土力學ppt第1章

1、土 力 學,城建學部土木工程系主講：杜娟,緒 論,§ 0.1 土力學的概念及學科特點§ 0.2 土力學的發(fā)展簡史§ 0.3 本課程內(nèi)容、要求和學習方法,0.1 土力學的概念及學科特點,1. 土力學的研究對象,土是巖石經(jīng)過風化以及剝蝕、搬運、沉積作用交錯復雜的自然環(huán)境中所生成的各類沉積物。,,搬運、沉積,風化,土的特征,非連續(xù)介質,巖石風化的產(chǎn)物,,土具有碎散性,土是三相體系,固相—土骨架

2、液相—水氣相—空氣,,多相介質,土有自然變異性,區(qū)別于以往的連續(xù)、均勻、各向同性的固體研究對象,,力學特性復雜,2. 學習土力學的目的,(1) 土的工程應用,土工建筑材料 建筑物基礎之地基 建筑環(huán)境,(2) 與土有關的工程問題,與土有關的工程事故,A.加拿大特朗斯康谷倉,事故：1913年9月裝谷物，10月17日裝了31822Ｔ谷物時，1小時豎向沉降達30.5cm24小時傾斜26°53ˊ西端下沉7.32m 東端

3、上抬1.52m上部鋼混筒倉完好無損,概況：長59.4m，寬23.5m，高31.0m，共65個圓筒倉。鋼混筏板基礎，厚61cm，埋深3.66m。1911年動工，1913年完工，自重20000T。,A.加拿大特朗斯康谷倉,原因：地基土事先未進行調(diào)查，據(jù)鄰近結構物基槽開挖取土試驗結果，計算地基承載力應用到此谷倉。1952年經(jīng)勘察試驗與計算，地基實際承載力遠小于谷倉破壞時發(fā)生的基底壓力。因此，谷倉地基因超載發(fā)生強度破壞而滑動。,處理：事后在

4、下面做了七十多個支撐于基巖上的混凝土墩，使用388個50t千斤頂以及支撐系統(tǒng)，才把倉體逐漸糾正過來，但其位置比原來降低了４米。,B.香港寶城滑坡,原因：山坡上殘積土本身強度較低，加之雨水入滲使其強度進一步大大降低，土體滑動力超過土的強度，于是山坡土體發(fā)生滑動。,1972年7月某日清晨，香港寶城路附近，兩萬立方米殘積土從山坡上下滑，巨大滑動體正好沖過一幢高層住宅--寶城大廈，頃刻間寶城大廈被沖毀倒塌并砸毀相鄰一幢大樓一角約五層住宅。死亡

5、67人。,,,,,,,,滑動面,雨水,建筑,G,,f,,Early 1972 滑坡前,,,C.阪神大地震中地基液化,地震引起大面積砂土地基液化后產(chǎn)生很大的側向變形和沉降，大量的建筑物倒塌或遭到嚴重損傷,液化：松砂地基在振動荷載作用下喪失強度變成流動狀態(tài)的一種現(xiàn)象,以上幾個實例可歸結為與土有關的強度及穩(wěn)定性問題,A.比薩斜塔,目前：塔向南傾斜，南北兩端沉降差1.80m，塔頂離中心線已達5.27m，傾斜5.5°1360：再復工

6、，至1370年竣工，全塔共8　　　層，高度為55m1272：復工，經(jīng)6年，至7層，高48m，再　　　　停工1178：至4層中，高約29m，因傾斜停工1173：動工,原因：地基持力層為粉砂，下面為粉土和粘土層，強度較低，變形較大。,,,,,A.比薩斜塔,1933-1935：基坑防水處理　　　　　 基礎環(huán)灌漿加固1990年1月: 封閉1992年7月：加固塔身，用壓重　　　　　 法和取土法進行地

7、 基處理目 前: 正常向游人開放。,處理措施,B.虎丘塔,問題：塔身向東北方向嚴重傾斜，塔 頂離中心線已達2.31m，底層 塔身發(fā)生不少裂縫，成為危險 建筑物而封閉。,概況：位于蘇州市虎丘公園山頂，落成于宋太祖建隆二年（公元961年）。全塔7層，高47.5m，塔的平面呈八角形。,原因：坐落于不均勻粉質粘土層上， 產(chǎn)生不均勻沉降。,地基的沉降及不均勻沉降（墨西哥城）,

8、以上幾個實例可歸結為與土有關的變形問題,Teton壩（美國idaho州 ）,概況：土壩，高90m，長1000m，建于1972-75年，1976年6月失事。,損失：直接8000萬美元，起訴5500起，2.5億美元，死14人，受災2.5萬人，60萬畝土地，32公里鐵路。,原因：地震引發(fā)的滲透破壞,Teton壩,1976年6月5日上午10:30左右，下游壩面有水滲出并帶出泥土。,,Teton壩,,11：00左右洞口不斷擴大并向壩頂靠近，

9、泥水流量增加,Teton壩,11:30洞口繼續(xù)向上擴大，泥水沖蝕了壩基，主洞的上方又出現(xiàn)一滲水洞。流出的泥水開始沖擊壩趾處的設施。,,,11：50左右洞口擴大加速，泥水對壩基的沖蝕更加劇烈。,Teton壩,,11:57 壩坡坍塌，泥水狂瀉而下,Teton壩,,12：00過后坍塌口加寬,Teton壩,,洪水掃過下游谷底，附近所有設施被徹底摧毀,Teton壩,失事后現(xiàn)場狀況,Teton壩,以上實例可歸結為與土有關的滲透問題,土工結構

10、物或地基,土,強度問題 變形問題 滲透問題,強度特性 變形特性 滲透特性,,,,土力學可以解決工程實踐問題，這正是土力學存在的價值以及我們學習土力學的目的。,3. 土力學 研究土的變形、強度和滲透特性以及與此有關的工程問題的學科。,4. 土力學的特點,區(qū)別于以往學習的固體力學和流體力學。在經(jīng)典土力學理論中，對土體作出必要的簡化和假設。實踐與理論相結合，土工試驗是研究土體物理、力學性質的重要手段。,0.2

11、 土力學發(fā)展簡史,1922，瑞典 弗蘭紐斯（Fellenius）：土坡穩(wěn)定分析法,1773，法國 庫侖（Coulomb）土壓力理論,1869，英國 朗肯（Rankine）土壓力理論,1925，太沙基（Terzaghi）：一維固結理論，有效應力原理,1929，太沙基（Terzaghi）：《工程地質學》,1936，第一屆國際土力學與基礎工程（現(xiàn)改為巖土工程）會議（ICSMFE→ICSMGE）在美召開，這是本學科最高級別的學術會議，每四年召開

12、一次，至2014年已經(jīng)召開了18屆。,1. 古典土力學,2. 現(xiàn)代土力學,0.3 土力學的主要內(nèi)容,第1、2章 土的物理及工程性質第3章 土的滲流第4章 土中應力計算第5章 地基沉降計算第6章 土的抗剪強度理論第7章 土壓力第8章 地基承載力第9章 邊坡穩(wěn)定性,第二章 地基土的物理性質和工程分類,§2-1 土的組成及其結構構造,§2-3 土的物理狀態(tài)指標,§2-2

13、 土的物理性質指標,§2-4 土的工程分類,形成過程,物理力學性質,,影響,概述,,搬運、沉積,風化,生物風化,物理風化,化學風化,,無粘性土,,原生礦物,,粘性土,次生礦物,1.風化作用分類,有 機 質,,,巖石和土的粗顆粒受各種氣候因素的影響產(chǎn)生脹縮而發(fā)生裂縫,或在運動過程中因碰撞和摩擦而破碎。特點：只改變顆粒的大小和形狀，不改變礦物顆粒的成分。,母巖表面和碎散的顆粒受環(huán)境因素的作用而改變其礦物的化學成分，形成新

14、的礦物。經(jīng)化學風化生成的土為細粒土，具有粘結力。,動植物活動引起的巖石和土體粗顆粒的粒度或成分的變化,2. 土的三相組成,氣相,固相,液相,+,+,,構成土骨架，起決定作用,,,重要影響,,土體,次要作用,,,2.1 土粒的粒度成分,粒度 —— 土粒的大小，以粒徑表示。 粒組 —— 介于一定粒度范圍內(nèi)的土粒。 界限粒徑 —— 劃分粒組的分界尺寸：200、60、2、

15、 0.075、0.005mm。六大粒組—— 漂石或塊石、卵石或碎石、圓礫或角礫、 砂粒、粉粒、黏粒。,§2-1 土中固體顆粒,1. 基本概念,小于某粒徑之土重含量（％）,,,d60,,2、土的顆粒級配,（1）粒徑累計曲線：圖解法描述土的顆粒級配,,坐標系：半對數(shù)坐標系 橫坐標：粒徑 縱坐標：小于某粒徑的土重含量（累計百分比） 意義: 判斷顆粒級配是否良好 ？,,

16、,,,,,d60,d10,d30,,,,,,,不均勻系數(shù),曲率系數(shù),,（2）級配的判斷,曲線越陡，土粒均勻，級配不良； 曲線平緩，土粒粒徑懸殊，級配良好。,結論：1. 砂、礫滿足Cu>5和Cc＝1～3兩個條件，為級配良好。 2.級配良好的土密實度較好，透水性和壓縮性較小。,,,（1）篩分法（粒徑大于0.075mm的粗粒土）,標準篩孔徑：20、10、5、2、1、0.5、0.25、0.1、0.075 試

17、樣：烘干200g土樣 稱重：篩上土重 計算：各粒組相對含量,3. 粒度成分分析試驗,,,,,,,,,,,105.02.01.00.50.250.1,200g,10161824223872,P%958778665536,沉降分析法：理論基礎都是依據(jù)Stokes(司篤克斯)定律，即球狀的細顆粒在水中的下沉速度與顆粒直徑的平方成正比。,（2）沉降分析法（粒徑小于0.075mm的細粒土）,例：土工試驗顆

18、粒分析的留篩質量見表，底盤內(nèi)試樣質量20g，試計算試樣的不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)。,1. 土的特點,2. 土粒粒組的劃分,3. 級配的判別,2.2 土粒的礦物成分,1. 礦物成分分類,,原生礦物,次生礦物,,性質穩(wěn)定,長石,云母,（物理風化）,（化學風化）,,粗粒土,,高嶺石,伊利石,蒙脫石,,細粒土,石英,性質不穩(wěn)定 親水性,蒙 脫 石,9克蒙脫土的總表面積大約與一個足球場一樣大,硅片的結構,鋁片的結構,2. 粘土礦物的結晶結構,（

19、1）粘土礦物單元,（2）粘土礦物的構造單元,高嶺石,蒙脫石,伊利石,結論： 親水性、膨脹性、收縮性：蒙脫石>伊利石>高嶺石,試樣裝置：粘土塊、玻璃器皿、無底玻璃筒、電極試驗結果：粘土顆粒(帶負電荷)在電場作用下向陽極移動（水變混） 水分子在電場作用下向負極移動（水面升高）,3. 粘土顆粒的帶電性,1. 土中水的存在形態(tài)固態(tài)水：礦物內(nèi)部結晶水、內(nèi)部結合水液態(tài)水：結合水自由水氣態(tài)水,§

20、 2.3 土中水,,強結合水,弱結合水,毛細水,重力水,,強結合水（吸著水）: 排列致密、定向性強 密度>1g/cm3 冰點處于零下幾十度 具有固體的的特性 只有吸熱變成蒸汽才能移動,弱結合水（薄膜水）: 位于強結合水之外，電場引力作用范圍之內(nèi) 外力作用下可以移動 不因重力而移動，有粘滯性 粘性土在一定含水量范圍內(nèi)表現(xiàn)出可塑性而砂土不具可塑性的原因。,2. 結合水,重力水:在重力或水頭壓力作用下運動的自由水

21、對土粒有浮力作用滲流對土體穩(wěn)定有重大影響,毛細水: 存在于水與空氣交界面 在重力和表面張力作用下自由移動 上升高度與顆粒粒徑有關,3.自由水,§ 2.4 土的結構和構造,2.4.1 土的結構,1.單粒結構,粗大土粒在水或空氣中下沉 顆粒間位置穩(wěn)定 碎石土和砂土的結構特征 密實的單粒結構土是良好的天然地基,2.蜂窩結構,粉粒（0.075～0.005mm）的結構形式 孔隙大 受動力荷載，結構破壞,3.絮狀結構,

22、黏粒（0.005～0.0001mm）的結構形式 結構不穩(wěn)定,2.4.2 土的構造,層理構造裂隙性,在取土試驗或施工過程中都必須盡量減少對土的擾動，避免破壞土的原狀結構。,小 結,土粒粒度與粒組土的顆粒級配顆粒分析試驗土的礦物成分土中水的存在形態(tài)土的結構和構造,第二章 土的物理性質及分類,§ 2.1 土的三相比例指標§ 2.2 粘性土的物理特性§ 2.3 無粘性土的密實度§

23、2.4 土的分類,2.1 土的三相比例指標,2.1.1 土的三相比例關系圖,質量,體積,2.1.2 指標的定義,1. 三個基本的三相比例指標,(1) 土粒比重,?s ：土粒的密度,（無量綱）,土粒比重一般范圍: 粘性土 2.70～2.75 砂 土 2.65 有機質、泥炭土較小,：4?C時純水的密度=1g/cm3,土粒比重在數(shù)值上等于土粒的密度。,定義：土粒質量與同體積的4℃時純水的質量之比。,(

24、2) 土的含水量,定義：土中水的質量與土粒質量之比, 用百分數(shù)(%)記。,一般范圍: 1.60～2.20 g/cm3,環(huán)刀法,(3) 土的密度,定義：土單位體積的質量，g/cm3。,2. 特殊條件下土的密度,(1) 土的干密度rd,定義：土單位體積中固體顆粒部分的質量, g/cm3。,(2) 土的飽和密度rsat,定義：土孔隙中充滿水時的單位體積質量, g/cm3。,(3) 土的有效密度（浮密度）r ’,定義：土單位體積中土粒的質量與

25、同體積水的質量之差, g/cm3 。,（4）土的重度g,定義：土單位體積的重力稱為土的重力密度，簡稱重度。,g：重力加速度，取10m/s2。,在計算土的應力時，將采用重度g 指標。,土的四個密度：r、 rd 、 rsat 、 r ’ ，與之相對應 四個重度指標： g 、 g d 、 g sat 、 g ’。,單位：kN/m3,例題分析,【例】某土樣經(jīng)試驗測得體積為100cm3，濕土質量為187g，烘干后，干土質量為167g

26、。若土粒的相對密度ds為2.66，求該土樣的含水量ω、密度ρ、重度? 、干重度?d 。,【解答】,3. 反映土的孔隙特征、含水程度的指標,(1) 土的孔隙比e,定義：土的孔隙體積與土粒體積之比, 無量綱。,(2)土的孔隙率n,定義：土中孔隙體積與總體積之比，以百分數(shù)（%）計。,e、n是反映土體密實程度的重要指標。 e1的土是疏松的高壓縮性土。,(3) 土的飽和度Sr,定義：土中水體積與土中孔隙體積之比，無量綱。,若 Sr＝100％，

27、 土孔隙中充滿水 若 Sr＝0， 土是完全干燥,砂土濕度劃分,已知關系四個:,共有八個參數(shù): V Vv Vs Va Vω / ms m ω m,剩下三個獨立變量,物性指標是比例關系:可假設任一參數(shù)為1,實驗室測定,其它指標,,,,2.1.3 指標的換算（重難點）,1. 三個基本指標 r、w、ds 推算其余指標,質量m,體積V,令Vs = 1,則Vv = e,,V=1+e,2. 其余指標的推

28、算(rsat 、 r ’、e、Sr ),3.例題分析,某土樣經(jīng)試驗測得體積為100cm3，濕土質量為187g，烘干后，干土質量為167g。若土粒的相對密度ds為2.66，求該孔隙比e、飽和度Sr、飽和重度?sat和有效重度?? 。,【解答】,質量m(g),體積V(cm3),某土樣經(jīng)試驗測得體積為100cm3，濕土質量為187g，烘干后，干土質量為167g。若土粒的相對密度ds為2.66，求該孔隙比e、飽和度Sr、飽和重度?sat和有效

29、重度?? 。,【解答】,已知土的試驗指標為 g =18 kN/m3 ，ds=2.7 和 ω=12％，求 e ，Sr 和 ? d 。,[例]某一完全飽和黏性土試樣的含水量為30%，土粒相對密度為2.73，試求孔隙比、干密度和飽和密度。,2.3 粘性土的物理特性,1、粘性土的界限含水量,,塑限wp,液限 wL,土由可塑狀態(tài)到流動狀態(tài)的界限含水量 —— 液限ωL土由半固態(tài)到可塑狀態(tài)的界限含水量 —— 塑限ωp,縮限,,,,2. 液限和

30、塑限測定方法 液限：錐式液限儀、碟式液限儀 塑限：搓條法,液塑限聯(lián)合測定儀,下沉深度為17mm(10)所對應的含水量為液限;下沉深度為2mm處所對應的含水量為塑限。,3. 粘性土的物理狀態(tài)指標(1)塑性指數(shù)Ip：液限和塑限的差值（省去％） Ip越大，土處于可塑狀態(tài)的含水量范圍越大。土的粘粒含量越多。 Ip 作為細粒土工程分類依據(jù)。(2)液性指數(shù)IL,,粘性土在某含水量范圍內(nèi)，用外力塑成任何形狀而不發(fā)生裂紋，外

31、力移去后仍能保持既得形狀。,評判土的軟硬程度,由此可見：當0 ≤ w ≤ wP，IL ≤ 0，土處于固態(tài)或半固態(tài) 當wP wL ， IL > 1，土處于流態(tài)故可根據(jù) IL的大小評判土的軟硬程度，分為如下5種：,粘性土軟硬狀態(tài)的劃分,4、粘性土的活動度、靈敏性和觸變性,（1）粘性土的活動度,=,塑性指數(shù),粒徑<0.002的顆粒含量百分數(shù),,（2）粘性土的靈敏度St,=,原狀土的無側限

32、抗壓強度,重塑土的無側限抗壓強度,,（3）粘性土的觸變性,2.4 無粘性土的密實度,無粘性土：砂土和碎石土,無粘性土的物理性質主要由其密實程度決定。,1. 按天然孔隙比劃分,e越大，則土越疏松，反之，土越密實。,2. 砂土的相對密實度,當Dr=0時， e=emin，表示土處于最疏松狀態(tài); 當Dr=1.0時， e=emax，表示土體處于最密實狀態(tài)。,3、根據(jù)原位標準貫入試驗判別,砂土的密實狀態(tài)指標 判別標準： Dr≤ 1

33、/3 , 疏松狀態(tài) 1/3 2/3 , 密實狀態(tài),（1）砂土密實度按標準貫入擊數(shù)N,標準貫入試驗（Standard Penetration Test）,錘 重：63.5kg,落 距：760mm,打入深度：300mm,【例】某砂土試樣, 試驗測定土粒相對密度ds=2.7,含水量ω=9.43%,天然密度ρ=1.66/cm3。已知emin=0.67,最疏松狀態(tài)時稱

34、得干砂質量emax=0.86。求此砂土的相對密度Dr,并判斷砂土所處的密實狀態(tài)。,【解答】,砂土在天然狀態(tài)下的孔隙比,相對密實度,∈（1/3,2/3],中密狀態(tài),一、土的工程分類依據(jù)第一個分類界限 粗粒土：土中顆粒直徑大于0.075 mm的質量>全部土粒質量的50％ 細粒土：土中顆粒直徑大于0.075mm的質量<全部土粒質量的50％粗粒土以顆粒級配分類細粒土以可塑性指標作為分類依據(jù)

35、 塑性指數(shù)Ip和液限wL,,,2.7 土的分類,二、建筑地基土的分類,碎石土、砂土、粉土、粘性土。,粒徑大于2mm的顆粒含量超過全重50%的土稱為碎石土。,1. 碎石土,粒徑大于2mm的顆粒含量不超過全重50%的土，且粒徑大于0.075mm的顆粒含量超過全重50%的土稱為砂土。,2. 砂土,,粒徑大于0.075mm的顆粒含量小于全質量50%而塑性指數(shù)Ip≤10的土。,粒徑大于0.075mm的顆粒含量不超過全重50%，塑性指數(shù)Ip>

36、;10的土。,3. 粉土,4. 粘性土,（1）軟土：孔隙比大（e > 1），含水量高（w > wL）、壓縮性高（a1-2 > 0.5MPa-1）、滲透性低、強度低、靈敏度高。包括： 淤泥：e > 1.5，w > wL的粘性土 淤泥質土： 1 wL 的粘性土 有機質土：有機質含量超過5％的土 泥炭：有機質含量大于60％的土,特殊土,（2）人工填土：人類活動所形成的土。a. 素填土：碎

37、石、砂或粉土、粘性土等組成的填土，壓實則稱壓實填土。b. 雜填土：含建筑、生活垃圾、工業(yè)廢料等雜物的填土。c. 沖填土：水力沖填泥砂形成的填土（如開挖河道、竣疏運河等形成）,（3）其他： 濕陷性土（黃土）：遇水浸濕后即下陷。 膨脹土：由親水性粘土礦物（蒙、伊為主）組成；吸水膨脹、失水收縮。 多年凍土：冰凍三年以上，凍脹、融陷。等等。,【例】下圖為A、B土的顆粒級

38、配曲線,試按《地基規(guī)范》分類法確定土的名稱,A土:從A土級配曲線查得,粒徑小于2mm的占總土質量的67%、粒徑小于0.075mm占總土質量的21%,滿足粒徑大于2mm的不超過50%,粒徑大于0.075mm的超過50%的要求,該土屬于砂土；又由于粒徑大于2mm的占總土質量的33%,滿足粒徑大于2mm占總土質量25%～50%的要求,故此土應命名為礫砂,B土:粒徑大于2mm的占總土質量的67%,粒徑大于20mm的占總土質量的13%,按碎石土