土力学-期末复习

1、1土力学总复习土力学总复习 第一部分第一部分 土的基本物理性质土的基本物理性质 第二部分第二部分 土中应力及土体的变形土中应力及土体的变形第三部分第三部分 土的渗透性土的渗透性第四部分第四部分 土的抗剪强度及强度试验土的抗剪强度及强度试验第五部分第五部分 几个工程问题（土压力、边坡稳定、地几个工程问题（土压力、边坡稳定、地基承载力）基承载力）2第一部分第一部分 土的基本物理性质土的基本物理性质 1土的土的形成形成土土地表岩层经风化而形成的地表岩层经风化而形成的散体堆积物散体堆积物，由土颗粒、，由土颗粒、水和气体水和气体（三相体系），（三相体系），组成。组成。岩石风化分为岩石风化分为物理风化物理

2、风化和和化学风化化学风化。 2土的组成土的组成 （1）土的固相）土的固相 原生矿物原生矿物：常见的有：常见的有石英、长石、云母石英、长石、云母等；等； 次生矿物次生矿物：主要是粘土矿物，常见的粘土矿物有：主要是粘土矿物，常见的粘土矿物有高高岭石、伊利石和蒙脱石岭石、伊利石和蒙脱石； 3粘土矿物的晶体结构粘土矿物的晶体结构其结构可分为晶体和非晶体，以其结构可分为晶体和非晶体，以晶体矿物晶体矿物为主。为主。晶体晶体：指原子、离子在空间有规律的排列，不同的几何排：指原子、离子在空间有规律的排列，不同的几何排列形式称为列形式称为晶体结构晶体结构，组成晶体的最小单元称为，组成晶体的最小单元称为晶胞晶胞。

3、4土的级配土的级配：土中各种大小的粒组中土粒的相对含量。：土中各种大小的粒组中土粒的相对含量。土粒的大小和土的级配土粒的大小和土的级配某粒组的土粒含量某粒组的土粒含量：该粒组的：该粒组的土粒质量土粒质量与与干土总质量干土总质量之比。之比。粒组粒组：把工程性质相近的一定尺寸范围的土粒合并为一组。：把工程性质相近的一定尺寸范围的土粒合并为一组。土的土的颗粒大小分析试验颗粒大小分析试验指测定土中各粒组颗粒质量所占指测定土中各粒组颗粒质量所占该土总质量的百分数，确定粒径分布范围的试验。该土总质量的百分数，确定粒径分布范围的试验。 筛分法；密度计法；联合测定筛分法；密度计法；联合测定5 2）某些特征粒径

4、，用于建筑材料的选择和评价土级配的）某些特征粒径，用于建筑材料的选择和评价土级配的好坏。好坏。粒径分布曲线粒径分布曲线的作用：的作用： 1）土中各粒组的土粒含量，用于粗粒土的分类和大致评）土中各粒组的土粒含量，用于粗粒土的分类和大致评估土的工程性质；估土的工程性质；级配评价不均匀系数60u10dCd曲率系数230c6010()dCdd级配良好的土u5C c1 3C 且6粒组频率曲线粒组频率曲线的作用：的作用： 粒组频率粒组频率不仅可以确定粒组的相对含量；不仅可以确定粒组的相对含量；可用来可用来反映反映曲曲线土的级配的连续性。若粒组频率曲线呈单峰则土的级配连线土的级配的连续性。若粒组频率曲线呈单

5、峰则土的级配连续的，若粒组频率曲线呈双峰，且谷点对应的粒组含量续的，若粒组频率曲线呈双峰，且谷点对应的粒组含量3时，是连续的，否则是不连续的。时，是连续的，否则是不连续的。7（2） 土的液相土的液相吸着水和自由水吸着水和自由水吸着水可分为吸着水可分为强吸着水强吸着水和和弱吸着水弱吸着水。自由水的分类：自由水的分类：毛细管水（毛管水）毛细管水（毛管水）和和重力水重力水。8第一部分第一部分 土的基本物理性质土的基本物理性质 3土的土的结构结构土的结构土的结构：指土的物质组成（主要指土粒，也包括孔隙）：指土的物质组成（主要指土粒，也包括孔隙）在空间的相互排列以及土粒间的联结特征的综合。在空间的相互排

6、列以及土粒间的联结特征的综合。 砂、砾等粗粒土在沉积过程中形成的典型结构。砂、砾等粗粒土在沉积过程中形成的典型结构。（1）单粒结构单粒结构特征：土粒之间以特征：土粒之间以点与点点与点的接触为主。的接触为主。9粘土颗粒组成的细粒土特有的结构。粘土颗粒组成的细粒土特有的结构。（2）分散结构分散结构主要存在于细颗粒所形成的土中。主要存在于细颗粒所形成的土中。（3）絮状絮状(絮凝絮凝)结构结构特征：土粒之间以特征：土粒之间以角、边与面的接触或边与边的搭接角、边与面的接触或边与边的搭接形形式为主。式为主。特征：土粒之间以特征：土粒之间以面与面面与面的接触为主。的接触为主。104.土的物理性质指标土的物理

7、性质指标土的密度和重度土的密度和重度Vm土的总体积土的总质量土粒比重土粒比重)C4(/C4owssosVmG时的密度纯水固体颗粒的密度含水率含水率100swmmw固体颗粒质量水的质量土的孔隙比土的孔隙比svVVe固体颗粒体积孔隙体积（1） 土的物理性质的三相基本指标11土的饱和度土的饱和度vwrVVS孔隙体积水的体积土的干密度（重度）土的干密度（重度）Vmsd土的总体积固体颗粒质量gdd土的饱和密度（重度）土的饱和密度（重度）VVmmwawssat土体总体积质量土体孔隙充满水时的总satsatg土的有效重度（浮重度）土的有效重度（浮重度）wsat12（2） 三相指标的换算三相指标的换算2）根据

8、指标的定义，用）根据指标的定义，用、w、Gs表示表示 其他的量，其他的量，然后推导出来换算公式然后推导出来换算公式气气水水土粒土粒msmwmVsVwVVa质量质量m体积体积VVV1）可令）可令Vs 1 (或或V1)135.无粘性土的相对密实度粘性土的稠度及土的压实性无粘性土的相对密实度粘性土的稠度及土的压实性 1. 无粘性土的相对密实度 （1 1）以相对密实度为标准）以相对密实度为标准maxrmaxminoeeDee（2 2）以标准贯入锤击数）以标准贯入锤击数N N为标准为标准2. 粘性土的稠度界限含水率（液限、塑限、缩限）稠度稠度：指粘性土的干湿程度或在某一含水率下抵抗指粘性土的干湿程度或在

9、某一含水率下抵抗外力作用而变形或破坏的能力，是粘性土最主要的外力作用而变形或破坏的能力，是粘性土最主要的物理状态指标。物理状态指标。14（以小数表示） 液限测定方法液限测定方法 液性指数液性指数PLLPwwIww 塑限测定方法塑限测定方法（2）液塑限联合测定法 塑性指数塑性指数PLPIww（1）滚搓法（去掉百分号，取整数）15土的压实性：土的压实性：指在一定的含水率下，以人工或机械的方法指在一定的含水率下，以人工或机械的方法，使土能够压实到某种密实度的性质。，使土能够压实到某种密实度的性质。161）含水率的影响）含水率的影响土的压实性：土的压实性：指在一定的含水率下，以人工或机械的方法指在一定

10、的含水率下，以人工或机械的方法，使土能够压实到某种密实度的性质。，使土能够压实到某种密实度的性质。17土料的最大干密度土料的最大干密度和最优含水率不是和最优含水率不是常数。常数。2）击实功的影响）击实功的影响当含水率较低时击当含水率较低时击数的影响较显著。数的影响较显著。18粘粒含量越高或塑性指数越大，越难以压实。粘粒含量越高或塑性指数越大，越难以压实。3）土类和级配的影响）土类和级配的影响粘性土的击实曲线级配良好的土，容易压实，反之则不易压实。级配良好的土，容易压实，反之则不易压实。19轻型击实：轻型击实：d5mm；重型击实：；重型击实：d40mm4）粗粒含量的影响）粗粒含量的影响 土内含有

11、大于试验规程规定的粒径时，先剔除超出土内含有大于试验规程规定的粒径时，先剔除超出粒径部分的土，然后进行试验。粒径部分的土，然后进行试验。 对于轻型击实试验，当土内粒径大于对于轻型击实试验，当土内粒径大于5mm的土粒含的土粒含量不超过量不超过2530（土粒浑圆时允许达（土粒浑圆时允许达30；土粒呈；土粒呈片状时允许达片状时允许达25）时，可认为土内粗粒土粒可均匀分布在）时，可认为土内粗粒土粒可均匀分布在细土粒内，同时细土粒达到了它的最大干密度。实际土料细土粒内，同时细土粒达到了它的最大干密度。实际土料的最大干密度和最优含水率可按经验公式进行修正。的最大干密度和最优含水率可按经验公式进行修正。20

12、第二部分第二部分 土中应力及土体的变形土中应力及土体的变形 1土中应力的种类土中应力的种类 自重应力与附加应力自重应力与附加应力 有效应力有效应力作用在土骨架上并能使土骨架产生变形作用在土骨架上并能使土骨架产生变形的压力。的压力。 2土层自重应力土层自重应力c1nziiih水上取土的天然容重，水下透水时通常取土的浮容重，不透水时取土的饱和容重213. 土中附加应力（荷载应力）土中附加应力（荷载应力）NGpA中心荷载中心荷载偏心荷载偏心荷载maxmin6(1)NGMNGepAWAl1）刚性基础基底压力（矩形基础）刚性基础基底压力（矩形基础） 2） 基底附加压力基底附加压力0oppd224.土的变

13、形特性土的变形特性 土的压缩性大 压缩性的主要原因孔隙的减小 饱和粘土的压缩过程孔隙减小、孔隙水的排出。沉降过程持续很长时间。1 1）侧限压缩性指标）侧限压缩性指标 压缩系数标准压缩系数21ae1e2e1223 压缩指数 侧限压缩模量Es体积压缩系数2 2）土层侧限压缩变形量计算）土层侧限压缩变形量计算12111eehhe 111ahhe 1shEh111vvsaSpHmpHpHeE245.地基的最终沉降量地基的最终沉降量分层总和法 计算原理 将地基土层分为若干层，分别计算出其相应的压缩量，累加后得到地基的沉降量。土层只产生竖向变形，侧向无膨胀变形。 计算方法与步骤 2）地基土层分层1）选择沉

14、降）选择沉降计算点的位置计算点的位置；求出；求出基底净压力基底净压力的大小和分布的大小和分布;25 3）计算地基中的）计算地基中的自重应力（从自重应力（从地面地面算起）算起）分布。分布。5）按）按算术平均算术平均求各分层求各分层平均自重应力和平均附加应平均自重应力和平均附加应力力； (也可直接计算各土层中点处的自重应力及附加应力) 4）计算地基中的）计算地基中的附加应力附加应力（从（从基底基底算起）算起）分布，分布，确定确定压缩层厚度压缩层厚度。6）求第）求第i分层的压缩量。分层的压缩量。 （不同土层要用不同曲线） 7）将每一分层的压缩量累加，得地基的总沉降量。）将每一分层的压缩量累加，得地基

15、的总沉降量。 1niiSS266、应力历史对地基沉降的影响、应力历史对地基沉降的影响1）土的回弹曲线和再压缩曲线）土的回弹曲线和再压缩曲线272） 正常固结、超固结、欠固结的概念应力历史，固结应力，前期固结应力，超固结比应力历史，固结应力，前期固结应力，超固结比1OCR ， 超 固 结 土1OCR ， 且 土 在 自 重 作 用 下 固 结 稳 定 ， 正 常 固 结 土1OCR ， 且 土 在 自 重 作 用 下 未 完 全 固 结 ， 欠 固 结 土对欠固结土，其现有有效应力即是历史上曾经受到过的最大有效应力，因此，其OCR=1，故欠固结土实际上是属于正常固结土一类。28eP(kPa)Ce

16、C(Pc)CeBBAeAzBhDzp p eDAeCeBe297、地基沉降与时间的关系、地基沉降与时间的关系1）地基沉降与时间的关系 饱和土的变形：荷 载孔隙水排出变 形2）单向固结理论 地基固结度ttsUs30 即时间为t时刻的沉降量与最终沉降量之比2v4281TtUe （适用于 ）%30tU H为土层的最大排水距离，双面排水时取土层厚度的一半，单面排水时取土层总厚度。2v/ HtCTv时间因子1vw1keCa（）土的固结系数31第三部分第三部分 土的渗透性土的渗透性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，其流动状态大多属于层流。v（mm/s）表示断面平均渗透速度

17、，k（mm/s）其物理意义是当水力坡降i=1时的渗透速度。1、达西渗透定律、达西渗透定律kiLhkvkiAvAqDarcys Law求出的渗透速度是一种假想的平均流速，它假定水在土中的渗透是通过整个土体截面进行的，而实际上，渗透水仅仅通过土体中的孔隙流动，实际平均流速要比假想的平均流速大很多。32实验室测定法：常水头试验法，透水性大的砂性土 变水头试验法，透水性小的无粘性土2、渗透系数测定渗透系数测定常水头试验常水头试验变水头试验变水头试验条件条件已知已知测定测定计算计算取值取值h=consth变化变化h，A，LV，t重复试验后，取均值重复试验后，取均值a，A，Lh，t1221lnhaLkhA

18、 ttVLkAht不同时段试验，取均值不同时段试验，取均值适用适用粗粒土粗粒土粘性土粘性土33渗流力渗流力：渗透水流：渗透水流施于单位土体内土施于单位土体内土粒上的拖曳力；渗粒上的拖曳力；渗透力、动水压力。透力、动水压力。4、渗流力渗流力h000hwL贮水器贮水器土样土样滤网滤网a bh2h2h1h13-5 3-5 渗流力及渗透稳定性渗流力及渗透稳定性ijw345、渗透变形渗透变形渗透变形的形式：渗透变形的形式：流土流土：在渗流作用下局部土体表面隆起，或土粒群同时起动：在渗流作用下局部土体表面隆起，或土粒群同时起动而流失的现象。主要发生在地基或土坝下游渗流溢出处。而流失的现象。主要发生在地基或

19、土坝下游渗流溢出处。管涌管涌：在渗流作用下土体中的细土粒在粗土粒形成的孔隙通：在渗流作用下土体中的细土粒在粗土粒形成的孔隙通道中发生移动并被带出的现象。主要发生在砂砾土中。道中发生移动并被带出的现象。主要发生在砂砾土中。35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土体局部范围的颗粒同时发生移动或局部土体表面隆起动或局部土体表面隆起管涌管涌只发生在水流渗出的表层只发生在水流渗出的表层只要渗透力足够大，只要渗透力足够大，可发生在任何土中可发生在任何土中破坏过程短破坏过程短导致下游坡面产生局部滑动等导致下游坡面产生局部滑动等现象现象位置位置土类土类历时历时后果后果土体内

20、细颗粒通过粗粒形成土体内细颗粒通过粗粒形成的孔隙通道移动的孔隙通道移动可发生于土体内部和渗流可发生于土体内部和渗流溢出处溢出处一般发生在特定级配的一般发生在特定级配的无粘性土或分散性粘土无粘性土或分散性粘土破坏过程相对较长破坏过程相对较长导致结构发生塌陷或溃口导致结构发生塌陷或溃口361）在静水条件下水平面上的孔隙水应力和有效应力）在静水条件下水平面上的孔隙水应力和有效应力12wsathh12wwwuhhh121222wsatwsatwuhhhhhh h2h1粘土层粘土层satsat水水 w ww w1 12 2u u = = h h + + h hw w1 12 2u u = = h h +

21、 + h h2h6、在静水和有渗流情况下的孔隙水应力和有效在静水和有渗流情况下的孔隙水应力和有效应力应力372）在稳定渗流条件下水平面上的孔隙水应力和有效应力）在稳定渗流条件下水平面上的孔隙水应力和有效应力渗流方向由上向下渗流方向由上向下12wsathh12wwwuhhhh121222wsatwsatwwwuhhhhhhhhh hwhh2h1砂层，排水砂层，排水粘土层粘土层satsat水水 w w12wsathh1wh12wuhhh2whh12wuhhh38渗流方向由下向上渗流方向由下向上12wsathh12wwwuhhhh121222wsatwsatwwwuhhhhhhhhh hhwh2h1

22、砂层，承压水砂层，承压水粘土层粘土层satsat水水 w w12wsathh1wh12wuhhh12wuhhh2whh39渗流方向由下向上渗流方向由下向上20whh 2wwhijh流土的有效应力临界条件40第四部分第四部分 土的抗剪强度及强度试验土的抗剪强度及强度试验 1摩尔摩尔库仑强度理论库仑强度理论 抗剪强度与法向压应力的关系，强度线，库仑的简化抗剪强度与法向压应力的关系，强度线，库仑的简化公式，摩尔圆的引入，应力圆与强度线的相互关系（判断公式，摩尔圆的引入，应力圆与强度线的相互关系（判断土体的状态）。土体的状态）。 2土中一点应力极限平衡土中一点应力极限平衡 判断土体所处状态。判断土体所

23、处状态。 1）求法向应力，剪应力，抗剪强度）求法向应力，剪应力，抗剪强度 2）应力圆与强度线的关系应力圆与强度线的关系 3）231452tg 4522fftgc41 4）213452tg 4522fftgc3抗剪强度测定抗剪强度测定 剪切试验剪切试验测定土抗剪强度指标的试验称；测定土抗剪强度指标的试验称；按常用的试验仪器剪切试验可分为按常用的试验仪器剪切试验可分为直接剪切直接剪切试验、三轴压缩试验、无侧限抗压强度试验试验、三轴压缩试验、无侧限抗压强度试验和和十字板剪切试验十字板剪切试验四种。四种。42 1）直接剪切试验直接剪切试验快剪；固结快剪；慢剪快剪；固结快剪；慢剪cQ cR cS ，Q

24、R S。432）三轴压缩试验三轴压缩试验三轴试验根据试样的固结和排水条件不同，可分为三轴试验根据试样的固结和排水条件不同，可分为不不固结不排水剪（固结不排水剪（UUUU）、固结不排水剪（固结不排水剪（CU)CU)和和固结排水固结排水剪（剪（CD)CD)三种方法。三种方法。不固结不固结或或固结固结是对是对周围压力增量周围压力增量而言的；而言的；不排水不排水或或排水排水是对是对附加轴向压力附加轴向压力而言的。而言的。444剪切形状剪切形状松砂松砂应变硬化型，体积缩小，剪缩。应变硬化型，体积缩小，剪缩。紧砂紧砂应变软化型，体积膨胀，剪胀。应变软化型，体积膨胀，剪胀。砂土的液化砂土的液化ftgu tg

25、45正常固结饱和粘性土的剪切性状正常固结饱和粘性土的剪切性状0UCUdccc0dCUU f OducUU试验CU0UCU试验CD试验0452f46第四部分第四部分 几个工程问题几个工程问题（土压力、边坡稳定性、地基承载力）（土压力、边坡稳定性、地基承载力）一、土压力一、土压力1土压力的概念土压力的概念 根据位移移动方向，主动土压力，被动土压力、静止根据位移移动方向，主动土压力，被动土压力、静止土压力。土压力。 2静止土压力计算静止土压力计算 00hcxeKz v v hhzH473主动土压力主动土压力200tan452tan 4522azec0c 0c 20tan452aK主动土压主动土压力系

26、数力系数aaezK212aaEH K2aaaezKc K48495.土压力问题的讨论土压力问题的讨论朗肯土压力理论优缺点：朗肯理论基于土单元体的应力极限平衡条件得出；计算简单，使用方便；假设墙背竖直、光滑、填土表面水平；假设条件较苛刻，应用受到限制，工程中多用于挡土桩、板桩、锚桩等的土压力计算；朗肯理论忽略了墙背与填土之间的相互作用，使得计算的主动土压力偏大，而被动土压力偏小；50 库仑土压力理论是基于滑动块体的静力平衡条件建立的；假定破坏面是通过墙踵的平面； 适用范围广，可用于填土面形状任意、墙背倾斜的情况，并可以考虑墙背的实际摩擦角； 墙背与填土间摩擦角较大时，滑动面是曲面；若墙背倾角不大

27、（15度），墙背与土体间摩擦角较小（15度）时，主动破坏面近似一平面，计算误差可接受；墙体向填土移动，破坏面近于一对数螺旋面，计算误差较大，可达23倍以上； 当墙背俯斜，过于平缓时，滑动土体不一定沿墙背滑动，而是沿土体内的另一破裂面滑动，此时需考虑第二破裂面的计算；库仑土压力理论优缺点：51第四部分第四部分 几个工程问题几个工程问题（土压力、边坡稳定性、地基承载力）（土压力、边坡稳定性、地基承载力）二边坡稳定二边坡稳定 一般情况下的无粘性土土坡稳定一般情况下的无粘性土土坡稳定WNTNT52 瑞典条分法：假设滑动面为圆弧面，瑞典条分法：假设滑动面为圆弧面，不考虑条间力不考虑条间力，即，即E Ei i=X=Xi i=0=0，减少，减少3n-33n-3个未知数。个未知数。 简化毕肖普条分法：假设滑动面为圆弧面，简化毕肖普条分法：假设滑动面为圆弧面，不考虑切向条不考虑切向条间力间力，即，即X Xi i=0=0，减少，减少n-1n-1个未知数。个未知数。 杨布条分法：假设滑动面为杨布条分法：假设滑动面为任意面任意面，条间法向作用力的作条间法向作用力的作用点用点在滑面以上在滑面以上1/31/3土条高度处，减少土条高度处，减少n-1n-1个未知数。个未知数。 其他条分法：假设滑动面为其他条分法：假设滑动面为任意面任意面，法向条间力和切向条，法向条间力和切向条间力之间为某种函数关系