高等土力學(xué)知識(shí)點(diǎn)

影響土的強(qiáng)度因素影響土強(qiáng)度的因素很多，土的抗剪強(qiáng)度及其影響因素的關(guān)系可以定性地用以下公式表示τf=f(e,ψ,C,σ’,c,H,T,ε,ε’,S)其中e為土的孔隙比，C為土的組成，H為應(yīng)力歷史，T為溫度，ε和ε’分別為應(yīng)變和應(yīng)變率，S為土的結(jié)構(gòu)，c和ψ分別為粘聚力和內(nèi)摩擦角?？煞譃閮纱箢悾簝?nèi)部因素（物理性質(zhì)），外部因素（外界條件主要是應(yīng)力應(yīng)變條件）。內(nèi)部因素影響土強(qiáng)度的一般物理性質(zhì)：①顆粒礦物成分的影響。不同礦物之間的滑動(dòng)摩擦角是不同的②粗粒土顆粒的幾何性質(zhì)，當(dāng)孔隙比相同及級(jí)配相似時(shí)，一方面大尺寸顆粒具有較強(qiáng)的咬合能力，可能增加土的剪脹，從而提高強(qiáng)度；另一方面，在單位體積中大尺寸顆粒間接觸點(diǎn)少，接觸點(diǎn)上應(yīng)力加大，顆粒更容易破裂，從而減少剪脹，降低土的強(qiáng)度。③土的組成的其他因素。粗粒土的級(jí)配對(duì)于抗剪強(qiáng)度有較大影響，級(jí)配較好的砂，咬合作用也比較強(qiáng)，另一方面，單位體積中顆粒接觸點(diǎn)多，接觸應(yīng)力小，顆粒破碎少，剪脹量加大，所以抗剪強(qiáng)度高④土的狀態(tài)。砂土的孔隙比和相對(duì)密度可能是影響其強(qiáng)度的最重要因素?？紫侗刃』蛘呦鄬?duì)密度大的砂土有較高的抗剪強(qiáng)度?？紫侗葘?duì)黏土的影響通常變現(xiàn)為其應(yīng)力歷史的影響。⑤土的結(jié)構(gòu)。土的結(jié)構(gòu)對(duì)土的抗剪強(qiáng)度有很大影響，有時(shí)對(duì)于某些粘性土如區(qū)域土或特殊土，可以說是控制因素。原狀土的結(jié)構(gòu)性使其強(qiáng)度高于重塑土或擾動(dòng)土。⑥剪切帶的存在對(duì)土強(qiáng)度的影響。剪切帶處局部孔隙比很大，并且有很強(qiáng)烈的顆粒定向作用。剪切帶的生成會(huì)使土的強(qiáng)度降低?？紫侗扰c砂土抗剪強(qiáng)度的關(guān)系------臨界孔隙比隨著孔隙比減小，砂土的ψ將明顯提高。松砂與密砂在試驗(yàn)中的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系也有很大區(qū)別，松砂的應(yīng)力應(yīng)變曲線是應(yīng)變硬化的，剪縮，孔隙比減?。幻苌暗膽?yīng)力應(yīng)變曲線是應(yīng)變軟化的，剪脹，e增加。兩個(gè)式樣加載到最后，其e接近相同，都達(dá)到臨界孔隙比еcr，еcr是指在三軸試驗(yàn)加載過程中，軸向應(yīng)力差幾乎不變，軸向應(yīng)變連續(xù)增加，最終式樣體積幾乎不變時(shí)的e。如果對(duì)圍壓σ3進(jìn)行試驗(yàn)，則發(fā)現(xiàn)еcr是不同的，圍壓增加則еcr減小，圍壓減小則еcr增加?？紫侗扰c黏土強(qiáng)度--------真強(qiáng)度理論受孔隙比影響的摩擦分量為了反映e對(duì)粘性土抗剪強(qiáng)度及其指標(biāo)的影響。伏斯列夫把抗剪強(qiáng)度分為受孔隙比影響的粘聚力分量Ce和σtonψe，角標(biāo)e表示等孔隙比即為真強(qiáng)度理論與真強(qiáng)度至表面，τf=Ce+σtonψe，這個(gè)強(qiáng)度公式最突出的一點(diǎn)就是表示同一強(qiáng)度包線上各個(gè)式樣破壞時(shí)的孔隙比是相同的，與過原點(diǎn)的正常固結(jié)黏土的強(qiáng)度包線相比。外部因素圍壓σ3的影響圍壓σ3不僅影響土的峰值強(qiáng)度，也影響土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系及體變關(guān)系。峰值應(yīng)力比隨著圍壓增加有明顯降低。很高的σ3下，顆粒產(chǎn)生嚴(yán)重的破碎現(xiàn)象，造成土的級(jí)配發(fā)生了變化；在極低σ3下，即使是很松的砂土也會(huì)因顆粒間的咬合而產(chǎn)生剪脹性，對(duì)應(yīng)ψ有所提高。σ3對(duì)于粘性土的τf的影響還表現(xiàn)在其超固結(jié)比的影響，實(shí)際上反應(yīng)了應(yīng)力歷史對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響。中主應(yīng)力σ2的影響，隨著σ2的增加土的τf及強(qiáng)度指標(biāo)ψ也會(huì)增加，σ2增加，平均主應(yīng)力也隨著增加，從而使土被壓密；另一方面破壞時(shí)，σ2方向的應(yīng)力較大，增加了對(duì)土顆粒的約束和咬合作用。主應(yīng)力方向的影響-------土強(qiáng)度的各向異性。土的結(jié)構(gòu)性造成土強(qiáng)度的明顯的各向異性，亦即在不同主應(yīng)力方向下土的抗剪強(qiáng)度不同。土的抗剪強(qiáng)度與加載速率的關(guān)系①瞬時(shí)加載下土的強(qiáng)度。在沖擊荷載作用下，土的強(qiáng)度一般有所提高，對(duì)于飽和土，控制土強(qiáng)度的往往是產(chǎn)生的超靜孔壓②土的蠕變強(qiáng)度。在極慢的加載速率下，某些土發(fā)生破壞時(shí)的應(yīng)力遠(yuǎn)低于常規(guī)強(qiáng)度試驗(yàn)下的峰值強(qiáng)度，有的甚至為后者的50%，這種情況被稱為蠕變破壞。③土的時(shí)效性------擬似超固結(jié)土，主固結(jié)完成后，繼續(xù)施加壓力。由于土的流動(dòng)性而發(fā)生的次固結(jié)會(huì)使它繼續(xù)壓縮變密，在成千上萬年的有效應(yīng)力作用下，次固結(jié)使這種正常固結(jié)的老黏土表現(xiàn)為類似超固結(jié)土的特性，被稱為“擬似超固結(jié)土”，由于擬似超固結(jié)土具有超固結(jié)土的特性，所有其抗剪強(qiáng)度也明顯高于正常固結(jié)土。溫度：溫度主要通過對(duì)飽和黏土中的孔隙比的作用而影響土的強(qiáng)度，隨著固結(jié)溫度下提高，在同樣剪切溫度下試驗(yàn)得到的土的峰值抗剪強(qiáng)度也就越高，在同樣的固結(jié)溫度下，剪切溫度越高，土的固結(jié)不排水剪切峰值強(qiáng)度也就越低。影響土壓縮性的主要因素土體本身形狀土粒粒度，成分和土體結(jié)構(gòu)，粗粒土基本上是單粒結(jié)構(gòu)，在壓力作用下，土粒發(fā)生滑動(dòng)與滾動(dòng)，直至達(dá)到比較密實(shí)，更穩(wěn)定的位置，級(jí)配越好，密度越高，壓縮量越小，細(xì)粒土有兩種典型結(jié)構(gòu)：絮凝結(jié)構(gòu)，分散結(jié)構(gòu)，壓縮主要是顆粒間的水膜被擠薄，粒間相對(duì)滑移達(dá)到密實(shí)，以扁平土粒的撓曲變形。粗粒土的壓縮量一般比細(xì)粒土的要小。高塑性黏土與有機(jī)土的次壓縮量較大，超固結(jié)土的次壓縮量則較小。有機(jī)質(zhì)。土中有機(jī)質(zhì)主要為纖維素和腐殖質(zhì)，其存在使的壓縮性與收縮性增大?？障端?，對(duì)土的壓縮性的影響，表現(xiàn)在水中陽離子對(duì)粘土表面性質(zhì)的影響，當(dāng)孔隙水中的陽離子性質(zhì)和濃度使結(jié)合水膜厚度減薄時(shí)，膨脹土的膨脹性與膨脹壓力均將減小，反之亦然。環(huán)境因素應(yīng)力歷史：按失期固結(jié)壓力Pc與現(xiàn)有土層上覆壓力P。的比值Pc/P。，即超固結(jié)比OCR，可分為三類，OCR=1為正常固結(jié)土；OCR＞1為超固結(jié)土；OCR＜1為欠固結(jié)土。土的OCR愈大，土所受超固結(jié)作用愈強(qiáng)，其他條件相同時(shí)，其壓縮性愈低。溫度對(duì)土的壓縮性的影響，隨土的成分與應(yīng)力歷史而異。有限的實(shí)驗(yàn)成果表明，溫度對(duì)有機(jī)質(zhì)土的影響要比無機(jī)質(zhì)土的大，而對(duì)超固結(jié)土的效應(yīng)尤為顯著。對(duì)土的壓縮性的效應(yīng)，主要來源于溫度變化引起飽和土空隙中水體積變化及相應(yīng)的有效應(yīng)力的改變。沉降產(chǎn)生的原因和類型引起地基沉降的可能原因建筑物荷載；環(huán)境荷載（土體干縮，地下水位變化）；不直接與荷載有關(guān)的其他因素，常涉及環(huán)境原因，（振動(dòng)、濕陷和軟化，地下洞穴及沖刷，化學(xué)或生物化學(xué)腐蝕、礦井、地下管道垮塌，膨脹土遇水膨脹，凍融等）沉降的類型按產(chǎn)生時(shí)間失后區(qū)別的沉降，分為三段：瞬時(shí)沉降S1：發(fā)生在加載的瞬時(shí)固結(jié)沉降Sc：土體在外荷作用下產(chǎn)生的超靜水壓力迫使土中水外流，空隙減小，形成的地面下沉。次壓縮沉降Ss：基本發(fā)生在土中超靜水壓力完全消散以后，是在恒定有效應(yīng)力下的沉降。地基沉降的計(jì)算方法可以分為幾大類：（1）彈性理論法：線性/非線性工程實(shí)用法：單向壓縮沉降法，三向效應(yīng)法，切線模量法，三向壓縮法，應(yīng)力路徑法，物態(tài)界面法，曲線你合法（按現(xiàn)場觀測資料）現(xiàn)場試驗(yàn)法：荷載試驗(yàn)法，動(dòng)力觸探法，靜力觸探法，旁壓儀法數(shù)值計(jì)算法：有限單元法，差分法，集總參數(shù)法第一類彈性理論法將土體視為彈性體，測定其彈性常數(shù)，再用彈性理論計(jì)算土體中的應(yīng)力與土的變形量，雖然在符合某些彈性理論基本假設(shè)的理想條件下可以采用，但對(duì)一般地基，由于土的壓縮特性隨處變化，邊界條件比較復(fù)雜，加之用它不能求得土體變形隨時(shí)間的變化，這類方法應(yīng)用較少，第2類工程實(shí)用法是應(yīng)用最多的方法，尤其是前面的兩種，按彈性理論計(jì)算土體中的應(yīng)力，通過試驗(yàn)提供各種變形參數(shù)，利用分層疊加原理，可以方便地考慮到土層的非均質(zhì)，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的非線性以及地下水位變動(dòng)等實(shí)際存在的因素，曲線擬合法是利用現(xiàn)場已經(jīng)測得的初期沉降資料，繪制沉降過程曲線，預(yù)估后期沉降量的方法。因依據(jù)的是實(shí)測資料，故計(jì)算結(jié)果有較高的可信度，第3類經(jīng)驗(yàn)法大多是采用現(xiàn)場測試結(jié)果，求得土的壓縮性指標(biāo)，再帶入理論公式求解。對(duì)于無粘性土取厚狀樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，有困難的情況下，它不失為一種可行的途徑。第4類方法以有限元為法為主。只是利用計(jì)算機(jī)作為運(yùn)算手段，還是以其他理論（主要為彈性理論）為依據(jù)，借有限單元法離散化特點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算。盡管如此，成果的可信性歸根結(jié)底還取決于輸入指標(biāo)的正常性與所用模型的代表性，值得進(jìn)一步研究。太沙基單向固結(jié)理論的基本假設(shè)土體是均質(zhì)的完全飽和性的（2）土粒與水均為不可壓縮介質(zhì)（3）外荷重一次瞬時(shí)加到土體上，在固結(jié)過程中保持不變（4）土體的壓力與應(yīng)變之間存在線性關(guān)系，壓縮系數(shù)為常數(shù)（5）外外力作用下，土體中只引起上下方向的滲透與壓縮（6）土中滲流服從達(dá)西定律，滲透系數(shù)保持不變（7）土體變形完全是由空隙水排出和超靜水壓力清散所引起的。對(duì)幾種沉降計(jì)算方法的評(píng)述（單向壓縮沉降計(jì)算法，考慮三向變形效應(yīng)的單向壓縮法、三向變形計(jì)算法，彈性理論法，應(yīng)力路徑法，劍橋模型法）單向壓縮沉降計(jì)算方法：最大的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算方法簡單，計(jì)算指標(biāo)容易測定，它可以考慮各種土層條件，地下水位，基礎(chǔ)性狀，還能計(jì)及壓縮指標(biāo)修正和地基土的壓力歷史等。當(dāng)基礎(chǔ)面積大大超過壓縮土層的厚度，或壓縮土層埋藏較深，用此法可得較好結(jié)果。反之，計(jì)算的沉降量一般會(huì)偏低，應(yīng)該給以修正，或改用考慮三向變形的方法?？紤]三向變形效應(yīng)的單向壓縮法，對(duì)單向壓縮法作了改變，因?yàn)槌跏伎紫端畨毫ο禂?shù)由三軸試驗(yàn)測定，計(jì)及于土的剪脹性。不完善之處是將三軸應(yīng)力狀態(tài)下測得的空隙壓力用于地基中的一般壓力狀態(tài)，系數(shù)A隨土變形而改變，較難確定。僅能用于基礎(chǔ)對(duì)稱軸上各點(diǎn)的沉降。三向變形計(jì)算法：它具有單向壓縮計(jì)算法的各種優(yōu)點(diǎn)，并且考慮了土的三向變形，更接近于實(shí)際。但是計(jì)算中需要采用土的泊松比ν和土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，這要求模擬實(shí)際應(yīng)力條件下用三軸試驗(yàn)測取，較為復(fù)雜，同時(shí)，要想獲得滿意的計(jì)算結(jié)果，該法需要積累更多的使用經(jīng)驗(yàn)。彈性理論法：直接應(yīng)用彈性理論，概念清晰，計(jì)算簡便。但應(yīng)用有較大的局限性，天然土很少是均勻的，各處的彈性參數(shù)變化可能很大。不易計(jì)算及各種實(shí)際的復(fù)雜邊界條件，計(jì)算范圍達(dá)到無限深，常使計(jì)算結(jié)果偏大，因此，彈性理論法只適用于土質(zhì)相對(duì)均勻，基礎(chǔ)面積較小的一般房屋地基設(shè)計(jì)。應(yīng)力路徑法：利用三軸儀在室內(nèi)模擬土的原位應(yīng)力路徑，實(shí)測土的應(yīng)變，再計(jì)算沉降。概念清