5-第五章土的力学性质

第五章

土的力学性质第五章

土的力学性质1第五章土的力学性质土的力学性质是指土在外力作用下所表现的性质。变形在压应力作用下体积缩小的压缩性力学性质强度在剪应力作用下抵抗剪切破坏的抗剪性第五章土的力学性质土的力学性质是指土在外力作用下所表现的性2第五章土的力学性质力学性质土的压缩性

土的抗剪性

土的击实性

压缩变形的本质压缩性指标抗剪性本质抗剪强度与剪切定律击实特性击实本质第五章土的力学性质力学性质土的压缩性土的抗剪性土的击3第五章土的力学性质土的力学性质说明了土抵抗外力变形和破坏的能力，实质上，说明了土的连结和孔隙在外力作用下可能发生的变化。土的力学性质主要取决于土的物质组成、结构和构造特点，还与受力条件有关第五章土的力学性质4第一节土的压缩性第五章土的力学性质第五章土的力学性质5第一节土的压缩性一、土压缩变形的特点及实质土的压缩性－－土在压力作用下体积压缩变小的性能。土是由固、液、气三相物质组成的，土受压后体积缩小，必然是土的三相组成部分中的各部分体积减小的结果。土体积被压缩变小的可能：1、土粒本身的压缩变形2、孔隙中不同形态的水和气体的压缩变形3、孔隙中部分水和气体被挤出，土粒相互靠拢使孔隙体积减小。第一节土的压缩性一、土压缩变形的特点及实质土体积被压缩变小6第一节土的压缩性一、土压缩变形的特点及实质1.在一般建筑物荷重(0.1—0.6MPa)作用下，土中固体颗粒的压缩量极小，达不到土体总压缩量的1/400，通常认为土的固体颗粒是不可压缩的。2.自然界中土的孔隙是和四周的大气连通的，孔隙中的水分和气体在压力作用下不可能被压缩，而是被挤出.3.当土孔隙中的水分和气体被挤出时，土粒相互移动靠拢，致使土的孔隙体积减小，而引起土体积减小。土的压缩变形本质原因：孔隙中的水分和气体在压力作用下被挤出，土粒相互移动靠拢，孔隙体积减小引起土体压缩变形。第一节土的压缩性一、土压缩变形的特点及实质土的压缩变形本质7第一节土的压缩性一、土压缩变形的特点及实质影响土的压缩性的因素：内部因素：土的组成、结构、孔隙特征： 饱水土和非饱水土：饱水土：压缩过程是孔隙水压力的消散过程。饱水土在一定荷载作用下的渗透压密过程，称为渗透固结。非饱水土：首先是气体外逸，空气未完全排出时，孔隙中的水尚未充满全部孔隙，故含水率基本不变，而随着土被压缩其饱和度逐渐增大。当达到饱和后，其压缩情况与饱和土一样。第一节土的压缩性一、土压缩变形的特点及实质饱水土：非饱水土8第一节土的压缩性一、土压缩变形的特点及实质影响土的压缩性的因素：内部因素：土的组成、结构、孔隙特征：饱和砂土：孔隙较大，透水性强，在压力作用下孔隙中的水很快排出，压缩很快完成，但砂土的孔隙总体积较小，其压缩量也较小。饱和粘性土：孔隙小而多，透水性弱，在压力作用下孔隙中的水不可能很快被挤出，土的压缩常需相当长的时间，但其压缩量较大。第一节土的压缩性一、土压缩变形的特点及实质饱和砂土：饱和粘9第一节土的压缩性一、土压缩变形的特点及实质影响土的压缩性的因素：外部因素：外力作用时的应力状态及变形条件 变形条件：无侧胀压缩无侧限压缩第一节土的压缩性一、土压缩变形的特点及实质无侧胀压缩无侧限10第一节土的压缩性二、土的压缩试验和压缩性指标三联固结仪第一节土的压缩性二、土的压缩试验和压缩性指标三联固结仪11二、土的压缩试验和压缩性指标侧限压缩试验水槽内环环刀透水石传压板百分表测定：轴向应力轴向变形*施加荷载，静置至变形稳定*逐级加大荷载这样可以得到不同荷载下的变形，于是可以求得不同的e－p值，作出e－p曲线试样二、土的压缩试验和压缩性指标侧限压缩试验水槽内环环刀透水石传125-第五章土的力学性质13压缩系数是表征土压缩性大小的主要指标压密定律：在压力范围不大时，孔隙比的减小值与压力的增加值成正比压缩曲线与压密定律压缩系数是表征土压缩性大小的主要指标压缩曲线与压密定律14第一节土的压缩性二、土的压缩试验和压缩性指标压缩曲线（e－p曲线）先陡后缓。原因是开始加压时接触不稳定的土粒相互靠拢，孔隙快速减小，故开始时压缩增量大，曲线陡；随后的压缩变形则是孔隙中水和气体被挤出导致，压缩慢，变形增量小，曲线平缓。第一节土的压缩性二、土的压缩试验和压缩性指标原因是开始加压15二、土的压缩试验和压缩性指标压缩曲线的应用：1、定性研究土的压缩性：曲线陡，压缩性高；曲线平缓，压缩性低。2、定量评价土的压缩性：压缩系数压缩系数大，压缩性高；评价不同土的压缩性，须采用同一压力范围的系数。第一节土的压缩性二、土的压缩试验和压缩性指标压缩曲线的应用：第一节土的压缩16二、土的压缩试验和压缩性指标第一节土的压缩性二、土的压缩试验和压缩性指标第一节土的压缩性17

压缩性评价指标还可采用压缩指数Cc，为e－Lgp曲线上直线段的斜率。其值越大，压缩性越高。

a与Cc之间可相互换算。

第一节土的压缩性

二、土的压缩试验和压缩性指标

压缩性评价指标还可采用压缩指数Cc，为e－Lgp曲线上直18第一节土的压缩性

二、土的压缩试验和压缩性指标压缩模量Es－－土在侧限条件下受压时，某压力段压应力增量与压应变增量之比。

可由a1－2与e0求出。第一节土的压缩性

二、土的压缩试验和压缩性指标压缩模量Es19三、载荷试验和变形模量载荷试验－－是在保持地基土天然应力和结构状态情况下，模拟建筑物荷载条件，通过一定面积的承压板向地基施加垂向荷载，研究地基土变形和强度规律的一种原位试验。近似为无侧限压缩最常用的载荷试验：浅层试坑平板载荷试验第一节土的压缩性三、载荷试验和变形模量第一节土的压缩性20三、载荷试验和变形模量第一节土的压缩性载荷试验S-P曲线Pa－临塑荷载Pu－极限荷载三、载荷试验和变形模量第一节土的压缩性载荷试验S-P曲线P21载荷试验的数据处理：1、曲线变形量s－压力p曲线变形量s－时间t曲线s－p曲线分析：地基土的变形分为三个阶段：（1）压密变形阶段：oa段，近直线。（2）剪切变形阶段：ab段，a点对应荷载－临塑荷载（比例界限压力）（3）完全破坏阶段：b点后，b点对应荷载－极限荷载地基土的允许承载力确定方法：【R】＝pa或【R】＝pu÷K第一节土的压缩性载荷试验的数据处理：第一节土的压缩性22载荷试验的数据处理：2、变形模量E0土的变形模量－－土在无侧限条件下受压时，压应力增量与压应变增量之比。E0求法：用s－p曲线的直线段，按弹性理论公式求得：第一节土的压缩性载荷试验的数据处理：第一节土的压缩性23四、土的变形模量E0和压缩模量Es的关系可由压缩模量求出变形模量：或采用经验公式换算出E0第一节土的压缩性四、土的变形模量E0和压缩模量Es的关系第一节土的压缩性24五、土的受力历史和前期固结压力压缩曲线和卸荷膨胀不重合，卸荷后可以恢复的变形，为土的弹性变形，不能恢复的那部分变形，为残余变形。弹性变形由结合水膜的变形、封闭气体的压缩和土粒本身的弹性变形构成；残余变形是由于加荷过程中土粒和结构单元产生了相对位移，改变了原有接触点的位置，以及孔隙水和气体从孔隙中被挤出，结构单元的破坏和土颗粒被压碎等而形成的变形。第一节土的压缩性五、土的受力历史和前期固结压力第一节土的压缩性25五、土的受力历史和前期固结压力土的前期固结压力－－土层在过去历史上曾经受过的最大固结压力Pc。第一节土的压缩性（1）从e-logp曲线上找出曲率半径最小的一点A，过A点作水平线A1和切线A2；（2）作

1A2的平分线A3，与e-logp曲线中直线段的延长线相交B点；（3）B点所对应的有效应力就是先期固结压力Pc。五、土的受力历史和前期固结压力第一节土的压缩性（1）从e-261.Pc＝P0，OCR=1，称正常固结土

是指目前土层的自重压力，就是该地层在历史上所受过的最大固结压力，一般正常沉积且在自重压力下固结的土层，均处于正常压密状态。如果目前土层所受的上覆土层的自重压力为P0，前期固结压力为Pc，则超固结比OCR土的受力历史如果目前土层所受的上覆土层的自重压力为P0，前期固结压力为P272.Pc＞P0，R＞1，称超固结土

是指土层历史上曾受过的固结压力大于现有土层的自重压力。如土层在过去历史上曾有过相当厚的沉积物，而后来由于侵蚀、冲刷、冰川等卸荷作用，或者由于古老建筑物的拆毁、地下水位的长期变化以及土的干缩等作用，使土层原有的密度超过现有土的自重压力相对应的密度，而形成超压密状态。土的受力历史如果目前土层所受的上覆土层的自重压力为P0，前期固结压力为Pc，则超固结比OCR2.Pc＞P0，R＞1，称超固结土土的受力历史如果28土的受力历史如果目前土层所受的上覆土层的自重压力为P0，前期固结压力为Pc，则超固结比OCR3.Pc＜P0，OCR＜1，称欠固结土

即土层在自重压力下尚未完成固结。如新近沉积的淤泥、冲填土等均处于欠压密状态土的受力历史如果目前土层所受的上覆土层的自重压力为P0，前期29六、土的压缩过程饱和土压缩过程：外力荷重在土中一点引起的压应力，由有效压力与孔隙水分别承担。其中有效压力由土颗粒接触点承担，将引起土的压缩变形，而孔隙水压力由孔隙中水承担，并不导致土体压缩。压缩过程即水向外排出，孔隙水压力向有效压力转移的过程。称为渗透固结。粘性土中还存在次固结，即土骨架蠕变引起的压缩固结。第一节土的压缩性六、土的压缩过程第一节土的压缩性30第一节土的压缩性七、影响土压缩性的主要因素影响土压缩性的主要因素决定于两大方面：（1）土本身的成分和结构等内在因素，其中连结和密实度是最本质的内在因素。细粒土主要取决于连结；粗粒土主要取决于粒度和密实度。（2）受力条件是影响土压缩性的外部因素。第一节土的压缩性七、影响土压缩性的主要因素31第一节土的压缩性影响土压缩性的主要因素有：1、粒度成分和矿物成分的影响2、含水率的影响3、密实度的影响4、结构状态的影响5、改造特征的影响6、受力历史的影响7、增荷率和加荷速度的影响8、动荷载的影响第一节土的压缩性影响土压缩性的主要因素有：32第一节土的压缩性八、粘性土和砂类土的压缩特征（一）粘性土的压缩特征粘性土颗粒细小，土粒之间由结合水膜连结，呈团粒结构，孔隙数量多而单个孔隙微小，总的孔隙体积和孔隙度大，透水透气性很差。粘性土压缩特征：1、压缩变形量较大，但压缩变形速度很慢；2、压缩变形中除永久变形外，还有弹性变形，是土中被压缩的封闭气体和结合水膜等逐渐回弹所致，有滞后现象；3、压缩过程复杂，存在孔隙水压力向有效压力转化现象；4、影响因素多而复杂，主要有粒度成分、矿物成分、结构、孔隙度、含水量和稠度状态，以及外力大小、作用方式和条件等。第一节土的压缩性八、粘性土和砂类土的压缩特征33第一节土的压缩性八、粘性土和砂类土的压缩特征（二）砂类土的压缩特征砂类土颗粒粗大，土粒之间一般无连结，呈单粒结构，孔隙较大并相互连通，孔隙中的水几乎全部为可顺利流通的重力水。砂类土压缩特征：1、压缩变形量不大，而压缩变形速度快；2、压缩变形大部分属永久变形，弹性变形很小；3、压缩过程简单，孔隙水压力向有效压力转化现象不明显或转化很快；4、影响因素主要有颗粒大小、形状、孔隙比和密实程度，以及外部荷载作用的方式。第一节土的压缩性八、粘性土和砂类土的压缩特征34第五章土的力学性质力学性质土的压缩性

土的抗剪性

土的击实性

压缩变形的本质压缩性指标抗剪性本质抗剪强度与剪切定律击实特性击实本质第五章土的力学性质力学性质土的压缩性土的抗剪性土的击35第一节土的压缩性0.60.70.80.91.001002003004001压缩本质：土的压缩主要是由于孔隙中的水分和气体被挤出，土粒相互移动靠拢，致使土的孔隙体积减小而引起的。

2压缩试验与压缩系数压缩系数在工程实际中，规范常以p1=0.1Mpa，p2=0.2Mpa的压缩系数即a1-2作为判断土的压缩性高低的标准。低压缩性土：a1-2＜0.1Mpa-1

中压缩性土：0.1≤a1-2＜0.5Mpa-1

高压缩性土：a1-2≥0.5Mpa-1e压缩曲线第一节土的压缩性0.60.70.80.91.0010020363压缩指数(Cc)

Cc=(e1-e2)/(lgp2－lgp1)

Cc越大，土的压缩性越高。当Cc＜0.2时，属于低压缩性土；当Cc＞0.4时属于高压缩性土。压缩系数和压缩指数关系：Cc＝4压缩模量（Es）

表达式：Es＝

△σ/△ε单位：MpaEs是指在侧限条件下受压时压应力Δσ与相应应变Δε之比值；Es越大，表明在同一压力范围内土的压缩变形越小，土的压缩性越低。

3压缩指数(Cc)Cc=(e1-e2)/(lgp2－lgp375载荷试验和变形模量

地基变形的三个阶段：（1）压密变形阶段：弹性变形（2）剪切变形阶段：塑性变形（3）完全破坏阶段：破坏变形临塑荷载极限荷载

变形模量E0：是指在无侧限条件下受压时，压应力与相应应变之比值；一般是用载荷试验成果绘制的s-p关系曲线，以曲线中的直线变形段，按弹性理论公式求得，即5载荷试验和变形模量地基变形的三个阶段：临塑荷载极限荷载38土的变形模量与压缩模量的关系6前期固结压力和固结比

前期固结压力是指土层在过去历史上曾经受过的最大固结压力，通常用Pc来表示。前期固结压力也是反映土体压密程度及判别其固结状态的一个指标。固结比（OCR）：前期固结应力与上覆土层自重应力之比值。当OCR大于1超固结土当OCR等于1正常固结土当OCR小于1欠固结土土的变形模量与压缩模量的关系6前期固结压力和固结比前期39第二节土的抗剪性第五章土的力学性质第五章土的力学性质40第二节土的抗剪性一、土的抗剪强度及剪切破坏的本质土的抗剪性是土的抗剪强度特性的简称，它是研究土体稳定性的一个极为重要的工程地质性质。土的抗剪强度是指土抵抗剪切破坏的极限强度。许多建筑物地基的破坏，人工和自然斜坡的滑动以及挡土墙移动和倾倒等，都是由于土内的剪应力超过其本身的抗剪强度而引起的。因此，研究土的强度特性，主要是研究土的抗剪性。

第二节土的抗剪性一、土的抗剪强度及剪切破坏的本质41第二节土的抗剪性土的抗剪性本质：土是由固体颗粒组成的，土粒间的连结强度远远小于土粒本身的强度，故在外力作用下，土粒之间发生相对错动，引起土中的一部分相对于另一部分产生移动。研究土的强度特征，就是研究土的抗剪强度特性，简称抗剪性。土的抗剪强度τf：是指土体抵抗剪切破坏的极限能力，其数值等于剪切破坏时滑动面上的剪应力。剪切面（剪切带）：土体剪切破坏是沿某一面发生了与剪切方向一致的相对位移，这个面通常称为剪切面。

第二节土的抗剪性土的抗剪性本质：土是由固体颗粒组成的，土粒42平移滑动崩塌旋转滑动流滑平移滑动崩塌旋转滑动流滑43

地基p

地基p44二、土的剪切试验室内：直剪试验、三轴试验、无侧限抗压强度试验；现场原位测试：十字板剪切试验第二节土的抗剪性二、土的剪切试验第二节土的抗剪性451、直剪试验和剪切定律直剪试验库仑（1776）

施加σ（=P/A）量测

（=T/A）上盒下盒PSTA试验原理1、直剪试验和剪切定律直剪试验施加σ（=P/A）上盒下盒46应变控制式直剪仪应变控制式直剪仪47应变控制式直剪仪应变控制式直剪仪48在不同的垂直压力

下进行剪切试验，得相应的抗剪强度τf，绘制τf-

曲线，得该土的抗剪强度包线在不同的垂直压力下进行剪切试验，得相应的抗剪强度τf，绘制49库仑定律（剪切定律）1773年，库仑根据砂土剪切试验

f=tan

f=c+tan

库仑定律：土的抗剪强度是剪切面上的法向总应力

的线性函数

f

f库仑定律说明：（1）土的抗剪强度由土的内摩擦力tg和内聚力c两部分组成；（2）内摩擦力与剪切面上的法向应力成正比，其比值为土的内摩擦系数tg；土的抗剪强度指标：土的内摩擦角

和内聚力c

。

粗粒土细粒土库仑定律（剪切定律）1773年，库仑根据砂土剪切试验f50直剪试验存在的问题：（1）试验中固定的剪切面不一定是土样的软弱面；（2）试样面积小，剪切面上剪应力分布不均匀；（3）试验不能严格控制排水程度和测定孔隙水压力；（4）剪切过程中，剪切面逐渐减小，而计算时按原面积。第二节土的抗剪性直剪试验存在的问题：第二节土的抗剪性51试样压力室压力水排水管阀门轴向加压杆有机玻璃罩橡皮膜透水石顶帽（1）试样应力特点与试验方法（2）强度包线（3）试验类型（4）优缺点2、三轴剪切试验试样压力室压力水排水管阀门轴向加压杆有机玻璃罩橡皮膜透水石顶52三轴剪切仪三轴剪切仪53应变控制式三轴仪：压力室，加压系统，量测系统组成应力控制式三轴仪试验步骤:1.装样2.施加周围压力3.施加竖向压力

3

3

3

3

3

3△△三轴剪切试验应变控制式三轴仪：压力室，加压系统，量测系统组成3354方法：首先试样施加静水压力—室压（围压）1=2=3；然后通过活塞杆施加的是应力差Δ1=

1-3。

（1）试样应力特点与试验方法：特点：试样是轴对称应力状态。垂直应力z一般是大主应力；径向与切向应力总是相等r=

，亦即1=z；2=3=r方法：（1）试样应力特点与试验方法：特点：55强度包线(

1-

)fc

(

1-

)f

1

1-3

1

=15%分别作围压

为100kPa、200kPa、300kPa的三轴试验，得到破坏时相应的（

1-

)f绘制三个破坏状态的应力摩尔圆，画出它们的公切线——强度包线，得到强度指标c与

（2）强度包线强度包线(1-)fc(1-)f11-563、无侧限抗压强度试验3、无侧限抗压强度试验57三、抗剪强度指标的确定土的抗剪强度是随剪切面上法向压力的增加而加大的，对饱和土，剪切面上的法向压力在固结过程中是由孔隙水压力和有效压力分担，而且只有有效压力才能使土固结压密，从而加大土的摩擦力，使孔隙水压力逐渐消散，也就是土的抗剪强度逐渐增大。指标确定方法：总应力法、有效应力法第二节土的抗剪性三、抗剪强度指标的确定第二节土的抗剪性58抗剪强度指标的确定总应力法有效应力法排水剪（慢剪）不排水剪（快剪）固结不排水剪（固结快剪）

抗总应力法有效应力法排水剪（慢剪）不排水剪（快剪）固结不59固结排水试验（CD试验）1打开排水阀门，施加围压

后充分固结，超静孔隙水压力完全消散；2打开排水阀门，慢慢施加轴向应力差

以便充分排水，避免产生超静孔压固结不排水试验（CU试验）1打开排水阀门，施加围压

后充分固结，超静孔隙水压力完全消散；2关闭排水阀门，很快剪切破坏，在施加轴向应力差

过程中不排水不固结不排水试验（UU试验）1关闭排水阀门，围压

下不固结；2关闭排水阀门，很快剪切破坏，在施加轴向应力差

过程中不排水cd、

d

ccu、

cu

cu、

u

结果比较：d>

cu>

u

1、总应力法固结排水试验（CD试验）固结不排水试验（CU试验）不固结不排602、有效应力法有效应力法有效压力法：用剪切面上的有效压力来表达土的抗剪强度，需直接测得剪切面上的孔隙水压力，由总压力减去孔隙水压力，用有效应力来表达土的抗剪强度2、有效应力法有效应力法有效压力法：用剪切面上的有效压力来表61总应力法和有效应力法对比

土的抗剪强度的有效应力指标c,=c+tg=-u符合土的破坏机理，但有时孔隙水压力u无法确定土的抗剪强度的总应力指标c,=c+tg便于应用,但u不能产生抗剪强度，不符合强度机理，应用时要符合工程条件强度指标抗剪强度简单评价三轴直剪或三轴总应力法和有效应力法对比土的抗剪强度的=c+623、峰值强度和残余强度

在对坚硬粘土和超固结粘土进行剪切试验时，有效压力一定，剪应力达峰值后，若继续剪切，则剪位移增加，而剪应力减小。至某一稳定值，称为残余强度，剪应力峰值对应的抗剪强度为峰值强度。砂土：松砂土的峰值强度等于密砂土的残余强度。休止角－－粗粒土堆积时，天然斜坡与水平面形成的夹角称天然坡角或天然休止角。可代替松散状态的内摩擦角。3、峰值强度和残余强度

在对坚硬粘土和超固结粘土进行剪切试验63四、土的蠕变特性和长期强度

土的蠕变－－在长期不变的剪应力作用下，剪切变形随时间而缓慢增长的现象。长期强度－－相当于某一较长剪切历时的强度，称长期强度。产生蠕变的原因：主要是在长期不变剪应力作用下，土的内聚力随时间的增长而逐渐减小，引起土发生不间断地缓慢变形。四、土的蠕变特性和长期强度

土的蠕变－－在长期不变的剪应力作64五、影响土抗剪强度的主要因素

土的抗