岩土工程土的力学性质

1、土的力学性质包括： 一、土体中的应力 二、土的渗透性 三、土的压缩、固结与沉降 四、土的抗剪强度 一、土体中的应力 支承建筑物荷载的土层称为地基。 与建筑物基础底面直接接触的土层称为持力层。 将持力层下面的土层称为下卧层。 土体的应力按引起的原因分为自重应力和附加应力； 自重应力自重应力由土体自身重量所产生的应力。 附加应力附加应力由外荷（静的或动的）引起的土中应力。 按土体中土骨架和土中孔隙（水、气）的应力承 担作用原理或应力传递方式可分为有效应力和孔 隙应力。 有效应力有效应力由土骨架传递（或承担）的应力。 孔隙应力孔隙应力由土中孔隙流体（水和气体）传递 的应力。 土中任意一点的应力状态用

2、六个独立分量表示： x z y xy yz zx 土力学中应力符号的规定 x xz zx x z xz zx 材料力学材料力学 + - + - 土力学土力学 正应力正应力剪应力剪应力 拉为正拉为正 压为负压为负 顺时针为正顺时针为正 逆时针为负逆时针为负 压为正压为正 拉为负拉为负 逆时针为正逆时针为正 顺时针为负顺时针为负 z 均匀一致各向同性体均匀一致各向同性体 （土层性质变化不大时）（土层性质变化不大时） 线弹性体线弹性体 （应力较小时）（应力较小时） 连续介质连续介质 （宏观平均）（宏观平均） 碎散体碎散体 非线性非线性 弹塑性弹塑性 成层土成层土 各向异性各向异性 p p e e 线

3、弹性体线弹性体 加载加载 卸载卸载 土中应力的研究方法（研究假定） 实际实际假定假定 土的非线性弹塑性应力应变曲线土的非线性弹塑性应力应变曲线 1 1 地基中的自重应力地基中的自重应力 地下水位以下，用有效容 重；不同土层的重量可以 叠加 332211 hhh cz 3 hp ww z cz 竖向应力 分布规律 自重应力在等容重地基中随深度呈直线分布；自重应力在等容重地基中随深度呈直线分布； 自重应力在成层地基中呈折线分布；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发生转折。在土层分界面处和地下水位处发生转折。 均质地基均质地基 1 2 2 )( 21 成层地基成层地基 Th

4、e stratums conditions and the related physical characteristics parameters of a foundation are shown in Fig below. Calculate the stress due to self-weight at a,b,c. Draw the stress distribution. w=15.6% e=0.57 s=26.6kN/m3 w=22% wL=32% wp=23% s=27.3kN/m3（ watertight ） 3 1 /9 . 9 67. 01 106 .26 1 mkN e

5、 ws )(0 2332 2322 Semisolid ww ww I pL p L 3 2 /8 .20 6 . 01 106 . 03 .27 1 6 . 022. 010/3 .27 1 mkN e e wGe e wG S ws sat s s r a z=0 b z(upper)=1h1=9.92=19.8kPa z(Down)=1h1+ w(h1+hw)=9.92+10(2+1.2)=51.8kPa c z=1h1+ w(h1+hw)+ sat2h2 = 9.92+10(2+1.2)+20.83=114.2kPa K0静止侧压力系数，它是土体在侧限条件下有效小主 应力3与有效大主应

6、力1 之比， K0与土层的应力历史及 土的类型有关。 正常固结粘土： K0 1sin 对一般地基K0 0.5左 右 czcycxch K 0 无侧向变形（侧限）条件下： 2 2 侧向应力侧向应力 1 0 K 3 3 基底压力与基底附加压力基底压力与基底附加压力 基底（接触）压力指上部结构荷载和基础自重通过基础 传递，在基础底面 处施加于地基上的单位面积压力。 地基反向施加于基础底面上的压力称为基底反力。 基底附加应力是指基底压力扣除因基础埋深所开挖的自 重应力之后在基底处施加于地基上的单位面积压力。 dppn 影响基底压力分基底压力分 布和大小的布和大小的因素 基础条件基础条件 刚度刚度 形状

7、形状 大小大小 埋深埋深 大小大小 方向方向 分布分布 土类土类 密度密度 土层结构等土层结构等 荷载条件荷载条件 地基条件地基条件 1）基底压力 柔性基础与刚性基础 柔性基础柔性基础：刚度较小，基底压力与其上的荷载大小及分 布相同； 刚性基础刚性基础：刚度较大，基底压力分布随上部荷载的大小、 基础的埋深及土的性质而异。 当基础尺寸不太大，荷载也较小时，可假定基底压力为 直线分布。 2）基底附加压力 基底净压力 基底压力中扣除基底标高处原有土的自重应力，才是基础底 面下真正施加于地基的压力，称为基底附加压力或基底净压 力。 对于基底压力p为均布情况 二、土的渗透性 渗透渗透：由于土体本身具有连

8、续的孔隙，如果存在水位差 的作用，水就会透过土体孔隙而发生孔隙内的流动。 土具有被水透过的性能称为土的渗透性。 土的问题是指由于水的渗透引起土体内部应力状态的变 化或土体、地基本身的结构、强度等状态的变化，从而 影响建筑物或地基的稳定性或产生有害变形的问题。 1 土的渗流理论土的渗流理论 一、达西渗透定律 由于土体中的孔隙一般非常微小，水在土体中流动时的 粘滞阻力很大、流速缓慢，因此，其流动状态大多属于 层流。 著名的达西(Darcy)渗透定律： 渗透速度： 或 渗流量为： h vkki L kiAvAq 式中：-水在土中的渗透速度，cm/s 。 它不是地下水的实际流速，而是 在一单位时间（s

9、ec） 内流过一单位 土截面（cm2）的水量（cm3）； i-水头梯度，即土中两点的水头差（ h1-h2）(对右图，为H1-H2)与两点间 的流线长度（L）之比； k-土的渗透系数，cm/s，与土的 渗透性质有关的待定系数。 对粘性土：)( b iikv 土的渗透系数可以通过室内渗透试验或现场抽水试验来测定。 各种土的渗透系数参考值（cm/s） 基马式渗透仪 南55渗透仪 2 渗透力及渗透破坏类型渗透力及渗透破坏类型 渗流所引起的稳定问题： （1） 土体的局部稳定问题，又称为渗透变形问题； （2） 整体稳定问题。 1）渗透力的概念 在饱和土体中水的渗流分析中，把土颗粒骨架视为不可变 形的刚体，

10、发生渗流时，受到土粒的阻力，引起水头损失 ，同时水也对土颗粒施加渗流作用力，单位体积土骨架所 受到的渗流作用力称为渗透力(seepage force or seepage pressure)或动水压力，用J表示。 2）渗透破坏类型 根据渗透破坏的机理将破坏形式分为流土、管涌、接 触流失和接触冲刷四种形式，称为土的渗透破坏的四种 模式。 1.流砂或流土流砂或流土 在自下而上的渗流发生时，渗透力的大小超过土重 度，致使土粒间的有效应力为零，土体的表面隆起、浮 动或某颗粒群悬浮、移动的现象称为流砂(sand boiling) 或流土(soil boiling)。 土的临界水力梯度 当竖向渗流力等于土

11、体的有效重量时，土体就处于流土临 界状态。当发生自下而上的渗流且水力梯度大于或等于临界 水力梯度时，就会出现流砂现象。 以濒临渗透破坏时的水力梯度 称为临界水力梯度。 w s scr e G nGi 1 1 )1)(1( 1 1 s ww G ji e )1 ( e i w ws w cr 粘性土发生流土破坏的机理与无粘性土不完全相同，因为 前者不仅仅是由于渗流力作用的结果，而且还与土体表面的 水化崩解程度（即水稳性）以及渗流出口临空面的孔径等因 素有关。 )1)(1 (79. 0)1( )1 (24 2 0 CDnn n i L cr 2.管涌管涌 在渗流作用下，土体中的细颗粒在粗颗粒形成的

12、孔隙中移动， 以至流失；随着土的孔隙不断扩大，渗流速度不断增加，较粗 的颗粒也相继被水流逐渐带走，最终导致土体内形成贯通的渗 流通道，造成土体塌陷。这种在渗流作用下土体内的细土颗粒 在粗颗粒形成的孔隙通道内发生移动并被带出的现象称为管涌 (piping) 如果在地基上修建建筑物，地基土内各点不仅要承受土体本 身的自重应力，而且要承担由建筑物通过基础传递给地基的 荷载产生的附加应力作用，这都将导致地基土体的变形。 在附加应力作用下，地基土土体变形，从而将引起建筑物沉 降。 为什么要研究沉降？ 基础的沉降量或者各部位的沉降差过大，那么将影响上部建 筑物的正常使用，甚至会危及建筑物的安全。 三、土的

13、压缩、固结与沉降 沉降、不均匀沉降 工程实例 问题：问题： 沉降沉降2.2米，米， 且左右两部分且左右两部分 存在明显的沉存在明显的沉 降差。降差。 墨西哥某宫殿 地基：20多米厚的粘土 由于沉降相互影响，两栋相邻的建筑物上部接触由于沉降相互影响，两栋相邻的建筑物上部接触 沉降、不均匀沉降 工程实例 高层建筑物由于不均匀沉降而被爆破拆除高层建筑物由于不均匀沉降而被爆破拆除 沉降、不均匀沉降 工程实例 长高比过大的建筑物因不均匀沉降墙体产生裂缝长高比过大的建筑物因不均匀沉降墙体产生裂缝 47m 39 150 194199 175 87 沉降曲线沉降曲线(mm) 中部沉降大中部沉降大“八八”字形裂

14、缝字形裂缝 沉降、不均匀沉降 工程实例 1）土的压缩试验 在外力作用下，土颗粒重新排列，土体体积缩小的现象称为 土的压缩。 为了研究土的压缩特性，通常可在试验室内进行压缩（固结 ）试验，从而测定土的压缩性指标。室内压缩（固结）试验 的主要装置为侧限压缩仪（固结仪）。 用这种仪器进行试验时，由于刚性护环所限，试样只 能在竖向产生压缩，而不能产生侧向变形，故称为侧 限压缩试验。 1 1 土的压缩性土的压缩性 侧限压缩试验 F 固结容器：固结容器： 环刀、护环、导环、透水环刀、护环、导环、透水 石、加压上盖和量表架等石、加压上盖和量表架等 F 加压设备：加压设备：杠杆比例杠杆比例1:101:10 F

15、 变形测量设备变形测量设备 侧限压缩仪（固结仪） 支架 加压设备 固结容器 变形测量 2）土压缩的本质 土的压缩性是指土在压应力作用下,体积压缩变小的性 能。 土体压缩性受三相物质压缩性及土体结构的控制。 土体压缩原因：土粒本身的压缩变形；水和气体 压缩变形；孔隙中水和气体被排出，颗粒位移，孔隙变 小，造成的压缩变形结构变化。 一般情况下，在建筑荷载作用下（0.10.6Mpa）水 和土粒的压缩变形可忽略不计，气体被排挤出。 土压缩的本质是：土孔隙中的水分和气体被挤出，土 粒产生位移，孔隙体积减小引起的。 压缩曲线反映了土的压缩过程。 它是一下凹的曲线。说明土在压力 P作用下开始变形较大，然后逐

16、渐变 小。即：开始压缩容易，到后来难。 各类土的曲线及压缩量不同。取决 于如土的类型等等一系列因素。 在该曲线上取一段较平缓的曲线M1、M2，若压力变化不 太大，就可用直线近似地代替它。两点的坐标为M1（P1， e1），M2（P2,e2）。通过这两点 的直线方程为： 土的压密定律：在压力作用下，土的孔隙比变化与压 力的变化成正比。 e e2 P1 M2 P KPa M1 P2 e1 eo tgaPPPeee Pae PPtgee 1221 1221 : )( 式中 或 其中： 叫压缩系数 表征土压缩性的重要指标。 越大，土的压缩性越高， 反之，就低。 不是常数,为了统一标准,常用0.1-0.2

17、MPa压力段的压缩 系数 1-2, 评价土压缩性的高低。 1-2 粘性土； 高岭石伊里石蒙特石 粒径的形状（颗粒的棱角与长宽比） 在其他条件相同时： 一般，对于粗粒土，颗粒的棱角提高了内摩 擦角 影响土的摩擦强度的主要因素： 摩擦强度 tg 5-2 土的抗剪强度理论 p粘聚强度机理 n静电引力（库仑力） n范德华力 n颗粒间胶结 n假粘聚力（毛细力等） p粘聚强度影响因素 n地质历史 n粘土颗粒矿物成分 n密度 n离子价与离子浓度 - - - - + + 粘聚强度 土的抗剪强度有两种表达方法，一种是以总应力表示剪 切破坏面上的法向应力，抗剪强度表达式即为库伦公式 ，称为抗剪强度总应力法，相应的

18、 c 、 称为总应 力强度指标 ( ( 参数 ) ) ；另一种则以有效应力表示剪 切破坏面上的法向应力，称为抗剪强度有效应力法， c 、 称为有效应力强度指标 ( ( 参数) ) 。试验研 究表明，土的抗剪强度取决于土粒间的有效应力，然而 ，由库伦公式建立的概念在应用上比较方便，许多土工 问题的分析方法都还建立在这种概念的基础上，故在工 程上仍沿用至今。 抗剪强度有效应力表达式： 对于砂土 对于粘性土 tan c f tan f 2 2 抗剪强度试验抗剪强度试验 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:

19、 直接剪切试验（直剪试验） 三轴压缩试验（三轴试验） 无侧限抗压强度试验 十字板剪切试验 1）直接剪切试验(direct shear test 或shear box test) 直接剪切仪（直剪仪） 1）直接剪切试验 直剪试验原理图 直剪仪分应变控制式 和应力控制式两种 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 速率的快慢将直剪试验划分为 快剪、固结快剪和慢剪三种。 1）直接剪切试验 = 100KPa S = 200KPa = 300KPa O c 粘性土抗剪强度线 O 无粘性土抗剪强度线(过原点) 通过控制剪切速率通过控制剪切速率 来近似模拟排水条来近似模拟排水条 件件 (1)

20、 (1) 固结慢剪固结慢剪 施加正应力施加正应力- -充分固结充分固结 慢慢施加剪应力慢慢施加剪应力- -小于小于0.02mm/0.02mm/分，分， 以保证无超静孔压以保证无超静孔压 (2) (2) 固结快剪固结快剪 施加正应力施加正应力- -充分固结充分固结 在在3-53-5分钟内剪切破坏分钟内剪切破坏 (3) (3) 快剪快剪 施加正应力后施加正应力后 立即剪切立即剪切3-53-5分钟内剪切破坏分钟内剪切破坏 P S T A O n K0 n P S T A z x zx xz 1 3 l 设备简单，操作方便设备简单，操作方便 l 结果便于整理结果便于整理 l 测试时间短测试时间短 优点

21、优点 l 试样应力状态复杂试样应力状态复杂 l 应变不均匀应变不均匀 l 不易控制排水条件不易控制排水条件 l 剪切面固定剪切面固定 缺点缺点 P S T A 类似试验：类似试验： 环剪试验环剪试验 单剪试验单剪试验 T P 试样内的试样内的 变形分布变形分布 2）三轴压缩试验(triaxial shear test) 压力水 试样 压力室 排水管 阀门 轴向加压杆 有机玻璃罩 橡皮膜 透水石 顶帽 量测体变或孔压量测体变或孔压 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，两个侧向的应力 （或称围压）相等并为 小主应力3 ，而竖向 （或轴向）的应力为大 主应力1。在

22、增加1时 保持3 不变，这样条件 下的试验称为常规三轴 压缩试验。 类似试验：类似试验： 环剪试验环剪试验 单剪试验单剪试验 常规三轴仪 试验方法：试验方法： 首先试样施加静水压力首先试样施加静水压力室压（围压）室压（围压） 1= 2= 3 ； 然后通过活塞杆施加的是应力差然后通过活塞杆施加的是应力差 1= 1- 3 。 3 3 13 3 v分别作围压分别作围压 为为100 kPa 、200 kPa 、300 kPa的三轴试验，得到的三轴试验，得到 破坏时相应的（破坏时相应的（ 1- )f v绘制三个破坏状态的应力莫尔圆，绘制三个破坏状态的应力莫尔圆， 画出它们的公切线画出它们的公切线强度包线

23、，强度包线， 得到强度指标得到强度指标 c 与与 1 1- 3 1 =15% 强度包线强度包线 ( 1- )f c ( 1- )f v固结排水试验（CD试验） 1 打开排水阀门，打开排水阀门，施加围压施加围压 后充分固结，后充分固结， 超静孔隙水压力完全消散；超静孔隙水压力完全消散； 2 打开排水阀门，慢慢施加轴向应力差打开排水阀门，慢慢施加轴向应力差 以便充分排水，避免产生超静孔压以便充分排水，避免产生超静孔压 v固结不排水试验（CU试验） 1 打开排水阀门，打开排水阀门，施加围压施加围压 后充分固结，超静孔隙水压力完全消散；后充分固结，超静孔隙水压力完全消散； 2 关闭排水阀门，很快剪切破

24、坏，在施加轴向应力差关闭排水阀门，很快剪切破坏，在施加轴向应力差 过程中不排水过程中不排水 v不固结不排水试验（UU试验） 1 关闭排水阀门，关闭排水阀门，围压围压 下不固结；下不固结； 2 关闭排水阀门，很快剪切破坏，在施加轴向应力差关闭排水阀门，很快剪切破坏，在施加轴向应力差 过程中不排水过程中不排水 cd 、 d ccu 、 cu cu 、 u 试验类型 v固结排水试验（CD试验） Consolidated Drained Triaxial test (CD) 抗剪强度指标： cd d （c ） 试验英文名及所测指标试验英文名及所测指标 v固结不排水试验（CU试验） Consolidat

25、ed Undrained Triaxial test (CU) 抗剪强度指标：ccu cu v不固结不排水试验（UU试验） Unconsolidated Undrained Triaxial test (UU) 抗剪强度指标： cu u （ cuu uu ） 试验条件与现场条件试验条件与现场条件 的对应关系的对应关系 粘土地基上的分层慢粘土地基上的分层慢 速填方速填方 在在1层固结后，快速施工层固结后，快速施工2层层 1 2 软土地基上的快速填方软土地基上的快速填方 固结排水试验固结排水试验 固结不排水试验固结不排水试验 不固结不排水试验不固结不排水试验 c c 3 31 31 q 3 不固结

26、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 = + + 在进行不同方法的三轴试验时，都要先使试样在周围压力c下 固结稳定，若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 3等于（c+ 3 ），轴向应力1等于（3+q ）。若进行固 结不排水剪试验，要允许试样在周围压力增量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

27、加附加轴向压力q，直至试样剪破。 0 50 100 150 200 250 300 05101520 轴向应变(%) 轴向附加应力q(kPa) 100kPa200kPa 300kPa400kPa 0 50 100 150 200 250 300 05101520 轴向应变(%) 轴向附加应力q(kPa) 100kPa200kPa 300kPa400kPa 0 50 100 150 200 250 300 05101520 轴向应变(%) 孔隙水应力u(kPa) 100kPa200kPa 300kPa400kPa fff u 33 fff u 11 Total Stress Circle 总应力

28、圆 vEffective Stress Circle 有效应力圆 0 200 400 600 800 1000 024681012 a(%) 1-3（kPa) 50kPa 100kPa 150kPa 200kPa Sand reinforced with 1cm-high galvanized iron sheet 粘性土的卸载试验 动(静)力三轴试验剪切仪 (a) Conventional triaxial test (b) S3D triaxial test Comparison of stress systems between conventional triaxial test an

29、d S3D triaxial test. 0 50 100 150 200 250 300 350 00.511.522.533.544.5 a/% v-h/kPa vi=300 hi=150 vi=400 hi=200 vi=450 hi=225 应力应变曲线及体积应变曲线(A2组) 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 00.511.522.533.544.5 a/% v, h /kPa v( vi=300 hi=150) v( vi=400 hi=200) v( vi=450 hi=225) h( vi=300 hi=150) h( vi=40

30、0 hi=200) h( vi=450 hi=225) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 00.511.522.533.544.555.5 a/% v /% vi=300 hi=150 vi=400 hi=200 vi=450 hi=225 -300 -250 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 250 -5-4.5-4-3.5-3-2.5-2-1.5-1-0.50 a/% v-h /kPa vi=200 hi=100 vi=300 hi=150 vi=400 hi=200 应力应变曲线及体积应变曲线(B4组) 0

31、50 100 150 200 250 300 350 400 450 -5-4.5-4-3.5-3-2.5-2-1.5-1-0.50 a/% v, h /kPa v(vi=200 hi=100) v(vi=300 hi=150) v(vi=400 hi=200) h(vi=200 hi=100) h(vi=300 hi=150) h(vi=400 hi=200) -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 -5-4.5-4-3.5-3-2.5-2-1.5-1-0.50 a/% v /% vi=200 hi=100 vi=300 hi=150 vi=400 hi=200 压缩破坏

32、挤长破坏 卸载试验的试样破坏状态 100 150 200 250 300 350 400 100200300400500600700 p/kPa q/kPa Experimental data Linear fixing value 不同卸载应力路径下强度与常规三轴试验对比 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 50100150200250300350 p/kPa q/kPa Experimental data for compression failure Experimental data for extension failure Linear fixi

33、ng for compression failure Linear fixing for extension failure v优点： 1 应力状态和应力路径明确；应力状态和应力路径明确； 2 排水条件清楚，可控制；排水条件清楚，可控制； 3 破坏面不是人为固定的破坏面不是人为固定的 v缺点： 设备相对复杂，现场难以试验设备相对复杂，现场难以试验 说明：说明： 3 30 0 即为即为无侧限抗压强度试验无侧限抗压强度试验 优点和缺点优点和缺点 真三轴仪真三轴仪 空心圆柱扭剪仪空心圆柱扭剪仪 试样 End of Chapter 2 The stratums conditions and the r

34、elated physical characteristics parameters of a foundation are shown in Fig below. Calculate the stress due to self-weight at a,b,c. Draw the stress distribution. w=15.6% e=0.57 s=26.6kN/m3 w=22% wL=32% wp=23% s=27.3kN/m3（ watertight ） 压缩曲线反映了土的压缩过程。 它是一下凹的曲线。说明土在压力 P作用下开始变形较大，然后逐渐变 小。即：开始压缩容易，到后来难。 各类土的曲线及压缩量不同。取决 于如土的类型等等一系列因素。 在该曲线上取一段较平缓的曲线M1、M2，若压力变化不 太大，就可用直线近似地代替它。两点的坐标为M1（