土力学-重点2013.ppt

土力学的特点 绪论 土及土力学有哪些特点 土工结构物或地基 土 强度问题变形问题渗透问题 强度特性变形特性渗透特性 土力学可以解决工程实践问题 这正是土力学存在的价值以及我们学习土力学的目的 学习土力学的目的 绪论 为什么要学习土力学 概念土力学是研究土体的一门力学 它是研究土体的应力 变形 强度 渗流及长期稳定性的一门学科 搬运与沉积 残积土无搬运运积土有搬运 风化所形成的土颗粒 受自然力的作用搬运到远近不同的地点所沉积的堆积物坡积土 土粒粗细不同 性质不均洪积土 有分选性 近粗远细冲积土 浑圆度分选性明显 土层交迭湖积土 含有机物淤泥 土性差海积土 颗粒细 表层松软 土性差风积土 颗粒均匀 层厚而不具层理冰积土 土粒粗细变化较大 性质不均匀 1 1土的形成 土的形成过程 土的特点散体性多相性自然变异性 1 1土的形成 影响 粒组含量用于土的分类定名 不均匀系数Cu用于判定土的不均匀程度 Cu 5为不均匀土 Cu 5为均匀土曲率系数Cc用于判定土的连续程度 Cc 1 3为级配连续土 Cc 3或Cc3或Cc 1为级配不良的土 粒径级配曲线和指标的应用 1 2土中固体颗粒 土体有三个组成部分 固相 液相和气相 小结 固体颗粒土中水土中气体 粒径级配矿物成分颗粒形状 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 1 3土中水和土中气 土的结构 土的结构 指土粒的原位集合体特征 是由土粒单元的大小 矿物成分 形状 相互排列及其联结关系等因素形成的综合特征 原状土和重塑土的强度不同 土的结构性 1 5土的结构和构造 微观结构 土的构造 在同一土层中的物质成分和颗粒大小等都相近的各部分之间的相互关系的特征 宏观结构 小结 土的三个组成相的体积和质量上的比例关系 定义 三相草图法 室内测定三个基本物理性质指标 土的密度土粒比重土的含水量 其它物理性质指标孔隙含量含水程度密度和容重 特点 指标概念简单 数量很多要点 名称 概念或定义 符号 表达式 单位或量纲 常见值或范围 联系与区别 密实程度干湿程度 2 2土的三相比例指标 塑性指数 定义 土处在可塑状态的含水量变化范围大体上表示土的弱结合水含量 反映吸附结合水的能力 即粘性大小大致反映粘土颗粒含量常作为细粒土工程分类的依据 2 3黏性土的物理特征 液性指数 IL 0坚硬 半固态 01流塑 液性指数 不同的粘土 含水量w相同 但wp wl大小不同 稠度可能不同 液性指数表示土的软硬状态 2 3黏性土的物理特征 冻胀原理 土发生冻胀一般是指土中水分向冻结区迁移和积聚的结果 当土层中温度降至负温时 土中的自由水首先在OoC时冻结成冰晶体 随着气温的继续下降 弱结合水的最外层也开始冻结 这样就使冰晶体周围土中的结合水膜减薄 土粒就产生剩余的分子引力 同时 结合水膜的减簿 使得水膜中的离子浓度增加 又加强了渗透压力 在这两种力的作用下 附近未冻结区水膜较厚处的结合水 被吸引到冻结区的水膜较薄处 一旦水分被吸引到冻结区后 水即被冻结 使冰晶体增大 而不平衡引力继续存在 若未冻结区存在着水源和水源补给通道 则末冻结区的水分就会不断地向冻结区迁移积聚 使冰晶体不断扩大 在土层中形成冰夹层 土体发生隆胀 即冻胀现象 这种冰晶体的不断增大 一直要到水源的补给断绝后才停止 2 6粘性土的胀缩性 湿陷性和冻胀性 土的冻胀性 建筑地基土的分类 2 7土的分类 粘性土 塑性指数Ip 10的土粉质粘土 1017的土 粉土 粒径大于0 075mm的颗粒含量小于全质量50 而塑性指数Ip 10的土 土体中的渗流 土是一种碎散的多孔介质 其孔隙在空间互相连通 当饱和土中的两点存在能量差时 水就在土的孔隙中从能量高的点向能量低的点流动 3 1概述 渗透渗透性渗流 液体从物质微孔中透过的现象称为渗透土体具有被液体透过的性质称为土的渗透性或透水性液体在土孔隙或其他透水性介质中的流动问题称为渗流 土的渗透性研究主要方面 3 1概述 渗流量问题 如基坑开挖或施工围堰时的渗水量及排水量计算 土堤坝身 坝基土中渗水量 水井的供水量或排水量等 渗透破坏问题 土中的渗流会对土颗粒施加作用力即渗流力 当渗流力过大时就会引起土颗粒或土体的移动 产生渗透变形 甚至渗透破坏 渗流控制问题 当渗流量或渗透变形不满足设计要求时 就要研究工程措施进行渗流控制 3 2土的渗透性 影响渗透系数的主要因素 土愈密实 k值愈小 试验资料表明 对于砂土 k值对数与土的e和Dr成线性关系 对于粘性土 孔隙比对k的影响更大 一般土粒愈粗 大小愈均匀 形状愈圆滑 K值也就愈大 粗粒土中含有细粒土时 随细粒含量的增加 k值急剧下降 一般情况下饱和度愈低 k值愈小 这是因为低饱和土的孔隙中存在较多气泡会减小过水断面积 细粒土在天然状态下具有复杂结构 结构一旦扰动 原有的过水通道的形状 大小及其分布就会全部改变 因而k值也就不同 扰动土样与击实土样的k值通常均比同一密度原状土样的k值为小 土的构造因素对k值的影响也很大 例如 在粘性土层中有很薄的砂土夹层的层理构造 会使土在水平方向的kh值比垂直方向的kv值大许多倍 试验表明 渗透系数k与水的重度及粘滞度有关 水温不同时 水的重度相差不多 而粘滞度变化较大 温度 水粘滞性 k 算例说明 与层向平行的平均渗透系数将取决于最透水土层的厚度和渗透性 而与层面垂直的平均渗透系数将取决于最不透水层的厚度和渗透性 成层土的等效渗透系数 3 2土的渗透性 流砂和流土现象 3 4渗透破坏与控制 渗流力流砂现象防治原则 在向上的渗流力作用下 粒间有效应力为零时 颗粒群发生悬浮 移动的现象称为流砂现象 或流土现象 单位体积土颗粒所受到的渗流作用力称为渗流力 1 减小或消除水头差 如采取基坑外的井点降水法降低地下水位 或采取水下挖掘 2 增长渗流路径 如打板桩 3 在向上渗流出口处地表用透水材料覆盖压重以平衡渗流力 4 土层加固处理 如冻结法 注浆法 自重应力和附加应力 地基基础进行沉降 变形 承载力与稳定性分析 必须掌握建筑前后土中应力的分布和变化情况 4 1概述 由于外荷载 如建筑荷载 交通荷载 堤坝荷载 以及地下水渗流 地震等作用下 在土中附加产生的应力增量 由土体重力引起的应力称为自重应力 自重应力附加应力 土中应力 两种应力由于产生的原因不同 因而分布规律和计算方法也不同 地下水位升降时的土中自重应力 4 2土中自重应力 例题4 4 4 4地基附加应力 均布条形荷载下地基附加应力的分布规律如下 1 z具有一定的扩散性 它不仅分布在基底范围内 而且分布在基底荷载面积以外相当大的范围之下 2 基底下任意深度水平面上的 z 在基底中轴线上最大 随距中轴线距离越远而越小 3 附加应力 z自基底起算 随深度呈曲线衰减 土在压力作用下体积缩小的特性称为土的压缩性 土的压缩通常由三部分组成 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 试验研究表明 固体颗粒和水的压缩量是微不足道的 在一般压力作用下 固体颗粒和水的压缩量与土的总压缩量之比完全可忽略不计 所以土的压缩可看作是土中水和气体从孔隙中被挤出 同时 土孔隙体积缩小 这时 土粒调整位置 重新排列 互相挤紧 土的压缩性 5 1概述 土的压缩变形的快慢与土的渗透性有关 在荷载作用下 透水性大的饱和无粘性土 其压缩过程短 建筑物施工完毕时 可认为其压缩变形已基本完成 而透水性小的饱和粘性土 其压缩过程所需时间长 十几年 甚至几十年压缩变形才稳定 土的固结 饱和土在压力作用下随土中水体积减少的全过程 称为土的固结 研究土的压缩性大小及其特征的室内试验方法称为压缩试验 室内试验简单方便 费用较低 了解地基土变形状况的现场测试 称为原位试验 土的固结 5 1概述 压缩系数a1 2常用作比较土的压缩性大小 压缩系数 e p e p kPa 5 2固结试验及压缩性指标 土的压缩系数和压缩指数 沉积土层的应力历史 先期固结压力 土层历史上所经受到的最大压力Pc pc p1 正常固结土pc p1 超固结土pc p1 欠固结土 如土层当前承受的自重压力为p1 5 3应力历史对地基沉降的影响 OCR 1 正常固结OCR 1 超固结OCR 1 欠固结 超固结比 相同p1时 一般OCR越大 土越密实 压缩性越小 5 4土的变形模量 浅层平板载荷试验 加荷等级观测标准终止加载试验结果 承载板周围的土明显侧向挤出 砂土 或发生裂纹 粘性土和粉土 沉降s急骤增大 荷载 沉降 p s 曲线出现陡降段 在某一荷载下 24小时内沉降速率不能达到稳定标准 沉降s 0 06b b为承载板宽度或直径 静载荷试验 板面积 0 25 0 5 软土 单向压缩基本公式分层总和法 将地基土在地基压缩层深度范围内划分为若干分层 计算各分层的压缩量 然后求其总和 不考虑侧向变形 侧限条件适用于可压缩土层位于两层坚硬密实土之间或在大面积荷载作用下 地基压缩层深度 地基变形计算深度 自基础底面向下需要计算压缩变形所达到的深度 地基最终沉降量分层总和法 6 3基础最终沉降量 上式说明 饱和土中的总应力为有效应力和孔隙水压力之和 土的变形及强度性状与有效应力密切相关 只有通过颗粒接触点传递的应力 才能引起土的变形和影响土的强度 孔隙水压力对各个方向作用是相等的 因此它只能使土颗粒产生压缩 而土颗粒本身的压缩量是很微小的 在土力学中均可不考虑 上式所表达的概念通常被称为有效应力原理 这是土力学有别于其它力学 如固体力学 的重要原理之一 有效应力原理 6 4地基变形与时间的关系 6 4地基变形与时间的关系 土中水渗流时的土中有效应力 有效应力原理 6 4地基变形与时间的关系 水自上向下渗流时 有效应力原理 6 4地基变形与时间的关系 水自下向上渗流时 有效应力原理 饱和土的渗透固结 饱和土在附加应力作用下 孔隙中相应的一些自由水将随时间而逐渐被排出 同时孔隙体积也随着缩小 这个过程称为 饱和土的固结包括渗透固结 主固结 和次固结渗透固结 由土孔隙中自由水的排出速度决定 次固结 由土骨架的蠕变速度决定 饱和土固结时的土中有效应力 6 4地基变形与时间的关系 库仑公式及抗剪强度指标 库仑公式 1776 土的内摩擦角C 粘聚力 7 2土的抗剪强度理论 抗剪强度指标 土粒表面的粗糙度土的密实度颗粒级配等 影响土的摩擦强度的主要因素 7 2土的抗剪强度理论 摩 擦 阻力 按有效应力原理 剪应力只能由土的骨架承担即抗剪强度只与有效应力有关 故 有效应力法 有效应力 有效粘聚力 有效内摩擦角总应力法 库伦公式 方便 工程应用一般 有效应力 有效内摩擦角 有效粘聚力 库仑公式及抗剪强度指标 7 2土的抗剪强度理论 土的极限平衡条件 处于极限平衡状态时 1和 3之间应满足的关系 无粘性土 7 2土的抗剪强度理论 莫尔 库伦强度理论及极限平衡条件 剪切破坏面的位置 2 90 45 2 如地基某点上的应力由小不断增大 趋向临界状态 试问 是否在剪应力最大的平面最先发生破坏 与大主应力面夹角 7 2土的抗剪强度理论 直剪试验的优缺点 优点 构造简单 操作方便缺点 剪切面限定 不是最薄弱面 剪切面上剪应力不均匀 剪切面逐渐缩小 计算按原截面 无法严格控制排水条件 7 3土的抗剪强度试验 7 3土的抗剪强度试验 三轴压缩试验 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 土压力的大小及分布规律受墙体可能的位移方向 墙背填土的种类 填土面形式 墙的截面刚度和地基的变形等一系列因素的影响按墙的位移情况和墙后土体所处的应力状态 土压力分三种 主动土压力 当挡土墙向离开土体方向偏移至土体达到极限状态时 作用在墙上的土压力 Ea 被动土压力 当挡土墙向土体方向偏移至土体达到极限状态时 作用在墙上的土压力 Ep 静止土压力 当挡土墙静止不动 土体处于弹性平衡状态时 土对墙的压力 Eo 8 2挡土墙侧的土压力 基本概念 目的 是为了掌握地基的承载规律 发挥地基的承载能力 合理确定地基承载力 确保地基不致因荷载作用而发生剪切破坏 产生变形过大而影响建筑物或土工建筑物的正常使用 要求 为此 地基基础设计一般都限制基底压力最大不超过地基容许承载力或地基承载力特征值 设计值 9 1概述 研究地基承载力的目的和基本要求 整体剪切破坏 1 整体剪切破坏是一种在基础荷载作用下地基发生连续剪切滑动面的地基破坏模式 2 它的破坏特征 地基在荷载作用下产生近似线弹性 p s曲线的首段呈线性 变形 当荷载达到一定数值时 在基础的边缘以下土体首先发生剪切破坏 随着荷载的继续增加 剪切破坏区也逐渐扩大 p s曲线由线性开始弯曲 3 当剪切破坏区在地基中形成一片 成为连续的滑动面时 基础就会急剧下沉并向一侧倾斜 倾倒 基础两侧的地面向上隆起 地基发生整体剪切破坏 地基基础失去了继续承载能力 4 描述这种破坏模式的典型的荷载 沉降曲线具有明显的转折点 破坏前建筑物一般不会发生过大的沉降 它是一种典型的土体强度破坏 破坏有一定的突然性 5 整体剪切破坏一般在密砂和坚硬的粘土中最有可能发生 9 2浅基础的地基破坏模式 浅基础的地基破坏模式 局部剪切破坏 1 局部剪切是一种在基础荷载作用下地基某一范围内发生剪切破坏区的地基破坏型式 2 其破坏特征是 在荷载作用下 地基在基础边缘以下开始发生剪切破坏之后 随着荷载的继续增大 地基变形增大 剪切破坏区继续扩大 基础两侧土体有部分隆起 但剪切破坏面没有发展到地面 基础没有明显的倾斜和倒塌 3 基础由于产生过大的沉降而丧失继续承载能力 4 描述这种破坏模式的p s曲线 一般没有明显的转折点 其直线段范围较小 是一种以变形为主要特征的破坏模式 9 2浅基础的地基破坏模式 浅基础的地基破坏模式 冲切剪切破坏 1 冲切剪切破坏是一种在荷载作用下地基土体发生垂直剪切破坏 使基础产生较大沉降