算,分层总和法在沉降计算深度范围内划分若干土层，计算各层的压缩量（Si），然后求其总和，即得地基表面的最终沉降量S，这种方法称为分层总和法。沉降计算深度zn是指自基础底面向下需要计算压缩变形所达到的深度。,分层总和法,.,沉降计算深度zn的确定：,z-地基某深度的附加应力;s-自重应力。,一般土层：z=0.2cz；软粘土层：z=0.1cz；至基岩或不可压缩土层。,分层总和法,4.3地基沉降量计算,.,分层总和法的基本思路是：将压缩层范围内地基分层，计算每一分层的压缩量，然后累加得总沉降量。分层总和法有两种基本方法：ep曲线法和elgp曲线法。,4.3地基沉降量计算,.,用ep曲线法计算地基的沉降量计算步骤（1）首先根据建筑物基础的形状，结合地基土层性状，选择沉降计算点的位置；再按作用在基础上荷载的性质（中心、偏心或倾斜等），求出基底压力的大小和分布。,（2）将地基分层。12m,p1，称为超固结土；如果pc1.0的土就是超固结土;OCR1.0的土就是欠固结土。,4.4应力历史对地基沉降的影响,.,图正常固结土的原始压缩曲线推求,2现场初始压缩曲线的推求1)正常固结土如右图(教材P144图4.4.5)所示。假设条件：10取样过程中无回弹,eo代表现场原位(p1)孔隙比；20e=0.42eo时，试样不受扰动(试验结果的总结)。,4.4应力历史对地基沉降的影响,.,方法：10根据试验曲线，用卡萨格兰德方法找到先期固结压力pc；20确定原位状态点b(p1=pc，eo)；30在试验曲线上找到纵坐标e=0.42eo的点c；40连接b、c两点即得原位压缩曲线bc，其斜率就是土的原位压缩指数Cc。,4.4应力历史对地基沉降的影响,.,2)超固结土如右图(教材P144图4.4.6)所示。假设条件：10取样过程中无回弹,eo代表现场原位(p1)孔隙比；20e=0.42eo时，试样不受扰动(试验结果的总结)；30再压缩指数Ce为常数。,图4-13超固结土的原始压缩曲线推求,4.4应力历史对地基沉降的影响,.,方法：10用卡萨格兰德法从室内试验曲线上找到先期固结压力pc；20确定原位状态点b1(p1=h，eo)；30从b1点作斜率为Ce的直线交垂线p=pc于b点；40在室内试验曲线上找到纵坐标e=0.42eo的点c；50连接b、c两点得直线bc。,4.4应力历史对地基沉降的影响,3)欠固结土近似按正常固结土的方法求原始压缩曲线。,.,3elgp曲线法（应力历史法）利用室内elgp曲线法可以考虑应力历史的影响，从而可进行更为准确的沉降计算。与单向压缩分层总和法的区别：a.采用elgp曲线确定压缩指数Ccb.由现场压缩曲线求得c.初始孔隙比用d.考虑土的应力历史，对正常固结土和超固结土采用不同的计算公式,4.4应力历史对地基沉降的影响,.,e-p曲线与e-lgp曲线计算沉降的比较,.,沉降计算方法的讨论,单向压缩分层总和法（使用e-p曲线）优点：计算方法简单，计算指标容易测定，能考虑地基分层、地下水位、基础形状，适用广泛，经验积累较多。当基础面积大大超过压缩层厚度，可以得到较好结果。缺点：室内测e-p曲线，取样扰动，使计算结果偏大。,可判定原状土压缩曲线区分不同固结状态,无法确定现场土压缩曲线不区分不同固结状态,e-lgp曲线方法与e-p曲线方法相比，不足之处：,规范法,修正，提高了精度。,e-pe-lgp,其它方法的优缺点前面已讲过,.,4.5地基沉降与时间的关系,固结：饱和土体在某压力作用下，压缩量随着孔隙水的排出而逐渐增长的过程；固结描述了沉降与时间之间的关系。,关西国际机场世界最大人工岛,1986年：开工1990年：人工岛完成1994年：机场运营面积：4370m1250m填筑量：180106m3平均厚度：33m地基：15-21m厚粘土,工程实例,关西国际机场是日本建造海上机场的伟大壮举，是日本人围海造地工程的杰作。关西国际机场建在大阪东南、离海岸大约3英里的大沙滩上。这个大沙滩，长2.5英里，宽0.75英里。1989年日本政府决定在大阪建成年客流量高大3000万人的世界级机场，并配有现代化的商场、旅馆以及其他配套设施。机场的全部预算高达100亿美元，如果将配套的高速运输线和填海费用全部计算在内，工程造价将超过英吉利海峡隧道工程。关西机场1994年夏季已投入使用，整个机场酷似一个绿色的峡谷，一侧为陆地，一侧为海洋。国家：日本城市：大阪年份：1994年关西机场象是一具精准的仪器，是数学与科技的结晶。皮亚诺,.,工程实例,设计时预测沉降：5.77.5m完成时实际沉降：8.1m，5cm/月(1990年)预测主固结完成：20年后比设计超填：3.0m,问题：沉降大且有不均匀沉降,.,一、饱和土的渗透固结物理模型弹簧活塞模型,4.5地基沉降与时间的关系,p,p,附加应力:z=p超静孔压:u=z=p有效应力:z=0,渗流固结过程变形逐渐增加,附加应力:z=p超静孔压:u0,附加应力:z=p超静孔压:u=0有效应力:z=p,p,.,从固结模型模拟的土体的固结过程可以看出：在某一压力作用下，饱和土的固结过程就是土体中各点的超孔隙水应力不断消散、附加有效应力相应增加的过程，或者说是超孔隙水应力逐渐转化为附加有效应力的过程，而在这种转化的过程中，任一时刻任一深度上的应力始终遵循着有效应力原理，即p=u+。因此，关于求解地基沉降与时间关系的问题，实际上就变成求解在附加应力作用下，地基中各点的超孔隙水应力随时间变化的问题。因为一旦某时刻的超孔隙水应力确定，附加有效应力就可根据有效应力原理求得，从而，根据上节介绍的理论，求得该时刻的土层压缩量。,.,二、太沙基（Terzaghi）单向固结理论,实践背景：大面积均布荷载,p,不透水岩层,饱和压缩层,z=p,p,侧限应力状态,土层均匀且完全饱和；土颗粒与水不可压缩；变形是单向压缩（水的渗出和土层压缩是单向的）；荷载均布且一次施加；假定z=const渗流符合达西定律且渗透系数保持不变；压缩系数a是常数。,1、基本假定,.,2、建立方程,微小单元（11dz）微小时段（dt）,孔隙体积的变化流出的水量,土的压缩特性,有效应力原理,达西定律,表示超静孔隙水压力的时空分布的微分方程,超静孔隙水压力孔隙比,超静孔隙水压力孔隙比,土骨架的体积变化,z,.,固体体积：,孔隙体积：,dt时段内：,孔隙体积的变化流出的水量,.,dt时段内：,孔隙体积的变化流出的水量,土的压缩性：,有效应力原理：,达西定律:,孔隙体积的变化土骨架的体积变化,.,由公式可以求解得任一深度z在任一时刻t的孔隙水应力的表达式。固结微分方程的物理意义：孔隙水应力随时间的变化正比于水力梯度随深度的变化。,固结系数,Cv反映了土的固结性质：孔压消散的快慢固结速度；Cv与渗透系数k成正比，与压缩系数a成反比；（cm2/s；m2/year，粘性土一般在10-4cm2/s量级）,.,3、固结微分方程求解：,(4-36),线性齐次抛物线型微分方程式，一般可用分离变量方法求解。给出定解条件，求解渗流固结方程，就可以解出uz,t。,（1）求解思路,.,0zH:u=p,z=0:u=0z=H:uz,0zH:u=0,（2）边界、初始条件,z,.,时间因数,反映孔隙水压力的消散程度固结程度,式中，m正奇数（1，3，5.）；Tv时间因数，无因次,其中，H为最大排水距离，在单面排水条件下为土层厚度，在双面排水条件下为土层厚度的一半。,.,H,单面排水时孔隙水压力分布,双面排水时孔隙水压力分布,z,z,排水面,不透水层,排水面,排水面,渗流,渗流,渗流,Tv=0,Tv=0.05,Tv=0.2,Tv=0.7,Tv=,Tv=0,Tv=0.05,Tv=0.2,Tv=0.7,Tv=,时间因数,m1，3，5，7,4、固结微分方程的解,.,三、固结度及其应用所谓固结度，就是指在某一附加应力下，经某一时间t后，土体发生固结或孔隙水应力消散的程度。对某一深度z处土层经时间t后，该点的固结度可用下式表示,式中：uo初始孔隙水应力，其大小即等于该点的附加应力p；ut时刻该点的孔隙水应力。某一点的固结度对于解决工程实际问题来说并不重要，为此，常常引入土层平均固结度的概念。,.,或者,式中：st经过时间t后的基础沉降量；s基础的最终沉降量。,M,.,（m=1,3,5,7）土层的平均固结度是时间因数Tv的单值函数，它与所加的附加应力的大小无关，但与附加应力的分布形式有关。反映附加应力分布形态的参数：,对0型，附加应力为（沿竖向）均匀分布,定义为透水面上的附加应力与不透水面上附加应力之比。,.,“1”型“2”型“0-1”型“0-