河南理工大学土力学总复习

土力学总复习,掌握土的三相组成及换算 掌握土的结构和构造。 熟练掌握土的物理性质指标和土的物理状态指标。 熟悉土的胀缩性、湿陷性及冻胀性。 掌握土的工程分类原则，了解土的分类标准。,第一章 土的物理性质及工程分类,土有三个组成部分：固相、液相和气相,1. 固体颗粒,2. 土中水,3. 土中气体,粒径级配矿物成分颗粒形状,结合水 (强结合水、弱结合水) 自由水 (重力水、毛细水),自由气体 封闭气体,土的三相组成,粒径级配,粒径级配累积曲线及指标的用途：,1）粒组含量用于土的分类定名；,2）不均匀系数Cu用于判定土的不均匀程度：Cu 5, 不均匀土； Cu < 5, 均匀土,3）曲率系数Cc用于判定土的连续程度：C c = 1 3, 级配连续土； Cc > 3 或 Cc < 1,级配不连续土,4）不均匀系数Cu和曲率系数Cc用于判定土的级配优劣：如果 Cu 5且 C c = 1 3 ， 级配 良好的土；如果 Cu 3 或 Cc < 1, 级配 不良的土,§1.2土的三相组成,三相草图,已知关系五个:,共有九个参数: V Vv Vs Va Vw / ms m w ma m,剩下三个独立变量ms、Vw、Va,三相草图法,物性指标是比例关系: 可假设任一参数为1（Vs）,对于饱和土, Va=0 剩下两个独立变量,实验室测定,其它指标,是一种简单而实用的方法,§1.4土的物理性质指标,=g,常用物理性质指标的实用计算公式,塑限wp,液限wl,稠度界限,粘性土的稠度反映土中水的形态,固态或半固态,塑态,流态,强结合水膜最大,出现自由水,强结合水,弱结合水,自由水,稠度状态,含水量,土中水的形态,w,吸附弱结合水的能力,塑性指数,1.6 粘性土的物理状态,三. 塑性指数和液性指数 1.塑性指数 塑性指数：液限和塑限之差的百分数值（去掉百分号）。,塑性指数越高，吸着水含量可能高，土的粘粒含量越高。,常作为细粒土工程分类的依据,粘土,粉质粘土,粉土,相对稠度,液性指数,定义：,wp,w,wl,IL1,坚硬状态 可塑状态 流 态,0.00 0.25 0.25 - 0.75 0.75 1.00,硬塑 可塑 软塑,反映粘性土结构性的指标,1.粘性土的灵敏度 St,=,原状土,结构性,相同含水量 密度、组成,粉碎 重塑,重塑土,强度降低,St 1 1-2 2-4 4-8 8-16 >16,粘性土 不灵敏 低灵敏 中等灵敏 灵敏 很灵敏 流动,土的压实性：指在一定的含水率下，以人工或机械的方法，使土能够压实到某种密实度的性质.,击实方法：,室内击实试验 现场试验: 夯打、振动、碾压,§1.7 土的压实性,研究击实性的目的：以最小的能量消耗获得最大的压实密度,2. 理论分析,压实机理：,颗粒被击碎，土粒定向排列; 粒团破碎，粒间联结力被破坏而发生孔隙体积减小; 空气被挤出或被压缩等,颗粒表面水膜很薄，强结合水，相对移动困难,水膜润滑作用不明显; 封闭气泡难以排出; 增加水的相对含量, op, d dmax,< op , d< dmax,> op , d< dmax,§1.7 土的压实性,14,土的渗透性和渗流问题,第二章,地下水的分类以及流砂、潜蚀的概念 熟练掌握达西定律的物理概念和动水力的概念以及相关计算原理 理解土的渗透系数的概念,渗流量,渗透变形,渗水压力,渗流滑坡,土的渗透性及渗透规律,二维渗流及流网,渗透力与渗透变形,土坡稳定分析,挡水建筑物 集水建筑物 引水结构物 基坑等地下施工 多雨地区边坡,概述,土的渗透性和渗流问题,16,2.达西定律,渗透定律,在层流状态的渗流中，渗透速度v与水力坡降i的一次方成正比，并与土的性质有关。,二. 渗透试验与达西定律,k: 反映土的透水性能的比例系数，称为渗透系数,物理意义：水力坡降i1时的渗流速度,单位：mm/s, cm/s, m/s, m/day,§2.4土的渗透性与渗透规律,§2 土的渗透性和渗流问题,2. 达西定律,适用条件：,层流（线性流）,§2.4土的渗透性与渗透规律,§2 土的渗透性和渗流问题,二. 渗透试验与达西定律,岩土工程中的绝大多数渗流问题，包括砂土、粉土或砂性粘土，均属层流范围 在粗粒土孔隙中，水流形态可能会随流速增大呈紊流状态，渗流不再服从达西定律。 可用雷诺数进行判断 ：,Re5时层流 Re 200时紊流 200 Re 5时为过渡区,2. 达西定律,（1）粗粒土： 砾石类土中的渗流常不符合达西定律 砂土中渗透速度 vcr=0.3-0.5cm/s,i,v,o,vcr,i,v,o,i0,两种特例：,（2）粘性土： 致密的粘土 i>i0, v=k(i - i0 ),§2.4土的渗透性与渗透规律,§2 土的渗透性和渗流问题,二. 渗透试验与达西定律,流土：在向上的渗透作用下，表层局部范围内的土体或颗粒群同时发生悬浮、移动的现象。任何类型的土，只要水力坡降达到一定的大小，都可发生流土破坏,渗流,2.形成条件,Fs: 安全系数1.52.0, i : 允许坡降,i < icr :,i = icr :,i > icr :,土体处于稳定状态,土体发生流土破坏,土体处于临界状态,流土,经验判断：,无压重时：,原因,内因有足够多的粗颗粒形成大于细粒直径的孔隙通道 外因渗透力足够大,管涌：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,渗流,过程演示,1. 在渗透水流作用下，细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动流失,2. 孔隙不断扩大，渗流速度不断增加，较粗颗粒也相继被水带走,3. 形成贯穿的渗流通道，造成土体塌陷,例开挖基坑，土体为均质各向同性的粉质粘土厚14.24m，底部 为砂土。地下水在地表以下2m处。粉质粘土的孔隙比e为0.62， 比重为2.7。那么基坑开挖多深可以避免发生流土。,第三章 地基中的应力计算,熟练掌握土中自重应力的计算及分布 熟练掌握基底压力的计算及分布 熟练掌握矩形均布荷载作用下的附加应力计算及分布规律 掌握有效应力原理 了解其他荷载作用下附加应力计算,1.均质地基,竖直向：,水平向：,土单元无侧向位移属于有侧限应变条件：,根据弹性力学中广义虎克定律：,sz,sy,sx,地下水位以上用天然容重,地下水位以下用浮容重,2.计算点在地下水位以下,3.成层土中自重应力,自重应力分布曲线,为作用于任意面上的全部应力（自重应力与附加应力）； 为有效应力，作用于同一平面的土的骨架上，也称粒间应力； u 为孔隙水压力,土的变形与强度都只取决于有效应力,只有有效应力才能使土体产生固结和强度的改变,有效应力,总应力已知或易知,孔隙水压测定或算定,通常,一、有效应力原理,1、静水条件下的有效应力计算,有效应力与土面以上静水位的高低无关。,不同条件下的有效应力和孔隙水压力的计算,有效应力原理的应用,2、稳定渗流作用下的有效应力,向下渗流，存在水位差，总应力不变，孔隙水压力减少，有效应力增加,2、稳定渗流作用下的有效应力,向上渗流-总应力不变，孔隙水压力增加，有效应力减少,流砂临界条件,1、中心荷载下的基底压力,矩形基础:,F为上部结构传至基础顶面的垂直荷载，KN G为基础自重和基础台阶上的土重,集中力,2、偏心荷载下的基底压力,对于单向偏心荷载作用下的矩形面积基底压力,P,矩形基础底面的 抵抗矩,建筑物荷载在地基中增加的应力。 地基只有基底附加应力才能引起地基的附加应力和变形。,三、基础底面附加应力(p0),contact pressure,基底压力,基底附加应力,注：d=0时，地面，无埋深 要减少建筑物沉降，需加大埋深,3.5 地基中的附加应力计算,一、竖向集中力作用下的附加应力计算布辛尼斯克(Boussinesq)解答,假定： 地基是半无限空间弹性体； 地基土是均匀连续的，即变形模量E和侧膨胀系数各处相等； 地基土是等向的，即各向同性的，同一点的E和各个方向相等。,§,地基中附加应力的分布规律,3.在同一水平面上，附加应力随r的增大而减少。,1.集中力作用线上（r=0）附加应力随深度的增加而递减。,r,2、r不为0时，在地表处的附加应力为0，随着深度的增加，应力逐渐递增，但到一定深度后，又随着深度的增加而减少。,一、矩形基底受竖向均布荷载作用时的竖向附加应力,二、 矩形基底受三角形分布荷载时的附加应力,三、圆形面积均布荷载作用时的附加应力计算,四、条形基底三角形分布荷载作用下地基附加应力,五、条形基底三角形分布荷载作用下地基附加应力,第四章 土的压缩性和地基沉降计算,1 土的压缩性2 地基最终沉降量计算 3 地基沉降与时间的关系,施加荷载，静置至变形稳定 逐级加大荷载,侧限压缩试验,P1,s1,e1,e0,测定：轴向压缩应力轴向压缩变形,e,1、 土的压缩性,压缩系数,压缩模量,侧限状态下地基土的压缩变形计算,4.4 地基的最终沉降量计算,1.分层总和法,2.规范法,分层总和法计算地基的最终沉降量计算步骤,1.画出基础及土层的剖面图， 选择沉降计算点的位置,2.地基分层,每层厚度12m, <=0.4b ；,d,地面,基底,p,不同土层界面； 地下水位线；,3.计算原地基中自重应力分布：从地面计算,d,地面,基底,F,自重应力,附加应力,ci,zi,Hi,4.计算基础中心点以下 地基中竖向附加应力分布。,z从基底算起； z是由基底附加应力 p0引起的,5.确定计算深度, 一般土层：z0.2 c； 软粘土层：z0.1 c；,6.按算术平均求各分层平均 自重应力和平均附加应力,p1,p1+ =p2,ci,zi,Hi,7.求出第i分层的压缩量（用ep曲线）,8.最后将每一分层的压缩量累加， 即得地基的总沉降量为：S= Si,由附加应力面积A求沉降，该法又称规范法,为平均附加应力系数（可查表4.4.1,4.4.2） Zi、 zi-1 为从基底算至所求土层i的底面、顶面,2 规范法求最终沉降量,（1）基本公式,dt时段内：,达西定律:,u - 超静孔压,饱和土体的渗流固结理论 - 一维渗流固结理论,数 学 模 型,孔隙体积的变化流入流出的水量差,Cv 反映土的固结特性：孔压消散的快慢固结速度 Cv 与渗透系数k成正比，与压缩系数a成反比； 单位：cm2/y；m2/year，粘性土一般在 10-4 cm2/s 量级,固结系数:,饱和土体的渗流固结理论 - 一维渗流固结理论,数 学 模 型,微分方程：,初始条件和边界条件,为无量纲数，称为时间因数，反映超静孔压消散的程度也即固结的程度,方程的解：,饱和土体的渗流固结理论 - 一维渗流固结理论,方程求解 方程的解,平均固结度Ut与沉降量St之间的关系,t时刻：,确定沉降过程也即St的关键是确定Ut确定Ut的核心问题是确定uz.t,固结度等于t时刻的沉降量与最终沉降量之比,饱和土体的渗流固结理论 - 固结度的计算,双面排水 取1 时间因子TV中厚度H用H/2代替,排水面的附加应力,不排水面附加应力,Tv,4 地基沉降与时间的关系,固结系数,时间因数,固结度,基础的最终沉降量,地基沉降与时间关系计算,求某一时刻t的固结度与沉降量 求达到某一固结度所需要的时间,求某一时刻t的固结度Ut与沉降量St,Tv=Cvt/H2,St=Ut S,t，Cv,求达到某一沉降量(固结度)Ut所需要的时间t,