《土力學(xué)基礎(chǔ)知識》PPT課件.ppt

土與土力學(xué)基本知識,1.1 土的成因 1.2 土的組成 1.3 土的物理性質(zhì)指標 1.4 土的物理狀態(tài)指標 1. 5 土的壓縮性,主要內(nèi)容,1.6 土的抗剪性能,1.1 土的成因,大塊巖石,風化（物理、化學(xué)、生物）作用,巖石破碎 化學(xué)成分改變,搬運作用沉積作用,大小、形狀和成分都不相同的松散顆粒集合體（土）,土,固相,液相,氣相,土中顆粒的大小、成分及三相之間的相互作用和比例關(guān)系，反映出土的不同性質(zhì),一、土的生成,二、土的結(jié)構(gòu),土的結(jié)構(gòu)指土生成過程中所形成的土粒的空間排列及其連接形式。與組成土的顆粒大小、顆粒形狀、礦物成分和沉積條件有關(guān)。,1.單粒結(jié)構(gòu)： d0.075mm，粗礦物顆粒在水或空氣中在自重作用下沉落形成的單粒結(jié)構(gòu)，其特點是土粒間存在點與點的接觸。根據(jù)形成條件不同，可分為密實狀態(tài)和疏松狀態(tài)。,2.蜂窩結(jié)構(gòu)： d=0.0050.075mm的粉粒，顆粒間點與點接觸，由于彼此之間引力大于重力，接觸后，不再繼續(xù)下沉，形成鏈環(huán)單位,很多鏈環(huán)聯(lián)結(jié)起來，形成孔隙較大的蜂窩狀結(jié)構(gòu)。,3.絮狀結(jié)構(gòu)： d0.005mm，細微粘粒大都呈針狀或片狀，質(zhì)量極輕，在水中處于懸浮狀態(tài)。,1.2 土的組成(p88),一、土的固相土顆粒,土粒的大小、相關(guān)礦物成分以及大小搭配情況對土的物理力學(xué)性質(zhì)有明顯影響,1.粒組的劃分,粒組：粒徑大小在一定范圍內(nèi)的土粒，其礦物成分及性質(zhì)都比較接近，劃分為一個粒組。劃分粒組的分界尺寸稱為界限粒徑。,土,固相土顆粒：礦物、有機質(zhì),液相土中水：水及其溶解物,氣相土中氣：空氣和其他氣體,2.土的顆粒級配,工程上將各種不同的土粒按其粒徑范圍，劃分為若干粒組，為了表示土粒的大小及組成情況，通常以土中各個粒組的相對含量（即各粒組占土?？偭康陌俜謹?shù)）來表示，稱為土的顆粒級配。,試驗方法,篩分法： 適用于0.075mmd60mm,比重計法:適用于d0.075mm,篩分法,用一套孔徑不同的篩子，按從上至下篩孔逐漸減小放置。將事先稱過質(zhì)量的烘干土樣過篩，稱出留在各篩上的土質(zhì)量，然后計算其占總土粒質(zhì)量的百分數(shù)。 目前我國采用的標準篩的最小孔徑為0.075mm（或0.1mm）。,比重計法,利用不同大小的土粒在水中的沉降速度不同來確定小于某粒徑的土粒含量,顆粒級配曲線,縱坐標表示小于某粒徑的土粒含量百分比, 橫坐標表示土粒的粒徑(用對數(shù)坐標表示）,曲線陡，表示粒徑大小相差不多，土顆粒比較均勻，級配不良； 曲線緩，表示粒徑大小相差懸殊，土顆粒不均勻，級配良好。,顆粒級配的判別,不均勻系數(shù)Cu描述顆粒級配的不均勻程度，表明大小不同粒組的分布情況,d10 有效粒徑，小于某粒徑的土粒含量占總質(zhì)量的10%時相應(yīng)的粒徑 d60限定粒徑，小于某粒徑的土粒含量占總質(zhì)量的60%時相應(yīng)的粒徑 d30小于某粒徑的土粒含量占總質(zhì)量的30%時相應(yīng)的粒徑,Cu愈大，表示土粒愈不均勻。工程上把Cu5的土視為級配不良的土； Cu10的土視為級配良好的土,曲率系數(shù)Cc描述顆粒級配曲線整體形狀，表明某粒組是否缺失情況,對于礫類土或砂類土，同時滿足Cu5和Cc=13時，為良好級配,1.3 土的物理性質(zhì)指標(p88),一、土的三相圖,質(zhì)量m,體積V,二、直接測定指標,1.土的密度：單位體積土的質(zhì)量。實驗室可用環(huán)刀法測定。,工程中常用重度 來表示單位體積土的重力。,重力加速度，近似取10m/s2,2.土粒相對密度Gs（土粒比重）：土粒質(zhì)量與同體積的4時純水的質(zhì)量之比。實驗室可用比重瓶法測定。,土粒相對密度變化范圍不大：細粒土（粘性土）一般2.702.75；砂土一般為2.65左右。土中有機質(zhì)含量增加，土粒相對密度減小。,3.土的含水量：土中水的質(zhì)量與土粒質(zhì)量之比，以百分數(shù)表示。,土的含水量是標志土含水程度的一個重要物理指標。天然土層含水量變化范圍較大，與土的種類、埋藏條件及其所處的自然地理環(huán)境等有關(guān)。一般來說，同一類土，當含水量增大時，其強度就降低。,實驗室可用烘干法，亦可近似用酒精燃燒法。,三、換算指標,1.孔隙比e和孔隙率n,孔隙比e ：土中孔隙體積與土粒體積之比。可以用來評價天然土層的密實程度。,孔隙率n ：土中孔隙體積與總體積之比，以百分數(shù)表示。,2.土的飽和度Sr ：土中孔隙水的體積與孔隙總體積之比，以百分數(shù)表示。,飽和度描述土中孔隙被水充滿的程度。 干土： Sr=0, 飽和土：Sr=100%。 砂土：根據(jù)飽和度分為三種狀態(tài):,Sr50% 稍濕 50Sr80% 很濕 Sr80% 飽和,3.不同狀態(tài)下土的密度和重度,飽和密度sat ：土體中孔隙完全被水充滿時的土的密度。,浮密度 ：土單位體積內(nèi)土粒質(zhì)量與同體積水的質(zhì)量之差。,干密度d ：單位體積中固體顆粒部分的質(zhì)量。,土的三相比例指標中的質(zhì)量密度指標共有4個(kg/m3)： 土的密度 飽和密度sat 干密度d 浮密度,相應(yīng)的重度指標也有4個(kN/m3) ： 土的重度 飽和重度sat 干重度d 浮重度,1.4 土的物理狀態(tài)指標,一、無粘性土,土的密實度指單位體積土中固體顆粒的含量。根據(jù)土顆粒含量的多少，天然狀態(tài)下的砂土、碎石土等處于從緊密到松散的不同物理狀態(tài)。無粘性土的密實度與其工程性質(zhì)有著密切關(guān)系。,1.孔隙比e,孔隙比e可以用來表示砂土的密實度。對于同一種土，當孔隙比小于某一限度時，處于密實狀態(tài)?？紫侗扔?，土愈松散。,2.相對密實度Dr：無粘性土的最大孔隙比與天然孔隙比之差和最大孔隙比與最小孔隙比之差的比值。,砂土在天然狀態(tài)下孔隙比,砂土在最密實狀態(tài)時的孔隙比,砂土在最松散狀態(tài)時的孔隙比,主要物理狀態(tài)是密實度,相對密實度的值介于01之間，值越大，表示越密實。 當Dr=0時， e=emax，表示土處于最疏松狀態(tài); 當Dr=1.0時，e=emin，表示土體處于最密實狀態(tài)。,3.按動力觸探確定無粘性土的密實度,Dr1/3,疏松狀態(tài),1/3Dr2/3,中密狀態(tài),2/3Dr 1,密實狀態(tài),天然砂土的密實度，可按原位標準貫入試驗的錘擊數(shù)N進行評定。天然碎石土的密實度，可按原位重型圓錐動力觸探的錘擊數(shù)N63.5進行評定(GB50007-2002) 。,二、粘性土,稠度是指土的軟硬程度或土受外力作用所引起變形或破壞的抵抗能力,是粘性土最主要的物理狀態(tài)特征。,0,固態(tài),可塑狀態(tài),流動狀態(tài),(%),塑限P,液限L,粘性土由某一種狀態(tài)轉(zhuǎn)變到另一狀態(tài)的分界含水量稱為土的界限含水量。,液限、塑限測定根據(jù)土工試驗規(guī)程(SL237-007-1999)規(guī)定，采用液塑限聯(lián)合測定儀進行測定。,縮限s,半固態(tài),主要物理狀態(tài)是稠度（軟硬程度）,1.界限含水量,液塑限聯(lián)合測定儀(錐式儀法測定液限試驗),下沉深度為17mm所對應(yīng)的含水量為液限;下沉深度為2mm處所對應(yīng)的含水量為塑限。,2. 塑性指數(shù),塑性指數(shù)IP是液限和塑限的差值(省去%)，即土處在可塑狀態(tài)的含水量變化范圍。,說明：塑性指數(shù)的大小取決于土顆粒吸附結(jié)合水的能力,即與土中粘粒含量有關(guān)。粘粒含量越多,塑性指數(shù)就越高,可塑性越強。,說明：液性指數(shù)表征土的天然含水量與界限含水量間的相對關(guān)系。當IL0時,P,土處于堅硬狀態(tài);當IL1時,L,土處于流動狀態(tài)。根據(jù)IL值可以直接判定土的軟硬狀態(tài)。（例）,液性指數(shù)IL是粘性土的天然含水量和塑限的差值與塑性指數(shù)之比,3. 液性指數(shù),4.粘性土的靈敏度和觸變性 土的靈敏度：原狀土的強度與同一土經(jīng)重塑（含水量不變，土的結(jié)構(gòu)被徹底破壞）后的強度之比。,土的觸變性：粘性土受擾動后，土的強度會降低，但靜置一段時間后，土的強度又會逐漸增長，稱為土的觸變性。,St 越大，土的靈敏度越高，其結(jié)構(gòu)性越強，受擾動后土的強度降低就越多。施工中要盡量減少對土結(jié)構(gòu)的擾動。,原狀土無側(cè)限抗壓強度KPa,重塑土無側(cè)限抗壓強度KPa,根據(jù)靈敏度將粘性土分類：,低靈敏度土 1St2,中靈敏度土 2 St4,高靈敏度土 St4, 1. 5 土的壓縮性（P91-92）,一、基本概念 （一）壓縮性,2.土體壓縮變形的原因： 土顆粒本身的壓縮 土中水和氣體的壓縮 孔隙中水和氣體的排出,占總壓縮量的1/400不到，忽略不計,壓縮量的主要組成部分,3.壓縮機理：土的壓縮被認為只是由于孔隙體積減小的結(jié)果。,透水性好，水易于排出,壓縮穩(wěn)定很快完成,透水性差，水不易排出,壓縮穩(wěn)定需要很長一段時間,1.土的壓縮性：指土在壓力作用下體積縮小的特性。,概述,土的強度：通常是指土的抗剪強度，而不是土的抗壓強度或抗拉強度。 土的抗剪強度：指土對剪切破壞的極限抵抗能力。 應(yīng)用：土的抗剪強度對地基承載力、擋土墻土壓力和土坡穩(wěn)定分析等問題產(chǎn)生直接影響。,路堤、擋土墻、基礎(chǔ)失穩(wěn)示意圖,1.6 土的抗剪性能,土的剪切破壞：地基受荷載作用后，土中各點同時產(chǎn)生法向應(yīng)力和剪應(yīng)力，其中法向應(yīng)力將對土體施加約束力，這是有利的因素；而剪應(yīng)力可使土體發(fā)生剪切，這是不利的因素。若地基中某點的剪應(yīng)力超過該點的抗剪強度，則此點的土將沿著剪應(yīng)力作用方向產(chǎn)生相對滑動，此時稱該點發(fā)生剪切破壞。,土的抗剪強度,一、庫侖定律(1776年),庫侖定律,1776年，庫侖根據(jù)砂土剪切試驗,f = tan,砂土,后來，根據(jù)粘性土剪切試驗,f = c+ tan,粘土,c,庫侖定律：土的抗剪強度是剪切面上的法向總應(yīng)力 的線性函數(shù)，也稱土的抗剪強度定律。,c:土的粘聚力 :土的內(nèi)摩擦角,砂土,粘性土和粉土,c和稱為抗剪強度指標,二、土體抗剪強度的影響因素,庫倫公式表明，土體的抗剪強度主要是由兩部分所組成的，即內(nèi)摩擦力tg和粘聚力c。 （一）土的抗剪強度的構(gòu)成 1.摩擦力tg 滑動摩擦力：剪切面土粒間表面的粗糙所產(chǎn)生的摩擦力 咬合摩擦力：土粒間互相嵌入、咬合所產(chǎn)生的咬合力 2.粘聚力 c 各種物理化學(xué)作用力，包括庫倫力(靜電力)、范德華力、膠結(jié)作用等等。一般觀點認為，無粘性土不具有粘聚力。 （二）抗剪強度影響因素 1.摩擦力：剪切面上的法向總應(yīng)力、土的密度、土的顆粒級配、土顆粒形狀以及表面粗糙程度、礦物成分等。 2.粘聚力：顆粒間距離、土粒比表面積、粒徑、膠結(jié)程度、含水量、土的結(jié)構(gòu)等。 3.孔隙水壓力的影響：只有有效應(yīng)力才能產(chǎn)生土的內(nèi)摩擦強度。,三、莫爾-庫倫強度理論（1910）,理論分析和實踐都證明，莫爾理論對土比較合適。莫爾