岩土工程第二讲土的力学性质.ppt

第二讲 土的力学性质,工程学院 任青阳,土的力学性质包括：,一、土体中的应力 二、土的渗透性 三、土的压缩、固结与沉降 四、土的抗剪强度,一、土体中的应力,支承建筑物荷载的土层称为地基。 与建筑物基础底面直接接触的土层称为持力层。 将持力层下面的土层称为下卧层。 土体的应力按引起的原因分为自重应力和附加应力； 自重应力由土体自身重量所产生的应力。 附加应力由外荷（静的或动的）引起的土中应力。,按土体中土骨架和土中孔隙（水、气）的应力承担作用原理或应力传递方式可分为有效应力和孔隙应力。 有效应力由土骨架传递（或承担）的应力。 孔隙应力由土中孔隙流体（水和气体）传递的应力。,土中任意一点的应力状态用六个独立分量表示：,土力学中应力符号的规定,材料力学,+,-,+,-,土力学,正应力,剪应力,拉为正 压为负,顺时针为正 逆时针为负,压为正 拉为负,逆时针为正 顺时针为负,均匀一致各向同性体 （土层性质变化不大时）,线弹性体 （应力较小时）,连续介质 （宏观平均）,碎散体,非线性 弹塑性,成层土 各向异性,p,e,线弹性体,加载,卸载,土中应力的研究方法（研究假定）,实际,假定,土的非线性弹塑性应力应变曲线,1 地基中的自重应力,地下水位以下，用有效容重；不同土层的重量可以叠加,竖向应力,分布规律,自重应力在等容重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,The stratums conditions and the related physical characteristics parameters of a foundation are shown in Fig below. Calculate the stress due to self-weight at a,b,c. Draw the stress distribution.,w=15.6% e=0.57 s=26.6kN/m3,w=22% wL=32% wp=23% s=27.3kN/m3,（ watertight ）,a z=0 b z(upper)=1h1=9.92=19.8kPa z(Down)=1h1+ w(h1+hw)=9.92+10(2+1.2)=51.8kPa c z=1h1+ w(h1+hw)+ sat2h2 = 9.92+10(2+1.2)+20.83=114.2kPa,K0静止侧压力系数，它是土体在侧限条件下有效小主应力3与有效大主应力1 之比， K0与土层的应力历史及土的类型有关。 正常固结粘土： K0 1sin 对一般地基K0 0.5左右,无侧向变形（侧限）条件下：,2 侧向应力,3 基底压力与基底附加压力,基底（接触）压力指上部结构荷载和基础自重通过基础传递，在基础底面 处施加于地基上的单位面积压力。 地基反向施加于基础底面上的压力称为基底反力。 基底附加应力是指基底压力扣除因基础埋深所开挖的自重应力之后在基底处施加于地基上的单位面积压力。,影响基底压力分布和大小的因素,基础条件,刚度 形状 大小 埋深,大小 方向 分布,土类 密度 土层结构等,荷载条件,地基条件,1）基底压力,柔性基础与刚性基础 柔性基础：刚度较小，基底压力与其上的荷载大小及分布相同；,刚性基础：刚度较大，基底压力分布随上部荷载的大小、基础的埋深及土的性质而异。,当基础尺寸不太大，荷载也较小时，可假定基底压力为直线分布。,2）基底附加压力,基底净压力 基底压力中扣除基底标高处原有土的自重应力，才是基础底面下真正施加于地基的压力，称为基底附加压力或基底净压力。 对于基底压力p为均布情况,二、土的渗透性,渗透：由于土体本身具有连续的孔隙，如果存在水位差的作用，水就会透过土体孔隙而发生孔隙内的流动。 土具有被水透过的性能称为土的渗透性。 土的问题是指由于水的渗透引起土体内部应力状态的变化或土体、地基本身的结构、强度等状态的变化，从而影响建筑物或地基的稳定性或产生有害变形的问题。,1 土的渗流理论,一、达西渗透定律 由于土体中的孔隙一般非常微小，水在土体中流动时的粘滞阻力很大、流速缓慢，因此，其流动状态大多属于层流。 著名的达西(Darcy)渗透定律： 渗透速度： 或 渗流量为：,式中：-水在土中的渗透速度，cm/s。 它不是地下水的实际流速，而是在一单位时间（sec） 内流过一单位土截面（cm2）的水量（cm3）； i-水头梯度，即土中两点的水头差（h1-h2）(对右图，为H1-H2)与两点间的流线长度（L）之比； k-土的渗透系数，cm/s，与土的渗透性质有关的待定系数。,对粘性土：,土的渗透系数可以通过室内渗透试验或现场抽水试验来测定。 各种土的渗透系数参考值（cm/s）,基马式渗透仪,南55渗透仪,2 渗透力及渗透破坏类型,渗流所引起的稳定问题： （1） 土体的局部稳定问题，又称为渗透变形问题； （2） 整体稳定问题。 1）渗透力的概念 在饱和土体中水的渗流分析中，把土颗粒骨架视为不可变形的刚体，发生渗流时，受到土粒的阻力，引起水头损失，同时水也对土颗粒施加渗流作用力，单位体积土骨架所受到的渗流作用力称为渗透力(seepage force or seepage pressure)或动水压力，用J表示。,2）渗透破坏类型 根据渗透破坏的机理将破坏形式分为流土、管涌、接触流失和接触冲刷四种形式，称为土的渗透破坏的四种模式。 1.流砂或流土 在自下而上的渗流发生时，渗透力的大小超过土重度，致使土粒间的有效应力为零，土体的表面隆起、浮动或某颗粒群悬浮、移动的现象称为流砂(sand boiling)或流土(soil boiling)。,土的临界水力梯度 当竖向渗流力等于土体的有效重量时，土体就处于流土临界状态。当发生自下而上的渗流且水力梯度大于或等于临界水力梯度时，就会出现流砂现象。 以濒临渗透破坏时的水力梯度 称为临界水力梯度。,粘性土发生流土破坏的机理与无粘性土不完全相同，因为前者不仅仅是由于渗流力作用的结果，而且还与土体表面的水化崩解程度（即水稳性）以及渗流出口临空面的孔径等因素有关。,2.管涌,在渗流作用下，土体中的细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动，以至流失；随着土的孔隙不断扩大，渗流速度不断增加，较粗的颗粒也相继被水流逐渐带走，最终导致土体内形成贯通的渗流通道，造成土体塌陷。这种在渗流作用下土体内的细土颗粒在粗颗粒形成的孔隙通道内发生移动并被带出的现象称为管涌(piping),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。,三、土的压缩、固结与沉降,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,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,高层建筑物由于不均匀沉降而被爆破拆除,沉降、不均匀沉降 工程实例,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,1）土的压缩试验 在外力作用下，土颗粒重新排列，土体体积缩小的现象称为土的压缩。 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。,1 土的压缩性,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,2）土压缩的本质 土的压缩性是指土在压应力作用下,体积压缩变小的性能。 土体压缩性受三相物质压缩性及土体结构的控制。 土体压缩原因：土粒本身的压缩变形；水和气体压缩变形；孔隙中水和气体被排出，颗粒位移，孔隙变小，造成的压缩变形结构变化。 一般情况下，在建筑荷载作用下（0.10.6Mpa）水和土粒的压缩变形可忽略不计，气体被排挤出。 土压缩的本质是：土孔隙中的水分和气体被挤出，土粒产生位移，孔隙体积减小引起的。,压缩曲线反映了土的压缩过程。 它是一下凹的曲线。说明土在压力 P作用下开始变形较大，然后逐渐变 小。即：开始压缩容易，到后来难。 各类土的曲线及压缩量不同。取决 于如土的类型等等一系列因素。 在该曲线上取一段较平缓的曲线M1、M2，若压力变化不太大，就可用直线近似地代替它。两点的坐标为M1（P1，e1），M2（P2, e2）。通过这两点 的直线方程为： 土的压密定律：在压力作用下，土的孔隙比变化与压 力的变化成正比。,其中：叫压缩系数 表征土压缩性的重要指标。 越大，土的压缩性越高，反之，就低。 不是常数,为了统一标准,常用0.1-0.2MPa压力段的压缩系数 1-2, 评价土压缩性的高低。 1-2 0.1MPa -1 低压缩性土； 1-2 =0.1-0.5MPa -1 中压缩性土； 1-2 0.5MPa -1 高压缩性土,1）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。 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：,2 土的侧压力系数与变形模量,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,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。,四、土的抗剪强度,土工结构物或地基,土,渗透问题 变形问题 强度问题,渗透特性 变形特性 强度特性,与土体强度有关的工程问题：建筑物地基稳定性、填方或挖方边坡、挡土墙土压力等。 土体强度表现为：一部分土体相对与另一部分土体的滑动，滑动面上剪应力超过了极限抵抗能力抗剪强度； 土的抗剪强度是指土体对于外荷载所产生的剪应力的极限抵抗能力。,土压力 边坡稳定 地基承载力,挡土结构物破坏 各种类型的滑坡 地基的破坏,核心 强度理论,工程中土体的破坏类型,在外荷载的作用下，土体中任一截面将同时产生法向应力和剪应力，其中法向应力作用将使土体发生压密，而剪应力作用可使土体发生剪切变形。 当土中一点某一截面上由外力所产生的剪应力达到土的抗剪强度时，它将沿着剪应力作用方向产生相对滑动，该点便发生剪切破坏。 土的破坏主要是由于剪切所引起的，剪切破坏是土体破坏的主要特点。,1. 碎散性：强度不是颗粒矿物本身的强度，而是颗粒间相互作用主要是抗剪强度（剪切破坏），颗粒间粘聚力与摩擦力； 2. 三相体系：三相承受与传递荷载有效应力原理； 3. 自然变异性：土的强度的结构性与复杂性。,首先需要了解土的强度特点,1 土的抗剪强度理论 1）库伦公式及抗剪强度指标 库伦 (Coulomb, 1773) 根据砂土的试验，将土的抗剪强度 表达为滑动面上法向总应力 的函数，即, = 100KPa,S, = 200KPa, = 300KPa,摩擦强度,直剪试验结果 以后又提出了适合粘性土的更普遍的 表达式： 式中：c 土的粘聚力(内聚力)，kPa； 土的内摩擦角，度； 以上两式式统称为库伦公式， 或库伦定律，c 、 称为抗剪强度指标 (抗剪强度参数 ) 。,粘聚强度,摩擦强度+,土的强度机理摩擦强度粘聚强度,（1）滑动摩擦,摩擦强度 tg,由颗粒之间发生滑动时颗粒接触面粗糙不平所引起，与颗粒大小，矿物组成等因素有关,（2）咬合摩擦,摩擦强度 tg,剪切面,是指相邻颗粒对于相对移动的约束作用 当发生剪切破坏时，相互咬合着的颗粒A必须抬起，跨越相邻颗粒B，或在尖角处被剪断（C），才能移动 土体中的颗粒重新排列，也会消耗能量,密度（e, 粒径级配（Cu, Cc） 颗粒的矿物成分 对于：砂土粘性土； 高岭石伊里石蒙特石 粒径的形状（颗粒的棱角与长宽比） 在其他条件相同时： 一般，对于粗粒土，颗粒的棱角提高了内摩擦角,影响土的摩擦强度的主要因素：,摩擦强度 tg,5-2 土的抗剪强度理论,粘聚强度机理 静电引力（库仑力） 范德华力 颗粒间胶结 假粘聚力（毛细力等）,粘聚强度影响因素 地质历史 粘土颗粒矿物成分 密度 离子价与离子浓度,粘聚强度,土的抗剪强度有两种表达方法，一种是以总应力表示剪切破坏面上的法向应力，抗剪强度表达式即为库伦公式，称为抗剪强度总应力法，相应的 c 、 称为总应力强度指标 ( 参数 ) ；另一种则以有效应力表示剪切破坏面上的法向应力，称为抗剪强度有效应力法， c 、 称为有效应力强度指标 ( 参数) 。试验研究表明，土的抗剪强度取决于土粒间的有效应力，然而，由库伦公式建立的概念在应用上比较方便，许多土工问题的分析方法都还建立在这种概念的基础上，故在工程上仍沿用至今。 抗剪强度有效应力表达式： 对于砂土 对于粘性土,2 抗剪强度试验,测定土抗剪强度指标的试验称为剪切试验； 剪切试验可以在试验室内进行，也可在现场原位条件下进行。 按常用的试验仪器可将剪切试验分为: 直接剪切试验（直剪试验） 三轴压缩试验（三轴试验） 无侧限抗压强度试验 十字板剪切试验,1）直接剪切试验(direct shear test 或shear box test),直接剪切仪（直剪仪）,1）直接剪切试验,直剪试验原理图,直剪仪分应变控制式和应力控制式两种,为了考虑固结程度和排水条件对抗剪强度的影响，根据加荷速率的快慢将直剪试验划分为快剪、固结快剪和慢剪三种。,1）直接剪切试验, = 100KPa,S, = 200KPa, = 300KPa,O,c,粘性土抗剪强度线,无粘性土抗剪强度线(过原点),通过控制剪切速率来近似模拟排水条件,(1) 固结慢剪 施加正应力-充分固结 慢慢施加剪应力-小于0.02mm/分， 以保证无超静孔压 (2) 固结快剪 施加正应力-充分固结 在3-5分钟内剪切破坏 (3) 快剪 施加正应力后 立即剪切3-5分钟内剪切破坏,n,K0n,设备简单，操作方便 结果便于整理 测试时间短,优点,试样应力状态复杂 应变不均匀 不易控制排水条件 剪切面固定,缺点,类似试验： 环剪试验 单剪试验,2）三轴压缩试验(triaxial shear test),三轴是指一个竖向和两个侧向而言，由于压力室和试样均为圆柱形，因此，两个侧向的应力（或称围压）相等并为小主应力3 ，而竖向（或轴向）的应力为大主应力1。在增加1时保持3 不变，这样条件下的试验称为常规三轴压缩试验。,类似试验： 环剪试验 单剪试验,常规三轴仪,试验方法： 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1= 1-3 。,分别作围压为100 kPa 、200 kPa 、300 kPa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莫尔圆，画出它们的公切线强度包线，得到强度指标 c 与 ,强度包线,(1-)f,c,(1-)f,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,试验类型,固结排水试验（CD试验） Consolidated Drained Triaxial test (CD) 抗剪强度指标： cd d （c ）,试验英文名及所测指标,固结不排水试验（CU试验） Consolidated Undrained Triaxial test (CU) 抗剪强度指标：ccu cu,不固结不排水试验（UU试验） Unconsolidated Undrained Triaxial test (UU) 抗剪强度指标： cu u （ cuu uu ）,试验条件与现场条件 的对应关系,固结排水试验,固结不