1、土力學基礎知識,,,第一節(jié) 土的物理性質及分類 1—1 概 述1土的定義： 土是連續(xù)，堅固的巖石在風化作用下形成的大小懸殊的顆粒，經過不同的搬運方式，在各種自然環(huán)境中生成的沉積物。2 土的三相組成： 土的物質成分包括有作為土骨架的固態(tài)礦物顆粒、孔隙中的水及其溶解物質以及氣體。因此，土是由顆粒(固相)、水(液相)和氣(氣相)所組成的三相體系。,一 土的固體顆粒 · 土中的固體顆粒(簡稱土粒)的大

2、小和形狀、礦物成分及其組成情況是決定土的物理力學性質的重要因素。 (一) 土的顆粒級配 在自然界中存在的土，都是由大小不同的土粒組成的。 土粒的粒徑由粗到細逐漸變化時，土的性質相應地發(fā)生變化，例如土的性質隨著粒徑的變細可由無粘性變化到有粘性。 將土中各種不同粒徑的土粒，按適當?shù)牧椒秶?，分為若干粒組，各個粒組隨著分界尺寸的不同而呈現(xiàn)出一定質的變化。劃分粒組的分界尺寸稱為界限粒徑。,表2-1提供的是一種常用的

3、土粒粒組的劃分方法。表中根據界限粒徑200、20、2、0．05和0．005mm把土粒分為六大粒組：漂石<塊石)顆粒、卵石(碎石)顆粒、圓礫(角礫)顆粒、砂粒、粉粒及粘粒。 土粒的大小及其組成情況，通常以土中各個粒組的相對含量(各粒組占土?？偭康陌?分數(shù))來表示，稱為土的顆粒級配。 顆粒分析試驗：篩分法；沉重分析法,顆粒分析實驗,篩分法試驗是將風干、分散的代表性土樣通過一套自上而下孔徑由大到小的標準篩（例如60mm

4、、20mm、0.5mm、0.25mm、 0.1mm、0.075mm ），稱出留在各個篩子上的土干重，即可求得各個粒組的相對含量。,,根據顆粒大小分析試驗成果，可以繪制顆粒級配累積曲線由曲線的坡度可判斷土的均勻程度；有效粒徑；限定粒徑。,,,,,,利用顆粒級配累積曲線可以確定土粒的級配指標，如與的比值稱為不均勻系數(shù)： 又如曲率系數(shù)用下式表示：

5、 不均勻系數(shù) 反映大小不同粒組的分布情況，越大表示土粒大小的分布范圍越大，其級配越良好，作為填方工程的土料時，則比較容易獲得較大的密實度．曲率系數(shù)描寫的是累積曲線的分布范圍，反映曲線的整體形狀。 顆粒級配可在一定程度上反映土的某些性質。,,,,沉降分析法,沉降分析法有密度法（比重計法）、移液管法等。密度計法，是將一定量的土樣（粒徑<0.075mm）放在量筒中，然后加蒸餾水，經過攪拌，使土的大

6、小顆粒在水中均勻分布，當土粒在液體中靠自重下沉時，較大的顆粒下沉較快，而較小的顆粒下沉則較慢。讓土粒沉降過程中，用密度計測出在懸液中對應于不同時間的不同懸液密度，根據密度計讀數(shù)和土粒的下沉時間，就可計算出粒徑小于某一粒徑d（mm）的顆粒占土樣的百分數(shù)。,,(二)土粒的礦物成分 土粒的礦物成分主要決定于母巖的成分及其所經受的風化作用。不同的礦物成分對土的性質有著不同的影響，其中以細粒組的礦物成分尤為重要 。 1、六大粒組的

7、礦物成分 漂石、卵石、圓礫等粗大顆粒；砂粒；粉粒；粘粒。 2、粘土礦物的比表面 由于粘土礦物是很細小的扁平顆粒，顆粒表面具有很強的與水相互作用的能力，表面積愈大，這種能力就愈強。粘土礦物表面積的相對大小可以用單位體積(或質量)的顆?？偙砻娣e(稱為比表面)來表示。 由于土粒大小不同而造成比表面數(shù)值上的巨大變化，必然導致土的性質的突變，所以，土粒大小對土的性質起著重要的作用。,二、土中的水和氣

8、 (一)土中水 在自然條件下，土中總是含水的。土中水可以處于液態(tài)、固態(tài)或氣態(tài)。 存在于土中的液態(tài)水可分為結合水和自由水兩大類： 1．結合水 結合水是指受電分子吸引力吸附于土粒表面的土中水。這種電分子吸引力高達幾千到 幾萬個大氣壓，使水分子和土粒表面牢固地粘結在一起。 由于土粒(礦物顆粒)表面一般帶有負電荷，圍繞土粒形成電場，在

9、土粒電場范圍內的水分子和水溶液中的陽離子(如Na’、Ca”、A1”等)一起吸附在土粒表面。因為水分子是極性分子(氫原子端顯正電荷，氧原子端顯負電荷)，它被土粒表面電荷或水溶液中離子電荷的吸引而定向排列(圖1—13)。 雙電子層,(1)強結合水 強結合水是指緊靠土粒表面的結合水 (2)弱結合水 弱結合水緊靠于強結合水的外圍形成一層結合水膜。 2自由水 自由水是存

10、在于土粒表面電場影響范圍以外的水。它的性質和普通水一樣，能傳遞靜水壓力，冰點為0℃，有溶解能力。 自由水按其移動所受作用力的不同，可以分為重力水和毛細水。,,(1)重力水 重力水是存在于地下水位以下的透水層中的地下水，它是在重力或壓力差作用下運動的自由水，對土粒有浮力作用。 (2)毛細水 毛細水是受到水與空氣交界面處表面張力作用的自由水。毛細水存在于地下水位以上的透水土層中。毛細水按其與地下水面是否聯(lián)

11、系可分為毛細懸掛水(與地下水無直接聯(lián)系)和毛細上升水(與地下水相連)兩種。,當土孔隙中局部存在毛細水時，毛細水的彎液面和土粒接觸處的表面引力反作用于土粒上，使土粒之間由于這種毛細壓力而擠緊(圖1—14)，土因而具有微弱的粘聚力，稱為毛細粘聚力。 (二)土中氣 土中的氣體存在于土孔隙中未被水所占據的部位。 三 、土的結構和構造 土的結構是指由土粒單元的大小、形狀、相互排列及其聯(lián)結關系

12、等因素形成的綜合特征。一般分為單粒結構、蜂窩結構和絮狀結構三種基本類型。,在同一土層中的物質成分和顆粒大小等都相近的各部分之間的相互關系的特征稱為土的構造，土的構造最主要特征就是成層性即層理構造。土的構造的另一特征是土的裂隙性。,土的結構,土的三相比例指標,上節(jié)介紹了土的組成，特別是土顆粒的粒組和礦物成分，是從本質方面了解土的性質的根據。但是為了對土的基本物理性質有所了解，還需要對土的三相——土粒(固相)、土中水(液相)和土中氣(氣相)

13、的組成情況進行數(shù)量上的研究。,土的三相比例指標：土粒比重、含水量、密度、干密度、飽和密度、有效密度、孔隙率、孔隙比、飽和度。,,,某飽和土體，重度=20KN/M3,土粒比重Gs=2.6.求干重度。,,,土的物理狀態(tài)指標,無粘性土的密實度與其工程性質有著密切的關系，呈密實狀態(tài)時，強度較大，可作為良好的天然地基，呈松散狀態(tài)時，則是不良地基。 以下介紹幾種判別無粘性土的密實度的方法： 1、按天然孔隙比e判別。 2、按

14、標準貫入擊數(shù)N劃分 3、碎石土密實度按重型動力觸探擊數(shù)劃分 4、碎石土密實度的野外鑒別,,標準貫入試驗是一種在現(xiàn)場用63.5KG的穿心錘，以76cm的落距自由落下，將一定規(guī)格的帶有小型取土筒的標準貫入器打入土中，記錄打入30cm的錘擊數(shù)（即標準貫入擊數(shù)N），以此評價土的工程性質的原位試驗,粘性土的物理特征,一 粘性土的界限含水量 粘性土由于其含水量的不同，而分別處于固態(tài)、半固態(tài)、可塑狀態(tài)及流動狀態(tài)

15、 粘性土由一種狀態(tài)轉到另一種狀態(tài)的分界含水量，叫做界限含水量。,我國目前以聯(lián)合法測定液限和塑限,二、粘性土的塑性指數(shù)和液性指數(shù) 1、塑性指數(shù)是指液限和塑限的差值(省去％符號)，即土處在可塑狀態(tài)的含水量變化范圍。,,,塑性指數(shù)的大小與土中結合水的含量有關 2、液性指數(shù)是指粘性土的天然含水量和塑限的差值與塑性指數(shù)之比。,,用液性指數(shù)可表示粘性土的軟硬狀態(tài)，見表2-8和2-9,地基土的工程分類,一、建筑地基土的分類1

16、、按地質成因，土可分為：殘積土、坡積土、洪積土、沖積土、湖積土、海積土、淤積土、風積土和冰積土等。2、按顆粒級配和塑性指標劃分 土按顆粒級配和塑性指數(shù)分為碎石土、砂土、粉土和黏性土四大類。具體見表2-10,2-11, 2-12。3、其他劃分方法。二、公路橋涵地基土的分類。,土中應力,概述 土體在自身重力或外部荷載的作用下均產生土中應力。 土中應力按其起因可分為自重應力和附加應力兩種。自重應力是指土體在自身重

17、力作用下產生的應力，土中附加應力是引起土體變形甚至破壞的主要原因。,2—2 土中自重應力,在計算土中自重應力時，假設天然地面是一個無限大的水平面，因而在任意豎直面和 水平面上均無剪應力存在?？扇∽饔糜谠撍矫嫔先我粏挝幻娣e的土柱體自重計算(圖2—2)，即： 地基中除有作用于水平面上的豎向自重應力外，在豎直面上還作用有水平向的側向自 重應力。由于沿任一水平面上均勻地無限分布，所以地基土在自重作用下只能產生豎

18、 向變形，而不能有側向變形和剪切形。,,,,必須指出，只有通過土粒接觸點傳遞的粒間應力，才能使土粒彼此擠緊，從而引起土體的變形，而且粒間應力又是影響土體強度的—個重要因素，所以粒間應力又稱為有效應力。因此，土中自重應力可定義為土自身有效重力在土體中引起的應力。土中豎向和側向的自重應力一般均指有效自重應力。,,,地基土往往是成層的，成層土自重應力的計算公式：,,自然界中的天然土層，一般形成至今已有很長的地質年代，它在自重作用下的變形早巳

19、穩(wěn)定。但對于近期沉積或堆積的土層，應考慮它在自應力作用下的變形。此外，地下水位的升降會引起土中自重應力的變化(圖2—4)。,,某建筑場地天然地面以下第一層為粉質黏土，厚5m，重度為18KN/M3,Gs=2.72，w=35%；第二層為黏土層重度為19KN/M3,Gs=2.75，w=34%；地下水位在地下3m處。請計算2m、4m、6m、各深度處的土中豎向自重應力。,,地下水位3m。試計算2m，4m，6m各深處的土中豎向自重應力。,2-3基底

20、壓力(接觸應力),建筑物荷載通過基礎傳遞給地基，在基礎底面與地基之間便產生了接觸應力。它既是基礎作用于地基的基底壓力，同時又是地基反用于基礎的基底反力。 對于具有一定剛度以及尺寸較小的柱下單獨基礎和墻下條形基礎等，其基底壓力可近似地按直線分布的圖形計算，即按下述材料力學公式進行簡化計算。,2－5 土的壓縮性,一基本概念 土在壓力作用下體積縮小的特性稱為土的壓縮性。試驗研究表明，在一般壓力（

21、100－600kN)作用下，土粒和水的壓縮與土的總壓縮量之比是很微小的，因此完全可以忽略不計，所以把土的壓縮看作為土中孔隙體積的減小。此時，土粒調整位置，重行排列，互相擠緊。飽和土壓縮時，隨著孔隙體積的減少土中孔隙水則被排出。 在荷載作用下，透水性大的飽和無粘性土，其壓縮過程在短時間內就可以結束。相反 地，粘性土的透水性低，飽和粘性土中的水分只能慢慢排出，因此其壓縮穩(wěn)定所需的時間要比砂土長得多。土的壓

22、縮隨時間而增長的過程，稱為土的固結，對于飽和粘性土來說，土的固結問題是十分重要的。,計算地基沉降量時，必須取得土的壓縮性指標，壓縮性指標常采用室內試驗或原位測試來測定他們。在一般工程中，常用不允許土樣產生側向變形(側限條件)的室內壓縮試驗來測定土的壓縮性指標 。 二、壓縮曲線和壓縮性指標 (一)壓縮試驗和壓縮曲線,(二)土的壓縮系數(shù)和壓縮指數(shù) 壓縮性不同的土，其 曲

23、線的形狀是不一樣的。曲線愈陡，說明隨著壓力的增加， 土孔隙比的減小愈顯著，因而土的壓縮性愈高，所以，曲線上任一點的切線斜率a就表示了相應于壓力p作用下土的壓縮性：,,,土的壓縮性可用圖中割線 的斜率表示設割線 與橫座標的夾角為 ，則，,,,,為了便于應用和比較，通常采用壓力間隔由 增加到 時所得的壓縮系數(shù)

24、來評定土的壓縮性。,,,,,(三)壓縮模量(側限壓縮模量) 根據 曲線，可以求算另一個壓縮性指標——壓縮模量。它的定義是土在完全側限條件下的豎向附加壓應力與相應的應變增量之比值。土的壓縮模量可根據下式計算： 亦稱側限壓縮模量，以便與一般材料在無側限條件下簡單拉伸或壓縮時的彈性模量相區(qū)別。,,,,土的抗剪強度,土的抗剪強度是指土體抵抗剪切破壞的極限能力，是土的重要力學性質之一。工

25、程中的地基承載力，擋土墻土壓力、土坡穩(wěn)定等問題都與土的抗剪強度直接相關。 建筑物地基在外荷載作用下將產生剪應力和剪切變形，土具有抵抗這種剪應力的能力，并隨剪應力的增加而增大，當這種剪阻力達到某一極限值時，土就要發(fā)生剪切破壞，這個極限值就是土的抗剪強度。如果土體內某一部分的剪應力達到土的抗剪強度，在該部分就開始出現(xiàn)剪切破壞，隨著荷載的增加，剪切破壞的范圍逐漸擴大，最終在土體中形成連續(xù)的滑動面，地基發(fā)生整體剪切破壞而喪失穩(wěn)定性

26、。,3—2 庫倫公式和莫爾—庫倫強度理論 一、庫倫公式 1773年C．A．庫倫(Coulomb)根據砂土的試驗，將土的抗剪強度表達為滑動面上法向總應力的函數(shù)，即,,以后又提出了適合粘性土的更普遍的形式,,由庫倫公式可以看出，無粘性土的抗剪強度與剪切面上的法向應力成正比，其本質是由于顆粒之間的滑動摩擦以及”凹凸面間的鑲嵌作用所產生的摩阻力，,其大小決定于顆粒表面的粗糙度、密實度、土顆粒的大小以及顆粒級配等因

27、素。粘性土的抗剪強度由兩部分組成：一部分是摩擦力，另一部分是土粒之間的粘結力，它是由于粘性土顆粒之間的膠結作用和靜電引力效應等因素引起的。,,抗剪強度試驗,抗剪強度的試驗方法有多種，在實驗室內常用的有直接剪切試驗，三軸壓縮試驗和無側限抗壓試驗，在原位測試的有十字板剪切試驗，大型直接剪切試驗等。本節(jié)著重介紹幾種常用的試驗方法。 一、直接剪切試驗直接剪切儀分為應變控制式和應力控制式兩種，試驗時，由杠桿系統(tǒng)通過加壓活塞和透水石

28、對試件施加某一垂直壓力σ，然后等速轉動手輪對下盒施加水平推力，使試樣在上下盒的水平接觸面上產生剪切變形，直至破壞，剪應力的大小可借助與上盒接觸的量力環(huán)的變形值計算 確定。在剪切過程中，隨著上下盒相對剪切變形的發(fā)展，土樣中的抗剪強度逐漸發(fā)揮出來，直到剪應力等于土的抗剪強度時，土樣剪切破壞，所以土樣的抗剪強度可用剪切破壞時的剪應力來量度。,對同一種土至少取4個試樣，分別在不同垂直壓力下剪切破壞，一般可取垂直壓力為100、200、300、40

29、0kPa，將試驗結果繪制成如圖3—7(b)所示的抗剪強度 和垂直壓力σ之間關系，試驗結果表明，對于粘性土 基本上成直線關系，該直線與橫軸的夾角為內摩擦角 ，在縱軸上的截距為粘聚力c，直線方程可用庫倫公式(3—2)表示，對于無粘性土， 之間關系則是通過原點的一條直線，可用式(3-1)表示。,,,,,為了近似模擬土體在現(xiàn)場受剪的排水條件，直接剪切試驗可分為快剪、固結快剪和慢 剪三種方法。快剪試驗是在試樣

30、施加豎向壓力后，立即快速施加水平剪應力使試樣剪切破壞，固結快剪是允許試樣在豎向壓力下充分排水，待固結穩(wěn)定后，再快速施加水平剪應力使試樣剪切破壞。慢剪試驗則是允許試樣在豎向壓力下排水，待固結穩(wěn)定后，以緩慢的速率施加水平剪應力使試樣剪切破壞。 二、三軸壓縮試驗 三軸壓縮試驗是測定土抗剪強度的—種較為完善的方法。三軸壓縮儀由壓力室、軸向加荷系統(tǒng)、施加周圍壓力系統(tǒng)、孔隙水壓力量測系統(tǒng)等組成，如圖3-8所示,常規(guī)試

31、驗方法的主要步驟如下：將土切成圓柱體套在橡膠膜內，放在密封的壓力室中，然后向壓力室內壓入水，使試件在各向受到周圍壓力 ，并使液壓在整個試驗過程中保持不變，這時試件內各向的三個主應力都相等，因此不發(fā)生剪應力[圖3—9(a)]。然后再通過傳力桿對試 件施加豎向壓力，這樣，豎向主應力就大于水平向主應力，當水平向主應力保持不變，而 豎向主應力逐漸增大時，試件終于受剪而破壞[圖3—9(b)]。設剪切破壞時由傳力桿加在試件 上的豎向

32、壓應力為 ，則試件上的大主應力為 ，而小主應力為 ，以( )為直徑可畫出一個極限應力圓，如圖3—9(c)中的圓I，用同一種土樣的若干個試件 (三個以上)按以上所述方法分別進行試驗，每個試件施加不同的周圍壓力 ，可分別得出剪切破壞時的大主應力 ，將這些結果繪成一組極限應力圓，如圖3—9(c)中的圓I、Ⅱ和Ⅲ。,,,,

33、,,,,由于這些試件都剪切至破壞，根據莫爾—庫倫理論，作一組極限應力圓的公共切線， 即為土的抗剪強度包線(圖3—9c)，通常可近似取為一條直線，該直線與橫座標的夾角即土的內摩擦角 ，直線與縱座標的截距即為土的粘聚力c,,如要量測試驗過程中的孔隙水壓力，可以打開孔隙水壓力閥，在試件上施加壓力以后，由于土中孔隙水壓力增加迫使零位指示器的水銀面下降，為量測孔隙水壓力，可用調壓筒調整零位指示器的水銀面始終保持原來的位置，這樣，孔隙水

34、壓力表中的讀數(shù)就是孔隙水壓力值。如要量測試驗過程中的排水量，可打開排水閥門，讓試件中的水排入量水管中，根據置水管中水位的變化可算出在試驗過程中試樣的排水量。 對應于直接剪切試驗的快剪，固結快剪和慢剪試驗，三軸壓縮試驗按剪切前的固結程 度和剪切時的排水條件，分為以下三種試驗方法： (1)不固結不排水試驗 試樣在施加周圍壓力和隨后施加豎向壓力直至剪切破壞的整個過程中部不允許排水， 試驗自始至終關閉排水閥門

35、。,(2)固結不排水試驗 試樣在施加周圍壓力時打開排水閥門，允許排水固結，待固結穩(wěn)定后關閉排水閥門， 再施加豎向壓力，使試樣在不排水的條件下剪切破壞。 (3)固結排水試驗 試樣在施加周圍壓力時允許排水固結，待固結穩(wěn)定后，再在排水條件下施加豎向壓 力至試件剪切破壞。,,,二、地基承載力 1、地基承載力概念 地基承載力是指地基承擔荷載的能力 試驗研究表明，在荷載

36、作用下，建筑物地基的破壞通常是由于承載力不足而引起的剪切破壞，地基剪切破壞的型式可分為整體剪切破壞、局部剪切破壞和沖剪破壞三種，如圖4-27所示。,1、整體剪切破壞：一種在基礎荷載作用下地基發(fā)生連續(xù)剪切滑動面的地基破壞模式。2、局部剪切破壞：一種在基礎荷載作用下地基某一范圍內發(fā)生剪切破壞區(qū)的地基破壞型式。3、沖切剪切破壞：一種在荷載作用下地基土體發(fā)生垂直剪切破壞，使基礎產生較大沉降的一種地基破壞模式，也稱刺入剪切破壞。,2、地基極限