岩土力学课程教学教案.ppt

岩土力学 辅导教师 任兴武E mail renxw1023 联系电话 8118762主讲教师 郑州市郑花路20号华北水利水电学院岩土工程系岩土工程教研室 孙文怀 邮政编码 450008Emailsunwenhuai 电话 0371 5790210 o 中央电大主持教师 陈丽Tel 010 66490545Email chenl 岩土力学 课程说明 课程的内容包括土力学和岩石力学两部分 其中土力学部分主要论述土体的渗透变形特征 有效应力原理 土的变形和强度特征 地基中的应力及变形 土压力理论 边坡地基稳定性分析等 岩石力学主要介绍岩石的物理形状 变形强度特征与强度理论 岩体初始应力状态 岩石蠕变的基本概念 岩石的基本力学模型 地下洞室稳定性计算等 水利水电工程软基处理 第1章岩土的物理性质及工程分类 重 难点 掌握岩土的物理性质指标的含义 理解密度 比重及含水率三个实测指标 清楚各指标的计算方法及指标之间的换算 掌握无粘性土及粘性土的状态指标及应用 理解土的三相组成 了解岩土的工程分类 岩土的物理性质指标及三相组成 土的物理力学性质指标 如含水量 密度 土粒比重 孔隙比 孔隙率和饱和度等 用三相图来表示土的三相组成 如图1 1所示 在三相图左侧 表示三相组成的质量 三相图的右侧 表示三相组成的体积 图1 2三相图图中符号含义如下 m 土的总质量ma 气体的质量mw 液体的质量ms 固体颗粒的质量V 土的总体积Vv 土的孔隙部分体积Va 气体体积Vw 水的体积图1 1Vs 土的固体颗粒的体积 2 密度 比重及含水率三个实测指标 1 土的含水率 土的含水量 是指土中液体的质量 mw 和土颗粒质量 ms 之比 用百分比表示 这一指标需通过试验取得 1 1 式中土粒的质量ms就是干土的质量 是把土烘干至恒量后称得的 气体的质量忽略小计 液体的质量由总质量m和干土的质量ms相减而得 2 土的密度 土的密度 是指单位体积土的质量 在三相图中 即是总质量与总体积之比 单位用或计 公式如下 3 土粒比重 Gs 土粒比重 Gs 是土粒的质量与同体积纯蒸馏水在4 时的质量之比 这一指标需试验取得 公式如下 1 5 3 粘性土 细粒土 的物理状态指标及应用 1 液限 液限指土从塑性状态转变为液性状态时的界限含水量 2 塑限 塑限指土从半固体状态转变为塑性状态时的界限含水量 3 塑性指数 1 7 式中 为液限 为塑限 塑性指数越大 土性越粘 工程中根据塑性指数的大小对粘性土进行分类 4 液性指数 1 8 当 0时 土从半固态进入可塑状态 当 1时 土从可塑状态进入液态 因此 可以根据的值直接判定土的软硬状态 工程上按液性指数的大小 可把粘性土的状态区分开来 0坚固状态0 1 0可塑状态 4 砂土的物理状态指标及应用 相对密实度 Dr 实际工程中 一般用相对密实度Dr来表征砂土的密实程度 公式为 式中 指砂土的天然孔隙比 指砂土的最大孔隙比 由它的最小干密度换算而得 指砂土的最小孔隙比 由它的最大干密度换算而得 将式 1 9 中的孔隙比用干密度替换 可得到用干密度表示的相对密度表达式 1 9 1 10 式中 指砂土的天然干密度 指砂土的最大干密度指砂土的最小干密度 最大干密度和最小干密度可直接由试验测定 当时 表示土处于最松状态 当时 表示土处于最密实状态 工程中 用相对密度判别砂土的密实状态标准为 疏松中密密实 第二章岩土体的渗透性质 重点 1 掌握岩土体的渗透性 渗透变形破坏的类型 渗透变形破坏的条件 2 动水压力的概念 临界水力坡降 渗透水力坡降的试验确定方法及坝基渗透稳定性分析等 3 了解冻胀过程中土中水分的迁移与积聚及渗透变形破坏的防治措施等内容 1 土的渗透及渗透性 水在岩土体孔隙中的流动过程称为渗透 岩土体具有渗透的性质称为岩土体的渗透性 土的渗透性 土体孔隙中的自由水 在重力作用下会发生运动 如基坑开挖排水施工期间地下水会源源不断的流向基坑 这种土体被水透过的性质 达西定律 水的渗透速度与水力坡降成正比v 渗透速度h 水头差 m L 渗径 m k 土的渗透系数 h 2 渗透变形破坏的类型 根据渗透破坏的机理将破坏形式分为流土 管涌 接触流失和接触冲刷四种形式 称为土的渗透破坏的四种模式 前两种模式发生在单一土层中 后两种模式则发生在成层土中 3 动水压力及临界水力坡降 地下水在松散介质的孔隙中流动 土粒与水流相互包围 由于水流流线间及水流与土粒间的摩阻力作用而产生一定的水头损失 水头降低 故每一土粒在水头差作用下 承受来自水流的作用力 渗透力 也称动水压力 取一微单元体分析 设渗透水由下往上流经的长度和断面面积分别为和dw 上下界面的水头差为dh 图2 2 则单元土体承受的总渗透压力为 dp wdhdw 2 2 式中 w 水的重度 将渗透力作用分解在土体的单位体积上 称之为动水压力D 2 3 式中符号含义同前 动水压力的作用方向与渗流流向一致 一般取 w为10kN m3 单元土体的浮重度为 则其水下重量dQ为 dQ wdldw 2 4 当时 单元土体发生流土 此时的水力坡度称为流土型临界水力坡度 以表示 Icr w 2 5 由土的物理性质指标间的关系 Gs 1 1 n 故有Icr Gs 1 1 n w 2 6 式中GS 土粒比重 土的孔隙率 第3章土体的应力与变形 重点 要求掌握自重应力 基底接触压力 附加应力的计算 并能绘制相应的应力分布图 单向压缩分层总和法计算地基最终沉降量的方法 有效应力原理及各种条件下的孔隙水压力和有效应力计算 难点 地基变形随时间变化的关系 自重应力 自重应力是由于地基土体本身的有效重量而产生的 可以分为以下的两个方面 1 垂直向自重应力 sz 2 水平向自重应力 基底接触应力 基底接触压力简称基底压力 作用在地基表面的各种分布荷载 都是通过建筑物的基础传到地基中的 基础底面传递给地基表面的压力 包括 1 竖直中心荷载作下的基底接触压力 用于计算矩形基础和条形基础 2 竖直偏心荷载作用下的基底接触压力 3 倾斜荷载作用下的基底接触压力 附加应力 附加应力是由于土层上部的建筑物在地基内新增的应力 因此 它是使地基变形 沉降的主要原因 附加应力的计算包括 1 竖直集中荷载下的附加应力 2 矩形面积竖直均布荷载作用时的附加应力 3 矩形面积竖直三角形荷载时的附加应力 4 矩形面积水平均布荷载时的附加应力 5 条形面积竖直均布荷载时的附加应力 6 条形面积竖直均布荷载时的附加应力 有效应力原理 当外力作用于饱和土体后 一部分由土的骨架承担 并通过颗粒之间的接触面传递 这部分称为粒间应力 定义为有效应力 另一部分由水承担 水不能承担剪应力 但能承担法向应力 并可以通过连通的孔隙水传递 这部分水压力称为孔隙水压力 1 饱和土体内任一平面上受到的总应力可分为有效应力和孔隙水压力两部分 总应力与有效应力和孔隙水压力的关系如下 2 土的变形与强度的变化仅取决于有效应力的变化孔隙水压力和有效应力的计算可以细分为如下的几个方面 1 饱和土中自重应力作用下的孔隙水压力和有效应力的计算 2 侧限条件下附加应力时的孔隙水压力和有效应力的计算 3 轴对称三维应力状态的孔隙水压力和有效应力的计算 土的变形特征 土的变形主要是竖向的压缩变形包括侧限压缩试验和压缩指标 土的弹性变形与残余变形的概念 土体的受荷历史对土的压缩性的影响 地基最终沉降量计算和单一压缩土层的沉降量计算以及单向压缩分层总和法原理和计算步骤 地基变形与时间的关系计算 1 计算步骤1 用分层总和法计算地基最终沉降量s 2 根据土层的性质指标 确定土的固结系数cv 3 根据时间t 固结系数cv计算时间因数Tv 4 根据土层附加应力与排水情况确定比值J 5 由Tv J确定Ut 6 根据Ut和最终沉降量s 由Ut 求st 第4章土的抗剪强度 重点 掌握土的强度特性 掌握砂类土和粘性土的抗剪强度定律 掌握土处于极限平衡条件下大小主应力的关系以及剪切破裂面与大主应力作用面的关系 掌握用直剪仪和三轴仪测定抗剪强度的方法 了解土的强度增长规律及应力路径对土的强度的影响 难点 土的极限平衡条件 土的抗剪强度的基本理论 1 直剪试验 2 土的抗剪强度规律库仑强度线 砂性土 f tan 4 1a 粘性土 f c tan 4 1b 3 土的极限平衡条件1 土中一点的应力状态当土中任一点的应力 x z xy2 土的极限平衡状态当 f 在破坏线以下 表示该点处于稳定状态 f 破坏线以上 表示该点处于极限平衡状态 f 在破坏线上方 表示该点已经剪切破坏3 土的极限平衡条件 解 已知最小主应力 3 150kPa 现将 26 c 20kPa 1 450kPa代入公式 4 5b 的右侧 得最小主应力的计算值为 450 tg2 32 2 20 tg32 150 5kPa计算结果可认为 3的计算值与已知值相等 所以该土样处于极限平衡状态 某土样 26 c 20kPa 承受大小主应力分别为 1 450kPa 3 150kPa 试判断该土样是否达到极限平衡状态 解 已知最小主应力 3 150kPa 现将 26 c 20kPa 1 450kPa代入公式 4 5b 的右侧 得最小主应力的计算值为 3 tan2 45 2 2c tan 45 2 450 tg2 32 2 20 tg32 150 5kPa计算结果可认为 3的计算值与已知值相等 所以该土样处于极限平衡状态 抗剪强度试验方法 1 直接剪切试验1 快剪2 固结快剪3 慢剪 2 三轴压缩试验1 试验仪器和试验原理 不固结不排水剪 UU 固结不排水剪 CU 试验 固结排水剪 CD 试验2 影响土的抗剪强度的因素 土粒的矿物成份 形状 颗粒大小与颗粒级配 土的密度 含水量 土体结构的扰动情况 孔隙水压力的影响 土的天然强度及强度增长规律 1 土的天然强度土体保持天然原始状态所具有的强度即为天然强度 1 三轴不固结不排水剪切试验 UU 试验 测定 fu作