土力学与基础工程赵明华精华版讲诉

1、名词解释 1. 土力学 利用力学的一般原理，研究土的物理、化学和力学性质及土体在荷载、水、温度等外界因素 作用下工程性状的应用科学。它是力学的一个分支。 2. 地基 ：为支承基础的土体或岩体。在结构物基础底面下，承受由基础传来的荷载，受建筑物影响的那 部分地层。地基分为天然地基、人工地基。 3. 基础 ：将结构承受的各种作用传递到地基上的结构组成部分。基础依据埋置深度不同划分为浅基础、 深基础 2 土的性质及工程分类 1. 土的三相：水（液态、固态）气体（包括水气）固体颗粒（骨架） 2. 原生矿物。即岩浆在冷凝过程中形成的矿物。 3. 次生矿物。系原生矿物经化学风化作用后而形成新的矿物 4.

2、粘土矿物特点：粘土矿物是一种复合的铝 硅酸盐晶体，颗粒成片状，是由硅片和铝片构成的晶胞所 组叠而成。 5. 粒组 : 介于一定粒度范围内的土粒。 界限粒径：划分粒组的分界尺寸称为 颗粒级配 :土中各粒组的相对含量就称为土的颗粒级配。（ d 0.075mm时，用筛分法； d 5，级配良好； Cu5和 Cc=13两个条件时，才为级配良好，反之则级配不良。 6. 结合水 指受电分子吸引力作用吸附于土粒表面的土中水。 这种电分子吸引力高达几千到几万个大 气压，使水分子和土粒表面牢固地粘结在一起。结合水分为强结合水和弱结合水两种。 强结合水 ：紧靠于土颗粒的表面，受电场作用很大，无安全不能移动，表现出固

3、态特性 弱结合水 ：强结合水外，电场作用范围内的水， 是一种粘质水膜，受力时可以从水膜厚处向薄处移 动，也可因电场引力从一个土粒周围转移到另一个土粒周围，担在重力作用下不会发生移动。 毛细水 : 受到水与空气交界面处表面张力的作用 , 存在于地下水位以上透水层中的自由水。 毛细现象：指土中水在表面张力作用下，沿细的孔隙向上及其它方向移动的现象。 重力水 :地下水面以下 ,土颗粒电分子引力范围以外的水 , 仅受重力作用 .传递静水压力产生浮托力 . 7. 土的结构 :指土粒单元的大小、形状、相互排列及其联结关系等因素形成的综合特征。土的结构和 构造对土的性质有很大影响。 （单粒结构、蜂窝结构、絮

4、凝结构） 土的构造 :物质成分和颗粒大小等都相近的同一土层及其各土层之间的相互关系的特征称之。（层 理构造、裂隙构造、分散构造） 8. 相对密实度 : Dr emax e d d min d max emax emin dmax dmin d 界限含水量：粘性土由一种状态转到另外一种状态的分界含水量。 液限（ L ） ：粘性土由可塑状态转到流动状态的界限含水量。 塑限（ P ） ：粘性土由半固态转到可塑状态的界限含水量。 塑性指数：液限与塑限之差（去掉%）称为塑性指数，用下式表示： I p （wL wp ） 100。 反映粘粒含量的多少 , 反映粘性土处在可塑状态的含水量变化范围。 I P P

5、 液性指数 （I L）: I L I 反映土的软硬成度 L P I P 9. 灵敏度：在不排水条件下，原状土的无侧限抗压强度与重塑土的无侧限抗压强度之比，用St 表示。 固结度：地基在荷载作用下，经历了时间 t的沉降量 st 与最终沉降量 s之比值称为固结度，它表示时间 t地基 完成的固结程度。 土的触变性：在土的含水量和密度不变的情况下，土因重塑而软化，又因静置而逐渐硬化，强度有所恢复的 性质。 10. 潜蚀：在渗流情况下，地下水对岩土的矿物、化学成分产生溶蚀、溶滤后这些成分被带走以及水流将细 小颗粒从较大颗粒的空隙中直接带走，这种作用称为潜蚀，前者称化学潜蚀，后者称机械潜蚀。 管涌：水在砂

6、性土中渗流时，细小颗粒在动水力的作用下，通过粗颗粒形成的孔隙，而被水流带走的现象叫 管涌。 流砂或流土：当h增大到某一数值 （有效重度 ）时, 向上的渗流力克服了土体向下的重力 , 土体浮起而处 于悬浮状态失去稳定 , 土粒随水流动的现象。 11. 最佳含水量：在一定压实功作用下，使土最容易压实，并能达到最大干密度时的含水量。 3 土中应力计算 1. 、土的应力分类：自重应力、基地应力、地基附加应力 自重应力 ：由土体重力引起的应力。 （自重应力一般是自土形成之日起就在土中 产生） 附加应力 ：由于外荷载的作用，在土中产生的应力增量。 基底压力 ：在基 础底面与地基之间产生接触压力。 （基底压

7、力分为：柔性基础基底压力和刚性基 础基底压力） FG pA 基底附加压力（ 地基附加应力 p0 p 0d p0） ：由建筑物荷载引起的应力增量。 2. 有效应力原理u 总应力 ; 有效应力 ; u 孔隙水压力。 饱和土的有效应力原理的完整表述：土的的有效应力等于总应力减去孔隙水压力； 土的有效应力控制了土的变形和强度性能 三个基本物理指标 : 天然密度（环刀法） , 比重或相对密度（比重瓶法） , 含水量（烘干法） 换算指标： 天然密度 : 天然状态下土单位体积的质量 （g/cm3） 干密度 d : 土单位体积中固体颗粒部分的质量 （ g/cm3） 饱和密度 sat : 土孔隙中充满水时的单位

8、体积质量 （g/cm3） 有效密度 : 单位土体积中土粒的有效质量 （g/cm3） 土粒相对密度 （比重 ）ds : 土的固体颗粒质量与同体积 4时纯水的质量之比 含水量 w : 土中水的质量与土粒质量之比 （%） 孔隙比 e : 土中孔隙体积与土颗粒体积之比 孔隙率 n : 土中孔隙体积与总体积之比 （%） 饱和度 Sr : 土中水的体积与孔隙体积之比 （%） 1、何谓附加应力？地基中的附加应力分布有何特点？ 答：建筑物荷载在地基中增加的应力称为附加应力。 地基中的附加应力分布有一下规律： 1）附加应力自基底起，随深度呈曲线衰减 2）附加应力具有一定扩散性。它不仅分布在基底范围内，而且分布在

9、基底荷载面积以外的相当大的范围之 3）基底下任意深度水平面上的附加应力，在基地中轴线上最大，随居中轴线距离越远而越小 2、简述饱和土的渗透固结过程？ 答：饱和土的渗流固结过程如下： （1）土体孔隙中自由水逐渐排出； （2）土体孔隙体积逐渐减小； （3）由孔隙水承担的压力逐渐转移到土骨架来承受，成为有效应力。 3、土体中发生剪切破坏的平面，是不是剪应力最大的平面？在什么情况下，剪切破坏面与最大剪应力面是 一致的？ 答：土体中发生剪切破坏的平面一般不是剪应力最大的平面。 常数 当土的莫尔破坏包线与 轴平行时，即 f 常数 时，剪切破坏平面与最大剪应力面是一致的。 4、莫尔 -库伦强度理论 : 以库

10、伦公式作为抗剪强度公式 , 根据剪力是否达到抗剪强度作为破坏准则的 理论就称为莫尔 - 库伦强度理论 5、朗肯土压力的基本假定是？库伦土压力的基本假定是？ （1）朗肯土压力 基本原理 朗肯研究自重应力作用下， 半无限土体内各点的应力从弹性平衡状态发展为极限平很状态的条件， 提 出计算挡土墙土压力的理论。 假设条件 a 挡土墙背垂直 b墙后填土表面水平 c挡墙背面光滑即不考虑墙与土之间的摩擦力。 （2）库伦土压力 依据的原理 ：楔体平衡理论 基本假定 ： a 墙后的填土是理想散粒体 b. 滑动破坏面为通过墙踵的平面 c. 滑动土楔为一刚塑性体，本身无变形 3. 朗肯土压力与库伦土压力的优缺点 朗

11、肯土压力理论 : 应用半空间中的应力状态和极限平衡理论计算土压力， 概念比较明确， 公式简单， 应用方便， 对于粘性土和无粘性土都可以用该公式直接计算， 故在工程中得到青睐。 但为了使 墙后填土中的应力状态符合半空间应力状态，必须假设墙背是直立光滑的，填土面是水平的， 因而使其应用范围受到限制， 并由于该理论忽略了墙背与填土之间摩擦的影响， 使计算的主动 土压力偏大，被动土压力偏小。 库仑土压力理论 : 根据墙后滑动土楔的静力平衡条件推导得出土压力计算公式，考虑了墙背与土之 间的摩擦力， 并可用于墙背倾斜， 填土面倾斜的情况， 但由于该理论假设填土是无粘性土， 因 此不能用库仑公式直接计算粘性

12、填土的土压力。 库仑土压力理论假设墙后填土破坏时， 破裂面 是一平面，而实际上是一曲面，因此，库仑土压力理论计算结果与按曲面的计算结果有出入， 这种偏差在计算被动土压力时尤为严重 . 4朗肯与库仑土压力理论的适用性 （1）朗肯理论求得的是墙背各点土压力强度分布，而库仑理论求得的是墙背上的总土压力 （2）朗肯理论适用于填土表面为水平的无粘性土或粘性土的土压力计算 （3）库仑理论只适用于填土表面为水平或倾斜的无粘性土，对粘性土只能用图解法计算 被动土压力的计算常采用朗肯理论 （4）挡土墙在满足墙背直立光滑且填土面水平的条件下，库仑土压力理论与朗肯土压力理论计算得 到的土压力是一致的 . 9、饱和粘

13、性土不同排水条件下的抗剪强度指标 1. 不固结不排水剪 （UU） ：试验过程中试样含水量和体积保持不变 , 加压过程中只引起试样的孔隙 水压力变化 , 而有效应力不变 , 故抗剪强度亦不变。 2. 固结不排水剪 （CU） ：固结过程中试样含水量和体积减小 , 剪切过程中保持不变 , 只是孔隙水压力 改变 , 破坏时孔隙水压力完全由试样受剪引起。 3. 固结排水剪 （CD） ：整个试验过程中始终打开排水阀门 , 让试样充分排水固结 , 保持孔隙水压力 为零 , 有效应力等于总应力。 4 土的变形性质及地基沉降计算 1. 土的压缩性：土在压力作用下体积缩小的的特性。 （压缩快慢与渗透性有关 透水

14、性大的无粘性土，压缩过程短；透水性小的粘性土，压缩时间长。 ） 压缩试验 ：研究土的压缩性大小及其特征的室内试验方法。步骤：在压缩仪（或固结 仪）中完成。试验时，先用金属环刀取土，然后将土样连同环刀一起放入压缩仪，上 下各盖一块透水石，以便土样受压后能够自由排水，透水石上面再施加垂直荷载。 （侧 限） 2. 压缩性指标： 压缩系数 ，是评价地基土压缩性高低的重要指标之一， e-p 曲线上任一 点的切线斜率 ，当外荷载引起的压力变化范围不大时，可近似 e e1 e2 a tan p p2 p1 a1-2表示压力间隔由 P1=100kp增加到 P2=200时所得压缩系数 a1-2评定土的压缩 高低

15、。 a1-20.1Mpa时，为低压缩性土， 0.1 Mpa a1-20.5Mpa时，为低压 缩性土、 a1-20.5 Mpa 压缩指数 公式 4.5 、 Cc 用来确定土的压缩性大小， Cc 值愈大。土的压缩性愈高。一般认为 Cc0.4 时，属高压缩性土。 P71 压缩模量 (或侧限压缩模量) ：土体在完全侧限条件下，竖向附加应力 z 与 相应的应变增量 z 之比，用符号 Es 表示。 Es=(1+e1)/a 一般认为：Es15 Mpa时为低压缩性土： Es=415MPa 时属中压缩性土 3. 载荷试验： 由加荷稳压装置、反力装置、观测装置三部分组成。 变形模量 ： 指土体在无侧限条件下，单轴

16、受压时的应力与应变之比，用E0 表示 弹性模量 ： 无侧限条件下弹性阶段竖向应力与应变之比。 E0与 Es 关系 土的荷载试验终止加载的条件 (1) 承载板周围的土明显侧向挤出或发生裂纹。 (2) 沉降 s 急剧增大，荷载 - 沉降( p-s )曲线出现陡降段。 (3) 在某一荷载下， 24 小时内沉降速度不能达到稳定标准。 (4) 沉降 s 大于等于 0.06b (b 为承载板宽度或直径) 4. 应力历史： 土在形成的地质年代中经受应力变化的情况 应力路径 : 在外力作用下土中某一点的应力变化过程在应力坐标图中的轨迹。 地基变形与时间的关系： 主要取决于土的渗透性和土层厚度； 饱和土的渗透固

17、结过程， 就是孔 隙水压力向有效应力转化的过程。 土的固结： 土体在外力作用下，压缩随时间增长的过程。 天然土层分为三种固结状态 超固结状态 ：天然土层在地质历史上受到过的固结压力 Pc 大于目前的上覆 压力 P1，即 OCR大于 1. 但沉积后土层 2 ) Es .正常固结状态 ：土层在历史上最大固结压力作用下压缩稳定， 厚度无大变化，以后也没有受到过其他荷载的继续作用。 E0 Es(1 .欠固结状态 ：土层逐渐沉积到现在地面，但没达到固结稳定状态。 5. 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。 6. 沉降量的组成： 瞬时沉降 : 加载后地基瞬时发生的沉降 ; 采用

18、弹性理论 , 采用不排水变形模量 sd 主固结沉降 :饱和与接近饱和的粘性土在基础荷载作用下 ,随着超静孔隙水压力的消散 , 土骨架产生变 形所引起的沉降 ; sc 次固结沉降 : 主固结结束后 , 在有效应力不变的条件下 , 土骨架仍随时间发生变形 . 利用 S-lgt 曲线 , 次固结指数进行计算 ss 7. 太沙基一维固结理论的基本假定 : (1) 土体是均质弹性 , 完全饱和 ; (2) 土粒和水不能压缩 ; (3) 水的渗出以及土的压缩只能沿竖向发生; (4) 水的渗流服从 Darcy 定理 , 且渗透系数 k 不变 ; (5) 孔隙比的变化与有效应力的变化成正比,压缩系数 a 不变

19、; （6）外荷载一次瞬时施加 . 渗透固结 ：土体中由附加应力引起的超静水压力随时间逐渐消散，附加应力转移到土骨架上，骨架上的有效 应力逐渐增加，土体发生固结的过程称为渗透固结。 5 土的抗剪强度 1. 土的抗剪强度 ：土体抵抗剪切破坏的极限能力。 （土的抗剪强度的组成 摩擦力 滑动摩擦 : 剪切面土粒间表面粗糙所产生的摩擦 咬合摩擦 : 土粒间相互嵌入所产生的咬合力 , 其引起土的剪胀 颗粒的破碎与重排列 粘聚力：由土粒间的胶结作用和各种物理 - 化学键力作用的结果， 其大小与土的矿物组成和压密 程度有关 静电引力 : 包括库仑力仑力和离子 - 静电力 范德华力 : 物质的极化分子与相邻另一

20、极化分子间通过相反的偶极吸引 胶结力 : 土或水中碳、硅、铅、铁等氧化物对土颗粒形成胶结作用，其粘聚力可达几百千帕 表观粘聚力 : 如毛细力、非饱和土中吸力等） 2. 库仑定律 ：当土所受法向应力不很大时，土的抗剪强度与法向应力可近似用线性关系表示，这一表征土体 抗剪强度与法向应力的公式即为库仑定律表达式 3.莫尔 库仑强度理论（简答。 。自己总结要点）莫尔 （Mohr）1910 年提出当法向应力范围较 大时，抗剪强度线往往呈非线性性质的曲线形状。 抗剪强度指标 c 和并非恒定值， 而应由该 点的切线性质决定。 c 随的增大而增加， 随的增大而减小f 。莫c尔认t为g土中某点达到该 点的抗剪强

21、度时，即土发生破坏。 莫尔认为f =f（ ）为曲线， f=f（ ）用直线（库仑定律：）代替 （将莫尔曲线简 化为直线）， 称之为莫尔 库仑强度理论。 4. 简述直接剪切试验和三轴压缩试验之间的优缺点和适用范围。 直接剪切试验的优缺点 优点：直剪仪构造简单，操作简便，并符合某些特定条件。 缺点：（1）剪切过程中试样内的剪应变和剪应力分布不均匀。 （2）剪切面人为地限制在上、下盒的接触面上，而该平面并非是试样抗剪最弱 的剪切面。（3）剪切过程中试样面积逐渐减小，且垂直荷载发生偏心，但计算抗 剪强度时却按受剪面积不变和剪应力均匀分布计算。 （ 4）不能严格控制排水条件， 因而不能量测试样中的孔隙水压

22、力。 （5）根据试样破坏时的法向应力和剪应力， 虽可算出大、小主应 1 、 3 的数值，但中主应力 2 无法确定。 三轴压缩试验的优缺点 缺点：试样制备和试验操作比较复杂，试样中的应力与应变仍然不够均匀。 优点 ：（1）试验中能严格控制试样的排水条件， 准备测定试样在剪切过程中孔隙 水压力变化， 从而可定量获得土中有效应力的变化情况。 （2）与直剪试验对比起 来，试样中的应力状态相对地较为明确和均匀，不硬性指定破裂面位置。 （3）除 抗剪强度指标外， 还可测定如土的灵敏度、 侧压力系数、 孔隙水压力系数等力学 指标。 6 土压力、地基承载力和土坡稳定 1 挡土墙（结构 ） 为了防止土体边坡的坍

23、塌失稳，保护边坡的稳定，人工完成的构筑物. 2 挡土墙的土压力 ：挡土墙后填土因自重或外荷载作用对墙背产生的侧向压力。 土压力：主动土压力 ：当挡土墙向离开土体方向偏移至墙后土体达到极限平衡 状态时，作用在墙背上的土压力称为主动土压力。用 Ea 表示。 被动土压力 ：当挡土墙在外力作用下， 向土体方向偏移至墙体后土体达到极限 平衡状态时，作用在墙背上的土压力称为被动土压力。用 Ep 表示。 静止土压力 ：当挡土墙静止不动， 墙后土体处于弹性平衡状态时， 作用在墙背 上的土压力称为静止土压力。用 E。表示。 静止压力强度用公式 0=K0Z 提示：三者关系 Ea E。Ep 4. 朗肯理论与库仑理论的比较 （简答） 相同点：朗肯与库仑土压力理论均属于极限状态，计算出的土压力都是墙后土体处于极限平衡状态下的 主动与被动土压力 Ea和 Ep。 Pa 不同点：研究出发点不同：朗肯理论是从研究土中一点的极限平衡应力状态出发，首先求出的是 或 Pp及其分布形式，然后计算 Ea或E