工程地質(zhì)學(xué)--第四章 土的力學(xué)性質(zhì)

1、第四章 土的力學(xué)性質(zhì)中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院工程地質(zhì)學(xué)Engneering Geology工程地質(zhì)學(xué)概論工程地質(zhì)學(xué)概論:第四章第四章 土的力學(xué)性質(zhì)土的力學(xué)性質(zhì)2022-6-21中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院 賈洪彪2 2sin212cos2121mn313131平面上的應(yīng)力解根據(jù)隔離體上靜力平衡)0 ,21(213131圓心：半徑莫爾應(yīng)力圓的土中一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)土中一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)工程地質(zhì)學(xué)概論工程地質(zhì)學(xué)概論:第四章第四章 土的力學(xué)性質(zhì)土的力學(xué)性質(zhì)2022-6-21中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院 3 土的力學(xué)性質(zhì)是指土在外力作用下所表現(xiàn)的性質(zhì)，主要包括土的壓縮性、抗剪性，其次為在動(dòng)荷載

2、作用下所表現(xiàn)的一些性質(zhì)。土的力學(xué)性質(zhì)說(shuō)明了土抵抗外力變形和破壞的能力。 土的力學(xué)性質(zhì)主要取決于土的物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造特點(diǎn)，還與受力條件有關(guān)。 當(dāng)土體作為建筑物地基時(shí)，在荷重作用下就會(huì)產(chǎn)生壓縮變形，從而引起建筑物基礎(chǔ)的沉降，當(dāng)沉降量過(guò)大或產(chǎn)生不均勻沉降時(shí)，可能影響建筑物的正常使用，甚至引起建筑物開裂或倒塌。第四章第四章 土的力學(xué)性質(zhì)土的力學(xué)性質(zhì)工程地質(zhì)學(xué)概論工程地質(zhì)學(xué)概論:第四章第四章 土的力學(xué)性質(zhì)土的力學(xué)性質(zhì) 當(dāng)土中剪應(yīng)力超過(guò)土的抗剪強(qiáng)度時(shí)，則土中一部分會(huì)相對(duì)另一部分發(fā)生滑動(dòng)，從而危及建筑物安全。 土的力學(xué)性質(zhì)對(duì)建筑物的安全、經(jīng)濟(jì)、正常使用影響最大。并且土的物理性質(zhì)對(duì)建筑物的影響，是通過(guò)力學(xué)

3、性質(zhì)的變化反映出來(lái)的。 在土的力學(xué)性質(zhì)中，最主要和最有實(shí)際意義的是土的壓縮性和抗剪性。2022-6-21中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院 賈洪彪4工程地質(zhì)學(xué)概論工程地質(zhì)學(xué)概論:第四章第四章 土的力學(xué)性質(zhì)土的力學(xué)性質(zhì)2022-6-21中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院 5第一節(jié)第一節(jié) 土的壓縮性土的壓縮性一、土壓縮變形的特點(diǎn)與機(jī)理一、土壓縮變形的特點(diǎn)與機(jī)理v土的壓縮性是指土在壓力作用下發(fā)生壓縮變形，體積縮小的性能。u土體的壓縮變形實(shí)際上是孔隙壓縮、孔隙比變小所造成的。u工程實(shí)踐證明，在一般建筑物荷重作用下，土粒和水的壓縮量極小，不及土體壓縮量的1/400，通常認(rèn)為是不可壓縮的，氣體的壓縮較強(qiáng)。在自然界中土處于開放系統(tǒng)，空

4、隙中的水和氣體在壓力作用下不可能被壓縮，而是被擠出。所以土的壓縮變形主要是由于空隙中的水分和氣體被擠出，土的顆粒相互移動(dòng)靠攏，空隙體積減少而引起的。開始時(shí)變形速度較大，隨后隨顆粒間接觸點(diǎn)的增加，變形逐漸減弱。工程地質(zhì)學(xué)概論工程地質(zhì)學(xué)概論:第四章第四章 土的力學(xué)性質(zhì)土的力學(xué)性質(zhì)u對(duì)飽和土而言，空隙全被水充滿，土的壓縮主要是由孔隙中的水被擠出、空隙體積縮小所致，壓縮過(guò)程同排水過(guò)程一致。壓縮結(jié)果使土密度增高，含水率降低。u非飽水土的壓縮，首先是氣體外逸，隨時(shí)間的延續(xù)，土的飽和度逐漸增大，當(dāng)氣體全部排出土達(dá)到飽和狀態(tài)后，其壓縮過(guò)程與飽和土相同。 孔隙水排出，土的壓縮隨時(shí)間而增長(zhǎng)的過(guò)程，稱為土的固結(jié)。2

5、022-6-21中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院 賈洪彪6工程地質(zhì)學(xué)概論工程地質(zhì)學(xué)概論:第四章第四章 土的力學(xué)性質(zhì)土的力學(xué)性質(zhì)二、壓縮試驗(yàn)與壓縮定律 土的壓縮試驗(yàn)是取土樣放入壓縮儀內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，壓縮儀的構(gòu)造如下圖。由于土樣受到環(huán)刀和護(hù)環(huán)等剛性護(hù)壁的約束。在壓縮過(guò)程中只能發(fā)生豎向壓縮，不可能發(fā)生側(cè)向膨脹，故又叫側(cè)限壓縮試驗(yàn)。2022-6-21中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院 賈洪彪7工程地質(zhì)學(xué)概論工程地質(zhì)學(xué)概論:第四章第四章 土的力學(xué)性質(zhì)土的力學(xué)性質(zhì)2022-6-21中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院 8側(cè)限壓縮試驗(yàn)（一）壓縮試驗(yàn)圖 -1 縮儀的壓縮容器簡(jiǎn)圖5壓底座環(huán)刀荷載土 樣加壓活塞剛性護(hù)環(huán)透 水 石 工程地質(zhì)學(xué)概論工程地質(zhì)學(xué)概論

6、:第四章第四章 土的力學(xué)性質(zhì)土的力學(xué)性質(zhì)2022-6-21中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院 賈洪彪9施加荷載，靜置至施加荷載，靜置至變形穩(wěn)定變形穩(wěn)定逐級(jí)加大荷載逐級(jí)加大荷載百分表百分表加壓上蓋加壓上蓋試樣試樣透水石透水石護(hù)環(huán)護(hù)環(huán)環(huán)刀環(huán)刀壓縮壓縮容器容器n 側(cè)限壓縮試驗(yàn)側(cè)限壓縮試驗(yàn)P1s1e1e0pte stn 測(cè)定：測(cè)定： 軸向壓縮應(yīng)力軸向壓縮應(yīng)力 軸向壓縮變形軸向壓縮變形P2s2e2P3s3e3工程地質(zhì)學(xué)概論工程地質(zhì)學(xué)概論:第四章第四章 土的力學(xué)性質(zhì)土的力學(xué)性質(zhì)2022-6-21中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院 100010101001000sv0110110011 1, 1V VVe 1)(11ehheeeeeh

7、heVVVVVVehhAeAheAhAVsssss，則：整理，得：不變，受壓前后工程地質(zhì)學(xué)概論工程地質(zhì)學(xué)概論:第四章第四章 土的力學(xué)性質(zhì)土的力學(xué)性質(zhì) 通過(guò)試驗(yàn)，求得在各級(jí)壓力Pi作用下，土樣壓縮穩(wěn)定之后相應(yīng)的空隙比ei，根據(jù)壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可繪制出eP關(guān)系曲線，稱壓縮曲線。如圖。壓縮曲線是室內(nèi)壓縮實(shí)驗(yàn)的成果，它是土的孔隙比e與所受壓力P的關(guān)系曲線。土的壓縮曲線的形狀是先陡后緩，開始加壓時(shí)，首先是接觸不穩(wěn)定的土粒發(fā)生位移，空隙體積減少得很快，故曲線的斜率較大；隨壓力的增大，主要是空隙中水和氣體的擠出，且空隙的體積也逐漸變小；當(dāng)水和氣體不再擠出時(shí)，土的壓縮逐漸停止，曲線也逐漸趨于平緩。2022-6-

8、21中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院 賈洪彪11工程地質(zhì)學(xué)概論工程地質(zhì)學(xué)概論:第四章第四章 土的力學(xué)性質(zhì)土的力學(xué)性質(zhì)2022-6-21中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院 12壓縮性曲線的形狀與土樣的成分、結(jié)構(gòu)狀態(tài)及受力歷史等有關(guān)。壓縮性不同的土，其e-p曲線的形狀不同。曲線愈陡，說(shuō)明壓力增加時(shí)孔隙比減小得多，土易變形，壓縮性愈高；若曲線平緩，則土的壓縮性低。故壓縮曲線的形狀可大致說(shuō)明土的壓縮性的高低。工程地質(zhì)學(xué)概論工程地質(zhì)學(xué)概論:第四章第四章 土的力學(xué)性質(zhì)土的力學(xué)性質(zhì)2022-6-21中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院 13壓縮穩(wěn)定后的孔隙比；相應(yīng)于壓縮穩(wěn)定后的孔隙比；相應(yīng)于；加應(yīng)力之和應(yīng)力與附相當(dāng)于某深度處的自重；應(yīng)力相當(dāng)于某深度

9、處的自重；單位為稱為壓縮系數(shù)式中壓縮系數(shù)作用下的壓縮性。就表示了相應(yīng)于壓力點(diǎn)切線斜率曲線上任一2211211 -1221: : : : MPa : - pepekPapkPapappeepeapape壓縮定律（壓密定律）：在壓力范圍不大時(shí)，孔隙比的減小值與壓力的增加值成正比。（二）壓縮定律（二）壓縮定律1.壓縮系數(shù)工程地質(zhì)學(xué)概論工程地質(zhì)學(xué)概論:第四章第四章 土的力學(xué)性質(zhì)土的力學(xué)性質(zhì)2022-6-21中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院 141 -2- 11 -2- 11 -1 -2- 121210.5 5 . 0 0.1 1 . 0 200100MPaaMPaaMPaMPaaakPapkPap高壓縮性土中等壓

10、縮性土低壓縮性土的標(biāo)準(zhǔn)：來(lái)作為判斷土的壓縮性壓縮系數(shù)時(shí)的到通常用壓力間隔由工程地質(zhì)學(xué)概論工程地質(zhì)學(xué)概論:第四章第四章 土的力學(xué)性質(zhì)土的力學(xué)性質(zhì)2022-6-21中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院 152、壓縮模量壓縮模量指土在側(cè)限壓縮條件下豎向附加壓應(yīng)力與應(yīng)變?cè)隽恐?，單位為MPa。 zzsE工程地質(zhì)學(xué)概論工程地質(zhì)學(xué)概論:第四章第四章 土的力學(xué)性質(zhì)土的力學(xué)性質(zhì)2022-6-21中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院 16三、變形模量變形模量指土在無(wú)側(cè)限條件下附加壓應(yīng)力與壓縮應(yīng)變之比。單位為MPa。 載荷試驗(yàn)：在保持地基土天然應(yīng)力和結(jié)構(gòu)狀態(tài)下，模擬建筑物荷載條件，通過(guò)一定面積的承壓板向地基施加垂直荷載，研究地基土變形和強(qiáng)度規(guī)律

11、的一種原位試驗(yàn)。工程地質(zhì)學(xué)概論工程地質(zhì)學(xué)概論:第四章第四章 土的力學(xué)性質(zhì)土的力學(xué)性質(zhì)2022-6-21中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院 17022021-121 -121KEEEssu壓縮模量指土在側(cè)限壓縮條件下豎向附加壓應(yīng)力與應(yīng)變?cè)隽恐取變形模量指土在無(wú)側(cè)限條件下附加壓應(yīng)力與壓縮應(yīng)變之比。變形模量與壓縮模量的關(guān)系的比值與豎向向側(cè)限條件下受壓時(shí)，側(cè)土的側(cè)壓力系數(shù)的比值與豎向件下受壓時(shí)，側(cè)向（泊松比）：無(wú)側(cè)限條土的側(cè)膨脹系數(shù):0K工程地質(zhì)學(xué)概論工程地質(zhì)學(xué)概論:第四章第四章 土的力學(xué)性質(zhì)土的力學(xué)性質(zhì)2022-6-21中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院 18四、土的前期固結(jié)壓力四、土的前期固結(jié)壓力u固結(jié)是指土體在建筑物荷

12、重或自重壓力及其它應(yīng)力作用下，其變形隨時(shí)間發(fā)展至完全穩(wěn)定的全過(guò)程。因此固結(jié)是時(shí)間的函數(shù)。u前期固結(jié)壓力(pc)是指土層在過(guò)去歷史上曾經(jīng)受過(guò)的最大固結(jié)壓力。土經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期所謂自然地質(zhì)作用，形成了目前上覆土層的情況。如目前土層所受的上覆土層的自重壓力為 ，并將 pc 與p0比值稱超固結(jié)比，用OCR表示，即0p0ppOCRc工程地質(zhì)學(xué)概論工程地質(zhì)學(xué)概論:第四章第四章 土的力學(xué)性質(zhì)土的力學(xué)性質(zhì)u可把土層分為三種不同的固結(jié)狀態(tài)：1. ，即OCR=1，稱正常固結(jié)土，是指目前土層的自重壓力就是該地層在歷史上所受過(guò)的最大固結(jié)壓力。即土層的固結(jié)一直隨土層的自然沉積物相應(yīng)發(fā)生，在固結(jié)固結(jié)過(guò)程中沒(méi)有受到過(guò)侵蝕或其它卸荷

13、作用，對(duì)一般正常沉積且在自重壓力下完全固結(jié)的土層，均處于正常壓密狀態(tài)。2. ，即OCR1，稱超固結(jié)土，是指土層歷史上曾受過(guò)的固結(jié)壓力大于現(xiàn)有的自重壓力，即土層在歷史上曾有過(guò)相當(dāng)厚的沉積物，后來(lái)由于侵蝕、沖刷等卸荷作用，或由于古老建筑的拆毀，使土層原有的密度超過(guò)現(xiàn)有的與自重壓力相對(duì)應(yīng)的密度，而形成超壓密狀態(tài)。3. ,即OCR1 超固結(jié)土 OCR1 欠固結(jié)土 工程地質(zhì)學(xué)概論工程地質(zhì)學(xué)概論:第四章第四章 土的力學(xué)性質(zhì)土的力學(xué)性質(zhì)2022-6-21中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院 21五、前期固結(jié)壓力的確定五、前期固結(jié)壓力的確定e ep(log)CD1.1. 在在e-loge-logp曲線上，找出曲線上，找出曲率

14、最大點(diǎn)曲率最大點(diǎn)m m2. 作水平線作水平線m13. 作作m點(diǎn)切線點(diǎn)切線m24. 作作m1,m2 的角分線的角分線m35. m3與試驗(yàn)曲線的直線段與試驗(yàn)曲線的直線段交于點(diǎn)交于點(diǎn)B6. B點(diǎn)對(duì)應(yīng)于先期固結(jié)壓點(diǎn)對(duì)應(yīng)于先期固結(jié)壓力力pcmrmin1 12 23 3 p pn Casagrande Casagrande 法法AB工程地質(zhì)學(xué)概論工程地質(zhì)學(xué)概論:第四章第四章 土的力學(xué)性質(zhì)土的力學(xué)性質(zhì)第二節(jié)第二節(jié) 土的抗剪性土的抗剪性一、土的抗剪強(qiáng)度土的抗剪強(qiáng)度抗剪強(qiáng)度指土體抵抗剪切破壞的極限強(qiáng)度（或能力）。其數(shù)值數(shù)值等于剪切破壞時(shí)滑動(dòng)面上的剪應(yīng)力。土體破壞時(shí)的應(yīng)力組合關(guān)系稱為破壞準(zhǔn)破壞準(zhǔn)則則。工程地質(zhì)學(xué)概

15、論工程地質(zhì)學(xué)概論:第四章第四章 土的力學(xué)性質(zhì)土的力學(xué)性質(zhì)2022-6-21中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院 23二、土的抗剪強(qiáng)度機(jī)理二、土的抗剪強(qiáng)度機(jī)理1、摩擦強(qiáng)度摩擦強(qiáng)度（摩擦力）包括滑動(dòng)摩擦和咬合摩擦v 滑動(dòng)摩擦滑動(dòng)摩擦由顆粒間接觸面粗糙不平所引起。v 咬合摩擦咬合摩擦是指相鄰顆粒對(duì)于相對(duì)移動(dòng)的約束作用。 摩擦強(qiáng)度的影響因素影響因素有： 顆粒形狀、礦物成分、粒徑級(jí)配、密度等。2、粘聚強(qiáng)度粘聚強(qiáng)度（粘聚力）取決于土粒間的各種膠結(jié)作用和靜電引力。工程地質(zhì)學(xué)概論工程地質(zhì)學(xué)概論:第四章第四章 土的力學(xué)性質(zhì)土的力學(xué)性質(zhì)2022-6-21中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院 24二、土的直剪試驗(yàn)與庫(kù)倫定律二、土的直剪試驗(yàn)與庫(kù)倫定

16、律工程地質(zhì)學(xué)概論工程地質(zhì)學(xué)概論:第四章第四章 土的力學(xué)性質(zhì)土的力學(xué)性質(zhì)2022-6-21中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院 25粗粒土（砂土）: f=tg 細(xì)粒土（粘性土）: f=c+tg 式中：f為土的抗剪強(qiáng)度，MPa; 為剪切面上的法向應(yīng)力，MPa ；c 和為抗剪強(qiáng)度指標(biāo)(抗剪強(qiáng)度參數(shù)) c-土的粘聚力，MPa ；-土的內(nèi)摩擦角; tg 為土的內(nèi)摩擦系數(shù)上述方程是法國(guó)學(xué)者庫(kù)倫(Coulomb)1773年提出的，一般稱庫(kù)侖公式，它反映了土的抗剪性的基本規(guī)律，所以又稱庫(kù)侖定律。庫(kù)倫定律工程地質(zhì)學(xué)概論工程地質(zhì)學(xué)概論:第四章第四章 土的力學(xué)性質(zhì)土的力學(xué)性質(zhì)三、土的三軸試驗(yàn)三、土的三軸試驗(yàn) 該方法首先是將用橡皮膜

17、包裹著的圓柱形試樣置于密閉容器中（圖），通過(guò)液體加壓，使試樣在三個(gè)軸受到相同的圍壓 ，然后通過(guò)活塞桿在試樣頂面上加壓，試樣中產(chǎn)生剪應(yīng)力，隨著垂直壓應(yīng)力的的增大，剪應(yīng)力隨著增大，之至土樣被剪壞。2022-6-21中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院 賈洪彪263工程地質(zhì)學(xué)概論工程地質(zhì)學(xué)概論:第四章第四章 土的力學(xué)性質(zhì)土的力學(xué)性質(zhì)2022-6-21中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院 27工程地質(zhì)學(xué)概論工程地質(zhì)學(xué)概論:第四章第四章 土的力學(xué)性質(zhì)土的力學(xué)性質(zhì)2022-6-21中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院 28333331=3+11=3+1工程地質(zhì)學(xué)概論工程地質(zhì)學(xué)概論:第四章第四章 土的力學(xué)性質(zhì)土的力學(xué)性質(zhì)2022-6-21中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院 29第三節(jié) 土的壓實(shí)性 土的壓實(shí)是指土體在壓實(shí)能量作用下，土顆?？朔ｉg阻力，產(chǎn)生位移，使土中孔隙減小，密度增加，強(qiáng)度增高，變形減少，透水性降低。一、細(xì)粒土的壓實(shí)性一、細(xì)粒土的壓實(shí)性最