土的力學(xué)性質(zhì)

1、土的力學(xué)性質(zhì)土的力學(xué)性質(zhì)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)，主要包括壓應(yīng)力作用下 體積縮小的壓縮性和在剪應(yīng)力作用下抵抗剪切破壞的抗剪性，.其次是在動荷作用下所 表現(xiàn) 的一些性質(zhì)。第一節(jié)土的壓縮性.、土壓縮變形的特點與機理土的壓縮性指土在壓力作用下體積壓縮變小的性能。土受壓后體積縮小是土中固、液、氣三相組成部分中的各部分體積減小的結(jié)果(主要是氣體、水分擠出、土粒相互移動靠攏的結(jié)果)。、壓縮試驗壓縮定律 試驗方法：室內(nèi)現(xiàn)場 據(jù)壓縮條件：無側(cè)向膨脹(有側(cè)限)試驗有側(cè)向膨脹(無側(cè)限)試驗主要是室內(nèi)無側(cè)向膨脹壓縮試驗土的無側(cè)向膨脹壓縮試驗是先用金屬環(huán)刀切取土樣，然后將土樣連同環(huán)刀一起放入壓縮儀內(nèi)

2、，由于土樣受環(huán)刀和護環(huán)等剛性護壁約束，在壓縮過程中只能發(fā)生豎向壓縮，不 可能發(fā)生側(cè)向膨脹.。試驗時，通過加荷裝鋁將壓力均勻地施加到土樣上，壓力由小到大逐級增加，每級壓力待壓縮穩(wěn)定后，再施加下一級壓力，土的壓縮量可通過微表觀測，并據(jù)每級壓力下的穩(wěn) 定變形量，計算出與各級壓力相應(yīng)的穩(wěn)定孔隙比。若試驗前試樣的截面積為A,土樣原始高度為hO,原始孔隙比eO,當加壓P1后土樣壓縮量為 hi, 土樣高度E減小到h1=hO- h，相應(yīng)孔隙比由0變?yōu)閑1.由于土樣壓縮時不可能產(chǎn)生側(cè)向膨脹，故壓縮前后橫截面積不變，加壓過程中土的體積是不變的.即：A hO/(1+eO)=A(hO- h1)(1+ e1) e1=e

3、O - h1/hO(H eO)通過試驗，求的各級壓力Pi作用下，土樣壓縮性穩(wěn)定后相應(yīng)的孔隙比ei,以縱坐標表示孔隙比e,橫坐標表示壓力P。據(jù)壓縮試驗數(shù)據(jù)，可繪制出孔隙比與壓力的關(guān)系曲線 壓縮曲線。在壓力曲線上，P較小時，曲線較陡。隨P增大，曲線變緩，。這表明在壓力增量不變情況下對土進行壓縮時，其壓縮變形的增量是遞減的。1、壓縮系數(shù)a=tga=(e1-e2)/ p2- pl)壓密定律壓密定律表明：在壓力變化范圍不大時，孔隙比的變化 (減小值)與壓力的變化(增加值)成正比。a為壓縮系數(shù)(Mpa-1)它是表征土壓縮性大小的重要指標。a愈大，說明土的壓縮變 形量越大。評價不同種類和狀態(tài)土的壓縮性大小時

4、，必須以同一壓力范圍來比較，在GBJ7-89， 中規(guī)定以P1=0.1Mpa， P2=0.2Mpa時相對應(yīng) 的 壓縮系數(shù)a1 2作為判斷土的壓縮性標準。低壓縮性土 a120.1Mpa-1中壓縮性土 0.1 Mpa- 1 al 0.5 Mpa-1 二、壓縮模量(Es)壓縮模量(Es):它是指土在有側(cè)限條件受壓時，在受壓方向上的應(yīng)力與相應(yīng)的應(yīng)變eZ之間的比值。Es= Z eZ式中 z=P2-P1 Z= h/h=(e1 -e2)/(1+e1) Es=(P2-P1) (1+e1)/ (e1-e2)=(1+e1)/a a-為壓力從P1到P2時的壓縮系數(shù)el -為壓力P1時的孔隙比.工程中:p仁o.lMpa

5、，P2=-0.2Mpa 相應(yīng)的Es評價土的壓縮性 低壓縮性土 ： Es15 Mpa中壓縮性土 ： 4 Mpa土的變形模量(E0):指土在無側(cè)限壓縮條件下，壓應(yīng)力與相應(yīng)的壓縮應(yīng)變的比值 (Mpa.)它是通過現(xiàn)場載荷試驗求的壓縮性指標。E0= ES1-2u2/(1-u) E0= ES 1-2叨(1+ 切u和E分別為土的側(cè)膨脹系數(shù)和側(cè)壓力系數(shù).土側(cè)膨脹系數(shù)指土在無側(cè)限條件受壓時側(cè) 向應(yīng)變次與翌向應(yīng)變E的比值。u=- E E側(cè)壓力系數(shù)在有側(cè)限條件下，豎向間壓力增加，引起側(cè)向壓力增加，此時的側(cè)壓力系 數(shù)。宇zx/ Zz據(jù)廣義的虎克定律：u和E關(guān)系有u= 0(1+ 3 8=u/(1-u)四、土的前期固體壓

6、力土的前期固結(jié)壓力是指土層在過去歷史上曾經(jīng)受過的最大固結(jié)壓力，通常用PC表示。 如果目前土層所愛的上覆土層的自重壓力為P0,將PC與PO進行比較，可把天然土層 分為三種不同的固結(jié)狀態(tài)；（1）PC= P0,稱正常固結(jié)土：指目前土層的自重壓力，就是該地層在歷史上所 受過的最大固結(jié)壓力，一般正常沉積且在自重壓力下固結(jié)的土層，均處于正常壓密狀 態(tài)。（2）PC P0,稱超常固結(jié)土是指土層在過去歷史上曾受過的固結(jié)壓力大于現(xiàn)有土層的自重壓力。如土層的過去歷史上曾有過相當厚的沉積 物，而后來由于侵蝕、沖刷、冰川等卸荷作用，或者由于古老建筑物的拆毀、地下 水位的長期變化以及土的干縮等作用，使土層原有的密度超過現(xiàn)

7、有土的自重壓力相對應(yīng) 的密度，而形成超壓密狀態(tài)。（3）PCVP0,稱欠固結(jié)土即土層在自重壓力下尚未完成固結(jié)。如新近沉積的淤泥、沖填土等均處于欠壓密狀態(tài)。目前確定土的前期固結(jié)壓力的方法很多，但應(yīng)用較 普遍的是卡薩格蘭德圖解法。在此曲線上找出Pc。實際工程中，用超固結(jié)比R來表征土的天然壓密狀態(tài).R= Pc/ P0, R=1正常壓密狀態(tài)R1超壓密狀態(tài)R1欠壓密狀態(tài)第二節(jié)土的抗剪性土的抗剪性（抗剪強度）指土抵抗剪切破壞的極限強度。它是研究土體穩(wěn)定性的一個極 為重要的工程地質(zhì)性質(zhì)。土是由固體顆粒組成的，土粒間的連結(jié)強度遠遠小于土粒本身的強度，故在剪應(yīng)力 作用 下,多數(shù)土體仗。砂類土、細粒土）發(fā)生的剪切破

8、壞，并不是土粒本身的破壞，而是土粒間 發(fā)生相對錯動，引起土的一部分相對另一部分沿著某個面發(fā)生與剪切方向一致的滑動。目前，研究土的抗剪強度的途徑，主要是模擬土剪切破壞時的應(yīng)力和工作條件，利用室 內(nèi)或現(xiàn)場進行土的剪切試驗。一、土的直剪試驗與庫克定律.1、直剪試驗土的室內(nèi)剪切試驗分為直接剪切和三軸剪切試驗兩類。最常用的直剪試驗方法，是將土 樣放在上、下兩部分可以錯動的金屬盒內(nèi)，將上盒固定，下盒可沿水平方向滑動（圖3- 5）。試驗時，先通過傳壓板在土樣上施加法向壓力P,使土樣受法向應(yīng)力Z=p/F （F為土樣的橫截面積）作用。然后在下盒上逐級施加水平剪力，使土樣沿上、 下盒之間的水平面受到剪應(yīng)力，當水平

9、剪力增加強度至T時，土樣發(fā)生剪切破壞，此 時的剪應(yīng)力為T=t/f。即為土樣在該法向壓應(yīng)力作用下的抗剪強度n.據(jù)此試驗數(shù)據(jù)，可知nz關(guān)系曲線。大量試驗結(jié)果證明：在一般建筑物的荷載（0.10.6Mpa）作用下，土的抗剪強度與法 向壓應(yīng)力關(guān)系近似為直線一庫侖定律.巨粒土和粗粒土 ：曲線為n?= zg 9 （過坐標原 點）細粒土 :抗剪曲線,n= Zg 9+cn為土的抗剪強度（MPa）; Z剪切面上的法壓力（MPa）; 9為土的內(nèi)摩擦（o）;C為土的內(nèi)聚力（MPa）。庫侖定律表明：巨粒土的抗剪強度決定于法向壓力成正比的內(nèi)摩擦力；而細粒土的抗剪 強由兩部分組成，一部分是與法向壓力成正比的內(nèi)摩擦力，另一部

10、分與法向壓力無關(guān)的 內(nèi)聚力。庫侖定律表明，巨粒土的抗剪強度與其內(nèi)摩擦角和正切成正比，而內(nèi)摩擦角與組成土的 礦物性質(zhì)和土的密度有關(guān)。組成巨粒土和粗粒土的礦物越堅硬，顆粒越粗大，表面越粗 糙，棱角越多，內(nèi)摩擦角越大。這兩類土的密度越高，內(nèi)摩擦角也越大（見表3-2）。松散狀態(tài)砂土的內(nèi)摩擦與其自然堆積時所形成的最大坡角一天然休止 角近似相等。所以工程實際中，常用砂土天然休止角代替松散狀態(tài)砂土的內(nèi)摩擦角。表3-2砂土的內(nèi)摩擦角9 （。）細粒土的抗剪強度由內(nèi)摩擦力和內(nèi)聚力組成，而且以內(nèi)聚力為主。細粒土中粘粒含量越 多，土粒間的連結(jié)越強，內(nèi)聚力越大，內(nèi)摩擦角越小，擔抗剪強度仍可增大。細粒土的液性指數(shù)越大，即

11、天然含水率越高，則土的連結(jié)強度越低，抗剪強度越小。尤其是液限狀態(tài)的擾動，幾乎是沒有抗剪強度的。細粒土的密度越大，抗剪強度越大。這類土內(nèi)摩擦和內(nèi)聚力一般值可參見表（3-3）內(nèi)磨擦角B取決于細粒中的粘粒含量，土粒間的連接強度.C與上述兩者成正比。3-3細粒土的內(nèi)摩擦角B和內(nèi)聚力C參考值二、三軸剪切試驗三軸剪切試驗是測定土的抗剪強度的另一種常用的方法。該方法首先將用橡皮膜包裹 著的圓柱形鋁于密閉容器中（圖3-7 ），通過液體加壓，使試樣在三個軸向受到相同的圍壓Z3，這時試樣中沒有剪應(yīng)力。然后通過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Zr 的加大，剪應(yīng)力隨之增大，直至土樣被剪壞。這時

12、，作用于土樣上的最大主應(yīng)力Z1 = Z3+ Zr，最小主應(yīng)力即Z3。用Z1和Z3可畫出一個極限應(yīng)圓的公切線，就是土的抗 剪強度曲線，從圖上可獲取土的C、B值（見圖3-8 ）。三軸剪切儀能近代制排水條 件，可以測量孔隙壓力的變化，沒有規(guī)定的剪切面，受力條件比較符合實際，試驗結(jié) 果準確。盡管該試驗儀器與設(shè)備操作較復(fù)雜，費用較高，還是會逐漸受到重視產(chǎn)推廣 的。三、土的抗剪指標計劃指標的確定。無論是粗粒土，還是細粒土，其抗剪強度隨剪切面上法向壓力的增加而加大，飽和土 中剪切面上的法向壓力，在固結(jié)過程中是由孔隙水壓力u和有效壓力Z分擔，即Z=Z+u。當孔隙中的水不斷向外滲流時，孔隙水壓力逐漸消失，有效壓

13、力逐漸增 加，摩擦阻力增大。因此。當孔隙水壓力逐漸消散的過程，也就是土的抗剪強度逐漸 增加的過程。在測定土的抗剪強度指標時，必須考慮孔隙水壓力消散程度的影響。目 前常用總應(yīng)力法和有效應(yīng)力法來考慮孔隙水壓力對抗剪強度指標的影響?？倯?yīng)力法是用剪切面上的總應(yīng)力來表示土的抗剪強度，即：n?= Zg 0+c將孔隙水壓力的影響，通過試驗時控制孔隙水的排出程度來體現(xiàn)。根據(jù)試驗時排水程 度不同，分為排水剪、不排水剪和固結(jié)不排水剪3種。在相同的法向壓力Z的作用下，上述3種試驗方法所測得抗剪強度指標是不 同的。一般情況下，排水剪的抗剪強度最大，固結(jié)不排水剪的抗剪強度居中，不排水 剪的抗剪強度最小。總應(yīng)力法較簡單，一般用直剪儀測定。在工程實際中，應(yīng)根據(jù)具體工程中的實際排水情況，選取相近似的方法測定土的抗剪 強度。例如，研究細粒土的地基的穩(wěn)定性時，若飽和粘土層很厚，排水條件不好，建 筑物施工期又很短，粘土層在施工期來不及固結(jié)，就應(yīng)采用不排水剪切法測定；若飽 和粘土層很薄，排水條件較好，但在使用過程中可能施加豁然荷載，則可考慮采用固 結(jié)不排水剪法測定。有效應(yīng)力法是