1、土力学基础土力学基础上海隧道工程股份有限公司教培中心上海隧道工程股份有限公司教培中心20152015年年9 9月月绪论 土力学研究对象 土：连续、坚固的岩石在风化作用下形成的大小悬殊的颗粒，经过不同的搬运方式，在各种自然环境中生成的沉积物；岩石经历风化、剥蚀、搬运、沉积生成土；土是由颗粒(固相)、水(液相)和气(气相)所组成的三相体系；土力学研究内容 土的工程地质性质及其测试方法；土的工程分类；土的强度、变形及荷载作用下的稳定计算等；土力学在工程中运用第一章第一章 土的物理性质及工程分类土的物理性质及工程分类 1.1土的组成与土的结构构造 1.2土的三相比例指标 1.3土的物理状态指标 1.4
2、土(岩)的工程分类1.1 土的组成 一、土的固相一、土的固相(P10)(P10)土粒的大小和形状、矿物成分及其组成情况对土粒的大小和形状、矿物成分及其组成情况对土的物理力学性质有明显影响。土的物理力学性质有明显影响。1.土的颗粒级配土的颗粒级配工程上将各种不同的土粒按其粒径范围，划分为工程上将各种不同的土粒按其粒径范围，划分为若干粒组，为了表示土粒的大小及组成情况，通若干粒组，为了表示土粒的大小及组成情况，通常以土中各个粒组的相对含量（即各粒组占土粒常以土中各个粒组的相对含量（即各粒组占土粒总量的百分数）来表示，称为总量的百分数）来表示，称为土的颗粒级配土的颗粒级配(P11)(P11)试验方法
3、试验方法筛分法：筛分法：适用于适用于0.075mmd60mm比重计法比重计法:适用于适用于d0.075mm筛分法筛分法用一套孔径不同的筛子，按从上至下筛孔用一套孔径不同的筛子，按从上至下筛孔逐渐减小放置。将事先称过质量的烘干土逐渐减小放置。将事先称过质量的烘干土样过筛，称出留在各筛上的土质量，然后样过筛，称出留在各筛上的土质量，然后计算其占总土粒质量的百分数计算其占总土粒质量的百分数 利用不同大小的土粒在水中的沉降速度不同来利用不同大小的土粒在水中的沉降速度不同来确定小于某粒径的土粒含量确定小于某粒径的土粒含量比重计法比重计法颗粒级配曲线颗粒级配曲线(P11)(P11)纵坐标表示小于某粒径的土
4、粒含量百分比纵坐标表示小于某粒径的土粒含量百分比,横坐横坐标表示土粒的粒径标表示土粒的粒径(对数坐标）对数坐标）颗粒级配的描述颗粒级配的描述 曲线较陡，则表示土颗粒粒径大小相差不多，土曲线较陡，则表示土颗粒粒径大小相差不多，土粒较均匀，即级配较差粒较均匀，即级配较差；曲线平缓，则表示土颗粒粒径大小相差悬殊，曲线平缓，则表示土颗粒粒径大小相差悬殊，土粒不均匀，即级配良好土粒不均匀，即级配良好；曲线的坡度可以大致判断土的均匀程度：曲线的坡度可以大致判断土的均匀程度：颗粒级配可以在一定程度上反映土的某些性质，颗粒级配可以在一定程度上反映土的某些性质，对于级配良好的土，土的密实度较好，响应的地对于级配
5、良好的土，土的密实度较好，响应的地基土的强度和稳定性也较好，透水性和压缩性也基土的强度和稳定性也较好，透水性和压缩性也较小；较小；2.土粒的矿物成分土粒的矿物成分(P12)(P12)矿物成分取决于矿物成分取决于母岩的矿物成分母岩的矿物成分和和风化作用风化作用原生矿物：原生矿物：由岩石经过物理风化形成，其矿物成分由岩石经过物理风化形成，其矿物成分与母岩相同与母岩相同次生矿物：次生矿物：岩石经化学风化后所形成的新的矿物，岩石经化学风化后所形成的新的矿物，其成分与母岩不相同其成分与母岩不相同 例：例：石英、云母、长石等石英、云母、长石等特征：矿物成分的性质较稳定，由其组成的土具特征：矿物成分的性质较
6、稳定，由其组成的土具有无粘性、透水性较大、压缩性较低的特点有无粘性、透水性较大、压缩性较低的特点 例：例：粘土矿物有高岭石、伊利石、蒙脱石等粘土矿物有高岭石、伊利石、蒙脱石等特征：性质较不稳定，具有较强的亲水性，遇水特征：性质较不稳定，具有较强的亲水性，遇水易膨胀的特点易膨胀的特点 亲水性亲水性:高岭石高岭石 伊利石伊利石 10-3cm/s）的土，例如砂土。）的土，例如砂土。2.2 土的渗透性 分离变量 积分 2.变水头试验整个试验过程水头随时间变化 任一时刻任一时刻t的水头差为的水头差为h，经时段，经时段dt后，细玻璃管中水位降落后，细玻璃管中水位降落dh，在时段在时段dt内流经试样的水量内
7、流经试样的水量 dV=adh 在时段在时段dt内流经试样的水量内流经试样的水量 dV=kiAdt=kAh/Ldt 管内减少水量流经试样水量 adh=kAh/Ldt 2112lnhhttAaLk2112lg3.2hhttAaLk适用于透水性差，渗透系数小的粘性土 2.2 土的渗透性现场测定法（现场测定法（P39P39）经验估算法（经验估算法（P40P40）四、影响渗透系数的因素四、影响渗透系数的因素1.1.土粒大小与级配土粒大小与级配 细粒含量愈多，土的渗透性愈小，例如砂土中粉粒及粘粒含量愈多时，砂土的渗透系数就会大大减小。2.2.土的密实度土的密实度 3.水的动力粘滞系数 同种土在不同的密实状
8、态下具有不同的渗透系数，土的密实度增大，孔隙比降低，土的渗透性也减小。动力粘滞系数随水温发生明显的变化。水温愈高，水的动力粘滞系数愈小，土的渗透系数则愈大。4.土中封闭气体含量 土中封闭气体阻塞渗流通道，使土的渗透系数降低。封闭气体含量愈多，土的渗透性愈小。2020TTkkT、20分别为分别为T和和20时水时水的动力粘滞系数，可查表的动力粘滞系数，可查表 2.2 土的渗透性 流网渗流场中的两簇相互正交曲线等势线和流线所形成的网络状曲线簇。（P42）流线水质点运动的轨迹线。等势线测管水头相同的点之连线。流网法通过绘制流线与势线的网络状曲线簇来求解渗流问题。Hh02.3 流网及其工程应用1.流网是
9、相互正交的网格2.流网为曲边正方形3.任意两相邻等势线间的水头损失相等 4.任意两相邻流线间的单位渗流量相等2.3 流网及其工程应用各向同性土的流网性质（P42）测管水头 h h 实际应用l/Hi ）（zhhiiikv HMkMqq;HkslHkqiiii 确定孔压 确定流速 确定流量 水力坡降Hh0lslsM流道数2.3 流网及其工程应用h=0 静水中，土骨架会受到浮力作用。h0 水在流动时，水流受到来自土骨架的阻力，同时流动的孔隙水对土骨架产生一个摩擦、拖曳力。渗透力 j 渗透作用中，孔隙水对土骨架的作用力，方向与渗流方向一致。渗透变形渗透力h1hh200hwL土样滤网贮水器a b一、渗透
10、力（P46）2.3 渗透力和渗透变形 渗透力具有以下特征：(1)渗透力是一种体积力，量纲为KN/m3(2)渗透力与水力坡降成正比j=i(3)渗透力方向与渗流方向一致。当渗流场中各个网格的水力坡降ii求得后，应用式j i可确定单位渗透力ji=i；网格总的渗透力Ji=jiaili；其方向与流向一致。整个流场的总渗透力矢量J即为各网格渗透力的矢量和。wrwrwr一、渗流力2.3 渗透力和渗透变形 基本类型 流土管涌土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏形成条件 防治措施 二、渗透变形（P47）2.3 渗透力和渗透变形 二、渗透变形粘性土k1砂性土k2坝体坝体流土在向上的渗透作用下，表层局部土
11、体颗粒同时发生悬浮移动的现象和和土土的的密密实实程程度度有有关关eGiscr 11 渗流渗流原因：2.3 渗透力和渗透变形 1.基本类型P48管涌原因：内因内因 有足够多的粗颗粒形成大于细粒直径的孔隙外因外因渗透力足够大 在渗流作用下，一定级配的无粘性土中的细小颗粒，通过较大颗粒所形成的孔隙发生移动，最终在土中形成与地表贯通的管道。二、渗透变形 2.3 渗透力和渗透变形 P48流土与管涌的比较 流土土体局部范围的颗粒同时发生移动管涌只发生在水流渗出的表层只要渗透力足够大，可发生在任何土中破坏过程短导致下游坡面产生局部滑动等现象现象位置位置土类土类历时历时后果后果土体内细颗粒通过粗粒形成的孔隙通
12、道移动可发生于土体内部和渗流溢出处一般发生在特定级配的无粘性土或分散性粘土破坏过程相对较长导致结构发生塌陷或溃口2.3 渗透力和渗透变形 二、渗透变形2.形成条件 KiiicrK:K:安全系数2.02.5 i :i :允许坡降i icr:土体处于稳定状态土体发生流土破坏土体处于临界状态流土经验判断：2.3 渗透力和渗透变形 二、渗透变形较均匀土（Cu10）2.形成条件管涌几何条件水力条件一般发生在无粘性土中级配孔隙及细粒判定非管涌土粗颗粒形成的孔隙小于细颗粒不均匀土（Cu10）不连续连续d d0 0=0.25d=0.25d2020细粒含量35%细粒含量25%细粒含量=25-35%d d0 0
13、d d d5 5d d0 0=d=d3 3-d-d5 5管涌土过渡型土非管涌土非管涌土管涌土过渡型土几何条件P(%)lgd骨架充填料P53d5d32.3 渗透力和渗透变形 二、渗透变形水力条件：水力条件：i icr5 10 15 20 25 30 35 402.01.51.00.50icrCu流土过渡管涌2.形成条件Cu 20时时,icr =0.25-0.30 i=0.10-0.15前苏联：前苏联：中国：中国：水力坡降级配连续土级配不连续土破坏坡降破坏坡降i icrcr0.20-0.400.1-0.3允许坡降允许坡降ii0.15-0.250.1-0.22.3 渗透力和渗透变形 二、渗透变形1.
14、渗流工程问题(1)地下水的浮托作用 地下水不仅对水位以下的土体产生静水压力和浮托力，并对建筑物基础产生浮托力 (2)地下水的潜蚀作用 在施工降水等活动过程中产生水头差，在渗透力作用下，土颗粒受到冲刷，将细颗粒冲走，破坏土的结构。通常产生于粉细砂、粉土地层中 (3)流砂 流砂在工程施工中能造成大量的土体流动，使地表塌陷或建筑物的地基破坏，给施工带来很大的困难，影响建筑工程的稳定。通常易在粉细砂和粉土地层中产生，在地下水位以下的基坑开挖、埋设地下管道、打井等工程活动中常出现 2.3 渗透力和渗透变形 三、渗流工程问题与处理措施 1.渗流工程问题(4)基坑突涌 当基坑下部有承压水层时，开挖基坑减小了
15、底板隔水层的厚度，当隔水层较薄经受不住承压水头压力，承压水头压力就会冲毁基坑底板，这种现象称为基坑突涌2.3 渗透力和渗透变形 三、渗流工程问题与处理措施 2.防渗处理措施1)水工建筑物渗流处理措施 水工建筑物的防渗工程措施一般以“上堵下疏”为原则，上游截渗、延长渗径，下游通畅渗透水流，减小渗透压力，防止渗透变形 垂直截渗 主要目的:延长渗径，降低上、下游的水力坡度，若垂直截渗能完全截断透水层，防渗效果更好。垂直截渗墙、帷幕灌浆、板桩等均属于垂直截渗 2.3 渗透力和渗透变形 三、渗流工程问题与处理措施 2.防渗处理措施设置水平铺盖 上游设置水平铺盖，与坝体防渗体连接，延长了水流渗透路径 粘土
16、铺盖设置反滤层 砂垫层水位加筋土工布回填中粗砂抛石棱体设置反滤层，既可通畅水流，又起到保护土体、防止细粒流失而产生渗透变形的作用。反滤层可由粒径不等的无粘性土组成，也可由土工布代替，上图为某河堤基础加筋土工布反滤层 2.防渗处理措施排水减压 粘性土含水层减压井为减小下游渗透压力，在水工建筑物下游、基坑开挖时，设置减压井或深挖排水槽 2.防渗处理措施2)基坑开挖防渗措施工程降水 采用明沟排水和井点降水的方法人工降低地下水位采用明沟排水和井点降水的方法人工降低地下水位在基坑内（外）设置排水沟、集水井，用抽水设备将地下水从排水沟或集水井排出原地下水位明沟排水原水位面一级抽水后水位二级抽水后水位多级井
17、点降水要求地下水位降得较深，采用井点降水。在基坑周围布置一排至几排井点，从井中抽水降低水位 2.防渗处理措施设置板桩 沿坑壁打入板桩，它一方面可以加固坑壁，同时增加了地下水的渗流路径，减小水力坡降钢板桩水下挖掘 在基坑或沉井中用机械在水下挖掘，避免因排水而造成流砂的水头差。为了增加砂的稳定性，也可向基坑中注水，并同时进行挖掘 强度问题强度问题变形问题变形问题地基中的应力状态地基中的应力状态应力应变关系应力应变关系应力状态及应力应变关系应力状态及应力应变关系自重应力自重应力附加应力附加应力基底压力计算基底压力计算有效应力原理有效应力原理建筑物修建以后，建筑物建筑物修建以后，建筑物重量等外荷载在地
18、基中引重量等外荷载在地基中引起的应力，所谓的起的应力，所谓的“附加附加”是指在原来自重应力基础是指在原来自重应力基础上增加的压力。上增加的压力。建筑物修建以前，地基建筑物修建以前，地基中由土体本身的有效重中由土体本身的有效重量所产生的应力。量所产生的应力。3.1 概述第三章第三章 土中应力分布及计算土中应力分布及计算 一、应力应变关系的假定（一、应力应变关系的假定（P52P52）1 1、关于连续介质问题、关于连续介质问题弹性理论要求：受力体是连续介质。而土是由三相物质组成的碎散颗粒集合体，不是连续介质。2 2、关于线弹性体问题、关于线弹性体问题理想弹性体的应力与应变成正比直线关系，且应力卸除后
19、变形可以完全恢复。3 3、关于均质、等向问题、关于均质、等向问题理想弹性体应是均质的各向同性体。而天然地基往往是由成层土组成，为非均质各向异性体。为此进行假设，天然地基作为均质的各向同性体。3.1 概述天然地面cz cx cy 11zzcz zcz cz=z 土体中任意深度处的竖向自重应力等于单位面积上土柱的有效重土体中任意深度处的竖向自重应力等于单位面积上土柱的有效重量量3.2 地基中的自重应力计算 一、竖向自重应力（一、竖向自重应力（P54）注意若计算点在地下水位以下，由于水对土体有浮力作用，则水下部分土柱的有效重量应采用土的有效重度或饱和重度计算；1.当位于地下水位以下的土为砂土时，土中
20、水为自由水，计算时用有效重度。2.当位于地下水位以下的土为坚硬粘土时，在饱和坚硬粘土中只含有结合水，计算自重应力时应采用饱和重度。3.水下粘土，当IL1时，用有效重度。4.如果是介乎砂土和坚硬粘土之间的土，则要按具体情况分析选用适当的重度。3.2 地基中的自重应力计算 一、竖向自重应力一、竖向自重应力iniinnczhhhh 12211说明：1.地下水位以上土层采用天然重度，地下水位以下土层采用浮重度2.非均质土中自重应力沿深度呈折线分布 天然地面天然地面h1h2h33 2 1 水位面水位面1 h1 1 h1+2h2 1 h1+2h2+3h3 3.2 地基中的自重应力计算 二、成层土的自重应力
21、计算（二、成层土的自重应力计算（P54）实例分析：实例分析：某土层物理力学性质指标如下图，试计算下述两种情况下土的有效应力。某土层物理力学性质指标如下图，试计算下述两种情况下土的有效应力。（1 1）没有地下水；）没有地下水；（2 2）地下水在天然地面下）地下水在天然地面下1m1m位置。（作出应力分布图）位置。（作出应力分布图）sat=18.4kN/m33=18.1kN/m33=18.6kN/msatcba砂质粘土=18.6kN/m粉质粘土解：（1 1）没有地下水）没有地下水粉质粘土=18.6kN/m砂质粘土37.2kPa91.5kPaabcsat=18.6kN/m33=18.1kN/m33=1
22、8.4kN/msatkPahsz2.372*6.18kPahhsz5.913*1.182*6.182211kPahhsz5.913*1.182*6.182211解：（2 2）地下水在天然地面下）地下水在天然地面下1m1m位置位置kPahszsz6.181*6.18kPahhwsatsz2.271*6.81*6.18)(211kPahhwsatsz2.271*6.81*6.18)(211kPahwsatmzszsz4.523*4.82.27)(|32kPahwsatmzszsz4.523*4.82.27)(|32cba52.4kPa27.2kPasat=18.4kN/m33=18.1kN/m33
23、=18.6kN/msat砂质粘土=18.6kN/m粉质粘土18.6kPa计算下图示水下地基土中的自重应力分布。（计算下图示水下地基土中的自重应力分布。（P55P55）czcycxK0天然地面天然地面zcz cx cy zcz静止侧压静止侧压力系数力系数3.2 地基中的自重应力计算 三、水平向自重应力三、水平向自重应力条形基底受水平均布荷载作用时的附加应力 条形基底受竖直均布荷载作用时的附加应力 条形基底受竖直三角形分布荷载作用时的附加应力 竖直线荷载作用下的附加应力矩形基底受水平均布荷载作用时角点下的竖向附加应力 矩形基底受竖直三角形分布荷载作用时角点以下的竖向附加应力 矩形基底受竖直均布荷载
24、作用时角点下的竖向附加应力 竖直集中力作用下的附加应力 空间问题条件下的附加应力 平面问题条件下的附加应力附加应力3.3 地基中的附加应力n基底压力基底压力：建筑物上部结构荷载和基础自重通过基础传建筑物上部结构荷载和基础自重通过基础传递给地基，作用于基础底面传至地基的单位面积压力。递给地基，作用于基础底面传至地基的单位面积压力。（P56P56）n基底压力是局部压力，它构成土中的附加应力。基底压力是局部压力，它构成土中的附加应力。n基底压力对土中应力分布的影响只在一定深度范围内基底压力对土中应力分布的影响只在一定深度范围内.F3.4 基底压力计算 n影响基底压力的因素影响基底压力的因素:基础的形
25、状、大小、刚度，埋置深度，基础上基础的形状、大小、刚度，埋置深度，基础上作用荷载的性质（中心、偏心、倾斜等）及大小、地基土性质作用荷载的性质（中心、偏心、倾斜等）及大小、地基土性质 3.4 基底压力计算 n基底地基反力的分布主要取决于基础的刚度和地基的变形条件。n基础分为：n柔性基础(P56)n刚性基础(P56)概述概述 土的压缩性土的压缩性 地基沉降量计算地基沉降量计算 饱和土体渗流固结理论饱和土体渗流固结理论第四章第四章 土的压缩性和地基沉降计算土的压缩性和地基沉降计算土具有压缩性荷载作用地基发生沉降荷载大小土的压缩特性地基厚度一致沉降（沉降量）差异沉降（沉降差）建筑物上部结构产生附加应力
26、影响结构物的安全和正常使用土的特点（碎散、三相）沉降具有时间效应沉降速率4.1 概述 地基土产生压缩的原因外因：1.建筑物荷载作用，这是普遍存在的因素；2.地下水位大幅度下降，相当于施加大面积荷载；3.施工影响，基槽持力层土的结构扰动；4.振动影响，产生震沉；5.温度变化影响，如冬季冰冻，春季融化；6.浸水下沉，如黄土湿陷，填土下沉。内因：1.固相矿物本身压缩，极小，物理学上有意义，对建 筑工程来说没有意义的；2.土中液相水的压缩，在一般建筑工程荷载 （100-600）Kpa作用下，很小，可不计；3.土中孔隙的压缩，土中水与气体受压后从孔隙中 挤出，使土的孔隙减小。4.1 概述 土的压缩性土的
27、压缩性是指土在压力作用下体积缩小的特性是指土在压力作用下体积缩小的特性压缩量的组成压缩量的组成n固体颗粒的压缩固体颗粒的压缩n土中水的压缩土中水的压缩n空气的排出空气的排出n水的排出水的排出占总压缩量的占总压缩量的1/400不到，不到，忽略不计忽略不计压缩量主要组成部分压缩量主要组成部分说明：说明：土的压缩被认为只是由于孔隙体积减小的结果土的压缩被认为只是由于孔隙体积减小的结果无粘性土无粘性土粘性土粘性土透水性好，水易于排出透水性好，水易于排出压缩稳定很快完成压缩稳定很快完成透水性差，水不易排出透水性差，水不易排出压缩稳定需要很长一段时间压缩稳定需要很长一段时间土的固结：土的固结：土体在压力作
28、用下，压缩量随时间增长的过程土体在压力作用下，压缩量随时间增长的过程4.2 土的压缩性 固结试验（固结试验（P80P80）研究土的压缩性大小及其特征的室内试验方法，亦称研究土的压缩性大小及其特征的室内试验方法，亦称固结试验固结试验三联固结仪三联固结仪4.2 土的压缩性 刚性护环刚性护环加压活塞加压活塞透水石透水石环刀环刀底座底座透水石透水石土样土样荷载荷载注意：土样在竖直注意：土样在竖直压力作用下，由于压力作用下，由于环刀和刚性护环的环刀和刚性护环的限制，只产生竖向限制，只产生竖向压缩，不产生侧向压缩，不产生侧向变形变形 压缩仪示意图（压缩仪示意图（P80P80）4.2 土的压缩性 压缩性压缩
29、性2.e-p曲线（曲线（P81P81）研究土在不同压力作用下，孔隙比变化规律研究土在不同压力作用下，孔隙比变化规律Vve0Vs1H0/(1+e0)H0VveVs1H1/(1+e)pH1s土样在压缩前后变土样在压缩前后变形量为形量为s，整个过，整个过程中土粒体积和底程中土粒体积和底面积不变面积不变eHeH11100土粒高度在受土粒高度在受压前后不变压前后不变)1(000eHsee整理整理1)1(000wswGe其中其中根据不同压力根据不同压力p作用下，达到稳定的孔隙比作用下，达到稳定的孔隙比e，绘制，绘制e-p曲线，曲线，为压缩曲线为压缩曲线p压缩性压缩性e0eppee-p曲线曲线n二、压缩性指
30、标二、压缩性指标压缩性不同的土，曲线形状不同，曲线愈陡，说明在相同压压缩性不同的土，曲线形状不同，曲线愈陡，说明在相同压力增量作用下，土的孔隙比减少得愈显著，土的压缩性愈高力增量作用下，土的孔隙比减少得愈显著，土的压缩性愈高根据压缩曲线可以得到三个压缩性指标根据压缩曲线可以得到三个压缩性指标n1.1.压缩系数压缩系数an2.2.压缩模量压缩模量Es n3.3.变形模量变形模量E0曲线曲线A曲线曲线B曲线曲线A压缩性压缩性曲线曲线B压缩性压缩性压缩性压缩性n1.1.压缩系数压缩系数a土体在侧限条件下孔隙比减少量与竖向压土体在侧限条件下孔隙比减少量与竖向压应应力增量的比值力增量的比值p1p2e1e
31、2M1M2e0epe-p曲线曲线pe利用单位压力增量所引起利用单位压力增量所引起得孔隙比改变表征土的压得孔隙比改变表征土的压缩性高低缩性高低pea d d在压缩曲线中，实际采在压缩曲线中，实际采用割线斜率表示土的压用割线斜率表示土的压缩性缩性1221 ppeepea规范规范用用p1100kPa、p2200kPa对对应的压缩系数应的压缩系数a1-2评价土的压缩性（评价土的压缩性（P82P82）n a1-20.1MPa-1低压缩性土低压缩性土n0.1MPa-1a1-20.5MPa-1中压缩性土中压缩性土n a1-20.5MPa-1高压缩性土高压缩性土1221 ppeepea斜斜率率压缩性压缩性n2
32、.2.压缩模量压缩模量Es土在土在侧限侧限条件下竖向压应力与竖向总应变的比值，或称为条件下竖向压应力与竖向总应变的比值，或称为侧限模量侧限模量aeEs11说明：说明：土的压缩模量土的压缩模量Es与土的的压缩系数与土的的压缩系数a成反比，成反比，Es愈愈大，大，a愈小，土的压缩性愈低愈小，土的压缩性愈低n3.变形模量变形模量E0土在土在无侧限无侧限条件下竖向压应力与竖向总应变的比值。条件下竖向压应力与竖向总应变的比值。变形模量与压缩变形模量与压缩模量之间关系模量之间关系sEE0其中其中1212土的泊松比，一土的泊松比，一般般00.5之间之间土的应力历史：土体在历史上曾经受到过的应力状态土的应力历
33、史：土体在历史上曾经受到过的应力状态先期固结压力先期固结压力pc：土在其生成历史中曾受过的最大有：土在其生成历史中曾受过的最大有效固结压力效固结压力4.3 土的应力历史对土的压缩性的影响 s=z：自重压力（自重压力（P84）p=s：正常固结土正常固结土 p s：超固结土超固结土 p1OCR1：超固结：超固结OCR1OCR1：欠固结：欠固结相同相同s s 时，一般时，一般OCROCR越大，越大，土越密实，压缩性越小土越密实，压缩性越小固结比：固结比：饱和粘性土地基最终的沉降量从机理上分析，由三部分组成：饱和粘性土地基最终的沉降量从机理上分析，由三部分组成：scdssssnsd 瞬时沉降：瞬时沉降
34、：n形状变形；在单向压缩时可以不考虑瞬形状变形；在单向压缩时可以不考虑瞬时沉降；时沉降；nsc 固结沉降：固结沉降：n粘性土地基沉降最主要的组成部分；粘性土地基沉降最主要的组成部分；n ss 次固结沉降：次固结沉降：n超静孔隙水压力消散为零，使土骨架产超静孔隙水压力消散为零，使土骨架产生徐变；生徐变；4.4 饱和粘性土地基沉降的三个阶段（P112）讨论讨论:地下水位的变化对地层沉降的影响机理地下水位的变化对地层沉降的影响机理 在土体的自重应力计算中，地下水位以上土的自重应力在土体的自重应力计算中，地下水位以上土的自重应力用天然重度计算。地下水位以下的土受到水的浮力作用，用天然重度计算。地下水位
35、以下的土受到水的浮力作用，减轻了土的有效重力，计算时常取土的有效重度减轻了土的有效重力，计算时常取土的有效重度 代替天代替天然重度，有效重度等于饱和重度减去水的重度。然重度，有效重度等于饱和重度减去水的重度。所以，当地下水位下降时，原来位于地下水位以下，现所以，当地下水位下降时，原来位于地下水位以下，现在地下水位以上的土体的有效应力增加，这将会引起压缩在地下水位以上的土体的有效应力增加，这将会引起压缩变形，故会引起地层沉降变形，故会引起地层沉降.第五章第五章 土的抗剪强度土的抗剪强度 概述 抗剪强度的基本理论 抗剪强度的试验方法 概述土工建筑物（如：路堤、土坝等）沉降过大强度破坏建筑物事故土体
36、破坏剪切破坏研究土的强度特性，就是研究土的抗剪强度特性 概述土的抗剪强度：土的抗剪强度：土体抵抗剪切破坏的极限能力土体抵抗剪切破坏的极限能力 概述大阪的港口码头档土墙由于液化前倾大阪的港口码头档土墙由于液化前倾剪切面（剪切带）：土体剪切破坏是沿某一面发生与剪切方向一致的相对位移，这个面通常称为剪切面。概述广州京光广场基坑塌方广州京光广场基坑塌方使基坑旁办公室、民使基坑旁办公室、民工宿舍和仓库倒塌，工宿舍和仓库倒塌，死死3 3人，伤人，伤1717人。人。概述日本新泻日本新泻19641964年地震引起大面积液化年地震引起大面积液化无粘性土一般无连结，抗剪强度主要是由颗粒间的摩擦力组成，这与粒度、密
37、实度和含水情况有关。概述粘土地基上的某谷仓地基破坏粘土地基上的某谷仓地基破坏无粘性土一般无连结，抗剪强度主要是由颗粒间的摩擦力组成，这与粒度、密实度和含水情况有关。抗剪强度的基本理论一、库仑定律（剪切定律）P117 17761776年，库仑根据年，库仑根据砂土砂土剪切试验剪切试验 f=tan 砂土砂土 f=c+tan 粘土粘土c 库仑定律：库仑定律：土的抗剪强度是剪切土的抗剪强度是剪切面上的法向总应力面上的法向总应力 的线性函的线性函数数 tanfcftanc c:土的粘聚力土的粘聚力:土的内摩擦角土的内摩擦角 f f库仑定律说明：（1）土的抗剪强度由土的内摩擦力tg和内聚力c两部分组成；（2
38、）内摩擦力与剪切面上的法向应力成正比，其比值为土的内摩擦系数tg；（3）表征抗剪强度指标：土的内摩擦角和内聚力c。抗剪强度的基本理论二、总应力法和有效应力法 土的抗剪强度的土的抗剪强度的有效应力指标有效应力指标c c,=c=c +tg tg=-u-u符合土的破坏机理，但符合土的破坏机理，但有时孔隙水压力有时孔隙水压力u u无法无法确定确定土的抗剪强度的土的抗剪强度的总应力指标总应力指标c,c,=c+=c+tg tg 便于应用便于应用,但但u u不能产生不能产生抗剪强度，不符合强度抗剪强度，不符合强度机理，应用时要符合工机理，应用时要符合工程条件程条件强度指标强度指标抗剪强度抗剪强度简单评价简单
39、评价抗剪强度的基本理论二、总应力法和有效应力法 ()cc f f超固结粘土的总应力与有效应力强度包线(P118)u(-)u(+)总应力总应力有效应力有效应力抗剪强度的基本理论三、莫尔库仑破坏标准 莫尔库仑破坏理论：以库仑公式 作为抗剪强度公式。根据剪应力是否达到抗剪强度（f）作为破坏标准的理论就称为莫尔库仑破坏理论。cftan莫尔库仑破坏准则（标准）：研究莫尔库仑破坏理论如何直接用主应力表示，这就是莫尔库仑破坏准则，也称土的极限平衡条件。抗剪强度的基本理论三、莫尔库仑破坏标准 应力圆与强度线应力圆与强度线相离：相离：强度线强度线应力圆与强度线应力圆与强度线相切：相切：应力圆与强度线应力圆与强度
40、线相割：相割：极限应力圆极限应力圆11f破坏状态破坏状态 抗剪强度的基本理论四、抗剪强度的试验方法(P121)按排水条件分 快剪（不排水剪）：这种试验方法要求在剪切过程中土的含水量不变，因此，无论加垂直压力或水平剪力，都必须迅速进行，不让孔隙水排出。适用范围：加荷速率快，排水条件差 固结快剪（固结不排水剪）：试样在垂直压力下排水固结稳定后，迅速施加水平剪力，以保持土样的含水量在剪切前后基本不变。试用范围：一般建筑物地基的稳定性，施工期间具有一定的固结作用。慢剪（排水剪）：土样的上、下两面均为透水石，以利排水，土样在垂直压力作用下，待充分排水固结达稳定后，再缓慢施加水平剪力，使剪力作用也充分排水
41、固结，直至土样破坏。适用范围：加荷速率慢，排水条件好，施工期长，抗剪强度的基本理论四、抗剪强度的试验方法 按试验仪器分 直接剪切试验优点：仪器构造简单，操作方便缺点：（1）剪切面不一定是试样抗剪能力最弱的面；（2）剪切面上的应力分布不均匀，而且受剪切面面积愈来愈小；（3）不能严格控制排水条件，测不出剪切过程中孔隙水压力的变化。三轴剪切试验优点：（1）试验中能严格控制试样排水条件及测定孔隙水压力的变化；（2）剪切面不固定；（3）应力状态比较明确；（4）除抗剪强度外，尚能测定其它指标。缺点：（1）操作复杂；（2）所需试样较多；（3）主应力方向固定不变，而且是再令的轴对称情况下进行的，与实际情况尚不
42、能完全符合。抗剪强度的基本理论四、抗剪强度的试验方法 按控制方法分 应变控制式 应力控制式 抗剪强度的基本理论四、抗剪强度的试验方法 1.1.直接剪切试验直接剪切试验(P121)(P121)试验仪器：试验仪器：直剪仪（应力控制式，应变控制式）直剪仪（应力控制式，应变控制式）抗剪强度的基本理论四、抗剪强度的试验方法 1.1.直接剪切试验直接剪切试验抗剪强度的基本理论四、抗剪强度的试验方法 1.1.直接剪切试验直接剪切试验抗剪强度的基本理论四、抗剪强度的试验方法 剪前施加在试样顶面上的竖向剪前施加在试样顶面上的竖向压力为剪破面上的法向应力压力为剪破面上的法向应力，剪应力由剪切力除以试样面积剪应力由
43、剪切力除以试样面积在法向应力在法向应力 作用下，剪应力与剪切位移关系曲线，作用下，剪应力与剪切位移关系曲线，根据曲线得到该根据曲线得到该 作用下作用下，土的抗剪强度土的抗剪强度APATf4mm4mm a a b b 剪切位移剪切位移l(0.01mm)(0.01mm)剪应力剪应力（kPa)kPa)1 1 2 2 1.1.直接剪切试验直接剪切试验抗剪强度的基本理论四、抗剪强度的试验方法 在不同的垂直压力在不同的垂直压力 下进行剪切试验，得相应的抗剪强度下进行剪切试验，得相应的抗剪强度f f，绘制，绘制f f-曲线，得该土的抗剪强度包线曲线，得该土的抗剪强度包线1.直接剪切试验抗剪强度的基本理论四、
44、抗剪强度的试验方法 2.三轴剪切试验 应变控制式三轴仪：压力室，加压系统，量测系统组成 应力控制式三轴仪试验步骤:3 3 3 3 3 3 2.施加周围压力3.施加竖向压力1.装样抗剪强度的基本理论四、抗剪强度的试验方法 抗剪强度的基本理论四、抗剪强度的试验方法 2.三轴剪切试验抗剪强度的基本理论四、抗剪强度的试验方法 抗剪强度的基本理论四、抗剪强度的试验方法 2.三轴剪切试验应变控制式三轴仪：压力室，量测系统抗剪强度的基本理论四、抗剪强度的试验方法 抗剪强度的基本理论四、抗剪强度的试验方法 2.三轴剪切试验抗剪强度包线 分别在不同的周围压力分别在不同的周围压力 3 3作用下进行剪切，得到作用下
45、进行剪切，得到3 34 4 个不同的破坏个不同的破坏应力圆，绘出各应力圆的公切线即为土的抗剪强度包线应力圆，绘出各应力圆的公切线即为土的抗剪强度包线 抗剪强度抗剪强度包线包线 c 抗剪强度的基本理论四、抗剪强度的试验方法 抗剪强度的基本理论四、抗剪强度的试验方法 2.三轴剪切试验无侧限抗压强度试验ququ加压框架量表量力环升降螺杆 无侧限压缩仪无侧限抗压强度试验是三轴剪切试验的特例，对试样不施加周围压力，即3=0，只施加轴向压力直至发生破坏，试样在无侧限压力条件下，剪切破坏时试样承受的最大轴向压力qu，称为无侧限抗压强度 试试样样抗剪强度的基本理论四、抗剪强度的试验方法 抗剪强度的基本理论四、
46、抗剪强度的试验方法 2.三轴剪切试验无侧限压缩仪抗剪强度的基本理论四、抗剪强度的试验方法 抗剪强度的基本理论四、抗剪强度的试验方法 2.三轴剪切试验根据试验结果只能作出一个极限应力圆（根据试验结果只能作出一个极限应力圆（3 3=0=0，1 1=qu u）。因此对一）。因此对一般粘性土，无法作出强度包线般粘性土，无法作出强度包线 说明：对于饱和软粘土，根据三轴不排水剪试验成果，其强度包线近似于一水平线，即u=0，因此无侧限抗压强度试验适用于测定饱和软粘土的不排水强度qucu u=02uufqc 无侧限抗压强度试验仪器构造简单，操作方便，可代替三轴试验测定饱和软粘土的不排水强度 第六章第六章 土压
47、力土压力定义：挡土结构是一种常见的岩土工程建筑物，它是为了防止边坡的坍塌失稳，保护边坡的稳定，人工完成的构筑物。挡土结构按其刚度和位移方式分为刚性挡土结构、柔性挡土结构和临时支撑三类。1刚性挡土结构2柔性挡土结构3临时支撑6.1 概述L L型型T T型型 预应力预应力 刚性加筋刚性加筋扶壁扶壁圬工圬工式式刚性挡土结构：指用砖、石或混凝土所筑成的断面较大的挡土墙。6.1 概述柔性挡土结构：当墙身受土压力作用时发生挠曲变形。锚杆锚杆板桩板桩板桩变形板桩变形基坑支撑上的土压力基坑支撑上的土压力变形变形土压力分布土压力分布板桩上土压力板桩上土压力 实测实测 计算计算6.1 概述被动土压力被动土压力主动
48、土压力主动土压力静止土压力静止土压力土压力土压力1.1.静止土压力静止土压力 Eo o6.1 概述土压力：是指挡土结构承受的土体侧向压力作用的总称土压力：是指挡土结构承受的土体侧向压力作用的总称;挡土结构在土压力的作用下，其挡土结构在土压力的作用下，其本身不发生变形和位移本身不发生变形和位移,土体处于弹性土体处于弹性平衡状态平衡状态,此时挡土结构所承受的土压此时挡土结构所承受的土压力称为静止土压力力称为静止土压力E E0 0。（P137）2.2.主动土压力主动土压力 挡土结构在土压力作用下，挡土结构在土压力作用下，向着背离土体方向移动或沿向着背离土体方向移动或沿墙跟转动，直至土体达到主墙跟转动
49、，直至土体达到主动平衡状态，此时的挡土结动平衡状态，此时的挡土结构所承受的土压力称为主动构所承受的土压力称为主动土压力土压力EaEa。滑裂面滑裂面Ea3.3.被动土压力被动土压力 Ep滑裂面滑裂面 挡土墙在外力作用下挡土墙在外力作用下,向向着土体的方向移动或转动，着土体的方向移动或转动，土压力逐渐增大，直至土土压力逐渐增大，直至土体达到被动极限平衡状态，体达到被动极限平衡状态，此时挡土结构所承受的土此时挡土结构所承受的土压力称为被动土压力压力称为被动土压力E EP P。6.1 概述4.4.三种土压力之间的关系三种土压力之间的关系 +-EoapEaEo oEp 对同一挡土结构，在填土的对同一挡土
50、结构，在填土的物理力学性质相同的条件下物理力学性质相同的条件下有以下规律：有以下规律：1.1.E Ea a E Eo o E Ep p2.2.p p a a6.1 概述作用在挡土结构背面的静止土压力可视为天然土层自重应力的水平分量作用在挡土结构背面的静止土压力可视为天然土层自重应力的水平分量.K0h hzK0zooKhE221zh/3静止土压力系静止土压力系数数zKpoo静止土压力强度静止土压力强度 静止土压力系数测静止土压力系数测定方法：定方法：1.1.通过侧限条件下通过侧限条件下的试验测定的试验测定 2.2.采用经验公式采用经验公式K0=1-1-sin 计算计算 3.3.按相关表格提供按相
