岩土力学（水利水电工程师） .ppt

1,注册土木工程师（水利水电工程）资格考试,第二章 岩土力学,水利水电工程专业基础知识,2,岩土力学,主讲老师：郭莹,电 话大连理工大学土木水利学院 岩土工程研究所,email：,3,岩土力学基本内容,2.1 土的组成和物理性质指标,2.2 土中应力,2.3 地基变形,2.4 土的抗剪强度,2.5 特殊性土,2.6 土压力,2.7 土坡稳定,2.8 地基承载力,2.9 岩石力学基础,4,1. 土的组成与结构颗粒级配分析 2. 土的三相比例指标 3. 土的物理状态指标 4. 土的击实特性 5. 土的工程分类,2.1 土的组成和物理性质指标 主要内容,5,1. 有效应力和有效应力原理 2. 孔隙水压力 3. 自重应力 4. 地基附加应力 基底压力，基底附加压力,2.2 土中应力 主要内容,6,1. 土的压缩性试验与指标 2. 基础最终沉降量计算 3. 地基变形与时间的关系,2.3 地基变形 主要内容,7,1. 试验测定土的抗剪强度 直剪试验，三轴试验 2. 土的极限平衡条件,2.4 土的抗剪强度 主要内容,8,1. 软土 2. 黄土 3. 膨胀土 4. 红粘土 5. 盐渍土 6. 冻土 7. 填土 8. 可液化土,2.5 特殊性土 主要内容,9,1. 土压力产生的条件和类型 2. 朗肯土压力理论 3. 库仑土压力理论,2.6 土压力 主要内容,10,1. 土坡失稳破坏形式 2. 均质土坡稳定计算 3. 圆弧滑动面条分法,2.7 土坡稳定 主要内容,11,1. 基本概念 2. 极限承载力计算方法 3. 地基承载力影响因素,2.8 地基承载力 主要内容,12,1. 岩石的基本物理性质 2. 岩石的强度和破坏机理 3. 岩体的工程分类 4. 围岩与岩坡的稳定性分析,2.9 岩石力学基础 主要内容,13,1. 土的组成与结构 2. 土的三相比例指标 3. 土的物理状态指标 4. 土的击实特性 5. 土的工程分类,2.1 土的组成和物理性质指标,14,土的形成,渗透特性 变形特性 强度特性,土的三相组成 土的物理状态 土的结构,土的工程分类,土的压实性,决定,影响,如何获得较好的土,便于研究和应用,2.1 土的组成和物理性质,15,土的成因,物理风化,化学风化,量变,无粘性土,原生矿物,质变,粘性土,次生矿物,残积土 无搬运,运积土 有搬运,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,重力: 坡积土 流水: 洪积土、冲积土、湖相土、海相土 冰川: 冰积土 风力：风积土,2.1 土的组成和物理性质,16,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,土的三相组成,2.1 土的组成和物理性质,17,土有三个组成部分：固相、液相和气相,固相 固体颗粒,2. 液相 土中水,3. 气相 土中气体,粒径级配 颗粒形状 矿物成分,结合水 (强结合水、弱结合水) 自由水 (重力水、毛细水),自由气体 封闭气体,试验：筛分、水分 曲线：形状，意义 指标：定义，应用 评价、判断,原生(成岩)矿物： 次生(粘土)矿物(高岭石、伊利石、蒙托石）,2.1 土的组成和物理性质,土的三相组成,18,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,d (mm),d (mm),砾粒,砂粒,粉粒,粘粒,60,2,0.075,0.005,0.075,粗粒,细粒,卵石,200,漂石,2.1 土的组成和物理性质,土的三相组成土的固相,巨粒,19,粒径级配,确定方法 筛分法：适用于粗粒土 (0.075 mm) 水分法：适用于细粒土 (0.075mm),各粒组的相对含量，用质量百分数来表示,表述方法 粒径级配累积曲线,2.1 土的组成和物理性质,土的三相组成土的固相,20,土的三相组成土的固相, 土的颗粒级配曲线横、纵坐标分别代表什么？, 土的颗粒级配曲线上面的一点表示什么意思？一段呢？, 不均匀系数cu定义和意义？, 什么是级配良好的土？满足一个条件是否可以称为级配良好？, 曲率系数cc定义和意义？,2.1 土的组成和物理性质,21,土的三相组成土的固相,d60,d50,d10,d30,特征粒径: d50 : 平均粒径 d60 : 控制粒径 d10 : 有效粒径 d30,不均匀程度： cu = d60 / d10,连续程度: cc = d302 / (d60 d10 ) 曲率系数, 不均匀系数,cu 5,级配不均匀,粗细程度： 用d50 表示,2.1 土的组成和物理性质,22,斜率: 某粒径范围内颗粒的含量 陡相应粒组质量集中 缓-相应粒组含量少 平台-相应粒组缺乏,连续程度: cc = d302 / (d60 d10 ) 曲率系数,较大颗粒缺少,cc 减小,较小颗粒缺少,cc 增大,cc = 1 3, 级配连续性好,2.1 土的组成和物理性质,土的三相组成土的固相,23,粒径级配,粒径级配累积曲线及指标的用途：,1）粒组含量用于土的分类定名；,2）不均匀系数cu用于判定土的不均匀程度： cu 5, 不均匀土； cu 5, 均匀土,3）曲率系数cc用于判定土的连续程度： c c = 1 3, 级配连续土； cc 3 或 cc 1,级配不连续土,4）不均匀系数cu和曲率系数cc用于判定土的级配优劣： 如果 cu 5且 c c = 1 3 ， 级配 良好的土； 如果 cu 3 或 cc 1, 级配 不良的土,2.1 土的组成和物理性质,土的三相组成土的固相,24,结构:土粒相互排列和联结方式成土过程自然形成,颗粒大小, 形状 矿物成分 沉积条件,影响因素:,类型: 具体的土是复杂组合，以某种类型为主.,单粒结构 蜂窝结构 絮状结构,2.1 土的组成和物理性质,土的三相组成土的结构,25,1. 土的组成与结构 2. 土的三相比例指标 3. 土的物理状态指标 4. 土的击实特性 5. 土的工程分类,2.1 土的组成和物理性质指标,26,2. 土的三相比例指标,基本物理性质指标,换算物理性质指标 （间接）,天然密度 或天然重度,含水量w,土粒比重gs,试验确定,孔隙比e,孔隙率n,饱和度sr,干密度d 或干重度d,饱和密度sat或饱和重度sat,浮（有效）重度 ,2.1 土的组成和物理性质,27,三相草图,质量,体积,2. 土的三相比例指标,2.1 土的组成和物理性质,28,三相草图,已知关系五个:,共有九个参数: v vv vs va vw ms m w ma m,剩下三个独立变量,三相草图法,物性指标是比例关系: 可假设任一参数为1,对于饱和土, va=0 剩下两个独立变量,实验室测定,其它指标,是一种简单而实用的方法,3. 土的三相比例指标,2.1 土的组成和物理性质,m=ms +m w +ma ma0 m w =wvw,v =vs +va +vw vv =va +vw,29,土粒比重,单位: 无量纲,表达式:,土的含水率,表达式:,孔隙比,表达式:,孔隙率,表达式:,饱和度,表达式:,2. 土的三相比例指标,三相图,物理性质指标定义,土粒比重在数值上等于土粒的密度,2.1 土的组成和物理性质,测定方法: 比重瓶法,测定方法: 烘干法,30,各种密度重度的定义和大小关系：,天然密度,干密度,饱和密度,天然重度,干重度,浮重度,饱和重度,单位: g/cm3,单位: kn/m3,2. 土的三相比例指标,容重=重度,2.1 土的组成和物理性质,测定方法: 环刀法,31,1）某土样的孔隙体积等于土粒体积的0.95倍， 当孔隙为水充满时，土样的重度为多少（若土粒比重为2.7）？（ ） a. 13.8 kn/m3 b. 16.3 kn/m3 c. 18.7 kn/m3 d. 1.87g/cm3,解:设vs=1,c,2. 土的三相比例指标计算（单）,e=vv/vs=0.95,vv=0.95,v=vs+vv=1+e=1.95cm3,ms=gs=2.7g,gs=ms/(vs*w),=m/v=3.65/1.95=1.87g/cm3,mw=vw=0.95g（因为饱和）,m=ms+mw=2.7+0.95=3.65g,=18.7kn/m3,2.1 土的组成和物理性质,32,3）在土体三相指标中，按质量比有( )。 a. 饱和度 b. 含水率 c. 孔隙比 d. 重度,b,a,2. 土的三相比例指标（单）,2）单位体积土体中，土粒体积的表达式为（）. a . b . c . d .,2.1 土的组成和物理性质,33,1. 土的组成与结构 2. 土的三相比例指标 3. 土的物理状态指标 4. 土的击实特性 5. 土的工程分类,2.1 土的组成和物理性质指标,34,3. 土的物理状态指标,砂土的物理状态指标 松密程度,粘性土的物理状态指标 软硬程度,标准贯入锤击数n63.5,孔隙比e,相对密实度dr,塑限wp,试验确定,液（流）限wl,塑性指数ip,液性指数il,定义、意义,2.1 土的组成和物理性质,35,砂土的物理状态指标,相对密度,判别标准： dr = 1 , 最密状态 dr = 0 , 最松状态 dr 0.33 , 疏松状态 0.33 0.67 , 密实状态,3. 土的物理状态指标,2.1 土的组成和物理性质,最大孔隙比试验方法:,漏斗法和量筒法,振动锤击法,最小孔隙比试验方法：,36,塑限wp,液限wl,稠度界限,粘性土的稠度反映土中水的形态,固态或半固态,可塑态,流态,强结合水膜最大,出现自由水,强结合水,弱结合水,自由水,稠度状态,含水率,土中水的形态,w,吸附弱结合水的能力,塑性指数,3. 土的物理状态指标,粘性土的物理状态指标,2.1 土的组成和物理性质,测定方法: 液塑限联合测定,37,粘性土的物理状态指标,液性指数,塑性指数,il1,坚硬状态 可塑状态 流 塑,0.00 0.25 0.25 - 0.75 0.75 1.00,硬塑 可塑 软塑,问题：仅适用于重塑土.,去掉百分数,3. 土的物理状态指标,吸附弱结合水的能力；大致反映粘土颗粒含量、粘性大小,反映土体的软硬程度,2.1 土的组成和物理性质,38,1. 土的组成与结构 2. 土的三相比例指标 3. 土的物理状态指标 4. 土的击实特性 5. 土的工程分类,2.1 土的组成和物理性质指标,39,土,针对扰动土 在一定击实功下确定干密度d与含水率w关系 求最大干密度dmax和 最优含水率wop 为工程设计和现场施工碾压提供资料。,工程上常采用压实度控制（作为填方密度控制标准）,击实试验,4. 土的压实性,2.1 土的组成与物性,40,击实曲线,特点： 具有峰值 位于饱和曲线之下,粘性土渗透系数很小，压实过程中含水量几乎不变，要想击实到饱和状态是不可能的。,0 4 8 12 16 20 24 28 含水量w(%),饱和曲线,dmax=1.86,wop=12.1,细粒土的压实性,最大干密度 最优含水量,4. 土的压实性,2.1 土的组成与物性,41,影响因素,a. 击实功能,b. 土的级配,c. 击实方式 夯实、辗压、振动；辗压对粘土比较合适,细粒土的压实性,4. 土的压实性,2.1 土的组成与物性,42,不存在最优含水量； 在完全风干和饱和两种状态 下易于击实； 潮湿状态下d明显降低。,粗粒土的压实性,击实曲线,特点,理论分析,对粗粒土，击实过程中可以自由排水，不存在细粒土中出现的现象。 在潮湿状态下，存在着假凝聚力，加大了阻力。,压实标准,常用相对密度控制 dr0.70.75 施工过程中要么风干，要么就充分洒水，使土料饱和。,4. 土的压实性,2.1 土的组成与物性,43,1. 有效应力和有效应力原理 2. 孔隙水压力 3. 自重应力 4. 地基附加应力 基底压力，基底附加压力,2.2 土中应力,44,2.2 土中应力,1. 有效应力和有效应力原理,饱和土的有效应力原理,土的变形与强度都只取决于有效应力,有效应力,总应力已知或易知,孔隙水压测定或算定,通常,45,孔隙水压力的作用 对土颗粒间摩擦、土粒的破碎没有贡献，并且水不能承受剪应力，因而孔隙水压力对土的强度没有直接的影响； 它在各个方向相等，只能使土颗粒本身受到等向压力。因而孔隙水压力对变形也没有直接的影响，土体不会因为受到水压力的作用而变得密实。,变形的原因 颗粒间克服摩擦相对滑移、滚动与 有关； 接触点处应力过大而破碎与 有关。,试想： 海底与土粒间的接触压力哪一种情况下大？,1m,z=u=0.01mpa,104m,z=u=100mpa,强度的成因 凝聚力和摩擦与 有关,饱和土的有效应力原理,（2）,（1）,土的变形与强度都只取决于有效应力,一样大,2.2 土中应力,1. 有效应力和有效应力原理,46,自重应力,地基附加应力,基底压力,建筑物修建以后，建筑物重量等外荷载在地基中引起的应力，所谓的“附加”是指在原来自重应力基础上增加的压力。,建筑物修建以前，地基中由土体本身的有效重量所产生的应力,基底附加压力,基础底面传递给地基表面的有效应力，也称基底接触压力,基础底面增加的有效应力,2.2 土中应力,47,1. 有效应力和有效应力原理 2. 孔隙水压力 3. 自重应力 4. 地基附加应力 基底压力，基底附加压力,2.2 土中应力,48,静孔隙水压力分布规律,水位在地面以下,水位在地面以上,2.2 土中应力,2. 孔隙水压力,从水位面开始起算； 孔隙水压力越深越大； 孔隙水压力分布线的斜率是水的重度。,49,1. 有效应力和有效应力原理 2. 孔隙水压力 3. 自重应力 4. 地基附加应力 基底压力，基底附加压力,2.2 土中应力,50,自重应力的计算,水平地基中的自重应力,假定：水平地基半无限空间体半无限弹性体 侧限应变条件一维问题,定义：在修建建筑物以前，地基中由土体本身的有效重量而产生的应力。,目的：确定土体的初始应力状态,计算：地下水位以上用天然重度，地下水位以下用浮重度。,2.2 土中应力,3. 自重应力,51,成层地基,1）计算公式,均质地基,竖直向：,水平向：,竖直向：,水平向：,重度：地下水位以上用天然重度 地下水位以下用浮重度,静止侧压力系数,2,3,1,一般自重应力产生的变形已稳定,2.2 土中应力,3. 自重应力,52,2）竖向自重应力分布规律,自重应力分布线的斜率是重度； 自重应力越深越大； 自重应力在等重度地基中随深度呈直线分布； 自重应力在成层地基中呈折线分布； 在土层分界面处和地下水位处发生转折。,均质地基,成层地基,2.2 土中应力,3. 自重应力,53,1. 有效应力和有效应力原理 2. 孔隙水压力 3. 自重应力 4. 地基附加应力 基底压力，基底附加压力,2.2 土中应力,54,4. 地基附加应力,p,p,矩形面积中心荷载,矩形面积偏心荷载,线性分布 有效接触应力,单偏心,2.2 土中应力,基底压力,55,基底附加压力,p0 = p - d,地基中附加应力z分布,z从基底算起； z是由基底附加应力p0=p-d 引起的,自重应力,地基附加应力,沉降计算深度,基底附加压力,地基附加压力,z分布特点：分布荷载范围内越向下、越远离荷载作用位置，数值越小 扩散,假定：连续介质 线弹性体 均匀、各向同性体,2.2 土中应力,4. 地基附加应力,56,地基附加应力z分布,地基附加压力,z分布特点：分布荷载作用基本相同，分布荷载范围内越向下、越远离荷载作用位置，数值越小 扩散,p,集中荷载作用,z分布特点：集中荷载作用位置处越向下、越远离荷载作用位置，数值越小 扩散,差别：荷载作用位置的附加应力数值。,2.2 土中应力,4. 地基附加应力,57,(1)上层软弱，下层坚硬的成层地基,非均匀性成层地基,中轴线附近z比均质时明显增大的现象 应力集中；,(2)上层坚硬，下层软弱的成层地基,中轴线附近z比均质时明显减小的现象 应力扩散；,h,均匀,成层,e1,e2e1,h,均匀,成层,e1,e2e1,2.2 土中应力,地基附加压力,4. 地基附加应力,58,1. 土的压缩性试验与指标 2. 基础最终沉降量计算 3. 地基变形与时间的关系,2.3 地基变形,59,水槽,内环,环刀,透水石,试样,传压板,百分表,施加荷载，静置至变形稳定 逐级加大荷载,测定： 轴向压力 轴向变形,试验结果：,试验方法,p1,s1,e1,e0,侧限压缩试验,试验条件：双面排水；无侧向变形,1. 土的压缩性试验,2.3 地基变形,60,e,e p 曲线,e lgp 曲线,e,1. 土的压缩性试验曲线,压缩主支,膨胀曲线,再压缩曲线,2.3 地基变形,lgp(kpa),p(kpa),p=,61,压缩系数，kpa-1或mpa-1,侧限压缩模量，kpa 或mpa,固体颗粒,孔隙,e 曲线,1. 土的压缩性压缩性指标,2.3 地基变形,62,压缩系数,a1-2常用作比较土的压缩性大小,10.1mpa 20.2mpa,e 曲线,2.3 地基变形,1. 土的压缩性压缩性指标,63,e lgp 曲线,e,压缩指数,cs,回弹指数（再压缩指数）,cs cc，一般cs0.1-0.2cc,特点：有一段较长的直线段,指标：,lgp (kpa),2.3 地基变形,1. 土的压缩性压缩性指标,64,先期固结压力,历史上所经受到的最大竖向有效压力pc,cz= z：自重压力 pc= cz：正常固结土 pc cz：超固结土 pc cz：欠固结土,ocr=1：正常固结 ocr1：超固结 ocr1：欠固结,相同cz时，一般ocr越大，土越密实，压缩性越小,超固结比：,1. 土的压缩性固结状态,2.3 地基变形,65,a,b,c,d,m,rmin,1,2,3,先期固结压力pc的确定： casagrande 法,(f) b点横坐标对应于先期固结压力pc,(b) 作水平线m1,(c) 作m点切线m2,(d) 作m1，m2 的角分线m3,(e) m3与试验曲线的直线段 的延长线da交于点b,在e-lg压缩试验曲线 上，找曲率半径最小点 m,pc,lg,1. 土的压缩性先期固结压力确定,2.3 地基变形,66,1. 土的压缩性试验与指标 2. 基础最终沉降量计算 3. 地基变形与时间的关系,2.3 地基变形,67,压缩前,压缩后,侧限条件,z=p,p,e1,单一土层一维压缩问题,e-曲线,2. 基础最终沉降量计算,2.3 地基变形,cz,68,最终沉降计算公式,采用e-p 曲线单一土层,已知a时,已知es时,分层总和法公式,2.3 地基变形,2. 基础最终沉降量计算,p,69,1. 土的压缩性试验与指标 2. 基础最终沉降量计算 3. 地基变形与时间的关系,2.3 地基变形,70,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 10-4 cm2/s 量级）,固结系数：实验确定,一维渗流固结微分方程,时间因数,m1，3，5，7,微分方程的解孔压：,h：土层最大排水距离,2.3 地基变形,3. 地基变形与时间的关系,71,固结度的概念,一点m：,地 层：,土层的平均固结度,uz,t=01：表征总应力中有效应力所占比例,m,2.3 地基变形,3. 地基变形与时间的关系,72,t 时刻：,确定st的关键是确定ut 确定ut的核心问题是确定uz.t,在时间t的沉降与最终沉降量之比,固结度的计算,2.3 地基变形,3. 地基变形与时间的关系,73,求某一时刻t 的固结度与沉降量st,t,tv=cvt/h2,st=ut s,时间因数,固结度,2.3 地基变形,3. 地基变形与时间的关系,74,求达到某一沉降量(固结度)所需要的时间t,ut= st /s,从 ut 查图（计算）确定 tv,2.3 地基变形,3. 地基变形与时间的关系,75,1. 试验测定土的抗剪强度 直剪试验，三轴试验 2. 土的极限平衡条件,2.4 土的抗剪强度,76,施加竖向应力 （=p/a） 施加水平剪力t，产生水平位移 s 量测 （=t/a）,上盒,下盒,p,a,直接剪切仪,试验方法, = 100kpa, = 200kpa, = 300kpa,2.4 土的抗剪强度,1. 试验测定土的抗剪强度,77,c： 粘聚力 ：内摩擦角,库仑公式,f ： 土的抗剪强度 tan： 摩擦强度-正比于压力 c： 粘聚强度,试验结果,抗剪强度指标,2.4 土的抗剪强度,1. 试验测定土的抗剪强度,直剪试验,78,通过控制剪切速率来近似模拟排水条件,(1) 固结慢剪（s） 施加正应力充分固结 慢慢施加剪应力小于0.02mm/分， 以保证无超孔压 (2) 固结快剪（cq) 施加正应力充分固结 在3-5分钟内剪切破坏 (3) 快剪（q） 施加正应力后 立即剪切3-5分钟内剪切破坏 只适于k1-6cm/s的土。,cs 、s,ccq 、cq,cq 、q,直剪试验,2.4 土的抗剪强度,1. 试验测定土的抗剪强度,79,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,测定： 轴向应变 轴向应力 体积应变或孔压,横梁,量力环,百分表,量测体变或孔压,试验方法,2.4 土的抗剪强度,1. 试验测定土的抗剪强度,三轴试验,80,量测体变或孔压,可控制排水条件；可完整地描述试样受力、变形和破坏的全过程；应力状态明确；变形量测简单,2.4 土的抗剪强度,1. 试验测定土的抗剪强度,三轴试验,81,固结排水剪切试验（cd试验） 1 打开排水阀门，施加围压后充分固结，超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,固结不排水剪切试验（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,不固结不排水剪切试验（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,试验类型,1- ,2.4 土的抗剪强度,1. 试验测定土的抗剪强度,三轴试验,82,目的和适用条件： 有侧向变形条件下的最大轴向压力 三轴试验特例，相当于三轴压缩试验不固结不排水剪uu 无侧向抗压强度qu=2f =2cu 确定抗剪强度和灵敏度； 适用于：饱和度高的粘性土，能够切成圆柱状。,qu=1f,2.4 土的抗剪强度,1. 试验测定土的抗剪强度,无侧限压缩试验,83,cu = qu/2,cu,qu = f,3 =0的三轴不固结不排水试验,3=0,u=0,qu=1f,2.4 土的抗剪强度,1. 试验测定土的抗剪强度,无侧限压缩试验,84,1. 试验测定土的抗剪强度 直剪试验，三轴试验 2. 土的极限平衡条件,2.4 土的抗剪强度,85,z,+zx,-xz,x,2,1,3,大主应力：,小主应力:,圆心：,半径：,z按顺时针方向旋转,x按顺时针方向旋转,莫 尔 圆：代表一个土单元的应力状态； 圆上一点：代表一个面上的两个应力与,a面,b,b面,a,2.4 土的抗剪强度,应力圆表示一点的应力状态,2. 土的极限平衡条件,86,c： 粘聚力 ：内摩擦角,库仑公式,抗剪强度指标,强度包线以内：任何一个面上的一对应力与 都没有达到破坏包线，不破坏； 与破坏包线相切：该面上的应力达到破坏状态极限平衡； 与破坏包线相交：有一些平面上的应力超过强度；不可能发生。,极限平衡应力状态,破坏面为什么不在最大剪应力作用面上？,2.4 土的抗剪强度,2. 土的极限平衡条件,87,莫尔-库仑强度理论表达式极限平衡条件,1,3,2.4 土的抗剪强度,2. 土的极限平衡条件,88,莫尔-库仑强度理论表达式极限平衡条件,2.4 土的抗剪强度,2. 土的极限平衡条件,89,根据应力状态计算出大小主应力1、3,判断破坏可能性,由3计算1f比较1与1f,11f 不可能状态，破坏,破坏判断方法,判别对象：土体微小单元（一点）,3= 常数：,2.4 土的抗剪强度,2. 土的极限平衡条件,90,根据应力状态计算出大小主应力1、3,判断破坏可能性,由1计算3f 比较3与3f,33f 安全状态 3=3f 极限平衡状态 33f 不可能状态,1= 常数：,破坏判断方法,2.4 土的抗剪强度,2. 土的极限平衡条件,91,2,2,滑裂面的位置,与大主应力面夹角： =45 + /2,破坏面为什么不在最大剪应力作用面上？何时在？,与小主应力面夹角： =45 - /2,2.4 土的抗剪强度,2. 土的极限平衡条件,92,1. 软土 2. 黄土 3. 膨胀土 4. 红粘土 5. 盐渍土 6. 冻土 7. 填土 8. 可液化土,2.5 特殊性土,93,特点：孔隙比大，e1.0 含水量大，wwl,2.5 特殊性土,1. 软土,在静水或缓慢流水环境中沉积，以细颗粒为主的近代粘性沉积土。常含有机质。,类型： 淤 泥： wwl ，e1.5 淤泥质土： wwl ，1.5e1.0,94,1）抗剪强度低,2.5 特殊性土,1. 软土,工程特性：,4）高灵敏度,2）压缩性高,3）透水性低,5）流变性,95,2.5 特殊性土,2. 黄土,一种在第四纪时期形成的黄色粉状土，在干旱或半干旱气候条件下形成。有的遇水产生显著的湿陷变形，称湿陷性黄土。,类型：非湿陷性 湿陷性：自重湿陷性 非自重湿陷性：自重应力受水不湿陷，自重和附加应力共同作用下受水湿陷。,96,2.5 特殊性土,2. 黄土,湿陷性判定： 湿陷系数： 式中： hp原状试样在p作用下压缩稳定后量得高度； 原状试样在p作用下压缩稳定后加水浸湿，下沉 稳定后的高度； h0原状试样的原始高度。,非湿陷性黄土 湿陷性黄土,97,2.5 特殊性土,2. 黄土,湿陷性黄土特征： 1）呈黄色，褐黄色、灰黄色； 2）以粉粒为主（0.005-0.075mm） 3）孔隙比在1.0左右或更大； 4）含较多可溶盐类； 5）竖直节理发育，能保持直立的天然边坡； 6）具有大孔隙（大孔土）。,98,2.5 特殊性土,3. 膨胀土,土中粘粒成分主要由亲水性矿物组成，同时具有从显著的吸水膨胀软化和失水收缩开裂两种变形特征的粘性土.,处于坚硬或硬塑状，强度高、压缩性地，极易误认为良好地基.,裂隙发育是膨胀土的一个重要特征；在旱季长出现地裂，长达数十米至百米，深数米，雨季闭合.,危害：往复变形非常显著，膨胀土地基上的建筑物随季节变化不断出现不均匀的抬升和下沉，使建筑物破坏。,99,2.5 特殊性土,4. 红粘土,石灰岩、白云岩等碳酸盐类岩石，在亚热带红土华作用形成的高塑性粘土，其液限大于等于50%，具有表面收缩、上硬下软、裂隙发育的特征.,天然含水率、孔隙比、饱和度、液性指数、塑性指数都很高.,各种指标变化幅度很大，具有高分散性.,问题：上硬下软，尽量浅埋；注意不均匀沉降。,100,2.5 特殊性土,5. 盐渍土,地表深度1m范围内已溶盐含量大于0.5%的土盐渍土.,类型：氯盐、硫酸盐、碳酸盐。呈现不同特点.,特点：液限和塑限虽含盐量的增大而降低；含水率等于液限时，抗剪强度几乎为零.,注意：高含盐量的盐渍土，含水率增大记忆丧失其强度。,101,2.5 特殊性土,6. 冻土,地层温度降低至零度以下，土中部分孔隙水冻结而形成冻土.,类型：季节性冻土、多年冻土.,原因：水冻结体积膨胀9%；结合水灾冻结过程中的迁移和积聚是主要原因.,危害：冻胀和融沉都是非均匀的，建筑物产生不均匀沉降，引起倾斜、开裂。,102,2.5 特殊性土,7. 填土,人工填土是人类活动而形成的堆积物，成份杂、均匀性差，按成份分类：,素填土：碎石、砂、粘土、粉土组成，成分单 一，加密处理后良好地基.,杂填土：建筑垃圾、工业废料、生活垃圾杂物组 成，无规律，一般需经人工处理.,冲填土：水力冲填泥沙形成，工程性质与颗粒组 成密切相关。,103,2.5 特殊性土,8.可液化土,天然形成的砂土可能处于饱和、松散或稍密状态，在振动荷载作用下，可能发生液化，这类土称为液化土.,原因：松砂受振后趋于密实，但瞬时振动土体来 不及排水，导致土中孔隙水压力骤然上升， 若等于外荷，有效应力为零，抗剪强度为 零，土颗粒悬浮在水中，呈现液体特征。,104,2.5 特殊性土,8.可液化土,现象：地表喷砂冒水，建筑物沉陷或上浮.,危害：地基承载力丧失，建筑物整体下沉， 失稳破坏，轻型建筑物上浮.,措施：改良土质，增加密实度，地基处理。,影响因素：土类，密实状态， 荷载条件，排水条件.,105,1. 土压力产生的条件和类型 2. 朗肯土压力理论 3. 库仑土压力理论,2.6 土压力,106,基本概念,产生条件,静止土压力e0,主动土压力ea,被动土压力ep,类型,关系,ep e0 ea,2.6 土压力,1. 土压力产生的条件和类型,107,3.被动土压力,1.静止土压力,2.主动土压力,岩石,拱桥桥台,2.6 土压力,1. 土压力产生的条件和类型,108,可按土体处于侧限条件下的弹性平衡状态进行计算。,静止土压力计算,z,2.6 土压力,对于侧限应力状态： p0=sh =k0sv k01-sin,109,p0=sh=k0gz (kn/m2，kpa） 静止土压力直线分布 合力： e0=1/2 k0gh2 (kn/m) 作用点：底部以上1/3h处,2.6 土压力,静止土压力计算,110,1. 土压力产生的条件和类型 2. 朗肯土压力理论 3. 库仑土压力理论,2.6 土压力,111,半无限土体中极限平衡应力状态和朗肯土压力,半无限土体内各点的应力从弹性平衡状态发展为极限平衡状态的条件,主动极限平衡状态,2.6 土压力,2. 朗肯土压力理论,112,被动极限平衡应力状态,1f,v=z,h =k0v,s3,s1f,45- /2,=pp,2.6 土压力,2. 朗肯土压力理论,113,朗肯土压力理论基本条件和假定,条件 墙背光滑 墙背垂直 填土表面水平 假设 墙后各点均处于极限平衡状态,2.6 土压力,2. 朗肯土压力理论,114,主动土压力,2.6 土压力,2. 朗肯土压力理论,hka,hka-2c ka,z0,ea,2c ka,(h-z0)/3,填土为砂土,填土为粘性土,pa=kagz,115,被动土压力,2.6 土压力,2. 朗肯土压力理论,hkp,2c kp,ep,x,填土为砂土,填土为粘性土,砂土： pp=sh=kpgz (kn/m2，kpa） kp= tan2(45+f/2 ) 直线分布 总被动土压力： ep=1/2 kp gh2 (kn/m) 作用点：底部以上1/3h处 滑裂面方向：与水平夹角45-f/2,116,几种工程中常见的主动土压力计算,填土上有均布荷载q,朗肯土压力理论 1=gz+q pa= 3=qka+gzka,h,z,1,3,qka,hka,zka,2.6 土压力,2. 朗肯土压力理论,117,成层填土,c,b,a,g1 f1 c1,g2 f2 c2,h2,h1,1 在b点v相同 2 在b点pa有突变,b,几种工程中常见的主动土压力计算,2.6 土压力,2. 朗肯土压力理论,118,f1 = f2 c1 = c2=0,g2 g1 g2 g1,c,a,g1 f1 c1,g2 f2 c2,h2,h1,成层填土1,几种工程中常见的主动土压力计算,2.6 土压力,2. 朗肯土压力理论,斜率不同，无突变,119,g1 = g2 c1 = c2=0,f2 f1 f2 f1,内摩擦角不同，土层分界面有突变,成层填土2,几种工程中常见的主动土压力计算,2.6 土压力,2. 朗肯土压力理论,120,c1 0 c2=0,c1 =0 c20,g1 = g2 f2 = f1,成层填土3,几种工程中常见的主动土压力计算,2.6 土压力,2. 朗肯土压力理论,粘聚力不同，土层分界面有突变,121,填土中有地下水,几种工程中常见的主动土压力计算,2.6 土压力,2. 朗肯土压力理论,122,1. 土压力产生的条件和类型 2. 朗肯土压力理论 3. 库仑土压力理论,2.6 土压力,123,e,ea,库仑主动土压力系数,ea,特例:=0，即墙背垂直光滑，填土面水平，与朗肯理论等价,土压力分布：三角形分布,2.6 土压力,3. 库仑土压力理论,主动土压力合力,124,土压力分布,被动土压力,h,ep,ep,h/3,2.6 土压力,3. 库仑土压力理论,125,1. 土坡失稳破坏形式 2. 均质土坡稳定计算 3. 圆弧滑动面条分法,2.7 土坡稳定,126,2.7 土坡稳定,1. 土坡失稳破坏形式,127,造成滑坡的原因,降雨、蓄水、使岩土软化， 坝背水坡浸润线,存在渗透力,1) 振动：地震、爆破,2) 土中含水量和水位变化,3) 水流冲刷：使坡脚变陡,4) 冻融：冻胀力及融化含水量升高,5) 人工开挖：基坑、船闸、坝肩、隧洞出入口。,2.7 土坡稳定,1. 土坡失稳破坏形式,128,1. 土坡失稳破坏形式 2. 均质土坡稳定计算 3. 圆弧滑动面条分法,2.7 土坡稳定,129,无粘性土土坡的稳定分析,破坏形式：表面浅层滑坡 强度参数：内摩擦角 考察一无限长坡，坡角为 分析一微单元a,2.7 土坡稳定,2. 均质土坡稳定计算,130,无渗流的无限长土坡,微单元a自重: w=v,沿坡滑动力：,对坡面压力：,(由于无限土坡两侧作用力抵消),抗滑力：,抗滑安全系数：,2.7 土坡稳定,2. 均质土坡稳定计算,131,无渗流的无限长土坡讨论,当=时，fs=1.0，天然休止角,可见安全系数与土重度无关,与所选的微单元大小无关。 即坡内任一点或平行于坡的任一滑裂面 上安全系数fs都相等,思考题 在干坡及静水下坡中， 如不变，fs有什么变化,2.7 土坡稳定,2. 均质土坡稳定计算,132,有沿坡渗流情况,(3) 抗滑力：,(2) 滑动力：,沿坡渗流无限长砂土坡安全系数,(4) 安全系数：,2.7 土坡稳定,2. 均质土坡稳定计算,133,有沿坡渗流情况,与无渗流比较fs减小近一倍 注：意味着原来稳定的坡，有沿坡渗流时可能破坏,讨 论,与所选v大小无关，亦即在这种坡中各点安全系数相同,与重度有关,2.7 土坡稳定,2. 均质土坡稳定计算,134,1. 土坡失稳破坏形式 2. 均质土坡稳定计算 3. 圆弧滑动面条分法,2.7 土坡稳定,135,简单条分法（瑞典条分法）,基本假定： 忽略了所有条间作用力，合力大小相等、方向相反。,2.7 土坡稳定,3. 圆弧滑动面条分法,忽略了条间力，所计算安全系数fs偏小，越大(条间力的抗滑作用越大), fs越偏小,一般情况下，fs偏小（5-20）%左右 工程应用中偏于安全，保守。,136,简化毕肖普方法,假设滑裂面为圆弧 忽略条间切向力 在每条的滑裂面上满足极限平衡条件 每条上作用力在y方向（竖直）上静力平衡 总体对圆心o力矩平衡,2.7 土坡稳定,3. 圆弧滑动面条分法,一般情况下，fs偏小（2-7）%左右 工程应用中偏于安全，比简单条分法更准确。,137,1. 基本概念 2. 极限承载力计算方法 3. 地基承载力影响因素,2.8 地基承载力,138,地基承载力,基本概念,确定方法,影响因素,地基破坏形式,地基破坏过程,地基承载力概念,载荷试验,理论公式,2.8 地基承载力,1. 基本概念,139,地基破坏形式,2.8 地基承载力,1. 基本概念,140,地基破坏的不同阶段(整体剪切破坏),地基破坏过程,2.8 地基承载力,1. 基本概念,141,pcr,pu,地基土开始出现剪切破坏,s,连续滑动面,临塑荷载 临界荷载 极限荷载,塑性区,地基承载力,2.8 地基承载力,1. 基本概念,142,临塑荷载 临界荷载 极限荷载,对应塑性区开展深度zmax=0临塑荷载pcr； 对应zmax=b/4，b/3临界荷载p1/3， p1/4； 对应破坏极限荷载pu pcr ，p1/4，p1/3，pu = 1/2 n b+nq d+ncc （对于三个荷载，三个系数不同。）,容许承载力：强度和变形同时满足条件 承载力设计值,承载力设计值=pu/f,地基承载力,2.8 地基承载力,1. 基本概念,143,1. 基本概念 2. 极限承载力计算方法 3. 地基承载力影响因素,2.8 地基承载力,144,太沙基极限承载力计算,整体剪切破坏： 条形基础： pu= 1/2 n b+nq d+ncc 方形基础： pu= 0.4 n b+nq d+1.2ncc 圆形基础： pu= 0.6 n b+nq d+1.2ncc 局部剪切破坏： c1= 2/3c tan1=2/3tan ,2.8 地基承载力,2. 极限承载力的计算方法,145,1. 基本概念 2. 极限承载力计算方法 3. 地基承载力影响因素,2.8 地基承载力,146,承载力的影响因素,地基土性质：土的类型、成因、状态、土体的重度、地下水位的深度、粘聚力和内摩擦角等 ； 基础形状和埋深：包括基础埋置深度、基础的形状、基础的宽度和长度等 ； 荷载条件：荷载的作用方向（倾斜或竖直）和类型、是否偏心等。,2.8 地基承载力,3. 地基承载力的影响因素,147,1. 岩石的基本物理性质 2. 岩石的强度和破坏机理 3. 岩石的工程分类 4. 围岩与岩坡的稳定性分析,2.9 岩石力学基础,148,质量密度,重力密度,干重度,浮重度,饱和重度,单位: g/cm3,单位: kn/m3,1. 岩石的基本物理性质,物理性质指标定义,2.9 岩石力学基础,未说明含水状态时是指天然重度,根据岩石试样的含水情况不同,岩石重度的大小，一定程度上反映出岩石力学性质的优劣，通常越大，力学性质越好。,149,相对密度,单位: 无量纲,表达式:,孔隙比,表达式:,1. 岩石的基本物理性质,物理性质指标定义,2.9 岩石力学基础,测定方法: 比重瓶法,孔隙率,表达式:,即岩石比重,孔隙率是反映岩石致密程度和岩石力学性能的重要参数,150,吸水率,表达式:,1. 岩石的基本物理性质,物理性质指标定义,2.9 岩石力学基础,天然含水率,表达式:,岩石吸水率的大小取决于岩石中孔隙数量的多少和细微裂隙的连通情况，因此，吸水率越大，力学性能越差。,m0 烘干岩样浸水48小时后的质量； ms 岩石烘干质量；,151,表达式:,1. 岩石的基本物理性质,物理性质指标定义,2.9 岩石力学基础,饱和吸水率饱水率,岩石饱水率反映岩石中张开性裂隙和孔隙的发育情况，对岩石的抗冻性有较大影响。,mp 岩样饱和后的质量；,岩样在强制状态（真空、煮沸 、高压） 下岩样的最大吸水量,饱水系数,表达式:,一般在50-80%，kw91%可免遭冻胀破坏。,152,岩石的渗透性,在水压力作用下，岩石的孔隙和裂隙透过水的能力，渗透系数k.,岩石的崩解性,1. 岩石的基本物理性质,2.9 岩石力学基础,岩石的膨胀性,岩石浸水后体积增大的性质，用膨胀力和膨胀率表示，实验测定.,岩石与水相互作用时失去粘结性并变成完全丧失强度的松散物质的性能。用岩石的耐崩解性系数表示。实验测定干湿循环试验。,153,岩石的软化性,岩石与水相互作用时强度降低的特性.