土力学全套课件

土力学与土质学

1.1土的形成与特征1.1.1

土的形成1.1.2

土的结构与构造1.2.3

土的工程特性1.2.4

土的形成与工程特性的关系1.1.1

土的形成

“土”一词在不同的学科领域有其不同的涵义。就土木工程领域而言，土是指覆盖在地表的没有胶结和弱胶结的颗粒堆积物。土与岩石的区分仅在于颗粒间胶结的强弱。

物理风化——指岩石经受风、霜、雨、雪的侵蚀，温度湿度的变化、不均匀膨胀与收缩，使岩石产生裂隙，崩解为碎块。这种风化仅改变颗粒大小与形状，不改变原来矿物成分。生成的土呈松散状态，无粘性土。化学风化——指岩石碎屑与空气、水和各种水溶液相接触，经氧化、碳化和水化作用，改变原来矿物成分，形成新的矿物（次生矿物）。生成的土为细粒土，粘性土。生物风化——由动物、植物和人类对岩体的破坏称~。1.1.2

土的结构和构造1.定义：指土颗粒的大小、形状、表面特征，相互排列及其联结关系的综合特征。2.分类：

单粒结构砂层，砾石层土的结构蜂窝结构粉粒絮状结构粘粒

3.工程性质：

土的构造

1.定义：指同一土层中成分和大小都相近的颗粒或颗粒集合体相互关系的特征。2.分类：3.工程性质：通常分散构造的工程性质最好，裂隙状构造中，因裂隙强度低、渗透性大，工程性质差。1.1.3

土的工程特征

土与其它连续介质的建筑材料，具有下列三个显著的工程特征：

1.压缩性高反映材料压缩性高低的指标弹性模量E(土称变形模量),随着材料的不同而有极大的差别,例如:

钢筋E1=21万Mpa;C20混凝土E2=2.6万Mpa;

卵石E3=50Mpa;饱和细砂E4=10Mpa.2.强度低为抗剪强度，而非抗压、抗拉强度；

3.透水性大颗粒之间有无数孔隙。1.1.4

土的形成与工程特性的关系

由于各类土的生成条件不同，它们的工程特性往往相差悬殊，下面分别加以说明：

1.搬运、沉积条件

通常流水搬运沉积的土优于风力搬运沉积的土。

2.沉积年代通常土的沉积年代越长，土的工程性质越好。

3.沉积的自然地理环境自然地理环境不同所生成的土的工程性质差异也很大。1.2

土的三相组成●土的三相组成是指土由固体颗粒、液体水和气体三部分组成。土中的固体矿物构成土的骨架,骨架之间贯穿着大量的孔隙,孔隙中充满着液体水和气体。●土体三相比例不同，土的状态和工程性质也随之各异，例如：固体+气体（液体=0）为干土，此时粘土呈坚硬状态，砂土呈松散状态；固体+液体+气体为湿土，此时粘土多为可塑状态；固体+液体（气体=0）为饱和土，此时粉细砂或粉土遇强烈地震，可能产生液化，而使工程遭受破坏；粘土地基受建筑物荷载作用发生沉降需几十年才能稳定。土的三相组成

土是由固相、液相、气相组成的三相分散系。固相——包括多种矿物成分组成土的骨架，骨架间的空隙为液相和气相填满，这些空隙是相互连通的，形成多孔介质；液相——主要是水(溶解有少量的可溶盐类)；气相——主要是空气、水蒸气，有时还有沼气等。1.2.1

土的固体颗粒

土是岩石风化的产物。因此土粒的矿物组成将取决于成土母岩的矿物组成及其后的风化作用。成土矿物可分为两大类：原生矿物

●由岩石经物理风化生成的，●颗粒成分与母岩的相同，●常见的有石英、长石和云母●颗粒较粗，多呈浑圆形状，●吸附水的能力弱，无塑性。次生矿物●由原生矿物经化学风化生成的新矿物●它的成分成分与母岩的完全不同，●有高岭石、伊利石和蒙脱石粘土矿物●颗粒极细，且多呈片状，●性质活泼，吸附水能力强，具塑性。水溶盐可溶性次生矿物。常见的有岩盐、钾盐、石膏、方解石，硫酸盐类还对金属和混凝土有一定的腐蚀作用有机质动植物分解后的残骸，称为腐殖质。其颗粒极细，粒径小于0.1m，呈凝胶状，带有电荷，具极强的吸附性。1.2.1

土的固体颗粒（一）土的颗粒级配

1.土颗粒的大小直接决定土的性质；

2.粒径——颗粒直径大小，界限粒径——划分粒组的分界尺寸。

3.粒组——将粒径大小接近、矿物成分和性质相似的土粒归并为若干组别即称为粒组。可划分：

2006020.0750.005mm

漂石卵石

砾石

砂粒

粉粒

粘粒

4.颗粒级配——土粒的大小及组成情况，通常以土中各个粒组的相对含量来表示，称为土的颗粒级配。●级配的测室方法：

—筛析法（>0.075mm)比重计法(<0.075mm)三、级配曲线

颗粒分析试验结果，绘制图的粒径级配曲线。用半对数坐标绘制。纵坐标表示小于某粒径的土重占总土重的百分数，横坐标用对数坐标表示土的粒径。

①不均匀系数定义为（Cu）

②曲率系数定义为（Cc）式中：d60—限定粒径。当小于某粒径的土粒质量累计百分数为60%时，相应的粒径称为d60

。

d10—有效粒径。当小于某粒径的土粒质量累计百分数为10%时，相应的粒径称为d10。

d30—当小于某粒径的土粒质量累计百分数为30%时的粒径用d30表示。级配曲线●不均匀系数Cｕ反映大小不同粒组的分布情况。Cｕ越大表示土粒大小的分布范围越大、其级配越良好，作为填方工程的土料时，则比较容易获得较大的密实度。曲率系数Cc描写累积曲线的分布范围，反映曲线的整体形状。●曲线平缓，粒径大小相差悬殊，土粒不均匀。颗粒级配可以在一定程度上反映土的某些性质。对于级配良好（Cｕ>10，且Cc=1~3)的土，较粗颗粒间的孔隙被较细的颗粒所填充，因而土的密实度较好，相应的地基土的强度和稳定性也较好．透水性和压缩性也较小，可用作堤坝或其它土建工程的填方土料。级配良好1.2.2

土中水

土中水处于不同位置和温度条件下，可具有不同的物理状态——固态、液态、气态。液态水是土中孔隙水的主要存在状态，因其受土粒表面双电层影响程度的不同可分为结合水、毛细水、重力水。后两者也称为非结合水（自由水）。1．结合水

土颗粒表面带有一定的电荷，当土粒与水相接触时，由于静电作用力，将吸引水化离子和水分子，形成双电层，在双电层影响下的水膜称为表面结合水。双电层的厚薄也反映了结合水的厚薄，结合水具有与一般自由水不同的性质，其密度较大、粘滞度高、流动性差、冰点低、比热较大、介电常数较低。这种差异随距离增加而减弱。

2.自由水(非结合水)

在双电层影响以外的水为自由液态水，它主要受重力作用的控制，土粒表面吸引力居次要地位，这部分水称为非结合水，它包括毛细水和重力水。(1)毛细水

毛细水是受到水与空气交界面处表面张力作用的自由水。毛管现象是毛细管壁对水的吸力和水的表面张力共同作用的结果。(2)重力水

重力水是存在于地下水位以下的适水土层中的地下水。它是在重力或压力差作用下运动的自由水，对土粒有浮力作用。重力水只受重力控制，不受土粒表面吸引力的影响。1.2.3

土中气土中的气体成分与大气相通

压缩性高；与大气隔绝

降低透水性一般空气中成分；微生物产生可燃气体（H2S）岩石物理风化化学风化土原生矿物次生矿物颗粒通常是由一种或几种原生矿物所组成，它的成分成分与母岩的相同，颗粒一般较粗，吸附水的能力弱，性质比较稳，无塑性。化学风化仅使岩石产生质的变化物理风化仅使岩石产生量的变化原生矿物经化学风化生成的新矿物，它的成分成分与母岩的完全不同。颗粒极细，性质活泼，有较强的吸附水能力，具塑性。土粒的粒径由粗到细逐渐变化时，土的性质相应地发生变化土粒的大小及其组成粘土颗粒性质1.3土的物理性质指标

土的三相比例指标是其物理性质的反映，但与其力学性质有内在联系，显然固相成分的比例越高，其压缩性越小，抗剪强度越大，承载力越高。

土的物理三相指标确定●三相比例指标反映了土的干燥与潮湿、疏松与紧密，是评价土的工程性质的最基本的物理性质指标，也是工程地质勘察报告中不可缺少的基本内容。●三相比例指标可分为两种，一种是试验指标（基本指标）；另一种是换算指标。●反映土的松密程度的指标有：土的孔隙比e、孔隙率n；反映了土的含水程度的指标有：含水量ω、饱和度Sr；特定条件下土的重度有：重度γ、干重度γd、饱和重度γsat、浮重度γ’。●三项基本指标（重度γ、比重ds、含水量ω）（1）土的重度γ定义：单位体积土的重量。公式：γ=W/V

单位：kN/m3

换算公式：γ=ρ·g=9.81ρ范围：16~22（2）土粒比重（相对密度）定义：土粒重度与同体积4℃时纯水的重度比值，公式：单位：无量纲换算公式：范围：土的名称砂土粉土粘性土土粒比重2.65－2.692.70－2.712.72－2.75(3)含水量ω定义：土中水的重量与土粒重量之比，称为~.公式：

ω=Ww/Ws

单位：无，%换算公式：常见值：砂土ω=（0~40)%;粘性土ω=（20~60)意义：表示湿度的物理指标，与土的种类，埋藏条件及其所处的自然地理环境等有关。测定方法：烘干法。(4)土的孔隙比e定义：土中孔隙体积与土粒体积之比。公式：e=Vv/Vs

换算公式：范围：粘性土和粉土:(0.4~1.2);砂土:(0.3~0.9);(5)孔隙率n定义：土中孔隙所占总体积之比，用百分数表示。

物理意义：表示土中孔隙大小的程度。公式：

n=Vv/V单位：%换算公式：范围：粘性土和粉土:(30~60);砂土:(25~45)。

（6）饱和度Sr定义：土中水的体积与孔隙体积之比，用%表示。物理意义：表示水在孔隙中充满的程度。公式：

Sr=Vw/Vv

换算公式：γ=ρ·g=9.81ρ范围：

Sr=0~1工程应用：饱和度可以反映土的干湿程度，砂土根据饱和度Sr的指标值分为稍湿、很湿与饱和三种湿度状态，其划分标准见下表：

砂土砂土是指粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重50%、粒径大于0.075mm的颗粒超过全重50%的土。砂土按粒组含量分类如下表。（7）干重度γd定义：单位体积土中固体颗粒的重量。公式：γd=Ws/V

单位：

kN/m3

范围：13~18换算公式：（8）饱和重度γsat定义：土的孔隙中全部充满水时单位体积土的重量。公式：单位：

kN/m3

范围：18~23换算公式：（9）浮重度γ’定义：地下水位以下，土体受水的浮力作用时，扣除水的浮力后单位体积土的重量。公式：单位：

kN/m3

范围：8~13换算公式：※几种重度之间的内在联系：几种重度之间的内在联系举例加深理解其指标关系：【例题1-1】

已知土的试验指标为g=18KN/m3

，rs=2.7g/cm3和w=12％，求e,Sr和gd

。解：可以有两种解答。第一种方法直接用P12表1.3中的换算公式;

第二种方法利用试验指标的定义分别求出三相物质的重力和体积,然后按定义计算.【例题1-2】已知饱和粘土的含水量为36%,求其空隙比和饱和度.解：此题只给出一个条件,但同时有饱和、粘土二个可利用的隐含条件。1.4土的物理状态指标★所谓土的物理状态，对于无粘性土是指土的密实度；对于粘性土是指土的软硬程度或称粘性土的稠度。1.4.1无粘性土（砂土）的密实度

1.4.2粘性土的稠度1.4.1无粘性土的密实度★砂土的密实度对其工程性质具有重要的影响。密实的砂土具有较高的强度和较低的压缩性，是良好的建筑物地基；但松散的砂土，尤其是饱和松散砂土，不仅强度低，且水稳定性很差，容易产生流砂、液化等工程事故。对砂土评价的主要问题是正确地划分其密实度。

★土的密实度通常是指单位体积中固体颗粒充满的程度.密实度反映无粘性土工程性质的主要指标。判别砂土的密实度有以下三种方法。1.

用孔隙比e为标准

表1砂土的密实度（74规范）

密实度土的名称密实中密稍密松散砾砂、粗砂、中砂e〈0.60.6〈

e〈0.750.75〈

e〈0.85e〉0.85细砂、粉砂e〈0.70.7〈

e〈0.850.85〈

e〈0.95e〉0.95评价：（1）优点简捷方便；（2）缺点无法反映土的粒径级配因素。2.

用相对密实度Dr为标准Dr—土的相对密实度；emax—土的最大孔隙比；emin—土的最大孔隙比；e—土的天然孔隙比。评价：（1）优点理论上完善；

（2）缺点实际上难以操作。3.

用标准贯入试验N为标准●标准贯入试验(SPT)是动力触探的一种，它利用一定的锤击动能（锤重63.5kg，落距76cm），将一定规格的对开管式的贯入器打入钻孔孔底的士中，根据打入土中的贯阻抗，判别土层的工程性质。贯入阻抗用贯入器贯入土中30cm的锤击数N63.5表示，N63.5

也称为标贯击数。●该实验的的应用主要有评定砂土的相对密度、评定地基土承载力、估算单桩承载力等。

1.4.2

粘性土的稠度★稠度指粘性土含水量不同时所表现出的物理状态,它反映了土的软硬程度或对外力引起的变化或破坏的抵抗能力的性质.★随着含水量的改变，粘性土将经历不同的物理状态。当含水量很大时，土是一种粘滞流动的液体即泥浆，称为流动状态；随着含水量逐渐减少，粘滞流动的特点渐渐消失而显示出塑性，称为可塑状态；当含水量继续减少时，则发现土的可塑性逐渐消失，从可塑状态变为半固体状态。如果同时测定含水量减少过程中的体积变化，则可发现土的体积随着含水量的减少而减小，但当含水量很小的时候，土的体积却不再随含水量的减少而减小了，这种状态称为固体状态。粘性土的稠度：界限含水量粘性土由一种状态转到另一种状态时的分界含水量。液限wL流动状态与可塑状态间的分界含水量称~；塑限wp可塑状态与半固体状态间分界含水量称~；缩限ws半固体状态与固体状态间的分界含水量称粘性土的稠度一、测试方法1.用搓条法测定塑限wp2.用平衡锥式液限仪测定液限wL3.采取的液限塑限联合测定法

4.用收缩皿法测定缩限ws

1.用搓条法测定塑限wp

搓条法:即用双手将天然湿度的土样搓成小圆球（球径小于10mm），放在毛玻璃板上再用手掌慢慢搓滚成小土条，用力均匀，搓到土条直径为3mm，出现裂纹，自然断开，这时土条的含水量就是塑限Wp值。搓好的泥条

2.用平衡锥式液限仪测定WL

其工作过程是：将粘性土调成均匀的浓糊状，装满盛土杯，刮平杯口表面，将76克重圆锥体轻放在试样表面的中心，使其在自重作用下徐徐沉入试样，若圆锥体经5秒种恰好沉入10mm深度，这时杯内土样的含水量就是液限Wl值。为晃动影响，可采用电磁锥式液限仪

为了避免放锥时的人放锥的方法。3.采取的液限塑限联合测定法本试验方法适用于粒径小于0.5mm，以及有机质含量不大于试样总质量5％的土。液、塑限联合测定仪：锥质量为76g，锥角为30o，读数显示形式宜采用光电式，游标式，百分表式。2.天平，称量200g，感量0.01g。取0.5mm筛下的代表性试样200g．分成三份，放入盛土皿中，加不同数量的纯水，制成不同稠度的试样。试样的含水量宜分别接近限、塑限和二者的中间状态。将试样调匀，盖上湿布，湿润过夜。测定三个试样的圆锥下沉深度和含水量。

二、塑性指数

Ip（1）定义：是指液限和塑限的差值（省去%号），即土处在可塑状态的含水量变化范围，用IP表示。

Ip=ωl-ωp

（2）物理意义：塑性指数愈大，土处于可塑状态的含水量范围也愈大。塑性指数的大小与土中结合水的可能含量有关，土中结合水的含量与土的颗粒组成、矿物组成以及土中水的离子成分和浓度等因素有关。（3）工程应用：由于塑性指数在一定程度上综合反映了影响粘性土特征的各种重要因素，因此，在工程上常按塑性指数对粘性土进行分类。三、液性指数

IL（1）定义：是指粘性土的天然含水量与塑限的差值除以塑性指数，用IL表示。即：

（2）物理意义：液性指数有称相对稠度，反映了土的硬度不同。

（3）工程应用：根据Il不同，可划分五种软硬不同的状态。《建筑地基基础设计规范》规定粘性土划分：四、活动度A（1）定义：粘性土的塑性指数与土中胶粒含量百分数的比值，用A表示。

P0.002—粒径〈0.002mm颗粒占总重量的百分比.（2）物理意义：反映粘性土中所含矿物的活动性,它也是衡量土中粘性矿物吸附结合水的能力.A<0.75非活性粘土;A>1.25活性粘土;(0.75----1.25)正常粘土。五、灵敏度（St）

（1）定义：是指粘性土的原状土的无侧限抗压强度qu与重塑土的无侧限抗压强度qur比值，用St

表示。

St=qu/qur

（2）物理意义：

反映了粘性土的结构性的强弱。（3）工程应用：保护基槽，以免破坏破坏其结构，降低地基强度。1.5

土的工程分类●土的分类与定名的必要性；●土的分类原则：将其划分为一定的类别，同一类别的土在工程地质性质上应比较接近。

1、根据地质成因可分为残积土、坡积土、洪积土、冲积土、风积土等。

2、根据颗粒级配或塑性指数可分为碎石土、砂土、粉土和粘性土。

3、根据土的工程特性的特殊性可分为一般土和特殊土●土的分类标准：世界各国、各地区、各部门，根据自己的传统和经验，都有自己的分类标准。据《建筑地基基础设计规范》1.5.1

岩石（1）定义：颗粒间牢固联结，形成整体、节理、裂隙的岩体。（2）分类：●按成因分为岩浆岩、沉积岩和变质岩；●按坚硬程度分为坚硬岩、较硬岩、较软岩、软岩、极软岩等5类；●按风化程度分为未风化、微风化、中风化、强风化、全风化等5类；●根据完整性可分完整、较完整、较破碎、破碎和极破碎等5类。1.5.2

碎石土定义：粒径>2mm的颗粘含量超过全重的50%。分类：按粒径和颗粒形状可进一步划分为漂石、块石、卵石、碎石、圆砾和角砾，见下表。碎石土的分类（GBJ7-89）

1.5.3砂土定义：指粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重50%、粒径大于0.075mm的颗粒超过全重50%的土。

分类：砂土按粒组含量分类如下表1.5.4粉土

粉土是指粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过总质量的50％，且塑性指数

Ip小于或等于10的土。粉土是介于砂土和粘性土之间的过渡性土类，它具有砂土和粘性土的某些特征，根据粘粒含量可以将粉土再划分为砂质粉土和粘质粉土。

1.5.5

粘性土

粘性土是指塑性指数大于10的土。根据塑性指数大小，粘性土可再划分为粉质粘土和粘土两个亚类：当

10<Ip≤17

时为粉质粘土；当Ip>17时为粘土。又可按沉积年代分类1.5.6

人工填土●人工填土是指由人类活动而堆填的土。其物质成分较杂，均匀性较差。根据其物质组成和堆填方式，填土可分为素填土、杂填土、冲填土和压实填土四类。各类填土应根据下列特征予以区别：

1、素填土是由碎石、砂或粉土、粘性土等一种或几种材料组成的填土，其中不含杂质或含杂质很少。按主要组成物质分为碎石素填土、砂性素填土、粉性素填土及粘性填土。经分层压实后则称为压实填土。

2、杂填土是含大量建筑垃圾、工业废料或生活垃圾等杂物的填土。按其组成物质成分和特征分为建筑垃圾土、工业废料土及生活垃圾土。

3、冲填土为由水力冲填泥浆形成的填土。特殊土（Ⅰ）●特殊土是指在特定地理环境或人为条件下形成的具有特殊性质的土。它的分布一般具有明显的地域性。特殊土包括软土、人工填土、湿陷性黄土、红粘土、膨胀土、多年冻土等。▲软土是指沿海的滨海相、三角洲相、湖泊相、沼泽相等主要由细粒土组成的土，具有孔隙比大（一般大于1）、天然含水量高（接近或大于液限）、压缩性高和强度低的特点。包括淤泥、淤泥质粘性土、淤泥质粉土等。多数还具有高灵敏度的结构。

淤泥：天然含水量大于液限，天然孔隙比≥1.5的粘性土。

淤泥质土：天然孔隙比小于1.5但≥1.0的粘性土。当土中有机质含量大于5%时称为有机质土；大于60%时则称泥炭。泥炭往往以夹层构造存在于一般粘性土层中，对工程十分不利，必须引起足够重视。

特殊土（Ⅱ）▲湿陷性黄土：是指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大于0.015时为湿陷性黄土。▲红粘土：是指碳酸盐岩系出露的岩石，经红土化作用形成并覆盖于基岩上的棕红、褐黄等颜色的高塑性粘土。其液限一般大于50，上硬下软，具明显的收缩性，裂隙发育，经坡、洪积再搬运后仍保留红粘土基本特征，液限大于45小于50的土称为次生红粘土。我国的红粘土以贵州、云南、广西等省区最为典型，分布广。特殊土（Ⅲ）▲膨胀土：一般是指粘粒成分主要由亲水性粘土矿物（以蒙脱石和伊利石为主）所组成的粘性土，在环境和湿度变化时，可产生强烈的胀缩变形，具有吸水膨胀、失水收缩的特性。已有的建筑经验证明，当土中水份聚集时，土体膨胀，可能对与其接触的建筑物产生强烈的膨胀上抬压力而导致建筑物的破坏；土中水分减少时，土体收缩并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。▲多年冻土：是指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或三年以上的土。当自然条件改变时，会产生冻胀、融陷、热融滑塌等特殊不良地质现象及发生物理力学性质的改变。【例题1-3】

完全饱和的土样含水量为30％，液限为29％，塑限为17％，试按塑性指数分类法定名，并确定其状态。【解】求塑性指数IP

：求液性指数IL

：根据定名标准该土样应为粉质粘土，其状态为流塑状态。本章小结

主要讨论了土的物质组成以及定性、定量描述其物质组成的方法，包括土的三相组成、土的三相指标、土的结构构造、粘性土的界限含水量、砂土的密实度和土的工程分类等。这些内容是学习土力学原理和基础工程设计与施工技术所必需的基本知识，也是评价土的工程性质、分析与解决土的工程技术问题时讨论的最基本的内容。巩固与提高

问题：1.何谓土粒粒组？土粒六大粒组划分标准是什么？2.在土的三相比例指标中，哪些指标是直接测定的？其余指标的导出思路主要是什么？

3.塑性指数的定义和物理意义是什么？Ip大小与土颗粒的粗细有何关系?Ip大的土具有哪些特点？

4.在土类定名时，无粘性土与粘性土各主要依据什么指标？

5.砂土的密实度如何判别？不同指标如何使用？

作业（参考答案）P22思考题：1.1；1.2；1.4；1.5。1.1:工程上常把大小相近的土粒合并为组，称为粒组。粒组间的分界线是人为划定的，划分时应使粒组界限与粒组性质的变化相适应，并按一定的比例递减关系划分粒组的界限值

。其标准是粒径范围和土粒所具有的一般特征，如透水性大小、有无粘性，有无毛细水等。1.2：重度γ、比重ds、含水量ω、孔隙比e、孔隙率n；、饱和度Sr；干重度γd、饱和重度γsat、浮重度γ’。其中三项基本指标（重度γ、比重ds、含水量ω）用环刀法测密度（天然密度和干密度），比重瓶法测重度、烘干法测含水量。1.4：无粘性土的常见土类有砂土和碎石土，对这两类土的定名可依据砂土和碎石土的定义进行。。。注意问题：定名时要根据粒径分组由大到小一最先符合者确定。1.5：粘性土物理特征指标有：稠度（可通过界限含水的测定，锥式、碟式液限仪测液限；液塑限联合测定仪测液、塑限；用收缩皿法测定缩限。）塑性指数（定名指标）；液性指数（定态指标）；活动度和灵敏度。习题：1.2；1.3；1.5；1.6；1.7。

土中水的运动规律

2.1土的毛细性土的毛细性是指能够产生毛细现象的性质。土的毛细现象是指土中水在表面张力作用下，沿着细的孔隙向上及其它方向移动的现象。毛细现象在以下四个方面对工程有影响：（1）毛细水的上升是引起路基冻害因素之一；（2）对建筑毛细水上升引起地下室过分潮湿；（3）毛细水的上升可能引起土地的沼泽化和盐渍化；（4）当地下水有浸蚀性时，毛细水上升对建筑物和构筑物的基础中的混凝土、钢筋等形成浸蚀作用。土层中毛细水分布土层中由于毛细现象所润湿的范围称为毛细水带，根据其形成条件和分布状况分成3带：（1）正常毛细水带（毛细饱和带）。位于毛细水带的下部，与地下潜水相通。主要是由潜水面直接上升而形成的。随水位升降而移动。（2）毛细网状水带。位于毛细水带的中部，可在表面张力和重力作用下移动。（3）毛细悬挂水带。位于毛细水带的上部，主要是由地表水渗入而成的。在重力作用下移动。地下水上升原理由于液体与空气的分界面上存在着表面张力，因而在液体表面表面任意划一条线，线两侧的液体都会和拢；另外，毛细管管壁的分子和水分子之间有引力作用，这个引力使与管壁接触部分的水面呈向上弯曲状，这种现象称为~毛细水的上升是由于液体的“表面张力”和毛细管的“湿润现象”产生的。2.2土的渗透性※存在于地基中的地下水，在一定的压力差作用下，将透过土中孔隙发生流动，这种现象称为渗流或渗透。※下面讨论四个问题：

1.渗透模型；

2.层流渗透定律；

3.渗透系数的确定；

4.动水压力及流砂现象。渗透模型(1)模型的流量等于真实的流量；

(2)模型的压力等于真实的压力

(3)模型所受到的阻力与真实渗流所受到的阻力相等。

考虑到实际工程可对渗流作如下简化：一是不考虑渗流路径的迂回曲折；二是不考虑土体中颗粒的影响，这种假想的渗流模型

对于渗透速度，用单位时间内通过土体单位面积的水量这种平均渗透速度来代替真实速度。层流渗透定律

装置中①是面积为A的直立圆筒，其侧壁装有两支相距为L的侧压管。滤板②填放颗粒均匀的砂土。水由上端注入圆筒，多余的水从溢水管③溢出，使筒内的水位维持恒定。渗透过砂层的水从短水管④流入量杯⑤中，并以此来计算渗流量Q。

得出：流量Q与过水面积A和水头（h1-h2）成正比与渗透路径L成反比，即达西定律：

Q=KA(h1-h2)/L达西渗透实验装置达西定律的适用范围

达西定律是由砂质土体实验得到的，后来推广应用于其他土体如粘土和具有细裂隙的岩石等。

(a)细粒土的v-i关系(b)粗粒土的v-i关系

①砂土、一般粘土;②颗粒极细的粘土

渗透系数的确定

渗透系数k是综合反映土体渗透能力的一个指标，其数值的正确确定对渗透计算有着非常重要的意义。影响渗透系数大小的因素很多，主要取决于土体颗粒的形状、大小、不均匀系数和水的粘滞性等，要建立计算渗透系数k的精确理论公式比较困难，通常可通过试验方法(包括实验室测定法和现场测定法)或经验估算法来确定k值。

实验室测定法a常水头试验装置;b.变水头试验装置。

k>10-3

为细砂到中等卵石;透水性较小

(10-7<k<10-3)粘性土.现场测定法有野外注水试验和抽水试验等，是在现场钻井孔或挖试坑，在往地基中注水或抽水时，量测地基中的水头高度和渗流量，再根据相应的理论公式求出渗透系数k值。(a)无压完整井抽水试验;(b)无压非完整井抽水试验

经验估算法●1991年

哈森提出用有效粒径d10计算较均匀砂土的公式:

●1955年，太沙基提出考虑土体孔隙比e的经验公式:

表1土的渗透系数参考值

2.3动水压力及流砂现象1.动水压力(渗透力）定义：水在土中流动的过程中将受到土阻力的作用，使水头逐渐损失。同时，水的渗透将对土骨架产生拖曳力，导致土体中的应力与变形发生变化。这种渗透水流作用对土骨架产生的拖曳力称为~。用GD表示(kN/m3)。

※在许多水工建筑物、土坝及基坑工程中，渗透力的大小是影响工程安全的重要因素之一。实际工程中，也有过不少发生渗透变形(流砂或管涌)的事例，严重的使工程施工中断，甚至危及邻近建筑物与设施的安全。因此，在进行工程设计与施工时，对渗透力可能给地基土稳定性带来的不良后果应该具有足够的重视。动水压力及流砂现象2.动水压力(渗透力）计算

渗透力的大小与计算点的位置有关。根据对渗流网中的孔隙水压力和土粒间作用力的分析，得出单位体积内土粒受到的单位渗透力为：式中

i

为水力梯度；γw—水的容重。

※当水力梯度超过一定界限值后，土中的渗流水流会把部分土体或土颗粒冲出、带走，导致局部土体发生位移，位移达到一定程度，土体将发生失稳破坏，这种现象称为渗透变形。※主要有两种形式，即流砂与管涌。渗流水流将整个土体带走的现象称为流砂；渗流中土体大颗粒之间的小颗粒被冲出的现象称为管涌。动水压力及流砂现象3.流砂现象、管涌和临界水力梯度

※在粘性土中，渗透力的作用往往使渗流逸出处某一范围内的土体出现表面隆起变形；而在粉砂、细砂及粉土等粘聚性差的细粒土中，水力梯度达到一定值后，渗流逸出处出现表面隆起变形的同时，还可能出现渗流水流夹带泥土向外涌出的砂沸现象，致使地基破坏，工程上将这种流土现象称为流砂。

※管涌是在渗流过程中，土体中的化合物不断溶解、细小颗粒在大颗粒间的孔隙中移动，形成一条管状通道，最后土粒在渗流逸出处冲出的一种现象。

※流砂的临界状态对应的水力梯度icr（临界水力梯度）可用下式表示：

2.4流网及其应用1.渗流问题的求解方法简介

；2.

流网及其性质

；3.流网的绘制

；4.流网的工程应用。

渗流问题的求解方法简介※在实际工程中，经常遇到边界条件较为复杂的二维或三维问题，在这类渗流问题中，渗流场中各点的渗流速度v与水力梯度i等均是位置坐标的二维或三维函数。对此必须首先建立它们的渗流微分方程，然后结合渗流边界条件与初始条件求解。※在实际工程中，渗流问题的边界条件往往比较复杂，其严密的解析解一般都很难求得。因此对渗流问题的求解除采用解析解法外，还有数值解法、图解法和模型试验法等，其中最常用的是图解法即流网解法。流网及其性质

各向同性土的流网具有如下性质：

1、

流网是相互正交的网格；

2、

流网为曲边正方形；

3、

任意两相邻等势线间的水头损失相等；

4、

任意两相邻流线间的单位渗流量相等。闸基的渗流流网

流网的绘制

大致有三种：解析法、实验法（有水电比拟法）、近似作图法（手描法）。其步骤大致为：先按流动趋势画出流线，然后根据流网正交性画出等势线，形成流网。如发现所画的流网不成曲边正方形时，需反复修改等势线和流线直至满足要求。

1）首先将建筑物及土层剖面按一定的比例绘出，并根据渗流区的边界，确定边界线及边界等势线；

2）根据流网特性，初步绘出流网形态；

3）逐步修改流网。流网的工程应用

正确地绘制出流网后，可以用它来求解渗流量、渗流速度。

1）水力梯度计算：

2）渗流速度计算：

3）渗流量计算：当ai=bi本章小结

介绍了地基土渗透理论的建立与平面稳定渗流问题的流网解法、渗透系数的确定方法以及渗透力与渗透变形等内容。存在于地基中的重力水将在水力梯度的作用下发生流动而形成渗流。不同的土具有不同的透水能力，主要由土的颗粒组成和孔隙比等决定。土的透水性定量指标是渗透系数，渗透系数值愈大，表示土的透水能力愈强。渗透系数通常可通过试验方法或经验估算法来确定。研究渗流问题的基本定律是达西定律，求解平面稳定渗流问题的常用方法是流网解法。渗流的作用将在地基土中产生渗透力，而渗透力的增大将可能导致土体发生流砂与管涌二种渗透变形。

巩固与提高

问题：1.达西渗透定律的应用条件是什么？

2.渗透变形中那种变形容易发生？

3.毛细现象对工程有哪些影响？4.确定渗透系数的方法有哪几种？它们的适用条件是什么？

土中应力计算3.1概述3.1.1

土中应力计算的目的及方法

※土中应力增量将引起土的变形，从而使建筑物发生下沉、倾斜及水平位移等；

※土中应力过大时，也会导致土的强度破坏，甚至使土体发生滑动而失稳。

※因此，研究土体的变形、强度及稳定性等力学问题时，都必须掌握先掌握土中应力状态。所以计算土中应力分布是土力学的重要内容。

※计算土中应力分布可利用弹性力学理论，因为：●土的分散性影响；●土的非均质性和非理想弹性的影响；●地基土可视为半无限体。

3.1概述3.1.2土中一点应力状态分析

通过平面应力问题分析，一点的应力状态可由σx，σy，τxy或最大、最小主应力σ1，σ3完全确定。令：平衡方程斜截面的应力：二、应力符号规定在用摩尔圆进行分析时，法向应力仍以压为正，剪应力方向的符号规定则与材料力学相反。材料力学中规定剪应力以顺时针方向为正，土力学中则规定剪应力以逆时针方向为正。3.2土中自重应力计算由于土本身的有效重力引起的应力称为自重应力。自重应力一般是自土体形成之日起就产生于土中。

※均质土自重应力计算；

※成层土自重应力计算；

※有地下水土时自重应力计算；

※存在隔水层时水土自重应力计算；

※土中水平自重应力。

3.2

土中自重应力计算

在深度z处平面上，土体因自身重力产生的竖向应力σcz（称竖向自重应力）等于单位面积上土柱体的重力W，如下图所示。在深度z处土的自重应力为：

3.2.1均质土自重应力计算

从上式可知，自重应力随深度z线性增加，呈三角形分布图形。式中：g为土的重度，KN/m3；A

为土柱体的截面积，m2。

3.2

土中自重应力计算

3.2.2成层土自重应力计算式中：n为从地面到深度z处的土层数；

hi

为第I层土的厚度，m。

地基土通常为成层土。当地基为成层土体时，设各土层的厚度为hi，重度为gi，则在深度z处土的自重应力计算公式为:

成层土的自重应力沿深度呈折线分布，转折点位于γ值发生变化的土层界面上。3.2

土中自重应力计算

3.2.3有地下水土时自重应力计算

当计算地下水位以下土的自重应力时，应根据土的性质确定是否需要考虑水的浮力作用。通常认为水下的砂性土是应该考虑浮力作用的。粘性土则视其物理状态而定，一般认为，若水下的粘性土其液性指数IL＞1，则土处于流动状态，土颗粒之间存在着大量自由水，可认为土体受到水浮力作用；若IL≤0，则土处于固体状态，土中自由水受到土颗粒间结合水膜的阻碍不能传递静水压力，故认为土体不受水的浮力作用；若0＜IL＜1，土处于塑性状态，土颗粒是否受到水的浮力作用就较难肯定，在工程实践中一般均按土体受到水浮力作用来考虑。若地下水位以下的土受到水的浮力作用，则水下部分土的重度按有效重度g’计算，其计算方法同成层土体情况。3.2

土中自重应力计算当地基中存在隔水层时，隔水层面以下土的自重应考虑其上的静水压力作用。

3.2.4

存在隔水层时土的自重应力计算γi—第i层土的天然重度，对地下水位以下的土取有效重度，取γ’i

；

hw—地下水到隔水层的距离(m)。

总之：在地下水位以下，如埋藏有不透水层,由于不透水层中不存在水的浮力，所以层面及层面以下的自重应力应按上覆土层的水土总重计。折线图遇地下水时折线往回收；遇不透水层时有一突跃值。

3.2

土中自重应力计算

3.2.5土中水平自重应力计算μ为泊松比，K0—也叫侧压系数，（0.33~0.72），通过实验测定。

假定在自重作用下，没有侧向变形和剪切变形。根据弹性力学理论和土体侧限条件，则水平自重应力σcx，σcy有：水平自重应力：竖向自重应力：静止土压力系数：例题：例1：计算如图所示水下地基中的自重应力分布。例2：某工程地基如上图所示，若地下水位从地表下1.5m迅速降到4.5m，假设降水后土的重度不变，试计算降水前后粉质粘土层中土的竖向应力分布图。3.3

基底压力计算※建筑物荷载通过基础传递给地基的压力称基底压力（地基反力）。也就是作用于基础底面土层单位面积的压力，单位为kPa。※基底压力分布及其影响因素：相对刚度、地基土的性质、基础大小、形状和埋深、作用在基础上的荷载大小、分布和性质等。荷载和土性的影响

※当荷载较小时，基底压力分布形状如图a，接近于弹性理论解；荷载增大后，基底压力呈马鞍形(图b)；荷载再增大时，边缘塑性破坏区逐渐扩大，所增加的荷载必须靠基底中部力的增大来平衡，基底压力图形可变为抛物线型(图d)以至倒钟形分布(图c)。※刚性基础放在砂土地基表面时，由于砂颗粒之间无粘结力，其基底压力分布更易发展成图d所示的抛物线形；而在粘性土地基表面上的刚性基础，其基底压力分布易成图b所示的马鞍形。※根据弹性理论中圣维南原理，在总荷载保持定值的前提下，地表下一定深度处，基底压力分布对土中应力分布的影响并不显著，而只决定于荷载合力的大小和作用点位置。因此，除了在基础设计中，对于面积较大的片筏基础、箱形基础等需要考虑基底压力的分布形状的影响外，对于具有一定刚度以及尺寸较小的柱下单独基础和墙下条形基础等，其基底压力可近似地按直线分布的图形计算，即可以采用材料力学计算方法进行简化计算。

3.3

基底压力计算3.3

基底压力计算

3.3.2基底压力简化计算式中p—作用任基础上的竖向力设计值(kN)；

G—基础自重设计值及其上回填土重标准值的总重(kN)；

G=

GAd,

G其中为基础及回填土之平均重度，一般取20kN/m3，但在地下水位以下部分应扣去浮力，即取10kN/m3；

d—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)，对矩形基础A＝lb，l和b分别为其的长和宽。对于荷载沿长度方向均匀分布的条形基础，取单位长度进行基底平均压力设计值p(kPa)计算，A改为b(m)，而F及G则为基础截面内的相应值(kN/m)。基底压力分布是很复杂的，一般并非线形分布。当基础有一定刚度且基底尺寸较小时，工程上常将基底压力假定为线形分布，应用材料力学理论进行简化计算。（1）轴心荷载下的基底压力计算3.3

基底压力计算

3.3.2基底压力简化计算式中:pmax，

pmin—分别为基础底面边缘的最大、最小压力设计值(kPa)；

R—竖向荷载的合力，(kN)；

M—作用于基础底面形心的力矩设计值(kN.m)W—基础底面的抵抗矩,(m3)（2）偏心荷载下的基底压力计算3.3

基底压力计算

3.3.2基底压力简化计算①当e＜l/6时，基底压力分布图呈梯形[图(b)]；②当e=l/6时，则呈三角形[图(c)]；③当e＞l/6时，按计算结果，距偏心荷载较远的基底边缘反力为负值，即pmin<0[图(c)]（2）偏心荷载下的基底压力计算3.3

基底压力计算3.3.3

基底附加压力计算

※一般情况下，建筑物建造前天然土层在自重作用下的变形早已结束。因此，只有基底附加压力才能引起地基的附加应力和变形。※基底附加压力是基础底面处地基土在初始应力基础上增加的压力。该处的初始应力为基础底面处土的自重应力σcd，现有压力为基底压力p，所以基底附加压力p0等于基底压力p与自重应力σcd的差，即：3.4

土中附加压力

※土中的附加应力是由建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）。假设地基土是均匀、连续、各向同性的半无限空间线形弹性体，一般采用将基底附加压力当作作用在弹性半无限体表面上的局部荷载，用弹性理论求解的方法计算。●竖向集中力作用；●任意分布荷载作用下；●均布矩形荷载作用；●矩形面积三角形分布荷载作用；●圆形面积均布荷载作用；●条形荷载作用；3.4

土中附加压力

3.4.1竖向集中力作用土中附加应力计算在均匀的、各向同性的半无限弹性体表面作用一竖向集中力P时，半无限体内任意点M的应力可由布西奈斯克解计算，如下图所示。工程中常用的竖向正应力sz及地表上距集中力为r处的竖向位移w（沉降）可表示成如下形式：PK—土的竖向附加应力系数，是r/z的函数，可由表3.3查得。3.4

土中附加压力

3.4.2任意分布荷载作用下土中附加应力计算对实际工程中普遍存在的分布荷载作用时的土中应力计算，如下方法处理：当基础底面的形状或基底下的荷载分布不规则时，可以把分布荷载分割为许多集中力，然后用布西奈斯克公式和叠加原理计算土中应力。当基础底面的形状及分布荷载都是有规律时，则可以通过积分求解得相应的土中应力。3.4

土中附加压力

3.4.3均布矩形荷载作用土中附加应力计算在地基表面作用一分布于矩形面积(l×b)上的均布荷载p，计算矩形面积中点下深度z处M点的竖向应力σz值，可从下式解得：可用角点法计算矩形均布荷载任意点下的附加应力。3.4

土中附加压力

3.4.3均布矩形荷载作用土中附加应力计算矩形面积均布荷载作用下土中任意点下的附加应力计算可利用下式和叠加原理求解，此法称为角点法。3.4

土中附加压力

3.4.4矩形面积三角形分布荷载作用

当地基表面作用矩形面积(l×b)三角形分布荷载时，为计算荷载为零的角点下的竖向应力值sz1，可将坐标原点取在荷载为零的角点上，相应的竖向应力值sz可用下式计算：（1）荷载强度为零的角点下sz=Kt1pt（2）荷载强度最大的角点下sz=Kt2pt（3）任意点下的附加应力亦可按角点法计算。※应力系数at是n=l/b和m=z/b的函数，注意这里b值不是指基础的宽度，而是指三角形荷载分布方向的基础边长。3.4

土中附加压力

3.4.5圆形面积均布荷载作用（2）周边下土的附加应力计算公式：为了计算圆形面积上作用均布荷载p时土中任一点M(r,z)的竖向正应力，可采用原点设在圆心O的极坐标(如下图)，由公式在圆面积范围内积分求得：（1）圆心下土的附加应力计算公式：式中，m=z/r0，K0、Kr分别为附加应力系数，查表3.11可得。3.4

土中附加压力

3.4.6条形荷载作用土中附加应力计算（2）三角形分布条形荷载作用条形分布荷载下土中应力状计算属于平面应变问题，对路堤、堤坝以及长宽比l／b≥10的条形基础均可视作平面应变问题进行处理。（1）均布条形荷载作用下3.4

土中附加压力

3.4.7地基土的非均匀性对附加应力的影响在柔性荷载作用下，将土体视为均质各向同性弹性土体时土中附加应力的计算与土的性质无关。但是，地基土往往是由软硬不一的多种土层所组成，其变形特性在竖直方向差异较大，应属于双层地基的应力分布问题。有两种情况：一种是坚硬土层上覆盖着不厚的可压缩土层即薄压缩层情况；即E1＜E2时，则土中附加应力分布将发生应力集中的现象。另一种是软弱土层上有一层压缩性较低的土层即硬壳层情况，即E1＞E2，则土中附加应力将发生扩散现象。(a)

应力集中(b)

应力扩散本章小结

介绍了土的自重应力计算、各种荷载条件下的土中附加应力计算及其分布规律等。

土中应力指土体在自身重力、建（构）筑物荷载及其他因素作用下附加应力。土中应力过大时，会使土体因强度不够发生破坏，甚至使土体发生滑动失稳，引起土体变形，使建筑物发生沉降、倾斜以及水需平位移。

注意：土是三相体，具有各向异性和非线性。为简便起见，但仍采用弹性理论公式，将地基土视作均匀的、连续的、各向同性的半无限体，满足实际工程的要求。

土中自重应力的计算可归纳为

，而土中附加应力的计算可归纳为公式介绍了。

巩固与提高

问题：1.地基中自重应力的分布有什么特点？2.为什么自重应力和附加应力的计算方法不同？3.影响基底压力分布的因素有哪些？4.目前根据什么假设计算地基中的附加应力？这些假设是否合理可行？

土的压缩性与地基沉降计算4.1概述●土在自重应力或附加应力作用下，地基土要产生附加变形，包括体积变形和形状变形。对于土来说，体积变形通常表现为体积缩小。我们把这种在外力作用下土体积缩小得特性称为土的压缩性。●土的压缩性主要有两个特点：（1）土的压缩性主要是由于孔隙体积减少而引起的；（2）由于孔隙水的排出而引起的压缩对于饱和粘土来说需要时间，将土的压缩随时间增长的过程称为土的固结。●在建筑物荷载作用下，地基土主要由于压缩而引起的竖直方向的位移称为沉降。研究建筑物沉降包含两方面的内容：一是绝对沉降量的大小，亦即最终沉降；二是沉降与时间的关系，主要介绍太沙基的一维固结理论。●土体产生体积缩小的原因：(1)固体颗粒的压缩；(2)孔隙水和孔隙气体的压缩，孔隙气体的溶解；(3)孔隙水和孔隙气体的排出。●由于纯水的弹模约为2×106kPa，固体颗粒的弹模为9×l07kPa，土粒本身和孔隙中水的压缩量，在工程压力(100～600kPa)范围内，不到土体总压缩量的1/400，因此常可略不计。所以，土体压缩主要来自孔隙水和土中孔隙气体的排出。●孔隙中水和气体向外排出要有一个时间过程。因此土的压缩亦要一段时间才能完成。把这一与时间有关的压缩过程称为固结。土的压缩性概念4.2有效应力原理

作用于饱和土体内某截面上总的正应力s由两部分组成：一部分为孔隙水压力u，它沿着各个方向均匀作用于土颗粒上，其中由孔隙水自重引起的称为静水压力，由附加应力引起的称为超静孔隙水压力（孔隙水压力）；另一部分为有效应力s’，它作用于土的骨架（土颗粒）上，其中由土粒自重引起的即为土的自重应力，由附加应力引起的称为附加有效应力。饱和土中总应力与孔隙水压力、有效应力之间存在如下关系

（1）任一平面上受到的总应力等于有效应力加孔隙水压力之和；（2）土的强度的变化和变形只取决于土中有效应力的变化。4.3土的压缩性土的压缩试验与压缩性指标●土体的变形计算，需要取得土的压缩性指标，可以通过室内侧限压缩试验和现场原位试验得到。

▲室内压缩试验亦称固结试验，是研究土压缩性最基本的方法。

▲现场载荷试验是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发展以及稳定时的沉降量s，并绘制成p-s曲线，即获得地基土载荷试验的结果。●反映土的压缩性的指标主要有压缩系数、压缩模量、压缩指数和变形模量。土的压缩性的高低，常用压缩性指标定量表示，压缩性指标，通常由工程地质勘察取天然结构的原状土样进行。●侧限压缩试验亦称固结试验。所谓侧限，就是使土样在竖向压力作用下只能发生竖向变形，而无侧向变形。●室内压缩试验采用的试验装置为压缩仪(图片)。试验时将切有土样的环刀置于刚性护环中，由于金属环刀及刚性护环的限制，使得土样在竖向压力作用下只能发生竖向变形，而无侧向变形。在土样上下放置的透水石是土样受压后排出孔隙水的两个界面。压缩过程中竖向压力通过刚性板施加给土样，土样产生的压缩量可通过百分表量测。常规压缩试验通过逐级加荷进行试验，常用的分级加荷量p为：50kPa,100kPa,200kPa,300kPa,400kPa。室内压缩试验过程可参见如下图的室内压缩试验演示

。1.侧限压缩试验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。室内压缩试验采用的试验装置——固结仪

侧限压缩试验装置1—压力容器；2—透水石3—环刀，4—传压板，5—荷载；6—护环，7—土样。压缩曲线

e-lgp曲线确定压缩指数e-p

曲线确定压缩系数

回弹曲线和再压缩曲线压缩曲线特征：(1)卸荷时，试样不是沿初始压缩曲线，而是沿曲线bc回弹，可见土体的变形是由可恢复的弹性变形和不可恢复的塑性变形两部份组成。(2)回弹曲线和再压线曲线构成一迴滞环，土体不是完全弹性体；(3)回弹和再压缩曲线比压缩曲线平缓得多。(4)当再加荷时的压力超过b点，再压缩曲线就趋于初始压缩曲线的延长线土体变形机理非常复杂，不是理想的弹塑性体，而是具弹、粘、塑性的自然历史的产物。2、压缩指标●反映土的压缩性的指标主要有压缩系数、压缩指数、压缩模量和变形模量。●压缩系数：曲线上任意两点割线的斜率。可表示为：式中负号表示随着压力p的增加，e逐渐减少。压缩性不同的土，其压缩曲线的形状是不一样的。曲线愈陡，说明随着压力的增加，土孔隙比的减小愈显著，因而土的压缩性愈高。※自重应力p1增加到外荷作用土中应力p2(自重与附加应力之和)2、压缩指标●压缩指数：e~lgp坐标系统中的曲线上直线的斜率，即：※Cc是无量纲系数，同压缩系数a一样，压缩指数Cc值越大，土的压缩性越高。虽然压缩系数a

和压缩指数Cc

都是反映土的压缩性指标，但两者有所不同。前者随所取的初始压力及压力增量的大小而异，而后者在较高的压力范围内却是常量，不随压力而变。※卸载段和再加载段的平均斜率称为土的回弹指数Ce,而Ce《Cc。一般粘性土的Cc值在1.0左右，Ce值在(0.1~0.2)Cc之间。2、压缩指标●压缩模量：土体在完全侧限的条件下，竖向应力增量与竖向应变增量的比值。

或：为了便于应用和比较，通常采用压力由p1＝100kPa增加到p2

＝200kPa时所得的压缩系数a1-2来评定土的压缩性：Es的倒数成为土的体积压缩系数mv，它表示单位压应力变化引起的单位体积变化(MPa-1)。

a1-2<0.1MPa-1时，低压缩性土0.1≤a1-2<0.5MPa-1时，中压缩性土

a1-2≥0.5MPa-1时，高压缩性土2、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的比值。竖向应变中包括弹性应变和塑性应变，称之为变形模量。变形模量与压缩模量之间的关系：变形模量可以由现场静荷载试验或旁压试验测定。3.现场静荷载试验现场载荷试验是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发展以及稳定时的沉降量s，将上述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，即获得了地基土载荷试验的结果。地基土现场载荷试验图1－承压板

2－千斤顶

3－百分表

4－平台

5－支墩

6－堆载4.4基础最终沉降量计算1.定义:地基土层在建筑物荷载作用下，不断产生压缩，直至压缩稳定后地基表面的沉降量称为地基的最终沉降量。2.原因:其外因主要是建筑物荷载在地基中产生附加应力；内因是土的碎散性，孔隙发生压缩变形，引起地基沉降。3.目的:判断地基变形值是否超出允许的范围，以便在建筑物设计时，采取相应的工程措施，保证建筑物的正常使用。4.方法:有关地基沉降量的方法很多，工业与民用建筑中常见的有分层总和法和《规范》法，还有弹性理论法和数值计算法。(一)分层总和法1.计算原理:一般取基底中心点下地基附加应力来计算各分层土的竖向压缩量，认为基础的平均沉降量s为各分层上竖向压缩量Dsi之和。2.几点假设:地基土为一均匀的、等向的半无限空间弹性体；计算部位为基础中心点O下土柱所受附加应力σz进行计算；地基土的变形条件为侧限条件；计算深度因工程上附加应力扩散随深度而减少，计算到某一深度（受压层）即可。3.方法与步骤：

①绘制地基和基础的剖面图；②划分若干薄层；③计算各层的自重应力

c

与附加应力

z

，分别绘制其中心线左侧和右侧；④确定沉降计算深度Zn；⑤计算各薄层的压缩量Si；⑥计算地基最终沉降量S。分层总和法

取分层厚hi≤0.4b或hi=1~2m，b为基础宽度;取

z＝0.2

c(中、低压缩性土)或

z＝0.1

c(高压缩性土)处的土层深度为地基沉降计算深度。平均自重应力p1i

和平均附加应力

pi平均自重应力p1i

和平均自重应力p1i

与平均附加应力

pi

之和(p1i+

pi

)

,在压缩曲线上查出相应的初始孔隙比和压缩稳定后的孔隙比;计算各分层土的压缩量

si。地基最终沉降量s

的分层总和法公式：例题4.1

条形基础宽度为2.0m，传至地面的荷载为100kN／m，基础理置深度为1.2m，地下水位在基底以下0.6m，如下图所示，地基土的室内压缩试验试验e-p数据下表所示，用分层总和法求基础中点的沉降量。

压力

e值0

50100

200

300粘土①0.651

0.625

0.608

0.587

0.570

粉质粘土②0.978

0.889

0.855

0.809

0.773

【解】（1）地基分层：考虑分层厚度不超过0.4b=0.8m以及地下水位，基底以下厚1.2m的粘土层分成两层，层厚均为0.6m，其下粉质粘土层分层厚度均取为0.8m。（2）计算自重应力计算分层处的自重应力，地下水位以下取有效重度进行计算。计算各分层上下界面处自重应力的平均值，作为该分层受压前所受侧限竖向应力p1i。（3）计算竖向附加应力；基底平均附加应力为：

（4）将各分层自重应力平均值和附加应力平均值之和作为该分层受压后的总应力p2i。（5）确定压缩层深度：按sz/sc=0.2来确定压缩层深度，在z=4.4m处，sz/sc＝14.8/62.5=0.237＞0.2,在z=5.2m处，sz/sc＝12.7/69.0＝0.184＜0.2，所以压缩层深度可取为基底以下5.2m。（6）计算各分层的压缩量：（7）计算基