高等土力學-基本概念與原理

1、高等土力學第一章：基本概念與原理土力學的基本概念土力學：利用力學的一般原理,研究土的物理,化學和力學性質及土體在荷載,水,溫度等外界因素作用下的工程性質,包括土的應力,變形,強度,穩(wěn)定和土與結構物相互作用等規(guī)律的一個力學分支。土力學的發(fā)展簡史 土力學是一門既古老、又新興的學科，人類很早就懂得廣泛利用土進行工程建設（我國的長城、南北大運河）直到十八世紀中葉，人類對土在工程建設方面的特性，尚停留在感性認識階段。土力學的發(fā)展簡史十八世紀產(chǎn)業(yè)革命后，提出了大量與土力學有關的問題和不少成功的經(jīng)驗，特別是一些工程事故的教訓，迫切促使人們去尋求理論的解釋，并要求永通過實踐檢驗的理論來直到以后的工程實踐。筑城

2、學（歐洲） 墻后土壓力問題鐵路、公路、水利工程 土坡穩(wěn)定問題半經(jīng)驗分析階段土力學的發(fā)展簡史二十世紀，隨著土建規(guī)模的擴大，促使人們全面地系統(tǒng)地對土的力學性質作理論和實踐研究，科學技術不斷發(fā)展，世界不少國家分分成立專門土力學研究機構，重點研究。十八世紀二十年代，著名的土力學家太沙基的土力學專著土力學問世，標志著土力學作為一門獨立的較系統(tǒng)而完整的學科，自1936年以來，已召開了十一屆國際土力學和基礎工程學術會議。近四十年來，由于尖端科學、生產(chǎn)發(fā)展的需要，土力學的研究領域又有了明顯的擴大土動力學、凍土力學、海洋土力學、月球土力學同時巖石力學也已與土力學分離而單獨稱為一門學科。1.1 土體的基本特征上部

3、結構、基礎、地基示意圖研究對象：土 土的性狀變化很大，土力學理論依靠較多的簡化假設，因此在處理工程中的土力學問題時，不能單憑數(shù)學和力學的方法，我們同時需要室內和野外的測試手段，實地觀察和經(jīng)驗判斷。 土的概念： 在土木工程領域，土是指覆蓋在地表的沒有膠結和弱膠結的顆粒堆積物，土與巖石的區(qū)分僅在于顆粒膠結的強弱，所以，有時也會遇到難以區(qū)分的情況。 土的來源 土根據(jù)來源可分為 無機土：巖石風化 天然土 土是巖石風化的產(chǎn)物 有機土：腐殖土， 由植物完全或部分分解的堆積物具有高壓縮性、低強度，為不良建筑物地基風化： 物理風化：溫度 應力 巖石開裂 水的凍脹 裂縫張開 巖石開裂 波浪沖擊 地震 風 沙礫沖

4、擊 巖石破裂 化學風化：巖石與空氣、水和各種溶液相接觸經(jīng) 氧化 炭化 作用 分解成細小的顆粒 致使巖石的礦物成分發(fā)生變化 水化 在自然界，物理風化和化學風化是同時或交替進行的，所以任何一種天然土通常既是物理風化的產(chǎn)物，又是化學風化的產(chǎn)物。土的種類殘積土： 巖石風化后仍然留在原地的堆積物。殘積土的厚度和風化程度主要取決于氣候條件和暴露時間，其明顯特征是顆粒多為角粒，且母巖種類對殘積土的性質有顯著影響。(優(yōu)良母巖、質地不良母巖)運積土： 經(jīng)流水、風和冰川等動力搬運離開產(chǎn)地的堆積物。可分為 河流運積土 風積土 冰川沉積土 沼澤土（腐植土）河流沉積土 水沖積形成的，上游顆粒粗，下游顆粒細，故： 上游：

5、強透水，引起滲漏和滲透變形問題 下游：地基土的高壓縮性和低強度引起的基礎沉降和穩(wěn)定問題，同時要考慮滲透變形問題風積土黃土典型特點：濕陷性，所謂濕陷性指黃土未浸水時，含水率低，一般10%左右，仍能維持陡壁或承受較大的建筑物荷載，可一旦濕水，其膠結強度會迅速降低，會在自重或建筑物荷載下劇烈下沉，黃土的這種性質稱為濕陷性。冰川沉積土 未經(jīng)水流搬運，直接從冰層中擱置下來的冰磧土。其特點是：不成層，性質一般不均勻，可作為土石壩的不透水材料，而化學膠結的冰磧土具有很高的密實性，常常是極好的建筑物地基。冰水沖積土：由冰川融化水搬運、堆積在冰層外圍的沖積土，具有與河流沖積土類似的性質，是優(yōu)良的透水材料和混凝土

6、骨料風積土（黃土高原風成學說）雅丹地貌（風蝕作用形成）物理風化 物理風化 風的作用 水的作用 化學風化 化學風化 天然地質體土的物理力學性質隨母巖種類,形成過程等不同而不同；土的物理力學性質隨環(huán)境條件(溫度,濕度,水分,壓力等)不同而不同。人工土體：人為控制土的結構與組成天然土體：自然形成土體與結構不確定性：土的物理力學性質隨母巖種類,形成過程等不同而不同；不均勻性：具有明顯的空間變異性；易變性：土的物理力學性質隨環(huán)境條件(溫度,濕度,水分,壓力等)不同而不同；多相性：由固相、液相、氣相組成。固體礦物顆粒 （固相）土中氣體（氣相） 土中水（液相） 土的組成土的固體顆粒是土的三相組成中的主體，是

7、決定土的工程性質的主要成分。土體與巖體連續(xù)性：土體看成為連續(xù)介質，巖石常認為是不連續(xù)介質；滲透性：土體一般無明顯的方向性，巖石具有明顯的方向性；破壞機理：土體內部對土顆粒的約束較弱，巖石內部的膠結能力較強，一般沿不連續(xù)面發(fā)生破壞。 土體的材料性質土體作為結構材料與力學介質，具有多相性、易碎性、變異性，土的力學性質取決于地質成因、物質組成、結構特征。 影響因素多，影響因素之間的相互作用，根據(jù)土的組成與結構進行完全的定量分析是困難的，需要借助工程經(jīng)驗、實驗等手段進行分析。1.2 土的結構與組成土的固體顆粒非粘土礦物顆粒：土中的原生礦物以石英為主，含有少量長石、云母等。粘土礦物顆粒：次生礦物的主要組

8、成部分，最常見的是高嶺石、伊利石、蒙脫石，基本單元為硅氧四面體、鋁氫氧八面體。粘粒粉粒砂粒圓粒碎石塊石0.0050.075260200巨粒粗粒細粒粒組的概念：工程上將大小，性質相近的土粒合并為一組，稱粒組，其分界尺寸稱界限粒徑。土粒粒度與粒組砂粒硅氧四面體 硅氧晶片鋁氫氧八面體 鋁氫氧晶片沿平面展布晶胞（結構單元）片狀粘土礦物相互疊合1：1 型2：1 型組合 蒙脫石 伊利石 高嶺石礦物類型結構類型晶胞厚度(A)比表面積(m2/g)高嶺石1：17.21020伊利石2：11080100蒙脫石2：114800主要粘土礦物的性質土顆粒與孔隙水液態(tài)水結合水自由水強結合水弱結合水不能傳遞靜水壓力重力水毛細

9、水能傳遞靜水壓力結合水：指由電分子引力吸附于土粒表面成薄膜狀的水。根據(jù)受電場作用力的大小及離顆粒表面遠近，又可以分成強結合水和弱結合水兩類。強結合水：緊靠于顆粒表面、所受電場的作用力很大、幾乎完全固定排列、喪失液體的特性而接近于固體，冰點遠低于0，密度比自由水的大，在案105以上時才可被蒸發(fā)；弱結合水：緊靠強結合水的外圍形成的結合水膜，所受的電場作用力隨著與顆粒距離增大而減弱。是一種粘滯水膜，可因電場引力從一個土粒周圍轉移到另一個土粒周圍。即弱結合水膜能發(fā)生變形，但不因重力作用而流動。弱結合水的存在是粘性土在某一含水量范圍內表現(xiàn)出可塑性的原因。結合水示意圖土顆粒自由水弱結合水強結合水結合水存于孔隙中粘粒表面的擴散雙電層負電荷顆粒表面擴散層固定層土的微觀結構特征結構形式粗粒土：單粒結構、蜂窩結構松散狀態(tài)密實狀態(tài)粉土：蜂窩結構粘性土：絮狀結構顆粒級配不均勻系數(shù)d60限定粒徑 d10有效粒徑 d30中值粒徑曲率系數(shù)級配評定孔隙分布土的孔隙結構不同大小的孔隙所占比例的分布情況d：孔隙直徑；p(d)：大于d的孔隙體積百分含量；V：大于d的孔隙體積；Vz：總孔隙體積?？讖椒植记€1.3 連續(xù)介質力學原理基本假定連續(xù)性假定土體為連續(xù)介質。 物質點無孔隙地分布于物體所占的空間 物體在變形過程中仍保持連續(xù)性均勻性假定物體內各點的物理力學性質相同。各向同性假定材料性質與方向無關小變形