土力学复习资料

土力学复习资料土力学作为土木工程领域的基石学科，其核心在于探究土的物理力学性质及其在工程荷载作用下的行为规律。本复习资料旨在梳理土力学的核心知识点，强调概念理解与工程应用的结合，助力学习者构建系统的知识框架。一、土的组成与物理性质土是由固体颗粒、水和气体三相组成的复杂集合体。理解土的三相组成及其相互作用，是掌握土力学一切问题的基础。（一）土的三相组成与三相图土的三相图是分析土物理性质的直观工具。理想情况下，我们将土中固体颗粒、水和气体的体积与质量进行分离表示。固相是土的骨架，其矿物成分、颗粒大小和形状直接决定了土的基本特性。液相（水）和气相（空气）填充于固相颗粒间的孔隙之中，其含量与状态对土的物理力学性质（如压缩性、强度、渗透性）有显著影响。（二）土的基本物理性质指标掌握土的物理性质指标，关键在于理解其定义、测定方法及工程意义。1.密度（重度）：反映土的密实程度，常用天然密度、干密度、饱和密度和有效密度（浮密度）表示。干密度是控制填土施工质量的重要指标。2.含水量：土中水的质量与固体颗粒质量之比，是影响粘性土性质的关键因素。3.孔隙比与孔隙率：描述土中孔隙的多少。孔隙比是孔隙体积与固体颗粒体积之比，在土力学计算中应用广泛；孔隙率是孔隙体积与土总体积之比。4.饱和度：描述土中孔隙被水填充的程度。这些指标并非孤立存在，它们之间可以通过三相图建立换算关系。熟练掌握这些换算关系，能够帮助我们从有限的试验数据中获取更多信息。（三）土的颗粒级配与塑性指数土的颗粒级配是指土中不同粒径颗粒的相对含量。通过颗粒大小分析试验（筛分法和比重计法）获得颗粒级配曲线，可据其判断土的均匀性、分选性，并进行土的分类。曲线的坡度反映了颗粒大小的均匀程度。对于细粒土，塑性指数（IP）和液限（WL）、塑限（WP）是其重要的分类指标。塑性指数定义为液限与塑限之差，表征了土在可塑状态下含水量的变化范围，反映了土的可塑性大小。根据颗粒级配和塑性指数，可将土分为碎石土、砂土、粉土和粘性土等基本类型，不同类型的土具有截然不同的工程性质。二、土的渗透性与渗流土的渗透性是指水流通过土中孔隙的能力，渗流则是水在土孔隙中的流动现象。这一章节内容直接关系到地基排水、基坑降水、防渗设计等工程问题。（一）达西定律及其适用条件达西定律是描述层流状态下渗流速度与水力梯度关系的基本规律，其表达式为v=k*i，其中v为渗流速度，k为渗透系数，i为水力梯度。理解达西定律的物理意义，即渗流速度与水力梯度成正比，比例系数为渗透系数。需注意其适用条件为层流渗流，对于粗颗粒土中的紊流渗流，达西定律不再适用。（二）渗透系数的测定渗透系数是表征土渗透性强弱的关键参数，其测定方法主要有室内试验和现场试验两大类。室内常用常水头渗透试验（适用于透水性较强的粗粒土）和变水头渗透试验（适用于透水性较弱的细粒土）。现场试验如抽水试验、注水试验等，能更真实地反映场地土的渗透性，但成本较高。（三）流网的绘制与应用流网是由流线和等势线组成的正交网格。绘制流网是分析渗流问题的有效工具，基于流网可以确定渗流量、水力梯度、孔隙水压力等。流网的绘制需满足流线与等势线正交、相邻流线间的流量相等、相邻等势线间的水头损失相等这些基本原则。其在工程中的应用包括计算坝体渗流量、判断坝底渗透稳定性、确定基坑涌水量等。（四）渗透破坏与防治渗透水流在土中流动时会对土颗粒产生渗透力。当渗透力达到一定程度时，可能导致土的渗透破坏，主要形式有管涌和流土。管涌是细颗粒在粗颗粒形成的孔隙通道中被渗透水流带走的现象；流土则是土体整体被渗透水流托起或带走的现象。防治渗透破坏的主要措施包括改善土的性质、设置反滤层、减小水力梯度等。三、土中应力计算土中应力状态是研究土的变形和强度问题的前提。正确计算土中应力，对于分析地基沉降、评价地基承载力至关重要。（一）自重应力土的自重应力是指由土体自身重量引起的应力。在计算自重应力时，需考虑土的天然重度和地下水位的影响。对于成层土，应分层计算并叠加。地下水位以下的土，通常应采用有效重度（浮重度）进行计算。自重应力沿深度的分布特征是其基本规律。（二）附加应力附加应力是指由建筑物荷载或其他外荷载在地基中引起的应力增量。计算附加应力时，首先需要确定基础底面处的接触压力（基底压力），其简化计算方法基于弹性地基假定。随后，根据地基地质条件和基础形状，选择合适的理论（如弹性理论）计算地基中的附加应力分布。重点掌握矩形基础和条形基础下附加应力的计算方法及其分布规律，理解附加应力随深度增加而减小、在水平方向上呈某种曲线分布的特点。弹性理论解（如布辛奈斯克解）是计算地基中附加应力的基础，需理解其基本假定和应用条件。四、土的压缩性与地基沉降土的压缩性是指土在压力作用下体积缩小的特性，地基沉降则是土压缩性的外在表现，是地基设计中需要控制的重要指标。（一）土的压缩性概念与压缩曲线土的压缩主要是由于孔隙水和气体被排出、土颗粒重新排列、孔隙体积减小所致。通过室内压缩试验可获得土的压缩曲线（e-p曲线或e-logp曲线）。常用的压缩性指标有压缩系数（a）、压缩模量（Es）和体积压缩系数（mv），它们从不同角度反映了土的压缩性高低。e-logp曲线中的前期固结压力是判断土的应力历史（欠固结、正常固结、超固结）的关键。（二）地基最终沉降量计算分层总和法是工程中常用的计算地基最终沉降量的方法。其基本思路是将地基土划分为若干薄层，分别计算各薄层的压缩量，然后累加得到总沉降量。计算时需结合土的压缩曲线和地基中的附加应力分布。理解分层总和法的基本假定、计算步骤以及各参数的选取对计算结果的影响至关重要。（三）土的固结理论太沙基一维固结理论揭示了饱和粘性土在荷载作用下孔隙水压力消散、有效应力增长、土体逐渐压缩的过程。掌握固结度的概念、固结方程的建立与求解思路，理解时间因数、固结系数等参数对固结过程的影响。了解地基沉降与时间的关系，对于预估建筑物沉降发展趋势具有重要意义。五、土的抗剪强度土的抗剪强度是指土体抵抗剪切破坏的能力，是土力学中与稳定性相关的核心概念，直接关系到地基承载力、边坡稳定、挡土墙土压力等工程问题。（一）抗剪强度的库仑定律库仑定律描述了土的抗剪强度（τf）与法向应力（σ）之间的关系，表达式为τf=σtanφ+c。其中，c为土的粘聚力，φ为土的内摩擦角，二者合称为土的抗剪强度指标，是反映土抗剪性能的基本参数。理解粘聚力和内摩擦角的物理本质，以及总应力法和有效应力法的区别与联系。有效应力原理是理解土抗剪强度的关键，即土的抗剪强度取决于有效法向应力。（二）抗剪强度指标的测定方法室内测定土的抗剪强度指标的主要方法有直接剪切试验、三轴压缩试验和无侧限抗压强度试验。直接剪切试验操作简便，但存在应力条件不明确等缺点；三轴压缩试验应力条件明确，可模拟不同排水条件，是目前应用最广泛的方法之一，需理解不固结不排水剪（UU）、固结不排水剪（CU）和固结排水剪（CD）三种试验方法的特点及其工程应用。（三）不同排水条件下的抗剪强度土的抗剪强度受排水条件的显著影响。在快剪（不排水剪）、固结快剪（固结不排水剪）和慢剪（排水剪）三种试验条件下，土样的排水程度不同，得到的抗剪强度指标也不同。在工程实践中，应根据建筑物的施工速率、土的渗透性以及地基中孔隙水压力的消散情况，合理选择对应的抗剪强度指标。六、土压力与挡土墙土压力是挡土墙设计的核心荷载，其大小和分布与挡土墙的位移方向、大小以及填土性质密切相关。（一）土压力的基本概念与类型根据挡土墙的位移情况，土压力可分为静止土压力（E0）、主动土压力（Ea）和被动土压力（Ep）。主动土压力是挡土墙向离开填土方向移动至土体达到极限平衡状态时的土压力，通常最小；被动土压力是挡土墙向挤入填土方向移动至土体达到极限平衡状态时的土压力，通常最大；静止土压力则是挡土墙无任何移动时的土压力，其值介于前两者之间。（二）朗肯土压力理论与库仑土压力理论朗肯土压力理论基于半无限体中土体单元的极限平衡条件，假定墙背竖直、光滑，填土表面水平。库仑土压力理论则基于滑动楔体的静力平衡条件，考虑了墙背倾斜、粗糙以及填土表面倾斜等更复杂的情况，但假定填土为无粘性土。理解两种理论的基本假定、适用条件和计算方法是关键，并能对两者的计算结果进行比较和分析。（三）挡土墙的类型与设计要点常见的挡土墙类型有重力式、悬臂式、扶壁式等。重力式挡土墙依靠自身重量维持稳定，设计时需进行抗倾覆、抗滑移稳定性验算以及墙身强度验算。了解挡土墙的构造要求和排水措施对保证其正常工作的重要性。七、土坡稳定分析土坡稳定是土木工程建设中常见的工程问题，如路堤、路堑、土坝等边坡的稳定性直接关系到工程安全。（一）土坡失稳的原因与影响因素土坡失稳的内因主要是土的性质（如抗剪强度低、渗透性高等），外因则包括坡顶荷载、降雨入渗、地下水作用、振动等。分析这些因素如何影响土坡的稳定性，是进行稳定分析和采取加固措施的基础。（二）土坡稳定分析方法圆弧滑动面法是土坡稳定分析中最常用的方法之一，其中瑞典条分法是最基本的方法。其基本原理是将假定的圆弧滑动面上的土体划分为若干土条，对作用于各土条上的力进行静力平衡分析，计算土坡的稳定安全系数。理解条分法的基本假定、计算步骤（如土条划分、力的分析、安全系数表达式）以及简化方法（如忽略条间力）。对于简单土坡，也可采用稳定数法等简化方法进行初步估算。了解不同分析方法的适用条件和精度。（三）影响土坡稳定的主要因素除了土的抗剪强度指标外，坡高、