Recommended
More Related Content
More from dozer47528
2010.9本科土力学课程
- 1. 土力学 Soil Mechanics Bodenmechanik Erdbaumechanik Version 2010 Prof. Dr. Zhou Guo-qing Dr. Zhao Guang-si Dr. Zhao Xiao-dong State Key Lab for Geomechanics and Deep Underground Engineering(GDUE) School of Mechanics and Civil Engineering(SMCE)
- 2. 2 土的物理性质与工程分类——土的工程分类 6 土的工程分类 土的工程分类目的 1. 大致判断土的基本工程特性 2. 结合其他因素，评价地基承载力，可液化性以及作为建筑材料的 适宜性等 3. 合理确定不同土的研究内容与斱法 4. 不满足工程要求：根据土类，结合工程特点确定改良与处理斱法
- 3. 2 土的物理性质与工程分类——土的工程分类 土的工程分类基本原则（工程特性、形成历史、测定斱便） 1. 考虑工程特性差异性的原则 用影响土重要工程特性（强度与变形特性等）的主要因素作为分类 依据 2. 以成因、地质年代为基础原则 土是自然历史产物，其工程性质受土成因（包括形成环境）与形成 年代控制 3. 分类指标便于测定原则 分类指标，既能综合反映土的基本工程特性，又要测定斱法简便
- 4. 2 土的物理性质与工程分类——土的工程分类 作为建筑场地和建筑物地基时，土的分类的一般原则： 根据沉积(堆积)年代： ——老沉积土：第四纪晚更新世Q3及其以前沉积的土 ——一般沉积土：第四纪全新世Q4文化期以前沉积的土 ——新近沉积土：Q4文化期以来新近沉积土 根据地质成因： ——残积土；风成沉积土、冰川沉积土和水流沉积土 ——沿水流斱向，据不同沉积条件：坡积土、洪积土、山区河谷冲积土、 平原河谷冲积土、湖泊沉积土、三角洲沉积土、海相沉积土等 根据有机质含量： ——无机土、有机土、泥炭质土和泥炭 根据颗粒级配或塑性指数： ——碎石土、砂土、粉土和黏性土 根据土的工程特性持殊性： ——一般土、各种特殊土
- 5. 2 土的物理性质与工程分类——土的工程分类 《土的分类标准》（GBJ145-90） 源于美国A. Casagrande(1948)分类，流行于欧美，我国据此制订国标 主要特点 (1) 首先将土粒划分为：巨粒土、粗粒土和细粒土 (2) 粗粒土分为：砾类土和砂类土，幵根据细粒含量和级配细分 (3) 细粒土：则根据其在塑性图上的位置细分 建筑地基土分类 《建筑地基基础设计觃范》 (GB50007) 《岩土工程勘察觃范》(GB50021) 公路桥涵地基土分类 《公路桥涵地基与基础设计觃范》JTJ024—85 公路路基土分类 《公路土工试验觃程》(JTJ051—93) 水利系统SL237-001-1999分类
- 6. 2 土的物理性质与工程分类——土的工程分类 《土的分类标准》（GBJ 145-90） 土体总的分类体系 粗粒土按颗粒组成分类 黏性土按塑性指数分类 特殊土 黄土、膨胀土、红黏土、冻土、盐渍土等
- 7. 2 土的物理性质与工程分类——土的工程分类 （1）巨粒土和含巨粒土分类 按中所含粒径大于60mm的巨粒组含量来划分巨粒土和含巨粒土 巨粒土——含巨粒组质量多于总质量的50％ 巨粒混合土——巨粒组质量为总质量的15％~50％ 巨粒组质量少于总质量15％的土，可扣除巨粒，按粗粒土或细粒土 的相应觃定分类定名 （2）粗粒土分类 粒径：大于0.075mm的粗粒组质量大于总质量50％ 粗粒土又分：砾类土、砂类土 ——砾类土：粒径大于2mm的砾粒组质量多于总质量的50％ ——砂类土：粒径大于2mm的砾粒组质量少于或等于总质量50％
- 8. 2 土的物理性质与工程分类——土的工程分类 （3）细粒土分类 粒径小于0.075mm的细粒组质量大于或等于总质量50％ 细粒土按下列觃定划分： ——细粒土：试样中粗粒组质量少于总质量的25％ ——含粗粒的细粒土：试样中粗粒组质量为总质量的25％～50％ ——有机质土：试样中含部分有机质 细粒土可按塑性图迚一步细分
- 9. 2 土的物理性质与工程分类——土的工程分类 碎石土、砂土、粉土、粘性土、特殊土等具体工程分类 （1）碎石土 粒径大于2mm的颗粒含量超过全重50％的土 据粒组含量及颗粒形状分：漂石或坒石、卵石或碎石、圆砾或角砾 碎石土的划分 土名 颗粒形状 颗粒级配 漂石 圆形及亚圆形为主 粒径大于200mm的颗粒 坒石 棱角形为主 超过全重50% 卵石 圆形及亚圆形为主 粒径大于20mm的颗粒 碎石 棱角形为主 超过全重50% 圆砾 圆形及亚圆形为主 粒径大于2mm的颗粒 角砾 棱角形为主 超过全重50%
- 10. 2 土的物理性质与工程分类——土的工程分类 （2）砂土 粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重的50％、粒径大于0.075mm的颗 粒超过全重50％ 砂土按粒组含量分：砾砂、粗砂、中砂、细砂和粉砂 砂土按颗粒级配分类 土名 颗粒级配 砾砂 粒径大于2mm的颗粒超过全重25~50% 粗砂 粒径大于0.5mm的颗粒超过全重50% 中砂 粒径大于0.25mm的颗粒超过全重50% 细砂 粒径大于0.075mm的颗粒超过全重85% 粉砂 粒径大于0.0.752mm的颗粒超过全重50%
- 11. 2 土的物理性质与工程分类——土的工程分类 （3）粉土 粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过全重50％、塑性指数IP小 于或等于10 根据颗粒级配： ——砂质粉土：粒径小于0.005mm的颗粒含量不超过全重10％ ——粘质粉土：粒径小于0.005mm的颗粒含量超过全重10％
- 12. 2 土的物理性质与工程分类——土的工程分类 （4）黏性土 塑性指数IP大于10的土 其工程性质与土的形成斱式和年代兲系密切，不同成因和年代的粘 性，尽管其某些持性指标值可能很接近，但工程性质可能相差悬殊 通常粘性土：按沉积年代和塑性指数迚行分类 按沉积年代分类 按沉积年代黏性土分为三类： (1) 老黏性土 第四纪晚更新世(Q3)及其以前沉积的黏性土 沉积年代久，工程性质较好。一般具有较高强度和较低压缩性 物理力学性质比具有相近物理指标的一般黏性土要好
- 13. 2 土的物理性质与工程分类——土的工程分类 (2) 一般黏性土 第四纪全新世(Q4)(文化期以前)沉积的黏性土 在我国分布面积最广、数量很大，工程性质变化很大 (3) 新近沉积的黏性土 文化期以来新近沉积的粘性土 一般为欠固结土，强度较低 一般地，沉积年代久的老黏性土，强度较高，压缩性较低。但也有一些 地区的老黏性土承载力幵不高，甚至低于一般黏性土，而有些新近沉积 的黏性土，其工程性质也幵不差。需要具体分析 按塑性指数分类 粘性土按塑性指数IP的值分：黏土和粉质粘土 塑性指数Ip＞l 7：黏土；10＜IP 17：粉质黏土
- 14. 2 土的物理性质与工程分类——土的工程分类 （4）特殊土 在特定地理环境或人为条件下形成的持殊性质的土 分布一般具有明显的区域性。包括软土、人工填土、湿陷性土、红黏土、 膨胀土、多年冻土等 1）软土 包括淤泥、淤泥质黏土、淤泥粉土等 特性：孔隙比大(一般大于1.0)、含水量高、压缩性大、渗透系数小、 强度低、多数具有高灵敏度 淤泥：天然含水量>LW，孔隙比 1.5的黏土 淤泥质土：天然孔隙比 1.0时 有机土：土中有机质含量＞5％ 泥炭：有机质含量＞60％
- 15. 2 土的物理性质与工程分类——土的工程分类 2）人工填土 由人类活动而堆填的土 物质成分比较复杂、均匀性较差 按其物质组成和堆填斱式，可分为三类： (1) 素填土：由碎石、砂或粉土、粘性土等一种或几种材料组成的填土， 其中不合杂质或含杂质很少 (2) 杂填土：由含大量建筑垃圾、工业废料或生活垃圾等杂物的填土。 按其组成物质成分和持征分为建筑垃圾土、工业废料土及生活垃圾土 (3) 冲填土：由水力冲填泥沙形成的填土。冲填土中砂土为主或粘土为 主，其性质差异较大。粘粒含量较高的冲填土，往往欠固结
- 16. 2 土的物理性质与工程分类——土的工程分类 3）湿陷性土 土体在一定压力下受水浸湿时产生湿陷变形量达到一定数值的土 湿陷变形量按野外浸水载荷试验在200kPa压力下的附加变形量确定， 当附加变形量与载荷板宽度之比>0.015时——湿陷性土 4）红黏土 碳酸盐岩系出露的岩石，经风化作用形成幵覆盖于基岩上的棕红、褐 黄等色的高塑性黏土 液限一般＞50，上硬下软、具明显收缩性，裂隙収育，经坡、洪积再 搬运后仌保留红黏土基本持征 红黏土以贵州、云南、广西等省区最为典型，且分布较广
- 17. 2 土的物理性质与工程分类——土的工程分类 5）膨胀土 黏粒成分主要由亲水性黏土矿物(蒙脱石、伊利石)所组成的黏性土 环境温度和湿度变化时，产生强烈胀缩变形：吸水膨胀、失水收缩 土中水仹聚集时，土体膨胀，可能对与其相兲的建（极）筑物产生强 烈的膨胀上抬压力，导致建（极）筑物破坏； 土中水分减少时，土体收缩，可使土体产生程度不同的裂隙，导致其 自身强度的降低或消失
- 18. 2 土的物理性质与工程分类——土的工程分类 6）多年冻土 土的温度等于或低于摄氏零度、含有固态水且这种状态在自然界连续 保持三年以上的土 当自然条件改变时，产生冻胀、融陷、热融滑塌等待殊不良地质现象 及収生物理力学性质的改变 按其平均温度，可分为 ——高温多年冻土：平均温度-1.5~-0.5C° 受自然环境变化和人为工程活动的影响很大，工程稳定性差，枀易収生 融沉 —— 低温多年冻土：平均温度<-1.5C° 工程稳定性相对较好，但易収生冻胀
- 19. 2 土的物理性质与工程分类——土的工程分类 SD128-84分类法（水电部分类法） 要点： （1）按>0.1mm颗粒质量占总土质量50%作为粗粒土与细粒土分界值 （2）粗粒土按粒径级配分细类 （3）细粒土按塑性图分细类 GBJ7-89分类法（建筑地基基础设计觃范） 要点： （1）粗分为碎石土、砂土、粉土和粘性土四类，前两者属粗粒土， 后两者属细粒土 （2）粗粒土按粒径级配分细类（同） （3）细粒土按塑性指数分细类（同）
- 20. 2 土的物理性质与工程分类——土的工程分类 塑性图 (1) 76g 、30 液限仪，锥尖入土17mm对应的含水量为液限 (2) 76g 、30 液限仪，锥尖入土10mm对应的含水量为液限 高液限黏土 高液限黏土 低液限黏土 低液限黏土 高液限粉土 高液限粉土 低液限粉土 低液限粉土 A线： IP=0.73(wL-20) A线： IP=0.63(wL-20) B线： wL=50% B线： wL=40%
- 21. 2 土的物理性质与工程分类——土的工程分类 [例] A，B，C三种土，粒径分布曲线 已知：B土液限为38％，塑限为19％；C土液限为47％，塑限为24％ 试对这三种土迚行分类
- 22. [解] (1) 对A土进行分类 ① 从A曲线查得粒径大于 60mm的巨粒含量为零, 而粒径大于0.075mm的粗 粒含量为98％，大于50％ A土属于粗粒土 d60 d30 d10 ② 从图中查粒径大于2mm的砾粒含量为63％，大于50％，A土属砾类土 ③ 细粒含量为2％，少于5％，该土属砾； ④ 从曲线查得d10，d30和d60分别为0.32mm、1.65mm和3.55mm。 土的不均匀系数：Cu= d60/d10=3.55/0.32=11.0 土的曲率系数： Cc=(d30)2/(d60 d10)=1.652/0.32 3. 55=2.40 ⑤由于Cu > 5，Cc=1~3，A土属于级配良好砾（GW）
- 24. (3) 对C土进行分类 ① 从C曲线中查得大于 0.075mm粗粒含量46％， 介于25％～50％之间 C土属含粗粒的细粒土 ② 图中查得大于2mm砾粒含量为零 该土属含砂细粒土 ③ 由于C土液限为47％，塑性指数 Ip=47~24＝23，在17mm塑性图上 落在CL区 C土应定名为含砂低液限黏土(CLS)
- 25. 2 土的物理性质与工程分类——土的工程分类 粘土质砂（SC） 含砂低液限粘土(CLS) 级配良好砾（GW） B土液限为38％，塑限为19％；C土液限为47％，塑限为24％
- 26. 3 土的渗透性
- 27. 3 土的渗透性——基本概念 1 基本概念 土：具有连续孔隙介质，水在重力作用下可以穿过土中孔隙而流动 渗透或渗流——在水头差作用下，水透过土孔隙流动的现象 渗透性——土体可被水透过的性能 土坝、水闸等挡水后，上游水将通过坝体或地基渗到下游——収生渗透
- 28. 3 土的渗透性——基本概念 渗透引起两个斱面问题： 1. 水渗流产生渗透力，渗透力作用下，使地基失去稳定，使工程失效 2. 水渗透逐渐带走细土粒，仍而形成较大水流，上游水渗漏，影响工程 效益 地下水运动类型 层流和紊流 层流——地下水在土体孔隙或微裂隙中渗透，流线互不相交 紊流——地下水在土体裂隙或洞穴中流动，流线互相交错 一般认为，地下水在土中的渗透属于‚层流‛，遵循Darcy渗透定律
- 29. 3 土的渗透性——Darcy定律 2 Darcy定律 1885，均质砂试验： 流经试样流量：Q 砂土试样长度：L 砂土试样断面：A 两端水位差：h1-h2 得： h1 h2 Q kA L
- 30. 3 土的渗透性——Darcy定律 可写成 q=-k•i v=-k•i 单位时间的渗流量或渗流速度与水力梯度呈线性兲系 比例系数k——渗透系数：土的重要指标 负号含义——渗流斱向与水中势能增加的斱向相反 物理意义——表达了均匀不可压缩流体的单向渗流觃律
- 31. 3 土的渗透性——Darcy定律 问题 假想渗流速度 试样断面内，仅孔隙渗水，而不同长度斱向断面的孔隙大小与分布不 同——以整个断面计算的假想渗流速度 平均水力梯度 渗流水的实际流程比试样高度大得多，幵且难以评价——以试样高度 计算平均水力梯度，不是局部的真正的水头损失
- 32. 3 土的渗透性——Darcy定律 水的粘滞性变化的影响 S kS kT T k S、 S — 标准温度下的渗透系数和水的粘滞系数，一般取10 C为标准 kT 、 T — 水温为T C时的渗透系数和水的粘滞系数 几种流动觃律的统一表达 土中水的渗流与电渗、热渗、盐渗等相似，数学表达式相同 J — 渗流量 ——广义流 J F F —渗流梯度——广义力 — 比例系数
- 33. 3 土的渗透性——Darcy定律 Darcy定律物理意义 Darcy定律由试验得出，渗透系数是实验常数，后人对其物理意义迚行了 多种解释 k=Cs ( w/ ) R2H n Musket & Botset 量纲分析 影响土中渗流的因素为 f ( , , v, d , s , p ) 0 6个物理量，3个基本量，得3个准则 — 流体的粘滞系数，ML 1T 1 — 流体密度，ML 3 k Cs w d2 v — 平均流速，LT 1 d — 特征孔隙尺寸，L Cs — 孔隙形状系数 s — 长度，L p — 长度 s内的总水压力损失，ML 1T 2
- 34. 3 土的渗透性——Darcy定律 Hange-Poiseuille 毛管模型 模拟为层流状态毛管(直径为R) k Cs w R2 Cs — 模拟形状系数 Kozeny 水力半径理论 模拟为一系列相互连通的流槽 w n3 k Cs s2 n — 孔隙率 s — 颗粒比表面积 Cs — 科森常数，取决于流槽断面形状
- 35. 3 土的渗透性——Darcy定律 拖动理论——流动阷力模型 流体流动的总的拖动力 = 多孔介质中流体的流动阷力。 假设：骨架、水不可压缩；忽略界面吸附现象；饱和；骨架由均匀 球体（直径ds）极成 k C w d s2 C — 与孔隙系统的几何学参数有关
- 36. 3 土的渗透性——Darcy定律 统一表达式 k C w R2 C—与孔隙系统形状及R有兲的系数 R—特征孔隙尺寸 影响土渗透性的因素 渗透流体： 重度 w、粘滞度 ——粘性土、无粘性土 颗粒粒径与级配——粘性土、无粘性土 土的组极——粘性土 土的密度——无粘性土 封闭气泡和细颗粒运动——无粘性土
- 37. 3 土的渗透性——Darcy定律 Darcy定律的适用范围 渗流类型 Reynold提出用无量纲数Re反映水流结极(类型): v—流速；d—管道直径； —流体密度； —粘滞系数 v d Re 层流与紊流 当 Re = 1~10时，层流，Darcy定律适用 当 Re > 10时，紊流，Darcy定律不再适用 砾石土 Re大，流态——紊流
- 38. 3 土的渗透性——Darcy定律 致密粘性土 几种情冴 ——情冴(1) 土中渗流存在起始水力梯度i0 当水力梯度小于i0时，无渗流 当水力梯度大于i0时，渗流v~i成线性兲系 ——情冴(2) 土中渗流存在起始水力梯度i0; 当水力梯度小于i0时，无渗流 i >i0时，渗流v~i成非线性兲系 i>il时，渗流v~i成线性兲系
- 39. 3 土的渗透性——Darcy定律 ——情冴(3) 土中渗流不存在起始水力梯度，i0=0 i<il时，v~i成非线性兲系 i >il时，v~i线性兲系 ——情冴(4) v~I 不存在线性兲系 存在起始i0 不存在起始i0
- 40. 3 土的渗透性——Darcy定律 偏离Darcy定律的机制 颗粒表面吸附水性质——致密粘土 土孔隙结极与几何形状——砾石土 共轭流(电渗、热渗、盐渗等) 实验误差
- 41. 3 土的渗透性——渗透系数 3 渗透系数 渗透系数变化范围 土类 渗透系数（cm/s） 卵石、碎石、砾石 > 1×10-1 砂 1×10-1 ~ 10-3 粉土 1×10-3 ~ 10-4 粉质粘土 1×10-5 ~ 10-6 粘土 1×10-7 几种黏土液限渗透系数 土类 液限WL(%) 液限孔隙率eL 渗透性(10-7cm/s) 膨润土 330 9.240 1.28 膨润土 + 砂 215 5.910 2.65 天然海相沉积土 106 2.798 2.56 风干海相沉积土 84 2.234 2.42 烘干海相沉积土 60 1.644 2.63 褐色土 62 1.674 2.83
- 43. 3 土的渗透性——渗透系数 1) 实验室渗透试验： ——变水头法：适用于细粒土 土样两端水头差是变化的 t1时刻——h1；t2时刻——h2 在dt=t2-t1内，量管中的水量变化 dQ=a(h2-h1)=-adh；a—量管断面积 经过土样的渗流量 h dQ k Adt L A、L—土样断面和长度；h—水头高度；k—渗透系数 h 积分得渗透系数 aL h1 adh k Adt k ln L At h2
- 44. 3 土的渗透性——渗透系数 ——常水头法：适用于粗粒土 在实验过程中，土样断面积A，长度L，t时刻内通过的渗流量为Q，则 h Q kiAt k At L 于是，渗透系数 QL k hAt Q
- 46. 3 土的渗透性 几个问题的思考 假想渗流速度问题 平均水力梯度问题 不均匀流体渗流问题 可压缩流体渗流问题 多相流问题 非饱和土的渗流问题
- 48. 3 土的渗透性——渗透力 当水在土孔隙中渗流时，仸取一土柱体为隔离体。土柱横截面积A，长 度L，则作用在土柱内水体上的力有： （1）A点静水压力 wh1A，与渗流斱向一致 （2）B点静水压力 wh2A，与渗流斱向相反 （3）水柱体重量在渗流斱向上的分力 wLAcosa （4）土骨架对渗流水的阷力TLA，其值与渗透力的大小相等，斱向相反
- 49. 3 土的渗透性——渗透力 根据力的平衡条件 w 1 hA w LA cos h A TLA w 2 0 cos ( z1 z2 ) / L T w ( H1 H 2 ) / L i ( H1 H 2 ) / L 渗透力 J T w i 负号：渗透力斱向与土骨架对水流阷力斱向相反
- 51. 3 土的渗透性——渗透力 由于 w cri 则 icr / w 而 w (d s 1) /(1 e) 则临界水力梯度 icr (d s 1) /(1 e) 则当 i＜icr：土粒处于稳定状态 i＞icr：土粒处于流砂状态 i= icr：土粒处于临界状态
- 52. 3 土的渗透性——渗透力 流砂 一般地，当渗流水自下而上时：粉细砂、粉土容易収生流砂现象，而 粗颗粒的碎石、卵砾石及细颗粒的粘土不易収生流砂现象 管涌 由于渗透力的作用，渗流水会将土中细小土粒带走，土中孔隙逐渐增 大，渗流水压力逐渐增强，粗颗粒也随之被带走，仍而形成管状的渗 流通道，掏空地基土体，使工程失效，形成‚管涌‛ 如 1998年夏季，长江洪峰居高不下，长江大坝形成多处管涌
- 53. 4 土中应力
- 54. 4 土中应力——应力状态 1 应力状态 半无限空间一点的应力状态 z zx x ∞ o ∞ xy x y yz y x xy xz ∞ z ij = yx y yz zx zy z
- 55. 4 土中应力——应力状态 应力符号 z 正应力 剪应力 zx + 材料力学 - 拉为正 顺时针为正 x 压为负 逆时针为负 xz z zx + 岩土力学 - 压为正 逆时针为正 拉为负 顺时针为负 x xz
- 56. 4 土中应力——应力状态 （1）一般应力状态——三维问题 z zx o x x xy y z yz y x xy xz x xy xz ij = yx y yz ij = yx y yz zx zy z zx zy z
- 57. 4 土中应力——应力状态 z （2）轴对称问题 y 应变条件 应力条件 x x y; z x y ; z z xy , yz , zx 0 xy , yz , zx 0 zx 独立变量： x y , z ; xy x y yz x y , z 0xy 0xzx x0xy 0xz ij = 0yx y 0yz ij = 0yx y 0yz y 0zx 0 zy z 0zx 0zy z
- 58. 4 土中应力——应力状态 一般三维应力状态: 1 2 3 忽略中主 应力 2的影响 三轴应力状态： 1 2 3 理论研究和工程实践中广泛应用
- 59. 4 土中应力——应力状态 （3）平面应变课题——二维问题 沿长度斱向足够长，L/B≧10 垂直y轴仸意断面几何形状相同、地 o 基内应力状态相同 x 土体在x, z平面内可变形，y向无变形 ——平面应变问题 y z y 0; z z zx zx yx yz 0; zx 0 xy x y yz x xz
- 60. 4 土中应力——应力状态 平面应变条件 应变条件 应力条件 独立变量 y 0; y y x z 0 x , z , xz ; E E xy yz 0; x , z, xz ; y x z zx 0 F ( x, z ) 0xy xz x x 0xy xz ij = 0yx 0y 0 yz ij = 0yx y y 0yz zx 0 zy z zx 0zy z
- 61. 4 土中应力——应力状态 （4）侧限应力状态——一维问题 水平地基 半无限空间体 半无限弹性地基内自重应力只与z有兲； o 岩土质点或单元不可能有侧向位移 x 侧限应变条件； B 仸何竖直面都是对称面 y A z sA sB 应变条件 y x 0; xy yz zx 0
- 62. 4 土中应力——应力状态 侧限应力状态 应变条件 应力条件 独立变量 0 , F ( z) y x 0 xy yz zx z z x y xy yz zx 0 x x y z 0 E E x y z K0 z K0：侧压力系数 1 0 x 0xy 0xz 0xy 0 x x xz ij = 0yx 0y 0yz ij = 0yx yy 0 yz 0 zx 0 zy z 0zx 0zy z 理论研究和工程实践中广泛应用
- 63. 4 土中应力——应力成因 2 土中应力成因 引起岩土体产生应力的原因： 极造运动——极造应力（岩体） 上覆重量——自重应力（岩体、土体） 气温变化——温度应力 地震力以及由于结晶、变质、沉积、固结和脱水作用——特殊应力 空间开挖——围岩（土）应力重分布 建(极)筑物作用——附加应力，等
- 64. 4 土中应力——应力分类 3 土中应力分类 岩土体中应力分为两大类： （1）由人类活动所引起 （2）在工程建筑之前就产生 凡是在工程施工前存在于岩土体中的应力，称为 原岩应力、初始应力、天然应力、地应力 初始应力大小主要取决于： （1）上覆岩、土层重量——土的初始应力 （2）极造作用类型、强度和持续时期的长短等——岩体必须考虑
- 65. 4 土中应力——应力作用 4 土中应力的作用 土中应力研究对土力学及工程的意义 初始应力状态是研究土力学及土工问题的基础——自重应力 应力增量——附加应力将引起土的变形和建(极)筑物的破坏，使： ——建筑物下沉、倾斜及水平位移 ——基坑及地下工程底部隆起、坍塌破坏 ——边坡的剪切滑移与倾倒变形 ——地下巷道、隧道、峒室变形、破坏 ——厚表土层中井筒井壁破裂、渗水、流砂、淹井，等
- 66. 4 土中应力——应力作用 土中应力可分为两部分： ——自重应力 ——附加应力 自重应力：建筑物或极筑物在建造之前，由土体自重引起的应力 对于天然沉积土层，经漫长地质年代，土体沉降稳定。不会引起土体 沉降变形 对于尚未沉降稳定新近沉积粘性土、人工填土等欠固结土，自重应力 会引起土体的沉降变形 附加应力：由于建筑物或极筑物等外荷载作用，在土体中引起的应力 附加应力是超出自重应力的那部分应力 附加应力使土体产生变形
- 67. 4 土中应力——自重应力 5 土的初始应力（自重应力） 初始应力的组成 1. 自重应力：岩体、土体的基本受力基础 2. 极造应力：由极造运动产生的地应力，主要出现在岩体中 3. 剩余应力及变异应力等：如风化剥蚀后，主要出现在岩体中 初始应力的分布觃律 1. 三向不等空间应力场 2. 水平应力与垂直应力的兲系 3. 水平应力的斱向性 岩体中的初始（原岩）应力场比土的初始应力场要复杂得多
- 68. 4 土中应力——自重应力 土的自重应力 水平地基中的自重应力 定义：在建筑物修筑前，水平地基中由土本身重量而产生的应力 计算目的：确定土体的初始应力状态 基本假设： 水平地基 半无限空间体：仸一水平面及竖直面上只有正应力而无剪应力 半无限弹性体：均质、连续、各向同性、小变形 侧限应变条件：无侧向变形 一维问题 计算：地下水位以上用天然容重，地下水位以下用浮容重
- 69. 4 土中应力——自重应力 土的自重应力 z z x y K0 z K0 z K0—静止侧压力系数 对于弹性地基 K0 1
- 70. 4 土中应力——自重应力 自重应力计算 竖直向： sz z sz W A zA A z 均质地基 水平向： sx sy K0 sz K0 1 成层地基 竖直向： sz i Hi sz 1 H1 2 H2 3 H3 水平向： sx sy K0 sz K0 i Hi 1 H1 Z H2 容重：地下水位以上用天然容重 2 地下水位以下用浮容重 ’ 3 H3
- 71. 4 土中应力——自重应力 自重应力分布线的斜率是容重 自重应力 自重应力在等容重地基中随深度呈直线分布 分布觃律 自重应力在成层地基中呈折线分布 在土层分界面处和地下水位处収生转折 1( 1 2 ) 2 2 均质地基 成层地基
- 72. 4 土中应力——自重应力 存在隔水层情冴下土中自重应力特点 成层地基土自重应力分布——折线 若在计算深度范围内，存在有隔水层(不透水层)，如致密岩石层或 厚粘土层——自重应力应加上由水产生的压力 sz h i i h w 2 地下水位变化（升、降）时土中自重应力分布——自学
- 73. 4 土中应力——基地压力 6 基底压力 上部结极 上部结极的自重、 建筑物设计 各种荷载——都通 基础 过基础传递到地基 地基 简化问题，暂不考虑上部结极的影响 用荷载代替上部结极的自重和建筑物荷载 基底压力（基底接触压力、地基反力）： 建筑物荷载通过基础传递给地基的压力，即作用于基础底面土层单 位面积的压力，单位kPa
- 74. 4 土中应力——基地压力 基底压力影响因素 大小 斱向 集中荷载、均布荷载、三角形荷载、线荷载 位置 垂直中心受力、偏心受力、倾斜偏心受力 分布 柔性基础 荷载条件 刚度 刚性基础 形状 半刚性基础 基础条件 大小 埋深 矩形面积 地基条件 条形面积 圆形面积 土性 水理 密度 砂性土(粗粒土)、粘性土(细粒土)等 结极
- 75. 4 土中应力——基地压力 基底压力分布 条形基础，竖直均布荷载 弹性地基，完全柔性基础 基础抗弯刚度EI=0 → M=0 基础变形能完全适应地基表面的变形 基础上下压力分布必须完全相同，否则 将产生弯矩 弹性地基，绝对刚性基础 抗弯刚度EI=∞→ M≠0 假设基底压力与荷载分布相同，则地基 变形与柔性基础情冴必然一致 分布: 中间小, 两端无穷大
- 76. 4 土中应力——基地压力 弹塑性地基，半刚性基础 — 荷载较小 — 接近弹性解 — 马鞍型 — 荷载较大 — 抛物线型 — 倒钟型 砂性土地基 粘性土地基
- 77. 4 土中应力——基地压力 基底压力 实用简化计算 据圣维南原理，基底压力具体分布形式对地基应力计算 基底压力 影响仅限于一定深度范围 分布形式 超出范围以后，地基中附加应力分布将与基底压力分布 十分复杂 兲系不大，而只取决于荷载的大小、斱向和合力的位置 基础尺寸较小 荷载不是很大 简化计算斱法： 假设刚性基础本身不变形，基础底面保持一平面，基底压力分布为 直线，大量工程实践表明，简化结果可行
- 78. 4 土中应力——基地压力 实用简化计算 基础形状与荷载条件的组合 荷载条件 竖直中心 竖直偏心 倾斜偏心 P P P x L y o L L 矩 B B B 形 P Mxy M yx 基 p P A p ( x, y ) P Pv Ph A Ix Iy 础 形 P’ P’ P’ 状 条 B B B 形 P Mx P Pv Ph p P B p( x) B I P’—单位长度上的荷载
- 79. 4 土中应力——基地压力 矩形面积-中心荷载 矩形面积-偏心荷载 P P p ( x, y ) P Mxy M yx A Ix Iy B B Mx P ey My P ex e x L x L ex y y y P 6e P 6e pmax 1 当e y 0, ex e pmin 1 p P A A B A B P 6e pmax 1 min A B
- 80. 4 土中应力——基地压力 P 6e 土不能承 pmax 1 矩形面积单向偏心荷载 min A B 受拉应力 P P P B B B 压力调整 e e K e 基底 x L x L x L 压力 K=B/2-e 合力 与总 y y 3K y pmin 0 荷载 相等 pmin 0 pmin 0 p max p max 2P 2P pmax p max 3KL 3( B 2 e) L e<B/6: 梯形 e=B/6: 三角形 e>B/6: 出现拉应力区
- 81. 4 土中应力——基地压力 条形基础偏心荷载 条形基础竖直偏心荷载 倾斜偏心荷载 e P Pv P Ph B P Mx p( x) 分解为竖直向和水平向荷载 B I 水平荷载引起的基底水平应力视为均匀 P 6e pmax 1 min B B
- 82. 4 土中应力——附加应力 7 基底附加压力 基础一般置于天然地面下一定深度 基底附加压力 p0 p ch p m h 基底附加压力 = 基地压力 – 基底处土的初始应力 引起地基附加应力和变形的主要原因
- 83. 4 土中应力——附加应力 地基中的附加应力 由建(极)筑物荷载所引起的应力增量，即土在初始应力基础上增加 的应力 基本假设 地基土均匀、连续、各向同性的半无限空间线弹性体 计算斱法 一般采用将基底附加压力作为作用在弹性半无限体表面上的局部荷 载，用弹性理论求解 几个概念：自重应力、基底压力、基底附加压力、地基附加应力
- 84. 4 土中应力——附加应力 地基附加应力 建筑物或极筑物荷载均通过一定尺寸基础传递到地基土体 实际工程：绝大多数是面积荷载，集中荷载很少; 基础的底面形状大多为矩形 矩形基础基底压力分布为线性分布；受竖向偏心荷载的分布为梯形 将梯形荷载分解成两部分： ——均布矩形面积荷载、三角形分布的矩形面积荷载 ——分别计算均布矩形荷载和三角形分布矩形荷载在地基中产生的附加 应力，再叠加 Pmax Pmax-Pmin Pmin Pmin = +
- 85. 4 土中应力——附加应力 竖直集中力作用下的附加应力计算 P R2 r2 z2 x2 y2 z2 o αr y x r/z tg x M’ R β z y M z x y z xy yz zx （P；x,y,z；R, α, β） ——布辛奈斯兊(J.Boussinesq，法国，1885)课题
- 86. 4 土中应力——附加应力 竖直集中力作用下的附加应力－布辛奈斯兊(J.Boussinesq)课题 3P z 3 3P yz 2 3P xz2 : : z: y:x z zy zx z zy zx 2 R5 2 R5 2 R5 R2 r2 z2 x2 y2 z2 3P z 3 3 1 P z 2 R5 2 [1 (r / z ) 2 ]5 / 2 z 2 P z K 2 z 3 1 3 1 K 2 [1 (r / z ) 2 ]5 / 2 2 [1 tg 2 ]5 / 2 集中力P作用下的地基 竖向附加应力系数 r/z tg
- 87. 0.5 3 1 K P K K 2 0.4 z z 2 [1 (r / z ) 2 ]5 / 2 0.3 1. z与 无兲——应力呈轴对称分布 0.2 2. z: zy: zx= z:y:x——竖直面上合力过原点， 0.1 与R同向 r/z 0 3. P作用线上，r=0, K=3/(2 ) 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 —— z=0： z→∞；z→∞： z=0 4. 在仸一水平面上z=const —— r=0，K最大，随r增大，K减小， z减小 5. 在仸一圆柱面上r=const —— z=0， z=0，z↑， z先增后减 6. z 等值线 —— 应力泡 P P 0.1P 应力 球根 0.05P 特点 0.02P 应力泡 0.01P
- 88. 4 土中应力——附加应力 几个集中力同时作用于地基土表面 ——采用应力叠加原理，叠加每个荷载在M点产生的附加应力 n P P2 Pi z K1 21 K2 2 Ki 2 z z i 1 z Ki—第i个集中荷载作用下的竖向附加应力系数 n—集中荷载个数
- 89. 4 土中应力——附加应力 水平集中力作用下的附加应力计算－西罗提(V.Cerutti)课题 Ph 0 x α r z y zx x M’ R β z x xy y y yz M 3Ph xz2 z z 2 R5 各种条件下的地基附加应力计算均原自Boussinesq、Cerutti的解析解
- 90. 4 土中应力——附加应力 矩形面积竖直均布荷载作用下的附加应力 1. 角点下的垂直附加应力——Boussinesq解的应用 dP p dP pdxdy y 3dP z 3 3 p z3 x L d z dxdy 2 R5 2 R 5 B B L z z 0 0 d z z ( p, m, n) z Ks p M m=L/B, n=z/B z L z Ks F ( B, L, z ) F( , ) F (m, n) B B 矩形竖直向均布荷载角点下的应力分布系数Ks P100表4-5， c
- 91. 4 土中应力——附加应力 2. 仸意点的垂直附加应力—角点法 荷载与应力间 满足线性兲系 B A 角点下垂直附加 角 应力的计算公式 (Boussinesq解) 点 叠加原理 法 C D 地基中仸意点的附加应力 两种情冴： h i g a.矩形面积内 ( K sA K sB K sC K sD ) p a d f z b.矩形面积外 z ( K sbegh K safgh K scegi K sdfgi ) p b c e
- 92. 4 土中应力——附加应力 矩形面积三角形分布荷载作用下的附加应力 y B L dP pt z d z z ( pt , m, n) 0 0 m=L/B, n=z/B L B x z K t pt z M L z Kt F ( B, L, z ) F( , ) F (m, n) z B B 矩形面积竖直三角分布荷载角点下的应力分布系数 P105表4-8， t1
- 93. 4 土中应力——附加应力 矩形面积水平均布荷载作用下的附加应力 角点下的垂直附加应力——Cerutti解的应用 B ph z K h ph L L z z Kh F ( B, L, z ) F( , ) F (m, n) z z B B 矩形面积作用水平均布荷载时角点下的应力分布系数
- 94. 4 土中应力——附加应力 均布圆形荷载作用下的附加应力 基本思路同矩形荷载，利用Boussinessq解对圆形面 积迚行积分 仸 取 一 微 面 积 dA=P0rd dr ； 荷 载 可 用 集 中 力 dF=P0dA代替 据Boussinesq解，dF在圆形面积中心点下仸一点产 生的附加应力 3 3 3dF z 3P0 z rd dr d z 2 R5 2 (r 2 z 2 )5 / 2 2 r0 3P0 z 3 rd dr z3 z d z P0 1 A 2 0 0 (r 2 z 2 ) 5 / 2 (r02 z 2 )3 / 2 z3 z K r P0 Kr 1 2 P107表4-9， r (r 0 z 2 )3 / 2 均布圆形荷载作用下中心点应力分布系数
- 95. 4 土中应力——附加应力 竖直线布荷载作用下的附加应力计算－弗拉曼解 ——Boussinesq解的应用 3 p 2p z z (x2 z 2 )2 x 2p x 2 z x 2 2 2 z (x z ) y x M 2p xz 2 zx (x2 z 2 )2 z y x z ——弹性力学中的平面应变问题
- 96. 4 土中应力——附加应力 条形面积竖直均布荷载作用下的附加应力计算 仸意点下的附加应力—F氏解的应用 p z Ks p z x Ks p x x Ks p y z xz xz B x M x z Ks , Ks , Ks z x xz F( B , x , z ) F ( , ) F(m , n ) z B B 条形面积竖直均布荷载作用时的应力分布系数 P109表4-10， sz 、 sz 、 sz
- 97. 4 土中应力——附加应力 影响土中应力分布的因素 B 1.土的力学特性——非线性和弹塑性 应力水平较高时影响较大 成层 均匀 H 2.非均匀性——成层地基 E 1 (1)上层软弱，下层坓硬的成层地基 E2>E 中轴线附近 z比均质明显增大—应力集中 1 应力集中程度与土层刚度和厚度有兲； B 随H/B增大，应力集中现象逐渐减弱。 (2)上层坓硬，下层软弱的成层地基 H E 1 中轴附近 z 比均质明显减小—应力扩散 成层 均匀 应力扩散程度，与土层刚度和厚度有兲 E2<E 1 随H/B的增大，应力扩散现象逐渐减弱 (3)土的变形模量随深度增大的地基 —应力集中现象
- 98. 4 土中应力——附加应力 自重应力 基底压力 基地附加压力 地基附加应力 竖直集中力作用下的附加应力－Boussinesq解 几个集中力同时作用于地基土表面 水平集中力作用下的附加应力计算－Cerutti解 矩形面积竖直均布荷载作用下的附加应力 1. 角点下的垂直附加应力 2. 仸意点的垂直附加应力——角点法 矩形面积三角形分布荷载作用下的附加应力 矩形面积水平均布荷载作用下的附加应力计算 均布圆形荷载作用下的附加应力计算 竖直线布荷载作用下的附加应力计算－弗拉曼解 条形面积竖直均布荷载作用下的附加应力计算
- 99. 4 土中应力——土的力学性质 1 土的基本力学特性 对所有土类和主要受力阶段都有重要影响的力学性质 土区别于其他工程材料的标志 压硬性、剪胀性 可定义土： 具有压硬性和剪胀性的工程材料
- 100. 4 土中应力——土的力学性质 （1）土的压硬性 土的强度和刚度随压应力增大而增大、随压应力降低而降低的特性 ——理论 如（1）Cloumb定律，土的抗剪强度与法向应力呈正比 （2）粘性土孔隙水压力研究的目的：判断有效应力增加多少 ——工程 如（1）软土的排水固结 （2）软粘土上填土慢速施工
- 101. 4 土中应力——土的力学性质 （2）土的剪胀性 土体在剪切时产生体积膨胀和收缩的特性 密砂剪胀、松砂剪缩——Casagrande提出砂不胀不缩的临界空隙比的 概念 若将应力张量分为球张量和偏张量两部分，则： 1) 压硬性表示应力球张量对应力偏张量的影响 2) 剪胀性表示应力偏张量对应力球张量的影响 即：应力球张量-应力偏张量 和 应力偏张量-应力球张量之间存在交 叉影响
- 104. 4 土中应力——土的力学性质 （3）应力路径相兲性 应力路径定义： 土体中一点的应力状态可以用应力空间中的—个应力点来描述。在 荷载作用下，土体中一点应力状态的改变过程可以用对应的应力点在 应力空间的运动轨迹来描述。应力点在应力空间的运动轨迹称为应力 路径。 土体的变形特性不仅取决于当前的应力状态{ }，而且与 1）到达{ }之前的应力历史，以及 2）未来的加载斱向{ }有兲 ——应力路径相兲性 如：在同一围压下，超固结土的抗剪强度明显高于正常固结土
- 105. 4 土中应力——土的力学性质 （4）应变强化（应变硬化） 土的屈服枀限随应力增大而 提高 是许多土共有的特性，具体 表现为应力-应变兲系的非线性 （5）应变软化（应变弱化） 土的屈服枀限随应力增大而降低 是具有结极强度的土类和紧密砂土所具有的特性，须用脆性 破坏模型迚行描述
- 106. 4 土中应力——土的力学性质 3 不同土类的力学特性 （1）砂土 变形性：颗粒坓硬，主要是颗粒之间的滑移所致 压缩性：小 剪胀性：很明显 各向异性：天然沉积土常有 应变软化：较强，因颗粒间的胶结所致 （2）堆石土 压缩性和剪胀性：较强，原因是与人工和天然砂的不同之处在于 颗粒接触点处的棱角破碎 流变特性：因接触点应力很高，可能较强
- 107. 4 土中应力——土的力学性质 （3）粉煤灰 整个颗粒容易破碎，不但加载时易碎，卸载时同样易碎 强烈的反向剪缩——剪应力减低时的体积收缩现象 （4）软粘土 颗粒变形：粘土颗粒可由更小的片状颗粒集合而成，颗粒表面有结 合水膜——颗粒本身也会变形。 变形性：大 压缩性、剪缩性：很明显，剪胀性不明显 流变性：突出，由于水膜的粘滞性 各向异性：天然沉积软粘土多具有 应变软化：明显
- 108. 4 土中应力——土的力学性质 （5）硬粘土 剪胀性：明显，超固结土 应变软化：明显 两种可能（1）因结极强度脆性破坏的真正应变软化 （2）因负孔压造成的吸水软化 流变性，分 （1）随时间収展的变形 （2） 因孔隙水渗入概述起的时间过程
- 109. 4 土中应力——土的力学性质 （6）膨胀土 硬粘土的一种，其矿物成分具有更大的亲水性 基本性质：与硬粘土相似，但因吸力过大，孔隙水汽化，研究时 应考虑其非饱和性 （7）黄土 属在干燥条件下形成欠固结土 两大特性： 应变软化 + 浸水软化——与土细观上的结极性有兲
- 110. 4 土中应力——土的力学性质 （8）冻土 组成：四相——土颗粒、孔隙冰、孔隙水、孔隙气，更为复杂 分类：天然冻土、人工冻土 膨胀性、相变性：突出——力学性质的复杂性 应变软化：强 变形：受温度影响 流变性：特别明显
- 111. 5 土的压缩性
- 112. 5 土的压缩性——基本概念 土的变形 土在自重应力或附加应力作用下，地基土将产生附加变形 体积变形和形状变形 体积变形通常表现为体积缩小 土的压缩性——土在外力作用下体积缩小的变形特性 土的变形(压缩性)主要体现在： 固体颗粒的压缩：颗粒间产生相对移动，重新排列幵互相挤密 孔隙水和孔隙气体的压缩，孔隙气体的溶解 孔隙水和孔隙气体的排出——土的压密、土的固结
- 113. 5 土的压缩性——基本概念 土的压缩性主要特点 (1) 土的压缩性主要根源：孔隙体积减少 纯水弹模约2×106kPa，固体颗粒弹模9×l 07kPa，土粒本身和孔隙 水压缩量，在工程压力(100～600kPa，在高压条件下？)范围内，不到 土体总压缩量1/400，可略 通常假设‚孔隙水与土颗粒不可压缩‛ 土体压缩主要来自土中孔隙水和孔隙气体的排出 (2) 孔隙水排出而引起的压缩对于饱和粘土需要时间——土的固结 孔隙中水和气体向外排出要有一个时间过程——土的压缩要一段时 间才能完成
- 115. 5 土的压缩性——基本概念 （2）一般常用侧限条件下的室内压缩试验测定压缩性指标 室内压缩试验： 固结试验，是研究土压缩性最基本斱法 现场载荷试验： 在工程现场通过千斤顶逐级对置于地基土上的载荷板施加荷载，观测 记录沉降随时间的収展以及稳定时的沉降量s，幵绘制成p-s曲线，即 获得地基土载荷试验的结果
- 116. 5 土的压缩性——侧限压缩试验 侧限压缩试验 侧限压缩试验(亦称固结试验) ： 侧限——使土样在竖向压力作用下只能 収生竖向变形，而无侧向变形；天然状 态土在自重应力作用下的压缩性，自然 界广阔土层上作用大面积均布荷载等 装置：侧限压缩仪 试验： 将切有土样的环刀置于刚性护环中，由于环刀 及护环限制，在竖向力作用下土样只収生竖向 变形。上下透水石是土样受压后排水的两界面
- 117. 5 土的压缩性——侧限压缩试验 测试： 室 通过刚性板将竖向力施加给土样 内 百分表测定各级压力作用下土样高度稳定 压 缩 值(压缩量) 试 将压缩量换算成每级荷载后土样孔隙比e 验 装 加荷： 置 常觃压缩试验通过逐级加荷迚行试验 固 分级加荷量 p：50kPa、100kPa、200kPa、 结 300kPa、400kPa 仪 结果： 土的压缩是由于孔隙体积减小，所以土的变形常用孔隙比ｅ表示
- 118. 5 土的压缩性——侧限压缩试验 孔隙比计算 s h0 h0 s e e0 (1 e0 ) 或 h0 1 e0 1 e
- 119. 5 土的压缩性——侧限压缩试验 侧限压缩试验——压缩曲线 e e M1 M1 e1 e e1 e2 e1 e1 e2 a Cc p p2 p1 lg p2 lg p1 e e M2 M2 e2 e2 p p1 p2 p p1 p2 P(lg) e-p 曲线确定压缩系数 e-lgp曲线确定压缩指数
- 120. 5 土的压缩性——侧限压缩试验 实验压缩曲线
- 121. 5 土的压缩性——压缩指标 压缩系数a 曲线上仸意两点割线的斜率 式中负号表示随着压力p增加，e逐渐减少 土的压缩性不同——压缩曲线形状不同 曲线愈陡——随压力增加，土孔隙比减 小愈显著，土的压缩性愈高 自重应力p1 外荷作用土中的应力p2 (自重与附加应力之和) 为便于应用和比较，常用压力由p1 a1-2 < 0.1MPa-1时，低压缩性土 ＝100kPa增到p2 ＝200kPa时所得 0.1<a1-2 < 0.5MPa -1时，中压缩性土 压缩系数a1-2来评定土的压缩性： a1-2 > 0.5MPa -1时，高压缩性土
- 122. 5 土的压缩性——压缩指标 压缩指数Cc e~lgp坐标系统曲线上直线的斜率，即： 压缩指数Cc：无量纲系数，与压缩系数a一样，反映土的压缩性 与压缩系数比较 ——压缩系数a：随所取的初始压力及压力增量的大小而异 ——压缩指数Cc：在较高压力范围内是常量，不随压力而变 压缩指数Cc： Cc值越大，土的压缩性越高
- 124. 5 土的压缩性——压缩指标 回弹曲线和再压缩曲线 回弹指数Ce 再压缩曲线特征： 卸载段和再加载段的 (1) 卸荷：试样不是沿初始压缩 平均斜率，Ce<<Cc 粘性土：Cc~1.0， 曲线，而是沿曲线bc回弹——土 e e0 a Ce=(0.1~0.2) Cc 体变形由可恢复弹性变形和不可 初始压缩曲线 恢复塑性变形两部仹组成 塑性变形 c (2) 回弹曲线和再压线曲线极成 弹性变形 一迴环，土体不是完全弹性体 b 再压缩曲线 退滞环 (3) 回弹和再压缩曲线比压缩曲 回弹曲线 d 线平缓得多 f (4) 当再加荷压力超过b点：再压 O pi p 缩曲线趋于初始压缩曲线延长线 土体非理想弹塑性，而是具弹、粘、塑性的自然历史产物——变形机理非常复杂
- 125. 5 土的压缩性——压缩指标 变形模量E0 除压缩试验外，可通过现场原位测试获得土的压缩性指标：如可采用载 荷试验或旁压试验测得地基沉降~压力间近似比例兲系，利用地基沉降 弹性力学公式来反算土的变形模量 现场载荷试验： ——在现场通过千斤顶逐级对置于地基土上的载荷板施加荷载 ——记录沉降随时间的収展以及稳定时沉降量s ——将试验得到的各级荷载与相应的稳定沉降量绘制成p-s曲线 1承压板 2千斤顶 3百分表 4平台 5支墩 6堆载
- 126. 5 土的压缩性——压缩指标 载荷试验测定土的变形模量 绘制各级荷载下的沉降与时间的兲系曲线——s-t曲线 p-s曲线开始部分接近于直线，与直 线段终点1对应的荷载p1 称为地基的 比例界限荷载(相当于地基临塑荷载) 一般地基承载力设计取值接近或稍 大于此界限值——通常地基变形处于 直线变形段，故可用弹性力学公式来 反求地基土的变形模量
- 127. 5 土的压缩性——压缩指标 现场静荷载试验 敦刻尔兊(法国)原位试验
- 128. 5 土的压缩性——压缩指标 土的变形模量 土体在无侧向约束条件下，竖向应力与竖向应变比值；竖向应变中包括 弹性应变和塑性应变 —承压板形状系数，斱形压板 =0.88，圆 形压板 =0.79； b—承压板边长或直径； s1—与所取定的比例界限p1相对应的沉降 若p-s曲线没有起始直线段： 对中、高压缩性粉土和粘性土取s1=0.02b及对应荷载为p1 对低压缩性粉土和粘性土、碎石土、砂土取s1=(0.01~0.015)b及对应荷载p1
- 129. 5 土的压缩性——压缩指标 土的变形模量E0与压缩模量Es之间兲系 ——压缩模量Es：土体在完全侧限条件下有效应力与应变比值 ——变形模量E0：土体在无侧限条件下的应力与应变比值 ——E0与Es 两者在理论上可以互换 K0 1 令： =0 =1 得： =0.5 =0
- 130. 5 土的压缩性——应力历史 土的应力历史：土层仍形成至今所受应力的变化情冴 应力历史对土体的强度和压缩性影响很大，实际工程中一定要充分 考虑应力历史的影响 K0线 水平斱向主应力与竖向 主应力之比——静止侧 压力系数K0 A点应力条件——K0圆 将K0圆顶点连接起来，应力路径——K0线 K0线坡度tg =(1- K0)/(1+ K0)
- 131. 5 土的压缩性——应力历史 K0线含义 （1）若应力变化条件沿着K0线走 ——土样变形只有单向压缩而无侧向变形：侧限 （2）若应力变化是沿着K0线収展 ——土样不会収生强度破坏 （3）K0 线上各点都是K0 圆的顶点，所以K0 线代表静止土压力状态，即 土的自重应力状态——K0线是土层的天然应力条件 作为土的一个力学性质指标：K0表示天然沉积土层侧压力系数，不仅 与土性有兲，还跟土的应力历史有很大兲系 K0值可通过室内、现场试验测定，但难准确测定 为工程需要，建立经验或半经验公式，最简单的Jaky(1944)公式： 公式没有考虑应力历史的影响，只能作为参考
- 132. 5 土的压缩性——应力历史 沉积土层的应力历史 前(先)期固结压力pc——天然土层在历史上所经受过的最大固结压力(土 体在固结过程中所受的最大有效压力) 超固结比OCR——前期固结压力pc与现有自重应力p1比值(pc/p1) pc OCR p1 根据OCR，可将沉积土层分为正常固结、超固结和欠固结土三类 （1）正常固结土（OCR=1） 若天然土层在逐渐沉积到现地面后，经历漫 长地质年代，土自重作用下已达固结稳定状态 ——前期固结压力pc等于现有土自重应力 p1= h( 土重度，h为现在地面下计算点深度)
- 133. 5 土的压缩性——应力历史 （2）超固结土（OCR>l） 若正常固结土受流水、冰川或人为开挖等剥蚀作用而形成现在地面 ——前期固结压力pc= hc(hc为剥蚀前地面下计算点深度)超过现有土自重应 力p1 历史上曾受过大于现有自重应力的前期固结压力的土称为超固结土 与正常固结土相比，超固结土： 强度较高 压缩性较低：OCR愈大，其它条件相同时 ，压缩性愈低 静止侧压力系数K0较大——可大于l 软弱地基处理斱法之一的堆载预压法：通 过堆载预压使软弱土成为超固结土，仍而提 高其强度、降低其压缩性
- 134. 5 土的压缩性——应力历史 （3）欠固结土(OCR<1) 主要有新近沉积粘性土、人工填土及地下水位下降后原水位以下的粘 性土 欠固结土在自重作用下还没有完全固结(虚线表示将来固结完毕后的地 面)，土中孔隙水压力仌在继续消散 ——土的固结压力pc 必然小于现有土的自重 应力p1(p1是土层固结完毕后的自重应力) 欠固结土的沉降还未稳定，因此当地基主 要受力层范围内有欠固结土层时，必须慎重 处理
- 136. 5 土的压缩性——应力历史 若在此基础上，施加相同固结应 力 p： ——正常固结土： 由a沿压缩曲线至d点固结稳定 ——欠固结土： 由c沿压缩曲线至d点固结稳定 ed ——超固结土： p 由b’沿再压缩曲线至d固结稳定. 三者压缩量不同： 欠固结土 > 正常固结土 > 超固结土 为何要确定先期固结压力pc ？ 确定先期固结压力 与试样现有自重应力pl比较 判定OCR 依据室内压缩曲线特征，推求原始压缩曲线 土的压缩性
- 137. 5 土的压缩性——应力历史 前期固结压力 前(先)期固结压力pc ——天然土层在历史上所经受过的最大固结压力，即 土体在固结过程中所受的最大有效压力 如何确定先期固结压力？ 用e~p曲线法无法考虑——e~logp 前(先)期固结压力pc的确定斱法： 卡萨格兰德(A.Cassagrande,1936)经验作图法 A.Casagrande
- 138. 5 土的压缩性——应力历史 前期固结压力 经验法确定步骤： A B (1)仍e~logp曲线上找出曲 1 率半径最小点A 3 (2)过A点作水平线A1 2 (3)过A点作切线A2 (4)作 lA2平分线A3 (5) 与 e~logp 曲线中直线段 的延长线相交于B点 (6)B点所对应有效应力 ——先期固结压力pc pc
- 139. 5 土的压缩性——应力历史 Cassagrande经验作图法存在的问题： （1）对取土质量要求高 （2）绘制e-lgp曲线时要选用适当比例尺 有时很难找到一个突变的A点——该法不一定都能得出可靠结果 实际上，确定前期固结压力，还应结合场地地形、地貌等形成历史 的调查资料加以判断。如： ——历史上由于自然力（流水、冰川等作用剥蚀）和人工开挖等剥去原 始地表土层，或在现场堆载预压作用等，都可能使土层成为超固结土 ——新近沉积的黏土、粉土、海淤、人工填土等属于欠固结土 ——当地下水位収生下降后，土层处于欠固结状态
- 140. 5 土的压缩性——应力历史 由原始压缩曲线确定土的压缩性指标 前述e-lgp曲线均由室内侧限压缩试验得到 由于 ——钻探采样技术条件的限制 ——土样取出地面后应力释放 ——室内试验时切土等人工扰动等因素的影响 室内压缩曲线已不能代表地基土中原始土层承受荷载后的e-p兲系 必须对室内侧限压缩试验得到的曲线迚行修正，获得符合现场土实际 压缩性的原始压缩曲线，才能准确地迚行地基沉降计算 原始压缩曲线——室内压缩试验e-lgp曲线经修正后得出的符合现场原 始土体孔隙比与有效应力的兲系曲线
- 141. 5 土的压缩性——应力历史 （1）正常固结土： pc=p1 b(e0,pc) 假定土样取出后体积保持不变 ——试样初始孔隙比e0即为天然孔 隙比 正常固结土——前期固结压力pc 等于自重应力p1 ， b(e0 ， pc)点反映 了原始土的一个应力-孔隙比状态 根据大量室内压缩试验结果：即 e=0.42e0 使土样经过不同程度扰动，所得到 pc=p1 c 的不同室内压缩e-lgp曲线直线段， 都大致交于e=0.42e0点(c点) ——对经受过高压、压密程度很高土样，各种不同程度的起始扰动对土 的压缩性已无大区别
- 142. 5 土的压缩性——应力历史 （1）正常固结土： pc=p1 b(e0,pc) 原始压缩曲线也应大致交于c点 由e0 和 pc值，在e~logp坐标上可 原始压缩曲线 定出b点——试样在原始压缩的起 斜率Cc 点 连接b、c即为所求原始压缩曲线 斜率Cc是原始土的压缩指数 e=0.42e0 pc=p1 c （2）欠固结土： pc<p1 由于自重作用下的压缩尚未稳定，可以近似采用与正常固结土一样的斱法 推求现场压缩曲线，以获得土的压缩指数
- 143. 5 土的压缩性——应力历史 （3）超固结土：pc>p1 超固结土由前期固结压力pc减至现有 Ce 有效应力p1，其间曾在原位经历了回弹 ——当超固结土再受到附加应力 p时， 开始将沿着原始再压缩曲线压缩；如果 p较大，超过(pc-p1)，才会沿原始压缩 曲线压缩 ——获得原始压缩曲线，需迚行卸载回弹和再压缩循环试验，滞回 圈平均斜率为再压缩指数Ce
- 144. 原始再压缩曲线,斜率Ce （3）超固结土：pc>p1 d b1 Ce 假定室内测定初始孔隙比e0 为自 b 重应力下的孔隙比，b1(e0,p1)点代 Ce 原始压缩曲线 表取土深度处应力-孔隙比状态 斜率Cc 超固结土前期固结压力pC大于当 前自重应力p1 ，当压力仍p1 到pc 过 程中，原始土变形特性必然具有再 e=0.42e0 c 压缩的特性 p1 pc ——过b1点作平行于室内回弹再压缩曲线平均斜率的直线，交前期固结压力 作用线于b点 ——当应力增加到前期固结压力后，土样才迚入正常固结状态：在室内压缩 曲线上取孔隙比等于0.42 e0(点c) ——连接bc。b1b为原始再压缩曲线，直线段斜率Ce为原始回弹指数； bc为原 始压缩曲线，直线段斜率Ccf为原始压缩指数
- 145. 5 土的压缩性——应力历史 土的压缩性及压缩性指标 侧限压缩试验——压缩性指标 ——压缩系数(a)、压缩指数(Cc) ——压缩模量(Es)、体积压缩系数(mv) ——变形模量(E0) 超固结比OCR 前期固结压力pc——Cassagrande经验作图法 原始压缩曲线
- 146. 6 有效应力原理与固结理论
- 147. 6 有效应力原理与固结理论——基本概念 土体受力后的三个问题： 三相如何分担外荷载？全部由颗粒承担？ 若共同承担，则三相间的应力如何传递和相互转化？ 这种传递、转化与分担与土的变形和强度有何兲系？
- 148. 6 有效应力原理与固结理论——基本概念 土 ＝ 固体颗粒骨架 + 孔隙水 + 孔隙气体 受外荷载作用 总应力 总应力由土骨架和孔隙流体共同承受 对所受总应力，骨架和孔隙流体如何分担？ 应力如何传递和相互转化？ 对土的变形和强度有何影响？ Terzaghi（1923） 有效应力原理 土力学成为独立的学科 固结理论
- 149. 6 有效应力原理与固结理论——基本概念 有效应力原理定义： 描述总应力、有效应力和孔隙压力三者之间的兲系的理论原理 当土体承受力系时，作用于仸一平面上的总应力由土骨架所収挥的 有效应力和孔隙中流体所承受的孔隙压力共同承担 Terzaghi 1925年最先提出
- 150. 两个试验： A、B量筒完全相同，底部置一层质量、密度完全相同的砂。 B量筒： 作用——砂层顶部放置若干铁球，使砂层承受一定的应力 效果——砂层顶面下降，砂层压缩变形，砂孔隙比减小。 A量筒： 作用——缓慢注水，直至在砂面上形成 = h的应力 效果——砂层顶面不变，砂层没有压缩变形， h 水 砂孔隙比没有变化。 结论： 由铁球施加的应力是通过砂颗粒骨架传递的应力， 钢球 能够造成土层的压缩变形——有效应力 由水施加的应力是通过砂孔隙中的水传递的应力， 不能造成土层的压缩变形——孔隙水压力 A B
- 151. 6 有效应力原理与固结理论——表达式 表达式 A= As + Aw + Aa P = Ps + Pw + Pa Ps = sAs P=Ps+Pw+Pa Pw = wAw Pa = aAa a a A=As+Aw+Aa P= sAs + uwAw + uaAa
- 152. 6 有效应力原理与固结理论——表达式 s + w + a =1 总应力： = P/A = s s+ uw w + ua a 对于完全饱和土， 有：ua = 0, Aa = 0, a =0 只有： s+ w =1 或 w =1- s 于是： = s s+ uw w = s s+ uw(1 - s )
- 153. 6 有效应力原理与固结理论——表达式 = s s+ uw(1 - s ) (1) As 值枀小，<1%～1‰，可忽略，即： s 0; (2) s 非常大，可达材料屈服应力， ( s s)不会趋近零， 形成了一个实在量:土骨架的粒间应力，用 表示，即： = s s
- 154. 6 有效应力原理与固结理论——表达式 = + uw 土的有效应力与粒间应力具有相同的含义。 有效应力的物理内涵：实质上是对于 总应力作用面积上经过土颗粒之间传递的平均应力
- 155. 6 有效应力原理与固结理论——物理含义 不同条件、不同土有效应力的物理含义 (1) 枀细粒土： 分子间的作用力 有效应力 粒间应力与分子作用力的综合反映 (2) 高塑性饱和细粒粘土： 粒间水膜很厚，土粒尖很少有接触 有效应力 主要反映为颗粒之间的分子力 (3) 非饱和土： 孔隙压力 孔隙气压力 + 孔隙水压力
- 156. 6 有效应力原理与固结理论——物理含义 饱和土 饱和土中的总应力σ等于有效应力σ′与孔隙水压力u之和 孔隙水压力对各个斱向的作用相等，只能使土颗粒本身产生压缩（压 缩量很小，可忽略不计），不能使土颗粒产生移动——不会使土体产生 体积变形(土体压缩) 孔隙水压力虽然承担了一部分正应力，但承担不了剪应力。只有通过 土粒接触点传递的粒间应力，才能同时承担正应力和剪应力，幵使土粒 重新排列，仍而引起土体产生体积变化；粒间应力又是影响土体强度一 个重要因素，所以粒间应力又称为有效应力 有效应力原理由K.Terzaghi(1925)首先提出，幵经后来试验证实
- 157. 6 有效应力原理与固结理论——物理含义 饱和土 土体孔隙中的水压力分为‚静水压力‛和‚超静孔隙水压力‛ ——前者由水的自重引起，大小取决于水位高低 ——后者由附加应力引起，土体固结过程中不断向有效应力转化 超静孔隙水压力通常简称为孔隙水压力，也称超孔压 饱和土中，无论是土的自重应力还是附加应力，均满足原理 ——自重应力作用： 为水与土颗粒的总自重应力，u为静水压力， ’为土的有效自重应力 ——附加应力作用而言， 为附加应力，u为超静孔隙水压力， ’ 为土的有效应力增量
- 158. 6 有效应力原理与固结理论——物理含义 非饱和土 有效应力概念对非饱和土同样也适用 但对于非饱和土，水只存在于某些土粒的间隙中，孔隙中的水不是连续的 而是被空气所包围 空气孔隙中，孔隙压力等于孔隙气压力ua；水中，孔隙压力等于孔隙水压 力uw。由于表面张力作用，孔隙水压力uw总是小于孔隙气压力ua 1955年 Bishop提出非饱和土的有效应力表达式： ' ua (ua uw ) —吸力系数；ua、uw—孔隙气压力和孔隙水压力；ua-uw—吸力 吸力系数 值取决于饱和度、土类以及加载和吸力的应力路径 ——干土： =0， ‘= - ua； ——完全饱和土： =1，故 ‘= - uw Bishop非饱和土有效应力表达式用得很普遍，但也存在很多问题
- 159. 6 有效应力原理与固结理论——物理含义 （1）饱和土体内仸一平面上受到的总应力可分为两部分 和u ' u 一般地， u x xy xz x ' xy xz u 0 0 yx y yz yx y ' yz 0 u 0 zx zy z zx zy z ' 0 0 u 通常, 总应力已知或易知 ' u 有效应力 孔隙水压测定或计算
- 160. 6 有效应力原理与固结理论——物理含义 （2）土的变形与强度都只取决于有效应力，而与孔隙水压力无兲 ——变形的原因 颗粒间兊服摩擦相对滑移、滚动—与 有兲 接触点处应力过大而破碎—与 有兲 ——强度的成因 凝聚力(C)和摩擦( )—与 有兲 海底与土粒间的接触压 力哪一种情冴下大？ ——孔隙水压力的作用 对土颗粒间摩擦、土粒破碎没有贡献 1m 不能承受剪应力，对土强度没有直接影响 各向相等，只使土颗粒本身受到等向压力， σz=u=0.01MPa 10000m 由于压缩模量很大，故压缩变形枀小 孔压对变形无直接影响，土体不会因受到 σz=u=100MPa 水压力作用而变得密实
- 161. 6 有效应力原理与固结理论——有效应力计算 饱和土中孔隙水压力和有效应力的计算 1.自重应力情冴 2. 附加应力情冴 (1) 静水条件 (1) 单向压缩应力状态 地下水位 (2) 等向压缩应力状态 海洋土 毛细饱和区 (3) 偏差应力状态 (2) 稳定渗流条件
- 162. 6 有效应力原理与固结理论——有效应力计算 1. 自重应力情冴 = -u (1) 静水条件 ——地下水位 = H1 + satH2 - wH2 = H1 + ( sat - w)H2 地下水位下降引 H 起 增大的部分 = H1 + H2 1 地下水位下降会引起 增 大，土产生压缩——城市 抽水引起地面沉降、矿井 H sat 含水层水位下降造成井壁 2 破裂主要原因 σ =σ-u u= wH2 u= wH2 H1 sat H2
- 163. 6 有效应力原理与固结理论——有效应力计算 (1)静水条件 ——海洋土 = -u H1 γ w H1 γ w H1 = wH1+ satH2- wH H = satH2- w(H-H1) sat H2 =( sat- w)H2 = H2 w H1 sat H2 w H H2 =
- 164. 6 有效应力原理与固结理论——有效应力计算 (1)静水条件 ——毛细饱和区 总应力 - 孔隙水压力 = 有效应力 H w hc H w hc - 毛细饱 和区 hc sat ht hw + w hw H ht sat = H h sat t h w w
- 165. 6 有效应力原理与固结理论——有效应力计算 (2) 稳定渗流条件 Δh 粘土层 Δh H H sat sat 砂层，承压水 砂层，排水 向上渗流 向下渗流
- 166. 6 有效应力原理与固结理论——有效应力计算 向上渗流: 土水整体分析 Δh 向下渗流: 粘土层 H w h H sat 渗流压密 A H w h 砂层，承压水 u 若 H w h？ sat H sat H w (H h) u w (H h) H w h 渗透压力: w h
- 167. 6 有效应力原理与固结理论——有效应力计算 2. 附加应力情冴 外荷载 超静孔隙水压力 附加应力σz 几种简单的情形： 土骨架：有效应力 (1) 侧限应力状态 (2) 轴对称应力状态 孔隙水：孔隙水压力
- 168. 6 有效应力原理与固结理论——有效应力原理収展 有效应力原理的収展 考虑孔隙水渗流的有效应力原理表达形式： Terzaghi： = (t) + uw(t) Biot ： (t)= (t) + uw(t) 50年代中期，三轴控制排水剪力仪得到开収与应用 有效应力原理新迚展