土力学期末复习1.pdf

1 土土土土 力力力力 学学学学 土土是指 是指 地球表面的整体岩石在大 气中经受长期的风化作用而形成 的 覆盖在地表上碎散的 没有 胶结或胶结很弱的颗粒堆积物 绪论 风化风化 岩石 地球 颗粒堆积物 地球 什么是土 什么是土 3 3 土的形成土的形成 变形特性 强度特性 渗透特性 变形特性 强度特性 渗透特性 土的三相组成土的三相组成 土的物理状态土的物理状态 土的结构 土的工程分类 土的压实性 土的结构 土的工程分类 土的压实性 决定决定 影 响 影 响 如何获得较好的土如何获得较好的土如何获得较好的土如何获得较好的土 便于研究和应用便于研究和应用便于研究和应用便于研究和应用 形成过程 形成条件 形成过程 形成条件 物理力学 性质 物理力学 性质 影响影响 固相 固体颗粒固相 固体颗粒 液相 土中水 气相 土中气 液相 土中水 气相 土中气 碎散性碎散性 三相体系三相体系 自然变异性自然变异性 力学特性复杂力学特性复杂 变形特性变形特性 强度特性强度特性 渗透特性渗透特性 绪论 土有哪些特点 土有哪些特点 Terzaghi 1923 建立饱和土的有效应力原 理 标志着土力学学科的建立 Karl Terzaghi 1883 1963 土力学的奠基人土力学的奠基人 创立土的有效应力原理 饱和 土的渗透固结理论 出版 理论土力学 工程实用 土力学 等专著 基础与主线基础与主线 先导 具体 应用 绪论土力学包括哪些内容 土力学包括哪些内容 第一章第一章土的物理性质和工程分类土的物理性质和工程分类 第二章第二章土的渗透性和渗流问题土的渗透性和渗流问题 第三章第三章土体中的应力计算土体中的应力计算 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 第五章第五章土的抗剪强度土的抗剪强度 土力学 2 土力学 2 渗透特性 变形特性 强度特性 渗透特性 变形特性 强度特性 2 7 7 1 2 土中的固体颗粒 固相 1 2 土中的固体颗粒 固相 物理状态 颗粒级配颗粒级配 矿物成分矿物成分 颗粒形状颗粒形状 8 8 1 矿物成分 粘土矿物 clay minerals 粘土矿物 clay minerals 是由原生硅酸盐类经水解作 用而形成的次生硅酸盐矿物 具层状或链状晶体结构 外形多呈片状 且含有不同数量的水 由 是由原生硅酸盐类经水解作 用而形成的次生硅酸盐矿物 具层状或链状晶体结构 外形多呈片状 且含有不同数量的水 由硅片硅片和和铝片铝片构成的晶胞所组合而成构成的晶胞所组合而成 原生矿物 次生矿物 原生矿物 次生矿物 物理风化作用下 土粒保持与母岩 相同的矿物成分 物理风化作用下 土粒保持与母岩 相同的矿物成分 如 长石 石英 云母长石 石英 云母颗粒 在化学风化作用下 由于改变了母 岩原来的矿物成分 形成了新矿物 主要是 在化学风化作用下 由于改变了母 岩原来的矿物成分 形成了新矿物 主要是粘土矿物粘土矿物 如 蒙脱石 伊利石 高岭石蒙脱石 伊利石 高岭石 9 9 粒度粒度土粒的大小土粒的大小 粒组粒组介于一定粒度范围内的土粒介于一定粒度范围内的土粒 界限粒径界限粒径划分粒组的分界尺寸划分粒组的分界尺寸 d mm 卵石卵石砾石砾石砂粒砂粒粉粒粉粒粘粒粘粒 6020 005 0 002 6020 005 0 002 0 250 5520 粗中细 粗中 细 0 0750 075 粗粒土粗粒土细粒土细粒土 土粒粒组的划分土粒粒组的划分 土的分类标准 土的分类标准GBJ145 90 200200 块石块石 巨粒土巨粒土 2 土粒粒组和颗粒级配 1010 颗粒级配颗粒级配 确定方法确定方法 颗粒分析试验颗粒分析试验 筛分法筛分法 适用于粗粒土 适用于粗粒土 0 075 mm 沉降法沉降法 适用于细粒土 适用于细粒土 0 075mm 土中所含各粒组的相对含量 以土粒总重量百分数来表示 土中所含各粒组的相对含量 以土粒总重量百分数来表示 表述方法 颗粒级配曲线 表述方法 颗粒级配曲线 根据颗粒分析结果求出各粒组的含量占全部 土粒重量的百分比 然后按小颗粒至大颗粒计算累积百分含量 用半对数坐标绘制成 根据颗粒分析结果求出各粒组的含量占全部 土粒重量的百分比 然后按小颗粒至大颗粒计算累积百分含量 用半对数坐标绘制成颗粒级配累积曲线颗粒级配累积曲线 1111 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 小于某粒径之土重百分数 小于某粒径之土重百分数 10 5 0 1 0 0 5 0 10 0 05 0 01 0 005 0 001 粒径粒径 mm 土的颗粒级配累积曲线土的颗粒级配累积曲线 d60d50 d10 d30 d60d10d30CuCc 0 33 0 005 0 063662 41 特征粒径 特征粒径 d60 限定粒径限定粒径 d10 有效粒径有效粒径 d30 中值粒径中值粒径 不均匀程度不均匀程度 不均匀系数不均匀系数 Cu d60 d10 连续程度连续程度 曲率系数曲率系数 Cc d302 d60 d10 Cu 5 级配不均匀级配不均匀 C c 1 3 级配连续性好级配连续性好 1212 曲线d60d10d30 CuCc L 0 33 0 005 0 081 66 3 98 M0 0632 41 R0 0300 545 土的颗粒级配累积曲线 土的颗粒级配累积曲线 陡陡 相应粒组质量集中相应粒组质量集中 缓缓 相应粒组含量少 相应粒组含量少 平台平台 相应粒组缺乏 相应粒组缺乏 较大颗粒缺少较大颗粒缺少Cc减小减小 较小颗粒缺少较小颗粒缺少 Cc 增大Cc 增大 C c 1 3 级配连续性好级配连续性好 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 小于某粒径之土质量百分数 小于某粒径之土质量百分数 10 5 0 1 0 0 5 0 10 0 05 0 01 0 005 0 001 粒径粒径 mm 土的颗粒级配累积曲线土的颗粒级配累积曲线 d60d50 d10 d30 Cu 5 级配不均匀级配不均匀 3 1313 颗粒级配 颗粒级配累积曲线及指标的用途 颗粒级配累积曲线及指标的用途 1 粒组含量用于土的分类定名 粒组含量用于土的分类定名 2 不均匀系数 不均匀系数Cu用于判定土的不均匀程度 用于判定土的不均匀程度 Cu 5 不均匀土 不均匀土 Cu 3 或 Cc 1 级配不连续土 级配不连续土 4 不均匀系数 不均匀系数Cu和曲率系数和曲率系数Cc用于判定土的级配优劣 如果 用于判定土的级配优劣 如果 Cu 5且且 Cc 1 3 级配 良好的土 如果 级配 良好的土 如果 Cu 3 或或 Cc dsat 天然密度天然密度 干密度干密度 饱和密度饱和密度 V m 天然容重天然容重 干容重干容重 V ms d g g dd V Vm vws sat g satsat 饱和容重饱和容重 Water Air Soil Va Vw Vs Vv V ma 0 mw ms m 质量质量体积体积 2 粘性土的软硬状态粘性土的软硬状态 2 土的物性与分类 2 土的物性与分类 二 物理状态指二 物理状态指标标 也称也称稠度状态稠度状态 稠度状态与含水量有关稠度状态与含水量有关 粘性土粘性土 含水量含水量 较硬 变软 流动 较硬 变软 流动 5 塑限 塑限 p液限 液限 l 2 土的物性与分类 2 土的物性与分类 二 物理状态指二 物理状态指标标 稠度界限稠度界限 粘性土的稠度反映土中水的形态粘性土的稠度反映土中水的形态 固态或半固态塑态流态固态或半固态塑态流态 强结合水膜最大强结合水膜最大 出现自由水出现自由水 强结合水弱结合水自由水强结合水弱结合水自由水 稠度状态 含水量 土中水的形态 稠度状态 含水量 土中水的形态 w 液限 W液限 WL L 从流动状态转变为可塑状态的界限含水率 也就是可塑状态的上限含水率 从流动状态转变为可塑状态的界限含水率 也就是可塑状态的上限含水率 液限 W液限 WL L 从流动状态转变为可塑状态的界限含水率 也就是可塑状态的上限含水率 从流动状态转变为可塑状态的界限含水率 也就是可塑状态的上限含水率 塑限 Wp 塑限 Wp 从可塑状态转变为半固体状态的界限含水率从可塑状态转变为半固体状态的界限含水率 也就是可塑状态的下限含水率 也就是可塑状态的下限含水率 塑限 Wp 塑限 Wp 从可塑状态转变为半固体状态的界限含水率从可塑状态转变为半固体状态的界限含水率 也就是可塑状态的下限含水率 也就是可塑状态的下限含水率 缩限 Ws 缩限 Ws 从半固体状态转变为固体状态的界限含水率从半固体状态转变为固体状态的界限含水率 亦即粘性土随着含水率的减小而体积开始不 变时的含水率 亦即粘性土随着含水率的减小而体积开始不 变时的含水率 缩限 Ws 缩限 Ws 从半固体状态转变为固体状态的界限含水率从半固体状态转变为固体状态的界限含水率 亦即粘性土随着含水率的减小而体积开始不 变时的含水率 亦即粘性土随着含水率的减小而体积开始不 变时的含水率 2727 2 3 2 粘性土的物理状态指标2 3 2 粘性土的物理状态指标 1 塑性指数 塑性指数IP 定义 定义 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含水 量变化范围 即土处在可塑状态的含水 量变化范围 pLp I 地基规范规定用地基规范规定用塑性指数塑性指数作为粘性土划分的标准 作为粘性土划分的标准 工程应用工程应用工程应用工程应用 塑性指数与粘性土中土粒的组成 粘粒的 含量及矿物成分 土粒的组成 粘粒的 含量及矿物成分有关 土粒越细 含量越高 则其比表 面积就越大 此时粘性土中结合水含量就越高 塑性指 数就会随之增大 从矿物成分看 粘土中蒙脱石含量越 多 塑性指数会急剧增大 塑性指数综合地反映了影响粘性土的含水量 粘粒含量 矿物成分等各种因素 2828 pp L LpP I I 液性指数液性指数 wpwwl IL1 坚硬状态 可塑状态 流态 坚硬状态 可塑状态 流态 0 00 0 25 0 25 0 75 0 75 1 00 硬塑 可塑 软塑 硬塑 可塑 软塑 2 液性指数液性指数IL 定义 是粘性土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比定义 是粘性土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比 相对稠度相对稠度 2929 密实度密实度如何衡量 如何衡量 单位体积中固体颗粒含量的多少单位体积中固体颗粒含量的多少 优点 简单方便优点 简单方便 缺点 不能反映级配的影响 只能用于同一种土 缺点 不能反映级配的影响 只能用于同一种土 对 策 对 策 相对密实度相对密实度 minmax max r ee ee D 孔隙比孔隙比e或孔隙率或孔隙率n emin 0 35 emin 0 20 2 4 无粘性土的密实度2 4 无粘性土的密实度 概述概述 土体中的应力按 引起的原因可以 分为两部分 土体中的应力按 引起的原因可以 分为两部分 自重应力 self weight stress 附加应力 stress in aground 自重应力 self weight stress 附加应力 stress in aground 自重应力自重应力 是指建筑物或构筑物在建造之前 由土体自重引起的应力 是指建筑物或构筑物在建造之前 由土体自重引起的应力 一 土中的应力类型一 土中的应力类型 附加应力附加应力 是指由于建筑物或构筑物等外荷 载的作用在土体中引起的应力 附加应力 使地基土体产生沉降变形 是指由于建筑物或构筑物等外荷 载的作用在土体中引起的应力 附加应力 使地基土体产生沉降变形 6 HHH 332211sz iisz H 成层地基成层地基 一 水平地基中的自重应力一 水平地基中的自重应力 1 计算公式1 计算公式 均质地基均质地基 zAzAAW sz 竖直向 竖直向 sz0sysx K ii0sz0sysx HKK Z 1 H 2 H 3 H 3 2 土体自重应力的计算 3 2 土体自重应力的计算 3 3 土体中的应力计算土体中的应力计算 z sz 水平向 水平向 1 K0 竖直向 水平向 竖直向 水平向 容重 容重 地下水位以上用天然容重地下水位以上用天然容重 地下水位以下用浮容重地下水位以下用浮容重 2 2 3 3 1 1 一 均质土中的自重应力一 均质土中的自重应力 z sz z 天然地面 cy z cx 天然地面 cz 1 竖直向自重应力竖直向自重应力 kN m2 z cz WA z z AA 分布规律分布规律 竖向自重应力沿 水平面均匀分布 且随深度呈线性增加 竖向自重应力沿 水平面均匀分布 且随深度呈线性增加 式中式中K K0 0 比例系数 称为土的静止侧压力系数或静 止土压力系数 比例系数 称为土的静止侧压力系数或静 止土压力系数 它是侧限条件下土中水平向有效应力与竖 直向有效应力之比 由试验测定 它是侧限条件下土中水平向有效应力与竖 直向有效应力之比 由试验测定 2 水平向自重应力水平向自重应力 kN m2 1 0 00 k zkk EE czcycx czcy cx x 当地基中存在地下水时当地基中存在地下水时当地基中存在地下水时当地基中存在地下水时 用土的有效重度 浮重度 有效重度 浮重度 代替天然重度天然重度 值为值为值为值为0 0 2 2 3 3 1 1 n i iinnc hhhh 1 2211 二 成层地基土中自重应力二 成层地基土中自重应力 天然地面 地下水位 不透水层 h4 1h1 2h2 3h3 4h4 h3 h4 1h1 2h2 1h1 1h1 2h2 3h3 h2h3h1 c线 4 4 3 3 1 1 成层土中竖向自重应力沿深度的分布成层土中竖向自重应力沿深度的分布 h1 h2 h3 2 2 自重应力的分布规律自重应力的分布规律自重应力的分布规律自重应力的分布规律 自重应力分布线的自重应力分布线的斜率是容重斜率是容重斜率是容重 斜率是容重 自重应力在自重应力在等容重等容重等容重地基中随深度呈等容重地基中随深度呈直线分布直线分布直线分布 直线分布 自重应力在自重应力在成层成层成层地基中呈成层地基中呈折线分布折线分布折线分布 折线分布 在土层在土层分界面分界面分界面处和分界面处和地下水位地下水位地下水位处发生地下水位处发生转折转折转折 转折 均质地基均质地基 1 2 2 21 成层地基成层地基 c Z c Z 3 3 基底压力计算 3 3 基底压力计算 基底压力 基底压力 基础底面传递 给地基表面的压力 也称 基础底面传递 给地基表面的压力 也称 基底接触压力基底接触压力 3 3 土体中的应力计算土体中的应力计算 基底压力基底压力 附加应力附加应力 地基沉降变形地基沉降变形 基底反力基底反力 基础结构的外荷载基础结构的外荷载 上部结构的自重及各 种荷载都是通过基础 传到地基中的 上部结构的自重及各 种荷载都是通过基础 传到地基中的 影响因素 计算方法 分布规律 影响因素 计算方法 分布规律 上部结构上部结构 基础基础 地基地基 建筑物设计建筑物设计 暂不考虑上部结构的影 响 使问题得以简化 用荷载代替上部结构 暂不考虑上部结构的影 响 使问题得以简化 用荷载代替上部结构 7 一 中心荷载下的基底压力 一 中心荷载下的基底压力 A GF p G 基础自重设计值及其上回填土重标 准值的总重 kN G G G GAdAd 其中 G为基础及回填土之 平均重度 一般取20kN m一般取20kN m3 3 但在地下水 位以下部分应扣去浮力 即取10kN m 但在地下水 位以下部分应扣去浮力 即取10kN m3 3 d d为基础埋深 必须从设计地面或室内外 平均设计地面算起 m 为基础埋深 必须从设计地面或室内外 平均设计地面算起 m A 基底面积 m2 基底压力的简化计算基底压力的简化计算 基底平均压力设计值基底平均压力设计值p p kPa 计算 kPa 计算 1 单向偏心荷载 1 单向偏心荷载 W M lb GF p p min max 单向偏心荷载下的 基底压力分布 单向偏心荷载下的 基底压力分布 二 偏心荷载下的基底压力 二 偏心荷载下的基底压力 M M 作用于矩形基底的力矩设计值 kN m 作用于矩形基底的力矩设计值 kN m W W 基础底面的抵抗矩 基础底面的抵抗矩 W W blbl2 2 6 6 m 设计时取基底长边方向与偏心方向一 致 基底压力设计值 m 设计时取基底长边方向与偏心方向一 致 基底压力设计值p pmax max与 与p pmin min kPa 按材 料力学短柱偏心受压公式计算 kPa 按材 料力学短柱偏心受压公式计算 dppp c00 p p 基底平均压力设计值 kPa 基底平均压力设计值 kPa c 基底处土中自重应力 基底处土中自重应力 c 0d kPa kPa 0 基础底面标高以上天然土层的加权平均重 度 地下水位下土层的重度取有效重度 基础底面标高以上天然土层的加权平均重 度 地下水位下土层的重度取有效重度 n i i n i ii h h hhh hhh 1 1 321 332211 0 基底附加压力 是指修建建筑物以后在地基中基底附加压力 是指修建建筑物以后在地基中增加增加的压力 的压力 d 基础埋深 必须从天然地面 算起 对于新填 土场地则应从老 天然地面起算 基础埋深 必须从天然地面 算起 对于新填 土场地则应从老 天然地面起算 d d1 d2 dn m 3 基底附加压力3 基底附加压力 地基附加应力地基附加应力 3 4 地基附加应力3 4 地基附加应力 基底压力P基底附加压力P0地基中的附加应力 z 地基附加应力计算的假定 叠加原理 叠加原理建立在弹性理论基础之上 当地基表面同时作用有几个力 时 可分别计算每一个力在地基中引起的附加应力 然后每一个力在地 基中引起的附加应力累加求出附加应力的总和 1 地基土是均质 各向同性的半无限空间线弹性体 2 直接采用弹性力学理论解答 3 基底压力是柔性荷载 不考虑基础刚度的影响 是指建筑物荷重在土体中引起的附加于原有应力之上的应力 它是使地 基发生变形 引起建筑物沉降的主要原因 叠加原理建立在弹性理论基础之上 当地基表面同时作用有几个力 时 可分别计算每一个力在地基中引起的附加应力 然后每一个力在地 基中引起的附加应力累加求出附加应力的总和 1 地基土是均质 各向同性的半无限空间线弹性体 2 直接采用弹性力学理论解答 3 基底压力是柔性荷载 不考虑基础刚度的影响 是指建筑物荷重在土体中引起的附加于原有应力之上的应力 它是使地 基发生变形 引起建筑物沉降的主要原因 布辛奈斯克解布辛奈斯克解 法国J 布辛奈斯克 Boussinesq 1885 运用弹性理论推出了 在弹性半空间表面上作用一个竖向集中力时 半空间内任意 点M x y z 处的六个应力分量和三个位移分量的弹性力学 解答 一 竖向集中力作用下的地基附加应力一 竖向集中力作用下的地基附加应力 法国著名物理家 和数学家 对数学物 理 流体力学和固体 力学都有贡献 5 3 z R z 2 P3 22 525 3 z z P z r 1 1 2 3 R z 2 P3 2 5 225 2 3131 22 1 1 r ztg 2 z P z 5 2 zx R xz 2 P3 5 2 zy R yz 2 P3 3 4 地基中附加应力的计算 3 4 地基中附加应力的计算 一 竖直集中力作用下的附加应力计算 布辛奈斯克课题一 竖直集中力作用下的附加应力计算 布辛奈斯克课题 3 3 土体中的应力计算土体中的应力计算 x y z zxzyz 222222 zyxzrR tgz r 查表查表 集中力作用下的 应力分布系数 集中力作用下的 应力分布系数 8 3 4 地基中附加应力的计算 3 4 地基中附加应力的计算 三 矩形面积竖直均布荷载作用下的附加应力计算三 矩形面积竖直均布荷载作用下的附加应力计算 3 3 土体中的应力计算土体中的应力计算 z x y B L dP 1 角点下的垂直附加应力角点下的垂直附加应力 B氏解的应用氏解的应用 pdxdydP zcp c Lz F B L zFF m n B B 矩形竖直向均布荷载角点下的应力分布系数矩形竖直向均布荷载角点下的应力分布系数 查表查表4 5 p p dxdy R z 2 p3 R z 2 dP3 d 5 3 5 3 z n m p d z B 0 L 0 zz 4 18 100页 4 18 100页 z M M m L B n z Bm L B n z B c c 2 任意点的垂直附加应力 角点法2 任意点的垂直附加应力 角点法 a 矩形面积内a 矩形面积内 ABCD zcccc p beghafghcegidfgi zcccc p A D B C a e b c df gi h b 矩形面积外b 矩形面积外 3 4 地基中附加应力的计算 3 4 地基中附加应力的计算 3 3 土体中的应力计算土体中的应力计算 两种情况 两种情况 荷载与应力间 满足线性关系 荷载与应力间 满足线性关系 叠加原理叠加原理 角点下垂直附加 应力的计算公式 角点下垂直附加 应力的计算公式 地基中任意点的附加应力地基中任意点的附加应力 角点法角点法 三 矩形面积竖直均布荷载作用下的附加应力计算三 矩形面积竖直均布荷载作用下的附加应力计算 应用角点法计算应用角点法计算 c c值时 值时 b b 恒 为短边 恒 为短边 l l 恒为长边 恒为长边 所求的点必须位于所划分的小矩形的公共角点 所求的点必须位于所划分的小矩形的公共角点 所有 矩形编号中有一个字母必为所求的点 所有 矩形编号中有一个字母必为所求的点 以小矩形的长边为以小矩形的长边为l 短边为 短边为b查附加应力系数表 查附加应力系数表 若干个小矩形面积代数和应等于基础原有的受荷面积 若干个小矩形面积代数和应等于基础原有的受荷面积 角点法小结角点法小结 小结小结 z p 3 4 地基中附加应力的计算 3 4 地基中附加应力的计算 3 3 土体中的应力计算土体中的应力计算 F 底面形状 荷载分布 计算点位置 底面形状 荷载分布 计算点位置 2 z P z 3 5 有效应力原理 3 5 有效应力原理 土土 孔隙水孔隙水固体颗粒骨架 三相体系 对所受总应力 骨架和孔隙流体如何分担 对所受总应力 骨架和孔隙流体如何分担 3 3 土体中的应力计算土体中的应力计算 孔隙气体孔隙气体 总应力总应力 总应力由土骨架和孔隙流体共同承受总应力由土骨架和孔隙流体共同承受 它们如何传递和相互转化 它们对土的变形和强度有何影响 受外荷载作用 它们如何传递和相互转化 它们对土的变形和强度有何影响 受外荷载作用 Terzaghi 1923 有效应力原理 固结理论 Terzaghi 1923 有效应力原理 固结理论 土力学成为独立的学科土力学成为独立的学科 孔隙流体孔隙流体 1 饱和土中的应力形态 PS PSV aa A 3 5 有效应力原理 3 5 有效应力原理 3 3 土体中的应力计算土体中的应力计算 一 有效应力原理的基本概念一 有效应力原理的基本概念 PS A Aw As 土单元的断面积土单元的断面积 颗粒接触点的面积颗粒接触点的面积 孔隙水的断面积孔隙水的断面积 a a断面通过土 颗粒的接触点 a a断面通过土 颗粒的接触点 有效应力 有效应力 1 A Aw u wsv AuPA a a断面竖向力平衡 a a断面竖向力平衡 wS AAA u A A A P w sv u 孔隙 水压力 u 孔隙 水压力 9 A B L 3 土的渗透性和渗流问题 3 土的渗透性和渗流问题 一 渗流中的水头与水力梯度一 渗流中的水头与水力梯度 h1 h2 zA w A u w B u zB h h 00基准面基准面 水力坡降线水力坡降线 3 1 土的渗透性与渗透规律 3 1 土的渗透性与渗透规律 w u zh 总水头 总水头 水力梯度水力梯度 由于渗流过程中存在能量损失 测管水头线沿渗流方 向下降 两点间的水头损失 可用一无量纲的形式来表 示 即 由于渗流过程中存在能量损失 测管水头线沿渗流方 向下降 两点间的水头损失 可用一无量纲的形式来表 示 即 i h L i h L i i称为水力梯度 L为两点间的渗流路径 称为水力梯度 L为两点间的渗流路径 水力梯度的物理意义为单位渗流长度上的水头损失 水力梯度的物理意义为单位渗流长度上的水头损失 1856年法国学者Darcy对1856年法国学者Darcy对砂 土 砂 土的渗透性进行研究的渗透性进行研究 结论 结论 水在土中的渗透速度与试 样的水力梯度成正比 水在土中的渗透速度与试 样的水力梯度成正比 v ki 达西定律达西定律 水力梯度水力梯度 即沿渗流方 向单位距离的水头损失 即沿渗流方 向单位距离的水头损失 h i l q v A 渗透系数渗透系数 3 3 渗透力与渗透变形 3 3 渗透力与渗透变形 一 渗透力一 渗透力 3 土的渗透性和渗流问题 3 土的渗透性和渗流问题 h1 h h2 00 hw L 土样土样 滤网滤网 贮水器贮水器 a b 土粒土粒 渗流渗流 j 渗透力是渗透水流对于土颗粒的 拖曳力 正如在小溪中流水对于 河床中的卵石的拖曳力一样 会 冲动它并使其滚动 渗透力是渗透水流对于土颗粒的 拖曳力 正如在小溪中流水对于 河床中的卵石的拖曳力一样 会 冲动它并使其滚动 3 3 渗透力与渗透变形 3 3 渗透力与渗透变形 3 土的渗透性和渗流问题 3 土的渗透性和渗流问题 一 渗透力一 渗透力 渗透力的性质渗透力的性质 物理意义 物理意义 单位单位土体内土骨架所受到的渗透水 流的拖曳力 它是 土体内土骨架所受到的渗透水 流的拖曳力 它是体积力体积力 j wi大小 方向 大小 方向 与渗流方向一致与渗流方向一致 作用对象 作用对象 土骨架土骨架 动水压力动水压力 粘性土粘性土k1 k2 砂性土砂性土k2 坝体坝体 1 基本类型1 基本类型 二 渗透变形 渗透破坏 二 渗透变形 渗透破坏 流土流土在向上的渗透作用下 表层局部土体颗粒同时发生悬浮移动的现象 在向上的渗透作用下 表层局部土体颗粒同时发生悬浮移动的现象 cr ii0JW 和土的密实程度有关 和土的密实程度有关 e G i s cr 1 1 3 3 渗透力与渗透变形 3 3 渗透力与渗透变形 3 土的渗透性和渗流问题 3 土的渗透性和渗流问题 渗流渗流 原因 原因 1 基本类型1 基本类型二 渗透变形 渗透破坏 二 渗透变形 渗透破坏 管涌管涌 原因 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 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 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 3 3 渗透力与渗透变形 3 3 渗透力与渗透变形 3 土的渗透性和渗流问题 3 土的渗透性和渗流问题 管涌 管涌破坏 10 1 基本类型基本类型 流土与管涌的比较流土与管涌的比较 流土流土 土体局部范围的颗粒同时 发生移动 土体局部范围的颗粒同时 发生移动 管涌管涌 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 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 位置 土类 历时 后果 现象 位置 土类 历时 后果 土体内细颗粒通过粗粒形成 的孔隙通道移动 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 土体内细颗粒通过粗粒形成 的孔隙通道移动 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 3 3 渗透力与渗透变形 3 3 渗透力与渗透变形 3 土的渗透性和渗流问题 3 土的渗透性和渗流问题 二 渗透变形二 渗透变形 3 防治措施3 防治措施 s cr F i ii 增大 i 增大 i 下游增加透水盖重下游增加透水盖重 3 3 渗透力与渗透变形 3 3 渗透力与渗透变形 3 土的渗透性和渗流问题 3 土的渗透性和渗流问题 二 渗透变形二 渗透变形 防治流土防治流土 土石坝土石坝 防渗斜墙及铺盖防渗斜墙及铺盖 浸润线浸润线 透水层 不透水层 透水层 不透水层 减小i 减小i 上游延长渗径 下游减小水压 上游延长渗径 下游减小水压 防治管涌防治管涌 改善几何条件 改善几何条件 设反滤层等设反滤层等 改善水力条件 改善水力条件 减小渗透坡降减小渗透坡降 5 1 5 1 概述概述 1 土的压缩性 1 土的压缩性 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 固体颗粒的压缩固体颗粒的压缩 土中气 水的压缩土中气 水的压缩 空气 水的排出空气 水的排出 占总压缩量的占总压缩量的1 400不到 忽略不计 不到 忽略不计 土体压缩最主要的原因土体压缩最主要的原因 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 2 土体压缩的原因 2 土体压缩的原因 4 压缩性指标的主要测试方法4 压缩性指标的主要测试方法 室内试验 原位测试 室内试验 原位测试 固结试验 现场静荷载试验 标准贯入试验 圆锥动力触探试验 静力触探试验 固结试验 现场静荷载试验 标准贯入试验 圆锥动力触探试验 静力触探试验 三轴压缩试验或无侧限抗压试验三轴压缩试验或无侧限抗压试验 3 3 土的固结 土的固结 土的固结 土的固结 在某一压力作用下 土的体积随时间在某一压力作用下 土的体积随时间在某一压力作用下 土的体积随时间在某一压力作用下 土的体积随时间 逐渐缩小的过程 逐渐缩小的过程 逐渐缩小的过程 逐渐缩小的过程 即饱和土压缩的全过程即饱和土压缩的全过程即饱和土压缩的全过程即饱和土压缩的全过程 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 e0 e pp e e p曲线曲线 曲线曲线A 曲线曲线B 曲线曲线A压缩性 曲线压缩性 曲线B压缩性压缩性 2 根据不同压力2 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 为压缩曲线曲线 为压缩曲线 e lgp e lg lgp曲线曲线 lgp e e0 也可以根据不同压力p作用 下 达到稳定的孔隙比e 绘 制e lgp曲线 也可以根据不同压力p作用 下 达到稳定的孔隙比e 绘 制e lgp曲线 11 三 压缩性指标三 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 力增量作用下 土的孔隙比减少得愈显著 土的压缩性愈高 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 根据压缩曲线可以得到四个压缩性指标 根据压缩曲线可以得到四个压缩性指标 1 压缩系数1 压缩系数a 2 压缩指数2 压缩指数C Cc c 3 压缩模量3 压缩模量Es 4 体积压缩系数4 体积压缩系数m mv v 5 变形模量5 变形模量E0 区别区别 显然 与压缩系数类似 显然 与压缩系数类似 压缩指数越大 则土的压缩性越高 压缩指数越大 则土的压缩性越高 a是变数且有量纲 而是变数且有量纲 而CC是无量纲常数 是无量纲常数 a随所取的初始压力及压力增量的大小而 异 而 随所取的初始压力及压力增量的大小而 异 而CC在较高压力范围内在较高压力范围内 constant e p曲线缺点 不能反映土的应力历史 e p曲线缺点 不能反映土的应力历史 土的三种模量小结土的三种模量小结 压缩模量压缩模量Es 土在土在完全侧限条件完全侧限条件完全侧限条件完全侧限条件下的竖向附加压应力 与相应的应变增量之比值 MPa 下的竖向附加压应力 与相应的应变增量之比值 MPa 该参数用于地基最终沉 降量计算的分层总和法中 该参数用于地基最终沉 降量计算的分层总和法中 变形模量变形模量E0 根据现场载荷试验得到的 是指土在 根据现场载荷试验得到的 是指土在无侧无侧无侧无侧 限条件限条件限条件限条件下应力 下应力 z z与应变 与应变 z z之比 之比 该参数用于弹性理论法 最终沉降估算中 该参数用于弹性理论法 最终沉降估算中 弹性模量弹性模量E 通过室内三轴压缩试验获得 是指土体在通过室内三轴压缩试验获得 是指土体在 无侧限条件下瞬时压缩无侧限条件下瞬时压缩无侧限条件下瞬时压缩无侧限条件下瞬时压缩的应力应变之比 的应力应变之比 该参数用于弹性 理论公式计算建筑物的初始瞬时沉降 该参数用于弹性 理论公式计算建筑物的初始瞬时沉降 5 3 土的应力历史对土的压缩性的影响 5 3 土的应力历史对土的压缩性的影响 1 土的应力历史 1 土的应力历史 土体在历史上曾经受到过的应力状态 土体在历史上曾经受到过的应力状态 3 先期固结压力 3 先期固结压力pc 土在其生成历史中曾受过的最大 有效固结压力 土在其生成历史中曾受过的最大 有效固结压力 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 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pc与现时的土压力与现时的土压力p1的比值描述土层的 应力历史 将粘性土进行分类 的比值描述土层的 应力历史 将粘性土进行分类 4 超固结比 4 超固结比 先期固结压力p先期固结压力pc c与现时的土压力p与现时的土压力p1 1的比值 的比值 OCR OCR p pc c p p1 1 一 基本概念一 基本概念 2 固结应力 2 固结应力 能够使土体产生固结或压缩的应力 能够使土体产生固结或压缩的应力 6 1 概述 6 1 概述 地基中附加应力地基中附加应力地基沉降和位移地基沉降和位移 沉降沉降 地基表面沉降 基坑回弹 地基土分层沉降 周边场地沉降 地基表面沉降 基坑回弹 地基土分层沉降 周边场地沉降 位移位移 建筑物主体倾斜 堤坝的垂直与水平位移 基坑支护倾斜 周边场地滑坡 建筑物主体倾斜 堤坝的垂直与水平位移 基坑支护倾斜 周边场地滑坡 沉降量过大及不均匀沉降超过容许值会导致建筑物的开 裂 破坏 或影响设施的正常使用 沉降量过大及不均匀沉降超过容许值会导致建筑物的开 裂 破坏 或影响设施的正常使用 地基变形的计算方法 地基变形的计算方法 弹性理论法 弹性理论法 分层总和法分层总和法 应力历史法 应力历史法 斯肯普顿 比伦法 斯肯普顿 比伦法 应力路径法 应力路径法 地基变形的主要计算内容 地基变形的主要计算内容 最终沉降量计算 最终沉降量计算 变形与时 间的关系 变形与时 间的关系 6 3 地基最终沉降量计算 6 3 1 分层总和法6 3 1 分层总和法 地基最终沉降量 地基最终沉降量 地基变形稳定后基础底面的沉降量地基变形稳定后基础底面的沉降量 1 基本假设1 基本假设 地基是均质 各向同性的半无限线性 变形体 可按弹性理论计算土中应力 地基是均质 各向同性的半无限线性 变形体 可按弹性理论计算土中应力 在压力作用下 地基土不产生侧向变 形 可采用侧限条件下的压缩性指标 在压力作用下 地基土不产生侧向变 形 可采用侧限条件下的压缩性指标 为了弥补假定 所引起误差 取 基底中心点下的 附加应力进行计 算 以基底中点 的沉降代表基础 的平均沉降 为了弥补假定 所引起误差 取 基底中心点下的 附加应力进行计 算 以基底中点 的沉降代表基础 的平均沉降 2 单一压缩土层的沉降计算基本公式2 单一压缩土层的沉降计算基本公式 在一定均匀厚度土层上施加连续均布 荷载 竖向应力增加 孔隙比相应减 小 土层产生压缩变形 没有侧向变 形 在一定均匀厚度土层上施加连续均布 荷载 竖向应力增加 孔隙比相应减 小 土层产生压缩变形 没有侧向变 形 12 3 单向压缩分层总和法3 单向压缩分层总和法 分别计算基础中心点下地基中各个分层土的压缩变形量分别计算基础中心点下地基中各个分层土的压缩变形量 si 基础的平均沉降量 基础的平均沉降量s等于等于 si的总和的总和 i n i n i ii Hss 11 i 第第i i层土的压缩应变层土的压缩应变 H Hi i 第i分层土的厚度 第i分层土的厚度 1i2ii2i1ii iii 1i1ii ee 1e1 v s appp mp eE 第i分层土的压缩系数 压缩模量 体积压缩系数 第i分层土的压缩系数 压缩模量 体积压缩系数 isivi aEm 4 单向压缩分层总和法计算步骤4 单向压缩分层总和法计算步骤 e p法 e p法 si i i iii i ii i E p e ppa e ee 1 12 1 21 1 1 e1i 由第由第i层的自重应力均值从土的压缩曲线上 得到的相应孔隙比 层的自重应力均值从土的压缩曲线上 得到的相应孔隙比 e2i 由第由第i层的自重应力均值与附加应力均值之 和从土的压缩曲线上得到的相应孔隙比 层的自重应力均值与附加应力均值之 和从土的压缩曲线上得到的相应孔隙比 i土的压缩应变土的压缩应变 1 绘制基础中心点下地基中自重应力和附加应力分布曲 线 1 绘制基础中心点下地基中自重应力和附加应力分布曲 线 2 确定地基沉降计算深度2 确定地基沉降计算深度 3 确定沉降计算深度范围内的分层界面3 确定沉降计算深度范围内的分层界面 4 计算各分层沉降量4 计算各分层沉降量 5 计算基础最终沉降量5 计算基础最终沉降量 绘制基础中心点下地基中自 重应力和附加应力分布曲线 绘制基础中心点下地基中自 重应力和附加应力分布曲线 确定基础沉降计算深度确定基础沉降计算深度 一般取附加应力与自重应力 的比值为 一般取附加应力与自重应力 的比值为20 处 即处 即 z 0 2 c 处的深度作为沉降计算深度的 下限 处的深度作为沉降计算深度的 下限 确定地基分层确定地基分层 1 不同土层的分界面与地下水位 面为天然层面 2 每层厚度 1 不同土层的分界面与地下水位 面为天然层面 2 每层厚度hi 0 4b 计算各分层沉降量计算各分层沉降量 根据自重应力 附加应力曲线 根据自重应力 附加应力曲线 e p压缩曲线计算任一分层沉降量 对于软土 应该取 压缩曲线计算任一分层沉降量 对于软土 应该取 z 0 1 c 处 若沉降深度范围内存在基 岩时 计算至基岩表面为止 处 若沉降深度范围内存在基 岩时 计算至基岩表面为止 计算基础最终沉降量计算基础最终沉降量 i i ii i h e ee s 1 21 1 n i i ss 1 d 地基沉降计算深度地基沉降计算深度 c线线 z线线 基本假定和基本原理基本假定和基本原理 理论上不够完备 缺乏统一理论 单向压缩分层总和法是一个半径验性方法 理论上不够完备 缺乏统一理论 单向压缩分层总和法是一个半径验性方法 地基最终沉降量分层总和法地基最终沉降量分层总和法 a 假设基底压力为线性分布 b 附加应力用弹性理论计算 c 只发生单向沉降 侧限应力状态 d 只计算固结沉降 不计瞬时沉降和次固结沉降 e 将地基分成若干层 认为整个地基的最终沉降量 为各层沉降量之和 a 假设基底压力为线性分布 b 附加应力用弹性理论计算 c 只发生单向沉降 侧限应力状态 d 只计算固结沉降 不计瞬时沉降和次固结沉降