土力學基本知識完整版

1、第1章 土的組成 土是松散顆粒的堆積物，是巖石風化的產(chǎn)物1.1 1.1 土的形成土的形成 母巖物理風化物理風化 化學風化化學風化 生物風化生物風化 原生礦物：石英、云母長石等次生礦物：粘土礦物、無定形氧化物膠體、可溶鹽等散粒體散粒體結(jié)晶作用結(jié)晶作用膠結(jié)作用膠結(jié)作用生物化學生物化學1.1 土的形成 物理風化：巖石經(jīng)受風、霜、雨、雪的侵蝕，或受波浪的沖擊、地震等引起各種力的作用，溫度的變化、凍脹等因素使整體巖石產(chǎn)生裂隙、崩解碎裂成巖塊、巖屑的過程。 化學風化：巖體（或巖塊、巖屑）與氧氣、二氧化碳等各種氣體、水和各種水溶液等物質(zhì)相接觸，經(jīng)氧化、碳化和水化作用，使這些巖石或巖屑逐漸產(chǎn)生化學變化，分解為

2、極細顆粒的過程。特征：F物理風化：量變過程，形成的土顆粒較粗；F化學風化：質(zhì)變過程，形成的土顆粒很細。 對一般的土而言，通常既經(jīng)歷過物理風化，又有化學風化，只不過哪種占優(yōu)而已。1.2 土的特點大量孔隙大量孔隙非連續(xù)介質(zhì)非連續(xù)介質(zhì) 巖石風化巖石風化的產(chǎn)物的產(chǎn)物 一、土具有碎散性碎散性二、土是三相體系三相體系固相固相土骨架土骨架液相液相水水氣相氣相空氣空氣多相介質(zhì)多相介質(zhì) 三、土有自然變異性自然變異性土是自然界的產(chǎn)物，性質(zhì)復雜土是自然界的產(chǎn)物，性質(zhì)復雜 1.3 土的三相組成氣相固相液相+構(gòu)成土骨架，起決定作用構(gòu)成土骨架，起決定作用重要影響重要影響土體次要作用次要作用土是固體顆粒、水和空氣的混合物，

3、常稱土為三相系。土的顆粒、粒間膠結(jié)物土體孔隙中的水孔隙中的空氣當土骨架的孔隙全部被水占滿時，這種土稱為飽和土；當土骨架的孔隙僅含空氣時，就成為干土；一般在地下水位以上地面以下一定深度內(nèi)的土的孔隙中兼含空氣和水，此時的土體屬三相系，稱為濕土。根據(jù)土的粘性分：粘性土：顆粒很細； 無粘性土：顆粒較粗，甚至很大。砂、碎石、甚至堆石（直徑幾十cm甚至1m） 顆粒大小 粒度 土粒的大小，通常以粒徑表示土粒的大小，通常以粒徑表示粒組 按粗細進行分組，將粒徑接近的歸成一類按粗細進行分組，將粒徑接近的歸成一類界限粒徑 劃分粒組的分界尺寸劃分粒組的分界尺寸1.4 土中固體顆粒d(mm)d(mm)礫石礫石砂粒砂粒粉

4、粒粉粒粘粒粘粒膠粒膠粒6020.0750.0050.0020.250.5520粗 中 細 粗 中 細 極細粗粒粗粒細粒細粒0.075 粒徑級配 確定方法確定方法 篩分法：篩分法：適用于粗粒土適用于粗粒土 (0.075 mm) 水分法：水分法：適用于細粒土適用于細粒土 ( i0, v = k(i - i0 )ivovcr(1)mvkim3.2.2 滲透系數(shù)的測定及影響因素 室內(nèi)試驗測定方法室內(nèi)試驗測定方法野外試驗測定方法野外試驗測定方法常水頭試驗法常水頭試驗法 變水頭試驗法變水頭試驗法井孔抽水試驗井孔抽水試驗 井孔注水試驗井孔注水試驗 1. 1. 測定方法測定方法 適用透水性較適用透水性較大的砂

5、性土大的砂性土適適適用透水性較適用透水性較小的粘性土小的粘性土H1H2H3Hhk1k2k3xzq1xq3xq2xL1122不透不透水層水層 (1) 水平滲流水平滲流 條件條件: : mhiiL xmxqqmHH層狀地基的等效滲透系數(shù) 等效滲透系數(shù)等效滲透系數(shù): : qx=vxH=kxiHqmx=kmimHm xmmmm1kH kHHkH 層狀地基的等效滲透系數(shù)(2) 豎直滲流豎直滲流 H1H2H3Hhk1k2k3xzv承壓水承壓水 條件條件: mvvmhh mHH等效滲透系數(shù)等效滲透系數(shù): : mmmvHhk zkvHh mzmvHvHkk mmmmhvkH mzmH11kH k zmmHkH

6、k 算例算例 day/m100k,m0 . 1Hday/m1k,m0 . 1Hday/m01. 0k,m0 . 1H332211 按層厚加權(quán)平均，由較大值控制按層厚加權(quán)平均，由較大值控制倒數(shù)按層厚加權(quán)平均，由較小值控制倒數(shù)按層厚加權(quán)平均，由較小值控制day/m67.33HHkkiix day/m03. 0kHHkiiz 3.4 滲透力與滲透變形滲透力與滲透變形 一一 滲透力的性質(zhì)滲透力的性質(zhì) 物理意義：物理意義：單位土體內(nèi)土骨架所受到的滲透水流的單位土體內(nèi)土骨架所受到的滲透水流的拖曳力，它是體積力拖曳力，它是體積力 j = wi 大?。捍笮。?方向：方向：與與 i 方向一致（均質(zhì)土與方向一致（

7、均質(zhì)土與滲流方向一致）滲流方向一致） 作用對象：作用對象：土骨架土骨架 滲透力與浮力有何區(qū)別？滲透力與浮力有何區(qū)別？ 基本類型基本類型 二二. .滲透變形（滲透破壞）滲透變形（滲透破壞）流土流土 管涌管涌 土工建筑物及地基由于滲流作用而出現(xiàn)的變形或破壞形成條件形成條件 防治措施防治措施 1. 1. 流土流土 流土 在向上的滲透作用下，表層局部土體顆粒在向上的滲透作用下，表層局部土體顆粒同時發(fā)生懸浮移動的現(xiàn)象同時發(fā)生懸浮移動的現(xiàn)象粘性土粘性土k1k2砂性土砂性土k2壩體壩體滲流滲流crii0JW 原因：原因：i icr : 土體發(fā)生流土破壞土體發(fā)生流土破壞 在滲流作用下，一定級配的無粘性土中的細

8、小顆在滲流作用下，一定級配的無粘性土中的細小顆粒，通過較大顆粒所形成的孔隙發(fā)生移動，最終粒，通過較大顆粒所形成的孔隙發(fā)生移動，最終在土中形成與地表貫通的管道。在土中形成與地表貫通的管道。2. 2. 管涌管涌管涌管涌 原因：原因： 內(nèi)因內(nèi)因 有足夠多的有足夠多的粗顆粒形成大于細粒徑粗顆粒形成大于細粒徑的孔隙通道的孔隙通道外因外因滲透力足夠大滲透力足夠大 管涌管涌破壞流土與管涌的比較流土與管涌的比較 流土流土 土體局部范圍的顆粒同土體局部范圍的顆粒同時發(fā)生移動時發(fā)生移動管涌管涌 只發(fā)生在水流滲出的表層只發(fā)生在水流滲出的表層只要滲透力足夠大，可發(fā)只要滲透力足夠大，可發(fā)生在任何土中生在任何土中 破壞過

9、程短破壞過程短 導致下游坡面產(chǎn)生局部滑導致下游坡面產(chǎn)生局部滑動等動等現(xiàn)象現(xiàn)象 位置位置 土類土類 歷時歷時 后果后果 土體內(nèi)細顆粒通過粗粒土體內(nèi)細顆粒通過粗粒形成的孔隙通道移動形成的孔隙通道移動可發(fā)生于土體內(nèi)部和滲可發(fā)生于土體內(nèi)部和滲流溢出處流溢出處一般發(fā)生在特定級配的無一般發(fā)生在特定級配的無粘性土或分散性粘土粘性土或分散性粘土 破壞過程相對較長破壞過程相對較長 導致結(jié)構(gòu)發(fā)生塌陷或潰口導致結(jié)構(gòu)發(fā)生塌陷或潰口防治防治延長滲徑，增加透水蓋重延長滲徑，增加透水蓋重 設(shè)反濾層等，減小滲透坡降設(shè)反濾層等，減小滲透坡降 第4章 土中應力 強度問題強度問題 變形問題變形問題 地基中的應力狀態(tài)地基中的應力狀態(tài)

10、 應力應變關(guān)系應力應變關(guān)系 土力學中應力符號的規(guī)定土力學中應力符號的規(guī)定 應力狀態(tài)應力狀態(tài) 自重應力自重應力 附加應力附加應力 基底壓力計算基底壓力計算 建筑物修建以后，建筑物重量建筑物修建以后，建筑物重量等外荷載在地基中引起的應力，等外荷載在地基中引起的應力，所謂的所謂的“附加附加”是指在原來自是指在原來自重應力基礎(chǔ)上增加的應力。重應力基礎(chǔ)上增加的應力。建筑物修建以前，地基中由建筑物修建以前，地基中由土體本身的有效重量所產(chǎn)生土體本身的有效重量所產(chǎn)生的應力。的應力。4.14.1 地基中自重應力地基中自重應力 水平地基中的自重應力水平地基中的自重應力定義：定義：在修建建筑物以前，地基中由在修建建

11、筑物以前，地基中由土體本身的有效重量而產(chǎn)生的應力。土體本身的有效重量而產(chǎn)生的應力。 計算：計算：地下水位以上用天然重度，地地下水位以上用天然重度，地下水位以下用浮重度下水位以下用浮重度 土體在自重作用下，在漫長的地質(zhì)歷史時期，已經(jīng)壓土體在自重作用下，在漫長的地質(zhì)歷史時期，已經(jīng)壓縮穩(wěn)定，因此，縮穩(wěn)定，因此，土的自重應力不再引起土的變形土的自重應力不再引起土的變形。但對。但對于新沉積土層或近期人工充填土應考慮自重應力引起的于新沉積土層或近期人工充填土應考慮自重應力引起的變形。變形。天然地面cz cx cy 11zzcz zcz cz= z (1)、豎向自重應力 土體中任意深度處的豎向自重應力等于單

12、位面土體中任意深度處的豎向自重應力等于單位面積上土柱的有效重量積上土柱的有效重量 cz= z czcz沿水平面均勻分布，且與z成正比，即隨深度按直線規(guī)律分布成層土的自重應力計算 iniinnczhhhh 12211說明：說明：1.地下水位以上土層采用地下水位以上土層采用天然重度，地下水位以下天然重度，地下水位以下土層采用浮重度土層采用浮重度2.非均質(zhì)土中自重應力沿非均質(zhì)土中自重應力沿深度呈折線分布深度呈折線分布 3.3.不透水層中不存在水的不透水層中不存在水的浮力，所以層面及層面以浮力，所以層面及層面以下的自重應力應按上覆土下的自重應力應按上覆土層的水土總重計算層的水土總重計算天然地面天然地面

13、 h1h2h33 2 1 水位面水位面 1 h1 1 h1 + 2h2 1 h1 + 2h2 + 3h3 (2)、水平向自重應力01sxsyszszK式中，式中，K0為土的靜止側(cè)壓力系數(shù)，為土的靜止側(cè)壓力系數(shù)， 為泊松比為泊松比czcycxK0天然地面天然地面zcz cx cy zcz靜止側(cè)壓靜止側(cè)壓力系數(shù)力系數(shù)(4)、例題分析 【例】一地基由多層土組成，地質(zhì)剖面如下圖一地基由多層土組成，地質(zhì)剖面如下圖所示，試計算并繪制自重應力所示，試計算并繪制自重應力cz沿深度的分沿深度的分布圖布圖 57.0kPa80.1kPa103.1kPa150.1kPa194.1kPainiinnczhhhh 122

14、114.2 4.2 基底壓力計算基底壓力計算基底壓力基底壓力：基礎(chǔ)底面?zhèn)骰A(chǔ)底面?zhèn)鬟f給地基表面的壓力，遞給地基表面的壓力，也稱也稱基底接觸壓力基底接觸壓力。基底壓力基底壓力附加應力附加應力 地基沉降變形地基沉降變形 基底反力基底反力基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的外荷載基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的外荷載 上部結(jié)構(gòu)的自重上部結(jié)構(gòu)的自重及各種荷載都是及各種荷載都是通過基礎(chǔ)傳到地通過基礎(chǔ)傳到地基中的。基中的。 影響因素影響因素 計算方法計算方法 分布規(guī)律分布規(guī)律上部結(jié)構(gòu)上部結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)基礎(chǔ)地基地基建筑物建筑物設(shè)計設(shè)計暫不考慮上部結(jié)構(gòu)的影暫不考慮上部結(jié)構(gòu)的影響，使問題得以簡化；響，使問題得以簡化；用荷載代替上部結(jié)構(gòu)。用荷載代替上部結(jié)構(gòu)。BLPB

15、PBPBLPBPBPp APp yyxxIxMIyMAP)y, x(p IMxBP)x(p hvPPP hvPPP 荷載條件荷載條件 豎直中心豎直中心 豎直偏心豎直偏心 傾斜偏心傾斜偏心 基基礎(chǔ)礎(chǔ)形形狀狀矩矩形形條條形形P單位長度上的荷載BLPo ox xy y4.2.1 4.2.1 基底壓力基底壓力簡化計算簡化計算 假定假定基底壓力按基底壓力按直線分布的材料力學方法直線分布的材料力學方法 e ex xe ey yB BL Lx xy yx xy yB BL LPPxyyxePM;ePM Be61APpee , 0eminmaxxy當當矩形面積中心荷載矩形面積中心荷載 APp 矩形面積偏心荷載

16、矩形面積偏心荷載 yyxxIxMIyMAP)y, x(p Be61APpmax Be61APpmineB/6: 出現(xiàn)拉應力區(qū)出現(xiàn)拉應力區(qū) e ex xy yB BL LK K3K3KP0pmin maxpL)e2B(3P2KL3P2pmax 土不能承土不能承受拉應力受拉應力基底基底壓力壓力合力合力與總與總荷載荷載相等相等壓力調(diào)整壓力調(diào)整 K=B/2-eK=B/2-ee ex xy yB BL LK K3K3KPmaxpK=B/2-eK=B/2-e形心 max0.53FPK LPFmax0.53PPK LL)e2B(3P2KL3P2pmax 4.2.3 基底附加應力的計算 基底附加應力基底附加應

17、力基底凈壓力基底凈壓力 概念：作用在基礎(chǔ)底面的壓力與該處原來的自重應力之差。概念：作用在基礎(chǔ)底面的壓力與該處原來的自重應力之差。 基礎(chǔ)總是埋置在天然地面以下一定的深度，勢必要進行基坑開挖，這樣一來就意味著加了一個負荷載。因此，應在基底壓力中扣除基底標高處原有土的自重應力，才是基礎(chǔ)底面下真正施加于地基的壓力，稱為基底附加應力或基基底附加應力或基底凈壓力。底凈壓力。 計算公式計算公式： p0=p sz=p 0d 0基底以上土的重度； d基底埋深4.3 4.3 地基中附加應力的計算地基中附加應力的計算豎直豎直集中力集中力矩形面積豎直均布荷載矩形面積豎直均布荷載 矩形面積豎直三角形荷載矩形面積豎直三角

18、形荷載 水平水平集中力集中力矩形面積水平均布荷載矩形面積水平均布荷載 豎直線布荷載豎直線布荷載 條形面積豎直均布荷載條形面積豎直均布荷載 圓形面積豎直均布荷載圓形面積豎直均布荷載 特殊面積、特殊荷載特殊面積、特殊荷載主要討論主要討論豎直應力豎直應力荷載方向荷載方向荷載分布荷載分布作用面作用面矩形面積豎直均布荷載作用下的附加應力計算1. 角點下的豎直附加應力角點下的豎直附加應力 zcp( , , )(,)( , )cL zF B L zFF m nB B矩形豎直向均布矩形豎直向均布荷載角點下的應荷載角點下的應力分布系數(shù)力分布系數(shù) zxyBLdPp pzM Mm=L/B, n=z/Bm=L/B,

19、n=z/B a. a.矩形面積內(nèi)矩形面積內(nèi)()ABCDzccccp()beghafghcegidfgizccccpb.b.矩形面積外矩形面積外兩種情況：兩種情況： ADBCaebcdfgih矩形面積三角形分布荷載作用下的附加應力計算矩形面積三角形分布荷載作用下的附加應力計算 1zttp1( , , )(,)( , )tL zF B L zFF m nB B矩形面積豎直三角分矩形面積豎直三角分布荷載角點下的應力布荷載角點下的應力分布系數(shù)分布系數(shù) zxyBLdPp pt tM Mz第5章 土的壓縮性 一、基本概念一、基本概念土在壓力作用下，體積縮小的現(xiàn)象稱為土的壓縮性土的壓縮性。土體壓縮主要來自孔

20、隙水孔隙水和土中孔隙氣體土中孔隙氣體的排出。 孔隙中水和氣體向外排出要有一個時間過程。因此土的壓縮亦要經(jīng)過一段時間才能完成。我們把這一與時間有關(guān)的壓縮過程稱為固結(jié)固結(jié)。二、固結(jié)試驗 試驗室測定土的壓縮性的主要裝置為固結(jié)儀。在這種儀器中進行試驗，由于試樣不可能產(chǎn)生側(cè)向變形，只有豎向壓縮。于是，我們把這種條件下的壓縮試驗稱為單向壓單向壓縮試驗縮試驗或側(cè)限壓縮試驗側(cè)限壓縮試驗。土的壓縮是由于孔隙體積的減小，所以土的變形常用孔隙比e表示。三、三、壓縮曲線壓縮曲線研究土在不同壓力作用下，孔隙比變化規(guī)律研究土在不同壓力作用下，孔隙比變化規(guī)律 土樣在壓縮前后變土樣在壓縮前后變形量為形量為H Hi i，整個，

21、整個過程中土粒體積和過程中土粒體積和底面積不變底面積不變0011iiHeHe土樣受壓前后高度之土樣受壓前后高度之比等于體積之比比等于體積之比000(1)iiHeeeH整理整理Vve0Vs1H0/(1+e0)H0VveVs1H1/(1+e)pH1Hip 根據(jù)不同壓力根據(jù)不同壓力p作用下，達到穩(wěn)定的孔隙比作用下，達到穩(wěn)定的孔隙比e，繪制繪制e-p曲線，為壓縮曲線曲線，為壓縮曲線 (a) e-p曲線曲線 (b) e-logp曲線曲線 壓縮曲線壓縮曲線 四、壓縮性指標根據(jù)壓縮曲線可以得到壓縮性指標：根據(jù)壓縮曲線可以得到壓縮性指標： (1) (1) 壓縮系數(shù)壓縮系數(shù)a (2) (2) 壓縮指數(shù)壓縮指數(shù)C

22、 CC C(3) (3) 壓縮模量壓縮模量Es (4) (4) 變形模量變形模量E E0 0(1).(1).壓縮系數(shù)壓縮系數(shù)a a 土體在側(cè)限條件下孔隙土體在側(cè)限條件下孔隙比減少量與豎向壓比減少量與豎向壓應應力力增量的比值增量的比值(MPa(MPa-1-1) )p1p2e1e2M1M2e0epe- -p曲線曲線 pe1221 ppeepea斜斜率率d d eap 規(guī)范規(guī)范用用p1100kPa、 p2200kPa對應的壓縮系對應的壓縮系數(shù)數(shù)a1-2評價土的壓縮性評價土的壓縮性1221 ppeepea在壓縮曲線中，實際采用在壓縮曲線中，實際采用割線斜率表示土的壓縮性割線斜率表示土的壓縮性 (2).

23、 壓縮指數(shù)壓縮指數(shù)Cc 土體在側(cè)限條件下孔隙比減土體在側(cè)限條件下孔隙比減少量與有效壓應力常用對數(shù)少量與有效壓應力常用對數(shù)值增量的比值。值增量的比值。12122121logloglog(/)ceeeeCpppp壓縮指數(shù)五、應力歷史對壓縮性的影響 先期固結(jié)應力先期固結(jié)應力 pc：土在歷史上曾受到過的最大有效應力。 超固結(jié)比超固結(jié)比OCR ：前期固結(jié)應力與現(xiàn)有有效應力之比，即 OCR pc/p 正常固結(jié)土：正常固結(jié)土：先期固結(jié)壓力等于現(xiàn)時的土壓力先期固結(jié)壓力等于現(xiàn)時的土壓力pcp0 OCR=1 超固結(jié)土：超固結(jié)土：先期固結(jié)壓力大于現(xiàn)時的土壓力先期固結(jié)壓力大于現(xiàn)時的土壓力pcp0 OCR1, OCR愈

24、大，土受到的超固結(jié)作用愈強，在其他條件相同的情況下，其壓縮性愈低。 欠固結(jié)土欠固結(jié)土 ：先期固結(jié)壓力小于現(xiàn)時的土壓力先期固結(jié)壓力小于現(xiàn)時的土壓力pcp0 OCR1,土在自重作用下還沒有完全固結(jié)，土的固結(jié)應力末全部轉(zhuǎn)化為有效應力，即尚有一部分由孔隙水所承擔。第6章 地基變形沉降的三個部分：沉降的三個部分：a、瞬時沉降： 根據(jù)彈性理論公式估算。b、主固結(jié)沉降： 采用分層總和法計算。c、次固結(jié)沉降： 由土顆粒之間的蠕變及重新排列產(chǎn)生。 地基沉降是隨時間而發(fā)展的。地基的最終沉降量是指地基土在外荷作用下壓縮穩(wěn)定后的沉降量。對一般粘性土來講，固結(jié)沉降是基礎(chǔ)沉降或地基沉降的主要部分，通常所說的基礎(chǔ)沉降一般都

25、是指固結(jié)沉降固結(jié)沉降。地基最終沉降量的計算常用方法有(傳統(tǒng)的)分層總和法和規(guī)范推薦的分層總和法。分層總和法分層總和法在地基沉降計算深度范圍內(nèi)將地基土劃分為若若干分層來計算各分層的壓縮量，然后求其總和干分層來計算各分層的壓縮量，然后求其總和。每個分層壓縮量的計算方法與無側(cè)向變形條件下的壓縮量計算方法相同。6.3 地基的最終沉降量計算地基沉降計算深度地基沉降計算深度 基礎(chǔ)底面向下需要計算壓縮變形所達到的深度。基礎(chǔ)底面向下需要計算壓縮變形所達到的深度。沉降計算深度的下限沉降計算深度的下限( (應力比法應力比法) ) 一般取地基附加應力等于自重應力的一般取地基附加應力等于自重應力的 20% , 即即

26、z 0.2 c處；在該深度以下如有高壓縮性土，則應繼續(xù)向下計處；在該深度以下如有高壓縮性土，則應繼續(xù)向下計算至算至 z 0.1 c處處isiiiiiiiiiiiiiiHEpHeppaHeeeHS1121211)(1各分層沉降量各分層沉降量： 最終沉降量最終沉降量： 121nniisssss 6.2.3 計算步驟計算步驟 1 選擇沉降計算剖面選擇沉降計算剖面，在每一個剖面，在每一個剖面上選擇若干計算點（通常為基礎(chǔ)的中上選擇若干計算點（通常為基礎(chǔ)的中心點）。心點）。 2 地基分層地基分層。天然土層的交界面和地。天然土層的交界面和地下水位面必為分層面，在同一類土層下水位面必為分層面，在同一類土層中分

27、層厚度不宜過大。一般取分層厚中分層厚度不宜過大。一般取分層厚hi0.4b或或hi=12m，b為基礎(chǔ)寬度。為基礎(chǔ)寬度。 3 求出計算點垂線上各分層層面處的求出計算點垂線上各分層層面處的豎向自重應力豎向自重應力 c c ( 從地面起算從地面起算)。d 地基沉降計算深度地基沉降計算深度 c線線 z線線 4 4 求出計算點垂線上各分層層面處的求出計算點垂線上各分層層面處的豎向附加應力豎向附加應力 z z，取，取 z z 0.20.2 c c ( (低壓縮性土低壓縮性土) )或或 z z 0.10.1 c c ( (高壓縮性土高壓縮性土) )處的土層處的土層深度為深度為地基沉降計算深度地基沉降計算深度。

28、5 求出各分層的求出各分層的平均自重應平均自重應力力p1i 和平均附加應力和平均附加應力 pi6 由各分層的平均自重應力由各分層的平均自重應力p1i 和平均自重應力和平均自重應力p1i 與與平均附加應力平均附加應力 pi 之和之和(p1i+ pi ) ,在壓縮曲線上在壓縮曲線上查出相應的查出相應的初始孔隙比和初始孔隙比和壓縮穩(wěn)定后的孔隙比壓縮穩(wěn)定后的孔隙比7 計算計算各分層土的壓縮量各分層土的壓縮量 si 8 地基地基最終沉降量最終沉降量 s 的分層的分層總和法總和法d地面地面基底基底pp0 d 自重應力自重應力 附加應力附加應力 沉降計算深度沉降計算深度 sziziHi自重應力自重應力從從地

29、面地面算起算起附加應力附加應力是由基底附加應是由基底附加應力力 p-d 引起的引起的 iSS6.4 飽和土中的有效應力 把飽和土體中由孔隙水來承擔或傳遞的應力定義為孔隙孔隙水應力水應力，常以u表示。wwhu把通過粒間的接觸面?zhèn)鬟f的應力稱為有效應力。土的變形與強度都只取決于有效應力土的變形與強度都只取決于有效應力有效應力原理有效應力原理 飽和土中任意點的總應力總是等于有效應力加上孔隙水壓力u u固結(jié)的力學機理固結(jié)的力學機理1 整個滲流固結(jié)過程中u和 都是在隨時間t而不斷變化滲流固結(jié)過程的實質(zhì)就是土中兩種不同應力形態(tài)的轉(zhuǎn)化過程。2 超靜孔隙水壓力超靜孔隙水壓力，是由外荷載引起，超出靜水位以上的那部

30、分孔隙水壓力。它在固結(jié)過程中隨時間不斷變化，固結(jié)完成應等于零，飽水土層中任意時刻的總孔隙水壓力應是靜孔隙水壓力與超靜孔隙水壓力之和。3 側(cè)限條件下t0時，飽和土體的初始超靜孔隙水壓力u0數(shù)值上就等于施加的外荷載強度 (總應力).飽和土的滲流固結(jié)就是超孔隙水壓力的消散和有飽和土的滲流固結(jié)就是超孔隙水壓力的消散和有效應力相應增加的過程效應力相應增加的過程6.5 地基變形與時間的關(guān)系6.5.1 一維固結(jié)理論1vwk(1e )Ca 固結(jié)系數(shù)固結(jié)系數(shù) 2v2uuCtz svwkEC 或或vv2CTtH 時間因數(shù)時間因數(shù) H土層最遠的排水距離，當土層為單面(上面或下面)排水時，H取土層厚度；雙面排水時，水

31、由土層中心分別向上下兩方向排出，此時H應取土層厚度之半。6.5.2 地基固結(jié)度地基固結(jié)度 一點一點M： 地地 層：層： 一層土的平均固結(jié)度一層土的平均固結(jié)度 ,001Hz tz tttHzzdzu dzSUSdzdz 有效應力分布面積總應力分布面積1、基本概念、基本概念 地基固結(jié)度是指地基土層在某一壓力作用下，經(jīng)歷地基固結(jié)度是指地基土層在某一壓力作用下，經(jīng)歷時間時間t所產(chǎn)生的固結(jié)變形量與最終固結(jié)變形量之比所產(chǎn)生的固結(jié)變形量與最終固結(jié)變形量之比值，或土中超孔隙水壓力消散程度值，或土中超孔隙水壓力消散程度00,Zctcz tzUssuuu在時刻在時刻t t的沉降量與最終沉降量之比的沉降量與最終沉降

32、量之比3) 3) 常見計算常見計算條件條件雙面排水時雙面排水時 無論哪種情況，均按情況1計算；壓縮土層深度H取1/2值透水邊界 apbp應力分布：應力分布：12534基本情況：基本情況：透水邊界 H2vvCTtH 求某一時刻t的固結(jié)度與沉降量 tTv=Cvt/H22vvT4t,(T )28U1e或查表 St=Ut S Ut= St /S 從從 Ut 查表確定查表確定 Tv 2vvT HtC求達到某一沉降量(固結(jié)度)所需要的時間 例例2 某飽和黏土層的厚度為10m，在大面積荷載p0=120kPa作用下，設(shè)該土層的初始孔隙比e0=1，壓縮系數(shù)=0.3MPa-1,壓縮模量ES=6.0MPa，滲透系數(shù)

33、k=5.710-8 cm/s。對黏土層在單面排水或雙面排水條件下分別求(1)加荷后一年時的變形量；(2)變形量156cm所需的時間 解解 (1)加荷后一年時的變形量 黏土層中附加應力沿深度是均布的，z= p0 =120kPa黏土層的最終變形量 s= zH/ES =120 10000/6000=200mm黏土層的豎向固結(jié)系數(shù) CV=k(1+e0)/(W )=5.710-8 (1+1)/(10 10-6 3) =3.8 10-3 cm2/s=1.2 105 cm2/年對于單向排水條件下：豎向固結(jié)時間因數(shù) TV=CVt/H2=1.2 105 1/10002=0.12由UZ TV曲線(1)查的相應的固

34、結(jié)度UZ =0.39；則得t=1年時的變形量st= UZ s=0.39 200=78mm在雙面排水條件下仍用UZ TV曲線(1)，但壓縮土層厚度取半數(shù)：豎向固結(jié)時間因數(shù) TV=CVt/H2=1.2 105 1/5002=0.48查的相應的固結(jié)度UZ =0.75；則得t=1年時的變形量st= UZ s=0.75 200=150mm(2)求變形量達156cm所需的時間平均固結(jié)度將為UZ = st /s=156/200=0.78，由UZ TV曲線(1)查的相應的時間因素TV=0.53在單向排水條件下： t= TV H2/CV=0.53 10002/1.2 105=4.4年在雙向排水條件下： t= T

35、V H2/CV=0.53 5002/1.2 105=1.1年第7章 土的抗剪強度 土的抗剪強度土的抗剪強度是指土體對于外荷載所產(chǎn)生的剪應力的極限抵抗能力。 土的破壞主要是由于剪切所引起的，剪切破壞剪切破壞是土體破壞的重要特點。1. 庫侖定律庫侖定律 庫侖定律：庫侖定律：土的抗剪強度是剪切面上的法向總應力土的抗剪強度是剪切面上的法向總應力 的的線性函數(shù)線性函數(shù) tanfcftanc: :土的粘聚力土的粘聚力 : :土的內(nèi)摩擦角土的內(nèi)摩擦角2. 土的極限平衡條件和莫爾庫侖破壞準則應力圓與強度線應力圓與強度線相離：相離： 應力圓與強度線應力圓與強度線相切：相切： 應力圓與強度線應力圓與強度線相割：相

36、割： 強度線強度線極限應極限應力圓力圓f 破壞狀態(tài)破壞狀態(tài) 彈性平衡狀態(tài)彈性平衡狀態(tài) 極限平衡狀態(tài)極限平衡狀態(tài) 莫爾應力圓與庫侖強度線相切的應力狀態(tài)作為土的破壞莫爾應力圓與庫侖強度線相切的應力狀態(tài)作為土的破壞準則準則 (目前判別土體所處狀態(tài)的最常用準則目前判別土體所處狀態(tài)的最常用準則) 上式即為土的極限平衡條件極限平衡條件。當土的強度指標c， 為已知，若土中某點的大小主應力1和3滿足上列關(guān)系式時，則該土體正好處于極限平衡或破壞狀態(tài)。 1f 313ctg2ctanfc O c132131313132sin2ctgctg2cc 213231tan452tan 4522tan452tan 4522c

37、c 土體處于極限平衡狀態(tài)時，破壞面與大主應力作用面土體處于極限平衡狀態(tài)時，破壞面與大主應力作用面的夾角為的夾角為 f f2 f 3 1c A cctg 1/2( 1 + 3 )2459021f45max說明：說明：剪破面并不產(chǎn)生于最大剪應力面，而與最大剪剪破面并不產(chǎn)生于最大剪應力面，而與最大剪應力面成應力面成 / 2的夾角，可知，土的剪切破壞并不是由最的夾角，可知，土的剪切破壞并不是由最大剪應力大剪應力max所控制所控制 max4. 破壞判斷方法221,3422xzxzxz1 1f 破壞狀態(tài)破壞狀態(tài) O c 1f 3 1 1 3 3= = 常數(shù)：常數(shù)： 根據(jù)應力狀態(tài)計算出大小主應力根據(jù)應力狀態(tài)

38、計算出大小主應力1、3，由，由3計算計算1f，比較比較1與與1f213452tg 4522ftgc 1 1= = 常數(shù)：常數(shù)： 根據(jù)應力狀態(tài)計算出大小主應力1、3，由1計算3f，比較3與3f221,3422xzxzxz231452tg 4522ftgc O c 1 3f 3 33 3f 彈性平衡狀態(tài)彈性平衡狀態(tài)3= =3f 極限平衡狀態(tài)極限平衡狀態(tài)3 3f 破壞狀態(tài)破壞狀態(tài) 【例】地基中某一單元土體上的大主應力為地基中某一單元土體上的大主應力為430kPa430kPa，小主應，小主應力為力為200kPa200kPa。通過試驗測得土的抗剪強度指標。通過試驗測得土的抗剪強度指標c c=15 kPa

39、=15 kPa， =20=20o o。試問該單元土體處于何種狀態(tài)？。試問該單元土體處于何種狀態(tài)？【解答解答】已知已知 1=430kPa=430kPa， 3=200kPa=200kPa，c=15kPa=15kPa， =20=20o o 1.1.計算法計算法kPacoof8 .450245tan2245tan231計算結(jié)果表明：計算結(jié)果表明： 1f 大于該單元土體實際大主應力大于該單元土體實際大主應力 1，實際，實際應力圓半徑小于極限應力圓半徑，所以，該單元土體處于彈應力圓半徑小于極限應力圓半徑，所以，該單元土體處于彈性平衡狀態(tài)性平衡狀態(tài) 5. 例題分析kPacoof8 .189245tan224

40、5tan213計算結(jié)果表明：計算結(jié)果表明： 3f小于該單元土體實際小主應力小于該單元土體實際小主應力 3，實際應力圓半徑小于極限應力圓半徑實際應力圓半徑小于極限應力圓半徑 ，所以，該單元，所以，該單元土體處于彈性平衡狀態(tài)土體處于彈性平衡狀態(tài) 在剪切面上在剪切面上 552459021fkPaf7.2752cos21213131kPaf1 .1082sin2131庫侖定律庫侖定律 kPacf3 .115tan 由于由于f ，所以，該單元土體處于彈性平衡狀態(tài)，所以，該單元土體處于彈性平衡狀態(tài) 7.3 土的抗剪強度試驗 一、室內(nèi)試驗一、室內(nèi)試驗二、野外試驗二、野外試驗 直剪試驗、三軸壓縮試驗、無直剪試

41、驗、三軸壓縮試驗、無側(cè)限抗壓強度試驗等側(cè)限抗壓強度試驗等 制樣（重塑土）或現(xiàn)場取樣制樣（重塑土）或現(xiàn)場取樣 缺點：擾動缺點：擾動 優(yōu)點：應力條件清楚，易重復優(yōu)點：應力條件清楚，易重復 十字板扭剪試驗等十字板扭剪試驗等 原位試驗原位試驗 缺點：應力條件不易掌握缺點：應力條件不易掌握 優(yōu)點：原狀土的原位強度優(yōu)點：原狀土的原位強度 一、室內(nèi)試驗一、室內(nèi)試驗 1.1.直剪試驗直剪試驗直剪試驗可分為直剪試驗可分為固結(jié)慢剪固結(jié)慢剪、固結(jié)快剪固結(jié)快剪和和快剪快剪 2.三軸剪切試驗三軸壓縮試驗也稱三軸剪切試驗，是測定土抗剪強度較為完善的方法。三軸壓縮試驗測定，按剪切前的固結(jié)狀態(tài)和剪切時的排水條件分為三種固結(jié)排

42、水試驗、固結(jié)不排水試驗固結(jié)排水試驗、固結(jié)不排水試驗和不固結(jié)不排水試驗。不固結(jié)不排水試驗。3.無側(cè)限抗壓強度試驗三軸壓縮試驗的特殊情況（3=0），又稱單軸試驗第8章 土壓力土壓力土壓力通常是指擋土墻后的填土因自重或外荷載作用通常是指擋土墻后的填土因自重或外荷載作用對墻背產(chǎn)生的側(cè)壓力對墻背產(chǎn)生的側(cè)壓力根據(jù)墻的位移情況和墻后土體所處的應力狀態(tài)，土壓力可分為以下三種：靜止土壓力、主動土壓力和被動土壓力。 1.1.靜止土壓力靜止土壓力 擋土墻在壓力作用下不發(fā)生任何變形和位移(靜止不動)，墻后土體處于彈性平衡狀態(tài)時，土體作用在擋土墻上的土壓力稱為靜止土壓力，用E0表示。 2.2.主動土壓力主動土壓力 在土

43、壓力作用下，擋土墻離開土體向前位移至一定數(shù)值，墻后土體達到主動極限平衡狀態(tài)時，作用在墻上的土壓力稱為主動土壓力，用Ea表示。 3.3.被動土壓力被動土壓力 在外力作用下，擋土墻推擠土體向后位移至一定數(shù)值，墻后土體達到被動極限平衡狀態(tài)時，作用在墻上的土壓力稱為被動土壓力，用Ep表示。 對同一擋土墻，在填土對同一擋土墻，在填土的物理力學性質(zhì)相同的的物理力學性質(zhì)相同的條件下條件下有以下規(guī)律：有以下規(guī)律： Ea Eo Ep 5 5、靜止土壓力計算、靜止土壓力計算作用在擋土結(jié)構(gòu)背面的靜止土壓力可視為天然土層自重應作用在擋土結(jié)構(gòu)背面的靜止土壓力可視為天然土層自重應力的水平分量力的水平分量 K0h hzK0

44、zooKhE221zh/3靜止土壓力靜止土壓力系數(shù)系數(shù)ooKz靜止土壓力強度靜止土壓力強度 靜止土壓力分布靜止土壓力分布 土壓力作用點土壓力作用點 三角形分布三角形分布 作用點距墻底作用點距墻底h/ /3 8.3 朗肯土壓力理論8.3.1 朗肯土壓力基本理論朗肯土壓力基本理論1.1.擋土墻背垂直、光滑擋土墻背垂直、光滑 2.2.填土表面水平填土表面水平 3.3.墻體為剛性體墻體為剛性體z=zxK0zzf=0=0p paKazp ppKpz增加增加減小減小4545o o- - / 24545o o / 2大主應力方向大主應力方向主動主動伸展伸展被動被動壓縮壓縮小主應力方向小主應力方向p pap

45、pp f zK0z f =c+ tan 土體處于土體處于彈性平衡彈性平衡狀態(tài)狀態(tài)主動極限主動極限平衡狀態(tài)平衡狀態(tài)被動極限被動極限平衡狀態(tài)平衡狀態(tài)水平方向均勻壓縮水平方向均勻壓縮伸展伸展壓縮壓縮主動朗主動朗肯狀態(tài)肯狀態(tài) 被動朗被動朗肯狀態(tài)肯狀態(tài) 水平方向均勻伸展水平方向均勻伸展處于主動朗肯狀態(tài)，處于主動朗肯狀態(tài)，1 1方向豎直，剪切方向豎直，剪切破壞面與豎直面夾角為破壞面與豎直面夾角為4545o o- - /2/24545o o- - /2/24545o o /2/2處于被動朗肯狀態(tài)，處于被動朗肯狀態(tài)，3 3方向豎直，剪切方向豎直，剪切破壞面與豎直面夾角為破壞面與豎直面夾角為4545o o /2

46、/2二、主動土壓力二、主動土壓力 4545o o /2/2h擋土墻在土壓力作用下，擋土墻在土壓力作用下，產(chǎn)生離開土體的位移，豎產(chǎn)生離開土體的位移，豎向應力保持不變，水平應向應力保持不變，水平應力逐漸減小，位移增大到力逐漸減小，位移增大到a，墻后土體處于朗肯，墻后土體處于朗肯主動狀態(tài)時，墻后土體出主動狀態(tài)時，墻后土體出現(xiàn)一組滑裂面，它與大主現(xiàn)一組滑裂面，它與大主應力面夾角應力面夾角4545o o /2/2，水，水平應力降低到最低極限值平應力降低到最低極限值z(1 1)pa a(3 3)極限平衡條件極限平衡條件 245tan2245tan213ooc 朗肯主動土朗肯主動土壓力系數(shù)壓力系數(shù) aaaK

47、czKp2朗肯主動土壓力強度朗肯主動土壓力強度 z zh/3EahKa討論：討論： 當當c=0=0, ,無粘性土無粘性土 aaaKczKp2朗肯主動土壓力強度朗肯主動土壓力強度 aazKph1.1.無粘性土主動土壓力強度與無粘性土主動土壓力強度與z成正比，沿墻高呈三角成正比，沿墻高呈三角 形分布形分布2.2.合力大小為分布圖形的面積，即三角形面積合力大小為分布圖形的面積，即三角形面積3.3.合力作用點在三角形形心，即作用在離墻底合力作用點在三角形形心，即作用在離墻底h/3處處aKh2)2/1 (當當c0 0, , 粘性土粘性土 粘性土主動土壓力強度包括兩部分粘性土主動土壓力強度包括兩部分1. 1. 土的自重引起的土壓力土的自重引起的土壓力zKa2. 2. 粘聚力粘聚力c引起的負側(cè)壓力引起的負側(cè)壓力2cKa說明：說明：負側(cè)壓力是一種拉力，由于土與結(jié)負側(cè)壓力是一種拉力，由于土與結(jié)構(gòu)之間抗拉強度很低，受拉極易開裂，在構(gòu)之間