第一講土力學(xué)幾個(gè)概念問題

第一講土力學(xué)幾個(gè)概念問題第1頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一2.土與土性定義（1）土粒粒組粘粒(<0.005)

粉粒（0.075~0.005）砂粒(2~0.075)

（2）粗粒土、細(xì)粒土（3）砂土、粉性土、粘性土第2頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一3.無粘性土與粘性土的物理工程性質(zhì)區(qū)別物理性質(zhì)方面：礦物成分：前者主要為原生礦物，顆粒粗；后者主要為次生礦物，顆粒細(xì)。土的結(jié)構(gòu)：前者結(jié)合水很少，可塑性低，為單粒結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)性弱或無；后者結(jié)合水含量高，可塑性高，為蜂窩結(jié)構(gòu)或絮狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)性很強(qiáng)，常具有明顯的觸變性和流變性。定名、定態(tài)：前者工程性質(zhì)主要受控于密實(shí)度，其分類按粒度和級(jí)配進(jìn)行；后者工程性質(zhì)除密度外，含水量的影響更大，其分類按塑性指數(shù)進(jìn)行。第3頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一3.無粘性土與粘性土的物理工程性質(zhì)區(qū)別工程性質(zhì)方面：滲透性和固結(jié)：前者滲透性大，孔隙比小，壓縮性小，固結(jié)所需時(shí)間很短；后者滲透性小，孔隙比大，壓縮性大，完成固結(jié)需時(shí)間很長。抗剪強(qiáng)度：前者只需排水剪指標(biāo)；后者根據(jù)不同情況，存在不固結(jié)不排水、固結(jié)不排水和固結(jié)排水剪指標(biāo)?？拐鹦裕呵罢咧械姆?、細(xì)砂和粉土在動(dòng)力荷載作用下易液化；后者在地震荷載作用下會(huì)發(fā)生震陷，但一般不會(huì)發(fā)生液化。第4頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一4.水對(duì)土的物理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)的影響結(jié)合水：強(qiáng)結(jié)合水弱結(jié)合水自由水:毛細(xì)水重力水土的物理性質(zhì)：重度、界限含水量、相對(duì)密度等土的力學(xué)性質(zhì)：滲透破壞、強(qiáng)度、變形第5頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一自由水對(duì)砂性土物理力學(xué)性質(zhì)的影響（浮力、滲透力）毛細(xì)水對(duì)粉細(xì)砂物理性質(zhì)的影響(凍害)重力水對(duì)粉細(xì)砂力學(xué)性質(zhì)的影響（滲透破壞、液化）第6頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一結(jié)合水對(duì)粘性土物理性質(zhì)的影響（塑性指數(shù)IP)重力水對(duì)粘性土物理性質(zhì)的影響(液性指數(shù)IL)結(jié)合水對(duì)粘性土力學(xué)性質(zhì)的影響（滲透性、強(qiáng)度)第7頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一5.砂土的密實(shí)度如何判別？不同指標(biāo)如何使用？砂土的密實(shí)程度并不完全取決于孔隙比，而在很大程度上還取決于土的級(jí)配情況。粒徑級(jí)配不同的砂土即使具有相同的孔隙比，但由于顆粒大小不同，顆粒排列不同，所處的密實(shí)狀態(tài)也會(huì)不同。為了同時(shí)考慮孔隙比和級(jí)配的影響，工程中一般采用砂土相對(duì)密實(shí)度將砂土劃分為密實(shí)、中密、和松散三種密實(shí)度。實(shí)際工程中常用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)指標(biāo)N63.5值的大小評(píng)判砂土的密實(shí)度。第8頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一6.在土類定名時(shí)，無粘性土與粘性土各主要依據(jù)什么指標(biāo)？

無粘性土依據(jù)的是土粒的粒徑大小與級(jí)配，粘性土則主要依據(jù)土的狀態(tài)特性指標(biāo)－塑性指數(shù)來定名。第9頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一7.滲流和固結(jié)的聯(lián)系與區(qū)別(1).作用力：滲流：地下水的靜水壓力差固結(jié)：外力引起的超靜孔隙水壓力(2)對(duì)象：滲流：主要考慮土中水的流動(dòng)，一般不考慮土的變形(除了滲透破壞)固結(jié)：應(yīng)力轉(zhuǎn)移，超靜孔隙水壓力消散,有效應(yīng)力增加引起土骨架變形(3)相同點(diǎn)：有水流動(dòng)(壓力差)(4)不同點(diǎn)：有無應(yīng)力轉(zhuǎn)移和有效應(yīng)力變化第10頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一8.達(dá)西定律的適用范圍

達(dá)西定律是由砂質(zhì)土體實(shí)驗(yàn)得到的，后來推廣應(yīng)用于其他土體如粘土和具有細(xì)裂隙的巖石等。進(jìn)一步的研究表明，在某些條件下，滲透并不一定符合達(dá)西定律，因此在實(shí)際工作中我們還要注意達(dá)西定律的適用范圍。第11頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一第12頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一9.土中滲流的作用力及滲透變形（1）滲透力的定義水在土中流動(dòng)的過程中將受到土阻力的作用，使水頭逐漸損失。同時(shí)，水的滲透將對(duì)土骨架產(chǎn)生拖曳力，導(dǎo)致土體中的應(yīng)力與變形發(fā)生變化。這種滲透水流作用對(duì)土骨架產(chǎn)生的拖曳力稱為滲透力。

第13頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一(2).滲透變形滲透變形主要有二種形式:流土：滲流水流將整個(gè)土體帶走的現(xiàn)象管涌：滲流中土體大顆粒之間的小顆粒首先被沖出最后形成一管狀通道的現(xiàn)象第14頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一

滲透變形中那種變形容易發(fā)生？滲透變形的發(fā)生與地基土的性質(zhì)有很大關(guān)系，在比較均勻的細(xì)砂、粉砂層中較易發(fā)生流砂現(xiàn)象，而在粗粒土中夾有細(xì)粒土?xí)r，則容易發(fā)生管涌現(xiàn)象。第15頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一10.點(diǎn)、線、面荷載與地基的破壞與沉降第16頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一第17頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一圖3－14雙層地基中界面上附加應(yīng)力的分布規(guī)律(a)應(yīng)力集中(b)應(yīng)力擴(kuò)散E1＜E2E1＞E2第18頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一11.土的壓縮性①土的壓縮主要是由于孔隙體積減少而引起的。

②由于孔隙水的排出而引起的壓縮對(duì)于飽和粘性土來說是需要時(shí)間的，即固結(jié)現(xiàn)象。

第19頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一壓縮性指標(biāo)（1）壓縮系數(shù)a（大小與附加應(yīng)力有關(guān)）通?？蓪⒊Ｒ?guī)壓縮試驗(yàn)所得的e～p

數(shù)據(jù)采用普通直角坐標(biāo)繪制成e～p

曲線，如圖4－1所示。：

圖4－1e～p曲線確定壓縮系數(shù)第20頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一（2）壓縮模量Es（大小與附加應(yīng)力有關(guān)）根據(jù)e-p曲線，可以得到另一個(gè)重要的側(cè)限壓縮指標(biāo)—側(cè)限壓縮模量，簡稱壓縮模量，用Es來表示。其定義為土在完全側(cè)限的條件下豎向應(yīng)力增量Δp（如從Pl增至P2）與相應(yīng)的應(yīng)變?cè)隽喀う诺谋戎?，根?jù)這個(gè)定義參見圖4-5可得到：（4-3）式中Es—側(cè)限壓縮模量，MPa

第21頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一(3).土的側(cè)限回彈曲線和再壓縮曲線

第22頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一(4).關(guān)于三種模量的討論壓縮模量Es是土在完全側(cè)限的條件下得到的，為豎向正應(yīng)力與相應(yīng)的正應(yīng)變的比值。該參數(shù)將用于地基最終沉降量計(jì)算的分層總和法、應(yīng)力面積法等方法中。

變形模量E0是根據(jù)現(xiàn)場載荷試驗(yàn)得到的，它是指土在側(cè)向自由膨脹條件下正應(yīng)力與相應(yīng)的正應(yīng)變的比值。該參數(shù)將用于彈性理論法最終沉降估算中，但載荷試驗(yàn)中所規(guī)定的沉降穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)帶有很大的近似性。

彈性模量Ei可通過靜力法或動(dòng)力法測定，它是指正應(yīng)力s與彈性（即可恢復(fù)）正應(yīng)變e的比值。該參數(shù)常用于用彈性理論公式估算建筑物的初始瞬時(shí)沉降。第23頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一12.地基沉降計(jì)算1.彈性理論法2.實(shí)用計(jì)算方法

1）分層總和法

2）應(yīng)力面積法第24頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一簡單討論

(1)分層總和法假設(shè)地基土在側(cè)向不能變形，而只在豎向發(fā)生壓縮，這種假設(shè)在當(dāng)壓縮土層厚度同基底荷載分布面積相比很薄時(shí)才比較接近。如當(dāng)不可壓縮巖層上壓縮土層厚度H不大于基底寬度之半（即b/2)時(shí)，由于基底摩阻力及巖層層面阻力對(duì)可壓縮土層的限制作用，土層壓縮只出現(xiàn)很少的側(cè)向變形。

(2)假定地基土側(cè)向不能變形引起的計(jì)算結(jié)果偏小，取基底中心點(diǎn)下的地基中的附加應(yīng)力來計(jì)算基礎(chǔ)的平均沉降導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏大，因此在一定程度上得到了相互彌補(bǔ)。第25頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一13.飽和土的有效應(yīng)力原理飽和土中總應(yīng)力與孔隙水壓力、有效應(yīng)力之間存在如下關(guān)系：

(4-23)

（1）飽和土體內(nèi)任一平面上受到的總應(yīng)力等于有效應(yīng)力加孔隙水壓力之和；（2）土的強(qiáng)度的變化和變形只取決于土中有效應(yīng)力的變化第26頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一第27頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一第28頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一14．太沙基的一維滲流固結(jié)理論太沙基（K．Terzaghi，1925）一維固結(jié)理論可用于求解一維有側(cè)限應(yīng)力狀態(tài)下，飽和粘性土地基受外荷載作用發(fā)生滲流固結(jié)過程中任意時(shí)刻的土骨架及孔隙水的應(yīng)力分擔(dān)量，如大面積均布荷載下薄壓縮層地基的滲流固結(jié)等。第29頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一（1）基本假設(shè)

l）土是均質(zhì)的、完全飽和的；

2）土粒和水是不可壓縮的；

3）土層的壓縮和土中水的滲流只沿豎向發(fā)生，是單向（一維）的；

4）土中水的滲流服從達(dá)西定律，且土的滲透系數(shù)k和壓縮系數(shù)a在滲流過程中保持不變；

5）外荷載是一次瞬時(shí)施加的。第30頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一單面排水情況

雙面排水情況第31頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一（2）．固結(jié)度（1）固結(jié)度基本概念土層在固結(jié)過程中，t

時(shí)刻土層各點(diǎn)土骨架承擔(dān)的有效應(yīng)力圖面積與起始超孔隙水壓力（或附加應(yīng)力）圖面積之比，稱為t

時(shí)刻土層的固結(jié)度，用Ut

表示，即

由于土層的變形取決與土中有效應(yīng)力，故土層的固結(jié)度又可表述為土層在固結(jié)過程中任一時(shí)刻的壓縮量st與最終壓縮量sc之比，即

第32頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一單面排水時(shí)土層的平均固結(jié)度與其附加應(yīng)力的分布情況有關(guān)，即與附加應(yīng)力比a有關(guān)雙面排水時(shí)土層的平均固結(jié)度與其附加應(yīng)力比a無關(guān)，且形式上與單面排水a(chǎn)=1時(shí)的計(jì)算公式完全相同。因此，計(jì)算時(shí)可采用單面排水a(chǎn)=1時(shí)的計(jì)算公式，但雙面排水計(jì)算Tv時(shí)，H取土層厚度的一半。在固結(jié)應(yīng)力分布形式、土層性質(zhì)和排水條件等已定的情況下，固結(jié)度Ut僅是時(shí)間t的函數(shù)，與固結(jié)應(yīng)力大小和土層厚度無關(guān)土質(zhì)相同、厚度不同土層，附加應(yīng)力分布和排水條件相同時(shí)，達(dá)到相同固結(jié)度所需時(shí)間之比等于排水距離平方之比，即：第33頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一為什么可以說土的壓縮變形實(shí)際上是土的孔隙體積的減?。?/p>

在常規(guī)的地基壓力下土中顆粒本身的壓縮非常小，可以忽略，即只考慮土的孔隙體積的減小。

第34頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一為何有了壓縮系數(shù)還要定義壓縮模量？

壓縮系數(shù)是室內(nèi)驗(yàn)算試驗(yàn)中最直接得到的指標(biāo)，是土力學(xué)所特有的指標(biāo)之一。壓縮模量的定義主要是為了利用虎克定律而設(shè)置，工程中也比較習(xí)慣使用這一指標(biāo)。第35頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一飽和土的大沙基一維固結(jié)理論考慮的主要因素有那些？

主要有土層的厚度、排水條件、荷載分布、滲透系數(shù)和固結(jié)時(shí)間等因素。第36頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一太沙基的有效應(yīng)力原理與實(shí)際情況差別有多大？

實(shí)際工程中的土中滲流問題一般都是三維問題，而且土的滲透系數(shù)在豎向與水平方向的差別也比較大，故在地基固結(jié)問題中采用三維固結(jié)理論考慮滲流的空間效應(yīng)非常重要。但三維固結(jié)理論計(jì)算方法復(fù)雜，計(jì)算參數(shù)也很難獲得，給實(shí)際使用帶來了困難。在通常的地基固結(jié)中，按一維有側(cè)限應(yīng)力狀態(tài)考慮采用太沙基的有效應(yīng)力原理進(jìn)行分析計(jì)算雖然有誤差，但在目前條件下借助一定經(jīng)驗(yàn)判斷還是非常有效的。第37頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一固結(jié)度的物理意義是什么？

地基土的固結(jié)度是指土中超孔隙水壓力隨著時(shí)間的推移而消散的程度，固結(jié)度越大，超孔隙水壓力減小越多而土層中的有效應(yīng)力增加越多。故將其定義為土層在固結(jié)過程中，

t時(shí)刻土層各點(diǎn)土骨架承擔(dān)的有效應(yīng)力圖面積與起始超孔隙水壓力（或附加應(yīng)力）圖面積之比。第38頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一土的應(yīng)力歷史對(duì)土的壓縮性有何影響？

在同等壓力下，欠固結(jié)土的壓縮性最大，而土層的超固結(jié)程度越高，土層的壓縮性越小。第39頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一15.土的強(qiáng)度概念強(qiáng)度值強(qiáng)度破壞第40頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一圖5-2a砂土的試驗(yàn)結(jié)果

圖5-2b粘性土的試驗(yàn)結(jié)果

第41頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一圖5－8

剪應(yīng)力t

與剪切位移Dl關(guān)系曲線第42頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一圖5－10三軸試驗(yàn)基本原理(a)試樣圍壓

(b)破壞時(shí)試樣主應(yīng)力

(c)應(yīng)力圓與強(qiáng)度包線第43頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一（圖5-la）（圖5-1b）（圖5-1c）

第44頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一土中達(dá)到極限平衡狀態(tài)是否地基已經(jīng)破壞？

不一定。地基破壞是在土中形成了一定范圍的滑動(dòng)區(qū)域（連續(xù)滑動(dòng)面）或一定區(qū)域的土層進(jìn)入塑性狀態(tài)，具有一個(gè)從量變到質(zhì)變的過程，土中許多點(diǎn)達(dá)到極限平衡狀態(tài)后才能引起地基破壞。第45頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一16.土的強(qiáng)度與有效應(yīng)力直接剪切試驗(yàn)（1）快剪（2）固結(jié)快剪（3）慢剪三軸壓縮試驗(yàn)（1）不固結(jié)不排水剪（2）固結(jié)不排水剪（3）固結(jié)排水剪第46頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一為什么直剪試驗(yàn)要分快剪，固結(jié)快剪及慢剪？這三種試驗(yàn)結(jié)果有何差別？

主要是模擬實(shí)際工程中的不固結(jié)不排水、固結(jié)不排水和固結(jié)排水三種條件，一般來說，快剪，固結(jié)快剪和慢剪得出的強(qiáng)度值是依次遞增的第47頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一土的抗剪強(qiáng)度為什么既有總應(yīng)力表示法又有有效應(yīng)力表示法？哪一種方法比較合理？為什么？由于土中應(yīng)力可分別用總應(yīng)力和有效應(yīng)力表示，與此對(duì)應(yīng)的土的抗剪強(qiáng)度就既有總應(yīng)力表示法又有有效應(yīng)力表示法。從理論上講，土的抗剪強(qiáng)度的有效應(yīng)力表示法更為合理，但由于實(shí)際地基中孔隙水壓力的測定存在較大困難，其應(yīng)用受到很大限制。第48頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一土的抗剪強(qiáng)度是不是一個(gè)定值？不是定值條件：土層的加荷方式（動(dòng)、靜、循環(huán)與否）、加荷速度（快慢）、土層的應(yīng)力歷史等定值條件：有效應(yīng)力強(qiáng)度與土層的排水條件無關(guān)第49頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一飽和軟粘土不固結(jié)結(jié)不排水剪切試驗(yàn)為什么只有Cu的結(jié)果？飽和軟粘土在不固結(jié)結(jié)不排水的條件下剪切時(shí)，由于土粒表面完全被水包裹，表面摩擦力和土粒之間的咬合力都非常小，土粒相對(duì)滑動(dòng)時(shí)幾乎不產(chǎn)生摩擦力，試驗(yàn)得到的內(nèi)摩擦角ju≈0o，故其試驗(yàn)結(jié)果只有Cu值。第50頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一圖5－12土的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果第51頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一17.土壓力與位移之間的關(guān)系

-△+△+△-△Eo△a△pEaEoEp對(duì)同一擋土墻，在填土的物理力學(xué)性質(zhì)相同的條件下有以下規(guī)律：1.Ea＜Eo

＜＜Ep2.△p

＞＞△a實(shí)際土壓力的大小和分布主要取決于擋土墻和墻后土體相對(duì)位移的大小和方向。第52頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一18.土坡穩(wěn)定分析中有關(guān)問題＊

一、填筑邊坡與天然邊坡

對(duì)于人工填筑土坡及正常固結(jié)或超固結(jié)均勻粘土土坡，按一般的穩(wěn)定分析方法，得到安全系數(shù)，比較符合實(shí)測結(jié)果。但對(duì)于天然超固結(jié)裂隙粘土土坡，采用與上述相同的分析方法，會(huì)得出不正確的結(jié)果二、關(guān)于粘性土圓弧滑動(dòng)條分法計(jì)算中引入的計(jì)算假定：滑動(dòng)面為圓弧考慮或不考慮條間力作用安全系數(shù)用滑裂面上全部抗滑力矩與滑動(dòng)力矩之比來