《土的力学性贵大》PPT课件.ppt

第5章 土的力学性质 资源与环境工程学院资源与环境工程学院 廖义玲廖义玲 土的力学性质是指土在外力作用下所表现的性质，主要包土的力学性质是指土在外力作用下所表现的性质，主要包 括土的压缩性和抗剪性，亦即土的变形和强度特性。括土的压缩性和抗剪性，亦即土的变形和强度特性。 土的压缩性相抗剪性是在不同应力状态下表现出来的。在土的压缩性相抗剪性是在不同应力状态下表现出来的。在 压应力作用下，土体产生压缩变形，表现出可压缩性；在剪压应力作用下，土体产生压缩变形，表现出可压缩性；在剪 应力作用下，土体产生剪切变形，表现出土的抗剪性或强度应力作用下，土体产生剪切变形，表现出土的抗剪性或强度 特征。特征。 土的力学性质主要决定于土的物质组成、结构构造特点；土的力学性质主要决定于土的物质组成、结构构造特点； 同时，与受力条件关系密切。同时，与受力条件关系密切。 5.1 概 述 地基的沉降及不均匀沉降 （墨西哥城） 5.2 土的压缩性 一、土压缩变形的特点及实质一、土压缩变形的特点及实质 土的压缩性是指土在压力作用下发生压缩变形，体积变小土的压缩性是指土在压力作用下发生压缩变形，体积变小 的性能。的性能。 土是一种多孔分散体系，体积被压缩变小只有三种可能：土是一种多孔分散体系，体积被压缩变小只有三种可能： 土粒本身的压缩变形；土粒本身的压缩变形； 孔隙中不同形态的水和气体的压缩变形；孔隙中不同形态的水和气体的压缩变形； 孔隙中部分水和气体被挤出，土粒相互靠拢使孔隙体孔隙中部分水和气体被挤出，土粒相互靠拢使孔隙体 积减少。积减少。 一般认为土粒和水是不可压缩的；一般认为土粒和水是不可压缩的； 土的压缩变形主要是由于孔隙中的水分和气体被挤出，土土的压缩变形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，孔隙积减少而引起的。粒相互移动靠拢，孔隙积减少而引起的。 对饱水土来说，孔隙全部被水充满土的压缩主要是由对饱水土来说，孔隙全部被水充满土的压缩主要是由 于孔隙中的水被挤出，孔隙体积减少所致，压缩过程与于孔隙中的水被挤出，孔隙体积减少所致，压缩过程与 排水过程相一致排水过程相一致, ,压缩结果使土密度提高，含水率降低。压缩结果使土密度提高，含水率降低。 饱和砂土粒间孔隙较大，但孔隙体积较小，透水性强，饱和砂土粒间孔隙较大，但孔隙体积较小，透水性强， 在压力作用下孔隙中水很快排出，压缩很快完成，但压在压力作用下孔隙中水很快排出，压缩很快完成，但压 缩量较小。缩量较小。 饱和的粘性土粒间孔隙较小，孔隙体积较大，土粒周围饱和的粘性土粒间孔隙较小，孔隙体积较大，土粒周围 存在结合水膜，透水性弱，在压力作用下孔隙水排出速存在结合水膜，透水性弱，在压力作用下孔隙水排出速 度慢，因此，压缩需较长时间才能完成，压缩量较大。度慢，因此，压缩需较长时间才能完成，压缩量较大。 非饱水土的压缩，首先是气体外逸；随着时间的延续，非饱水土的压缩，首先是气体外逸；随着时间的延续， 土的饱和度逐渐增大。当气体全部排出土达到饱和状态土的饱和度逐渐增大。当气体全部排出土达到饱和状态 后，其压缩过程与饱水土相同。后，其压缩过程与饱水土相同。 为了解建筑物基础的沉降稳定时间和沉降与时间的关系，以及为了解建筑物基础的沉降稳定时间和沉降与时间的关系，以及 地基的强度和稳定性，必须研究土的压缩变形量和压缩过程，即地基的强度和稳定性，必须研究土的压缩变形量和压缩过程，即 研究压力与孔隙体积的变化关系研究压力与孔隙体积的变化关系，以及孔隙体积随时间变化的情，以及孔隙体积随时间变化的情 况。况。 根据工程的不同特点，土的压缩变形可能在不同条件下进行。根据工程的不同特点，土的压缩变形可能在不同条件下进行。 如受压土的周围受到限制时，受压过程中基本上不能向侧面膨胀如受压土的周围受到限制时，受压过程中基本上不能向侧面膨胀 ，只能发生垂直方向变形，称为，只能发生垂直方向变形，称为无侧胀压缩或有侧限压缩无侧胀压缩或有侧限压缩，基础，基础 砌置较深的建筑物地基土的压缩近似此条件。如受压士的周围基砌置较深的建筑物地基土的压缩近似此条件。如受压士的周围基 本上没有限制，受压过程中除垂直方向发生变形本上没有限制，受压过程中除垂直方向发生变形 外，还将发生侧外，还将发生侧 向的膨胀变形，这种情况称向的膨胀变形，这种情况称有侧胀压缩或无侧限压缩有侧胀压缩或无侧限压缩，基础砌置，基础砌置 较浅的建筑物或表面建筑较浅的建筑物或表面建筑( (飞机场、道路飞机场、道路) )的地基土的压缩近似此的地基土的压缩近似此 条件。条件。 各种土在不同条件下的压缩特性有很大差别，必须借助不同试各种土在不同条件下的压缩特性有很大差别，必须借助不同试 验方法进行研究。验方法进行研究。 目前常用的有室内压缩试验和现场载荷试验两种方法。目前常用的有室内压缩试验和现场载荷试验两种方法。 土的室内压缩试验是取土样放入压缩仪内进行试验，压缩仪的土的室内压缩试验是取土样放入压缩仪内进行试验，压缩仪的 构造如图所示。由于土样受到环刀和护环等刚性护壁的约束，构造如图所示。由于土样受到环刀和护环等刚性护壁的约束， 在压缩过程中只能发生竖向压缩，不可能发生侧向膨胀，所以在压缩过程中只能发生竖向压缩，不可能发生侧向膨胀，所以 又叫侧限压缩试验。又叫侧限压缩试验。 二、土的压缩试验和压缩性指标二、土的压缩试验和压缩性指标 荷载是逐级加上去的，每加一级荷载荷载是逐级加上去的，每加一级荷载 ，都要等土样压缩相对稳定后，才施加，都要等土样压缩相对稳定后，才施加 下一级荷载。下一级荷载。 土样压缩量可通过测微表观测。在试土样压缩量可通过测微表观测。在试 验中，验中，般用土样高度的变化来换算孔般用土样高度的变化来换算孔 隙比的变化。隙比的变化。 1. 压缩试验及压缩曲线 若加压前土样高度为若加压前土样高度为h h 0 0 ，体积为体积为V V 0 0 ，孔隙比为孔隙比为e e 0 0 ，加压前后土加压前后土 粒体积粒体积V V s s 不变在有侧限条件下压缩，土样横截面积不变在有侧限条件下压缩，土样横截面积A A不变，不变， 由此得出土样加压前原始孔隙比由此得出土样加压前原始孔隙比e e 0 0 和原始体积和原始体积V V 0 0 的关系：的关系： 施加压力施加压力p p 1 1 压缩稳定之后，土样高度减小为压缩稳定之后，土样高度减小为h h 1 1 ，土样压缩变土样压缩变 形量形量 h hh h o o -h-h 1 1 ，相应孔隙比为相应孔隙比为e e 1 1 ，压缩前后孔隙比减量为压缩前后孔隙比减量为 e ee e 0 0 -e-e 1 1 ，压缩后体积为压缩后体积为V V 1 1 ，同样可得到压缩后孔隙比同样可得到压缩后孔隙比e e 1 1 与体积与体积V V 1 1 的关系：的关系： 由由 推导得：推导得： 通过压缩试验，可以求得各级压力通过压缩试验，可以求得各级压力 p p i i 作用下，土样压缩稳定之后相应作用下，土样压缩稳定之后相应 的孔隙比的孔隙比e e i i ，若以孔隙比若以孔隙比e e为纵坐标为纵坐标 ，以压力，以压力p p为横坐标，根据压缩试验为横坐标，根据压缩试验 的成果，可以绘制出孔隙比与压力的成果，可以绘制出孔隙比与压力 关系曲线，称压缩曲线。关系曲线，称压缩曲线。 压缩曲线的形状与土的物质组成、压缩曲线的形状与土的物质组成、 结构状态以及受荷历史有关。压缩结构状态以及受荷历史有关。压缩 曲线较陡，说明压力增加时孔隙比曲线较陡，说明压力增加时孔隙比 减少得多，土的压缩性较高；若曲减少得多，土的压缩性较高；若曲 线平缓，则土的压缩性低。线平缓，则土的压缩性低。 2. 压缩指标 压缩系数 标准压缩系数a1-2单位是单位是MpaMpa-1 -1 0.1 0.5 低压缩性中压缩性高压缩性 体积压缩系数 压缩模量，完全侧限时，土的应力 与应变之比。 压缩系数、体积压缩系数、压缩模量不是常数。 三、载荷试验和变形模量三、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 载条件载条件, ,通过一定面积的承压扳向地基施加垂向荷载，研究地基土变形和通过一定面积的承压扳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。试验中土的受力条件近似无侧限压缩。强度规律的一种原位试验。试验中土的受力条件近似无侧限压缩。 载荷试验载荷试验PSPS曲线曲线 压 力 p 沉 降 S OO a a b b 一般地基土的变形可分为三个不同阶段。一般地基土的变形可分为三个不同阶段。 1)1)压密变形阶段：相当于曲线的压密变形阶段：相当于曲线的oaoa段段 2)2)剪切变形阶段：相当于曲线的剪切变形阶段：相当于曲线的abab段段 3)3)完全破坏阶段：相当于图中完全破坏阶段：相当于图中b b点以下的曲线点以下的曲线 变形模量变形模量E E 0 0 四、土的变形模量和弹性授量的关系四、土的变形模量和弹性授量的关系 土的变形模量土的变形模量E E 0 0 和压缩模量和压缩模量E E s s ，是判断土压缩性和计算是判断土压缩性和计算 地基变形的重要指标，两者由于试验中所受的侧限条件不地基变形的重要指标，两者由于试验中所受的侧限条件不 同，对同一种土，既使在相同的压应力作用下，两者的数同，对同一种土，既使在相同的压应力作用下，两者的数 值相差也很大。变形模量虽然能真实地反映天然土层的变值相差也很大。变形模量虽然能真实地反映天然土层的变 形持征，但由于载荷试验设备笨重，且周期长、成本高，形持征，但由于载荷试验设备笨重，且周期长、成本高， 加之深层土的载荷试验在技术上也较为困难，因此，工程加之深层土的载荷试验在技术上也较为困难，因此，工程 上常常需要通过压缩模量来换算土的变形模量。上常常需要通过压缩模量来换算土的变形模量。 理论上应是理论上应是E E 0 0 E Es s， ，但实际并不一定都如此，目前，常从统 但实际并不一定都如此，目前，常从统 计地区性经验回归方程得到的经验公式进行计地区性经验回归方程得到的经验公式进行E E o o 与与E E s s 的换算。的换算。 5.3 5.3 土的抗剪性土的抗剪性 一、土的抗剪强度及剪切破坏的本质一、土的抗剪强度及剪切破坏的本质 土的抗剪强度是指土的抗剪强度是指土具有的抵抗剪切破坏的极限强度，而土的抗剪性是土具有的抵抗剪切破坏的极限强度，而土的抗剪性是 指土具有抗剪强度的特性。指土具有抗剪强度的特性。 在外荷和土的自重压力作用下，土中各点在任意方向的平向上，都将产在外荷和土的自重压力作用下，土中各点在任意方向的平向上，都将产 生法向应力生法向应力 和剪应力和剪应力 。当通过该点某一方向上的剪应力当通过该点某一方向上的剪应力小于或等于土小于或等于土 所具有的抗剪度所具有的抗剪度 f f 时，该点处于稳定状态，不会破坏；而当该点剪应力时，该点处于稳定状态，不会破坏；而当该点剪应力 超过土的抗剪强度超过土的抗剪强度 f f 时，该点特产生剪切变形。因此，时，该点特产生剪切变形。因此，土中某点的极限平土中某点的极限平 衡条件是衡条件是 f f ，这是判断该点是否发生剪切破坏的标淮这是判断该点是否发生剪切破坏的标淮。 粗粒土粗粒土一般无连结，颗粒粗大，抗剪强度主要决定于内摩擦力，包括土一般无连结，颗粒粗大，抗剪强度主要决定于内摩擦力，包括土 粒间相对滑动的阻力、滚动的阻力和土粒相互嵌接形成的咬合力。粒间相对滑动的阻力、滚动的阻力和土粒相互嵌接形成的咬合力。 细粒土细粒土颗粒细小，含较多亲水矿物，粒间主要由结合水连结，也可以有颗粒细小，含较多亲水矿物，粒间主要由结合水连结，也可以有 胶结连接或微弱的毛细连结，其抗剪强度主要决定于粒间连结强度。胶结连接或微弱的毛细连结，其抗剪强度主要决定于粒间连结强度。 二、土的剪切试验二、土的剪切试验 测定土抗剪强度指标的试验称为土的剪切试验。测定土抗剪强度指标的试验称为土的剪切试验。土的抗剪强土的抗剪强 度指标可通过室内或现场试验测得，也可以通过直接试验与某些度指标可通过室内或现场试验测得，也可以通过直接试验与某些 现场原位测试指标的相关关系估算，或者通过与土的某些物理性现场原位测试指标的相关关系估算，或者通过与土的某些物理性 质指标的相关关系获得。质指标的相关关系获得。 剪切试验，按常用的仪器分类，剪切试验，按常用的仪器分类，室内试验主要有直剪试验、室内试验主要有直剪试验、 三轴试验、无侧限抗压强度试验，现场原位试验主要有十字板剪三轴试验、无侧限抗压强度试验，现场原位试验主要有十字板剪 切试验等。切试验等。 1 1直剪试验和剪切定律直剪试验和剪切定律 直接剪切试验是测定土抗剪强度的最常用的方法可直接直接剪切试验是测定土抗剪强度的最常用的方法可直接 测定出预定剪切面上土的抗剪强度。测定出预定剪切面上土的抗剪强度。 + C 分别施加不同的法向压力分别施加不同的法向压力 1 1 、 2 2 、 3 3 ，得不同得不同 f f ；以抗剪强度以抗剪强度 f f 为纵坐标，以法向压力为纵坐标，以法向压力 为横坐标，绘出该土样的为横坐标，绘出该土样的 f f 关系曲线。利关系曲线。利 用该曲线即可确定土的强度参数用该曲线即可确定土的强度参数c c、。 库伦定律库伦定律: : 无粘性土： 粘性土： 直剪试验，由于设备简单，试样制备和安装方便，易于 操作，至今仍为工程单位广泛采用：但也存在一些问题： 试验是固定剪切面，而该面不一定是土样的软弱面； 试祥面积小剪切面上剪应力分布不均匀； 试验不能严格控制排水程度和测定孔隙水压力； 剪切过程中，剪切面逐渐减小，而计算强度时仍按原面 积计算，因此产生误差。 尽管如此，对一般建筑物，用直剪试验确定的抗剪强度 指标仍可满足工程要求。 2 2三轴剪切试验三轴剪切试验 常规三铀剪切试验是目前测定土的常规三铀剪切试验是目前测定土的 抗剪强度的较理想的试验。它是根据土抗剪强度的较理想的试验。它是根据土 样处于极限状态时，最大主应力样处于极限状态时，最大主应力 1 1 与与 最小主应力最小主应力 3 3 和土的强度指标和土的强度指标c c、 之之 间的关系来确定的。间的关系来确定的。 作用于试样的最大主应力作用于试样的最大主应力 1 1 3 3 + + v v ，最小主应力为最小主应力为 3 3 ，用用 1 1 和和 3 3 即可画出一个极限应力圆。同一种土可分别取即可画出一个极限应力圆。同一种土可分别取3434个试样，在不同围压个试样，在不同围压 3 3 下进行剪切得到各土样剪坏时的不同下进行剪切得到各土样剪坏时的不同 1 1 ，可画出几个大小不同的极限应可画出几个大小不同的极限应 力圆。这些应力圆的公切线就是土的抗剪强度曲线，利用该强度曲线即可确力圆。这些应力圆的公切线就是土的抗剪强度曲线，利用该强度曲线即可确 定土的定土的C C、 。 三轴剪切仪安装行孔隙水压力量测系统和排水的管路系统，可以严格控 制排水条件，了解土的固结过程和测定孔隙水压力值。 3.无侧限抗压强度试验 无侧阻抗压强度试验，实际上是三轴剪切试验的一种特例 ，试验可在无侧限压力仪或三轴仪上进行，主要用来测定饱 和粘性土的抗剪强度。试验时，使圆柱型土样在侧向不受限 制(径向应力 3 3 0)的情况下，施加垂直压力，直至土样被 剪坏。试样在无侧向压力条件下抵抗轴向压力的极限强度称 无侧限抗压强度(qu)其值即为所施加的轴向压力 1 1 。 三、抗剪强度指标的确定 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u u和有效压力和有效压力 分担，即分担，即 +u+u，而且只有有效压力才能使土固结压密，从而加大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。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。 1 1总应力法总应力法 总应力法是用剪切面上的总应力来表示土的抗剪强度，即总应力法是用剪切面上的总应力来表示土的抗剪强度，即 f f = = tgtg +C +C 1)排水剪：使土样在垂直压力作用下，充分排水固结达稳定后，再缓 慢施加水平剪力，使剪力作用下也充分排水固结，直至土样被剪坏。 排水剪的实质是使土样在应力变化过程中的孔隙水压力完全消散。这 种试验常需很长时间，又称“慢剪”。抗剪强度公式为： f f = = tgtg d d + +C C d d 2) 不排水剪：无论加垂直压力或水平剪力，都必须迅速进行 ，不让孔隙水排出，即试验过程中不让孔隙水消散。这种试 验又称“快剪”。 f f = = tgtg u u +C+C u u 3) 固结不排水剪：试样在垂直压力下排水固结稳定后，迅速 施加水平剪力。这种试验又称“固结快剪”，即 f f = = tgtg cu cu + +C C cucu 用上述三种试验方法测得的抗剪强度指标，虽在同一法 向压力作用下进行，但因试验时排水程度不同，实际上作用 于剪切面上的有效压力不一样大，必然得出三种不同大小的 强度指标，一般是 d d 最大， u u 最小， cu cu居中；而C值也 有差别。 2有效应力法 有效应力法是用剪切面上的有效应力来表达土的抗剪强度，即 总应力法较简单，一般用直剪仪测定，也可以用三轴剪切 仅测定。有效应力法较完善，能较好地模拟土实际固结情况， 一般用三轴剪切仪测定。总应力法的慢剪强度指标 d d 、C C d d 实 际上与有效应力强度指标，CC相等。在没有三轴仪时， 可用慢剪试验测 d d 、C C d d 。 3峰值强度和残余强度 当剪应力达峰值以后，若继续剪切，剪应力会随剪切位移的增 加而显著降低，最后达到某一稳定的最小剪应力值，以此确定 的抗剪强度称为残余强度。按峰值时的最大剪应力值确定的抗 剪强度称土的峰值强度。一般常规剪切试验求得的是峰值强度 指标。土的残余强度曲线是通过原点的直线。 f f = = tgtg r r 四、土的蠕变特性和长期强度 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，称为 土的蠕变。这种蠕变现象会造成土的变形量的增加和抗剪强度的降低 。土的强度随剪切历时而减小的现象称为强度衰减。蠕变和强度衰减 达一定程度时，可能导致土体的破坏。土的蠕变速率与施加的剪应力 大小有关，随剪应力的增大而加快。 在不同剪应力作用下，有不同的破坏时间，由此可给出抗剪破坏历时 关系曲线，即土的长期强度曲线。 当剪切历时体t0时的抗剪强度， 称瞬时强度f0 f0。当剪切历时很 长时的抗剪强度，称长期强度极 限 五、影响土抗剪强度的主要因素 土的抗剪强度，主要取决于连结和密实度。连结愈强， 内聚力愈大；密实度放大，内摩擦力愈大，同时，内聚力也 增强。细粒土抗剪强度主要取决于连结，粗粒土主要取决于 粒度相密实度。 土的抗剪性既然说明了土抵抗外力破坏能力的大小，其 影响也必然由土本身的抵抗阻力和受力条件两方面决定，包 括土的粒度成分和矿物成分、土的含水率和密实度、土的结 构和构造，以及受力条件和动荷载的影响。 5.4 土的击实性 一、研究土击实性的意义 用土作为填筑材料，如修筑道路、堤坝、机场跑道、运动 场、建筑物填土地基及基础回填等，工程中经常遇到填土压实 的问题。经过搬运未经压实的填土，原状结构已被破坏，孔隙 、空洞较多，土质不均匀，压缩量大，强度低，抗水性能差。 为改善填土的工程性质、提高土的强度，降低土的压缩性和渗 透性，必须按一定的标准，采用重锤夯实、机械碾压或振动等 方法将土压实到一定标准，以满足工程的质量要求。 研究土的填筑持性，常用现场填筑试验和室内击实试验 两种方法。 前者是在现场选一试验地段，按设计要求和施工方法进 行填土，并同时进行有关的测试工作，以查明填筑条件(如 土料、堆填方法，压实机械等)和填筑效果(如土的密实度) 的关系。该方法能反映施工的实际情况，但需时间和费用 较多，只在重大工程中才进行。 室内击实试验是近似地模拟现场填筑的一种半经验性 的试验。试验时，在一定条件下用锤击法将土击实，以研 究土在不同击实功能下的击实特性，以便获取设计数值， 为工程设计提供初步的填筑标准。 二、土的击实性及其本质 土的击实性是指用重复性的冲击动荷载可将土压密的性质。土 的压密程度用干密度来表示，它与土的含水率和击实功关系密 切。研究土的击实性的目的在于揭示击实作用下击实功与土的 干密度、含水率三者之间的关系和基本规律，从而确定适合工 程需要的填土的干密度与相应的含水率，以及为达到相应击实 标准所需要的最小击实功。 饱和曲线 2.0 1.8 1.6 1.4 干密度d(g/cm3) 0 4 8 12 16 20 24 28 含水量w(%) dmax=1.86 绘制含水率和干密度的关系曲线，即击实曲线。 击实曲线表明，在某一击实功的作用下，土在不同含水率时有不 同的干密度。当含水率较小时，随着含水率的增加击实后土的 干密度有所提高；但当含水率超过一定值后，随着含水率的增加 ，击实土的干密度反而降低。 在击实曲线上的干密 度的峰值，称为最大干 密度d；与之相对应的