土的力学性质课件

土的力学性质先例上海市展览馆比萨斜塔Transcona谷仓地基香港宝城大厦上海展览馆650mme=1.8,w=60%Es=1.45MPa521mm比萨斜塔Transcona谷仓地基先例上海市展览馆比萨斜塔Transcona谷仓地基香港宝城大厦建筑物基础与地基相互作用可能出现的工程地质问题1强度问题（剪切破坏、承载力问题）2变形问题（过度沉陷、不均匀沉陷）3倾覆、滑移问题（水平力、近水平力作用）决定因素1.地基土本身的力学性质2.建筑物、地基对土体的作用力地基土变形的三个阶段压密变形阶段局部剪切阶段整体破坏阶段压密变形阶段OaOp（kPa）

aS（mm）

基础地面

ps局部剪切阶段abOp（kPa）

ab

S（mm）

基础地面

p

p整体破坏阶段bcOp（kPa）

a

b

cS（mm）

基础地面

p

两种不同性质的变形

压密变形——计算地基的压缩变形量，即地基沉降量剪切变形（剪切破坏）——土体强度和稳定性问题两种研究途径将土体变形和强度分开研究——简化估算法将土体变形和强度统一研究——严格分析法——建立在土体本构关系研究的基础上本构关系应力应变关系的数学表达式第一节土的压缩性定义：土的压缩性是指在压力作用下体积压缩变小的性能压缩变形的本质土的三相组成决定了土的压缩变形由三部分组成土粒本身的压缩变形孔隙中水和气的压缩变形孔隙中水和气被挤出，土颗粒相互靠拢，孔隙体积缩小土的压缩主要原因是由于孔隙中水和气被挤出，土颗粒相互靠拢，致使孔隙体积减小而引起的。压力作用下作为三相组成的土各相之间的力是怎样分担的？怎样转化的？思考一下饱和土受力模型一、有效应力原理

su受力平衡方程设s为颗粒间的接触应力，颗粒间的接触面积为Fsuw为孔隙水压力，水的面积Fw=F-Fs则有：

F=sFs+uw（F-Fs）F=1设一般情况下

Fs/F=0.01-0.03则有

=’+u

uF=1=’+u饱和土的有效应力原理（Terzaghi，1920）

—总应力’—有效应力u—孔隙水压力

uF=1

’uF=1’—有效应力受压时，使土粒间发生位移受剪时，全部剪应力由粒间应力造成的摩擦作用来承受’对土的位移和变形是有效的或者说起控制作用1u—孔隙水压力由孔隙水承担和传递的那部分压力。为静水压力—不引起颗粒的位移，不能承受剪应力不直接引起土体变形和强度变化，故又称中性压力。由泰沙基在1920年提出的这一表面上很简单的概念，标志着从理性上认识许多土力学现象的开始。Terzaghi，1936：所有可测得的应力变化效应，例如压缩形变以及抗剪强度的变化，无一不是由于有效应力变化所引起的…

…=’+u饱和土的有效应力原理的完整表述（两句话，教材P83）：（1）土的有效应力等于总应力减去孔隙水压力；（2）土的有效应力控制了土的变形和强度性能。=’+u

=’+u

3hh’2h=01

’=0，

’=0，’=u=u=0u=0饱和土的力学模型用有效应力原理解释土体承受和传递附加应力几个基本概念

由附加应力作用引起的孔隙水压力超出静水压力水头，称为超静孔隙水压力。

这种由孔隙水的渗流而引起的压缩过程称为土的渗透固结。

饱和土压缩变形过程的实质是超静孔隙水压力随着水的渗流排出而逐渐消散和有效应力逐渐增长的过程，即超静孔隙水压力向有效应力转移的过程。非饱和土的有效应力原理二、土的压缩性与变形指标1.室内压缩试验与压缩定律2.压缩模量、变形模量3.体积压缩系数4.侧压力系数、泊松比1.室内压缩试验与压缩定律压缩仪ELE公司WG型系列单杠杆固结仪(南京土壤仪器厂)K0固结仪、气压固结仪固结仪(南京土壤仪器厂)1.室内压缩试验与压缩定律P1,.1.室内压缩试验与压缩定律p21.室内压缩试验与压缩定律p3,…...h可以测量高度的变化，如何转变成孔隙比的变化VsoVvoF=1Vs1Vv1F=1h0h1h加压前e0加压后

e1一般地，p1，p2，p3，…h1，h2，h3，…e1，e2，e3，...ee1e2p1p2pa称为压缩系数（coefficienntofcompression），单位1/KPa，或1/MPa压缩定律在压力不大的情况下，孔隙比的变化与压力的变化成正比。2.压缩模量、变形模量压缩模量（有侧限）变形模量（无侧限）3.体积压缩系数土压缩时竖向应变增量与竖向应力增量之比，4.侧压力系数、泊松比泊松比——无侧限条件下，侧向膨胀应变与竖向压缩应变之比侧压力系数——侧限条件下侧向压力与竖向压力之比反复加卸载曲线e

lgp三、土的固结历史与先期固结压力反复加卸载曲线elgp反复加卸载曲线e反复加卸载曲线e

lgp反复加卸载曲线elgp回弹指数先期固结压力pc土在历史上曾经经受过的最大固结压力成为先期固结压力。超固结比OCROCR——OverConsolidationRatio先期固结压力和现有土层上覆压力之比粘性土的固结状态1.正常固结土pC=p0

原地面（现地面）

Z

pC=

p0=’Zelgp粘性土的固结状态2.超固结土pC>p0

原地面

Z现地面

p0=’Zp0pC粘性土的固结状态3.欠固结土pC<p0

现地面

pc<p0=’ZpCp0OCR〈1第一节重点内容提示

=’+u饱和土的有效应力原理（Terzaghi，1920）

—总应力’—有效应力u—孔隙水压力压缩定律：在压力不大的情况下，孔隙比的变化与压力的变化成正比。土的压缩性指标压缩系数、压缩指数压缩模量、变形模量回弹指数侧压力系数、泊松比超固结比OCR与土的固结历史OCR——OverConsolidationRatio先期固结压力和现有土层上覆压力之比先期固结压力的图解法与现场压缩曲线求法土在历史上曾经经受过的最大固结压力称为先期固结压力。先期固结压力pc土在历史上曾经经受过的最大固结压力成为先期固结压力。超固结比OCROCR——OverConsolidationRatio先期固结压力和现有土层上覆压力之比第三章土的力学性质第一节土的压缩性

（教材82-83、86-95）第二节土的抗剪性

（教材120－138）第三节土的动力性质简介

（教材211-227）建筑物基础与地基相互作用可能出现的工程地质问题决定因素1.地基土本身的力学性质2.建筑物、基础对土体的作用力1强度问题（剪切破坏、承载力问题）2变形问题（过度沉陷、不均匀沉陷）3倾覆、滑移问题（水平力、近水平力作用）第二节土的抗剪性材料的强度理论最大正应力理论最大正应变理论最大拉应力理论最大剪应力理论最大剪应力理论认为，材料破坏的原因是材料中的最大剪应力造成的试验和观察表明岩体、混凝土、土体的破坏主要是剪切破坏。在最大剪应力理论的基础上发展了符合土体破坏的莫尔—库仑强度理论大地的局部化开裂多之形雁形锯齿形桥梁支敦中出现的局部化剪切破坏隧道中的局部破坏及加锚局部岩石滑落

岩土工程材料中的局部化现象实验室发现的剪胀带和剪缩带（Lin,2002

），花岗岩

粘土的拉伸和压缩试验与局部化条带（Desrues&Chambon,2002）左：拉伸右：压缩

岩土工程材料中的局部化现象试验和观察表明岩体、混凝土、土体的破坏主要是剪切破坏。在最大剪应力理论的基础上发展了符合土体破坏的莫尔—库仑强度理论在工程实践中常常根据莫尔—库仑强度理论来评价一系列土力学问题1.土坡稳定性问题2.土压力问题3.地基承载力问题Op（kPa）

ab

S（mm）

基础地面

p

p

基础地面

psaOp（kPa）

a

b

cS（mm）

基础地面

pS（mm）3.地基承载力问题本节内容一、土的抗剪强度试验二、莫尔—库仑强度理论三、砂土的抗剪强度四、粘性土的抗剪强度五、孔隙水压力参数直剪仪直剪预压仪

一、土的抗剪强度试验

1.直剪试验（直接剪切试验,Directsheartest)直剪仪水平力Tp垂直压力

一、土的抗剪强度试验

1.直剪试验（直接剪切试验,Directsheartest)直剪仪水平力Tp垂直压力

一、土的抗剪强度试验

1.直剪试验（直接剪切试验,Directsheartest)直剪仪水平力Tp垂直压力

一、土的抗剪强度试验

1.直剪试验（直接剪切试验,Directsheartest)直剪仪水平力Tp垂直压力

一、土的抗剪强度试验

1.直剪试验（直接剪切试验,Directsheartest)直剪仪水平力Tp垂直压力

一、土的抗剪强度试验

1.直剪试验（直接剪切试验,Directsheartest)直剪仪水平力Tp垂直压力1.直剪试验（直接剪切试验,Directsheartest)水平力Tp垂直压力正应力（NormalStress）剪应力（ShearStress）F例1.对某砂土样做的直剪试验结果如下：求出试验2破坏面上的主应力。1）先做

f—

关系曲线2）作出莫尔圆，求出

1

和

3

1=346kPa

3=96kPa粘性土cC称为土的粘聚力(Cohension)

称为土的内摩擦角(Angleofinternalfriction)库仑定律在一定载荷范围内，土的抗剪强度与法向应力之间呈直线关系。其中C、

被称为土的抗剪强度指标。直剪试验的三种类型1.快剪（Q）2.固结快剪（CQ）3.慢剪（S）实验室（法国）实验室加载范围7kN10-40kN10-750kN“VIS”实验室压力范围500,1000,2000,3000kPa2000,4000,8000,16000,32000,64000kPa128000kPa实验室水压控制器气压控制器

动力的三轴系统1Hz2/5/10HzControl/控制(m/s)(m)实验室10Hz(g)DynamicTriaxialTesting空心圆柱系统实验室空心圆柱系统实验室实验室GDSLABcontrolsoftware

控制软件实验室GDSLABreportssoftware报告软件实验室围压体积控制器反压体积控制器轴向加载和轴向位移控制系统数据采集板三轴系统(饱和的土)TriaxialSystem(SaturatedSoil)实验室围压体积控制器反压体积控制器轴向加载和轴向位移控制系统数据采集板气压体积控制器TriaxialSystem(Un-saturatedSoil)三轴系统(非饱和的土)

非饱和土底座饱和土底座实验室LocalStrainMeasurementMid-PlanePWPMeasurementTriaxialHollowCylinderBenderElementsSmallStrainSoftwareUnsaturatedSoilDynamicTriaxial局部的应变测量中平面孔隙水压力测量自动控制排水速率原理GDSTAS北方交通大学

5Hz/60kN100/150mm动三轴系统（中国科学院成都山地所）

GDSTAS大连理工大学

GDSTTS河海大学

STDTTS成都理工大学

1Pc2.三轴剪切试验

3

1Pc2.三轴剪切试验

3

1Pc2.三轴剪切试验

3

31总应力表示法有效应力表示法三轴试验的三种类型1.不固结不排水剪（UU-test）Unconsolidated—Undrained2.固结不排水剪（CU）Consolidated—Undrained3.固结排水剪（CD）Consolidated—DrainedUUCUCDcUcCUcCD3.无侧限抗压强度试验UNCONFINEDCOMPRESSIONTEST灵敏度：饱和软粘土对结构扰动的敏感程度St=qu/qu’（土按灵敏度分类）4.十字板剪切试验软土的抗剪强度其中Cu为土的抗剪强度K为与十字板有关的常数Ry为剪切破坏时量表读数Rg为轴杆和钻杆与土摩擦时量表读数C为钢环测力系数库仑定律的总应力表达式C称为土的粘聚力（Cohension）

称为土的内摩擦角（Angleofinternalfriction）二、莫尔—库仑强度理论库仑定律的有效应力表达式C’称为土的有效粘聚力

‘

称为土的有效内摩擦角莫尔强度理论莫尔认为土中某点

达到该点的抗剪强度时，即土发生破坏。莫尔—库仑强度理论莫尔认为

f=f（

）为曲线

f=f（

）用直线（库仑定律）代替，故称为莫尔—库仑强度理论

=C+tg

1破坏

2临界状态（极限平衡状态）

3安全（弹性平衡状态）

=c+tg

莫尔圆与破坏线的关系不相交：表明通过该点的任意平面上的剪应力小于

f，土体处于弹性状态相割：表明通过该点的任意平面上的剪应力大于

f，土体已经破坏，不存在相切：表明通过该点的任意平面上的剪应力等于

f，土体处于极限平衡状态极限平衡状态下的莫尔圆称为极限应力圆，根据极限应力圆可以得出在极限平衡状态下主应力的关系极限平衡条件在极限平衡状态下主应力之间的关系，叫做极限平衡条件cAOO’注意：只有当土中某点处于极限平衡条件时，才满足上式，并非任何情况均满足。即只有A点才满足。极限平衡条件的分析1.土中某点处于剪切破坏时，剪切面与大主应力

1作用面间的夹角

2.利用极限平衡条件可以判断土体是否达到剪切破坏例2.已知粘土的粘聚力为20kPa，内摩擦角为26°，承受的最大主应力为450kPa，最小主应力为150kPa，试判断该土是否处于极限平衡状态。（1）利用公式将

1、c、

代入求得

3（2）图解法：依c、

绘出抗剪强度线，依

1、

3绘出莫尔圆3.剪切破坏的条件不是最大剪应力理论，而是发生在

、

符合库伦定律的平面上，即的平面上。土的抗剪强度理论又称最大倾角理论。三、砂土的抗剪强度应变

（%）

1-3A咬合引起的强度——峰值强度B残余强度密实砂土峰值明显松散砂土无明显峰值临界孔隙比密实砂土剪切时，体积增大，孔隙比由小变大松散砂土剪切时，体积减小，孔隙比由大变小当砂土处于松密之间某一状态时，剪切对体积变化影响最小，此时的孔隙比称为临界孔隙比四、粘性土的

抗剪强度1.不固结不排水剪（UU）2.固结不排水剪（CU）3.固结排水剪（CD）

1Pc

3UUCUCDcUcCUcCD五、孔隙水压力参数英A.W.Skempton提出：土中孔隙水压力不仅由法向应力产生，而且由剪力产生。并根据实验提出：其中A、B称为孔隙水压力系数。上式可以写成增量形式：第三章土的力学性质第一节土的压缩性

（教材82-83、86-95）第二节土的抗剪性

（教材120－138）第三节土的动力性质简介

（教材211-227）第三节土的动力性质简介土在动应力作用下的工程性质与行为称为土的动力特性。土的动力特性：土的动力计算模型及其参数、土的动强度，包括饱和砂土抗液化强度及其指标。饱和砂土液化土的击实特性土的动力计算模型土动力特性的现场测试指标第三节土的动力性质简介一、饱和砂土和粉土的振动液化二、土的压实性三、土的动力变形与动强度日本新泻1964年地震时砂土液化引起震陷。这些设计为抗震的建筑物倾斜而未受损坏。加州沃森维尔附近的野外涌沙唐山地造成的喷水冒砂区分布图砂土液化（横向移动）系因地震时球粒（理想砂粒）的重新堆集。地震振动造成这种固体颗粒堆集更加有效，这会占据少量体积。一部分覆盖层荷载由水来支撑，这就无法阻止水体横向运移。震前，水，不稳定（立体）堆集，震后，液化土中剩余孔隙水负担覆盖层荷载稳定（六边形）堆集砂土液化（Liquefactionofsand）饱和砂土受震动时颗粒间趋于紧密，使孔隙水压力增大，有效应力减小。当有效应力趋于零时，砂土的抗剪强度消失，从而引起地面沉陷、斜坡失稳或者地基失效的现象称为砂土液化。常伴随又喷水冒砂。震动来源：机械震动（局部场地）、地震（区域性）地震液化的两个过程振动液化：饱水砂土在强烈地震作用下使孔隙水压力迅速上升而产生振动液化振动液化产生上下水头差和孔隙水自上而下的运动，动水压力推动砂粒向悬浮状态转化，形成渗流液化。砂土液化的影响因素内因土类及其颗粒级配土的密实程度、饱水特性土结构的抗剪强度外因地震作用特征地震强度（震级、烈度）地震频率和周期震动历时环境条件场地地貌单元饱水砂土的埋藏条件地下水条件建筑物类型、基础特性砂土液化评价步骤：判别、分级、建议措施液化可能性判定经验判定法标贯试验判定法剪切波速判定法静力触探判定法Seed简化判定法液化等级划分：液化指数抗液化措施液化判别条件地震条件震级

5级地震烈度

6度是否为全新世乃至近代沉积层是否为海相或河糊相沉积、人工挖填土是否为冲积平原、河漫滩、故河道等地貌土层埋深是否不超过20m地下水埋深是否不超过8m级配不连续砂土相对密度Dr

小于等于50%地质条件埋藏条件土质条件液化粒径<1mm颗粒含量>40%正常级配砂土0.1<d50<1.0?粉土粘粒含量<10%不均匀系数Cu

10塑性指数Ip

10不液化是是是是是是是是是是是是是否否否否否否否否否（1）经验判别法流程（2）标贯试验判定法初步判别认为需进一步进行液化判别时，采用