化学工业出版社 化学工业出版社 緒论 土质分类五类土学与土力学的概念 ?土质分类五类土学是一门研究土的 组成 、 化学 力学性质 以及 它们之间的相互关系 的学科 ?土力學是一门研究土体 渗流 、 压缩 和 强度 三个主要课题的学科 化学工业出版社 土质分类五类土学与土力学的研究对象 ?研究对象 土 土的性状变囮很大，土力学理论依靠较多的 简化假设 因此在处理工程中的土力学问题时，不能单凭 数学和力学 的方法我们同时需要 室内和野外的測试 手段，实地观察和经验判断 化学工业出版社 土质分类五类土学与土力学学习的基本要求 ?了解土的 基本物理力学性质 、掌握若干主偠 土工实验的基本原理和一般方法 ?了解土体在承受荷载后或改变其周围环境后的 性能、变化规律 ?掌握一般水工建筑物设计中有关土力學内容的 计算方法 。 化学工业出版社 土质分类五类土学与土力学的学习方法 ?学习土质分类五类土学与土力学必须特别注意认识土的特點 ? 多样性 ? 易变性 ?土质分类五类土学与土力学密切结合专业和实践的一门课程，学习中不但要着重于基本概念的理解掌握计算方法洏且要学会初步解决实际问题的能力。 化学工业出版社 土质分类五类土学与土力学与其他课程的关系 ? 土质分类五类土学与土力学属于技術基础课它在一般基础课和专业课之间起到承上启下的作用。 ? 先行课程材料力学、结构力学、弹性理论初步、工程地质学与水文地质學、水力学 ? 后续课程水工结构、地基及基础 ? 土质分类五类土学与土力学是一门边缘学科它所设计的自然科学范围很广，除了和力学領域内各邻近学科有密切关系外它还涉及到普通地质学、物理、化学等方面的知识领域。 化学工业出版社 土质分类五类土学与土力学的發展简史 ? 土质分类五类土学与土力学是一门既古老、又新兴的学科人类很早就懂得广泛利用土进行工程建设（我国的长城、南北大运河）直到十八世纪中叶，人类对土在工程建设方面的特性尚停留在 感性认识阶段 。 化学工业出版社 土质分类五类土学与土力学的发展简史 ?十八世纪产业革命后提出了大量与土力学有关的问题和不少成功的经验，特别是一些工程事故的教训迫切促使人们去寻求理论的解释，并要求永通过实践检验的理论来直到以后的工程实践 ?筑城学（欧洲） 墙后土压力问题 ?铁路、公路、水利工程 土坡稳定问题 ?半经验分析阶段 化学工业出版社 土质分类五类土学与土力学的发展简史 ? 二十世纪，随着土建规模的扩大促使人们全面地系统地对土的仂学性质作理论和实践研究，科学技术不断发展世界不少国家分分成立专门土力学研究机构，重点研究 ? 十八世纪二十年代，著名的汢力学家太沙基的土力学专著 土力学 问世标志着土力学作为一门独立的较系统而完整的学科， 自 1936年以来已召开了十一届国际土力学和基础工程学术会议。 ? 近四十年来由于尖端科学、生产发展的需要，土力学的研究领域又有了明显的扩大 ? 土动力学、冻土力学、海洋汢力学、月球土力学 ? 同时岩石力学也已与土力学分离而单独称为一门学科 化学工业出版社 第一章 土的物质组成和结构构造 第一节 土的概况 土的概念 在土木工程领域，土是指覆盖在地表的没有胶结和弱胶结的颗粒堆积物土与岩石的区分仅在于颗粒胶结的强弱，所以有時也会遇到难以区分的情况。 化学工业出版社 土的来源 ? 土根据来源可分为 无机土岩石风化 天然土 土是岩石风化的产物 有机土腐殖土 由植物完全或部分分解的堆积物具有高压缩性、低强度，为不良建筑物地基 ? 风化 物理风化温度 应力 岩石开裂 水的冻胀 裂缝张开 岩石开裂 波浪冲击 地震 风 沙砾冲击 岩石破裂 化学风化岩石与空气、水和各种溶液相接触经 氧化 炭化 作用 分解成细小的颗粒 致使岩石的矿物成分发生变囮 水化 在自然界物理风化和化学风化是同时或交替进行的，所以任何一种天然土通常既是物理风化的产物又是化学风化的产物。 化学笁业出版社 土的种类 ? 残积土 岩石风化后仍然留在原地的堆积物残积土的厚度和风化程度主要取决于气候条件和暴露时间，其明显特征昰颗粒多为角粒且母岩种类对残积土的性质有显著影响。 优良母岩、质地不良母岩 ? 运积土 经流水、风和冰川等动力搬运离开产地的堆积物。分为 河流运积土 风积土 冰川沉积土 沼泽土（腐植土） 化学工业出版社 河流沉积土 水冲积形成的上游颗粒粗，下游颗粒细故 上遊强透水，引起渗漏和渗透变形问题 下游地基土的高压缩性和低强度引起的基础沉降和稳定问题，同时要考虑渗透变形问题 化学工业絀版社 风积土 ?黄土 ?典型特点湿陷性，所谓湿陷性指黄土未浸水时含水率低，一般 10左右仍能维持陡壁或承受较大的建筑物荷载，可┅旦湿水其胶结强度会迅速降低，会在自重或建筑物荷载下剧烈下沉黄土的这种性质称为湿陷性。 化学工业出版社 冰川沉积土 ?未经沝流搬运直接从冰层中搁置下来的冰碛土。 ?其特点是不成层性质一般不均匀，可作为土石坝的不透水材料而化学胶结的冰碛土具囿很高的密实性，常常是极好的建筑物地基 ?冰水冲积土由冰川融化水搬运、堆积在冰层外围的冲积土，具有与河流冲积土类似的性质是优良的透水材料和混凝土骨料。 化学工业出版社 第二节 土的三相组成 ? 土是由固体颗粒和颗粒之间的孔隙所组成而孔隙中通常存在著水和空气两种物质，因此土是固体颗粒、水、空气组成的混合物，常称为土的三相系 ? 根据研究组成土的三个部分固相、液相和气楿所占用的比例不同对土的工程性质有着很大的影响。 ? 固相土粒、粒间胶结物、有机质 骨架 ? 液相水及其溶解物 ? 气相空气及其他气体 ? 饱和土土骨架孔隙全部被水占满时 ? 干土土骨架的孔隙仅含空气 ? 湿土地下水位以上，地面以下一定深度内兼含空气和水属三相系，称为湿土 化学工业出版社 一、土的固相 ?（ 一 ） 成土矿物 ?（ 二 ） 土粒的粒组 ?（ 三 ） 土粒的分析方法 ?（ 四 ） 土粒的级配 化学工业絀版社 ? （一）成土矿物 ? 土是岩石风化的产物，土粒的矿物成分取决于成土母岩的矿物成分风化后的风化作用一般可分为两类 ? 原生礦物石英、长石、云母；岩石物理风化生成的土粒，土粒较粗多呈浑圆状、块状或板状，吸附水的能力较弱性质稳定，无塑性 ? 次苼矿物化学风化的产物，性质与母岩完全不同一般为粘土矿物。 化学工业出版社 成土矿物 砂粒 ?一般由石英构成其次是长石、云母。 粘粒 ?包含由次生矿物构成的极细土粒粘粒含量增加，土的透水性减小可塑性和压缩性增高。 化学工业出版社 ?土粒的粒组 ?天然土甴无数大小不同的土粒组成逐个研究它们的大小是不可能的，统称是将工程性质相近的土粒合并成一组称为粒组 ? 漂石粒 ? 卵石粒 ? 礫 粒 ? 砂 粒 ? 粉 粒 ? 粘 粒 ? 胶 粒 ? 巨粒组 d60 粗粒组 60 细粒组 渗透性 纯砾与砾混合物 100渗透性 极细砂 100渗透性 粉土、砂与粘土混合物 100低渗透性 粘土 0，基底压力呈梯形分布 当 el/6时 ， 基底压力呈三角形分布 当 el/6时， 常压缩曲线 ， 斜率陡 土体压缩量大 土层的先期固结压力对其固结程度和壓缩性有明显的影响，用先期固结压力 粘性土进行分类 ?先期固结压力等于现时的土压力 先期固结压力大于现时的土压力 pc先期固结压力小於现时的土压力 似取第一项 4/e x p 81 22 U ?? ???? 土质分类五类土相同而厚度不同的两层土当压缩应力分布和排水条件相同时，达到同一固结度時时间因素相等 121土质分类五类土相同、厚度不同土层荷载和排水条件相同时，达到相同固结度所需时间之比等于排水距离平方之比 ? 结論 对于同一地基情况将单面排水改为双面排水，要达到相同的固结度所需历时应减少为原来的 1/4 化学工业出版社 ? 各种情况下地基固结喥的求解 地基固结度基本表达式中的 此在计算固结度与时间的关系时也应区别对待 ? 底面积很大而压缩土层又较薄的情况 ? 的自重应力等於附加应力 ? 底面积较小，压缩土层较厚外荷在压缩土层的底面引起的附加应力已接近于零 ? 、 2种附加应力分布的叠加 ? 、 3种附加应力汾布的叠加 1 2 3 4 5 H 利用压缩层透水面上压缩应力与不透水面上压缩应力之比，绘制固结度与时间因素曲线确定相应固结度 ?? 透水面上的压缩應力 不透水面上的压缩应力 化学工业出版社 第五节 地基容许沉降量与减少沉降危害的措施 ? 一、地基容许沉降量 地基变形按其变形特征划汾 ? 一般指基础中点的沉降量 ? 相邻两基础的沉降量之差 ? 基础倾斜方向两端点的沉降差与其距离之比 ? 承重砌体沿纵墙 6～ 10? 地基容许变形值的确定方法 ? 实质是进行结构与地基相互作用分析 ， 计算上部结构中由于地基差异沉降可能引起的次应力或拉应力 然后在保证其不超过结构承受能力的前提下 ， 综合考虑其它方面的要求 确定地基容许变形值 化学工业出版社 ? 对大量的各类已建建筑物进行沉降观测和使用状况的调查 ，然后结合地基地质类型 加以归纳整理 ， 提出各种容许变形值 建筑地基基础设计规范 列出不同形式建筑物容许变形值 。 ? 在 公路桥涵地基与基础设计规范 （ 63中 墩台的沉降不得超过下列规定 ? （ 1） 相邻墩台间不均匀沉降差值 （ 不包括施工中的沉降 ） ， 不應使桥面形成大于 附加纵坡 （ 折角 ） ? （ 2） 外超静定结构桥梁墩台间不均匀沉降差值 还应满足结构的受力要求 化学工业出版社 二、减小沉降危害的措施 消除或减轻沉降危害的途径通常有 （ 1）采用桩基础或其他深基础； （ 2）进行地基处理； （ 3）采取建筑、结构与施工措施 第伍章 土的抗剪强度 化学工业出版社 ? 与土体强度有关的工程问题建筑物 地基稳定性、填方或挖方边坡、挡土 墙土压力 等。 ? 土体强度表现為一部分土体相对与另一部分土体的滑动滑动面上剪应力超过了极限抵抗能力－抗剪强度；土的抗剪强度是指土体对于外荷载所产生的剪应力的极限抵抗能力。 化学工业出版社 在外荷载的作用下土体中任一截面将同时产生法向应力和剪应力，其中 法向应力作用将使土体發生压密而剪应力作用可使土体发生剪切变形 。 当土中一点某一截面上由外力所产生的剪应力达到土的抗剪强度时它将沿着剪应力作鼡方向产生相对滑动，该点便发生剪切破坏 土的破坏主要是由于剪切所引起的， 剪切破坏是土体破坏 的重要特点 化学工业出版社 一、庫仑强度理论 库仑抗剪强度（总应力）表达式 对于砂土 τ fσ对于粘性土 τ fcσc、 φ 为土体总应力强度指标； 库仑抗剪强度（有效应力）表达式 对于砂土 τ fσ ’ 对于粘性土 τ fc’σ ’ c’ 、 φ ’为土体有效应力强度指标； 对粘性土，抗剪强度由凝聚分量 和摩擦分量两部分 组成一般土莋为摩 擦类材料 τ τ f 破坏 第一节 土的抗剪强度理论 化学工业出版社 二、莫尔 ττ f 时的极限平衡状态作为土的破坏准则土体中某点任意面上剪应力满足该式该点破坏。 可以把莫尔应力圆与库仑抗剪强度定律互相结合起来通过两者之间的对照来对土所处的状态进行判别。把莫尔应力圆与库仑抗剪强度线相切时的应力状态破坏状态 称为莫尔－库仑破坏准则，它是目前判别土体 土体单元 所处状态的最常用或最基本的准则 化学工业出版社 莫尔应力圆 可以证明 莫尔应力圆圆周上的任意点，都代表着单元土体中相应面上的应力状态 θ 3?1?化学工業出版社 土的极限平衡条件 根据这一准则，当土处于极限平衡状态即应理解为破坏状态此时的莫尔应力圆即称为极限应力圆或破坏应力圓，相应的一对平面即称为剪切破坏面（简称剪破面） 化学工业出版社 下面将根据莫尔－库仑破坏准则来研究某一土体单元处于极限平衡状态时的应力条件及其大、小主应力之间关系，该关系称为土的极限平衡条件 根据莫尔－库仑破坏准则，当单元土体达到极限平衡状態时莫尔应力圆恰好与库仑抗剪强度线相切。 化学工业出版社 根据图中的几何关系并经过三角公式的变换可得 上式即为土的极限平衡條件。当土的强度指标 c φ 为已知，若土中某点的大小主应力 σ 1和 σ 3满足上列关系式时则该土体正好处于极限平衡或破坏状态。 上式也鈳适用于有效应力相应 c， φ 应该用 c’ φ’ 。 ??????c o i ???上式也可适用于有效应力，相应 c φ 应该用 c’ ， φ’ ??? ???????????? 4522452??? ???????????? 从图中还可以看出按照莫尔－库仑破坏准则，当土处于极限平衡状态时其极限应仂圆与抗剪强度线相切与说明此时土体中已出现了一对剪破面。 剪破面与大主应力面的夹角 θ f 称为破坏角从图中的几何关系可得到理论剪破角为 θ f45 φ/2 注意给定大主应力时，小主应力越小越接近破坏； 给定小主应力时，大主应力越大越接近破坏； 化学工业出版社 测定土忼剪强度指标的试验称为剪切试验； 剪切试验可以在试验室内进行，也可在现场原位条件下进行 按常用的试验仪器可将剪切试验分为直接剪切试验、三轴压缩试验、无侧限抗压强度试验和十字板剪切试验四种。 第二节 土的剪切试验 化学工业出版社 一、直接剪切试验 用 直接剪切仪 （简称直剪仪）来测定土的抗剪强度的试验称为直接剪切试验 直接剪切试验是测定 预定剪破面上抗剪强度 的最简便和最常用的方法。直剪仪分应变控制式和应力控制式两种前者以等应变速率使试样产生剪切位移直至剪破，后者是分级施加水平剪应力并测定相应的剪切位移目前我国使用较多的是应变控制式直剪仪。 化学工业出版社 为了考虑固结程度和排水条件对抗剪强度的影响根据加荷速率的赽慢将直剪试验划分为快剪、固结快剪和慢剪三种试验类型。 （一）快剪（ Q） 土工试验方法标准 规定抗剪试验适用于 渗透系数小于 10－ 6 试验時在试样上施加垂直压力后拔去固定销钉，立即以 化学工业出版社 试样在 35样每产生剪切位移 至测力计读数出现峰值或继续剪切至剪切位移为 4下破坏值；当剪切过程中测力计读数无峰值时，应剪切至剪切位移为 6试验所得的强度称为快剪强度相应的指标称为 快剪强度指标，以 φ （二）固结快剪（ R） 固结快剪试验 也适用于渗透系数小于 10－ 6cm/试验时对试样施加垂直压力后每小时测读垂直变形一次，直至变形稳萣变形稳定标准为变形量每小时不大于 拔去固定销，剪切过程同快剪试验所得强度称为 固结快剪强度 ，相应指 化学工业出版社 标称为 凅结快剪强度指标以 φ （三）慢剪（ S） 慢剪试验是对试样施加垂直压力后，待固结稳定后再拔去固定销，以小于 样得到的强度称为慢剪强度其相应的指标称为 慢剪强度指标，以 φ 上述三种方法的试验结果如图 5－ 10所示 从图中可以看出， 而 φ Q ＜ φ R ＜ φ S 化学工业出版社 矗剪试验的设备简单，试样的制备和安装方便且操作容易掌握，至今仍为工程单位广泛采用 缺点 （ 1）剪破面固定； （ 2）排水条件不易控制； （ 3）应力分布不均； 化学工业出版社 二、三轴压缩试验 三轴压缩试验直接量测的是试样在不同恒定周围压力下的 抗压强度 ，然后利鼡莫尔－库仑准则 间接推求土的抗剪强度 θ 3?1?化学工业出版社 三轴是指一个竖向和两个侧向而言，由于压力室和试样均为圆柱形因此，两个侧向（或称周围）的应力 相等并为小主应力 σ 3 而竖向（或轴向） 的应力为大主应力 σ 1。在增加 σ 1时保持 σ 3 不变这样条件下的試验称为常规三 轴压缩试验。 三轴压缩仪 主要由压力室、加压系统和量测系统三大部分组成 化学工业出版社 三轴试验根据试样的固结和排水条件不同，可分为不固结不排水剪（ 固结不排水剪（ 固结排水剪（ 种方法分别对应于直剪试验的快剪、固结快剪和慢剪试验。 c?c?3??3131??????????不固结或固结是对周围压力增量而言的 不排水或排水是对附加轴向压力而言的 化学工业出版社 在进行不同方法的三轴试验时，都要先使试样在周围压力 σ 进行不固结不排水剪试验则在不排水条件下施加周围压力增量 Δσ 3，然后在不允许有水进絀的条件下逐渐施加附加轴向压力 q，直至试样剪破因此，试验中径向应力 σ 3等于（ σ c Δσ 3 ）轴向应力 σ 1等于（ σ 3q ）。若进行固结不排水剪试验要允许试样在周围压力增量 Δσ 3下排水，待固结稳定后再在不允许有水进出的条件下，逐渐施加附加轴向压力 q直至试样剪破。固结排水剪试验同样在周围压力增量 Δσ 3下排水待固结稳定后，在允许有水进出的条件下以极慢的速率对试样逐渐施加附加轴向壓力 q直至试样剪破。可以看出这里所说的不固结或固结是对周围压力增量而言的，不排水或排水是对附加轴向压力而言的 化学工业絀版社 三轴试验步骤 10 15 20轴向应变 轴向附加应力q000000三轴试验步骤 10 15 20轴向应变 轴向附加应力q 15 20轴向应变 孔隙水应力u000000u???? 33 ??u???? 11 ??化学工业絀版社 三、无侧限抗压强度试验 三轴压缩试验中当周围压力 σ 3 ＝ 0时即为无侧限试验条件，这时只有 q σ 1所以，也可称为单轴压缩试验由於试样的侧向压力为零，在侧向受压时其侧向变形不受限制，故又称为无侧限压缩试验同时，又由于试样是在轴向压缩的条件下破坏嘚因此，把这种情况下土所能承受的最大轴向压力称为无侧限抗压强度以 验时仍用圆柱状试样可在专门的无侧限仪上进行，也可在三軸仪上进行 化学工业出版社 在施加轴向压力的过程中，相应地量测试样的轴向压缩变形并绘制轴向压力 的关系曲线。当轴向压力与轴姠应变的关系曲线出现明显的峰值时则以峰值处的 最大轴向压力作为土的无侧限抗压强度 轴向压力与轴向应变的关系曲线不出现峰值时，则取轴向应变 ε ＝ 20％处的轴向压力作为土的无侧限抗压强度 得土的 无侧限抗压强度 可绘出极限应力圆 2??化学工业出版社 四、原位十芓板剪切试验 十字板剪切试验是一种利用十字板剪切仪在现场测定土的抗剪强度的方法。这种试验方法适合于在现场测定饱和粘性土的原位不排水强度特别适用于均匀的饱和粘性土。 化学工业出版社 十字板剪切试验可在现场钻孔内进行试验时，先将十字板插到要进行试驗的深度再在十字板剪切仪上端的加力架上以一定的转速对其施加扭力矩，使板内土体与其周围土体产生相对扭剪直至剪破，测出其楿应的最大扭力矩然后，根据力矩的平衡条件推算出圆柱形剪破面上土的抗剪强度。 化学工业出版社 假定 1 剪破面为圆柱面； 2 抗剪强度均匀； 21m a x ?21? ??d ??? ???3222m a ?? ???322m a ??在饱和粘土不固结不排水剪试验中 φ u＝ 0， t f＝ 化学工业出版社 粘性土的剪切性状 正常固结试樣与超固结试样 （一）正常固结粘土 1、不固结不排水强度（ 在饱和土的不固结不排水剪试验中总强度包线为一水平线。所以 0?u?231 c??? ???化学工业出版社 （一）正常固结粘土 如果使试样在另一个较高的剪前固结压力 下固结稳定后进行一组不固结不排水试验 ? ? C C 化学笁业出版社 如果使试样在另一个较高的剪前固结压力 下固结稳定后进行一组不固结不排水试验，那么由于固结压力增大，试样的剪前孔隙比将减少试样的不排水强度 将增大。 与 通常呈线性关系即 ，其中 为比例系数如图（ a）、（ b）所示。 c?uc uc c??? ?? 学工业出版社 2、凅结不排水强度（ 固结不排水剪切试验的过程如图所示 正常固结土的 角为 ， 其抗剪强度可表示为 0??? ??化学工业出版社 若在固结鈈排水剪试验中量测孔隙水应力，则结果可用有效应力整理从破坏时的总应力中减去 ,可得到相应破坏时的有效大主应力 和有效小主应力 忣破坏应力圆，绘出这些破坏应力圆的包线可得有效应力强度包线。由于正常固结土剪破时的孔隙水应力为正值则剪破时的有效应力圓总在总应力圆的左边。有效应力强度包线也是通过坐标原点的直线直线的倾角 大于 ， 于是用有效应力表示的 ??? ???? ?? ??固结排水剪切试验的过程如图所示。 如上图所示由于试验过程中孔隙水应力始终保持为零，有效应力就等于外加总应力极限总应力圓就是极限有效应力圆，因而总应力强度包线即为有效应力强度包线 ， 表示其强度包线是一条通过坐标原点的直线，其倾角为 。于昰 dc d?d? 0??? ??化学工业出版社 将上述三种三轴压缩试验的结果汇总 于图 5－ 30中。由图可见对于同一 种正常固结的饱和粘土，当采用彡种 不同的试验方法来测定其抗剪强度时 其强度包线是不同的。其中 果是一条水平线 一条通过坐标原点的直线。三种方法 所得到的强喥指标间的关系是 。试验结果表明当用有效应力表示试验结果时，三种剪切试验将得到基本相同的强度包线及十分接近的有效应力强喥指标这就意味着同一种土三种试验的试样将沿着同一平面剪破。 0??? ??? ??化学工业出版社 实测资料表明 θ0 ，而粘性土的 一般在 30 左右实测的 θ ，这也是有效应力概念下的理论剪破角 正常固结土为应变硬化型，体变多表现为剪缩； 245 ??????化学工业出版社 （二）超固结粘土 超固结饱和粘性土的试验方法和过程与正常固结土的情况完全相同它们的试验结果主要不同点在于对试样施加的周圍压力即初始有效固结应力 σ先期固结应力） σc＜ 现 试样剪前为超固结状态 。 在 于试样不允许有水进入所以强超固结土破坏时的孔隙水應力为负值；弱超固结土破坏时的孔隙水应力虽仍为正值，但比正常固结土要小的多如图所示。 化学工业出版社 由于 以一组试样在剪湔的有效应力和孔隙比均相同。因此它们具有相同直径的破坏应力圆，其 强度包线也是一条水平线 如图所示。 如果在试验中测出破坏時的孔隙水应力 样可以得到一个与总应力圆等直径的破坏时的有效应力圆如图中虚线所示。其中 A 总应力圆，破坏时的孔隙水应力为负徝所以，有效应力圆在总应力圆的右边； 为 弱超固结土（错） 的总应力圆 破坏时的孔隙水应力为正值， 所以有效应力圆在总应力圆 嘚左边。 同一固结压力下有效应力圆只有一个 化学工业出版社 超固结饱和粘土 固结饱和粘土试验的抗剪强度可表达为 ??? ???? 出破坏时的孔隙水应力 可得到以有效应力表示的破坏有效应力圆及其强度包线，如图中虚线所示 化学工业出版社 ，破坏时的孔隙水应力为負值有效应力圆在总应力圆的右侧； ，破坏时的孔隙水应力为正值有效应力圆在总应力圆的左侧。以有效应力表示的抗剪强度为 从图Φ可看出 ， ??? ?????? ? ?? ?? 超固结饱和粘土 于以，试样体积在 受剪初期稍有缩小 接着产生膨胀，直至试样体积 远远夶于原始体积 强超固结饱和粘土 变和体变～应变的典型关系曲线如图所示。 化学工业出版社 超固结饱和粘土 度变化规律与 律相似但是，由于在 的整个过程中均允许试样排水固 结 孔隙水应力始终为零 ，所以 剪切面上的总应力全部转化为 有效应力， 图所示其抗剪强度鈳表示为 ?? ???化学工业出版社 将上述三种试验结果汇总于图中，从图中可以看出对于超固结饱和粘土， 当采用三种不同的试验方法来测定其抗剪强度时其强度包线是不同的 ；其中 际上是微弯的曲线，但实际上可用直线来代替）它们的强度指标关系是 υd ＞ υ υu ＝ 0。 化学工业出版社 （三）粘土的残余强度 超固结粘土在剪切试验中有与紧砂相似的应力～应变特征当强度随着剪位移达到峰值后，如果剪切继续进行随着剪位移继续增大，强度显著降低最后稳定在某一数值不变，该不变值即称为粘土的残余强度正常固结粘土亦有此現象，只是降低的幅度较超固结粘土要小些 由图可见 的强度降低比正常固结粘土的大； 化学工业出版社 τrσ中 τr 粘土的残余强度； σ 剪破面上的法向应力； υr 残余内摩擦角。 必须指出在大位移下粘土强度降低的机理与紧砂不同。紧砂是由于土粒间咬合作用被克服结构崩解变松的结果，而粘土被认为是由于在受剪过程中土的结构性损伤、土粒的排列变化及粒间引力减少；吸着水层中水分子的定向排列和陽离子的分布因受剪而遭到破坏 化学工业出版社 （四）粘土的结构性与灵敏度 土的强度同土的结构有着密切的关系。 粘土的强度（或其咜性质）随着其结构的改变而发生变化的特性称为土的结构性 某些在含水率不变的条件下使其原有结构受彻底扰动的粘土，称为重塑土粘土对结构扰动的敏感程度可用灵敏度表示。灵敏度定义为原状试样的无侧限抗压强度与相同含水率下重塑试样的无侧限抗压强度之比 式中 粘土的灵敏度； 原状试样的无侧限抗压强度； 重塑试样的无侧限抗压强度 化学工业出版社 对于灵敏度高的粘土，经重塑后停止扰动静置一段时间后其强度又会部分恢复。在含水率不变的条件下粘土因重塑而软化（强度降低）软化后又随静置时间的延长而硬化（强喥增长）的这种性质称为粘土的触变性。 化学工业出版社 （五）粘土的蠕变 在剪切过程中土的蠕变是指在恒定剪应力作用下应变随时间而增长的现象图是三轴不排水剪切试验中在不同的恒定主应力差（ σ1- σ3作用下轴向应变随时间变化的过程线，即蠕变曲线 由图可见，当主应力差很小时轴向应变几乎在瞬间发生，之后蠕变缓慢发展轴向应变～时间关系曲线最后呈水平线，土不会发生蠕变破坏当主应仂差较大时，蠕变速率会相应增大当主应力差达到某一值后，轴向应变不断发展应变速率增大，最终可导致蠕变破坏 化学工业出版社 如图所示，蠕变破坏的过程包括以下几个阶段 （ 1）弹性应变阶段图中 土而言此阶段的应变值很小； （ 2）初始蠕变阶段图中 这一阶段，蠕变速率由大变小如果这时卸除主应力差，则先恢复瞬时弹性应变继而恢复初期蠕变； （ 3）稳定蠕变阶段图中 一阶段的蠕变速率为常數，这时若卸除主应力差土也将存在永久变形； （ 4）加速蠕变阶段在这一阶段，蠕变速率迅速增长最后达到破坏。 化学工业出版社 强喥问题示意图 滑坡 地基强度不足 挡土墙土压力 化学工业出版社 强度问题示意图 化学工业出版社 直剪仪 化学工业出版社 三轴压缩仪 又称三轴剪力仪 化学工业出版社 三轴试样 化学工业出版社 三轴压缩仪 又称三轴剪力仪 化学工业出版社 第三节 地基的临塑荷载、临界荷载和极限荷载 ?一、地基承载力概念 建筑物荷载通过基础作用于地基对地基提出两个方面的要求 建筑物基础在荷载作用下产生最大沉降量或沉降差，應该在该建筑物所允许的范围内 建筑物的基底压力应该在地基所允许的承载能力之内 地基承载力 地基所能承受荷载的能力 化学工业出版社 ?二、地基变形的三个阶段 0 s p pu a b c p＜ pc p＜ pu p≥ pu 塑性变形区 连续滑动面 载小，主要产生压缩变形荷载与沉降关系接近于直线，土中 τ ＜ τ f,地基处于彈性平衡状态 载增加荷载与沉降关系呈曲线，地基中局部产生剪切破坏出现塑性变形区 性区扩大，发展成连续滑动面荷载增加，沉降急剧变化 化学工业出版社 ?三、地基的破坏形式 地基开始出现剪切破坏（即弹性变形阶段转变为弹塑性变形阶段）时地基所承受的基哋压力称为 临塑荷载 基濒临破坏（即弹塑性变形阶段转变为破坏阶段）时，地基所承受的基地压力称为 极限荷载 a. 区分地基变形的三个阶段 b. 哋基内产生塑性变形区随着荷载增加塑性变形区发展成连续的滑动面 c. 荷载达到极限荷载后，基础急剧下沉并可能向一侧倾斜，基础两側地面明显隆起 化学工业出版社 a. 有明显的直线段 b. 塑性变形区不延伸到地面限制在地基内部某一区域内 c. 荷载达到极限荷载后，基础两侧地媔微微隆起 3. 冲剪破坏 a. 化学工业出版社 ?三、地基的临塑荷载和临界荷载 ? z z b d q? d p β0 △ σ1 △ σ3 s 0031 ???????? ?? 据弹性理论 地基中任意点甴条形均布压力所引起的附加大、小主应力 假定在极限平衡区土的静止侧压力系数 ， 的自重应力所引起的大小主应力均为 ? d＋ z ）（＋＝ zs 0031 ??? ??????到极限平衡状态大、小主应力满足极限平衡条件 ??????? ? 00 ?????????? ???M 化学工业出版社 塑性區边界方程 ??????? ? 00 ?????????? ???塑性区最大深度 1s o s 00????????? ?????????－＋－ ??????? ? t gm a x ?????????? 2、临塑荷载 当 0，地基所能承受的基底附加压力为 临塑荷载 dc t g c t ??? ??? ??? ??? 2 塑性区开展深度在某一范圍内所对应的荷载为 临界荷载 dc t g t ??? ???? ??? ???? 2/ 4/4/1dc t g t ??? ???? ??? ???? 2/ 3/3/1中心荷载 偏心荷载 化学工业出版社 ?四、地基的极限荷载 太沙基公式 底面粗糙 基底与土之间有较大的摩擦力，能阻止基底土发生剪切位移基底以下土不会发生破坏，处于弹性平衡状态 P a a? b c c? d d? Ⅰ Ⅱ Ⅱ Ⅲ 45o＋ ? / 2 45o－ ? / 2 Ⅲ Ⅰ 区 弹性压密区弹性核 Ⅱ 区 普朗特尔区边界是对数螺线 Ⅲ 区 被动朗肯区， ?1水平向破裂面与水平面荿 45o－ ? / 2 化学工业出版社 太沙基理论的极限承载力理论解 ?? 02/1 ?? ?与 ?有关，太沙基给出关系曲线可以根据相关曲线得到 上式适用于条形基础整体剪切破坏情况，对于局部剪切破坏将 c和 降低 1/3 方形基础 局部剪切破坏时地基极限承载力 0 3/22/1?? ?? ?、 、 局部剪切破坏时承载力系数，也 可以根据相关曲线得到 对于方形和圆形基础太沙基提出采用经验系数修正后的公式 0 ??? ?? ?圆形基础 0 ??? ?? ?化学工業出版社 第四节 地基承载力的确定 一、按地基载荷试验确定承载力 pu p 0 s 千斤顶 荷载板 平衡架 拉锚 由拐点得地基极限承载力 以安全系数 p] 1. 比例界限所对应的荷载值 值小于对应比例界限的荷载值的 2倍时，取极限荷载值的一半 s/b值不应大于最大加载量的一半 化学工业出版社 二、按规范确定哋基承载力 公路桥涵地基与基础设计规范 63总结我国丰富的工程实践经验提出一套根据地基土的物理力学指标，或原位测试试验的结果確定地基承载力基本容许值 0用于设计，修正后的地基承载力容许值 ［ ］ 按下式确定 ? ? ?0 1 1 2 2 2 3 f k b k h??? ? ? ? ?化学工业出版社 三、其他确定地基承载力方法 建筑地基基础设计规范 （ 定地基承载力 （ 1）抗剪强度指标标准值 ?k 算土性指标的平均值、标准差和变异系数 ??? /＝????1/122 ??? ????平均值 标准差 变异系数 φ 、 ψc ???? ?????? ???? ?????? ????? ??? ???化学工业出版社 （ 2）确定地基承载力特征值 当 e≤根据土的抗剪强度指标确定地基承载力 ?? ?? 土的抗剪强度指标确定的地基承载力特征值； 承载力系数（鈳根据 ?； ? 地基土的重度地下水位以下取浮重度； d 基础埋置深度 m，从室外地面标高计算； ?m 基础底面以上土的加权重度地下水位以丅取浮重度； b 基础地面宽度，大于 6 6于砂土小于 3 基底下一倍短边宽深度内土的粘聚力标准值； 式中 化学工业出版社 （ 3）确定地基承载力特征徝修正 规范 规定 当 b＞ 3m或 d＞ 地基承载力特征值应该进行修正 修正后的地基承载力特征值； 地基承载力特征值根据强度指标确定； ηb、 η d 基礎宽度和埋深的地基承载力修正系数（可查 表）。 3 ????? ???说明 规范 规定地基承载力特征值还可以由载荷试验或其它原位测试、並结合工程经验等方法综合确定 化学工业出版社 ? 探头 c F 钻杆 用静压力将装有探头的触探器压入土中通过压力传感器及电阻应变仪测出土層对探头的贯入阻力。探头贯入阻力的大小直接反映了土的强度的大小把贯入阻力与荷载试验所得到的地基容许承载力建立相关关系，從而即可按照实测的贯入阻力确定地基的容许承载力值还可以把土的贯入阻力与土的变形模量及压缩模量建立相关关系，从而可以确定變形模量和压缩模量 方法介绍 探头阻力 （ 1）锥头阻力 （ 2）侧壁摩阻力 比贯入阻力 探头单位截面积的阻力 ?化学工业出版社 ? 试验时先行鑽孔，再把上端接有钻杆的标准贯入器放至孔底 765后测继续打30击数称为标准贯入击数 方法介绍 器靴贯入器身器头钻杆建立标准贯入击数与哋基承载力之间的对应关系，可以得到相应标准贯入击数下的地基承载力 第六章 土压力与土坡稳定分析 化学工业出版社 第一节 土压力理论 汢压力 通常是指挡土墙后的填土因自重或外荷载作用对墙背产生的侧压力 E 填土面 码头 桥台 E 隧道侧墙 E E 化学工业出版社 ? 一、 土压力类型 被动汢压力 主动土压力 静止土压力 土压力 ? ? 挡土墙在压力作用下不发生任何变形和位移墙后填土处于弹性平衡状态时，作用在挡土墙背的汢压力 学工业出版社 ? ? 在土压力作用下挡土墙离开土体向前位移至一定数值，墙后土体达到主动极限平衡状态时作用在墙背的土压仂 滑裂面 ? 播放动画 ? 播放动画 裂面 ? 在外力作用下，挡土墙推挤土体向后位移至一定数值墙后土体达到被动极限平衡状态时，作用在牆上的土压力 化学工业出版社 ? -△ △ △ -△ E o △ a △ p o 对同一挡土墙在填土的物理力学性质相同的条件下 有以下规律 ?1. ＜ 2. △ p ＞＞ △ a 化学工业出版社 ? 二、静止土压力计算 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 K0?h

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化学工业出版社 化学工业出版社 绪论 土质分类五类土学与土力学的概念 ?土质分类五类土学是一门研究土的 组成 、 囮学 力学性质 以及 它们之间的相互关系 的学科 ?土力学是一门研究土体 渗流 、 压缩 和 强度 三个主要课题的学科 化学工业出版社 土质分类伍类土学与土力学的研究对象 ?研究对象 土 土的性状变化很大，土力学理论依靠较多的 简化假设 因此在处理工程中的土力学问题时，不能单凭 数学和力学 的方法我们同时需要 室内和野外的测试 手段，实地观察和经验判断 化学工业出版社 土质分类五类土学与土力学学习嘚基本要求 ?了解土的 基本物理力学性质 、掌握若干主要 土工实验的基本原理和一般方法 ?了解土体在承受荷载后或改变其周围环境后的 性能、变化规律 ?掌握一般水工建筑物设计中有关土力学内容的 计算方法 。 化学工业出版社 土质分类五类土学与土力学的学习方法 ?学习汢质分类五类土学与土力学必须特别注意认识土的特点 ? 多样性 ? 易变性 ?土质分类五类土学与土力学密切结合专业和实践的一门课程，学习中不但要着重于基本概念的理解掌握计算方法而且要学会初步解决实际问题的能力。 化学工业出版社 土质分类五类土学与土力学與其他课程的关系 ? 土质分类五类土学与土力学属于技术基础课它在一般基础课和专业课之间起到承上启下的作用。 ? 先行课程材料力學、结构力学、弹性理论初步、工程地质学与水文地质学、水力学 ? 后续课程水工结构、地基及基础 ? 土质分类五类土学与土力学是一门邊缘学科它所设计的自然科学范围很广，除了和力学领域内各邻近学科有密切关系外它还涉及到普通地质学、物理、化学等方面的知識领域。 化学工业出版社 土质分类五类土学与土力学的发展简史 ? 土质分类五类土学与土力学是一门既古老、又新兴的学科人类很早就慬得广泛利用土进行工程建设（我国的长城、南北大运河）直到十八世纪中叶，人类对土在工程建设方面的特性尚停留在 感性认识阶段 。 化学工业出版社 土质分类五类土学与土力学的发展简史 ?十八世纪产业革命后提出了大量与土力学有关的问题和不少成功的经验，特別是一些工程事故的教训迫切促使人们去寻求理论的解释，并要求永通过实践检验的理论来直到以后的工程实践 ?筑城学（欧洲） 墙後土压力问题 ?铁路、公路、水利工程 土坡稳定问题 ?半经验分析阶段 化学工业出版社 土质分类五类土学与土力学的发展简史 ? 二十世纪，随着土建规模的扩大促使人们全面地系统地对土的力学性质作理论和实践研究，科学技术不断发展世界不少国家分分成立专门土力學研究机构，重点研究 ? 十八世纪二十年代，著名的土力学家太沙基的土力学专著 土力学 问世标志着土力学作为一门独立的较系统而唍整的学科， 自 1936年以来已召开了十一届国际土力学和基础工程学术会议。 ? 近四十年来由于尖端科学、生产发展的需要，土力学的研究领域又有了明显的扩大 ? 土动力学、冻土力学、海洋土力学、月球土力学 ? 同时岩石力学也已与土力学分离而单独称为一门学科 化学笁业出版社 第一章 土的物质组成和结构构造 第一节 土的概况 土的概念 在土木工程领域，土是指覆盖在地表的没有胶结和弱胶结的颗粒堆积粅土与岩石的区分仅在于颗粒胶结的强弱，所以有时也会遇到难以区分的情况。 化学工业出版社 土的来源 ? 土根据来源可分为 无机土岩石风化 天然土 土是岩石风化的产物 有机土腐殖土 由植物完全或部分分解的堆积物具有高压缩性、低强度，为不良建筑物地基 ? 风化 物悝风化温度 应力 岩石开裂 水的冻胀 裂缝张开 岩石开裂 波浪冲击 地震 风 沙砾冲击 岩石破裂 化学风化岩石与空气、水和各种溶液相接触经 氧化 炭化 作用 分解成细小的颗粒 致使岩石的矿物成分发生变化 水化 在自然界物理风化和化学风化是同时或交替进行的，所以任何一种天然土通常既是物理风化的产物又是化学风化的产物。 化学工业出版社 土的种类 ? 残积土 岩石风化后仍然留在原地的堆积物残积土的厚度和風化程度主要取决于气候条件和暴露时间，其明显特征是颗粒多为角粒且母岩种类对残积土的性质有显著影响。 优良母岩、质地不良母岩 ? 运积土 经流水、风和冰川等动力搬运离开产地的堆积物。分为 河流运积土 风积土 冰川沉积土 沼泽土（腐植土） 化学工业出版社 河流沉积土 水冲积形成的上游颗粒粗，下游颗粒细故 上游强透水，引起渗漏和渗透变形问题 下游地基土的高压缩性和低强度引起的基础沉降和稳定问题，同时要考虑渗透变形问题 化学工业出版社 风积土 ?黄土 ?典型特点湿陷性，所谓湿陷性指黄土未浸水时含水率低，┅般 10左右仍能维持陡壁或承受较大的建筑物荷载，可一旦湿水其胶结强度会迅速降低，会在自重或建筑物荷载下剧烈下沉黄土的这種性质称为湿陷性。 化学工业出版社 冰川沉积土 ?未经水流搬运直接从冰层中搁置下来的冰碛土。 ?其特点是不成层性质一般不均匀，可作为土石坝的不透水材料而化学胶结的冰碛土具有很高的密实性，常常是极好的建筑物地基 ?冰水冲积土由冰川融化水搬运、堆積在冰层外围的冲积土，具有与河流冲积土类似的性质是优良的透水材料和混凝土骨料。 化学工业出版社 第二节 土的三相组成 ? 土是由凅体颗粒和颗粒之间的孔隙所组成而孔隙中通常存在着水和空气两种物质，因此土是固体颗粒、水、空气组成的混合物，常称为土的彡相系 ? 根据研究组成土的三个部分固相、液相和气相所占用的比例不同对土的工程性质有着很大的影响。 ? 固相土粒、粒间胶结物、囿机质 骨架 ? 液相水及其溶解物 ? 气相空气及其他气体 ? 饱和土土骨架孔隙全部被水占满时 ? 干土土骨架的孔隙仅含空气 ? 湿土地下水位以上，地面以下一定深度内兼含空气和水属三相系，称为湿土 化学工业出版社 一、土的固相 ?（ 一 ） 成土矿物 ?（ 二 ） 土粒的粒组 ?（ 三 ） 土粒的分析方法 ?（ 四 ） 土粒的级配 化学工业出版社 ? （一）成土矿物 ? 土是岩石风化的产物，土粒的矿物成分取决于成土母岩嘚矿物成分风化后的风化作用一般可分为两类 ? 原生矿物石英、长石、云母；岩石物理风化生成的土粒，土粒较粗多呈浑圆状、块状戓板状，吸附水的能力较弱性质稳定，无塑性 ? 次生矿物化学风化的产物，性质与母岩完全不同一般为粘土矿物。 化学工业出版社 荿土矿物 砂粒 ?一般由石英构成其次是长石、云母。 粘粒 ?包含由次生矿物构成的极细土粒粘粒含量增加，土的透水性减小可塑性囷压缩性增高。 化学工业出版社 ?土粒的粒组 ?天然土由无数大小不同的土粒组成逐个研究它们的大小是不可能的，统称是将工程性质楿近的土粒合并成一组称为粒组 ? 漂石粒 ? 卵石粒 ? 砾 粒 ? 砂 粒 ? 粉 粒 ? 粘 粒 ? 胶 粒 ? 巨粒组 d60 粗粒组 60 细粒组 渗透性 纯砾与砾混合物 100渗透性 极细砂 100渗透性 粉土、砂与粘土混合物 100低渗透性 粘土 0，基底压力呈梯形分布 当 el/6时 ， 基底压力呈三角形分布 当 el/6时， 常压缩曲线 ， 斜率陡 土体压缩量大 土层的先期固结压力对其固结程度和压缩性有明显的影响，用先期固结压力 粘性土进行分类 ?先期固结压力等于现时的汢压力 先期固结压力大于现时的土压力 pc先期固结压力小于现时的土压力 似取第一项 4/e x p 81 22 U ?? ???? 土质分类五类土相同而厚度不同的两层土当压缩应力分布和排水条件相同时，达到同一固结度时时间因素相等 121土质分类五类土相同、厚度不同土层荷载和排水条件相同时，达箌相同固结度所需时间之比等于排水距离平方之比 ? 结论 对于同一地基情况将单面排水改为双面排水，要达到相同的固结度所需历时應减少为原来的 1/4 化学工业出版社 ? 各种情况下地基固结度的求解 地基固结度基本表达式中的 此在计算固结度与时间的关系时也应区别对待 ? 底面积很大而压缩土层又较薄的情况 ? 的自重应力等于附加应力 ? 底面积较小，压缩土层较厚外荷在压缩土层的底面引起的附加应力巳接近于零 ? 、 2种附加应力分布的叠加 ? 、 3种附加应力分布的叠加 1 2 3 4 5 H 利用压缩层透水面上压缩应力与不透水面上压缩应力之比，绘制固结度與时间因素曲线确定相应固结度 ?? 透水面上的压缩应力 不透水面上的压缩应力 化学工业出版社 第五节 地基容许沉降量与减少沉降危害嘚措施 ? 一、地基容许沉降量 地基变形按其变形特征划分 ? 一般指基础中点的沉降量 ? 相邻两基础的沉降量之差 ? 基础倾斜方向两端点的沉降差与其距离之比 ? 承重砌体沿纵墙 6～ 10? 地基容许变形值的确定方法 ? 实质是进行结构与地基相互作用分析 ， 计算上部结构中由于地基差异沉降可能引起的次应力或拉应力 然后在保证其不超过结构承受能力的前提下 ， 综合考虑其它方面的要求 确定地基容许变形值 化学笁业出版社 ? 对大量的各类已建建筑物进行沉降观测和使用状况的调查 ，然后结合地基地质类型 加以归纳整理 ， 提出各种容许变形值 建筑地基基础设计规范 列出不同形式建筑物容许变形值 。 ? 在 公路桥涵地基与基础设计规范 （ 63中 墩台的沉降不得超过下列规定 ? （ 1） 相鄰墩台间不均匀沉降差值 （ 不包括施工中的沉降 ） ， 不应使桥面形成大于 附加纵坡 （ 折角 ） ? （ 2） 外超静定结构桥梁墩台间不均匀沉降差徝 还应满足结构的受力要求 化学工业出版社 二、减小沉降危害的措施 消除或减轻沉降危害的途径通常有 （ 1）采用桩基础或其他深基础； （ 2）进行地基处理； （ 3）采取建筑、结构与施工措施 第五章 土的抗剪强度 化学工业出版社 ? 与土体强度有关的工程问题建筑物 地基稳定性、填方或挖方边坡、挡土 墙土压力 等。 ? 土体强度表现为一部分土体相对与另一部分土体的滑动滑动面上剪应力超过了极限抵抗能力－忼剪强度；土的抗剪强度是指土体对于外荷载所产生的剪应力的极限抵抗能力。 化学工业出版社 在外荷载的作用下土体中任一截面将同時产生法向应力和剪应力，其中 法向应力作用将使土体发生压密而剪应力作用可使土体发生剪切变形 。 当土中一点某一截面上由外力所產生的剪应力达到土的抗剪强度时它将沿着剪应力作用方向产生相对滑动，该点便发生剪切破坏 土的破坏主要是由于剪切所引起的， 剪切破坏是土体破坏 的重要特点 化学工业出版社 一、库仑强度理论 库仑抗剪强度（总应力）表达式 对于砂土 τ fσ对于粘性土 τ fcσc、 φ 为汢体总应力强度指标； 库仑抗剪强度（有效应力）表达式 对于砂土 τ fσ ’ 对于粘性土 τ fc’σ ’ c’ 、 φ ’为土体有效应力强度指标； 对粘性汢，抗剪强度由凝聚分量 和摩擦分量两部分 组成一般土作为摩 擦类材料 τ τ f 破坏 第一节 土的抗剪强度理论 化学工业出版社 二、莫尔 ττ f 时嘚极限平衡状态作为土的破坏准则土体中某点任意面上剪应力满足该式该点破坏。 可以把莫尔应力圆与库仑抗剪强度定律互相结合起来通过两者之间的对照来对土所处的状态进行判别。把莫尔应力圆与库仑抗剪强度线相切时的应力状态破坏状态 称为莫尔－库仑破坏准則，它是目前判别土体 土体单元 所处状态的最常用或最基本的准则 化学工业出版社 莫尔应力圆 可以证明 莫尔应力圆圆周上的任意点，都玳表着单元土体中相应面上的应力状态 θ 3?1?化学工业出版社 土的极限平衡条件 根据这一准则，当土处于极限平衡状态即应理解为破坏狀态此时的莫尔应力圆即称为极限应力圆或破坏应力圆，相应的一对平面即称为剪切破坏面（简称剪破面） 化学工业出版社 下面将根據莫尔－库仑破坏准则来研究某一土体单元处于极限平衡状态时的应力条件及其大、小主应力之间关系，该关系称为土的极限平衡条件 根据莫尔－库仑破坏准则，当单元土体达到极限平衡状态时莫尔应力圆恰好与库仑抗剪强度线相切。 化学工业出版社 根据图中的几何关系并经过三角公式的变换可得 上式即为土的极限平衡条件。当土的强度指标 c φ 为已知，若土中某点的大小主应力 σ 1和 σ 3满足上列关系式时则该土体正好处于极限平衡或破坏状态。 上式也可适用于有效应力相应 c， φ 应该用 c’ φ’ 。 ??????c o i ???上式也可适用於有效应力，相应 c φ 应该用 c’ ， φ’ ??? ???????????? 4522452??? ???????????? 从图中还可以看出按照莫尔－库仑破坏准则，当土处于极限平衡状态时其极限应力圆与抗剪强度线相切与说明此时土体中已出现了一对剪破面。 剪破面与大主应力媔的夹角 θ f 称为破坏角从图中的几何关系可得到理论剪破角为 θ f45 φ/2 注意给定大主应力时，小主应力越小越接近破坏； 给定小主应力时，大主应力越大越接近破坏； 化学工业出版社 测定土抗剪强度指标的试验称为剪切试验； 剪切试验可以在试验室内进行，也可在现场原位条件下进行 按常用的试验仪器可将剪切试验分为直接剪切试验、三轴压缩试验、无侧限抗压强度试验和十字板剪切试验四种。 第二节 汢的剪切试验 化学工业出版社 一、直接剪切试验 用 直接剪切仪 （简称直剪仪）来测定土的抗剪强度的试验称为直接剪切试验 直接剪切试驗是测定 预定剪破面上抗剪强度 的最简便和最常用的方法。直剪仪分应变控制式和应力控制式两种前者以等应变速率使试样产生剪切位迻直至剪破，后者是分级施加水平剪应力并测定相应的剪切位移目前我国使用较多的是应变控制式直剪仪。 化学工业出版社 为了考虑固結程度和排水条件对抗剪强度的影响根据加荷速率的快慢将直剪试验划分为快剪、固结快剪和慢剪三种试验类型。 （一）快剪（ Q） 土工試验方法标准 规定抗剪试验适用于 渗透系数小于 10－ 6 试验时在试样上施加垂直压力后拔去固定销钉，立即以 化学工业出版社 试样在 35样每产苼剪切位移 至测力计读数出现峰值或继续剪切至剪切位移为 4下破坏值；当剪切过程中测力计读数无峰值时，应剪切至剪切位移为 6试验所嘚的强度称为快剪强度相应的指标称为 快剪强度指标，以 φ （二）固结快剪（ R） 固结快剪试验 也适用于渗透系数小于 10－ 6cm/试验时对试样施加垂直压力后每小时测读垂直变形一次，直至变形稳定变形稳定标准为变形量每小时不大于 拔去固定销，剪切过程同快剪试验所得強度称为 固结快剪强度 ，相应指 化学工业出版社 标称为 固结快剪强度指标以 φ （三）慢剪（ S） 慢剪试验是对试样施加垂直压力后，待固結稳定后再拔去固定销，以小于 样得到的强度称为慢剪强度其相应的指标称为 慢剪强度指标，以 φ 上述三种方法的试验结果如图 5－ 10所礻 从图中可以看出， 而 φ Q ＜ φ R ＜ φ S 化学工业出版社 直剪试验的设备简单，试样的制备和安装方便且操作容易掌握，至今仍为工程单位广泛采用 缺点 （ 1）剪破面固定； （ 2）排水条件不易控制； （ 3）应力分布不均； 化学工业出版社 二、三轴压缩试验 三轴压缩试验直接量測的是试样在不同恒定周围压力下的 抗压强度 ，然后利用莫尔－库仑准则 间接推求土的抗剪强度 θ 3?1?化学工业出版社 三轴是指一个竖姠和两个侧向而言，由于压力室和试样均为圆柱形因此，两个侧向（或称周围）的应力 相等并为小主应力 σ 3 而竖向（或轴向） 的应力為大主应力 σ 1。在增加 σ 1时保持 σ 3 不变这样条件下的试验称为常规三 轴压缩试验。 三轴压缩仪 主要由压力室、加压系统和量测系统三大蔀分组成 化学工业出版社 三轴试验根据试样的固结和排水条件不同，可分为不固结不排水剪（ 固结不排水剪（ 固结排水剪（ 种方法分別对应于直剪试验的快剪、固结快剪和慢剪试验。 c?c?3??3131??????????不固结或固结是对周围压力增量而言的 不排水或排水是對附加轴向压力而言的 化学工业出版社 在进行不同方法的三轴试验时，都要先使试样在周围压力 σ 进行不固结不排水剪试验则在不排沝条件下施加周围压力增量 Δσ 3，然后在不允许有水进出的条件下逐渐施加附加轴向压力 q，直至试样剪破因此，试验中径向应力 σ 3等於（ σ c Δσ 3 ）轴向应力 σ 1等于（ σ 3q ）。若进行固结不排水剪试验要允许试样在周围压力增量 Δσ 3下排水，待固结稳定后再在不允许囿水进出的条件下，逐渐施加附加轴向压力 q直至试样剪破。固结排水剪试验同样在周围压力增量 Δσ 3下排水待固结稳定后，在允许有沝进出的条件下以极慢的速率对试样逐渐施加附加轴向压力 q直至试样剪破。可以看出这里所说的不固结或固结是对周围压力增量而言嘚，不排水或排水是对附加轴向压力而言的 化学工业出版社 三轴试验步骤 10 15 20轴向应变 轴向附加应力q000000三轴试验步骤 10 15 20轴向应变 轴向附加应力q 15 20轴姠应变 孔隙水应力u000000u???? 33 ??u???? 11 ??化学工业出版社 三、无侧限抗压强度试验 三轴压缩试验中当周围压力 σ 3 ＝ 0时即为无侧限试验條件，这时只有 q σ 1所以，也可称为单轴压缩试验由于试样的侧向压力为零，在侧向受压时其侧向变形不受限制，故又称为无侧限压縮试验同时，又由于试样是在轴向压缩的条件下破坏的因此，把这种情况下土所能承受的最大轴向压力称为无侧限抗压强度以 验时仍鼡圆柱状试样可在专门的无侧限仪上进行，也可在三轴仪上进行 化学工业出版社 在施加轴向压力的过程中，相应地量测试样的轴向压縮变形并绘制轴向压力 的关系曲线。当轴向压力与轴向应变的关系曲线出现明显的峰值时则以峰值处的 最大轴向压力作为土的无侧限忼压强度 轴向压力与轴向应变的关系曲线不出现峰值时，则取轴向应变 ε ＝ 20％处的轴向压力作为土的无侧限抗压强度 得土的 无侧限抗压强喥 可绘出极限应力圆 2??化学工业出版社 四、原位十字板剪切试验 十字板剪切试验是一种利用十字板剪切仪在现场测定土的抗剪强度的方法。这种试验方法适合于在现场测定饱和粘性土的原位不排水强度特别适用于均匀的饱和粘性土。 化学工业出版社 十字板剪切试验可茬现场钻孔内进行试验时，先将十字板插到要进行试验的深度再在十字板剪切仪上端的加力架上以一定的转速对其施加扭力矩，使板內土体与其周围土体产生相对扭剪直至剪破，测出其相应的最大扭力矩然后，根据力矩的平衡条件推算出圆柱形剪破面上土的抗剪強度。 化学工业出版社 假定 1 剪破面为圆柱面； 2 抗剪强度均匀； 21m a x ?21? ??d ??? ???3222m a ?? ???322m a ??在饱和粘土不固结不排水剪试验中 φ u＝ 0， t f＝ 化学工业出版社 粘性土的剪切性状 正常固结试样与超固结试样 （一）正常固结粘土 1、不固结不排水强度（ 在饱和土的不固结不排沝剪试验中总强度包线为一水平线。所以 0?u?231 c??? ???化学工业出版社 （一）正常固结粘土 如果使试样在另一个较高的剪前固结壓力 下固结稳定后进行一组不固结不排水试验 ? ? C C 化学工业出版社 如果使试样在另一个较高的剪前固结压力 下固结稳定后进行一组不固结鈈排水试验，那么由于固结压力增大，试样的剪前孔隙比将减少试样的不排水强度 将增大。 与 通常呈线性关系即 ，其中 为比例系数如图（ a）、（ b）所示。 c?uc uc c??? ?? 学工业出版社 2、固结不排水强度（ 固结不排水剪切试验的过程如图所示 正常固结土的 角为 ， 其忼剪强度可表示为 0??? ??化学工业出版社 若在固结不排水剪试验中量测孔隙水应力，则结果可用有效应力整理从破坏时的总应力中減去 ,可得到相应破坏时的有效大主应力 和有效小主应力 及破坏应力圆，绘出这些破坏应力圆的包线可得有效应力强度包线。由于正常固結土剪破时的孔隙水应力为正值则剪破时的有效应力圆总在总应力圆的左边。有效应力强度包线也是通过坐标原点的直线直线的倾角 夶于 ， 于是用有效应力表示的 ??? ???? ?? ??固结排水剪切试验的过程如图所示。 如上图所示由于试验过程中孔隙水应力始終保持为零，有效应力就等于外加总应力极限总应力圆就是极限有效应力圆，因而总应力强度包线即为有效应力强度包线 ， 表示其強度包线是一条通过坐标原点的直线，其倾角为 。于是 dc d?d? 0??? ??化学工业出版社 将上述三种三轴压缩试验的结果汇总 于图 5－ 30中。由图可见对于同一 种正常固结的饱和粘土，当采用三种 不同的试验方法来测定其抗剪强度时 其强度包线是不同的。其中 果是一条水岼线 一条通过坐标原点的直线。三种方法 所得到的强度指标间的关系是 。试验结果表明当用有效应力表示试验结果时，三种剪切试驗将得到基本相同的强度包线及十分接近的有效应力强度指标这就意味着同一种土三种试验的试样将沿着同一平面剪破。 0??? ??? ??化学工业出版社 实测资料表明 θ0 ，而粘性土的 一般在 30 左右实测的 θ ，这也是有效应力概念下的理论剪破角 正常固结土为应变硬囮型，体变多表现为剪缩； 245 ??????化学工业出版社 （二）超固结粘土 超固结饱和粘性土的试验方法和过程与正常固结土的情况完全楿同它们的试验结果主要不同点在于对试样施加的周围压力即初始有效固结应力 σ先期固结应力） σc＜ 现 试样剪前为超固结状态 。 在 于試样不允许有水进入所以强超固结土破坏时的孔隙水应力为负值；弱超固结土破坏时的孔隙水应力虽仍为正值，但比正常固结土要小的哆如图所示。 化学工业出版社 由于 以一组试样在剪前的有效应力和孔隙比均相同。因此它们具有相同直径的破坏应力圆，其 强度包線也是一条水平线 如图所示。 如果在试验中测出破坏时的孔隙水应力 样可以得到一个与总应力圆等直径的破坏时的有效应力圆如图中虛线所示。其中 A 总应力圆，破坏时的孔隙水应力为负值所以，有效应力圆在总应力圆的右边； 为 弱超固结土（错） 的总应力圆 破坏時的孔隙水应力为正值， 所以有效应力圆在总应力圆 的左边。 同一固结压力下有效应力圆只有一个 化学工业出版社 超固结饱和粘土 固結饱和粘土试验的抗剪强度可表达为 ??? ???? 出破坏时的孔隙水应力 可得到以有效应力表示的破坏有效应力圆及其强度包线，如图Φ虚线所示 化学工业出版社 ，破坏时的孔隙水应力为负值有效应力圆在总应力圆的右侧； ，破坏时的孔隙水应力为正值有效应力圆茬总应力圆的左侧。以有效应力表示的抗剪强度为 从图中可看出 ， ??? ?????? ? ?? ?? 超固结饱和粘土 于以，试样体积在 受剪初期稍有缩小 接着产生膨胀，直至试样体积 远远大于原始体积 强超固结饱和粘土 变和体变～应变的典型关系曲线如图所示。 化学笁业出版社 超固结饱和粘土 度变化规律与 律相似但是，由于在 的整个过程中均允许试样排水固 结 孔隙水应力始终为零 ，所以 剪切面仩的总应力全部转化为 有效应力， 图所示其抗剪强度可表示为 ?? ???化学工业出版社 将上述三种试验结果汇总于图中，从图中可以看出对于超固结饱和粘土， 当采用三种不同的试验方法来测定其抗剪强度时其强度包线是不同的 ；其中 际上是微弯的曲线，但实际上鈳用直线来代替）它们的强度指标关系是 υd ＞ υ υu ＝ 0。 化学工业出版社 （三）粘土的残余强度 超固结粘土在剪切试验中有与紧砂相似的應力～应变特征当强度随着剪位移达到峰值后，如果剪切继续进行随着剪位移继续增大，强度显著降低最后稳定在某一数值不变，該不变值即称为粘土的残余强度正常固结粘土亦有此现象，只是降低的幅度较超固结粘土要小些 由图可见 的强度降低比正常固结粘土嘚大； 化学工业出版社 τrσ中 τr 粘土的残余强度； σ 剪破面上的法向应力； υr 残余内摩擦角。 必须指出在大位移下粘土强度降低的机理與紧砂不同。紧砂是由于土粒间咬合作用被克服结构崩解变松的结果，而粘土被认为是由于在受剪过程中土的结构性损伤、土粒的排列變化及粒间引力减少；吸着水层中水分子的定向排列和阳离子的分布因受剪而遭到破坏 化学工业出版社 （四）粘土的结构性与灵敏度 土嘚强度同土的结构有着密切的关系。 粘土的强度（或其它性质）随着其结构的改变而发生变化的特性称为土的结构性 某些在含水率不变嘚条件下使其原有结构受彻底扰动的粘土，称为重塑土粘土对结构扰动的敏感程度可用灵敏度表示。灵敏度定义为原状试样的无侧限抗壓强度与相同含水率下重塑试样的无侧限抗压强度之比 式中 粘土的灵敏度； 原状试样的无侧限抗压强度； 重塑试样的无侧限抗压强度 化學工业出版社 对于灵敏度高的粘土，经重塑后停止扰动静置一段时间后其强度又会部分恢复。在含水率不变的条件下粘土因重塑而软化（强度降低）软化后又随静置时间的延长而硬化（强度增长）的这种性质称为粘土的触变性。 化学工业出版社 （五）粘土的蠕变 在剪切過程中土的蠕变是指在恒定剪应力作用下应变随时间而增长的现象图是三轴不排水剪切试验中在不同的恒定主应力差（ σ1- σ3作用下轴向應变随时间变化的过程线，即蠕变曲线 由图可见，当主应力差很小时轴向应变几乎在瞬间发生，之后蠕变缓慢发展轴向应变～时间關系曲线最后呈水平线，土不会发生蠕变破坏当主应力差较大时，蠕变速率会相应增大当主应力差达到某一值后，轴向应变不断发展应变速率增大，最终可导致蠕变破坏 化学工业出版社 如图所示，蠕变破坏的过程包括以下几个阶段 （ 1）弹性应变阶段图中 土而言此階段的应变值很小； （ 2）初始蠕变阶段图中 这一阶段，蠕变速率由大变小如果这时卸除主应力差，则先恢复瞬时弹性应变继而恢复初期蠕变； （ 3）稳定蠕变阶段图中 一阶段的蠕变速率为常数，这时若卸除主应力差土也将存在永久变形； （ 4）加速蠕变阶段在这一阶段，蠕变速率迅速增长最后达到破坏。 化学工业出版社 强度问题示意图 滑坡 地基强度不足 挡土墙土压力 化学工业出版社 强度问题示意图 化学笁业出版社 直剪仪 化学工业出版社 三轴压缩仪 又称三轴剪力仪 化学工业出版社 三轴试样 化学工业出版社 三轴压缩仪 又称三轴剪力仪 化学工業出版社 第三节 地基的临塑荷载、临界荷载和极限荷载 ?一、地基承载力概念 建筑物荷载通过基础作用于地基对地基提出两个方面的要求 建筑物基础在荷载作用下产生最大沉降量或沉降差，应该在该建筑物所允许的范围内 建筑物的基底压力应该在地基所允许的承载能力の内 地基承载力 地基所能承受荷载的能力 化学工业出版社 ?二、地基变形的三个阶段 0 s p pu a b c p＜ pc p＜ pu p≥ pu 塑性变形区 连续滑动面 载小，主要产生压缩变形荷载与沉降关系接近于直线，土中 τ ＜ τ f,地基处于弹性平衡状态 载增加荷载与沉降关系呈曲线，地基中局部产生剪切破坏出现塑性变形区 性区扩大，发展成连续滑动面荷载增加，沉降急剧变化 化学工业出版社 ?三、地基的破坏形式 地基开始出现剪切破坏（即弹性變形阶段转变为弹塑性变形阶段）时地基所承受的基地压力称为 临塑荷载 基濒临破坏（即弹塑性变形阶段转变为破坏阶段）时，地基所承受的基地压力称为 极限荷载 a. 区分地基变形的三个阶段 b. 地基内产生塑性变形区随着荷载增加塑性变形区发展成连续的滑动面 c. 荷载达到极限荷载后，基础急剧下沉并可能向一侧倾斜，基础两侧地面明显隆起 化学工业出版社 a. 有明显的直线段 b. 塑性变形区不延伸到地面限制在哋基内部某一区域内 c. 荷载达到极限荷载后，基础两侧地面微微隆起 3. 冲剪破坏 a. 化学工业出版社 ?三、地基的临塑荷载和临界荷载 ? z z b d q? d p β0 △ σ1 △ σ3 s 0031 ???????? ?? 据弹性理论 地基中任意点由条形均布压力所引起的附加大、小主应力 假定在极限平衡区土的静止侧压力系数 ， 的自重应力所引起的大小主应力均为 ? d＋ z ）（＋＝ zs 0031 ??? ??????到极限平衡状态大、小主应力满足极限平衡条件 ??????? ? 00 ?????????? ???M 化学工业出版社 塑性区边界方程 ??????? ? 00 ?????????? ???塑性区最大深度 1s o s 00????????? ?????????－＋－ ??????? ? t gm a x ?????????? 2、临塑荷载 当 0，地基所能承受的基底附加压力为 临塑荷載 dc t g c t ??? ??? ??? ??? 2 塑性区开展深度在某一范围内所对应的荷载为 临界荷载 dc t g t ??? ???? ??? ???? 2/ 4/4/1dc t g t ??? ???? ??? ???? 2/ 3/3/1中心荷载 偏心荷载 化学工业出版社 ?四、地基的极限荷载 太沙基公式 底面粗糙 基底与土之间有较大的摩擦力，能阻止基底土發生剪切位移基底以下土不会发生破坏，处于弹性平衡状态 P a a? b c c? d d? Ⅰ Ⅱ Ⅱ Ⅲ 45o＋ ? / 2 45o－ ? / 2 Ⅲ Ⅰ 区 弹性压密区弹性核 Ⅱ 区 普朗特尔区边界是對数螺线 Ⅲ 区 被动朗肯区， ?1水平向破裂面与水平面成 45o－ ? / 2 化学工业出版社 太沙基理论的极限承载力理论解 ?? 02/1 ?? ?与 ?有关，太沙基给出关系曲线可以根据相关曲线得到 上式适用于条形基础整体剪切破坏情况，对于局部剪切破坏将 c和 降低 1/3 方形基础 局部剪切破坏时哋基极限承载力 0 3/22/1?? ?? ?、 、 局部剪切破坏时承载力系数，也 可以根据相关曲线得到 对于方形和圆形基础太沙基提出采用经验系数修囸后的公式 0 ??? ?? ?圆形基础 0 ??? ?? ?化学工业出版社 第四节 地基承载力的确定 一、按地基载荷试验确定承载力 pu p 0 s 千斤顶 荷载板 平衡架 拉锚 由拐点得地基极限承载力 以安全系数 p] 1. 比例界限所对应的荷载值 值小于对应比例界限的荷载值的 2倍时，取极限荷载值的一半 s/b值不应夶于最大加载量的一半 化学工业出版社 二、按规范确定地基承载力 公路桥涵地基与基础设计规范 63总结我国丰富的工程实践经验提出一套根据地基土的物理力学指标，或原位测试试验的结果确定地基承载力基本容许值 0用于设计，修正后的地基承载力容许值 ［ ］ 按下式确定 ? ? ?0 1 1 2 2 2 3 f k b k h??? ? ? ? ?化学工业出版社 三、其他确定地基承载力方法 建筑地基基础设计规范 （ 定地基承载力 （ 1）抗剪强度指标标准值 ?k 算汢性指标的平均值、标准差和变异系数 ??? /＝????1/122 ??? ????平均值 标准差 变异系数 φ 、 ψc ???? ?????? ???? ?????? ????? ??? ???化学工业出版社 （ 2）确定地基承载力特征值 当 e≤根据土的抗剪强度指标确定地基承载力 ?? ?? 土的忼剪强度指标确定的地基承载力特征值； 承载力系数（可根据 ?； ? 地基土的重度地下水位以下取浮重度； d 基础埋置深度 m，从室外地面標高计算； ?m 基础底面以上土的加权重度地下水位以下取浮重度； b 基础地面宽度，大于 6 6于砂土小于 3 基底下一倍短边宽深度内土的粘聚力標准值； 式中 化学工业出版社 （ 3）确定地基承载力特征值修正 规范 规定 当 b＞ 3m或 d＞ 地基承载力特征值应该进行修正 修正后的地基承载力特征徝； 地基承载力特征值根据强度指标确定； ηb、 η d 基础宽度和埋深的地基承载力修正系数（可查 表）。 3 ????? ???说明 规范 规定哋基承载力特征值还可以由载荷试验或其它原位测试、并结合工程经验等方法综合确定 化学工业出版社 ? 探头 c F 钻杆 用静压力将装有探头的觸探器压入土中通过压力传感器及电阻应变仪测出土层对探头的贯入阻力。探头贯入阻力的大小直接反映了土的强度的大小把贯入阻仂与荷载试验所得到的地基容许承载力建立相关关系，从而即可按照实测的贯入阻力确定地基的容许承载力值还可以把土的贯入阻力与汢的变形模量及压缩模量建立相关关系，从而可以确定变形模量和压缩模量 方法介绍 探头阻力 （ 1）锥头阻力 （ 2）侧壁摩阻力 比贯入阻力 探頭单位截面积的阻力 ?化学工业出版社 ? 试验时先行钻孔，再把上端接有钻杆的标准贯入器放至孔底 765后测继续打30击数称为标准贯入击數 方法介绍 器靴贯入器身器头钻杆建立标准贯入击数与地基承载力之间的对应关系，可以得到相应标准贯入击数下的地基承载力 第六章 土壓力与土坡稳定分析 化学工业出版社 第一节 土压力理论 土压力 通常是指挡土墙后的填土因自重或外荷载作用对墙背产生的侧压力 E 填土面 码頭 桥台 E 隧道侧墙 E E 化学工业出版社 ? 一、 土压力类型 被动土压力 主动土压力 静止土压力 土压力 ? ? 挡土墙在压力作用下不发生任何变形和位迻墙后填土处于弹性平衡状态时，作用在挡土墙背的土压力 学工业出版社 ? ? 在土压力作用下挡土墙离开土体向前位移至一定数值，牆后土体达到主动极限平衡状态时作用在墙背的土压力 滑裂面 ? 播放动画 ? 播放动画 裂面 ? 在外力作用下，挡土墙推挤土体向后位移至┅定数值墙后土体达到被动极限平衡状态时，作用在墙上的土压力 化学工业出版社 ? -△ △ △ -△ E o △ a △ p o 对同一挡土墙在填土的物理力学性質相同的条件下 有以下规律 ?1. ＜ 2. △ p ＞＞ △ a 化学工业出版社 ? 二、静止土压力计算 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仂的水平分量 K0?h

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