土力学几个概念问题.ppt

1 土力学内容土力学的几个概念问题 三个理论 渗流理论 管涌和流土 固结理论 变形 强度理论 破坏和失稳 一条主线 有效应力原理 2 土与土性定义 1 土粒粒组粘粒 0 005 粉粒 0 075 0 005 砂粒 2 0 075 2 粗粒土 细粒土 3 砂土 粉性土 粘性土 3 无粘性土与粘性土的物理工程性质区别 物理性质方面 矿物成分 前者主要为原生矿物 颗粒粗 后者主要为次生矿物 颗粒细 土的结构 前者结合水很少 可塑性低 为单粒结构 结构性弱或无 后者结合水含量高 可塑性高 为蜂窝结构或絮状结构 结构性很强 常具有明显的触变性和流变性 定名 定态 前者工程性质主要受控于密实度 其分类按粒度和级配进行 后者工程性质除密度外 含水量的影响更大 其分类按塑性指数进行 3 无粘性土与粘性土的物理工程性质区别 工程性质方面 渗透性和固结 前者渗透性大 孔隙比小 压缩性小 固结所需时间很短 后者渗透性小 孔隙比大 压缩性大 完成固结需时间很长 抗剪强度 前者只需排水剪指标 后者根据不同情况 存在不固结不排水 固结不排水和固结排水剪指标 抗震性 前者中的粉 细砂和粉土在动力荷载作用下易液化 后者在地震荷载作用下会发生震陷 但一般不会发生液化 4 水对土的物理性质和力学性质的影响 结合水 强结合水弱结合水自由水 毛细水重力水土的物理性质 重度 界限含水量 相对密度等土的力学性质 渗透破坏 强度 变形 自由水对砂性土物理力学性质的影响 浮力 渗透力 毛细水对粉细砂物理性质的影响 冻害 重力水对粉细砂力学性质的影响 渗透破坏 液化 结合水对粘性土物理性质的影响 塑性指数IP 重力水对粘性土物理性质的影响 液性指数IL 结合水对粘性土力学性质的影响 渗透性 强度 7 渗流和固结的联系与区别 1 作用力 渗流 地下水的静水压力差固结 外力引起的超静孔隙水压力 2 对象 渗流 主要考虑土中水的流动 一般不考虑土的变形 除了渗透破坏 固结 应力转移 超静孔隙水压力消散 有效应力增加引起土骨架变形 3 相同点 有水流动 压力差 4 不同点 有无应力转移和有效应力变化 8 达西定律的适用范围 达西定律是由砂质土体实验得到的 后来推广应用于其他土体如粘土和具有细裂隙的岩石等 进一步的研究表明 在某些条件下 渗透并不一定符合达西定律 因此在实际工作中我们还要注意达西定律的适用范围 9 土中渗流的作用力及渗透变形 1 渗透力的定义水在土中流动的过程中将受到土阻力的作用 使水头逐渐损失 同时 水的渗透将对土骨架产生拖曳力 导致土体中的应力与变形发生变化 这种渗透水流作用对土骨架产生的拖曳力称为渗透力 2 渗透变形 渗透变形主要有二种形式 流土 渗流水流将整个土体带走的现象管涌 渗流中土体大颗粒之间的小颗粒首先被冲出最后形成一管状通道的现象 渗透变形中那种变形容易发生 10 点 线 面荷载与地基的破坏与沉降 图3 14双层地基中界面上附加应力的分布规律 a 应力集中 b 应力扩散 E1 E2 E1 E2 11 土的压缩性 土的压缩主要是由于孔隙体积减少而引起的 由于孔隙水的排出而引起的压缩对于饱和粘性土来说是需要时间的 即固结现象 压缩性指标 1 压缩系数a 大小与附加应力有关 通常可将常规压缩试验所得的e p数据采用普通直角坐标绘制成e p曲线 如图4 1所示 图4 1e p曲线确定压缩系数 2 压缩模量Es 大小与附加应力有关 根据e p曲线 可以得到另一个重要的侧限压缩指标 侧限压缩模量 简称压缩模量 用Es来表示 其定义为土在完全侧限的条件下竖向应力增量 p 如从Pl增至P2 与相应的应变增量 的比值 根据这个定义参见图4 5可得到 4 3 式中Es 侧限压缩模量 MPa 3 土的侧限回弹曲线和再压缩曲线 4 关于三种模量的讨论压缩模量Es是土在完全侧限的条件下得到的 为竖向正应力与相应的正应变的比值 该参数将用于地基最终沉降量计算的分层总和法 应力面积法等方法中 变形模量E0是根据现场载荷试验得到的 它是指土在侧向自由膨胀条件下正应力与相应的正应变的比值 该参数将用于弹性理论法最终沉降估算中 但载荷试验中所规定的沉降稳定标准带有很大的近似性 弹性模量Ei可通过静力法或动力法测定 它是指正应力s与弹性 即可恢复 正应变e的比值 该参数常用于用弹性理论公式估算建筑物的初始瞬时沉降 12 地基沉降计算 1 弹性理论法2 实用计算方法1 分层总和法2 应力面积法 简单讨论 1 分层总和法假设地基土在侧向不能变形 而只在竖向发生压缩 这种假设在当压缩土层厚度同基底荷载分布面积相比很薄时才比较接近 如当不可压缩岩层上压缩土层厚度H不大于基底宽度之半 即b 2 时 由于基底摩阻力及岩层层面阻力对可压缩土层的限制作用 土层压缩只出现很少的侧向变形 2 假定地基土侧向不能变形引起的计算结果偏小 取基底中心点下的地基中的附加应力来计算基础的平均沉降导致计算结果偏大 因此在一定程度上得到了相互弥补 13 饱和土的有效应力原理 饱和土中总应力与孔隙水压力 有效应力之间存在如下关系 4 23 1 饱和土体内任一平面上受到的总应力等于有效应力加孔隙水压力之和 2 土的强度的变化和变形只取决于土中有效应力的变化 14 太沙基的一维渗流固结理论 太沙基 K Terzaghi 1925 一维固结理论可用于求解一维有侧限应力状态下 饱和粘性土地基受外荷载作用发生渗流固结过程中任意时刻的土骨架及孔隙水的应力分担量 如大面积均布荷载下薄压缩层地基的渗流固结等 1 基本假设 l 土是均质的 完全饱和的 2 土粒和水是不可压缩的 3 土层的压缩和土中水的渗流只沿竖向发生 是单向 一维 的 4 土中水的渗流服从达西定律 且土的渗透系数k和压缩系数a在渗流过程中保持不变 5 外荷载是一次瞬时施加的 单面排水情况双面排水情况 2 固结度 1 固结度基本概念土层在固结过程中 t时刻土层各点土骨架承担的有效应力图面积与起始超孔隙水压力 或附加应力 图面积之比 称为t时刻土层的固结度 用Ut表示 即由于土层的变形取决与土中有效应力 故土层的固结度又可表述为土层在固结过程中任一时刻的压缩量st与最终压缩量sc之比 即 单面排水时土层的平均固结度与其附加应力的分布情况有关 即与附加应力比a有关 双面排水时土层的平均固结度与其附加应力比a无关 且形式上与单面排水a 1时的计算公式完全相同 因此 计算时可采用单面排水a 1时的计算公式 但双面排水计算Tv时 H取土层厚度的一半 在固结应力分布形式 土层性质和排水条件等已定的情况下 固结度Ut仅是时间t的函数 与固结应力大小和土层厚度无关 土质相同 厚度不同土层 附加应力分布和排水条件相同时 达到相同固结度所需时间之比等于排水距离平方之比 即 为什么可以说土的压缩变形实际上是土的孔隙体积的减小 在常规的地基压力下土中颗粒本身的压缩非常小 可以忽略 即只考虑土的孔隙体积的减小 为何有了压缩系数还要定义压缩模量 压缩系数是室内验算试验中最直接得到的指标 是土力学所特有的指标之一 压缩模量的定义主要是为了利用虎克定律而设置 工程中也比较习惯使用这一指标 饱和土的大沙基一维固结理论考虑的主要因素有那些 主要有土层的厚度 排水条件 荷载分布 渗透系数和固结时间等因素 太沙基的有效应力原理与实际情况差别有多大 实际工程中的土中渗流问题一般都是三维问题 而且土的渗透系数在竖向与水平方向的差别也比较大 故在地基固结问题中采用三维固结理论考虑渗流的空间效应非常重要 但三维固结理论计算方法复杂 计算参数也很难获得 给实际使用带来了困难 在通常的地基固结中 按一维有侧限应力状态考虑采用太沙基的有效应力原理进行分析计算虽然有误差 但在目前条件下借助一定经验判断还是非常有效的 固结度的物理意义是什么 地基土的固结度是指土中超孔隙水压力随着时间的推移而消散的程度 固结度越大 超孔隙水压力减小越多而土层中的有效应力增加越多 故将其定义为土层在固结过程中 t时刻土层各点土骨架承担的有效应力图面积与起始超孔隙水压力 或附加应力 图面积之比 土的应力历史对土的压缩性有何影响 在同等压力下 欠固结土的压缩性最大 而土层的超固结程度越高 土层的压缩性越小 15 土的强度概念 强度值强度破坏 图5 2a砂土的试验结果图5 2b粘性土的试验结果 图5 8剪应力t与剪切位移Dl关系曲线 图5 10三轴试验基本原理 a 试样围压 b 破坏时试样主应力 c 应力圆与强度包线 图5 la 图5 1b 图5 1c 土中达到极限平衡状态是否地基已经破坏 不一定 地基破坏是在土中形成了一定范围的滑动区域 连续滑动面 或一定区域的土层进入塑性状态 具有一个从量变到质变的过程 土中许多点达到极限平衡状态后才能引起地基破坏 16 土的强度与有效应力 直接剪切试验 1 快剪 2 固结快剪 3 慢剪三轴压缩试验 1 不固结不排水剪 2 固结不排水剪 3 固结排水剪 为什么直剪试验要分快剪 固结快剪及慢剪 这三种试验结果有何差别 主要是模拟实际工程中的不固结不排水 固结不排水和固结排水三种条件 一般来说 快剪 固结快剪和慢剪得出的强度值是依次递增的 土的抗剪强度为什么既有总应力表示法又有有效应力表示法 哪一种方法比较合理 为什么 由于土中应力可分别用总应力和有效应力表示 与此对应的土的抗剪强度就既有总应力表示法又有有效应力表示法 从理论上讲 土的抗剪强度的有效应力表示法更为合理 但由于实际地基中孔隙水压力的测定存在较大困难 其应用受到很大限制 土的抗剪强度是不是一个定值 不是定值条件 土层的加荷方式 动 静 循环与否 加荷速度 快慢 土层的应力历史等定值条件 有效应力强度与土层的排水条件无关 饱和软粘土不固结结不排水剪切试验为什么只有Cu的结果 饱和软粘土在不固结结不排水的条件下剪切时 由于土粒表面完全被水包裹 表面摩擦力和土粒之间的咬合力都非常小 土粒相对滑动时几乎不产生摩擦力 试验得到的内摩擦角ju 0 故其试验结果只有Cu值 图5 12土的抗压强度试验结果 17 土压力与位移之间的关系 对同一挡土墙 在填土的物理力学性质相同的条件下有以下规律 1 Ea Eo Ep2 p a 实际土压力的大小和分布主要取决于挡土墙和墙后土体相对位移的大小和方向 18 土坡稳定分析中有关问题 一 填筑边坡与天然边坡 对于人工填筑土坡及正常固结或超固结均匀粘土土坡 按一般的稳定分析方法 得到安全系数 比较符合实测结果 但对于天然超固结裂隙粘土土坡 采用与上述相同的分析方法 会得出不正确的结果 二 关于粘性土圆弧滑动条分法 计算中引入的计算假定 滑动面为圆弧考虑或不考虑条间力作用安全系数用滑裂面上全部抗滑力矩与滑动力矩之比来定义 三 土的抗剪强度指标值的选用 土的抗剪强度指标值选用应合理 指标值过高 有发生滑坡的可能指标值过低 没有充分发挥土的强度 就工程而言 不经济从土力学观点看 土坡稳定计算的主要问题是抗剪强度指标的选择 实际工程中 应结合边坡的实际加荷情况 填料的性质和排水条件等 合理的选用土的抗剪强度指标 如果能准确知道土中孔隙水压力分布 采用有效应力法比较合理 重要的工程应采用有效强度指标进行核算 对于控制土坡稳定的各个时期 应分别采用不同试验方法的强度指标 四 安全系数的选用 影响安全系数的因素很多 如抗剪强度指标的选用 计算方法和计算条件的选择等 工程等级愈高 所需要的安全系数愈大 目前 对于土坡稳定的安全系数 各个部门有不同的规定 同一边坡稳定分析 选用不同的试验方法 不同