土的力学性质(压缩性和固结理论抗剪性).ppt

第五章土的力学性质（mechanic properties),5.1 土的压缩性 5.2 土的抗剪性 5.3 土抗剪强度指标的确定 5.4 土的击实性,工程实例：修建新建筑物：引起原有建筑物开裂,高层建筑物由于不均匀沉降而被爆破拆除,建筑物立面高差过大,建筑物过长,不均匀变形较大,虎丘塔,不均匀变形较大,50多年来，主体建筑下沉最多之处约1.9米，地面高低落差40多厘米。由于地基严重下沉，房屋结构变形、裂缝随处可见，建筑物内外连接的水、电管道断裂。,概况：地基为高压缩性淤泥质软土, 1954年5月开工，当年底实测地基平均沉降量为60cm。 1957年6月，中央大厅四周的沉降量最大达146.55cm，最小为122.8cm。到1979年，累计平均沉降量为160cm.,（墨西哥城）,地基的沉降及不均匀沉降,5.1土压缩性概述 (compression properties),地基沉降,一致沉降 （沉降量）,差异沉降 （沉降差）,导致结果：建筑物上部结构产生附加应力，影 响结构物的安全和正常使用,土体的压缩性，以及荷载的作用，使得地基发生沉降。,影响因素： 荷载大小； 土的压缩特性； 地基厚度；,Uniformity settlement; differential settlement,Subsoil settlement,uniform settlement,unequal settlement,土的压缩性在压力的作用下土体体积缩小的特性,室外试验,室内试验,压缩性测试,侧限压缩,三轴压缩,载荷试验,旁压试验,一、室内压缩试验及压缩性指标 1. 土的压缩性测试方法 2 .土的压缩性及其指标 二、饱和土中的有效应力(effective stress) 三、土的前期固结压力(pre-consolidation pressure),土的压缩性主要学习内容,一、土的压缩性测试及压缩性指标,1.土的压缩性测试方法,侧限压缩试验(confined compression test),试样,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,土变形的物理机制（原因）,弹性变形,塑性变形,体应变主要是由于孔隙体积变化引起的； 剪应变主要是由于土颗粒的大小和排列形态变化引起的。,(Elastic deformation ),(plastic deformation ),一）、e p 曲线、e lgP 曲线及土的压缩性指标,二）、原始压缩曲线、回弹再压缩曲线,2 .土的压缩性及其指标,一）、e - p曲线,压缩系数，KPa-1，MPa-1,侧限压缩模量,KPa ,MPa 弹性模量？ (elastic modulus),Compression coefficient; compression modulus,称为压缩系数，KPa-1,a1-2常用作比较土的压缩性大小,单向压缩试验的各种参数的关系,a= mv(1+e0),Es= (1+e0)/a,Mv=1/Es,/v_show/id_XMjkyMjc5NTk2.html,e - lgP曲线,压缩指数,Ce,回弹指数（再压缩指数）,Ce Cc， 一般Ce0.1-0.2Cc,e-lgP曲线：压缩曲线的另一种表达方式,特点：有一段较长的直线段,指标：,Compression index; rebound index,二）、原始压缩曲线、回弹曲线及再压缩曲线,e,地下水位上升 土层剥蚀 冰川融化,引起卸载， 使土处于回弹状态,原状土的原位压缩曲线： 客观存在的，无法直接得到,lgP,压缩曲线,再压缩曲线,回弹曲线,1.土样试验成果如下，计算a1-2和Es1-2，并评价土的压缩性（土样1e0=0.8, 土样2e0=0.9 ）。,作 业 题,载荷试验：无侧限的原位试验（模拟实际受力、精度高） 1.方法：在试坑中用承压板直接对测试土层加压 设备主要部分：承压板规格、记录变形系统、加压系统（油压） 按深度：浅层试坑载荷试验、深层钻孔载荷试验 2.载荷试验P-S曲线形态（p83） oa:压密变形阶段，压力与s成直线关系，土粒发生铅直方向压密，土呈弹性变形。(compaction) ab:剪切变形段，压力超过pa，土在继续压密同时局部地区发生剪切变形，随p增大，剪切变形增大。 完全破坏阶段：p超过某临界值(critical value)时（ pb ），剪切变形形成连续滑动面，导致一部分土体相对另一部分土体滑动。,二、载荷试验及变形模量(loading test),临塑荷载pa:由压密变形阶段过渡到剪切变形阶段的临界压力。Critical edge pressure 临界荷载pb:由剪切变形阶段过渡到完全破坏阶段的临界压力。 Critical load 3.载荷试验成果应用 用来测定地基土允许承载力； 用来确定土的变形模量：,压缩性试验,广义虎克定律： 泊松比：0.30.4，饱和土在不排水条件下接近0.5,结合有效应力原理讲述土压缩的过程 粗粒土、细粒土 主固结 次固结,三、 饱和土有效应力原理,土,孔隙水,固体颗粒骨架,+,三相体系,孔隙气体,+,总应力,总应力由土骨架和孔隙流体共同承受,受外荷载作用,Triphase system,(effective stress),Normal stress,压缩过程,1.饱和土中的应力形态,PS,PSV,a,a,一）、有效应力原理的基本概念,PS,A为土单元的断面积； Aw为孔隙水的断面积； As为颗粒接触点的面积且接近于0,a-a断面竖向力平衡：,因为,其中,所以,并且令有效应力=Psv/A,有效应力原理：,2.饱和土的有效应力原理,（1）饱和土体内任一平面上受到的总应力 可分为两部分 和u，,（2）土的变形与强度都只取决于有效应力,求得有效应力,总应力已知或易知,孔隙水压测定或算定,通常,通过,自重应力情况 （侧限应变条件）,二）、饱和土中孔隙水压力和有效应力的计算,静水条件,地下水位,海洋土,毛细饱和区,自重应力情况(overburden stress),(1) 静水条件,=-u,u=wH2,u=wH2,=-u =H1+satH2-wH2 =H1+(sat-w)H2 =H1+H2,地下水位下降会引起增大，土会产生压缩，这是城市抽水引起地面沉降的一个主要原因。,地下水位,海洋土,(1)静水条件,=-u =wH1+satH2-wH =satH2-w(H-H1) =(sat-w)H2 =H2,毛细饱和区,(1)静水条件,毛细饱和区,+,-,1.弹性变形与残余变形 弹性变形：卸荷后可以恢复的变形 残余变形：卸荷后不可恢复的变形 弹性变形原因 残余变形原因 天然沉积土，原状土，扰动土,四、土的受力历史和前期固结压力,2、前期固结压力：在历史上曾受到过的最大固结压力。 固结状态 Pc=P0 ，正常固结 (normal consolidation soil) PcP0， 超固结(over consolidation soil) PcP0， 欠固结(under-consolidation soil) 超固结比(OCR ):前期固结压力与目前所受上覆土层的自重压力之比以OCR表示。,四、土的受力历史和前期固结压力,建筑物荷重与pc比较,卡萨格兰德图解法求前期固结压力,五、压缩性影响因素 土压缩变形量的大小：土的密实度（n、e）、土的连结力、土的内摩擦力； 压缩过程快慢：受K的影响，K大，透水性强，过程快；,土本身：粒度成分、矿物成分、含水量、结构、构造,影响 因素,外力：受压历史、增荷率及加荷速度,（一）粒度成分和矿物成分 1.细粒土：塑态下，随着粘粒的增多，可能形成的结合水膜厚， 孔隙比增大、压缩量增高，过程慢。 亲水性矿物越多，能形成厚的结合水膜，压缩量大，过程慢 矿物，含蒙脱石、有机质多的土，压缩量大，过程慢。,可溶盐：固体时有胶结压缩性低 溶解时破坏连接，孔隙增大，压缩高 2.粗粒土：粒愈粗大，表面越粗糙，压缩阻力大，压缩量小而压缩过程快。 （二）含水量 1.细粒土：w和IL反映土的连结力，随着w和IL的增大，连结力减弱，土粒间距离增大，压缩量大，过程慢。 2.粗粒土：压缩时起润滑剂的作用，增大变形量。 （三）密度 （四）结构状态 （五）构造特征 （六）受力历史 （七）增荷率和加荷速度 （八）动载荷,5.2 土的抗剪性,Shearing resistance,加拿大特朗斯康谷仓,地基土可能的滑动方向,某建筑地基 整体破坏,基坑坍塌,基坑坍塌,垮塌的护坡挡墙,发生坍塌的缘故？,C,B,O1,1,3,O,c,f, 1、概述 2、土抗剪强度理论 3、土的抗剪强度指标测定,Content：,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, 1、概述,permeability,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与剪切破坏，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。,一、土的抗剪强度(shear strength),二、土的强度特点：,Cohesive force; friction force,基坑支护,（1）.挡土结构物的破坏,（三）、工程中土体的破坏类型,挡土墙,平移滑动,2.各种类型的滑坡,崩塌,旋转滑动,流滑,地基 (groundwork),p,3.地基的破坏,一、直剪试验和库仑公式 二、土强度机理 三、摩尔-库仑强度理论,2 土的抗剪强度理论,主要内容：,一、直剪试验和库仑公式,直剪试验 库仑（1776）,施加 （=P/A） 量测 （=T/A）,上盒,A,试验原理,(direct shear test),c 粘聚力 内摩擦角,库仑公式：,f ： 土的抗剪强度 tg： 摩擦强度-正比于压力 c： 粘聚强度-与所受压力无关,强度指标,Cohesive force; angle of internal friction,二、土的强度的机理,1.摩擦强度 tg,（1）滑动摩擦,（2）咬合摩擦引起的剪胀,（3）颗粒的破碎与重排列,Friction strength,粘聚强度机理,2.凝聚强度c,静电引力（库仑力） 范德华力 颗粒间胶结 假粘聚力（毛细力等）,cohesive strength,三、摩尔-库仑强度理论,1. 库仑公式 2. 应力状态与摩尔圆 3. 极限平衡应力状态 4. 摩尔-库仑强度理论 5. 破坏判断方法 6. 滑裂面的位置,1.库仑公式,砂土：,粘性土：,c 粘聚力 内摩擦角,无粘性土(cohesionless soil),粘性土,抗剪强度曲线,莫尔库仑强度理论,（1）在一定的应力范围内，可以用线性函数近似f = c +tg （2）某土单元的任一个平面上 = f ，该单元就达到了极限平衡应力状态,Limit equilibrium,2、土中一点的应力状态,3. 应力莫尔圆,圆心坐标：,半径：,莫尔圆：代表一个土单元的应力状态；圆周上一点代表一个面上的两个应力与,不同状态时的摩尔圆,Elastic equilibrium; Limit equilibrium; failure,4. 极限平衡应力状态,极限平衡应力状态： 有一面上的应力状态达到 = f 土的强度包线： 所有达到极限平衡状态的莫尔园的公切线。,f,f,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。,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：有一个面上的应力达到破坏；,envelope curve,5. 滑裂面的位置,与大主应力面夹角： =45 + /2,图中虚线所指 位置为滑裂面,1、已知某住宅地基中某一点所受的最大主应力 ， 。剪应力作用面与最大主应力作用面夹角为30。 要求：（1）绘制摩尔应力圆 （2）求最大剪应力值和最大剪应力作用面与最大主应力面的夹角（3）若该地基土为砂土，内摩擦角 ，问该点是否剪切破坏？,课堂练习题,1、已知某地基土的抗剪强度指标为：内聚力 ，内摩擦角 ，作用在此地基中某平面上的正应力为 ，剪应力为 ，问该处会不会发生剪切破坏？,课后作业题,一、室内试验 二、野外试验,5.3 抗剪强度指标测定,直剪试验、三轴试验等 制样（重塑土）或现场取样 缺点：扰动 优点：应力条件清楚，易重复,十字板扭剪试验、旁压试验等 原位试验 缺点：应力条件不易掌握 优点：原状土的原位强度,A,一、室内试验,1. 直剪试验,设备简单，操作方便 结果便于整理 测试时间短,试样应力状态复杂 应变不均匀 不能控制排水条件 剪切面固定,优点,缺点,2. 三轴试验,试验步骤: 1.装样 2.施加周围压力 3.施加竖向压力,三轴剪切试验,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 。,（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,1,1- 3,1 =15%,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,优点： 1 应力状态和应力路径明确； 2 排水条件清楚，可控制； 3 破坏面不是人为固定的； 4 试验单元体试验,缺点： 设备相对复杂，现场无法试验,说明： 30 即为无侧限抗压强度试验,（3）优点和缺点,3. 无侧限抗压强度试验,讲解：饱和粘性土的无侧限抗压强度,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,二、抗剪强度指标确定（1.总应力法2.有效应力法）,固结排水试验（CD试验） Consolidated Drained Triaxial test (CD) 抗剪强度指标： cd d （c ）,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 ）,试验类型汇总,3.峰值强度和残余强度 超固结粘土或硬粘土剪切试验时随着 增大，剪切位移 增大，达到峰值后随位移的增加显著降低，最后达到某一稳定的最小剪应力。 峰值强度：以峰值的最大剪应力确定的抗剪强度。 残余强度：以稳定的最小剪应力确定的抗剪强度。 超固结土与正常固结土比较。 松砂、密砂的 关系图。天然休止角概念,4.土的蠕变性和长期强度 蠕变：在长期剪力作用下，剪切变形随时间缓慢增长。 蠕变的结果：剪切变形增大，抗剪强度降低。 蠕变速率与剪应力有关。 瞬时强度，标准强度，长期强度 长期强度曲线应用 蠕变原因： 1.C随时间缓慢减小，强度降低； 2.土粒沿剪切面定向排列 蠕变与土性的关系,（1）、土的粒度成分和矿物成分；（2）含水量； a.细粒土 b.粗粒土 （3）密实度（e） （4）结构连接（原状、扰动） （5）构造特征（粘性土沉积过程中各向异性） （6）土受力条件（受力过程、历史、剪切速度） （7）动荷的影响（饱和粉细砂土的液化，粘土的触变）,三.影响土力学性质的因素（3个力学指标）,压实：指通过夯打、振动、碾压等，使土体变得密实、以提高土的强度、减小土的压缩性和渗透性,压实性：指土在一定压实能量作用下密度增长的特性,研究击实性的目的： 以最小的能量消耗获得最大的压实密度,击实方