土力学学习小结.doc

这学期我们期待已久的土力学终于开课了，可谓是千呼万唤始出来。还未接触这门课程之前，早就听很多人说过土力学的重要性，还听说是一门很难的课程。很高兴的是开课的时候，我看到了于教授出现在土力学的讲堂上，让我有信心会学好这门课程。通过前六章的学习，土力学的课程也将近学完了一半。我觉得土力学是一门很特殊的课程，学习过程中基本概念和计算应用同等重要，并不偏颇遇哪一方，这让我们需要更加用心。下面是土力学前六章的小结。绪论1 土力学、地基及基础的概念土是矿物或岩石碎屑构成的松软集合体：是自然历史的产物；岩石是广义的土。土的工程性质：散粒性、渗透性、压缩性、整体强度弱。地基是受土木工程影响的地层，是支承基础的土体或岩石，包括天然地基和人工地基。基础是将结构承受的各种作用传递到地基上的结构组成部分，是墙柱地面下的扩大延伸部分，包括深基础和浅基础。持力层：埋置基础，直接 支撑基础的土层。下卧层：卧在持力层下方软弱下卧层：软弱下卧层强度下卧层地基和基础是建筑物的根本，统称为基础工程。基础工程为建筑物的隐蔽工程，一旦出事，不仅损失巨大，且补救十分困难，因此基础工程在土木工程中具有十分重要的作用。地基与基础设计必须满足三个条件：作用于地基上的荷载效应不得超过地基容许承载力或地基承载力特征值。基础沉降不等超过地基变形允许值。挡土墙、边坡以及地基基础保证具有具有足够防止失稳破坏的安全储备。一、 土的性质及工程分类2.2土的三相组成及土的结构 土是三相体系，土的三相数量比例决定着土的物理性质和状态。状态有：轻重、松密、干湿、软硬。大多数粘土矿物是有硅片和铝片构成的晶胞所组叠而成的，依铝片和硅片的组叠形式的不同，可以分为蒙脱石、伊利石和高岭石三种主要类型。 蒙脱石。遇水体积膨胀，亲水性最强，工程性质最差。蒙脱石的晶格是活动的，晶胞之间键力很弱，亲水性强，遇水体积可增大数倍，脱水后则可收缩。 伊利石。其力学性质介于高岭石和蒙脱石之间。 高岭石。遇水稳定，可塑性低，压缩性低，亲水性差。工程上把大小、性质相近的土粒合并为一组，称为粒组，而划分粒组的分界尺寸称为界限粒径。界限粒径：200、60、2、0.075、0.005。细分为六个粒组：漂石（块石）、卵石（碎石）、砾粒、砂砾、粉粒、粘粒。土中所含各粒组的相对含量，以土粒总重的百分数表示，称为土的颗粒级配。 限定粒径：小于某粒径的土粒质量占土总质量的60%的粒径，d60 有效粒径：小于某粒径的土粒质量占土总质量的10%的粒径，d10 中值粒径：小于某粒径的土粒质量占土总质量的30%的粒径，d30不均匀系数：Cu=d60d10曲率系数：Cc= d10*d60 对于级配连续的土：Cu5级配良好；Cu5且Cc=13，级配良好；反之则级配不良。土的液态水分为结合水和自由水。其中弱结合水对土的工程性质影响很大。粘土粒表面带有负电荷，结合水是指受电分子吸引力作用吸附于土粒表面成薄膜状的水。自由水是存在于土粒表面电场影响范围以外的土中水。黏土矿物和水分子的相互作用：扩散层：静电引力弱，水化离子和阳离子活动性大。固定层：牢固的吸附水化离子和阳离子。双电层：固定层和扩散层中所含的阳离子（反离子）与土粒表面负电荷一起构成双电层。毛细水：毛细水是受到水与空气交界面处表面张力的作用、存在于地下水位以上的透水层中的自由水。砾类与粗砂，毛细水上升高度很小，而粉细砂和粉土，则毛细水高度大，而且上升速度也快，及毛细现象严重，若毛细水上升至地表，会引起土质盐渍化、沼泽化，而且会使地基湿润、强度降低、变形增大。在寒冷地区还会促使土的冻胀，地下室会过分潮湿，故在工程中药注意防潮、防冻。冻胀：未冻结的水分不断向冻结区迁移和积聚，使冰晶体不断扩大，在土层中形成冰夹层，土体随之发生隆起，即冻胀现象。融陷：当气温升高、土层解冻时，土中积聚的冰晶体融化，土体随之下陷，即出现融陷现象。土的冻胀现象和融陷现象是季节性冻土的特性，即土的冻胀性。影响冻胀的因素：土的因素、水的因素、温度的因素。防治冻胀的工程措施：将构筑物基础底面置于当地冻结深度以下。土的结构是指土颗粒或集合体的大小和形状、表面特征、排列形式以及他们之间的连接特征，而构造是指土层的层理、裂缝和大孔隙等宏观特征，亦称宏观结构。土的结构一般分为单力结构、蜂窝结构及絮凝结构三种。土的构造最主要的特征就是成层性，即层理构造。2.3土的物理性质指标三个基本试验指标土的天然密度：土体单位体积的质量，用环刀法测定土的含水量：土中水的质量与土粒质量之比土的相对密度：土的固体颗粒质量与同体积4C是纯水的质量之比土粒密度纯水在4C是的密度，等于土的干密度：土单位体积重固体颗粒部分的质量土的饱和密度土孔隙中充满水是的单位体积质量土的有效密度：在地下水位以下，单位体积中土粒的质量扣除同体积水的质量后，即为单位体积中土粒的有效质量 土的孔隙比：土中孔隙体积与土粒体积之比土的孔隙率：土中孔隙体积与总体积之比 土的饱和度：土中水的体积与孔隙体积之比 重度 土的三相比例指标换算公式令则得相对密实度Dr一般一般分数表示。当Dr=0，即e=时，表示砂土处于最疏松状态；Dr=1，即时，表示砂土处于最紧密状态。因此，根据值可把沙土的密实度状态分为下列三种：10.67 密实0.670.33 中密0.330 松散黏性土从一种状态转变为另一种状态的分界含水量称为界限含水量。塑性指数：Ip=wl-wp习惯用不带%的百分数表示液限指数：Il=(w-wp)/(wl-wp)一般用小数表示达西定律：=v=ki=kh/l式中q单位渗水量； i-水力梯度或水力坡度，i=，即水头差与其距离之比，也表示单位渗流长度上的水头损失 v-渗流速度 k-土的渗透系数动水力计算公式：GD=T=流动的水对单位体积土骨架作用的力，称为动水力，是水流对土体施加的体积力，也称为渗流力。渗透破坏的形式包括管涌和潜蚀。当地下水流动的水力坡降很大时，水流由层流变成紊流，此时渗流力将土体粗粒孔隙中填充的细粒土带走，最终导致土体内形成贯通的渗流通道，造成土体塌陷，这种现象称为管涌。潜蚀分为机械潜蚀和化学潜蚀，机械潜蚀是指渗流的机械力将细土粒冲走而形成洞穴；化学潜蚀是水流溶解了土中易溶盐或胶结物使土变松散，细土粒被水冲走而形成洞穴，这两种作用往往是同时存在的。地基土的工程分类：岩石：岩石是指颗粒间牢固联结，呈整体或具有节理裂缝的岩体。碎石土：碎石土是指粒径大于2mmd颗粒含量超过全重50%的土，根据粒组含量及颗粒形状可分为漂石、块石、卵石、碎石、圆砾和角砾。砂土：砂土是指粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重50%，而粒径大于0.075mm的颗粒超过全重50%的土。粉土：粉土是指粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过全重50%，且塑性指数小于或等于10土。黏性土：是指塑性指数大于10 的土。人工填土：是指由于人类活动而堆填形成的各类土，其物理成分杂乱，均匀性较差。特殊土：是指具有一定分布区域或工程意义上具有特殊成分、状态和结构特征的土。 三、土中应力的计算在地表以下深度处自重应力：自重应力沿水平均匀分布，且与z成正比，即随深度呈线性增加。成层土的自重应力：在一般情况下，天然地基往往由成层土所组成，设各土层的厚度为，则深度z处土的自重应力可通过对各层土自重应力求和得到，即：式中n自天然地面至深度z处土的层数; h第i层土的厚度； 第i层土的天然重度，对地下水位以下的土层取有效重度，因为土受到水的浮力影响，其自重应力相应减小。绘土的自重应力步鄹： 建立坐标系； 确定特征点并编号，地面、层面、地下水位面、不透水层层面 计算各点的竖向自重应力 按比例绘出上述各点自重应力的位置基地压力的的简化计算方法：（1）中心荷载作用时作用于基底的荷载合理通过基底形心，基底压力假定为均匀分布，平均压力设计值p可按下式计算： 式中F基础顶面的竖向力值；G基础自重及其上回填土重之和，其中为基础及回填土之平均厚度，一般取20kN/,地下水位以下部分应扣除10 kN/的浮力；d基础埋深，一般从室外设计地面或室内外品均设计地面算起；A基底面积，矩形基础A=l*b,l和b分别为矩形基底的长度和宽度，对于条形基础，可沿长度方向取1m计算，则上式中F、G代表每延米内的相应值。（2）偏心荷载作用时短柱偏心受压公式：式中M-作用在基底形心上的力矩值，M=(F+G)e e-荷载偏心距 W-基础底面的抵抗矩，对矩形基础W= 。从式可知，按荷载偏心距e的大小，基地压力的分布可能出现三种情况： 当e0,基底压力呈梯形分布 当e=l/6时，=0，基底压力呈三角形分布 当el/6时，0,即产生拉应力： 基底附加压力：土的自重应力一般不引起地基变形，只有新增的建筑物荷载，即作用于地基表面的附加压力，才是使地基压缩变形的主要原因。一般基础都埋置于地面下一定深度，该处原有自重应力因基坑开挖而卸除。 式中基地处土的自重应力标准值，基底标高以上天然土层的加权平均重度，其中地下水位以下取有效重度；d基础埋置深度，必须从天然地面算起， 地基附加应力单个竖向集中力作用：多个集中力及不规则分布荷载作用四、 土的变形性质及地基沉降计算土在压力作用下体积缩小的特性称为土的压缩性。土是三相分散体系，地基土被压缩了，那就是：固体土颗粒被压缩；土中水及封闭气体被压缩；水和气体从孔隙中被挤出。压缩性指标：压缩系数：式中a土的压缩系数；一般指地基某深度处土中竖向自重应力地基某深度处自重应力与附加应力之和；相应于作用下压缩稳定后土的孔隙比相应于作用下压缩稳定后土的孔隙比压缩系数是评价地基土压缩性高低的重要指标之一。为了统一标准，在工程实践中，通常采用压力间隔由=100kPa增加到=200kPa是所得的压缩系数来土的压缩性高低，当： 时，为低压缩性土；时，为中压缩性土；时，为高压缩性土 压缩指数：压缩模量：压缩模量与压缩系数a成反比，愈大，a就愈小，土的压缩性愈低。也具有划分土压缩性高低的功能。一般认为，15Mpa时为低压缩性土；=415Mpa时属中压缩性土。 变形模量：地基最终沉降量计算分层总和法：（1）地基土是均质、各向同性的半无限线性体；（2）地基土在外荷载作用下，只产生竖向变形，侧向不发生膨胀变形；（3）采用基底中心点下的附加应力计算地基变形量计算步鄹：（1） 分层。从基础地面开始将地基土分为若干薄层，分层原则：厚度hi0.4b；天然土层分界处地下水位处（2） 计算基地压力p及基底附加压力po：中心荷载 偏心荷载 计算各分层面上土的自重应力和附加应力，并绘制分布曲线。确定沉降计算深度。按应力比法确定，即一般土 软土 计算各分层土的平均自重应力和平均附加应力，并设，按下列任一公式计算每一分层土的变形量： 据压缩系数a的定义及关系还有： 计算地基最终沉降量：饱和土的渗透固结也就是孔隙水压力逐渐消散和有效应力相应增长的过程。孔隙水压力u:作用在孔隙水中的压力有效应力：土粒承受和传递的压力，即粒间接触应力 太沙基一维固结理论：竖向固结系数：一维固结微分方程：竖向固结时间系数：固结度：地基固结过程中任意时刻的沉降量计算步鄹： 计算地基附近应力沿深度的分布； 计算地基最终沉降量； 计算土层的竖向固结系数和时间因数； 求解地基固结过程中某一时刻t的沉降量，或沉降量达某已知数值时所需时间；五、土的抗剪强度 土的抗剪强度是指土体抵抗剪切破坏的极限能力。库伦公式砂土抗剪强度的表达式： 土的抗剪强度作用在剪切面上的法向应力砂土的内摩擦角黏性土抗剪强度的表达式：C土的黏聚力莫尔-库仑强度理论法向应力剪应力莫尔应力圆（1） 莫尔应力圆与抗剪强度线相离，表明该点在任何平面上的剪应力均小于土所能发挥的抗剪强度，因而，该点未被剪破。（2） 莫尔应力圆与抗剪强度包线相切，说明在切点所代表的平面上，剪应力恰好等于土的抗剪强度，该店就处于极限平衡状态，莫尔应力圆亦称为极限应力圆。（3） 莫尔应力圆与抗剪强度包线相隔，早已破坏。最大主应力最小主应力破裂面与大主应力作用面的夹角三种标准试验方法：（1） 固结不排水剪CU（2） 不固结不排水剪UU（3） 固结排水剪CD应力路径：在应力坐标图中用应力点的移动轨迹来描述土体在加荷过程中的应力变化，这种应力点的轨迹就称为应力路径。六、土压力、地基承载力和土坡稳定挡土墙是防止土体坍塌的构筑物。挡土墙的结构形式可分为重力式、悬臂式和扶壁式等，通常用块石、砖、素混凝土及钢筋混凝土等材料建成。挡土墙的土压力是指挡土墙后填土因自重或外荷载作用对墙背产生的侧向压力。地基承载力是指地基单位面积上承受荷载的能力。挡土墙的位移方向和位移量是影响挡土墙土压力大小及其分布规律的最主要因素。土压力分为三种： 主动土压力：当挡土墙向离开土体方向偏移至墙后土体达到极限平衡状态时，作用在墙背上的土压力称为主动土压力，一般用Ea表示。 被动土压力：当挡土墙在外力作用下，向土体方向偏移至墙后土体达到极限平衡状态时，作用在墙背上的土压力称为被动土压力，一般用Ep表示. 静止土压力：当挡土墙静止不动，墙后土体处于弹性平衡状态时，作用在墙背上的土压力称为静止土压力，用Eo表示。填土表面下任意深度z处的静止土压力强度： 式中土的侧压力系数或静止土压力系数； 墙后填土的重度静止土压力沿墙高呈三角形分布，作用在墙上的静止土压力为： 式中h挡土墙墙高主动土压力朗金主动土压力强度：黏性土无黏性土临界深度取单位墙长计算，则黏性土主动土压力为：无黏性土主动土压力：被动土压力：被动土压力强度：黏性土：无黏性土：黏性土总被动土压力为：无黏性土被动其他几种情况下的土压力计算（1）填土表面有连续均布荷载