清華大學版土力學課件

1、土力學重點知識點 土的三相性土的三相性 l1 1）土的密度、重度）土的密度、重度 l2 2）土粒的比重）土粒的比重 l3 3）土的飽和度）土的飽和度 l4 4）土的含水量）土的含水量 l5 5）土的孔隙比和空隙率）土的孔隙比和空隙率 土的物理性質(zhì)指標土的物理性質(zhì)指標 l（1 1）單粒結(jié)構(gòu)；（）單粒結(jié)構(gòu)；（2 2）蜂窩結(jié)構(gòu)；（）蜂窩結(jié)構(gòu)；（3 3）絮）絮 狀結(jié)構(gòu)狀結(jié)構(gòu) l（1 1）層狀構(gòu)造；（）層狀構(gòu)造；（2 2）分散構(gòu)造；（）分散構(gòu)造；（3 3）裂）裂 隙構(gòu)造（隙構(gòu)造（4 4）結(jié)核狀構(gòu)造）結(jié)核狀構(gòu)造 土的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造土的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造 l（1 1）單粒結(jié)構(gòu)；（）單粒結(jié)構(gòu)；（2 2）蜂窩結(jié)構(gòu)；（）蜂窩

2、結(jié)構(gòu)；（3 3）絮）絮 狀結(jié)構(gòu)狀結(jié)構(gòu) l（1 1）層狀構(gòu)造；（）層狀構(gòu)造；（2 2）分散構(gòu)造；（）分散構(gòu)造；（3 3）裂）裂 隙構(gòu)造（隙構(gòu)造（4 4）結(jié)核狀構(gòu)造）結(jié)核狀構(gòu)造 土的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造土的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造 l（1 1）壓縮性高；）壓縮性高； （2 2）強度低；）強度低； （3 3） 透水性大透水性大 土的工程特性土的工程特性 土的滲透性和滲流問題 l單位滲流長度上的水頭損失單位滲流長度上的水頭損失 水力坡降水力坡降 i i l向下滲流使得有效應力增加，導致土層發(fā)向下滲流使得有效應力增加，導致土層發(fā) 生壓密變形，稱滲流壓密生壓密變形，稱滲流壓密 滲流壓密滲流壓密 l滲透速度與水力梯度呈線性關(guān)系的運

3、動規(guī)滲透速度與水力梯度呈線性關(guān)系的運動規(guī) 律律 達西定律達西定律 l當動水力足夠大時，會將土體沖起，造成當動水力足夠大時，會將土體沖起，造成 破壞。當動水力梯度大于土的浮重度時，破壞。當動水力梯度大于土的浮重度時， 土體被水沖起的現(xiàn)象，稱為流土土體被水沖起的現(xiàn)象，稱為流土 l當土體顆粒級配不連續(xù)時，水流可將土體當土體顆粒級配不連續(xù)時，水流可將土體 粗?？紫吨谐涮畹募毩Ｍ翛_走，破壞土的粗?？紫吨谐涮畹募毩Ｍ翛_走，破壞土的 結(jié)構(gòu)，這種作用稱作管涌。結(jié)構(gòu)，這種作用稱作管涌。 流砂與管涌流砂與管涌 流土與管涌的區(qū)別流土與管涌的區(qū)別 土體中的應力計算 地基中的自重應力及分布規(guī)律地基中的自重應力及分布規(guī)律

4、 z 地面地面 h2 h3 h1 sz=1z+2z+3zsz=z 1 2 3 地面 h2 h3 h1 sz=1h1+2h2+3h3 1 2 3 l自重應力自重應力 l附加應力附加應力 l有效應力有效應力 l孔隙水應力孔隙水應力 l超靜水孔隙應力超靜水孔隙應力 應力概念應力概念 l豎直集中力作用下半無限空間彈性體內(nèi)任豎直集中力作用下半無限空間彈性體內(nèi)任 一點應力的解析解。一點應力的解析解。 布辛內(nèi)斯克公式 角點法角點法 有效應力原理有效應力原理 PS PSV aa PS A： Aw： As： 土單元的斷面積土單元的斷面積 顆粒接觸點的面積顆粒接觸點的面積 孔隙水的斷面積孔隙水的斷面積 有效應力有

5、效應力 1 A Aw u wsv AuPA a-aa-a斷面豎向力平衡：斷面豎向力平衡： wS AAA u A A A P w sv u u：孔隙水：孔隙水 壓力壓力 有效應力有效應力 l有效應力有效應力：由土骨架傳遞（或承：由土骨架傳遞（或承 擔）的應力擔）的應力 孔隙應力孔隙應力：由土中孔隙流體水和：由土中孔隙流體水和 氣體傳遞氣體傳遞( (或承擔）的應力或承擔）的應力 l土體在不排水和不排氣條件下，由外荷載土體在不排水和不排氣條件下，由外荷載 引起的孔隙壓力增量與應力增最的比值。引起的孔隙壓力增量與應力增最的比值。 孔壓系數(shù)孔壓系數(shù) 固結(jié)過程孔壓系數(shù)的變化固結(jié)過程孔壓系數(shù)的變化 外荷載

6、附加應力z 土骨架：有效應力 孔隙水：孔隙水壓力 l土在其形成的地質(zhì)年代中所經(jīng)受的應力變土在其形成的地質(zhì)年代中所經(jīng)受的應力變 化情況稱為應力歷史?；闆r稱為應力歷史。 應力歷史應力歷史 土的壓縮性的地基沉降計算 l飽和土壓縮的全過程叫做土的固結(jié)飽和土壓縮的全過程叫做土的固結(jié) 固結(jié)固結(jié) 24 l先期固結(jié)壓力：土體在固結(jié)過程中所受的先期固結(jié)壓力：土體在固結(jié)過程中所受的 最大豎向有效應力最大豎向有效應力 l正常固結(jié)土：先期固結(jié)壓力等于現(xiàn)時的土正常固結(jié)土：先期固結(jié)壓力等于現(xiàn)時的土 壓力壓力pcpcp1 p1 l超固結(jié)土：先期固結(jié)壓力大于現(xiàn)時的土壓超固結(jié)土：先期固結(jié)壓力大于現(xiàn)時的土壓 力力pcp1 pc

7、p1 l欠固結(jié)土：先期固結(jié)壓力小于現(xiàn)時的土壓欠固結(jié)土：先期固結(jié)壓力小于現(xiàn)時的土壓 力力pcp1pcp1 土的固結(jié)狀態(tài)土的固結(jié)狀態(tài) l固結(jié)度（固結(jié)度（UtUt）：土的固結(jié)過程中某一時間）：土的固結(jié)過程中某一時間t t 的固結(jié)沉降量的固結(jié)沉降量s1s1與固結(jié)穩(wěn)定的最終沉降量與固結(jié)穩(wěn)定的最終沉降量s s 之比之比 固結(jié)度固結(jié)度 l分別計算基礎(chǔ)中心點下地基各個分層土的分別計算基礎(chǔ)中心點下地基各個分層土的 壓縮變形量，求和壓縮變形量，求和 l一維問題一維問題 沉降計算分層總和法基本原理沉降計算分層總和法基本原理 均勻土層壓縮基本課題 壓縮前 壓縮后 側(cè)限條件 z=p p H H/2 H/2 ,e1 e

8、1 s V 1 e 1 s V 2 e 2 H cz cz p 1zcz p 2 HHS vz 1 21 1 11e ee e e vz H e ee HHS vz 1 21 1 e1e2 基本假定和基本原理 （a）假設(shè)基底壓力為線性分布 （b）附加應力用彈性理論計算 （c）只發(fā)生單向沉降：側(cè)限應力狀態(tài) （d）只計算固結(jié)沉降，不計瞬時沉降和次固結(jié)沉降 （e）將地基分成若干層，認為整個地基的最終沉降 量為各層沉降量之和： i SS 計算步驟 d 地面 基底 p p0 自重應力 附加應力 沉降計算深度 Hi d szi zi (a)計算原地基中自重應力分布 (b)基底附加壓力p0 (c)確定地基中

9、附加應力分布 (d)確定計算深度zn (e)地基分層Hi (g) 各層沉降量疊加 (f)計算每層沉降量Si 用e-p曲線計算 e d 地面 基底 p p 0 自重應力 附加應力 沉降計算深度 Hi p H e ee HHS vz 1 21 1 izi i i iii i i i H e a Hpp e a S 1 12 1 1 )( 1 i izi si izi i E H E H S i e1 i e2 szi zi i p2 d szizi 用e-p曲線計算 Ai 附加應力 p0 規(guī)范法 zi-1 zi i 平均附加應力系數(shù) )1(0iz zi0 izi i i iii i i i H e

10、 a Hpp e a S 1 12 1 1 )( 1 i i i i A e a S 1 1 )( 110 iiiii zzpA 沉降計算分層總和法注意問題沉降計算分層總和法注意問題 固結(jié)過程固結(jié)過程 w p h pp hh 0h p 基本假定 土層均勻且完全飽和； 土顆粒與水不可壓縮； 變形是單向壓縮（水的滲出和土層壓縮是單向的）； 荷載均布且一次施加； 滲流符合達西定律且滲透系數(shù)保持不變； 壓縮系數(shù)a是常數(shù)。 固結(jié)微分方程的解析解 時間因數(shù) m1，3，5，7 反映孔隙水壓力的消散程度固結(jié)程度 v 2 2 1i T 4 mexp 2H m sin 4p t)u(z, t H C T v v

11、2 固結(jié)度 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.0010.010.11 時間因數(shù)時間因數(shù) 固結(jié)度固結(jié)度 曲線1曲線1 曲線2曲線2 曲線3曲線3 不透水邊界 透水邊界 滲 流 123 沉降與時間的關(guān)系 t t H C T v v 2 ) 1 8 1 2 4 2 （ v T t eU SUS tt 沉降與時間的關(guān)系 從 Ut 查表（計算）確定 Tv S S U t t v v C HT t 2 土的抗剪強度 莫爾庫倫破壞理論要點莫爾庫倫破壞理論要點 41 )(f f tg c f 庫侖定律庫侖定律 42 tgc f tg)(uctgc f 確定土體中剪切破壞面的位置 2 45,

12、2 45 即 450+/2 450+/2 擋土結(jié)構(gòu)物上土壓力 45 三種土壓力的大小關(guān)系 靜止土壓力靜止土壓力對應于圖中對應于圖中A A點，點，墻位移為墻位移為0 0，墻后土體處于，墻后土體處于彈性彈性 平衡狀態(tài)平衡狀態(tài) 主動土壓力主動土壓力對應于圖中對應于圖中B B點，點，墻向離開填土的方向位移墻向離開填土的方向位移，墻，墻 后土體處于后土體處于主動極限平衡狀態(tài)主動極限平衡狀態(tài) 被動土壓力被動土壓力對應于圖中對應于圖中C C點，點，墻向填土的方向位移墻向填土的方向位移，墻后土，墻后土 體處于體處于被動極限平衡狀態(tài)被動極限平衡狀態(tài) 墻位移與土壓力 位移墻向前移 墻向后移 土 壓 力 C B P

13、 p P P a A 0 朗肯理論的基本假設(shè)： 1.1.墻本身是剛性的，不考慮墻身的變形；墻本身是剛性的，不考慮墻身的變形； 2.2.墻后填土延伸到無限遠處，填土表面水平；墻后填土延伸到無限遠處，填土表面水平； 3.3.墻背垂直光滑。墻背垂直光滑。 朗肯主動極限平衡狀態(tài) pap0 v 朗肯被動極限平衡狀態(tài) Pp v p p0 0 朗肯主、被動土壓力系數(shù) 2 45 2 ）（ O a tgK 2 45 2 ）（ O p tgK 粘性土主動土拉應區(qū)粘性土主動土拉應區(qū) a K c Z 2 0 庫侖土壓力基本假定 n1.墻后的填土是理想散粒體 n2.滑動破壞面為通過墻踵的平面 n3.滑動土楔為一剛塑性體

14、，本身無變形 無粘性土主動土壓力 角與墻背的法線成土壓力 夾角為填土的內(nèi)摩擦角 面的法線的方向已知，與 P R ABCW )3( BC)2( ) 1 ( H A C R B W P - C RB 180-(+-) P W P R 朗肯、庫侖土壓力異同 l相同點：都屬于極限狀態(tài)土壓力理論相同點：都屬于極限狀態(tài)土壓力理論 l不同點：朗肯理論從土體中一點的極限平衡狀不同點：朗肯理論從土體中一點的極限平衡狀 態(tài)出發(fā)，由處于極限平衡狀態(tài)時的大態(tài)出發(fā)，由處于極限平衡狀態(tài)時的大 小主應力關(guān)系求解（極限應力法）；小主應力關(guān)系求解（極限應力法）； 庫倫理論根據(jù)墻背與滑裂面之間的土庫倫理論根據(jù)墻背與滑裂面之間的土

15、 楔處于極限平衡，用靜力平衡條件求楔處于極限平衡，用靜力平衡條件求 解（滑動楔體法）解（滑動楔體法） 。 土坡穩(wěn)定性分析 土坡穩(wěn)定性分析土坡穩(wěn)定性分析 造成滑坡的原因造成滑坡的原因 1) 1) 振動：地震、爆破振動：地震、爆破 2) 2) 土中含水量和水位變化土中含水量和水位變化 3) 3) 水流沖刷：使坡腳變陡水流沖刷：使坡腳變陡 4) 4) 凍融：凍脹力及融化含水量升高凍融：凍脹力及融化含水量升高 5) 5) 人工開挖：基坑、船閘、壩肩、隧洞出入口人工開挖：基坑、船閘、壩肩、隧洞出入口 微單元微單元A A自重自重: : W=W=V V 無滲流的無限長土坡無滲流的無限長土坡 sinTW 沿坡

16、滑動力： cosNW 對坡面壓力： (由于無限土坡兩側(cè)作用力抵消) cosRNtgWtg抗滑力： cos sin s RWtg Ftg TWtg 抗滑力 滑動力 抗滑安全系數(shù)： W W R R N N A A W W N N T T l當當 = = 時，時，F(xiàn) Fs s=1.0=1.0，天然休止角，天然休止角 無滲流的無限長土坡無滲流的無限長土坡-討論討論 s tg F tg 可見安全系數(shù)與土容重無關(guān) 與所選的微單元大小無關(guān)。 即坡內(nèi)任一點或平行于坡的任一滑裂 面上安全系數(shù)Fs都相等 思考題 在干坡及靜水下坡在干坡及靜水下坡 中，中， 如如 不變，不變，F(xiàn) Fs s有什么變有什么變 化化 有沿坡滲流情況有沿坡滲流情況 (3) 抗滑力： cosRNtgVtg (2) 滑動力： (sinsin)sin wsat TJVV 沿坡滲流無限長砂土坡安全系數(shù)沿坡滲流無限長砂土坡安全系數(shù) (4) 安全系數(shù)： cos sin s satsat Rtg Ftg TJtg (1)取微單元A A的土骨架為隔離體 作用力 自重： 滲透力： WV sin ww Jj ViVV 底面支撐力N，底面抗滑力R WW R R N N J