西南交大土力学复习.ppt

土力学主讲：朱明第一章 土的物理性质及工程分类• §1.1土的组成与土的结构构造 • §1.2土的物理性质指标 • §1.3土的物理状态指标 • §1.4土(岩)的工程分类 • §1.5土的压实性主要内容颗粒级配的描述 工程上常用不均匀系 数Cu描述颗粒级配的 不均匀程度 d10、d30、d60小于某粒径的 土粒含量为10%、 30%和 60%时所对应的粒径Cu愈大，表示土粒愈不均 匀工程上把Cu＜5的土视 为级配不良的土； Cu＞10 的土视为级配良好的土 曲率系数Cc描述颗粒级 配曲线整体形态，表明 某粒组是否缺失情况 对于砾类土或砂类土，同时满 足Cu≥5和Cc=1～3时，定名为 良好级配砂或良好级配砾 土的物理性质指标• 一、土的三相图 气水土粒msmwmVsVwVVa质量m体积Vn二、直接测定指标 1.土的密度ρ：单位体积土的质 量 工程中常用重度来表示单位体 积土的重力 重力加速度， 近似取10m/s2 2.土粒相对密度Gs（土粒比重） ：土粒质量与同体积的4℃时纯 水的质量之比 土粒相对密度变化范围不大：细粒土（粘性土）一般2.70～2.75； 砂土一般为2.65左右。

土中有机质含量增加，土粒相对密度减小Vv气水土粒msmwmVsVw VVa质量m体积V3.土的含水量ω：土中水的 质量与土粒质量之比，以百分 数表示土的含水量是标志土含水程度的一个重要物理指标天 然土层含水量变化范围较大，与土的种类、埋藏条件及 其所处的自然地理环境等有关 测定方法：通常用烘干法，亦可近似用酒精燃烧法 • 三、换算指标 气水土粒msmwmVsVw VVVa质量m体积V1.孔隙比e和孔隙率n孔隙比e ：土中孔隙体积与土 粒体积之比 2.土的饱和度Sr ：土中孔 隙水的体积与孔隙总体积之 比，以百分数表示 饱和度描述土中孔隙被水充满的程度干土Sr=0,饱和土 Sr=100%砂土根据饱和度分为三种状态: 孔隙率n ：土中孔隙体积与总 体积之比，以百分数表示 Sr≤50%稍湿； 50％＜Sr≤80%很湿； Sr＞80%饱和3.不同状态下土的密度和重度 饱和密度ρsat ：土体中孔隙完 全被水充满时的土的密度 干密度ρd ：单位体积中固体 颗粒部分的质量 浮密度ρ ：土单位体积内土 粒质量与同体积水的质量之差 土的三相比例指标中的质量密度指标共有4个，土的密度ρ ，饱和密度ρsat，干密度ρd，浮密度ρ (kg/m3),相应的重度指 标也有4个，土的重度，饱和重度sat，干重度d，浮重度 (kN/m3)气水土粒msmwmVsVw VVVa质量m体积V• 四、指标间的换算气水土粒Gsρw Vs＝11+e质量m体积V土的三相指标中，土粒比重 Gs ，含水量ω和密度ρ是通 过试验测定的，可以根据三 个基本指标换算出其余各指 标Vv=eωGsρw Gs（1＋ω）ρw 推导 ：换算关系式 ：土的物理状态指标• 一、无粘性土的密实度土的密实度指单位体积土中固体颗粒的含量。

根据土 颗粒含量的多少，天然状态下的砂、碎石等处于从紧密到 松散的不同物理状态无粘性土的密实度与其工程性质有 着密切关系 1.孔隙比e孔隙比e可以用来表示砂土的密实度对于同一种土 ，当孔隙比小于某一限度时，处于密实状态孔隙比愈 大，土愈松散 2.相对密实度Dr砂土在天然状 态下孔隙比砂土在最密实状 态时的孔隙比砂土在最松 散状态时的 孔隙比当Dr=0时， e=emin，表示土处于最疏松状态;当Dr=1.0时 ， e=emax，表示土体处于最密实状态3.按动力触探确定无粘性土的密实度Dr≤1/3疏松状态1/3＜Dr≤2/3中密状态2/3＜Dr≤1密实状态天然砂土的密实度，可按原位标准贯入试验的锤击数 N进行评定天然碎石土的密实度，可按原位重型圆锥动 力触探的锤击数N63.5进行评定(GB50007-2002) 密实度按N评定砂石密实度 按N63.5评定碎石土密实度 松散稍密中密密实N≤10N63.5≤510＜N≤155＜N63.5≤1015＜N≤3010＜N63.5≤20N＞30N63.5＞20• 二、粘性土的稠度 1.粘性土的稠度状态稠度是指土的软硬程度或土受外力作用所引起变形或破 坏的抵抗能力,是粘性土最主要的物理状态特征 0 固态或半固态可塑状态流动状态ω塑限ωP液限ωL粘性土由某一种状态过渡到另一状态的界限含水量称为 土的稠度界限液塑限测定根据《土工试验规程》(SL237-007-1999)规定 ，采用液塑限联合测定仪进行测定。

2.粘性土的塑性指数和液性指数 塑性指数IP是液限和塑限的差值(省去%)，即土处在可塑状态的 含水量变化范围说明：塑性指数的大小取决于土颗粒吸附结合水的能力,即与土 中粘粒含量有关粘粒含量越多,塑性指数就越高 说明：液性指数表征土的天然含水量与界限含水量间的相对关 系当IL≤0时,ω≤ωP,土处于坚硬状态;当IL＞1时,ω＞ωL,土处 于流动状态根据IL值可以直接判定土的软硬状态 液性指数IL是粘性土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比 状态液性指数坚硬硬塑可塑软塑流塑IL≤00＜IL≤0.250.25＜IL≤0.750.75＜IL≤1IL＞1第二章 土的渗透性与渗透问题• §2.1达西定律 • §2.2渗透系数及其确定方法 • §2.3渗透力与渗透变形 • §2.4渗流工程问题与处理措施主要内容达西定律 达西分析了大量实验资料，发现土中渗透的 渗流量q与圆筒断面积A及水头损失△h 成正比 ，与断面间距l 成反比，即 ： q=kA△h/L=kAi 或 v=q/A=ki式中i=△h/l，称为水力梯度，也称水力坡降 ；k为渗透系数，其值等于水力梯度为1时水的 渗透速度，cm/s 渗透力与渗透变形• 一、渗透力和临界水力坡降1.渗透力——渗透水流施加于单位土粒上的拖曳力h2h1 h21L沿水流方向放置两个测压 管，测压管水面高差h水流流经这段土体，受 到土颗粒的阻力，阻力 引起的水头损失为h土粒对水流 的阻力应为 土样 面积根据牛顿第三定律，试样的总 渗流力J和土粒对水流的阻力 F大小相等，方向相反 渗流作用于单位土体的力说明：渗透力j是渗流对单位土体的作用力，是一种体积力，其大 小与水力坡降成正比，作用方向与渗流方向一致，单位为kN/m3 渗透力的存在，将使土体内部受力发生变化，这种变化对 土体稳定性有显著的影响a bc渗透力方向与 重力一致，促 使土体压密、 强度提高，有 利于土体稳定渗流方向近乎水平，使土 粒产生向下游移动的趋势 ，对稳定不利渗流力与重力方向相 反，当渗透力大于土 体的有效重度，土粒 将被水流冲出2.临界水力坡降———使土体开始发生渗透变形的水力坡降 GJ当土颗粒的重力与渗透力相等时，土颗粒不受任何 力作用，好像处于悬浮状态，这时的水力坡降即为 临界水力坡降或在工程计算中，将土的临界水力坡降除以某一安全系数Fs(2 ～3)，作为允许水力坡降[i]。

设计时，为保证建筑物的安全， 将渗流逸出处的水力坡降控制在允许坡降[i]内• 二、渗透变形渗透水流将土体的细颗粒冲走、带走或局部土体产生移动， 导致土体变形—————渗透变形问题（流土，管涌） 1.流土——在渗流作用下，局部土体表面隆起，或某一范围内土 粒群同时发生移动的现象 流土发生于地基或土坝下游渗流出逸处，不发生于土体内部开 挖基坑或渠道时常遇到的流砂现象，属于流土破坏细砂、粉砂 、淤泥等较易发生流土破坏 2.管涌——在渗流作用下，无粘性土中的细小颗粒通过较大颗粒 的孔隙，发生移动并被带出的现象 土体在渗透水流作用下，细小颗粒被带出，孔隙逐渐增大，形成 能穿越地基的细管状渗流通道，掏空地基或坝体，使其变形或失 稳管涌既可以发生在土体内部，也可以发生在渗流出口处，发 展一般有个时间过程，是一种渐进性的破坏 基坑突涌 当基坑下部有承压水层时，开挖基坑减小了底板隔水层的厚度 ，当隔水层较薄经受不住承压水头压力，承压水头压力就会冲毁 基坑底板，这种现象称为基坑突涌第三章 土中应力计算主要内容1.土中一点的应力状态2.有效应力原理3.土中自重应力（水平，竖直）4.与基础接触的基底压力 5.外荷载作用下地基土的附加应力有效应力原理饱和土中总应力与孔隙水压力、有效应力之间 存在如下关系： σ=σ,+u σ：总应力 σ,：有效应力u ：孔隙水压力地基中的应力计算假定地 基地 基假设为:半无限体弹 性均 质各项同性自重应力• 自重应力：由于土体本身自重引起的应力确定土体初始 应力状态土体在自重作用下，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 引起的变形成层土的自重应力计算天然地面h1h2h33 2 1 水位面1 h1 1 h1 +  2h2 1 h1 +  2h2 + 3h3 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 毛细压力毛细压力是一种有效压力毛细水位的上升，将会提高土层的自重压力，对支挡结构 或土坡稳定不利由于毛细压力的作用，在地下水位以上时，u（静水压力 ）为负值，在地下水位以下时，u（静水压力）为正值 基底压力• 基底压力：建筑物上部结构荷载和基础自重 通过基础传递给地基，作用于基础底面传至地 基的单位面积压力F影响基底压力的因素• 影响基底压力的因素:基础的形状、大小、刚度，埋置深度 ，基础上作用荷载的性质（中心、偏心、倾斜等）及大小、地基 土性质 中心荷载作用下的基底压力若是条形基础， F,G取单位长度 基底面积计算G= GAd取室内外平 均埋深计算偏心荷载作用下的基底压力F+G eelbpmaxpmin作用于基础底面 形心上的力矩 M=(F+G)∙e 基础底面的抵 抗矩；矩形截 面W=bl2/6 讨论pmaxpminel/6pmaxpmin0，基底压力呈梯形分布 当e=l/6时，pmax>0，pmin=0，基底压力呈三角形分布 当e>l/6时，pmax>0，pminpc正常压缩曲线，斜率陡，土体压缩量大土层的先期固结压力对其固结程度 和压缩性有明显的影响，用先期固结 压力pc与现时的土压力p0的比值描述 土层的应力历史，将粘性土进行分类n1.正常固结土先期固结压力等于现时的土压力pc＝p0n2.超固结土先期固结压力大于现时的土压力pc>p0n3.超固结土先期固结压力小于现时的土压力pcτf 方法2 应力圆心到强度线的距离1/2(σ1 - σ3 ) ≥1/2(σ1+σ3) ·sinφ+c·cosφ 破 坏1/2(σ1 -σ3 ) < 1/2(σ1+σ3) ·sinφ+c·cosφ 未破坏σ1 σ3 τf =c+σ·tanφ σ c φ σ1 σ3 τ c σ1 σ3 τf =c+σ·tanφ τ σ φ σ*3 σ*1 σ*1 ＝σ3 · tan2(45o+φ/2) +2c· tan (45o+φ/2) σ1 <σ*1 :未破坏σ1 ≥σ*1:破坏方法3 比较实际最大主应力σ1和用最小主应力计 算的对应破坏的最大主应力σ*1 7.影响抗剪强度指标的各种因素6.剪切试验v直接剪切试验•不固结不排水试验v三轴压缩试验v十字板剪切试验v无侧限抗压强度试验•固结不排水试验 •固结排水试验1.土的强度是抗剪强度2.库仑抗剪强度定律第六章 地基承载力砂 土 τf ＝ σ·tanφ粘性土 τf ＝ c +σ·tanφτ < τf 稳定状态 τ = τf 极限平衡状态 τ < τf 已破坏抗剪强度不是定值，随法向应力的增大而增大v临塑荷载用于地基承载力偏于安全 v临界荷载用于地基承载力又安全，又经济 v极限荷载用于地基承载力要除以大于1的安全 系数K地基承载力可由临塑荷载、临界荷载、极限荷载确定。