土力学阶段性课后总结

d60d10 土力学阶段性课后总结

Cu?第一章 土的性质及工程分类

一 土的生成与特性

1土的生成

2土的结构和构造

A 土的结构：土颗粒之间的相互排列和联结方式。

B 土的构造：同一层土层中土粒之间相互关系的特征。 C 土的工程特性：压缩性高，强度低，透水性大。 D 土的工程特性与生成条件的关系

搬运，沉积条件，沉积年代，沉积的自然地理环境

二 土的三相组成 1土的固体颗粒 A 土粒矿物成分

B 土颗粒的大小和形状

dd60Cu?Cu60?dd10d10Cu?60d10Cu?Cu?d60d10d60d10

C 土的粒径级配

大颗粒一般用筛分法：细颗粒一般用密度计法 2 级配评价 dCu?60d10d10Cu?均匀系数

d60 d60（限定粒径）—小于该粒径的含量占总量的

60% ：d10（有效粒径）—小于该粒径的含量占总量的10%

? 该指标考虑了大颗粒和小颗粒含量的差异； ? Cu愈大，颗粒愈不均匀 60

曲率系数

1

d（限定粒径）—小于该粒径的含量占总量的602d30Cc?d60?d10 d30（连续粒径）—小于该粒径的含量占总量的30% 该指标考

虑了中间粒径的影响；Cc大于3，曲率变化快，土均匀； Cc小于1，曲率变化平缓，中间颗粒少； 3 土中的水

土中的水可分为固态，液态，气态 固态一般为冰，一般称为结晶水。 液态又可分为自由水和结合水两种。 自由水 包含了 重力水 和 毛细水； 结合水 包含了 强结合水 和 弱结合水

强结合水

强结合水存在于最靠近土颗粒表面处，水分子和水 化离子排列的非常紧密，一致其密度大于1，并有过冷 现象。这种水牢固的结合在土粒表面，其性质接近于 固体，所以具有极大的粘滞性、弹性及抗剪强度。

弱结合水

在距土粒表面较远处的结合水称为弱结合水，也 称为薄膜水。由于其引力降低，弱结合水的水分子排 列就不如强结合水紧密，这层水不能传递静水压力。 由于这种水的存在，使土具有可塑性。

自由水

自由水存在于土粒电场影响范围之外，其性质与普 通水相同，服从重力定律，传递静水压力。自由水按其 移动所受作用力的不同，分为毛细水和重力水。

重力水

重力水位于地下水位以下，在重力或压力差作用下 能在渗流，对土颗粒和结构物都具有浮力作用，在土力 学计算中应考虑这种渗流及浮力的作用。

毛细水

毛细水是受水与空气交界面的张力作用而存在于细 小孔隙中的自由水，一般存在于地下水位以上的透水层 中。毛细水在重力和表面张力作用下，能沿着土的细孔 隙从潜水面上升一定的高度。其上升的高度和孔隙的大 小有关。

在工程中需研究毛细水的上升高度和速度，因为 毛细水的上升会使地基潮湿，强度降低，变形增大。 三 土的物理性质指标

2

土的三相图

总质量：m=ms+mw

总体积：V=Vs+Vv=Vs+Va+Vw

符号： s—soil v—void a—air w—water

1 土的物理性质的三项基本指标 A 土的密度和重度

MW/g密度：???VVW重力密度(重度):??V(kg/m3) (kN/m3)

3

显然:????g 一般土的重度为16-22kN/mB 土粒比重

Gs—固体颗粒质量与同体积水(在4℃时)质量之比

mS?sGs??

Vs?w?wC 含水量

3

测定方法:烘干法D 土的孔隙比

WWMWw???100%

WSMSVve?VsVvn??100% 于是可得两者之间关系

而孔隙率为

VE 土的饱和度 ?

VwSr?Vv 一般 0?Sr?1 饱和土：Sr=1 干土：Sr=0

F 土的饱和重度γsat

?satWS?Vv?w?V

G 土的有效重度【浮重度】

?'??sat??w

H 土的干重度

Ws?d?V

四 土的三相比例指标之间可以互相换算：

由三相图及其定义计算 假定V=1, 或者假定Vs=1

由三相图导出的计算公式

五 土的物理状态指标 1 无粘性土的密实度 A 以相对密度为标准

最小孔隙比：砂土处于最密实状态时的孔隙比，emin用“振击法”测定。 最大孔隙比：砂土处于最疏松状态时的孔隙比，emax 用“松散器法”测定。 1 用Dr表示砂土密实度

根据经验，砂土的松密标准如下：

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2 粘性土的稠度（界限含水量） 塑性 Plasticity：

? 可塑成任何形状而不发生裂缝，并在外力解除以

后能保持已有的形状而不恢复原状的性质。 土体体积随含水量的变化：

图1-5-9 含水量与体积的关系

土的界限含水量（Atterberg limits）

缩限：半固体状态与固体状态间的分界含水量。当含水量小于该值时，体积不发生变化。Shrinkage limit, wS。

塑限：可塑状态与半固体状态间的分界含水量。Plastic limit, wP。 液限：流动状态与可塑状态间的分界含水量。Liquid limit, wL。 （1）塑性指数IP

概念:塑性状态时含水量变化范围，IP（Plasticity index）。

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? 常省略 %；

? 变化范围很大（如大于200）； ? 是粘性土区别于砂土的重要特征；

? 反映了土与水之间物理化学作用的强弱。

（2）液性指数IL

天然状态含水量和界限含水量相对关系的指标（Liquidity index）。

? 在0到1之间。越大，表示土越软；

? 大于1，处于流动状态；

? 小于0，处于固体状态或半固体状态。 ?

六 土的压实

压实的意义：

? 提高填土的密实度

? 保证建筑物地基、道路及铁路路基有足够强度 压实的影响因素：

? 内因：土质类型、含水量等

? 外因：压实能量、压实机具和压实方法等

压实原理

? 含水量较小时，干密度随含水量增加而增加；

? 干密度达最大值时，含水量再增大，干密度反而会降低。

击实试验

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（a）小击实筒 （b）大击实筒

试验方法：

? 配制成若干份不同含水量的试样

? 用同样的击实能量分别对每一份试样试验 ? 测定击实后的含水量和干重度

?d?干重度计算公式

?1?w结果分析：

? 最大干重度：在一定击实条件下得到的干重度， ?dmax ? 最优含水量：与之相对应的含水量，wop ? 最优含水量与该种土的塑限wp接近 七 土的渗透及工程问题 动水力及渗透破坏 A水头

能量是用水头来表示

u?静水压力 z?位能水头;?w?水重度;h-总水头v-流速

如果忽略流速的影响，则

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水头差(A点与B点)

动水力计算公式 ：

可知渗流力是一种体积力，大小与水头梯度成正比，方向与水流方向一致

B 土的渗透变形和防治措施

（一）土的渗透变形（或渗透破坏）

土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或破 坏，如土层剥落，地面隆起，细颗粒被水带出及出现 集中的渗流通道等。

土的渗透变形类型主要有管涌、流土、接触流土 和接触冲刷等，但就单一土层来说，渗透变形主要是 流土和管涌两种基本形式。 流土现象:

在向上的渗透水流作用下，表层土局部范围内的土 体或颗粒群同时发生悬浮、移动的现象。任何类型的 土，只要水力坡降达到一定大小，都会发生流土破坏 管涌现象:

土中的一些细小颗粒在渗透力作用下，通过粗颗 粒的孔隙被水流带走。管涌发生在一定级配的无粘性 土中。

比较和区别:

? 流砂现象发生在土体表面渗流逸出处,不发生于土体内部。 ? 管涌可以发生在渗流逸出处，也可能发生在土体内部 。

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七 土的工程分类

(1) 建设部《土的分类标准》(GBJl45?90)；

(2) 建设部《建筑地基基础设计规范》(GB50007?2002)；

(3) 水利部《土工试验规程》(SL237?1999)中的128?84分类法； (4) 交通部《公路土工试验规程》(JTJ051?93)。

? 对粗颗粒土，考虑了结构和粒径级配；

? 对细颗粒土，考虑了土的塑性和成因； ? 给出岩石的分类标准；

? 将天然土分为6大类：岩石、碎石土、砂类土、粉土、粘性土和人工填土。

细粒土按塑性图分类

CH—clay, high CL—clay, low MH—mo, high ML—mo, low

O—organic 粘土—clay 粉土—mo，silt 砾石—gravel 砂—sand

第二章 土中应力计算

土体中自重应力计算

A假定土体为均质的半无限弹性体 取高度z，截面积A=1的土柱 由平衡条件得

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?szA=FW=? z A 土体中自重应力

于是 ?sz=? z

可见，自重应力随深度呈线性增加、呈三角形分布的规律

B 土体成层及有地下水存在 （1）土体成层

各土层厚度及重度分别为hi和?i，则第n层土底面上: ?sz=?1h1+?2h2+?+?nhn

2）有地下水存在 （

? 首先确定是否考虑浮力

? 考虑浮力影响时，用浮重度??代替重度?。

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p0----对应于荷载效应准永久组合时的基础地面处的附加压力（KPa）

Esi----基础地面下第i层土的压缩模量（MPa），应取土的自重压力至土的自重

压力与附加压力之和的压力段计算。

zi ，zi?1----- 基础底面至第i层，第i-1层土底面的距离（m）

aiai?1------ 基础地面计算点至第i层，i-1层土底面范围内的平均附加应

注意点：

（1） 计算地基土某一层的最终稳定沉降量就归结为求该土层的附加应力面积再除

以该土层的压缩模量。

（2） 计算公式采用等效矩形应力图原理。

（3） 第n层的压缩量不能超过压缩层范围内全部土层沉降量的1/40. H:

力系数，矩形基础可按表查得，条形基础可取l/b=10查用，l是长边，b是短边。

太沙基一维渗透固结理论

固结微分方程的建立： 1．基本假设

? 土是均质的、完全饱和的； ? 土粒和水不可压缩；

? 压缩和土中水渗流只沿竖向发生； ? 渗流服从达西定律，且渗透系数不变； ? 孔隙比与有效应力成正比，压缩系数不变； ? 外荷载一次瞬时施加。 2．固结微分方程

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(1)连续性条件：

时间dt内微元体内水量变化：

时间dt内微元体内孔隙体积变化：

由dQ=dVv得

(2)根据达西定律：

(3)根据孔隙比与有效应力关系得：

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(4)根据有效应力原理

将(2)和(3)代入(1)得：

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采用极坐标表示取微单元，然后再积分！ D平面问题的附加应力计算

当建筑物基础一个方向的尺寸远比另一个方向的尺寸大的多，且每个横截面上的应

力大小和分布形式均一样时，在地基中引起的应力状态即可简化为二维应变状态，如堤坝、挡土墙下地基中的应力状态等，这时沿着长度方向切出的任一xoz截面都可以认为是对称面，应力分量只是x、Z两个坐标的函数，并且沿y方向的应变为

零。即平面问题：应力与计算点处的坐标(x, z)有关。（如L/B? 10的基础、路堤、土坝、挡土墙等）

(一)线荷载作用下 ? 取微分长度dy

? 荷载pdy看成是集中力，则：

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(二)条形荷载作用下土中应力 ? 荷载宽度方向取微分宽度；

? 荷载dp=pd?视为线荷载，在M点处附加应力为d?z。 ? 在荷载宽度范围内积分，得：任一点竖向应力

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计算地基中的附加应力时，应注意的几点： （1）首先要分清是空间问题还是平面问题。 （2）若属于空间问题，则只能求解基础角点下任 意深度z处的附加应力，而其它各点均应利用“角点 法”并按叠加原理来求解。

应用“角点法”时应注意三点： 1 该点必须落在新划分的基础角点上； 2 L和B均以新划分后的尺寸为准；

3 对于梯形分布压力，除了对基础要进行划分，荷 载本身也要进行相应的划分。

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（3）若该课题属于平面问题，则可以求解地基中任意点的附加应力。但在计算时必须注意竖直均布压力、三角形分布压力和水平分布压力情况下的坐标原点及其正、负方向。

（4）在求解附加应力时，z必须从基础底面算起，切勿从原地面开始。

第五章 土的变形性质及地基沉降计算 A 土的压缩性

由压缩系数，压缩指数，压缩模量，变形模量这几个参数来评定。 定义：土的压力作用下体积缩小的特性称为土的压缩性。

土的固结：土体在压力作用下，其压缩量随时间增长的过程，称为土的固结。这个过程一直延续到土粒间新的联结强度能平衡外力在土体中引起的应力时为止。 B侧限压缩试验

? 室内侧限压缩试验(亦称固结试验)。 ? 金属环刀切取土样。

? 环刀内径通常有6.18cm和8cm两种，相应的截面积为30cm2和50cm2，高度为2cm。

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C压缩曲线

1土样制备和装样；

2分级施压，给出竖向变形与时间关系 3给出压缩变形量与荷载关系曲线

4给出孔隙比与荷载关系曲线

初始高度H1，初始孔隙比e1，施加?p后压缩变形量S

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