土力学基本知识

.,绪论,2,4,土力学需要研究和解决的工程中的三大类问题：土体：稳定或强度问题土体：变形问题渗流：渗透变形与渗透稳定,强度问题变形问题渗透问题,土力学作为一门系统的学科是以太沙基的1925年出版的土力学为标志。,.,第1章土的组成,土是松散颗粒的堆积物，是岩石风化的产物,1.1土的形成,母岩,物理风化,化学风化,生物风化,原生矿物：石英、云母长石等,次生矿物：粘土矿物、无定形氧化物胶体、可溶盐等,散粒体,结晶作用,胶结作用,生物化学,.,1.1土的形成,物理风化：岩石经受风、霜、雨、雪的侵蚀，或受波浪的冲击、地震等引起各种力的作用，温度的变化、冻胀等因素使整体岩石产生裂隙、崩解碎裂成岩块、岩屑的过程。化学风化：岩体（或岩块、岩屑）与氧气、二氧化碳等各种气体、水和各种水溶液等物质相接触，经氧化、碳化和水化作用，使这些岩石或岩屑逐渐产生化学变化，分解为极细颗粒的过程。,特征：物理风化：量变过程，形成的土颗粒较粗；化学风化：质变过程，形成的土颗粒很细。,对一般的土而言，通常既经历过物理风化，又有化学风化，只不过哪种占优而已。,.,1.2土的特点,大量孔隙非连续介质,岩石风化的产物,一、土具有碎散性,二、土是三相体系,固相土骨架液相水气相空气,多相介质,三、土有自然变异性,土是自然界的产物，性质复杂,.,1.3土的三相组成,气相,固相,液相,+,+,构成土骨架，起决定作用,重要影响,土体,次要作用,土是固体颗粒、水和空气的混合物，常称土为三相系。,土的颗粒、粒间胶结物,土体孔隙中的水,孔隙中的空气,.,当土骨架的孔隙全部被水占满时，这种土称为饱和土；当土骨架的孔隙仅含空气时，就成为干土；一般在地下水位以上地面以下一定深度内的土的孔隙中兼含空气和水，此时的土体属三相系，称为湿土。根据土的粘性分：粘性土：颗粒很细；无粘性土：颗粒较粗，甚至很大。砂、碎石、甚至堆石（直径几十cm甚至1m）,.,颗粒大小,粒度土粒的大小，通常以粒径表示粒组按粗细进行分组，将粒径接近的归成一类界限粒径划分粒组的分界尺寸,1.4土中固体颗粒,d(mm),d(mm),砾石,砂粒,粉粒,粘粒,胶粒,60,2,0.075,0.005,0.002,0.25,0.5,5,20,粗,中,细,粗,中,细,极细,粗粒,细粒,0.075,.,粒径级配,确定方法筛分法：适用于粗粒土(0.075mm)水分法：适用于细粒土(i0,v=k(i-i0),.,3.2.2渗透系数的测定及影响因素,室内试验测定方法野外试验测定方法,常水头试验法,变水头试验法,井孔抽水试验,井孔注水试验,1.测定方法,适用透水性较大的砂性土,适,适用透水性较小的粘性土,.,(1)水平渗流,条件:,层状地基的等效渗透系数,等效渗透系数:,qx=vxH=kxiH,qmx=kmimHm,.,层状地基的等效渗透系数,(2)竖直渗流,条件:,等效渗透系数:,.,算例,按层厚加权平均，由较大值控制,倒数按层厚加权平均，由较小值控制,.,3.4渗透力与渗透变形,一渗透力的性质,物理意义：单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力，它是体积力,j=wi,大小：,方向：与i方向一致（均质土与渗流方向一致）,作用对象：土骨架,渗透力与浮力有何区别？,.,基本类型,二.渗透变形（渗透破坏）,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,.,1.流土,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,原因：,iicr:土体发生流土破坏,.,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。,2.管涌,管涌,原因：,内因有足够多的粗颗粒形成大于细粒径的孔隙通道,外因渗透力足够大,管涌,管涌破坏,.,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,防治,延长渗径，增加透水盖重,设反滤层等，减小渗透坡降,.,第4章土中应力,强度问题,变形问题,地基中的应力状态,应力应变关系,土力学中应力符号的规定,应力状态,自重应力,附加应力,基底压力计算,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应力。,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。,.,4.1地基中自重应力,水平地基中的自重应力,定义：在修建建筑物以前，地基中由土体本身的有效重量而产生的应力。,计算：地下水位以上用天然重度，地下水位以下用浮重度,土体在自重作用下，在漫长的地质历史时期，已经压缩稳定，因此，土的自重应力不再引起土的变形。但对于新沉积土层或近期人工充填土应考虑自重应力引起的变形。,.,(1)、竖向自重应力,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,cz=z,cz沿水平面均匀分布，且与z成正比，即随深度按直线规律分布,.,成层土的自重应力计算,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3.不透水层中不存在水的浮力，所以层面及层面以下的自重应力应按上覆土层的水土总重计算,.,(2)、水平向自重应力,式中，K0为土的静止侧压力系数，为泊松比,静止侧压力系数,.,(4)、例题分析,【例】一地基由多层土组成，地质剖面如下图所示，试计算并绘制自重应力cz沿深度的分布图,.,.,4.2基底压力计算,基底压力：基础底面传递给地基表面的压力，也称基底接触压力。,基底压力,附加应力,地基沉降变形,基底反力,基础结构的外荷载,上部结构的自重及各种荷载都是通过基础传到地基中的。,影响因素计算方法分布规律,上部结构,基础,地基,建筑物设计,暂不考虑上部结构的影响，使问题得以简化；用荷载代替上部结构。,.,荷载条件,竖直中心,竖直偏心,倾斜偏心,基础形状,矩形,条形,P单位长度上的荷载,4.2.1基底压力简化计算,假定基底压力按直线分布的材料力学方法,.,P,P,矩形面积中心荷载,矩形面积偏心荷载,.,eB/6:出现拉应力区,e,K,3K,P,土不能承受拉应力,基底压力合力与总荷载相等,压力调整,K=B/2-e,e,K,3K,P,K=B/2-e,形心,.,4.2.3基底附加应力的计算,基底附加应力基底净压力概念：作用在基础底面的压力与该处原来的自重应力之差。基础总是埋置在天然地面以下一定的深度，势必要进行基坑开挖，这样一来就意味着加了一个负荷载。因此，应在基底压力中扣除基底标高处原有土的自重应力，才是基础底面下真正施加于地基的压力，称为基底附加应力或基底净压力。计算公式：p0=psz=p0d0基底以上土的重度；d基底埋深,.,4.3地基中附加应力的计算,竖直集中力,矩形面积竖直均布荷载,矩形面积竖直三角形荷载,水平集中力,矩形面积水平均布荷载,竖直线布荷载,条形面积竖直均布荷载,圆形面积竖直均布荷载,特殊面积、特殊荷载,主要讨论竖直应力,荷载方向荷载分布作用面,.,矩形面积竖直均布荷载作用下的附加应力计算,1.角点下的竖直附加应力,矩形竖直向均布荷载角点下的应力分布系数,m=L/B,n=z/B,a.矩形面积内,b.矩形面积外,两种情况：,.,矩形面积三角形分布荷载作用下的附加应力计算,矩形面积竖直三角分布荷载角点下的应力分布系数,.,第5章土的压缩性,一、基本概念土在压力作用下，体积缩小的现象称为土的压缩性。土体压缩主要来自孔隙水和土中孔隙气体的排出。孔隙中水和气体向外排出要有一个时间过程。因此土的压缩亦要经过一段时间才能完成。我们把这一与时间有关的压缩过程称为固结。二、固结试验试验室测定土的压缩性的主要装置为固结仪。在这种仪器中进行试验，由于试样不可能产生侧向变形，只有竖向压缩。于是，我们把这种条件下的压缩试验称为单向压缩试验或侧限压缩试验。土的压缩是由于孔隙体积的减小，所以土的变形常用孔隙比e表示。,.,三、压缩曲线,研究土在不同压力作用下，孔隙比变化规律,土样在压缩前后变形量为Hi，整个过程中土粒体积和底面积不变,土样受压前后高度之比等于体积之比,整理,.,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,(a)e-p曲线(b)e-logp曲线压缩曲线,.,四、压缩性指标,根据压缩曲线可以得到压缩性指标：,(1)压缩系数a(2)压缩指数CC(3)压缩模量Es(4)变形模量E0,(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(MPa-1),.,规范用p1100kPa、p2200kPa对应的压缩系数a1-2评价土的压缩性,在压缩曲线中，实际采用割线斜率表示土的压缩性,(2).压缩指数Cc,土体在侧限条件下孔隙比减少量与有效压应力常用对数值增量的比值。,.,五、应力历史对压缩性的影响,先期固结应力pc：土在历史上曾受到过的最大有效应力。超固结比OCR：前期固结应力与现有有效应力之比，即OCRpc/p,正常固结土：先期固结压力等于现时的土压力pcp0OCR=1超固结土：先期固结压力大于现时的土压力pcp0OCR1,OCR愈大，土受到的超固结作用愈强，在其他条件相同的情况下，其压缩性愈低。欠固结土：先期固结压力小于现时的土压力pcp0OCR3f弹性平衡状态3=3f极限平衡状态33f破坏状态,.,【例】地基中某一单元土体上的大主应力为430kPa，小主应力为200kPa。通过试验测得土的抗剪强度指标c=15kPa，=20o。试问该单元土体处于何种状态？,【解答】,已知1=430kPa，3=200kPa，c=15kPa，=20o,1.计算法,计算结果表明：1f大于该单元土体实际大主应力1，实际应力圆半径小于极限应力圆半径，所以，该单元土体处于弹性平衡状态,5.例题分析,.,计算结果表明：3f小于该单元土体实际小主应力3，实际应力圆半径小于极限应力圆半径，所以，该单元土体处于弹性平衡状态,在剪切面上,库仑定律,由于f，所以，该单元土体处于弹性平衡状态,.,7.3土的抗剪强度试验,一、室内试验二、野外试验,直剪试验、三轴压缩试验、无侧限抗压强度试验等制样（重塑土）或现场取样缺点：扰动优点：应力条件清楚，易重复,十字板扭剪试验等原位试验缺点：应力条件不易掌握优点：原状土的原位强度,.,一、室内试验,1.直剪试验,直剪试验可分为固结慢剪、固结快剪和快剪,2.三轴剪切试验,三轴压缩试验也称三轴剪切试验，是测定土抗剪强度较为完善的方法。,三轴压缩试验测定，按剪切前的固结状态和剪切时的排水条件分为三种固结排水试验、固结不排水试验和不固结不排水试验。,3.无侧限抗压强度试验,三轴压缩试验的特殊情况（3=0），又称单轴试验,.,第8章土压力,土压力通常是指挡土墙后的填土因自重或外荷载作用对墙背产生的侧压力,根据墙的位移情况和墙后土体所处的应力状态，土压力可分为以下三种：静止土压力、主动土压力和被动土压力。,1.静止土压力,挡土墙在压力作用下不发生任何变形和位移(静止不动)，墙后土体处于弹性平衡状态时，土体作用在挡土墙上的土压力称为静止土压力，用E0表示。,.,2.主动土压力,在土压力作用下，挡土墙离开土体向前位移至一定数值，墙后土体达到主动极限平衡状态时，作用在墙上的土压力称为主动土压力，用Ea表示。,3.被动土压力,在外力作用下，挡土墙推挤土体向后位移至一定数值，墙后土体达到被动极限平衡状态时，作用在墙上的土压力称为被动土压力，用Ep表示。,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：,EaEoEp,.,5、静止土压力计算,作用在挡土结构背面的静止土压力可视为天然土层自重应力的水平分量,静止土压力强度,.,8.3朗肯土压力理论,8.3.1朗肯土压力基本理论,1.挡土墙背垂直、光滑2.填土表面水平3.墙体为刚性体,z=z,xK0z,paKaz,ppKpz,.,pa,pp,土体处于弹性平衡状态,主动极限平衡状态,被动极限平衡状态,主动朗肯状态,被动朗肯状态,处于主动朗肯状态，1方向竖直，剪切破坏面与竖直面夹角为45o-/2,处于被动朗肯状态，3方向竖直，剪切破坏面与竖直面夹角为45o/2,.,二、主动土压力,45o/2,挡土墙在土压力作用下，产生离开土体的位移，竖向应力保持不变，水平应力逐渐减小，位移增大到a，墙后土体处于朗肯主动状态时，墙后土体出现一组滑裂面，它与大主应力面夹角45o/2，水平应力降低到最低极限值,z(1),pa(3),极限平衡条件,朗肯主动土压力系数,朗肯主动土压力强度,.,讨论：,当c=0,无粘性土,朗肯主动土压力强度,1.无粘性土主动土压力强度与z成正比，沿墙高呈三角形分布2.合力大小为分布图形的面积，即三角形面积3.合力作用点在三角形形心，即作用在离墙底h/3处,.,当c0,粘性土,粘性土主动土压力强度包括两部分,1.土的自重引起的土压力zKa2.粘聚力c引起的负侧压力2cKa,说明：负侧压力是一种拉力，由于土与结构之间抗拉强度很低，受拉极易开裂，在计算中不考虑,负侧压力深度