土力学复习总结.pptx
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1、土力学部分知识复习第一章第一章 绪论绪论支承基础的土体或岩体称为地基。支承基础的土体或岩体称为地基。天然地基天然地基人工地基人工地基地基按是否进行人工处理分为地基按是否进行人工处理分为将结构所承受的各种作用传递到地基上的结构组成将结构所承受的各种作用传递到地基上的结构组成部分。部分。什么是地基?什么是地基?(subgrade)什么是什么是基础基础?(foundation)第二章第二章 土的性质及工程分类土的性质及工程分类2.1 土的组成与土的结构构造2.2 土的物理性质指标2.3 土的物理状态指标2.4 土(岩)的工程分类2.5 土的渗透及渗流2.6 土的压实性主要内容颗粒级配的描述颗粒级配的
2、描述 工程上常用不均匀系工程上常用不均匀系数数Cu描述颗粒级配的描述颗粒级配的不均匀程度不均匀程度 d10、d30、d60小于某粒径的小于某粒径的土粒含量为土粒含量为10%、30%和和60%时所对应的粒径时所对应的粒径Cu愈大,表示土粒愈不均愈大,表示土粒愈不均匀。工程上把匀。工程上把Cu5的土视的土视为级配不良的土;为级配不良的土;Cu10的土视为级配良好的土的土视为级配良好的土 曲率系数曲率系数Cc描述颗粒级描述颗粒级配曲线整体形态,表明配曲线整体形态,表明某粒组是否缺失情况某粒组是否缺失情况 对于砾类土或砂类土,同时满对于砾类土或砂类土,同时满足足Cu5和和Cc=13时,定名为时,定名为
3、良好级配砂或良好级配砾良好级配砂或良好级配砾 土的物理性质指标土的物理性质指标一、土的三相图一、土的三相图 气气水水土粒土粒msmwmVsVwVVa质量质量m体积体积Vn二、直接测定指标二、直接测定指标 1.土的密度土的密度:单位体积土的质单位体积土的质量量 工程中常用重度工程中常用重度 来表示单位体来表示单位体积土的重力积土的重力 重力加速度,重力加速度,近似取近似取10m/s2 2.土粒相对密度土粒相对密度d ds(土粒比重):(土粒比重):土粒质量与同体积的土粒质量与同体积的4时纯水时纯水的质量之比的质量之比 土粒相对密度变化范围不大:细粒土(黏性土)一般土粒相对密度变化范围不大:细粒土
4、(黏性土)一般2.702.75;砂土一般为砂土一般为2.65左右。土中有机质含量增加,土粒相对密度减小左右。土中有机质含量增加,土粒相对密度减小Vv气气水水土粒土粒msmwmVsVwVVa质量质量m体积体积V3.土的含水量土的含水量:土中水的土中水的质量与土粒质量之比,以百分质量与土粒质量之比,以百分数表示数表示土的含水量是标志土含水程度的一个重要物理指标。天土的含水量是标志土含水程度的一个重要物理指标。天然土层含水量变化范围较大,与土的种类、埋藏条件及然土层含水量变化范围较大,与土的种类、埋藏条件及其所处的自然地理环境等有关。其所处的自然地理环境等有关。测定方法:测定方法:通常用烘干法,亦可
5、近似用酒精燃烧法通常用烘干法,亦可近似用酒精燃烧法 三、换算指标三、换算指标 气气水水土粒土粒msmwmVsVwVVVa质量质量m体积体积V1.孔隙比孔隙比e和孔隙率和孔隙率n孔隙比孔隙比e :土中孔隙体积与土土中孔隙体积与土粒体积之比粒体积之比 2.土的饱和度土的饱和度Sr:土中孔土中孔隙水的体积与孔隙总体积之隙水的体积与孔隙总体积之比,以百分数表示比,以百分数表示饱和度描述土中孔隙被水充满的程度。干土饱和度描述土中孔隙被水充满的程度。干土Sr=0,饱和土饱和土Sr=100%。砂土砂土根据饱和度分为三种状态根据饱和度分为三种状态:孔隙率孔隙率n :土中孔隙体积与总土中孔隙体积与总体积之比,以
6、百分数表示体积之比,以百分数表示 Sr50%稍湿;稍湿;50Sr80%很湿;很湿;Sr80%饱和饱和3.不同状态下土的密度和重度不同状态下土的密度和重度饱和密度饱和密度sat :土体中孔隙完土体中孔隙完全被水充满时的土的密度全被水充满时的土的密度 干密度干密度d :单位体积中固体颗单位体积中固体颗粒部分的质量粒部分的质量 浮密度浮密度 :土单位体积内土土单位体积内土粒质量与同体积水的质量之差粒质量与同体积水的质量之差 土的三相比例指标中的质量密度指标共有土的三相比例指标中的质量密度指标共有4个,土的密度个,土的密度,饱和密度,饱和密度sat,干密度,干密度d,浮密度,浮密度 (kg/m3),相
7、应的重度指相应的重度指标也有标也有4个,土的重度个,土的重度,饱和重度,饱和重度 sat,干重度,干重度 d,浮重度,浮重度 (kN/m3)气气水水土粒土粒msmwmVsVwVVVa质量质量m体积体积V四、指标间的换算四、指标间的换算气气水水土粒土粒dsw Vs11+1+e质量质量m体积体积V土的三相指标中,土的三相指标中,土粒比重土粒比重ds ,含水量含水量和和密度密度是通过试是通过试验测定的,可以根据三个基验测定的,可以根据三个基本指标换算出其余各指标本指标换算出其余各指标Vv=edsw ds(1)w 推导:推导:换算关系式:换算关系式:土的物理状态指标土的物理状态指标一、无黏性土的密实度
8、一、无黏性土的密实度 土的密实度土的密实度指单位体积土中固体颗粒的含量。根据土指单位体积土中固体颗粒的含量。根据土颗粒含量的多少,天然状态下的砂、碎石等处于从紧密到颗粒含量的多少,天然状态下的砂、碎石等处于从紧密到松散的不同物理状态。无黏性土的密实度与其工程性质有松散的不同物理状态。无黏性土的密实度与其工程性质有着密切关系。着密切关系。1.孔隙比孔隙比e 孔隙比孔隙比e可以用来表示砂土的密实度。对于同一种土,可以用来表示砂土的密实度。对于同一种土,当孔隙比小于某一限度时,处于密实状态。孔隙比愈大,当孔隙比小于某一限度时,处于密实状态。孔隙比愈大,土愈松散土愈松散 2.相对密实度相对密实度Dr砂
9、土在天然状砂土在天然状态下孔隙比态下孔隙比砂土在最密实状砂土在最密实状态时的孔隙比态时的孔隙比砂土在最松砂土在最松散状态时的散状态时的孔隙比孔隙比当当Dr=0=0时,时,e=emin,表示土处于最疏松状态,表示土处于最疏松状态;当当Dr=1.0时,时,e=emax,表示土体处于最密实状态,表示土体处于最密实状态3.按动力触探确定无黏性土的密实度按动力触探确定无黏性土的密实度Dr1/3疏松状态疏松状态1/3Dr2/3中密状态中密状态2/3Dr1密实状态密实状态 天然砂土的密实度,可按原位标准贯入试验的锤击数天然砂土的密实度,可按原位标准贯入试验的锤击数N进行评定。天然碎石土的密实度,可按原位重型
10、圆锥动进行评定。天然碎石土的密实度,可按原位重型圆锥动力触探的锤击数力触探的锤击数N63.5进行评定进行评定(GB50007-2002)密实度密实度按按N评定砂石密实度评定砂石密实度 按按N63.5评定碎石土密实度评定碎石土密实度 松散松散稍密稍密中密中密密实密实N10N63.5510N155N63.51015N3010N63.520N30N63.520二、黏性土的稠度二、黏性土的稠度 1.黏性土的稠度状态黏性土的稠度状态稠度稠度是指土的软硬程度或土受外力作用所引起变形或破是指土的软硬程度或土受外力作用所引起变形或破坏的抵抗能力坏的抵抗能力,是黏性土最主要的物理状态特征是黏性土最主要的物理状态
11、特征。0固态或半固态固态或半固态可塑状态可塑状态流动状态流动状态塑限塑限P液限液限L黏性土由某一种状态过渡到另一状态的界限含水量称为黏性土由某一种状态过渡到另一状态的界限含水量称为土的稠度界限土的稠度界限液塑限测定根据液塑限测定根据土工试验规程土工试验规程(SL237-007-1999)规定,规定,采用液塑限联合测定仪进行测定。采用液塑限联合测定仪进行测定。2.黏性土的塑性指数和液性指数黏性土的塑性指数和液性指数塑性指数塑性指数IP是液限和塑限的差值是液限和塑限的差值(省去省去%),即土处在可塑状态的,即土处在可塑状态的含水量变化范围含水量变化范围说明:说明:塑性指数的大小取决于土颗粒吸附结合
12、水的能力塑性指数的大小取决于土颗粒吸附结合水的能力,即与土即与土中黏粒含量有关。黏粒含量越多中黏粒含量有关。黏粒含量越多,塑性指数就越高塑性指数就越高 说明:说明:液性指数表征土的天然含水量与界限含水量间的相对关液性指数表征土的天然含水量与界限含水量间的相对关系。当系。当IL0时时,P,土处于坚硬状态土处于坚硬状态;当当IL1时时,L,土处土处于流动状态。根据于流动状态。根据IL值可以直接判定土的软硬状态值可以直接判定土的软硬状态 液性指数液性指数IL是黏性是黏性土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比 状态状态液性指数液性指数坚硬坚硬硬塑硬塑可塑可塑软
13、塑软塑流塑流塑IL00IL0.250.25IL0.750.75IL1IL1 达西定律达西定律 达西分析了大量实验资料,发现土中渗透的渗流量q与圆筒断面积A及水头损失h 成正比,与断面间距L成反比,即:q=kAh/L=kAi 或v=q/A=ki式中i=h/L,称为水力梯度,也称水力坡降;k为渗透系数,其值等于水力梯度为1时水的渗透速度,cm/s。土的渗透问题土的渗透问题渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形一、渗透力和临界水力坡降一、渗透力和临界水力坡降1.渗透力渗透力渗透水流施加于单位土粒上的拖曳力渗透水流施加于单位土粒上的拖曳力h2h1h21L沿水流方向放置两个测压沿水流方向放置两个测压管,测压管
14、水面高差管,测压管水面高差h水流流经这段土体,受水流流经这段土体,受到土颗粒的阻力,阻力到土颗粒的阻力,阻力引起的水头损失为引起的水头损失为h土粒对水流土粒对水流的阻力应为的阻力应为 土样土样面积面积根据牛顿第三定律,试样的总根据牛顿第三定律,试样的总渗流力渗流力J和土粒对水流的阻力和土粒对水流的阻力F大小相等,方向相反大小相等,方向相反 渗流作用于单位土体的力渗流作用于单位土体的力说说明明:渗渗透透力力j是是渗渗流流对对单单位位土土体体的的作作用用力力,是是一一种种体体积积力力,其其大大小与水力坡降成正比,作用方向与渗流方向一致,单位为小与水力坡降成正比,作用方向与渗流方向一致,单位为kN/
15、m3 渗透力的存在,将使土体内部受力发生变化,这种变化对渗透力的存在,将使土体内部受力发生变化,这种变化对土体稳定性有显著的影响土体稳定性有显著的影响abc渗透力方向与渗透力方向与重力一致,促重力一致,促使土体压密、使土体压密、强度提高,有强度提高,有利于土体稳定利于土体稳定渗流方向近乎水平,使土渗流方向近乎水平,使土粒产生向下游移动的趋势,粒产生向下游移动的趋势,对稳定不利对稳定不利渗流力与重力方向相渗流力与重力方向相反,当渗透力大于土反,当渗透力大于土体的有效重度,土粒体的有效重度,土粒将被水流冲出将被水流冲出2.临界水力坡降临界水力坡降使土体开始发生渗透变形的水力坡降使土体开始发生渗透变
16、形的水力坡降 GJ当土颗粒的重力与渗透力相等时,土颗粒不受任何当土颗粒的重力与渗透力相等时,土颗粒不受任何力作用,好像处于悬浮状态,这时的水力坡降即为力作用,好像处于悬浮状态,这时的水力坡降即为临界水力坡降临界水力坡降或或 在工程计算中,将土的临界水力坡降除以某一安全系数在工程计算中,将土的临界水力坡降除以某一安全系数Fs(23),作为允许水力坡降,作为允许水力坡降i。设计时,为保证建筑物的安全,。设计时,为保证建筑物的安全,将渗流逸出处的水力坡降控制在允许坡降将渗流逸出处的水力坡降控制在允许坡降i内内二、渗透变形二、渗透变形 渗透水流将土体的细颗粒冲走、带走或局部土体产生移动,渗透水流将土体
17、的细颗粒冲走、带走或局部土体产生移动,导致土体变形导致土体变形渗透变形问题(流土,管涌)渗透变形问题(流土,管涌)1.流土流土在渗流作用下,局部土体表面隆起,或某一范围内土在渗流作用下,局部土体表面隆起,或某一范围内土 粒群同时发生移动的现象粒群同时发生移动的现象 流土发生于地基或土坝下游渗流出逸处,不发生于土体内部。开流土发生于地基或土坝下游渗流出逸处,不发生于土体内部。开挖基坑或渠道时常遇到的流砂现象,属于流土破坏。细砂、粉砂、挖基坑或渠道时常遇到的流砂现象,属于流土破坏。细砂、粉砂、淤泥等较易发生流土破坏淤泥等较易发生流土破坏 2.管涌管涌在渗流作用下,无黏性土中的细小颗粒通过较大颗粒在
18、渗流作用下,无黏性土中的细小颗粒通过较大颗粒的孔隙,发生移动并被带出的现象的孔隙,发生移动并被带出的现象 土体在渗透水流作用下,细小颗粒被带出,孔隙逐渐增大,形成土体在渗透水流作用下,细小颗粒被带出,孔隙逐渐增大,形成能穿越地基的细管状渗流通道,掏空地基或坝体,使其变形或失能穿越地基的细管状渗流通道,掏空地基或坝体,使其变形或失稳。管涌既可以发生在土体内部,也可以发生在渗流出口处,发稳。管涌既可以发生在土体内部,也可以发生在渗流出口处,发展一般有个时间过程,是一种渐进性的破坏展一般有个时间过程,是一种渐进性的破坏 基坑突涌基坑突涌 当基坑下部有承压水层时,开挖基坑减小了底板隔水层的厚度,当基坑
19、下部有承压水层时,开挖基坑减小了底板隔水层的厚度,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,这种现象称为坑底板,这种现象称为基坑突涌基坑突涌 各向同性土流各向同性土流 网的特征网的特征1.1.正交性:流线与等势线(等水头线)必须正交正交性:流线与等势线(等水头线)必须正交H H0lblb2.2.流网为曲边正方形流网为曲边正方形等间隔流线与等间隔等势线形成的流网中,各个网格等间隔流线与等间隔等势线形成的流网中,各个网格的长宽比应为常数。一般取的长宽比应为常数。一般取1 1,即为曲边正方形。,即为曲边正方形。3.3.任意
20、两相邻等势线间的水头损失相等。任意两相邻等势线间的水头损失相等。4.4.任意两相邻流线间的单位渗流量相等。任意两相邻流线间的单位渗流量相等。填土的击实特性填土的击实特性1.1.含水量的影响含水量的影响2.2.击实功能的影响击实功能的影响3.3.土类和级配的影响土类和级配的影响 当含水率较低时,击实后的干密度随含水量的增加而增大。而当干密度增大到某一值后,含水量的继续增加反致干密度的减小。干密度的这一最大值称为该击数下的最大干密度,与它对应的含水量称为最优含水量。说明:说明:当击数一定时,只有当击数一定时,只有在某一含水量下才获得最佳在某一含水量下才获得最佳的击实效果的击实效果 dmaxd0op
21、n液化:任何物质转化为液体的行为或过程。就无黏性土而言,这种由固体状态变为液体状态的转化是由于孔隙水压力增大(超孔隙水压力)和有效应力减小的过程。(美国土木工程协会岩土工程分部土动力学委员会)砂土液化砂土液化孔隙水压力应力循环次数N周期荷载下饱和砂土动强度与循环次数有关周期荷载下饱和砂土动强度与循环次数有关第三章第三章 土中应力计算土中应力计算1 土中一点的应力状态2 有效应力原理3 土中自重应力(水平,竖直)4 与基础接触的基底压力5 外荷载作用下地基土的附加应力主要内容有效应力原理饱和土中总应力与孔隙水压力、有效应力之间存在如下关系:总应力:有效应力u:孔隙水压力地基中的应力计算假定地基中
22、的应力计算假定地 基地 基假设为:半无限体弹 性均 质各项同性自重应力自重应力自重应力:自重应力:由于土体本身自重引起的应力由于土体本身自重引起的应力确定土体初始确定土体初始应力状态应力状态 土体在自重作用下,在漫长的地质历史时期,已经土体在自重作用下,在漫长的地质历史时期,已经压缩稳定,因此,土的自重应力压缩稳定,因此,土的自重应力不再引起土的变形。不再引起土的变形。但对于新沉积土层或近期人工充填土应考虑自重应力但对于新沉积土层或近期人工充填土应考虑自重应力引起的变形。引起的变形。成层土的自重应力计算成层土的自重应力计算天然地面天然地面h1h2h3 3 2 1 水位面水位面 1 h1 1 h
23、1+2h2 1 h1+2h2+3h3 说明:说明:1.地下水位以上土层地下水位以上土层采用天然重度,地下采用天然重度,地下水位以下土层采用浮水位以下土层采用浮重度重度2.非均质土中自重应非均质土中自重应力沿深度呈折线分布力沿深度呈折线分布 毛细压力毛细压力毛细压力是一种有效压力。毛细水位的上升,将会提高土层的自重压力,对支挡结构或土坡稳定不利。由于毛细压力的作用,在地下水位以上时,u(静水压力)为负值,在地下水位以下时,u(静水压力)为正值。基底压力基底压力基底压力基底压力:建筑物上部结构荷载和基础自重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通过基础传递给地基,作
24、用于基础底面传至地基的单位面积压力的单位面积压力F影响基底压力的因素影响基底压力的因素影响基底压力的因素影响基底压力的因素:基础的形状、大小、刚基础的形状、大小、刚度,埋置深度,基础上作用荷载的性质(中心、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、地基土性质偏心、倾斜等)及大小、地基土性质 中心荷载作用下的基底压力中心荷载作用下的基底压力若是条形基础,若是条形基础,F,G取单位长度取单位长度基底面积计算基底面积计算G=GAd取室内外平取室内外平均埋深计算均埋深计算偏心荷载作用下的基底压力偏心荷载作用下的基底压力F+G eelbpmaxpmin作用于基础底面作用于基础底面形
25、心上的力矩形心上的力矩M=(F+G)e 基基础础底底面面的的抵抵抗抗矩矩;矩矩形形截截面面W=bl2/6 讨论讨论pmaxpminel/6pmaxpmin0pmaxpmin=0基底压力重分布基底压力重分布当当e0,基底压力呈梯形分布,基底压力呈梯形分布 当当e=l/6时,时,pmax0,pmin=0,基底压力呈三角形分布,基底压力呈三角形分布 当当el/6时,时,pmax0,pmin0,基底出现拉应力,基底压力重分布,基底出现拉应力,基底压力重分布 基底压力重分布基底压力重分布偏心荷载作用在偏心荷载作用在基底压力分布图基底压力分布图形的形心上形的形心上 基底附加压力基底附加压力(基底净压力基底
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