《土質(zhì)學(xué)與土力學(xué)》復(fù)習(xí)資料

1、第一章土的物理性質(zhì)及工程分類土是巖石經(jīng)過物理風(fēng)化、化學(xué)風(fēng)化、生物風(fēng)化作用后的產(chǎn)物，是由各種大小不同的土粒按各種比例組成的集合體。土粒之間的孔隙中包含著水和氣體，是一種三相體系。第一節(jié)土的三相組成無機礦物顆粒原生礦物：固體顆粒次生礦物：原生礦物漿在冷凝過程中形成的礦物，如石英、長石、云母等用的新礦物AlO、FeO、次生SiO2、23232固相）有機質(zhì):（生物風(fēng)化）（化學(xué)風(fēng)化）粘土礦物以及碳酸鹽等由于微生物作用，土中產(chǎn)生的復(fù)雜的腐殖質(zhì)礦物，還有動植物殘體等有機物如泥炭等。結(jié)合水強結(jié)合水快弱結(jié)合水L（液相）自由水毛細水I重力水氣體與大氣聯(lián)通：與空氣相似，受到外力作用時排出，對土的工程性質(zhì)沒多大影響。

2、（氣相）與大氣不連通：密閉氣體，壓力大被壓縮或溶解于水中，壓力小時氣泡恢復(fù)原狀或重游離，對土的工程性質(zhì)有很大影響。（含氣體的土成為非飽和土，非飽和土的工程性質(zhì)研究已成為土力學(xué)的一個新分支）第二節(jié)土的顆粒特征1.描述土粒大小及各種顆粒的相對含量的常用方法:對粒徑0.075mm的土粒，篩分法;粒徑v0.075mm的土粒，沉降分析法。沉降分析法是根據(jù)土粒在懸液中沉降的速度與粒徑的平方成正比的Stokes公式來確定各粒組相對含量的方法。2土粒大小劃分：塊-碎-礫-砂-粉-粘（粉：砂粉，粘粉;粘：粉粘，粘土）粘土粒徑v0.002mm,為很細小的扁平顆粒，表面具有極強的和水相互作用的能力。第三節(jié)土的三相比

3、例指標(biāo)土的三相五只在體積和質(zhì)量上的比例關(guān)系稱為三相比例指標(biāo)。三相比例指標(biāo)反映了土的干燥與潮濕、疏松與緊密，是評價土的工程性質(zhì)的最基本的物理性質(zhì)指標(biāo)，也是工程地質(zhì)勘查報告中不可缺少的基本內(nèi)容。土樣體積：V=V+V+V（V=V+V）swaVwa土樣質(zhì)量：m=m+msw三相比例指標(biāo)分為兩種：試驗指標(biāo)，換算指標(biāo)、試驗指標(biāo)包括土的密度、土粒密度、含水量1土的密度：單位體積土的質(zhì)量，mP=(g/cm3)。v土的密度常用環(huán)刀法測定，單位是g/cm3，一般土的密度為1.602.20g/cm3。（重度丫：由土的質(zhì)量產(chǎn)生的單位體積的重力，等于密度乘以重力加速度，丫=Pg=10P（kN/m3）m土粒密度：干土粒的質(zhì)

4、量m與其體積V之比，p二（g/cm3）。sssvs一般在2.652.76。由砂到粘越來越重。m土的含水量:水的質(zhì)量m與固體（土粒）m質(zhì)量之比，二一十x100%wsms含水量常用烘干法測定，是描述土的干濕程度的重要指標(biāo)，常以百分?jǐn)?shù)表示。二、換算指標(biāo)包括土的干密度（干重度）、飽和密度（飽和重度）、有效重度、孔隙比、孔隙率、飽和度m1干密度P:土的固相質(zhì)量m與土的總體積V之比，p=滬（g/cm3）。dsdV土的干密度越大，土越密實，強度就越高，水穩(wěn)定性也好。常用作填土密實度的施工控制指標(biāo)。m+m飽和密度p:當(dāng)土的孔隙中全部為水充滿時的密度，P=sw（g/cm3）。satsatV有效重度廠：當(dāng)涂浸沒在

5、水中時，土的固相收到水的浮力的作用，土體的重力也應(yīng)扣除浮力。計算地下水位以下土層的自重應(yīng)力時應(yīng)當(dāng)用有效重度，有效重度是扣除浮力以后的固相重力與土的總體積之比（又稱浮重度），屮二丫一丫（kN/m3）satw水的重度丫，純水在4C是的重度等于9.81kN/m3，在工程上化整為10kN/m3。w（P為有效密度（浮密度）土的孔隙比：孔隙的體積V與土的固相體積V之比，e二V/Vvsvs土的孔隙率：孔隙的體積V與土的總體積V之比，n二V/Vvv土的飽和度：孔隙中水的體積V與孔隙體積V之比，S二V/Vwvrwv第四節(jié)粘性土的界限含水量一、粘性土的狀態(tài)與界限含水量流動狀態(tài)|可塑狀態(tài)|半固體狀態(tài)|固體狀態(tài)液限塑

6、限縮限LPs（從一種狀態(tài)到另一種狀態(tài)的含水量分界點成為界限含水量）液限測定，用碟式液限儀和錐式液限儀。塑限測定，撮條法。（把塑性狀態(tài)的土在毛玻璃上用手搓條，搓到土條直徑為3mm左右時斷裂）二、塑性指數(shù)1卩可塑性是粘土區(qū)別于砂土的重要特征。從液限到塑限含水量的變化范圍越大，土的可塑性越好。IpLP三、液性指數(shù)IL液性指數(shù)I:L塑性指數(shù)I習(xí)慣上用不帶%的數(shù)值表示。lwwL-P0I1時，土處于流動狀態(tài)；I1.251.30第三節(jié)粘性土的土坡穩(wěn)定分析均質(zhì)粘性土的土坡失穩(wěn)破壞時，其滑動面常常是曲面，通?？山频丶俣閳A弧滑動面。第四節(jié)土坡穩(wěn)定分析的幾個問題第九章地基承載力第一節(jié)概述建筑物因地基問題而引起破

7、壞，一般有兩種情形：一是強度和穩(wěn)定性問題。建筑物荷載過大，超過了地基所能承受的荷載能力而使地基破壞失穩(wěn)。二是變性問題。在建筑物荷載作用下，地基和基礎(chǔ)產(chǎn)生了過大的沉降和沉降差，使建筑物產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性損壞或喪失使用功能。地基承載力是指地基土單位面積上所能承受荷載的能力，以kPa計。（極限承載力，容許承載力）通常把地基不致失穩(wěn)時地基土單位面積上所能承受的最大荷載稱為極限承載力（p）。由于工程設(shè)u計中必須確保地基有足夠的穩(wěn)定性，必須限制建筑物基礎(chǔ)基底的壓力（p），使其不得超過地基的容許承載力，因此地基容許承載力是指考慮一定安全儲備后的地基承載力。同時根據(jù)地基承載力進行基礎(chǔ)設(shè)計時，應(yīng)考慮不同建筑物對地基變形

8、的控制要求，進行地基變形預(yù)算。變性問題前面章節(jié)已有介紹，本章主要從強度和穩(wěn)定性角度介紹由于承載力問題引起的地基破壞及地基承載力確定。一、地基破壞的性狀現(xiàn)場載荷試驗：在測定的地基上放置一塊模擬基礎(chǔ)的載荷板。載荷板的尺寸較實際基礎(chǔ)為小，一般約為0.251.0m2，然后在載荷板上逐級施加載荷，同時測定在各級荷載下載荷板的沉降量及周圍土的位移情況，直到地基土破壞失穩(wěn)為止。田9L扳荷式驗I-載閒板；工于斤頂皿-E分表；4一反力果；S-tt木眾整井竇切床壞:抑扇耶詡孫哽粧;小剌/曹爆置環(huán)陽夕丄”-*曲憑申怵妙總凌H.J畑筋卯給続Wr孔厲或叨版卞通過試驗得到載荷板下各級壓力p與相應(yīng)的穩(wěn)定沉降量S之間的關(guān)系，

9、繪出Ps曲線。對曲線進行分析，可以了解地基破壞的機理。地基破壞的3個階段：1壓密階段(或稱直線變形階段)pS曲線上的Oa段。這時pS曲線接近于直線，土中各點的剪應(yīng)力均小于土的抗剪強度，土體處于彈性平衡狀態(tài)，載荷板的沉降主要是由于土的壓密變形引起的。相應(yīng)于a點的荷載稱為比例界限2剪切階段ab段。此時曲線不再保持線性關(guān)系，地基中局部范圍內(nèi)(首先在基礎(chǔ)邊緣處)剪應(yīng)力達到土的抗剪強度，土體發(fā)生剪切破壞。這些區(qū)域也稱塑性區(qū)。隨著荷載的繼續(xù)增加,土中塑性區(qū)的范圍也逐步擴大，直到土中形成連續(xù)的滑動面，由載荷板兩側(cè)擠出而破壞。因此，剪切階段也是地基中塑性區(qū)的發(fā)生于發(fā)展階段。相應(yīng)于b點的荷載稱為極限荷載P。u_

10、破壞階段be段。當(dāng)荷載超過極限荷載后，載荷板急劇下沉，即使不增加荷載，沉降也不能穩(wěn)定，因此ps曲線陡直下降。在這一階段，由于土中塑性區(qū)范圍的不斷擴展，最后在土中形成連續(xù)滑動面，土從載荷板四周擠出隆起，地基土失穩(wěn)而破壞。二、確定地基容許承載力的方法有三種：1根據(jù)載荷試驗的ps曲線來確定地基容許承載力。用極限承載力P除以安全系數(shù)K的到容許承載力，一般K去23。U用ps曲線上的比例界限P作為地基容許承載力。pr對于拐點不明顯的試驗曲線，可以相對變形來確定。對軟塑或可塑粘性土取相對沉降s=0.02b(b為載荷板高度)對應(yīng)的壓力為地基容許承載力；對砂土或堅硬粘性土取s=(0.010.015)b對應(yīng)的壓力

11、為地基容許承載力。2根據(jù)設(shè)計規(guī)范確定在公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范(JTJ024-85)中給出了各種土類的地基容許承載力表。3根據(jù)地基承載力理論公式確定第二節(jié)臨界荷載的確定在剪切階段，土中塑性區(qū)開展到不同深度時，相應(yīng)的荷載稱為臨界荷載。第三節(jié)極限承載力計算地基極限承載力除了可以從載荷試驗求得外，還可以用半理論半經(jīng)驗公式計算。第四節(jié)按規(guī)范方法確定地基容許承載力公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范(JTJ024-85)第五節(jié)關(guān)于地基承載力的討論一、關(guān)于載荷板試驗確定地基容許承載力深度修正寬度修正二、關(guān)于臨塑荷載和臨界荷載三、關(guān)于極限承載力計算公式四、關(guān)于按規(guī)范法確定地基容許承載力第十章土的動力性質(zhì)和壓實性第一

12、節(jié)土在動載荷作用下的變形和強度性質(zhì)一、作用于土體的動荷載和土中波車輛的行駛、風(fēng)力、波浪、地震、爆炸以及機器的振動都可能是作用在土體的動力荷載。這類荷載的特點，一是瞬時性，二是反復(fù)性(加卸荷或者荷載變化方向)。由于這兩個特點，在動力條件下考慮土的變形和強度問題時，往往都要考慮速度效應(yīng)和循環(huán)(振次)效應(yīng)。(一般將加荷時間在10s以上看做靜力問題，10s以下作為動力問題)位于土體表面、內(nèi)部或者基巖的振源所引起的土單元體的動應(yīng)力、動應(yīng)變，將以波動的方式在土體中傳播。土中波的形式有以拉應(yīng)變?yōu)橹鞯目v波，以剪應(yīng)變?yōu)橹鞯臋M波和主要發(fā)生在土體自由表面附近的表面波(瑞利波(6)。作用于地表面的豎向動荷載主要以表面

13、波的形式擴散能量。水平土層中傳播的地震波，主要是剪切波。波動能量在土體表面和內(nèi)部層面處將發(fā)生反射、折射和透射等物理現(xiàn)象。二、土的動力變形特性影響土的動力變形特性的因素包括周圍壓力、孔隙比、顆粒組成、含水量等，同時它還受到應(yīng)變幅值的影響，而且應(yīng)變幅值的影響最為顯著。同一種土，它的動力變形特性會隨著應(yīng)變幅值的不同而發(fā)生質(zhì)的變化。日本石原研而的研究指出，只有當(dāng)應(yīng)變幅值在10-610-4及以下的范圍內(nèi)時，土的變形特性才可認為是屬于彈性性質(zhì)。一般由火車、汽車的行駛以及機器基礎(chǔ)等所產(chǎn)生的振動的反應(yīng)屬于這類彈性范圍。當(dāng)應(yīng)變幅值超過10-2時，土將破壞或產(chǎn)生液化、壓密等現(xiàn)象，此時土的動力變形特性可用僅僅反復(fù)幾

14、個周期的循環(huán)荷載試驗來確定。三、土的動強度動強度：土在動荷載下的抗剪強度即動強度問題。不同于靜強度，由于存在速度效應(yīng)和循環(huán)效應(yīng)，以及動靜應(yīng)力狀態(tài)的組合問題，土的動強度試驗確定遠比靜強度復(fù)雜。四、土動力性質(zhì)試驗1振動三軸試驗振動三軸儀是室內(nèi)土動力性質(zhì)試驗的重要儀器，土的動強度、彈性模量都可用它進行試驗測定。2其他室內(nèi)試驗方法3現(xiàn)場波速試驗第二節(jié)砂土和粉土的振動液化一、土體液化現(xiàn)象及其工程危害土體液化：飽和狀態(tài)砂土或粉土在一定強度的動荷載作用下表現(xiàn)出類似液體的性狀,完全失去強度和剛度的現(xiàn)象。地震、波浪、車輛、機器振動、打樁以及爆破等都可能引起飽和砂土或粉土的液化，其中又以地震引起的大面積甚至深層的

15、土體液化的危害性最大，它具有面廣、危害重等特點，常能造成場地的整體性失穩(wěn)。因此，近年來引起國內(nèi)外工程界的普遍重視，成為工程抗震設(shè)計的重要內(nèi)容之一。砂土液化造成的災(zāi)害的宏觀表現(xiàn)主要有：1噴砂冒水；2.震陷；3.滑坡；4.上浮。二、液化機理及影響因素土體處于沒有抵抗外荷載能力的懸液狀態(tài)，就是所謂的“液化”。三、土體液化可能性的判別第三節(jié)土的壓實性一、土體壓實性的工程意義二、土的擊實試驗與壓實原理第十一章土工試驗與原位測試結(jié)果的分析和利用第一節(jié)土的目力鑒別土的工程性狀是其物質(zhì)組成和物理狀態(tài)的綜合表現(xiàn)，其外觀特征又常與物質(zhì)組成密切相關(guān)。例如，從外表上看到的土的顏色，在很大程度上反映了土的固相的成分及其

16、含量。(1)紅色、黃色、棕色：一般表示土中含有較多的三氧化二鐵，并說明氧化程度較高，是在氧化條件下形成的土。黑色：表示土中含有較多的有機質(zhì)或錳的化合物，含有機質(zhì)(7)較多的土其工程性質(zhì)一般比較差?；宜{色、灰綠色：一般含有亞鐵化合物，是在缺氧條件下形成的。白色、灰白色：表示土中含有機質(zhì)較少，主要含石英或高嶺土等粘土礦物。含有石英的土有肉眼可見的石英顆粒，含高嶺土的夾層一般是軟弱夾層，沿軟弱夾層?？赡墚a(chǎn)生滑坡。在工程實踐中，工程師經(jīng)常根據(jù)目力判斷與手感來描述土的顏色、濕度、組成物質(zhì)、密實程度和軟硬程度，并進而判斷與評價土的工程性狀，這種方法是非常實用的，在野外就可以得到對土的評價的初步概念，在工程

17、勘察報告中也經(jīng)常記錄了對土的野外描述，并用以分析判別試驗結(jié)果的可靠性。野外的目力鑒別方法要求簡單易行,不許復(fù)雜的儀器設(shè)備就可以對土進行定性的分析。野外簡易試驗主要有下列內(nèi)容：（1觀察土的顏色、砂粒的多少，有無結(jié)核體或其它包含物。2用手指揉搓，分辨土中砂粒、粉粒及粘粒的多少。3.光澤反應(yīng)：用小刀切開稍濕的土，并用小刀抹過土面，觀察土面有無光澤以及粗糙程度。搖震試驗：用含水量接近飽和的土搓成小球，放在手掌上左右反復(fù)搖晃，并以另一手掌擊該手，如土球表面有水滲出，并呈現(xiàn)光澤，但用手指捏土球時水分與光澤很快消失，此現(xiàn)象稱為搖震反應(yīng)。韌性試驗：將土調(diào)成含水量略高于塑限、柔軟而不粘手的土膏，在手中搓成3cm

18、的土條，再揉成土團二次搓條，根據(jù)再次搓條的可能性區(qū)分為低韌性、中等韌性和高韌性三種。干強度試驗：將風(fēng)干的小土塊，用手指捏碎的難易程度來判斷。根據(jù)上述六個方面的觀察和簡易試驗結(jié)果，按下表進行土類鑒別。土的目力鑒別表土類粉土粉質(zhì)粘土粘土肉眼觀察含有較多的砂?；蚝泻芏嗟脑颇钙猩倭康纳傲？床坏缴傲?，但在殘積、坡積的粘土中可看到巖石風(fēng)化碎屑手指揉搓干時有面粉感，濕時粘手，干后一吹即掉干土揉搓時有少量的砂感，濕時粘手，干時不粘手濕時有滑膩感，粘手，干后仍粘在手上光澤反應(yīng)土面粗糙土面光滑但無光澤土面有油脂光澤搖震試驗出水與消失都很迅速反應(yīng)很慢或基本沒有反應(yīng)沒有反應(yīng)韌性試驗不能再揉成土團后重新搓條可以再

19、揉成土團，但手捏即碎能再揉成土團后重新搓條，手捏不碎干強度試驗易于用手指捏碎或碾成粉末用力才能捏碎，容易折斷捏不碎，抗折強度大，斷后有棱角，斷口光滑對土類的鑒別有助于判斷土的性質(zhì)，從而預(yù)估可能出現(xiàn)的工程問題，有針對性地采取相應(yīng)的試驗、評價方法或合適的工程措施。例如，對于鑒別為粉土又處在水下時，可以預(yù)料在地震時可能會產(chǎn)生液化現(xiàn)象，在水力坡降作用下容易發(fā)生流砂，在凍結(jié)線附近容易積聚水分，形成凍脹翻漿。因此，需要采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗以評價液化勢，在開挖基坑或處理臨水工程時要驗算水力穩(wěn)定性，作為道路路基時要采取防凍脹的措施。第二節(jié)勘察、取土方法對土的試驗指標(biāo)的影響土的試驗指標(biāo)包括物理性指標(biāo)（如重度、含水量

20、、土粒密度等）和力學(xué)性指標(biāo)（如抗剪強度指標(biāo)、壓縮模量、滲透系數(shù)等）。在工程地質(zhì)勘查時要取土試驗，并在勘察報告中提供各種指標(biāo)的具體數(shù)據(jù)。工程師則根據(jù)土的試驗指標(biāo)對土的工程性質(zhì)進行分析判斷，并根據(jù)指標(biāo)的數(shù)據(jù)計算地基承載力、沉降或土壓力等，從而進行各項設(shè)計工作。顯然，設(shè)計的正確與否很大程度上取決于這些試驗指標(biāo)是否反映了土層的實際情況，如果指標(biāo)的試驗方法與工程條件不服，試驗的應(yīng)力條件與土的原位應(yīng)力條件相差懸殊，或者試驗的土樣已經(jīng)擾動，與原味的物理狀態(tài)不同，則計算的結(jié)果肯定偏離實際，或得到錯誤的結(jié)果。當(dāng)土樣從鉆孔中取出時，產(chǎn)生兩種效應(yīng)使土樣偏離實際情況，一是取土、搬運、試驗切土?xí)r的機械作用擾動了土的結(jié)構(gòu)

21、，降低了土的結(jié)構(gòu)強度；二是改變了土的應(yīng)力條件，土樣產(chǎn)生回彈膨脹。這兩種效應(yīng)統(tǒng)稱為擾動,擾動使試驗指標(biāo)不符合原位土體的工程性狀。研究成果表明，擾動使土的不排水強度降低、破壞應(yīng)變增大、固結(jié)不排水強度增大、壓縮性減小而有效強度參數(shù)基本不變。為了使計算結(jié)果更好地符合實際情況，研究擾動的影響以及采取減少擾動的技術(shù)措施是十分必要的。在勘察過程中應(yīng)重視土樣質(zhì)量，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)對土按擾動程度劃分為L個等級，并規(guī)定強度試驗和壓縮試驗應(yīng)采用一級土樣。對于第一種擾動，可以用薄壁取土器、在開挖豎井或探坑時直接用環(huán)刀在井壁或坑壁上取土、在工地建立現(xiàn)場土工實驗室減少儲存和搬運過程的擾動等措施。（用合適的取土器和取土技術(shù)可以將擾

22、動減少到最小程度，例如在容易擾動的軟土中取土?xí)r如果用薄壁取土器并用靜壓的方法將取土器壓入土層就可以去的擾動程度比較小的一級土樣。對于第二種擾動，是無法排除的。因為取土過程對土樣來說是卸荷的過程，應(yīng)力從天然埋藏條件下的狀態(tài)降低到零。土的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生了改變，就改變了土樣的物理狀態(tài)，從而影響試驗的結(jié)果；取土的深度越深，卸荷對試驗結(jié)果的影響也越大。第三節(jié)用原位測試方法測定土的工程性質(zhì)原位測試方法測定土的工程性質(zhì)可以避免鉆孔取土?xí)r對土的擾動和卸荷時土樣的回彈對試驗結(jié)果的影響，試驗結(jié)果直接反映了原位土層的物理狀態(tài)，是一種比較有效地勘察手段，已經(jīng)在工程勘查中得到廣泛的應(yīng)用。原位測試有兩類：第一類可以直接用來

23、測定土的工程性質(zhì)指標(biāo)，如十字板剪切試驗和旁壓試驗的結(jié)果可以直接作為設(shè)計參數(shù)；第二類原位試驗測定的卻是綜合性指標(biāo)，如貫入阻力和錘擊數(shù)等，這種指標(biāo)本身并不是設(shè)計參數(shù)，需要通過對比試驗取得這些綜合性指標(biāo)與土的設(shè)計參數(shù)之間的經(jīng)驗關(guān)系，才能用來估計土的工程性質(zhì)指標(biāo)，這一類原位測試如靜力觸探試驗和標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗等。(前面已有十字板剪切試驗、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗和靜載荷試驗，本章靜力觸探試驗和旁壓試驗。第四節(jié)原位測試與室內(nèi)試驗指標(biāo)之間的定性分析第五節(jié)工程實例分析名詞解釋1.半無限體半無限體是對應(yīng)無限體而言的。通俗的講，可以把無限體看作是一個直徑無窮大的球，半無限體就是這個球的一半。從力的傳遞角度來講，在無限體中，力的

24、傳遞是向各個方向的，而且各方的邊界都是無窮遠的；而土力學(xué)中把地基土看成是半無限體，是指的力的傳遞是向地面以下的各個方向的，各方的邊界也都是無窮遠的。在土力學(xué)中，土是三相體，具有明顯的非線性特征，它的應(yīng)力分布非常復(fù)雜。為簡便起見，將地基土視作連續(xù)的、均勻的、各向同性的彈性半無限體，采用彈性理論公式計算土的應(yīng)力。這種假定同土體的實際情況有差別，不過其計算結(jié)果尚能滿足實際工程的要求。2路堤與路塹(1)路堤：指的是比原地面高出許多的堤岸式路面，即高于原地面的填方路基。(2)路塹：當(dāng)鋪設(shè)軌道或路面的路基面低于天然地面時，路基以開挖方式構(gòu)成，這種路基為路塹。區(qū)別：路塹指從原地面向下開挖而成的路基形式。路堤是指路面兩側(cè)的天然地層或是填筑起來的壓實路基邊坡。如果并存，則按最外側(cè)的路堤坡腳或路塹坡頂來作為基點。3.反濾層反濾層(invertedlayer)指的是在大口井或滲渠進