土力學(xué)與基礎(chǔ)工程精華版講訴

1、名詞解釋1土力學(xué)一利用力學(xué)的一般原理，研究土的物理、化學(xué)和力學(xué)性質(zhì)及土體在荷載、水、溫度等外界因素 作用下工程性狀的應(yīng)用科學(xué)。它是力學(xué)的一個分支。2地基：為支承基礎(chǔ)的土體或巖體。在結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)底面下，承受由基礎(chǔ)傳來的荷載，受建筑物影響的那 部分地層。地基分為天然地基、人工地基。3基礎(chǔ)：將結(jié)構(gòu)承受的各種作用傳遞到地基上的結(jié)構(gòu)組成部分?；A(chǔ)依據(jù)埋置深度不同劃分為淺基礎(chǔ)、 深基礎(chǔ)2 土的性質(zhì)及工程分類1. 土的三相：水（液態(tài)、固態(tài)）氣體（包括水氣）固體顆粒（骨架）2. 原生礦物。即巖漿在冷凝過程中形成的礦物。3. 次生礦物。系原生礦物經(jīng)化學(xué)風(fēng)化作用后而形成新的礦物4. 粘土礦物特點：粘土礦物是一種復(fù)合

2、的鋁一硅酸鹽晶體，顆粒成片狀，是由硅片和鋁片構(gòu)成的晶胞所 組疊而成。5. 粒組：介于一定粒度范圍內(nèi)的土粒。界限粒徑：劃分粒組的分界尺寸稱為顆粒級配：土中各粒組的相對含量就稱為土的顆粒級配。（d 0.075mm時，用篩分法；d 5,級配良好；Cu5和Cc=13兩個條件時，才為級配良好，反之則級配不良。6. 結(jié)合水一指受電分子吸引力作用吸附于土粒表面的土中水。這種電分子吸引力高達(dá)幾千到幾萬個大氣壓，使水分子和土粒表面牢固地粘結(jié)在一起。結(jié)合水分為強結(jié)合水和弱結(jié)合水兩種。強結(jié)合水：緊靠于土顆粒的表面，受電場作用很大，無安全不能移動，表現(xiàn)出固態(tài)特性弱結(jié)合水：強結(jié)合水外，電場作用范圍內(nèi)的水，是一種粘質(zhì)水膜

3、，受力時可以從水膜厚處向薄處移動，也可因電場引力從一個土粒周圍轉(zhuǎn)移到另一個土粒周圍，擔(dān)在重力作用下不會發(fā)生移動。毛細(xì)水：受到水與空氣交界面處表面張力的作用，存在于地下水位以上透水層中的自由水。毛細(xì)現(xiàn)象：指土中水在表面張力作用下，沿細(xì)的孔隙向上及其它方向移動的現(xiàn)象。重力水：地下水面以下，土顆粒電分子引力范圍以外的水，僅受重力作用.傳遞靜水壓力產(chǎn)生浮托力.7. 土的結(jié)構(gòu)：指土粒單元的大小、形狀、相互排列及其聯(lián)結(jié)關(guān)系等因素形成的綜合特征。土的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造對土的性質(zhì)有很大影響。（單粒結(jié)構(gòu)、蜂窩結(jié)構(gòu)、絮凝結(jié)構(gòu)）土的構(gòu)造：物質(zhì)成分和顆粒大小等都相近的同一土層及其各土層之間的相互關(guān)系的特征稱之。（層理構(gòu)造、裂

4、隙構(gòu)造、分散構(gòu)造）8.相對密實度：Dremaxed d min d maxemaxemind max dmin d界限含水量：粘性土由一種狀態(tài)轉(zhuǎn)到另外一種狀態(tài)的分界含水量。 液限（L ）:粘性土由可塑狀態(tài)轉(zhuǎn)到流動狀態(tài)的界限含水量。塑限（p）:粘性土由半固態(tài)轉(zhuǎn)到可塑狀態(tài)的界限含水量。塑性指數(shù)：液限與塑限之差（去掉%稱為塑性指數(shù)，用下式表示：Ip （WL Wp） 100。反映粘粒含量的多少，反映粘性土處在可塑狀態(tài)的含水量變化范圍。I P液性指數(shù)（I L）： ILI反映土的軟硬成度LPIP9. 靈敏度：在不排水條件下，原狀土的無側(cè)限抗壓強度與重塑土的無側(cè)限抗壓強度之比，用St表示。固結(jié)度：地基在荷載

5、作用下，經(jīng)歷了時間t的沉降量st與最終沉降量s之比值稱為固結(jié)度，它表示時間t地基完成的固結(jié)程度。 達(dá)同一固結(jié)度，單面排水時間是雙面排水時間的4倍土的觸變性：在土的含水量和密度不變的情況下，土因重塑而軟化，又因靜置而逐漸硬化，強度有所恢復(fù)的 性質(zhì)。10. 潛蝕：在滲流情況下，地下水對巖土的礦物、化學(xué)成分產(chǎn)生溶蝕、溶濾后這些成分被帶走以及水流將細(xì)小顆粒從較大顆粒的空隙中直接帶走，這種作用稱為潛蝕，前者稱化學(xué)潛蝕，后者稱機(jī)械潛蝕。管涌：水在砂性土中滲流時，細(xì)小顆粒在動水力的作用下，通過粗顆粒形成的孔隙，而被水流帶走的現(xiàn)象叫 管涌。流砂或流土：當(dāng)厶h增大到某一數(shù)值（有效重度）時，向上的滲流力克服了土體

6、向下的重力，土體浮起而處于懸浮狀態(tài)失去穩(wěn)定，土粒隨水流動的現(xiàn)象。11. 最佳含水量：在一定壓實功作用下，使土最容易壓實，并能達(dá)到最大干密度時的含水量。3 土中應(yīng)力計算1. 、土的應(yīng)力分類：自重應(yīng)力、基地應(yīng)力、地基附加應(yīng)力自重應(yīng)力：由土體重力引起的應(yīng)力。（自重應(yīng)力一般是自土形成之日起就在土中 產(chǎn)生）附加應(yīng)力：由于外荷載的作用，在土中產(chǎn)生的應(yīng)力增量。 基底壓力：在基礎(chǔ)底面與地基之間產(chǎn)生接觸壓力。（基底壓力分為：柔性基礎(chǔ)基底壓力和剛性基礎(chǔ)基底壓力）基底附加壓力（地基附加應(yīng)力Pop odpo）:由建筑物荷載引起的應(yīng)力增量。2. 有效應(yīng)力原理u總應(yīng)力；一有效應(yīng)力；u 孔隙水壓力。飽和土的有效應(yīng)力原理的完

7、整表述：土的的有效應(yīng)力等于總應(yīng)力減去孔隙水壓力；土的有效應(yīng)力控制了土的變形和強度性能三個基本物理指標(biāo)：天然密度（環(huán)刀法），比重或相對密度（比重瓶法），含水量（烘干法）換算指標(biāo)：天然密度p :天然狀態(tài)下土單位體積的質(zhì)量（g/cm3）干密度p d : 土單位體積中固體顆粒部分的質(zhì)量（g/cm3）飽和密度p sat : 土孔隙中充滿水時的單位體積質(zhì)量（g/cm3）有效密度P :單位土體積中土粒的有效質(zhì)量（g/cm3）土粒相對密度（比重）ds : 土的固體顆粒質(zhì)量與同體積 4C時純水的質(zhì)量之比 含水量 w : 土中水的質(zhì)量與土粒質(zhì)量之比 （%）孔隙比 e : 土中孔隙體積與土顆粒體積之比孔隙率 n :

8、 土中孔隙體積與總體積之比 （%）飽和度 Sr : 土中水的體積與孔隙體積之比 （%）1、何謂附加應(yīng)力？地基中的附加應(yīng)力分布有何特點？ 答：建筑物荷載在地基中增加的應(yīng)力稱為附加應(yīng)力。地基中的附加應(yīng)力分布有一下規(guī)律：1）附加應(yīng)力自基底起，隨深度呈曲線衰減2）附加應(yīng)力具有一定擴(kuò)散性。它不僅分布在基底范圍內(nèi)，而且分布在基底荷載面積以外的相當(dāng)大的范圍之3）基底下任意深度水平面上的附加應(yīng)力，在基地中軸線上最大，隨居中軸線距離越遠(yuǎn)而越小2、簡述飽和土的滲透固結(jié)過程？答：飽和土的滲流固結(jié)過程如下：（1）土體孔隙中自由水逐漸排出；（2）土體孔隙體積逐漸減??；（3）由孔隙水承擔(dān)的壓力逐漸轉(zhuǎn)移到土骨架來承受，成為

9、有效應(yīng)力。3、土體中發(fā)生剪切破壞的平面，是不是剪應(yīng)力最大的平面？在什么情況下，剪切破壞面與最大剪應(yīng)力面是一致的？答：土體中發(fā)生剪切破壞的平面一般不是剪應(yīng)力最大的平面。常數(shù)當(dāng)土的莫爾破壞包線與 軸平行時，即 f 常數(shù) 時，剪切破壞平面與最大剪應(yīng)力面是一致的。4、莫爾 -庫倫強度理論 : 以庫倫公式作為抗剪強度公式 , 根據(jù)剪力是否達(dá)到抗剪強度作為破壞準(zhǔn)則的 理論就稱為莫爾 - 庫倫強度理論5、朗肯土壓力的基本假定是？庫倫土壓力的基本假定是？（1）朗肯土壓力基本原理朗肯研究自重應(yīng)力作用下， 半無限土體內(nèi)各點的應(yīng)力從彈性平衡狀態(tài)發(fā)展為極限平很狀態(tài)的條件，提出計算擋土墻土壓力的理論。假設(shè)條件a 擋土墻

10、背垂直b. 墻后填土表面水平c. 擋墻背面光滑即不考慮墻與土之間的摩擦力。（2）庫倫土壓力依據(jù)的原理 ：楔體平衡理論基本假定 ：a 墻后的填土是理想散粒體b. 滑動破壞面為通過墻踵的平面c. 滑動土楔為一剛塑性體，本身無變形3. 朗肯土壓力與庫倫土壓力的優(yōu)缺點朗肯土壓力理論：應(yīng)用半空間中的應(yīng)力狀態(tài)和極限平衡理論計算土壓力，概念比較明確，公式簡單，應(yīng)用方便，對于粘性土和無粘性土都可以用該公式直接計算，故在工程中得到青睞。但為了使墻后填土中的應(yīng)力狀態(tài)符合半空間應(yīng)力狀態(tài)，必須假設(shè)墻背是直立光滑的，填土面是水平的， 因而使其應(yīng)用范圍受到限制，并由于該理論忽略了墻背與填土之間摩擦的影響，使計算的主動土壓

11、力偏大，被動土壓力偏小。庫侖土壓力理論：根據(jù)墻后滑動土楔的靜力平衡條件推導(dǎo)得出土壓力計算公式，考慮了墻背與土之間的摩擦力，并可用于墻背傾斜， 填土面傾斜的情況， 但由于該理論假設(shè)填土是無粘性土，因此不能用庫侖公式直接計算粘性填土的土壓力。庫侖土壓力理論假設(shè)墻后填土破壞時，破裂面是一平面，而實際上是一曲面，因此，庫侖土壓力理論計算結(jié)果與按曲面的計算結(jié)果有出入， 這種偏差在計算被動土壓力時尤為嚴(yán)重4朗肯與庫侖土壓力理論的適用性(1) 朗肯理論求得的是墻背各點土壓力強度分布，而庫侖理論求得的是墻背上的總土壓力(2) 朗肯理論適用于填土表面為水平的無粘性土或粘性土的土壓力計算(3) 庫侖理論只適用于填

12、土表面為水平或傾斜的無粘性土，對粘性土只能用圖解法計算 被動土壓力的計算常采用朗肯理論(4) 擋土墻在滿足墻背直立光滑且填土面水平的條件下，庫侖土壓力理論與朗肯土壓力理論計算得到的土壓力是一致的9、飽和粘性土不同排水條件下的抗剪強度指標(biāo)1. 不固結(jié)不排水剪(UU):試驗過程中試樣含水量和體積保持不變，加壓過程中只引起試樣的孔隙水壓力變化,而有效應(yīng)力不變，故抗剪強度亦不變。2. 固結(jié)不排水剪(CU):固結(jié)過程中試樣含水量和體積減小，剪切過程中保持不變，只是孔隙水壓力改變，破壞時孔隙水壓力完全由試樣受剪引起。3. 固結(jié)排水剪(CD):整個試驗過程中始終打開排水閥門，讓試樣充分排水固結(jié)，保持孔隙水壓

13、力為零，有效應(yīng)力等于總應(yīng)力。4土的變形性質(zhì)及地基沉降計算1. 土的壓縮性：土在壓力作用下體積縮小的的特性。(壓縮快慢與滲透性有關(guān) 透水性大的無粘性土，壓縮過程短；透水性小的粘性土，壓縮時間長。)壓縮試驗：研究土的壓縮性大小及其特征的室內(nèi)試驗方法。步驟：在壓縮儀(或固結(jié) 儀)中完成。試驗時，先用金屬環(huán)刀取土，然后將土樣連同環(huán)刀一起放入壓縮儀，上 下各蓋一塊透水石，以便土樣受壓后能夠自由排水，透水石上面再施加垂直荷載。(側(cè)限)2. 壓縮性指標(biāo)：壓縮系數(shù)，是評價地基土壓縮性高低的重要指標(biāo)之一，e-p曲線上任一 點的切線斜率，當(dāng)外荷載引起的壓力變化范圍不大時，可近似丄e 倉a tan =P P2 Pl

14、ai-2表示壓力間隔由pi=iookp增加到P2=2oo時所得壓縮系數(shù) a-2評定土的壓縮高低。a1-20.1Mpa 時，為低壓縮性土， 0.1 Mpaw a-2 0.5 Mpa 壓縮指數(shù) 公式4.5、Cc用來確定土的壓縮性大小，Cc值愈大。土的壓縮性愈高。一般認(rèn)為Ccv0.2時。為低壓縮性土； Cc=0.2-0.4時，屬中壓縮性土； Cc0.4 時，屬高壓縮性土。 P71 壓縮模量(或側(cè)限壓縮模量)：土體在完全側(cè)限條件下，豎向附加應(yīng)力c z與 相應(yīng)的應(yīng)變增量& z之比，用符號Es表示。Es= (1+ei) /a一般認(rèn)為：Es15 Mpa時為低壓縮性土： Es=415MPa 時屬中壓縮性土3.

15、 載荷試驗：由加荷穩(wěn)壓裝置、反力裝置、觀測裝置三部分組成。變形模量：指土體在無側(cè)限條件下，單軸受壓時的應(yīng)力與應(yīng)變之比，用曰表示彈性模量：無側(cè)限條件下彈性階段豎向應(yīng)力與應(yīng)變之比。E0與Es關(guān)系土的荷載試驗終止加載的條件(1) 承載板周圍的土明顯側(cè)向擠出或發(fā)生裂紋。(2) 沉降s急劇增大，荷載-沉降(p-s )曲線出現(xiàn)陡降段。(3) 在某一荷載下，24小時內(nèi)沉降速度不能達(dá)到穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)。(4) 沉降s大于等于0.06b (b為承載板寬度或直徑)4. 應(yīng)力歷史：土在形成的地質(zhì)年代中經(jīng)受應(yīng)力變化的情況應(yīng)力路徑：在外力作用下土中某一點的應(yīng)力變化過程在應(yīng)力坐標(biāo)圖中的軌跡。地基變形與時間的關(guān)系：主要取決于土的滲

16、透性和土層厚度；飽和土的滲透固結(jié)過程，就是孔隙水壓力向有效應(yīng)力轉(zhuǎn)化的過程。土的固結(jié)：土體在外力作用下，壓縮隨時間增長的過程。天然土層分為三種固結(jié)狀態(tài) .超固結(jié)狀態(tài)：天然土層在地質(zhì)歷史上受到過的固結(jié)壓力 Pc大于目前的上覆壓力P1, 即卩OC歐于1.但沉積后土層2-)Es .正常固結(jié)狀態(tài)：土層在歷史上最大固結(jié)壓力作用下壓縮穩(wěn)定,厚度無大變化，以后也沒有受到過其他荷載的繼續(xù)作用。Eo Es(1.欠固結(jié)狀態(tài)：土層逐漸沉積到現(xiàn)在地面，但沒達(dá)到固結(jié)穩(wěn)定狀態(tài)。5. 先期固結(jié)壓力pc : 土在其生成歷史中曾受過的最大有效固結(jié)壓力。6. 沉降量的組成：瞬時沉降：加載后地基瞬時發(fā)生的沉降；采用彈性理論，采用不排

17、水變形模量 sd主固結(jié)沉降：飽和與接近飽和的粘性土在基礎(chǔ)荷載作用下，隨著超靜孔隙水壓力的消散，土骨架產(chǎn)生變形所引起的沉降；sc次固結(jié)沉降：主固結(jié)結(jié)束后，在有效應(yīng)力不變的條件下，土骨架仍隨時間發(fā)生變形.利用S-Igt曲線, 次固結(jié)指數(shù)進(jìn)行計算 ss7. 太沙基一維固結(jié)理論的基本假定：(1) 土體是均質(zhì)彈性，完全飽和；(2) 土粒和水不能壓縮；水的滲出以及土的壓縮只能沿豎向發(fā)生；(4) 水的滲流服從Darcy定理,且滲透系數(shù)k不變；(5) 孔隙比的變化與有效應(yīng)力的變化成正比，壓縮系數(shù)a不變；（6）外荷載一次瞬時施加.滲透固結(jié)：土體中由附加應(yīng)力引起的超靜水壓力隨時間逐漸消散，附加應(yīng)力轉(zhuǎn)移到土骨架上，

18、骨架上的有效 應(yīng)力逐漸增加，土體發(fā)生固結(jié)的過程稱為滲透固結(jié)。5土的抗剪強度1. 土的抗剪強度：土體抵抗剪切破壞的極限能力。（土的抗剪強度的組成摩擦力滑動摩擦：剪切面土粒間表面粗糙所產(chǎn)生的摩擦咬合摩擦：土粒間相互嵌入所產(chǎn)生的咬合力 ，其引起土的剪脹顆粒的破碎與重排列粘聚力：由土粒間的膠結(jié)作用和各種物理-化學(xué)鍵力作用的結(jié)果，其大小與土的礦物組成和壓密程度有關(guān)靜電引力：包括庫侖力侖力和離子-靜電力范德華力：物質(zhì)的極化分子與相鄰另一極化分子間通過相反的偶極吸引膠結(jié)力：土或水中碳、硅、鉛、鐵等氧化物對土顆粒形成膠結(jié)作用，其粘聚力可達(dá)幾百千帕表觀粘聚力：如毛細(xì)力、非飽和土中吸力等）2. 庫侖定律：當(dāng)土所受

19、法向應(yīng)力不很大時，土的抗剪強度與法向應(yīng)力可近似用線性關(guān)系表示，這一表征土體抗剪強度與法向應(yīng)力的公式即為庫侖定律表達(dá)式T j? =粘性土丨 OtM無粘性3. 莫爾一庫侖強度理論（簡答。自己總結(jié)要點）莫爾（Mohr）1910年提出當(dāng)法向應(yīng)力范圍較大時，抗剪強度線往往呈非線性性質(zhì)的曲線形狀?？辜魪姸戎笜?biāo)c和0并非恒定值，而應(yīng)由該點的切線性質(zhì)決定。C隨疔的增大而增加，0隨（T的增大而減小。莫爾認(rèn)為土中某點達(dá)到該點的抗剪強度時，即土發(fā)生破壞。莫爾認(rèn)為 f=f（）為曲線，f=f （）用直線（庫侖定律：）代替（將莫爾曲線簡化為直線），稱之為莫爾一庫侖強度理論。4.簡述直接剪切試驗和三軸壓縮試驗之間的優(yōu)缺點和

20、適用范圍。 直接剪切試驗的優(yōu)缺點優(yōu)點：直剪儀構(gòu)造簡單，操作簡便，并符合某些特定條件。缺點：（1）剪切過程中試樣內(nèi)的剪應(yīng)變和剪應(yīng)力分布不均勻。（2）剪切面人為地限制在上、下盒的接觸面上，而該平面并非是試樣抗剪最弱 的剪切面。（3）剪切過程中試樣面積逐漸減小，且垂直荷載發(fā)生偏心，但計算抗 剪強度時卻按受剪面積不變和剪應(yīng)力均勻分布計算。（4）不能嚴(yán)格控制排水條件， 因而不能量測試樣中的孔隙水壓力。（5）根據(jù)試樣破壞時的法向應(yīng)力和剪應(yīng)力， 雖可算出大、小主應(yīng)1、3的數(shù)值，但中主應(yīng)力 2無法確定。 三軸壓縮試驗的優(yōu)缺點缺點：試樣制備和試驗操作比較復(fù)雜，試樣中的應(yīng)力與應(yīng)變?nèi)匀徊粔蚓鶆?。?yōu)點：（1）試驗中能

21、嚴(yán)格控制試樣的排水條件，準(zhǔn)備測定試樣在剪切過程中孔隙水壓力變化，從而可定量獲得土中有效應(yīng)力的變化情況。（2）與直剪試驗對比起 來，試樣中的應(yīng)力狀態(tài)相對地較為明確和均勻，不硬性指定破裂面位置。（3）除抗剪強度指標(biāo)外，還可測定如土的靈敏度、側(cè)壓力系數(shù)、孔隙水壓力系數(shù)等力學(xué) 指標(biāo)。6 土壓力、地基承載力和土坡穩(wěn)定1擋土墻（結(jié)構(gòu)）一為了防止土體邊坡的坍塌失穩(wěn)，保護(hù)邊坡的穩(wěn)定，人工完成的構(gòu)筑物2擋土墻的土壓力：擋土墻后填土因自重或外荷載作用對墻背產(chǎn)生的側(cè)向壓力。 土壓力：主動土壓力：當(dāng)擋土墻向離開土體方向偏移至墻后土體達(dá)到極限平衡 狀態(tài)時，作用在墻背上的土壓力稱為主動土壓力。用Ea表示。 被動土壓力：當(dāng)擋土墻在外力作用下，向土體方向偏移至墻體后土體達(dá)到極限平衡狀態(tài)時，作用在墻背上的土壓力稱為被動土壓力。用Ep表示。 靜止土壓力：當(dāng)擋土墻靜止不動，墻后土體處于彈性平衡狀態(tài)時，作用在墻背 上的土壓力稱為靜止土壓力。用 E。表示。靜止壓力強度用公式c 0=K0丫 Z提示：三者關(guān)系Ea E。Ep4. 朗肯理論與庫侖理論的比較（簡答）相同點：朗肯與庫侖土壓力理論均屬于極限狀態(tài)，計算出的土壓力都是墻后土體處于極限平衡狀態(tài)下的 主動與被動土壓力 Ea和Ep。Pa不同點：研究出發(fā)點不同：朗肯理論