高等土力學(xué)-基本概念與原理

高等土力學(xué)第一章：基本概念與原理土力學(xué)的基本概念土力學(xué)：利用力學(xué)的一般原理,研究土的物理,化學(xué)和力學(xué)性質(zhì)及土體在荷載,水,溫度等外界因素作用下的工程性質(zhì),包括土的應(yīng)力,變形,強(qiáng)度,穩(wěn)定和土與結(jié)構(gòu)物相互作用等規(guī)律的一個(gè)力學(xué)分支。土力學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史土力學(xué)是一門既古老、又新興的學(xué)科，人類很早就懂得廣泛利用土進(jìn)行工程建設(shè)（我國(guó)的長(zhǎng)城、南北大運(yùn)河）直到十八世紀(jì)中葉，人類對(duì)土在工程建設(shè)方面的特性，尚停留在感性認(rèn)識(shí)階段。土力學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史十八世紀(jì)產(chǎn)業(yè)革命后，提出了大量與土力學(xué)有關(guān)的問(wèn)題和不少成功的經(jīng)驗(yàn)，特別是一些工程事故的教訓(xùn)，迫切促使人們?nèi)で罄碚摰慕忉專⒁笥劳ㄟ^(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)的理論來(lái)直到以后的工程實(shí)踐。筑城學(xué)（歐洲）墻后土壓力問(wèn)題鐵路、公路、水利工程土坡穩(wěn)定問(wèn)題半經(jīng)驗(yàn)分析階段土力學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史二十世紀(jì)，隨著土建規(guī)模的擴(kuò)大，促使人們?nèi)娴叵到y(tǒng)地對(duì)土的力學(xué)性質(zhì)作理論和實(shí)踐研究，科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，世界不少國(guó)家分分成立專門土力學(xué)研究機(jī)構(gòu)，重點(diǎn)研究。十八世紀(jì)二十年代，著名的土力學(xué)家太沙基的土力學(xué)專著《土力學(xué)》問(wèn)世，標(biāo)志著土力學(xué)作為一門獨(dú)立的較系統(tǒng)而完整的學(xué)科，自1936年以來(lái)，已召開了十一屆國(guó)際土力學(xué)和基礎(chǔ)工程學(xué)術(shù)會(huì)議。近四十年來(lái)，由于尖端科學(xué)、生產(chǎn)發(fā)展的需要，土力學(xué)的研究領(lǐng)域又有了明顯的擴(kuò)大土動(dòng)力學(xué)、凍土力學(xué)、海洋土力學(xué)、月球土力學(xué)同時(shí)巖石力學(xué)也已與土力學(xué)分離而單獨(dú)稱為一門學(xué)科。1.1土體的基本特征上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)、地基示意圖研究對(duì)象：土

土的性狀變化很大，土力學(xué)理論依靠較多的簡(jiǎn)化假設(shè)，因此在處理工程中的土力學(xué)問(wèn)題時(shí)，不能單憑數(shù)學(xué)和力學(xué)的方法，我們同時(shí)需要室內(nèi)和野外的測(cè)試手段，實(shí)地觀察和經(jīng)驗(yàn)判斷。土的概念：在土木工程領(lǐng)域，土是指覆蓋在地表的沒有膠結(jié)和弱膠結(jié)的顆粒堆積物，土與巖石的區(qū)分僅在于顆粒膠結(jié)的強(qiáng)弱，所以，有時(shí)也會(huì)遇到難以區(qū)分的情況。

土的來(lái)源土根據(jù)來(lái)源可分為無(wú)機(jī)土：巖石風(fēng)化天然土土是巖石風(fēng)化的產(chǎn)物有機(jī)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(qiáng)度，為不良建筑物地基風(fēng)化：物理風(fēng)化：溫度應(yīng)力巖石開裂水的凍脹裂縫張開巖石開裂波浪沖擊地震風(fēng)沙礫沖擊巖石破裂化學(xué)風(fēng)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(xì)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(fēng)化和化學(xué)風(fēng)化是同時(shí)或交替進(jìn)行的，所以任何一種天然土通常既是物理風(fēng)化的產(chǎn)物，又是化學(xué)風(fēng)化的產(chǎn)物。土的種類殘積土：巖石風(fēng)化后仍然留在原地的堆積物。殘積土的厚度和風(fēng)化程度主要取決于氣候條件和暴露時(shí)間，其明顯特征是顆粒多為角粒，且母巖種類對(duì)殘積土的性質(zhì)有顯著影響。(優(yōu)良母巖、質(zhì)地不良母巖)運(yùn)積土：經(jīng)流水、風(fēng)和冰川等動(dòng)力搬運(yùn)離開產(chǎn)地的堆積物?？煞譃楹恿鬟\(yùn)積土風(fēng)積土冰川沉積土沼澤土（腐植土）河流沉積土土水沖積形成成的，上游游顆粒粗，，下游顆粒粒細(xì)，故：：上游：強(qiáng)透透水，引起起滲漏和滲滲透變形問(wèn)問(wèn)題下游：地基基土的高壓壓縮性和低低強(qiáng)度引起起的基礎(chǔ)沉沉降和穩(wěn)定定問(wèn)題，同同時(shí)要考慮慮滲透變形形問(wèn)題風(fēng)積土黃土典型特點(diǎn)：：濕陷性，，所謂濕陷陷性指黃土土未浸水時(shí)時(shí)，含水率率低，一般般10%左右，仍能能維持陡壁壁或承受較較大的建筑筑物荷載，，可一旦濕濕水，其膠膠結(jié)強(qiáng)度會(huì)會(huì)迅速降低低，會(huì)在自自重或建筑筑物荷載下下劇烈下沉沉，黃土的的這種性質(zhì)質(zhì)稱為濕陷陷性。冰川沉積土土未經(jīng)水流搬搬運(yùn)，直接接從冰層中中擱置下來(lái)來(lái)的冰磧土土。其特點(diǎn)是：：不成層，，性質(zhì)一般般不均勻，，可作為土土石壩的不不透水材料料，而化學(xué)學(xué)膠結(jié)的冰冰磧土具有有很高的密密實(shí)性，常常常是極好好的建筑物物地基。冰水沖積土土：由冰川川融化水搬搬運(yùn)、堆積積在冰層外外圍的沖積積土，具有有與河流沖沖積土類似似的性質(zhì)，，是優(yōu)良的的透水材料料和混凝土土骨料風(fēng)積土（黃黃土高原風(fēng)風(fēng)成學(xué)說(shuō)））雅丹地貌（（風(fēng)蝕作用用形成）物理風(fēng)化物理風(fēng)化風(fēng)的作用水的作用化學(xué)風(fēng)化化學(xué)風(fēng)化天然地質(zhì)體體土的物理力學(xué)性性質(zhì)隨母巖巖種類,形成過(guò)程等不同而不同同；土的物理力力學(xué)性質(zhì)隨隨環(huán)境條件件(溫度,濕度,水分,壓力等)不同而不同同。人工土體：：人為控制制土的結(jié)構(gòu)構(gòu)與組成天然土體：：自然形成成土體與結(jié)構(gòu)構(gòu)不確定性：：土的物理力學(xué)性性質(zhì)隨母巖巖種類,形成過(guò)程等不同而不同同；不均勻性：：具有明顯顯的空間變變異性；易變性：土土的物理力力學(xué)性質(zhì)隨隨環(huán)境條件件(溫度,濕度,水分,壓力等)不同而不同同；多相性：由由固相、液液相、氣相相組成。固體礦物顆顆粒（固相）土中氣體（氣相）土中水（液相）土的組成土的固體顆顆粒是土的的三相組成成中的主體體，是決定定土的工程程性質(zhì)的主主要成分。。土體與巖體體連續(xù)性：土土體看成為為連續(xù)介質(zhì)質(zhì)，巖石常常認(rèn)為是不不連續(xù)介質(zhì)質(zhì)；滲透性：土土體一般無(wú)無(wú)明顯的方方向性，巖巖石具有明明顯的方向向性；破壞機(jī)理：：土體內(nèi)部部對(duì)土顆粒粒的約束較較弱，巖石石內(nèi)部的膠膠結(jié)能力較較強(qiáng)，一般般沿不連續(xù)續(xù)面發(fā)生破破壞。土體的材料料性質(zhì)土體作為結(jié)結(jié)構(gòu)材料與與力學(xué)介質(zhì)質(zhì)，具有多相性、易碎性、變異性，土的力學(xué)學(xué)性質(zhì)取決決于地質(zhì)成因、物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)特征。影響因素多多，影響因因素之間的的相互作用用，根據(jù)土土的組成與與結(jié)構(gòu)進(jìn)行行完全的定定量分析是是困難的，，需要借助助工程經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)等等手段進(jìn)行行分析。1.2土的結(jié)構(gòu)與與組成土的固體顆顆粒非粘土礦物物顆粒：土中的原原生礦物以以石英為主主，含有少少量長(zhǎng)石、、云母等。。粘土礦物顆顆粒：次生生礦物的主主要組成部部分，最常常見的是高嶺石、伊利石、蒙脫石，基本單元元為硅氧四四面體、鋁鋁氫氧八面面體。粘粒粉粒砂粒圓粒碎石塊石0.0050.075260200巨粒粗粒細(xì)粒粒組的概念念：工程上上將大小，，性質(zhì)相近近的土粒合合并為一組組，稱粒組組，其分界界尺寸稱界界限粒徑。。土粒粒度與與粒組砂粒硅氧四面體體硅硅氧晶片鋁氫氧八面面體鋁鋁氫氧晶晶片沿平面展布布晶胞（結(jié)構(gòu)構(gòu)單元）片狀粘土礦礦物相互疊合1：1型2：1型組合蒙脫石伊利石高嶺石礦物類型結(jié)構(gòu)類型晶胞厚度(A)比表面積(m2/g)高嶺石1：17.210~20伊利石2：11080~100蒙脫石2：114800主要粘土礦礦物的性質(zhì)質(zhì)土顆粒與孔孔隙水液態(tài)水結(jié)合水自由水強(qiáng)結(jié)合水弱結(jié)合水不能傳遞靜靜水壓力重力水毛細(xì)水能傳遞靜水水壓力結(jié)合水：指由電分子子引力吸附附于土粒表表面成薄膜膜狀的水。。根據(jù)受電電場(chǎng)作用力力的大小及及離顆粒表表面遠(yuǎn)近，，又可以分分成強(qiáng)結(jié)合水和弱結(jié)合水兩類。※強(qiáng)結(jié)合水：：緊靠于顆粒粒表面、所所受電場(chǎng)的的作用力很很大、幾乎乎完全固定定排列、喪喪失液體的的特性而接接近于固體體，冰點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于0℃，密度比自自由水的大大，在案105℃以上時(shí)才可可被蒸發(fā)；；※弱結(jié)合水：：緊靠強(qiáng)結(jié)合合水的外圍圍形成的結(jié)結(jié)合水膜，，所受的電電場(chǎng)作用力力隨著與顆顆粒距離增增大而減弱弱。是一種種粘滯水膜膜，可因電電場(chǎng)引力從從一個(gè)土粒粒周圍轉(zhuǎn)移移到另一個(gè)個(gè)土粒周圍圍。即弱結(jié)結(jié)合水膜能能發(fā)生變形形，但不因因重力作用用而流動(dòng)。。弱結(jié)合水水的存在是是粘性土在在某一含水水量范圍內(nèi)內(nèi)表現(xiàn)出可可塑性的原原因。結(jié)合水示意意圖土顆粒自由水弱結(jié)合水強(qiáng)結(jié)合水結(jié)合水存于孔隙中粘粒表面的的擴(kuò)散雙電電層負(fù)電荷顆粒表面擴(kuò)散層固定層土的微觀結(jié)結(jié)構(gòu)特征結(jié)構(gòu)形式粗粒土：?jiǎn)瘟＝Y(jié)構(gòu)、蜂窩結(jié)構(gòu)松散狀態(tài)密實(shí)狀態(tài)粉土：蜂窩結(jié)構(gòu)粘性土：絮狀結(jié)構(gòu)顆粒級(jí)配不均勻系數(shù)數(shù)d60—限定粒徑d10—有效粒徑d30—中值粒徑曲率系數(shù)級(jí)配評(píng)定孔隙分布土的孔隙結(jié)結(jié)構(gòu)——不同大小的的孔隙所占占比例的分分布情況d：孔隙直徑徑；p(d)：大于d的孔隙體積積百分含量量；V：大于d的孔隙體積積；Vz：總孔隙體體積?？讖椒植记€1.3連續(xù)介質(zhì)力力學(xué)原理基本假定連續(xù)性假定定——土體為連續(xù)續(xù)介質(zhì)。物質(zhì)點(diǎn)無(wú)孔孔隙地分布布于物體所所占的空間間物體在變形形過(guò)程中仍仍保持連續(xù)續(xù)性均勻性假定定——物體內(nèi)各點(diǎn)點(diǎn)的物理力力學(xué)性質(zhì)相相同。各向同性假假定——材料性質(zhì)與與方向無(wú)關(guān)關(guān)小變形假定定——物體在外力力作用下產(chǎn)產(chǎn)生的變形形很小，不