土力学基础（全套课件120p）

土力学基础 上海隧道工程股份有限公司教培中心2015年9月 绪论 土力学研究对象土 连续 坚固的岩石在风化作用下形成的大小悬殊的颗粒 经过不同的搬运方式 在各种自然环境中生成的沉积物 岩石经历风化 剥蚀 搬运 沉积生成土 土是由颗粒 固相 水 液相 和气 气相 所组成的三相体系 土力学研究内容土的工程地质性质及其测试方法 土的工程分类 土的强度 变形及荷载作用下的稳定计算等 土力学在工程中运用 第一章土的物理性质及工程分类 1 1土的组成与土的结构构造 1 2土的三相比例指标 1 3土的物理状态指标 1 4土 岩 的工程分类 1 1土的组成 一 土的固相 P10 土粒的大小和形状 矿物成分及其组成情况对土的物理力学性质有明显影响 1 土的颗粒级配 工程上将各种不同的土粒按其粒径范围 划分为若干粒组 为了表示土粒的大小及组成情况 通常以土中各个粒组的相对含量 即各粒组占土粒总量的百分数 来表示 称为土的颗粒级配 P11 试验方法 筛分法 适用于0 075mm d 60mm 比重计法 适用于d 0 075mm 筛分法 用一套孔径不同的筛子 按从上至下筛孔逐渐减小放置 将事先称过质量的烘干土样过筛 称出留在各筛上的土质量 然后计算其占总土粒质量的百分数 利用不同大小的土粒在水中的沉降速度不同来确定小于某粒径的土粒含量 比重计法 颗粒级配曲线 P11 纵坐标表示小于某粒径的土粒含量百分比 横坐标表示土粒的粒径 对数坐标 颗粒级配的描述 曲线较陡 则表示土颗粒粒径大小相差不多 土粒较均匀 即级配较差 曲线平缓 则表示土颗粒粒径大小相差悬殊 土粒不均匀 即级配良好 曲线的坡度可以大致判断土的均匀程度 颗粒级配可以在一定程度上反映土的某些性质 对于级配良好的土 土的密实度较好 响应的地基土的强度和稳定性也较好 透水性和压缩性也较小 2 土粒的矿物成分 P12 矿物成分取决于母岩的矿物成分和风化作用 原生矿物 由岩石经过物理风化形成 其矿物成分与母岩相同 次生矿物 岩石经化学风化后所形成的新的矿物 其成分与母岩不相同 例 石英 云母 长石等 特征 矿物成分的性质较稳定 由其组成的土具有无粘性 透水性较大 压缩性较低的特点 例 粘土矿物有高岭石 伊利石 蒙脱石等 特征 性质较不稳定 具有较强的亲水性 遇水易膨胀的特点 亲水性 高岭石 伊利石 蒙脱石 二 土中的水 P13 土中水的含量明显地影响土的性质 尤其是粘性土 土中水除了一部分以结晶水的形式吸附于固体颗粒的晶格内部外 还存在结合水和自由水 1 结合水 强结合水 紧靠于颗粒表面 所受电场的作用力很大 几乎完全固定排列 丧失液体的特性而接近于固体 弱结合水 紧靠强结合水的外围形成的结合水膜 所受的电场作用力随着与颗粒距离增大而减弱 2 自由水 存在于土粒电场影响范围以外 性质和普通水无异 能传递水压力 冰点为0 有溶解能力 以两种形式存在 毛细水 重力水 三 土中气体 P15 土中气体存在于土孔隙中未被水占据的部分 分为与大气连通的非封闭气体和与大气不连通的封闭气体 1 非封闭气体 受外荷作用时被挤出土体外 对土的性质影响不大 2 封闭气体 受外荷作用 不能逸出 被压缩或溶解于水中 压力减小时能有所复原 对土的性质有较大的影响 使土的渗透性减小 弹性增大和延长土体受力后变形达到稳定的历时 四 土的结构 P16 由土粒单元的大小 形状 相互排列及联结关系等因素组成的综合特征 1 单粒结构 粗矿物颗粒在水或空气中在自重作用下沉落形成的单粒结构 其特点是土粒间存在点与点的接触 根据形成条件不同 可分为疏松状态和密实状态 密实状单粒结构的土 强度较大 压缩性较小 是较为良好的天然地基 2 蜂窝结构 颗粒间点与点接触 由于彼此之间引力大于重力 接触后 不再继续下沉 形成链环单位 很多链环联结起来 形成孔隙较大的蜂窝状结构 3 絮状结构 细微粘粒大都呈针状或片状 质量极轻 在水中处于悬浮状态 当悬液介质发生变化时 土粒表面的弱结合水厚度减薄 粘粒互相接近 凝聚成絮状物下沉 形成孔隙较大的絮状结构 五 土的构造 P16 指土体中各结构单元之间的关系 主要特征是土的成层性和裂隙性 即层理构造和裂隙构造 二者都造成了土的不均匀性 1 层理构造 土粒在沉积过程中 由于不同阶段沉积的物质成分 颗粒大小或颜色不同 而沿竖向呈现出成层特征 2 裂隙构造 土体被许多不连续的小裂隙所分割 在裂隙中常充填有各种盐类的沉淀物 裂隙的存在大大降低了土体的强度和稳定性 增大透水性 对工程不利 1 2土的三相比例指标 一 土的三相图 P17 质量m 体积V 二 直接测定指标 1 土的密度 单位体积土的质量 工程中常用重度 来表示单位体积土的重力 重力加速度 近似取10m s2 2 土粒相对密度Gs 土粒比重 土粒质量与同体积的4 时纯水的质量之比 土粒相对密度变化范围不大 细粒土 粘性土 一般2 70 2 75 砂土一般为2 65左右 土中有机质含量增加 土粒相对密度减小 3 土的含水量 P18 土中水的质量与土粒质量之比 以百分数表示 土的含水量是标志土含水程度的一个重要物理指标 天然土层含水量变化范围较大 与土的种类 埋藏条件及其所处的自然地理环境等有关 指标测定方法 土的密度 环刀法土粒比重 比重瓶法土的含水量 烘干法 1 不同状态下土的密度和重度 饱和密度 sat 土体中孔隙完全被水充满时的土的密度 P18 干密度 d 单位体积中固体颗粒部分的质量 有效密度 土单位体积内土粒质量与同体积水的质量之差 土的三相比例指标中的质量密度指标共有4个 土的密度 饱和密度 sat 干密度 d 有效密度 kg m3 相应的重度指标也有4个 土的重度 饱和重度 sat 干重度 d 有效重度 kN m3 三 换算指标 三 换算指标 2 孔隙比e和孔隙率n P19 孔隙比e 土中孔隙体积与土粒体积之比 3 土的饱和度Sr 土中孔隙水的体积与孔隙总体积之比 以百分数表示 饱和度描述土中孔隙被水充满的程度 干土Sr 0 饱和土Sr 100 砂土根据饱和度分为三种状态 孔隙率n 土中孔隙体积与总体积之比 以百分数表示 Sr 50 稍湿 50 Sr 80 很湿 Sr 80 饱和 孔隙比可以评价天然土层的密实程度 四 指标间的换算 P19 质量m 体积V 土的三相指标中 土粒比重Gs 含水量 和密度 是通过试验测定的 可以根据三个基本指标换算出其余各指标 推导 换算关系式 1 3土的物理状态指标 一 无粘性土的密实度 P22 无粘性土的密实度与其工程性质有着密切关系 呈密实状态时 强度较大 可作为良好的天然地基 呈松散状态时 则是不良地基 1 孔隙比e 孔隙比e可以用来表示砂土的密实度 对于同一种土 当孔隙比小于某一限度时 处于密实状态 孔隙比愈大 土愈松散 2 相对密实度Dr 当Dr 0时 e emax 表示土处于最疏松状态 当Dr 1 0时 e emin 表示土体处于最密实状态 3 按动力触探确定无粘性土的密实度 Dr 1 3 疏松状态 1 3 Dr 2 3 中密状态 2 3 Dr 1 密实状态 天然砂土的密实度 可按原位标准贯入试验的锤击数N进行评定 天然碎石土的密实度 可按原位重型圆锥动力触探的锤击数N63 5进行评定 GB50007 2002 二 粘性土的物理特征 1 粘性土的界限含水量 P23 同一种粘性土随其含水量的不同 分别处于固态 半固态 可塑状态及流动状态 0 固态或半固态 可塑状态 流动状态 塑限 P 液限 L 粘性土由某一种状态过渡到另一状态的界限含水量称为土的界限含水量 塑限 P 土由半固状态转到可塑状态的界限含水量 液限 L 土由可塑状态转到流动状态的界限含水量 2 粘性土的塑性指数和液性指数 P25 塑性指数IP是液限和塑限的差值 省去 即土处在可塑状态的含水量变化范围 说明 塑性指数的大小取决于土颗粒吸附结合水的能力 即与土中粘粒含量有关 粘粒含量越多 塑性指数就越高 说明 液性指数表征土的天然含水量与界限含水量间的相对关系 当IL 0时 P 土处于坚硬状态 当IL 1时 L 土处于流动状态 根据IL值可以直接判定土的软硬状态 液性指数IL是粘性土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比 1 4土 岩 的工程分类 一 分类的目的和原则 土的分类体系就是根据土的工程性质差异将土划分成一定的类别 目的在于通过通用的鉴别标准 便于在不同土类间作有价值的比较 评价 积累以及学术与经验的交流 分类原则 1 分类要简明 既要能综合反映土的主要工程性质 又要测定方法简单 使用方便 2 土的分类体系所采用的指标要在一定程度上反映不同类工程用土的不同特性 二 分类体系与方法 分类体系 1 建筑工程系统分类体系 2 工程材料系统分类体系 侧重把土作为建筑地基和环境 研究对象为原状土 例如 建筑地基基础设计规范 GB50007 2002 地基土分类方法 侧重把土作为建筑材料 用于路堤 土坝和填土地基工程 研究对象为扰动土 例如 土的分类标准 GBJ145 90 工程用土的分类和 公路土工试验规程 JTJ051 93 土的工程分类 分类方法 1 建筑地基基础设计规范 GB50007 2002 根据土粒大小 粒组的土粒含量或土的塑性指数把地基土 岩 分为岩石 碎石土 砂土 粉土和粘性土五大类 a 岩石的分类 P27 颗粒间牢固粘结 呈整体或具有节理 裂隙的岩体称为岩石 坚硬程度可根据岩块的饱和单轴抗压强度frk分类 b 碎石土的分类 粒径大于2mm的颗粒含量超过全重50 的土称为碎石土 c 砂土的分类 P28 粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重50 的土 且粒径大于0 075mm的颗粒含量超过全重50 的土称为砂土 d 粉土的分类 P28 粒径大于0 075mm的颗粒含量不超过全重50 塑性指数IP 10的土称为粉土 e 粘性土的分类 P29 粒径大于0 075mm的颗粒含量不超过全重50 塑性指数IP 10的土称为粘性土 粘性土根据塑性指数细分 f 人工填土 P30 由于人类活动而形成的堆积物称为人工填土 物质成分较杂乱 均匀性较差 根据其物质组成和成因 可分为素填土 压实填土 杂填土和冲填土 2 土的分类标准 GBJ145 90 根据各粒组的相对含量把土分为巨粒土 含巨粒土 粗粒土和细粒土四大类 a 巨粒土和含巨粒土的分类 巨粒土和含巨粒土按土中粒径大于60mm的巨粒含量区分 若土中巨粒含量多于50 属于巨粒土 若土中巨粒含量在15 50 之间 属于含巨粒土 b 粗粒土的分类 巨粒含量少于15 剔除巨粒后 若土中粒径大于0 075mm的粗粒含量多于余土的50 属于粗粒土 粗粒土分为砾类土和砂类土两类 c 细粒土的分类 土中粒径小于0 075mm的细粒含量多于或等于50 且粗粒含量少于25 的土属于细粒土 细粒土按塑性图进行细分 第二章土的渗透性和渗流问题 2 1概述 2 2土的渗透性 2 3流网及其工程应用 2 4渗透力和渗透变形 学习要点 了解水在土体中的渗透性及渗透规律 以及渗透力 渗透变形等 重点掌握渗透定律的内容与适用范围 孔隙水 在水头差作用下 渗透 水透过土体孔隙的现象 渗透性 土允许水透过的性能称为土的渗透性 造成水量损失 引起土体内部应力状态的变化 从而改变水土建筑物或地基的稳定条件 甚者还会酿成破坏事故 2 1概述 不同的土具有不同的透水能力 主要由土的颗粒级配和孔隙比等决定 P35 土石坝 防渗斜墙及铺盖 浸润线 透水层 不透水层 土石坝坝基坝身渗流 2 1概述 透水层 不透水层 基坑 板桩墙 板桩围护下的基坑渗流 2 1概述 透水层 不透水层 天然水面 水井渗流 漏斗状潜水面 Q 2 1概述 原地下水位 渗流时地下水位 渠道渗流 2 1概述 Teton坝 概况 土坝 高90m 长1000m 建于1972 75年 1976年6月失事 损失 直接8000万美元 起诉5500起 2 5亿美元 死14人 受灾2 5万人 60万亩土地 32公里铁路 原因 渗透破坏 水力劈裂 2 1概述 一 达西渗透定律 P37 1856年法国学者达西对砂土的渗透性进行研究 结论 水在土中的渗透速度与试样的水力梯度成正比 水力梯度 即沿渗流方向单位距离的水头损失 2 2土的渗透性 二 达西定律适用范围 P37 达西定律 砂土的渗透速度与水力梯度呈线性关系 密实的粘土 需要克服结合水的粘滞阻力后才能发生渗透 同时渗透系数与水力坡降的规律还偏离达西定律而呈非线性关系 v ki 2 2土的渗透性 三 渗透系数及其确定方法 P38 渗透试验 室内 时间t内流出的水量 1 常水头试验 整个试验过程中水头保持不变适用于透水性大 k 10 3cm s 的土 例如砂土 2 2土的渗透性 分离变量积分 2 变水头试验 整个试验过程水头随时间变化 任一时刻t的水头差为h 经时段dt后 细玻璃管中水位降落dh 在时段dt内流经试样的水量 dV adh 在时段dt内流经试样的水量 dV kiAdt kAh Ldt 管内减少水量 流经试样水量 adh kAh Ldt 适用于透水性差 渗透系数小的粘性土 2 2土的渗透性 现场测定法 P39 经验估算法 P40 四 影响渗透系数的因素 1 土粒大小与级配 细粒含量愈多 土的渗透性愈小 例如砂土中粉粒及粘粒含量愈多时 砂土的渗透系数就会大大减小 2 土的密实度 3 水的动力粘滞系数 同种土在不同的密实状态下具有不同的渗透系数 土的密实度增大 孔隙比降低 土的渗透性也减小 动力粘滞系数随水温发生明显的变化 水温愈高 水的动力粘滞系数愈小 土的渗透系数则愈大 4 土中封闭气体含量 土中封闭气体阻塞渗流通道 使土的渗透系数降低 封闭气体含量愈多 土的渗透性愈小 T 20分别为T 和20 时水的动力粘滞系数 可查表 2 2土的渗透性 流网 渗流场中的两簇相互正交曲线 等势线和流线所形成的网络状曲线簇 P42 流线 水质点运动的轨迹线 等势线 测管水头相同的点之连线 流网法 通过绘制流线与势线的网络状曲线簇来求解渗流问题 2 3流网及其工程应用 1 流网是相互正交的网格 2 流网为曲边正方形 3 任意两相邻等势线间的水头损失相等 4 任意两相邻流线间的单位渗流量相等 2 3流网及其工程应用 各向同性土的流网性质 P42 测管水头h 实际应用 确定孔压 确定流速 确定流量 水力坡降 M 流道数 2 3流网及其工程应用 h 0静水中 土骨架会受到浮力作用 h 0水在流动时 水流受到来自土骨架的阻力 同时流动的孔隙水对土骨架产生一个摩擦 拖曳力 渗透力j 渗透作用中 孔隙水对土骨架的作用力 方向与渗流方向一致 渗透变形 渗透力 h1 h h2 0 0 hw L 滤网 贮水器 a b 一 渗透力 P46 2 3渗透力和渗透变形 渗透力具有以下特征 1 渗透力是一种体积力 量纲为KN m3 2 渗透力与水力坡降成正比j i 3 渗透力方向与渗流方向一致 当渗流场中各个网格的水力坡降ii求得后 应用式j i可确定单位渗透力ji i 网格总的渗透力Ji jiaili 其方向与流向一致 整个流场的总渗透力矢量J即为各网格渗透力的矢量和 一 渗流力 2 3渗透力和渗透变形 基本类型 流土 管涌 土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏 形成条件 防治措施 二 渗透变形 P47 2 3渗透力和渗透变形 二 渗透变形 流土 在向上的渗透作用下 表层局部土体颗粒同时发生悬浮移动的现象 渗流 原因 2 3渗透力和渗透变形 1 基本类型 P48 管涌 原因 内因 有足够多的粗颗粒形成大于细粒直径的孔隙 外因 渗透力足够大 在渗流作用下 一定级配的无粘性土中的细小颗粒 通过较大颗粒所形成的孔隙发生移动 最终在土中形成与地表贯通的管道 二 渗透变形 2 3渗透力和渗透变形 P48 流土与管涌的比较 流土 土体局部范围的颗粒同时发生移动 管涌 只发生在水流渗出的表层 只要渗透力足够大 可发生在任何土中 破坏过程短 导致下游坡面产生局部滑动等 现象 位置 土类 历时 后果 土体内细颗粒通过粗粒形成的孔隙通道移动 可发生于土体内部和渗流溢出处 一般发生在特定级配的无粘性土或分散性粘土 破坏过程相对较长 导致结构发生塌陷或溃口 2 3渗透力和渗透变形 二 渗透变形 2 形成条件 K 安全系数2 0 2 5 i 允许坡降 i icr i icr i icr 土体处于稳定状态 土体发生流土破坏 土体处于临界状态 流土 经验判断 2 3渗透力和渗透变形 二 渗透变形 较均匀土 Cu 10 2 形成条件 管涌 几何条件 水力条件 一般发生在无粘性土中 级配 孔隙及细粒 判定 非管涌土 粗颗粒形成的孔隙小于细颗粒 不均匀土 Cu 10 不连续 连续 d0 0 25d20 细粒含量 35 细粒含量 25 细粒含量 25 35 d0 d3 d0 d5 d0 d3 d5 管涌土 过渡型土 非管涌土 非管涌土 管涌土 过渡型土 几何条件 骨架 充填料 P 5 3 d5 d3 2 3渗透力和渗透变形 二 渗透变形 水力条件 i icr 510152025303540 2 01 51 00 50 icr Cu 流土 过渡 管涌 2 形成条件 Cu 20时 icr 0 25 0 30 i 0 10 0 15 前苏联 中国 2 3渗透力和渗透变形 二 渗透变形 1 渗流工程问题 1 地下水的浮托作用 地下水不仅对水位以下的土体产生静水压力和浮托力 并对建筑物基础产生浮托力 2 地下水的潜蚀作用 在施工降水等活动过程中产生水头差 在渗透力作用下 土颗粒受到冲刷 将细颗粒冲走 破坏土的结构 通常产生于粉细砂 粉土地层中 3 流砂 流砂在工程施工中能造成大量的土体流动 使地表塌陷或建筑物的地基破坏 给施工带来很大的困难 影响建筑工程的稳定 通常易在粉细砂和粉土地层中产生 在地下水位以下的基坑开挖 埋设地下管道 打井等工程活动中常出现 2 3渗透力和渗透变形 三 渗流工程问题与处理措施 1 渗流工程问题 4 基坑突涌 当基坑下部有承压水层时 开挖基坑减小了底板隔水层的厚度 当隔水层较薄经受不住承压水头压力 承压水头压力就会冲毁基坑底板 这种现象称为基坑突涌 2 3渗透力和渗透变形 三 渗流工程问题与处理措施 2 防渗处理措施 1 水工建筑物渗流处理措施 水工建筑物的防渗工程措施一般以 上堵下疏 为原则 上游截渗 延长渗径 下游通畅渗透水流 减小渗透压力 防止渗透变形 垂直截渗 主要目的 延长渗径 降低上 下游的水力坡度 若垂直截渗能完全截断透水层 防渗效果更好 垂直截渗墙 帷幕灌浆 板桩等均属于垂直截渗 2 3渗透力和渗透变形 三 渗流工程问题与处理措施 2 防渗处理措施 设置水平铺盖 上游设置水平铺盖 与坝体防渗体连接 延长了水流渗透路径 设置反滤层 设置反滤层 既可通畅水流 又起到保护土体 防止细粒流失而产生渗透变形的作用 反滤层可由粒径不等的无粘性土组成 也可由土工布代替 上图为某河堤基础加筋土工布反滤层 2 防渗处理措施 排水减压 为减小下游渗透压力 在水工建筑物下游 基坑开挖时 设置减压井或深挖排水槽 2 防渗处理措施 2 基坑开挖防渗措施 工程降水 采用明沟排水和井点降水的方法人工降低地下水位 在基坑内 外 设置排水沟 集水井 用抽水设备将地下水从排水沟或集水井排出 要求地下水位降得较深 采用井点降水 在基坑周围布置一排至几排井点 从井中抽水降低水位 2 防渗处理措施 设置板桩 沿坑壁打入板桩 它一方面可以加固坑壁 同时增加了地下水的渗流路径 减小水力坡降 水下挖掘 在基坑或沉井中用机械在水下挖掘 避免因排水而造成流砂的水头差 为了增加砂的稳定性 也可向基坑中注水 并同时进行挖掘 强度问题 变形问题 地基中的应力状态 应力应变关系 应力状态及应力应变关系 自重应力 附加应力 基底压力计算 有效应力原理 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 3 1概述 第三章土中应力分布及计算 一 应力 应变关系的假定 P52 1 关于连续介质问题弹性理论要求 受力体是连续介质 而土是由三相物质组成的碎散颗粒集合体 不是连续介质 2 关于线弹性体问题理想弹性体的应力与应变成正比直线关系 且应力卸除后变形可以完全恢复 3 关于均质 等向问题理想弹性体应是均质的各向同性体 而天然地基往往是由成层土组成 为非均质各向异性体 为此进行假设 天然地基作为均质的各向同性体 3 1概述 土体中任意深度处的竖向自重应力等于单位面积上土柱的有效重量 3 2地基中的自重应力计算 一 竖向自重应力 P54 注意 若计算点在地下水位以下 由于水对土体有浮力作用 则水下部分土柱的有效重量应采用土的有效重度或饱和重度计算 1 当位于地下水位以下的土为砂土时 土中水为自由水 计算时用有效重度 2 当位于地下水位以下的土为坚硬粘土时 在饱和坚硬粘土中只含有结合水 计算自重应力时应采用饱和重度 3 水下粘土 当IL 1时 用有效重度 4 如果是介乎砂土和坚硬粘土之间的土 则要按具体情况分析选用适当的重度 3 2地基中的自重应力计算 一 竖向自重应力 说明 1 地下水位以上土层采用天然重度 地下水位以下土层采用浮重度2 非均质土中自重应力沿深度呈折线分布 1h1 1h1 2h2 1h1 2h2 3h3 3 2地基中的自重应力计算 二 成层土的自重应力计算 P54 实例分析 某土层物理力学性质指标如下图 试计算下述两种情况下土的有效应力 1 没有地下水 2 地下水在天然地面下1m位置 作出应力分布图 解 1 没有地下水 解 2 地下水在天然地面下1m位置 计算下图示水下地基土中的自重应力分布 P55 静止侧压力系数 3 2地基中的自重应力计算 三 水平向自重应力 条形基底受水平均布荷载作用时的附加应力 条形基底受竖直均布荷载作用时的附加应力 条形基底受竖直三角形分布荷载作用时的附加应力 竖直线荷载作用下的附加应力 矩形基底受水平均布荷载作用时角点下的竖向附加应力 矩形基底受竖直三角形分布荷载作用时角点以下的竖向附加应力 矩形基底受竖直均布荷载作用时角点下的竖向附加应力 竖直集中力作用下的附加应力 空间问题条件下的附加应力 平面问题条件下的附加应力 附加应力 3 3地基中的附加应力 基底压力 建筑物上部结构荷载和基础自重通过基础传递给地基 作用于基础底面传至地基的单位面积压力 P56 基底压力是局部压力 它构成土中的附加应力 基底压力对土中应力分布的影响只在一定深度范围内 3 4基底压力计算 影响基底压力的因素 基础的形状 大小 刚度 埋置深度 基础上作用荷载的性质 中心 偏心 倾斜等 及大小 地基土性质 3 4基底压力计算 基底地基反力的分布主要取决于基础的刚度和地基的变形条件 基础分为 柔性基础 P56 刚性基础 P56 概述 土的压缩性 地基沉降量计算 饱和土体渗流固结理论 第四章土的压缩性和地基沉降计算 土具有压缩性 荷载作用 地基发生沉降 荷载大小 土的压缩特性 地基厚度 一致沉降 沉降量 差异沉降 沉降差 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 土的特点 碎散 三相 沉降具有时间效应 沉降速率 4 1概述 地基土产生压缩的原因 外因 1 建筑物荷载作用 这是普遍存在的因素 2 地下水位大幅度下降 相当于施加大面积荷载 3 施工影响 基槽持力层土的结构扰动 4 振动影响 产生震沉 5 温度变化影响 如冬季冰冻 春季融化 6 浸水下沉 如黄土湿陷 填土下沉 内因 1 固相矿物本身压缩 极小 物理学上有意义 对建筑工程来说没有意义的 2 土中液相水的压缩 在一般建筑工程荷载 100 600 Kpa作用下 很小 可不计 3 土中孔隙的压缩 土中水与气体受压后从孔隙中挤出 使土的孔隙减小 4 1概述 土的压缩性是指土在压力作用下体积缩小的特性 压缩量的组成固体颗粒的压缩土中水的压缩空气的排出水的排出 占总压缩量的1 400不到 忽略不计 压缩量主要组成部分 说明 土的压缩被认为只是由于孔隙体积减小的结果 透水性好 水易于排出 压缩稳定很快完成 透水性差 水不易排出 压缩稳定需要很长一段时间 土的固结 土体在压力作用下 压缩量随时间增长的过程 4 2土的压缩性 固结试验 P80 研究土的压缩性大小及其特征的室内试验方法 亦称固结试验 三联固结仪 4 2土的压缩性 注意 土样在竖直压力作用下 由于环刀和刚性护环的限制 只产生竖向压缩 不产生侧向变形 压缩仪示意图 P80 4 2土的压缩性 压缩性 2 e p曲线 P81 研究土在不同压力作用下 孔隙比变化规律 Vv e0 Vs 1 Vv e Vs 1 土样在压缩前后变形量为s 整个过程中土粒体积和底面积不变 土粒高度在受压前后不变 整理 其中 根据不同压力p作用下 达到稳定的孔隙比e 绘制e p曲线 为压缩曲线 压缩性 e0 p e e p曲线 二 压缩性指标 压缩性不同的土 曲线形状不同 曲线愈陡 说明在相同压力增量作用下 土的孔隙比减少得愈显著 土的压缩性愈高 根据压缩曲线可以得到三个压缩性指标 1 压缩系数a2 压缩模量Es3 变形模量E0 曲线A压缩性 曲线B压缩性 压缩性 1 压缩系数a 土体在侧限条件下孔隙比减少量与竖向压应力增量的比值 p1 p2 e1 e2 M1 M2 e0 e p曲线 p e 利用单位压力增量所引起得孔隙比改变表征土的压缩性高低 在压缩曲线中 实际采用割线斜率表示土的压缩性 规范 用p1 100kPa p2 200kPa对应的压缩系数a1 2评价土的压缩性 P82 a1 2 0 1MPa 1低压缩性土0 1MPa 1 a1 2 0 5MPa 1中压缩性土a1 2 0 5MPa 1高压缩性土 压缩性 2 压缩模量Es 土在侧限条件下竖向压应力与竖向总应变的比值 或称为侧限模量 说明 土的压缩模量Es与土的的压缩系数a成反比 Es愈大 a愈小 土的压缩性愈低 3 变形模量E0 土在无侧限条件下竖向压应力与竖向总应变的比值 变形模量与压缩模量之间关系 其中 土的泊松比 一般0 0 5之间 土的应力历史 土体在历史上曾经受到过的应力状态 先期固结压力pc 土在其生成历史中曾受过的最大有效固结压力 4 3土的应力历史对土的压缩性的影响 s z 自重压力 P84 p s 正常固结土 p s 超固结土 p s 欠固结土 OCR 1 正常固结OCR 1 超固结OCR 1 欠固结 相同 s时 一般OCR越大 土越密实 压缩性越小 固结比 饱和粘性土地基最终的沉降量从机理上分析 由三部分组成 sd 瞬时沉降 形状变形 在单向压缩时可以不考虑瞬时沉降 sc 固结沉降 粘性土地基沉降最主要的组成部分 ss 次固结沉降 超静孔隙水压力消散为零 使土骨架产生徐变 4 4饱和粘性土地基沉降的三个阶段 P112 讨论 地下水位的变化对地层沉降的影响机理 在土体的自重应力计算中 地下水位以上土的自重应力用天然重度计算 地下水位以下的土受到水的浮力作用 减轻了土的有效重力 计算时常取土的有效重度代替天然重度 有效重度等于饱和重度减去水的重度 所以 当地下水位下降时 原来位于地下水位以下 现在地下水位以上的土体的有效应力增加 这将会引起压缩变形 故会引起地层沉降 第五章土的抗剪强度 概述 抗剪强度的基本理论 抗剪强度的试验方法 概述 土工建筑物 如 路堤 土坝等 沉降过大 强度破坏 建筑物事故 土体破坏 剪切破坏 研究土的强度特性 就是研究土的抗剪强度特性 概述 土的抗剪强度 土体抵抗剪切破坏的极限能力 概述 大阪的港口码头档土墙由于液化前倾 剪切面 剪切带 土体剪切破坏是沿某一面发生与剪切方向一致的相对位移 这个面通常称为剪切面 概述 广州京光广场基坑塌方 使基坑旁办公室 民工宿舍和仓库倒塌 死3人 伤17人 概述 日本新泻1964年地震引起大面积液化 无粘性土一般无连结 抗剪强度主要是由颗粒间的摩擦力组成 这与粒度 密实度和含水情况有关 概述 粘土地基上的某谷仓地基破坏 无粘性土一般无连结 抗剪强度主要是由颗粒间的摩擦力组成 这与粒度 密实度和含水情况有关 抗剪强度的基本理论 一 库仑定律 剪切定律 P117 1776年 库仑根据砂土剪切试验 f tan 砂土 f c tan 粘土 c 库仑定律 土的抗剪强度是剪切面上的法向总应力 的线性函数 c 土的粘聚力 土的内摩擦角 库仑定律说明 1 土的抗剪强度由土的内摩擦力 tg 和内聚力c两部分组成 2 内摩擦力与剪切面上的法向应力成正比 其比值为土的内摩擦系数tg 3 表征抗剪强度指标 土的内摩擦角 和内聚力c 抗剪强度的基本理论 二 总应力法和有效应力法 土的抗剪强度的有效应力指标c c tg u 符合土的破坏机理 但有时孔隙水压力u无法确定 土的抗剪强度的总应力指标c c tg 便于应用 但u不能产生抗剪强度 不符合强度机理 应用时要符合工程条件 强度指标 抗剪强度 简单评价 抗剪强度的基本理论 二 总应力法和有效应力法 c c f f 超固结粘土的总应力与有效应力强度包线 P118 u u 总应力 有效应力 抗剪强度的基本理论 三 莫尔 库仑破坏标准 莫尔 库仑破坏理论 以库仑公式作为抗剪强度公式 根据剪应力是否达到抗剪强度 f 作为破坏标准的理论就称为莫尔 库仑破坏理论 莫尔 库仑破坏准则 标准 研究莫尔 库仑破坏理论如何直接用主应力表示 这就是莫尔 库仑破坏准则 也称土的极限平衡条件 抗剪强度的基本理论 三 莫尔 库仑破坏标准 应力圆与强度线相离 强度线 应力圆与强度线相切 应力圆与强度线相割 极限应力圆 1 1f 弹性平衡状态 1 1f 极限平衡状态 1 1f 破坏状态 抗剪强度的基本理论 四 抗剪强度的试验方法 P121 按排水条件分 快剪 不排水剪 这种试验方法要求在剪切过程中土的含水量不变 因此 无论加垂直压力或水平剪力 都必须迅速进行 不让孔隙水排出 适用范围 加荷速率快 排水条件差 固结快剪 固结不排水剪 试样在垂直压力下排水固结稳定后 迅速施加水平剪力 以保持土样的含水量在剪切前后基本不变 试用范围 一般建筑物地基的稳定性 施工期间具有一定的固结作用 慢剪 排水剪 土样的上 下两面均为透水石 以利排水 土样在垂直压力作用下 待充分排水固结达稳定后 再缓慢施加水平剪力 使剪力作用也充分排水固结 直至土样破坏 适用范围 加荷速率慢 排水条件好 施工期长 抗剪强度的基本理论 四 抗剪强度的试验方法 按试验仪器分 直接剪切试验优点 仪器构造简单 操作方便缺点 1 剪切面不一定是试样抗剪能力最弱的面 2 剪切面上的应力分布不均匀 而且受剪切面面积愈来愈小 3 不能严格控制排水条件 测不出剪切过程中孔隙水压力的变化 三轴剪切试验优点 1 试验中能严格控制试样排水条件及测定孔隙水压力的变化 2 剪切面不固定 3 应力状态比较明确 4 除抗剪强度外 尚能测定其它指标 缺点 1 操作复杂 2 所需试样较多 3 主应力方向固定不变 而且是再令的轴对称情况下进行的 与实际情况尚不能完全符合 抗剪强度的基本理论 四 抗剪强度的试验方法 按控制方法分 应变控制式 应力控制式 抗剪强度的基本理论 四 抗剪强度的试验方法 1 直接剪切试验 P121 试验仪器 直剪仪 应力控制式 应变控制式 抗剪强度的基本理论 四 抗剪强度的试验方法 1 直接剪切试验 抗剪强度的基本理论 四 抗剪强度的试验方法 1 直接剪切试验 抗剪强度的基本理论 四 抗剪强度的试验方法 剪前施加在试样顶面上的竖向压力为剪破面上的法向应力 剪应力由剪切力除以试样面积 在法向应力 作用下 剪应力与剪切位移关系曲线 根据曲线得到该 作用下 土的抗剪强度 1 直接剪切试验 抗剪强度的基本理论 四 抗剪强度的试验方法 在不同的垂直压力 下进行剪切试验 得相应的抗剪强度 f 绘制 f 曲线 得该土的抗剪强度包线 1 直接剪切试验 抗剪强度的基本理论 四 抗剪强