《土的力学性质》PPT课件.ppt

第三章 土的力学性质,概念： 土的力学性质是指土在外力作用下，所表现出来的性质，包括： 土的压缩性 土的抗剪性等等 作用：评价地基土体稳定性，包括变形和强度。,一、土的压缩性,1.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。,2. 压密定律与压缩系数,用环刀取一块土样，在压缩仪中进行压缩，如下图：土样原始高为ho ，面 积为A，原始孔隙比为eo，在压缩过程中，A不变（无侧胀），在压力P1 作用下，土样变形，压缩量为h1。 h1= ho-h1。 引起土变形h1的根本原因是由于孔隙体积的减少，即孔隙比的减少，而土粒体积不变 加压前土粒体积 加压后土粒体积,根据该公式：只要测记在某一压力Pi下的土样压缩量hi，就可以算出相应 的孔隙比ei：就可在eP坐标系内得到一曲线（如图）。叫压缩曲线。 这一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（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。,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0.1-0.2MPa压力段的压缩系数 1-2, 评价土压缩性的高低。 1-2 0.1MPa -1 低压缩性土； 1-2 =0.1-0.5MPa -1 中压缩性土； 1-2 0.5MPa -1 高压缩性土,3.土的压缩模量,是指在有侧限条件下，压应力与相应的应变之比值。即： Es 也是评价土变形性质的重要指标。,Es也是评价土变形性质的重要指标,Es15 MPa 低压缩性土； Es=4 -15 MPa 中压缩性土； Es 4 MPa 高压缩性土,4.土的荷载试验和变形模量,如果在现场进行压缩试验，即荷载试验。是在土体表面，选择代表性试验点,分级施工压力如图。 通过测记各级压力下的沉降变形S，可得到PS曲线如图。这条曲线也是一曲线。 特点：开始随P，S增大较慢,随后逐渐随P增大S增加越来越快。 它反映了地基土体在无侧限压缩条件下的变形过程。,变形模量是指在无侧限条件下，压应力与压应变之比即： Eo与Es的区别是有无侧限条件， Es压缩模量是有侧限的，而 E0则没有。 确定方法： 根据弹性理论，利用现场实验曲线sP曲线中的直线段，可求得： 式中：为泊松比，侧膨胀系数；Pi为荷载（N）；Si为与P相 应的压缩量（cm）；d为圆形承压板的直径。 通过室内压缩试验指标Es确定Eo。 在土的压密阶段，假定土为弹性材料，就可求出Eo。 式中的可查经验值（表3-1）或用室内试验的方法求得。,从上式可以看出：由于土的0.5，系数 所以总有EoEs。表中：,5.土的受力历史与前期固结压力,先期固结压力,先期固结压力：土层历史上所经受到的最大压力p,p= s：正常固结土 p s：超固结土 p s：欠固结土,OCR=1：正常固结 OCR1：超固结 OCR1：欠固结,超固结比：,如土层当前承受的自重压力为s,相同s 时，一般OCR越大，土越密实，压缩性越小,e,p(lg),正常固结土的原位压缩曲线：直线,正常固结土初始压缩曲线,在先期固结压力p附近发生转折，据此可确定p,先期固结压力,AB：沉积过程，到B点应力为p BC：取样过程，应力减小，先期固结压力为p CD：压缩试验曲线，开始段位于再压缩曲线上，后段趋近原位压缩曲线,在e-lgp曲线上，找出曲率最大点m 作水平线m1 作m点切线m2 作m1,m2 的角分线m3 m3与试验曲线的直线段交于点B B点对应于先期固结压力p,先期固结压力p的确定,Casagrande 法,正常固结土:,超固结土:, 沉积ab 取样bb 室内试验bcd,二、土的抗剪性,1.土体剪切破坏与剪切强度的本质 （1） 土体剪切破坏 原因：土颗粒间的连接强度远小于颗粒本身的强度，在剪应力作用下，土的变形表现在土粒之间发生相互位移、错动，从而引起土的一部分相对于另一部分产生滑动。 实质：沿剪切破坏面上的颗粒产生了位错。 （2）土的剪切强度 概念：土体抵抗剪切破坏的能力。 原因：无粘性土：颗粒间的摩擦力； 粘性土：颗粒间的连接力和摩擦力； 粘性土颗粒间的摩擦力比无粘性土小的多。,法国军事工程师，在摩擦、电磁方面做出了奠基性的贡献。1773年发表了关于土压力方面论文，成为土压力的经典理论,库仑 （C. A. Coulomb） (1736-1806),2 土的抗剪强度理论 直剪试验与库伦公式,直 剪 试 验,直剪试验,法向应力：,剪应力：,剪切变形S,直剪试验的强度包线,库仑公式：（1776）,f ： 土的抗剪强度 tg： 摩擦强度-正比于压力 ： 土的内摩擦角 c： 粘聚强度-与所受压力无关,土的抗剪强度指标,c和是决定土的抗剪强度的两个指标，称为抗剪强度指标 c：粘聚力 ：内摩擦角,对无粘性土通常认为，粘聚力C=0,库仑公式:,可以看出： 剪切强度参数C、与一系列因素，如土的粒度成分、矿物成分、密实度有关。 另外，据研究，C 、还与土的成因、形成时代密切相关。,从表可以看出：无粘性土的在25-41o之间变化。 粒度越粗、越密实， 越大。 对于松散砂来说， 常可用砂的天然休止角代替，所以，一般松散砂，不必测定，用天然休止角代替，而天然休止角的测定方法可在野外进行。,从表可以看出：粘性土的C在00.1MPa之间变化。 而且与天然含水率及IL和土类型密切相关。IL，C ，粘土 粉土，C由大 小。 变化在6-28o 间，有的甚至小于6o，也随IL和土类型不同而不同， IL， ，粘土粉土， 。,直剪试验的优缺点,设备和操作简单 人为固定剪切面 剪切面应力状态复杂 应力、应变不均匀 主应力方向旋转 剪切面积逐渐减小 排水条件不明确,三轴试验,3、土的三轴试验,三轴试验确定土的强度包线,由不同围压的三轴试验，得到破坏时相应的（1-)f 分别绘制破坏状态的应力摩尔圆，其公切线即为强度包线，可得强度指标c与,固结排水试验（CD试验） Consolidated Drained Triaxial test (CD) 总应力抗剪强度指标： cd d （c ）,试验类型与强度指标,固结不排水试验（CU试验） Consolidated Undrained Triaxial test (CU) 总应力抗剪强度指标：ccu cu,不固结不排水试验（UU试验） Unconsolidated Undrained Triaxial test (UU) 总应力抗剪强度指标： cu u （ cuu uu ）,课程小结,土 的 形 成,土,岩石,风化、搬运、沉积,地质成岩作用,土的组成、结构 和物理力学性质,过程、条件,土体有三个组成部分：固相、液相和气相,土的三相组成,固体颗粒 土中水 土中气体,粒径级配（粒度成分） 矿物成分,结合水 ：强结合水、弱结合水 自由水 ：重力水、毛细水,自由气体 封闭气体,土的组成 土的状态 土的结构,建筑地基基础设计规范- GB50007-2002分类法,水利部SL237-1999分类法,目的： 便于调查研究； 便于分析评价； 便于交流 (基于共同的概念) 依据：最能反映土的物理力学性质的指标,土的工程分类,岩石 碎石土 砂土 粉土 粘性土 人工填土,土,建筑场地基基础规范GB50007-2002,粉土：粒径大于0.075mm的颗粒含量小于全质量50%而塑性指数Ip10的土,粘性土：塑性指数Ip10的土,粉质粘土：1017的土,表2-7,水利部SL237-1999分类法,土的分类,巨粒土和含巨粒土 粗粒土：砾类土、砂类土 细粒土：根据塑性图分类 特殊土： 黄土、膨胀土、红粘土,图2-2,土颗粒或粒团的 空间排列和相互联结,土的结构,物理性质指标,土的三个组成相的体积和质量上的比例关系,定义,三相草图法,粗粒土的密实状态指标: 相对密度Dr,细粒土的稠度状态指标: 液性指数IL,定义 判别标准,界限含水量 wP、wL 土中水形态 塑性指数 Ip 吸附结合水的能力,定义 判别标准,物理状态指标,土的压缩性,土的压缩变形主要由孔隙体积变化引起 e p曲线：由侧限压缩试验整理得到 先期固结压力,压缩系数 KPa-1，MPa-1,侧限压缩模量,土的抗剪性,土的抗剪强度机理 直剪试验与库仑公式,摩擦强度：与压应力成正比 凝聚强度,直剪试验 库仑公式 土的抗剪强度指标c和,库仑公式:,对无粘性土通常认为，粘聚力C=0,4、某住宅地基勘察中，由一个原状土试验测得：土的天然密度=1.85kN/m3,土粒密度s=2.75kN/m3,土的天然含水量w=20%。求其余6个指标,1、已知一块饱和原状