项目1土力学概论

1、项目项目1 土力学概论土力学概论项目项目1 土力学概论土力学概论【项目概述】【项目概述】人类所有的建筑工程都建造于地壳表层一定的地质环境中，地质环境会以一定的作用方式从安全、经济和正常使用三个方面影响和制约人类的建筑工程建设；本项目的主要内容就是研究和工程密切相关的地壳表面的岩土与工程有关的性质。之所以说岩土与工程建设的关系十分密切，是因为岩土具有两类工程用途：一类作为建筑物的地基，承受建筑物的荷载作用；另一类作为建筑材料，修筑堤坝与路基等。岩土无论是作为建筑物本身的建筑材料还是作为支承建筑物荷载的地基都具有非常重要的地位。本项目从岩土的成因出发，研究岩土的物理、化学性质和影响岩土的性质变化的

2、主要原因；并从岩土的主要工程特性（包括土的压缩性、渗透性和抗剪强度）角度，研究土在外荷载作用下引起的力学方面的变化规律，讨论土的强度、基础的沉降量和作用在构造物上的土压力、临空面土坡稳定分析等土力学基本理论和工程实际问题。譬如举世闻名的意大利比萨斜塔为什么倾斜、暴雨季节山体会滑坡、地震造成整体房屋的倒塌等等工程事故的发生。因此掌握好土力学基本理论是为后续工程建设过程中建筑物的地基基础工程的设计和施工提供重要的理论依据。项目1 土力学概论【项目目标】【项目目标】1.1土的物理性质与工程分类土的物理性质与工程分类项目1 土力学概论1.1.1土的概念与组成土的概念与组成 1.土的概念 土是一种天然的

3、地质材料，是由地壳表层的岩石经过风化、剥蚀、搬运、沉积，形成固体矿物、液态水和气体组成的一种集合体。风化作用有物理风化、化学风化和生物风化三种。2.土的组成 土的三相组成是指土由固体颗粒（固相）、水（液相）和气体（气相）三部分组成。土中的固体颗粒构成土的骨架，骨架之间存在大量孔隙，孔隙中充填着水和空气。土具有多向性的特征。 同一地点土的三相比例随着环境的变化而变化。例如天气的晴雨、季节变化、温度高低以及地下水位的升降、建筑物荷载作用等，都会引起土的三相比例产生变化。土体的三相比例不同，土的状态和工程性质也各异。研究土的各项工程性质指标首先要从土的三相（即固相、液相、气相）本身开始研究。项目1

4、土力学概论1.1土的物理性质与工程分类土的物理性质与工程分类1.1.1土的概念与组成土的概念与组成 (1)土的固体颗粒（固相） 土的固体颗粒是土的三相组成中的主体，是决定土的工程性质的主要成分。土粒的矿物成分 a.原生矿物；b.次生矿物；c.有机质土颗粒的大小与形状 土颗粒大小，通常以其直径大小表示，简称粒径，单位为mm。自然界中土颗粒的大小相差悬殊，颗粒大小不同的土工程性质也各异。为了便于研究，将土的粒径按性质相近的原则分为一组，称为粒组。每粒组之内土的工程性质相似。常用的土粒粒组划分根据界限粒径200、60、2、0.075和0.005将土分为6个粒组。 土颗粒的形状各异，有的带棱角的形状表

5、面粗糙，不易滑动，其抗剪强度比表面圆滑的高。项目1 土力学概论1.1土的物理性质与工程分类土的物理性质与工程分类1.1.1土的概念与组成土的概念与组成 土的颗粒级配 土粒的大小及其组成情况，通常以土中各个粒组的相对含量，即土样各粒组的质量占土粒总质量的百分数来表示，称为土的颗粒级配或粒度成分。 土的颗粒级配直接影响土的工程性质，如土的密实度、土的透水性、土的强度、土的压缩性等，是粗粒土分类定名的标准。实验室常用颗粒分析试验的方法有筛分法和密度计法。 不均匀系数 为表示土颗粒组成的重要特征。当 很小时曲线很陡，土粒均匀；当 很大时曲线平缓，表示土的级配良好。工程中常采用 值来说明累积曲线的弯曲情

6、况或斜率是否连续，累积曲线斜率很大，即急倾斜状，表明某一粒组含量过于集中，其项目1 土力学概论(2)土中水（液相）土中水和气体是土的基本组成部分，随外界条件的变化，二者比例相继变化，使土的状态和性质也发生改变，土中水对土的性质影响较为显著。土的孔隙中水可分为：结合水a.强结合水（吸着水）；b.弱结合水（薄膜水）；自由水 气态水 固态水 (3)土中气体（气相） 土中气体主要为空气与水气，一般与大气连通，处于动平衡状态，对土的性质影响大。少数情况下土中存在封闭气体时对土的性质有一定的影响，主要表现在透水不畅，加固土时不易使土压实等称为“橡皮土”。另外封闭气体的突然逸出可造成土体的意外沉陷。1.1土

7、的物理性质与工程分类土的物理性质与工程分类1.1.1土的概念与组成土的概念与组成 项目1 土力学概论1.1土的物理性质与工程分类土的物理性质与工程分类.2土的三相比例指标土的三相比例指标1.土的三相简图 土的三相物质在体积和质量上的比例关系称为三相比例指标。三相比例指标反映了土的干燥与潮湿、疏松与紧密，从侧面反映了土的工程性质、特征，也是工程地质勘察报告中不可缺少的基本内容，具有重要的实用价值。图图1.21.2 土的三相示意图土的三相示意图项目1 土力学概论1.1土的物理性质与工程分类土的物理性质与工程分类.2土的三相比例指标土的三相比例指标2.土的三项基本物理

8、指标此三项指标均由试验测定。(1)土的密度 和重度VmVmmwsSG)4(0CVmGwssS(2)土粒比重 （土粒相对密度） %100swmm (3)土的含水率 布局要合理，尽量不要有大片空白影响美观项目1 土力学概论1.1土的物理性质与工程分类土的物理性质与工程分类.2土的三相比例指标土的三相比例指标3.土的物理性质换算指标除了上述三个试验指标之外，还有六个可以计算求得的指标，称为换算指标。(1)表示土中孔隙含量的常用指标实际上土的孔隙性指标一般反映的是土中孔隙体积的相对含量，主要有孔隙度和孔隙比两个指标。孔隙度 n孔隙比e(2)表示土中含水程度的指标表示土中水含量的指标除含

9、水率外，还有饱和度rS %100VWrVVS SVVVe %100VVnV字号字体要与前面一致项目1 土力学概论1.1土的物理性质与工程分类土的物理性质与工程分类.2土的三相比例指标土的三相比例指标satsat(3)表示特定条件下土的密度和重度的指标饱和密度 和土的重度VVmwVssat3/10mKNgsatsatsatdd土的干密度 和土的干重度Vmsd3/10mKNdd土的浮重度（有效重度） wsat 项目1 土力学概论1.1土的物理性质与工程分类土的物理性质与工程分类erD.3土的密实度与粘稠度土的密实度与粘稠度土的密实度与粘稠度是衡量粗粒土和细粒土的物理

10、状态的指标。1.粗粒土（无粘性土）的密实度无粘性土一般是指砂类土和碎石类土。一般粘粒含量少，不具有塑性，呈单粒结构，最主要的物理状态指标为密实度。工程上常用孔隙比 、相对密度 和标准贯入试验N 为划分密实度的标准。 2.粘性土的稠度(1)粘性土的稠度状态(2)界限含水率稠度界限稠度界限与稠度状态关系图项目1 土力学概论1.1土的物理性质与工程分类土的物理性质与工程分类.3土的密实度与粘稠度土的密实度与粘稠度(3)粘性土的稠度状态指标 液性指数LIPLPLwwwwI 塑性指数PI100)(PLPwwI 活动度A mIAP灵敏度uutqqStS项目1 土力学概论1.1土的物理性质与

11、工程分类土的物理性质与工程分类.4地基岩土的工程分类地基岩土的工程分类 为了便于认识和评价岩土的工程特性，根据决定土的工程性质的最本质因素，即土的颗粒级配与塑性特性，将土进行工程分类。建筑地基基础设计规范将作为地基的岩土分为岩石、碎石土、砂土、粉土、粘性土和填土六类。尽量使版面美观，建议在大量空白处添加图片项目1 土力学概论1.21.2土中应力土中应力1.2.1土中应力类型土中应力类型土中应力按其产生的原因分为：自重应力和附加应力两种。自重应力是指土体在自身重力作用下产生的应力。对于沉积年代久远的土，在其自重应力作用下，已压缩稳定，自重应力不会引起地基变形。附加应力主要是指土体

12、受到外荷载及地震等作用在土体中的应力增量。因此，土中某点的总应力为自重应力和附加应力之和。当土中应力过大时，会导致土的强度破坏，使土体丧失稳定。1.2.2土中自重应力土中自重应力 czczKPa由土体自身重力引起的应力称为自重应力，表示符号为 单位。1.单层土自重应力计算zAzAcz自重应力自重应力同级标题字号要一致。前面是32号，这里是28号。要统一。统改。项目1 土力学概论1.21.2土中应力土中应力1.2.2土中自重应力土中自重应力 cz2.几种情况下的自重应力计算(1)多层土自重应力计算niiinnchhhh12211.(2)有地下水的土层自重应力计算3.自重应力分布图沿深度用一定比例

13、的线段表示自重应力的大小，即自重应力分布图为一折线图，遇地下水时，折线往回收；遇不透水层时，有一突变值。.3基底压力基底压力p1.基底压力的简化计算(1)中心荷载作用下AGFp项目1 土力学概论1.21.2土中应力土中应力.3基底压力基底压力p(2)偏心荷载作用下偏心荷载作用点不超过基底截面核心时leblGFWMAGFPPmaz61min偏心荷载作用点超过基底截面核心时 式中abGFp3)(2maxela212.基底附加压力0p建筑物荷载在地基中增加的压力称为基底附加压力dppm0.4土中附加应力土中附加应力z土中的附加应力z 是由新增外荷载作用

14、在土体上时土中各点产生的应力增量。土体在附加应力作用下将产生新的变形。1.竖直集中力 作用下附加应力P2zPz项目1 土力学概论1.21.2土中应力土中应力.4土中附加应力土中附加应力z2.矩形面积上竖向局部荷载作用下附加应力(1)矩形均布荷载角点下的附加应力计算0pcz(2)矩形均布荷载非角点下任意深度处的附加应力计算（a）基础边缘上 （b）基础边缘内 (c)、（d）基础边缘外角点法计算均布矩形荷载作用下角点法计算均布矩形荷载作用下O O点的地基附加应力点的地基附加应力0czpc）（0cz)pCCc（0cz)pCCc（0cz)pCCc（3.竖向条形均布荷载作用下附加应力0ps

15、z项目1 土力学概论1.31.3土的变形土的变形1.3.1土的压缩性土的压缩性1.土的压缩性概念土的压缩性是指在外荷载作用下，土体体积缩小的特性。它反映了土中应力与其变形之间的关系，是土的工程性质之一。土的压缩量随时间而增长的过程称为土的固结。2.土的压缩性指标土的压缩性指标主要有压缩系数和压缩模量，两个指标都可以通过室内固结试 验，绘制土的压缩曲线，并按公式计算取得相关指标。a1221PPeea(1)压缩系数 (2)压缩模量SEaeES111.31.3土的变形土的变形1.3.2地基最终变形计算地基最终变形计算 1.分层总和法分层总和法是将地基压缩层范围以内的土层分成若干薄层，分别计算每一层土

16、的变形量，最后总和起来即为地基沉降量。各分层沉降量计算公式为iiiiiheees1211 计算步骤如下：(1)用坐标纸按比例绘制地基土层分布剖面图和基础剖面图。(2)计算基底中心点下每一分层处土的自重应力czp0p(3)计算基底压力 和基底附加压力 (4)计算基底中心点下每一分层处土的附加应力z(5)求地基受压层计算深度nz尽量使用文本编辑，使用图片不方便进行编辑修改。下同改。1.31.3土的变形土的变形1.3.2地基最终变形计算地基最终变形计算 czizi(6)求每一分层土的平均自重应力和平均附加应力 (7)求任一分层土的变形量isiicziiiiiiihEpeaheeeS112111(8)

17、求沉降计算深度 范围内地基的总变形量nzn1iiSS2.规范法根据建筑地基基础设计规范在分层总和法的基础上提出一种较为简便的计算方法，即规范法。其是一种简化并修正后的分层总和法。niiiiSiosSzzEpSS1111)(图片不清楚，建议老师更换。1.31.3土的变形土的变形1.3.3建筑物沉降观测与地基变形允许值建筑物沉降观测与地基变形允许值 1.地基变形与时间的关系2. 建筑物沉降观测(1)建筑物的沉降观测对建筑物的安全使用具有重要意义：沉降观测能够验证建筑工程设计与沉降计算的正确性。沉降观测能够判别施工的质量好坏。一旦发生事故后，建筑物的沉降观测可以作为分析事故原因和加固处理的依据。(2

18、)需进行观测的建筑物下列建筑物应在施工期间和使用期间进行变形观测：地基基础设计等级为甲级的建筑物。复合地基或软弱地基上的设计等级为乙级的建筑物。加层、扩建建筑物。受临近深基坑开挖施工影响或受场地地下水等环境因素变化影响的建筑物。需要积累建筑经验或进行设计反分析的工程。(3)沉降观测方法与步骤1.31.3土的变形土的变形3.地基变形特征建筑物地基变形特征可分为：沉降量、沉降差、倾斜和局部倾斜四种。(1)沉降量定义：沉降量特指基础中心的沉降量，以mm为单位。作用：若沉降量过大，势必影响建筑物的正常使用。例如，会导致室内外的上下水管、照明与通讯电缆以及煤气管道的连接断裂，污水倒灌，雨水积聚，室内外交

19、通不便，等等。2)沉降差定义：沉降差指同一建筑物中，相邻两个基础沉降量的差值，mm为单位。作用：如建筑物中相邻两个基础的沉降差过大，会是相应的上部结构产生额外应力，超过限度时，建筑物将发生裂隙、倾斜甚至破坏。由于地基软硬不均匀、荷载大小差异、体型复杂等因素，引起地基变形不同。(3)倾斜（）定义：倾斜特指独立基础倾斜方向两端点的沉降差与其距离的比值，以表示。作用：如建筑物倾斜过大，将影响正常使用，遇台风或强烈地震时危及建筑物整体稳定，甚至倾覆。对于多层或高层建筑物和烟囱、水塔、高炉等高耸结构，应以倾斜值作为控制指标。1.31.3土的变形土的变形(4)局部倾斜（）定义：局部倾斜指砖石砌体承重结构，

20、沿纵向610m内基础两点的沉降差与其距离的比值，以表示。作用：如建筑物的局部倾斜过大，往往使砖石砌体承受弯矩而拉裂。4.建筑物地基变形特征允许值为了保证建筑物正常使用，防止建筑物因地基变形过大而发生裂缝、倾斜等事故，根据各类建筑物的特点和地基土的不同类别，建筑地基基础设计规范（GB50072011）规定了建筑物的地基变形允许值 1.41.4土的抗剪强度土的抗剪强度1.4.1土的抗剪强度与极限平衡理论土的抗剪强度与极限平衡理论工程中的地基承载力、挡土墙土压力及边坡稳定性都是由土的抗剪强度所控制。1.土的抗剪强度 (1)定义土的强度破坏通常是指剪切破坏。土的抗剪强度是指土体抵抗剪切破坏的极限能力，

21、其数值等于剪切破坏时滑动面上的剪应力。抗剪强度是土的主要力学性质之一。土体的破坏通常都是剪切破坏，地基承载力、挡土墙土压力、土坡稳定等问题都与土的抗剪强度直接相关。土的抗剪强度，首先决定于土的组成、土的状态和土的结构，这些性质又与它形成的环境和应力历史等因素有关；其次还决定于它当前所受的应力状态。(2)抗剪强度公式库仑公式f土体破坏时，剪切面上的剪应力就是土的抗剪强度 tan cf2.土的极限平衡理论(1)摩尔库伦破坏理论1.41.4土的抗剪强度土的抗剪强度1.4.1土的抗剪强度与极限平衡理论土的抗剪强度与极限平衡理论(2)摩尔应力圆（a）粘性土极限平衡状态 （b）莫尔圆与抗剪强度之间的关系摩

22、尔应力圆摩尔应力圆(3)土的极限平衡条件245tan2245tan231cf245tan2245tan213cf粘性土的极限平衡条件1.41.4土的抗剪强度土的抗剪强度1.4.1土的抗剪强度与极限平衡理论土的抗剪强度与极限平衡理论对于无粘性土， c，无粘性土的极限平衡条件245tan231f245tan213f1.4.2土的剪切试验与剪切特性土的剪切试验与剪切特性土的抗剪强度指标包括内摩擦角与粘结力两项，为建筑地基基础设计的重要指标，通过试验测定，常用仪器有：直接剪切仪、三轴压缩仪、无侧限压力仪和十字板剪切仪等。各种仪器的构造与试验方法都不一样，应根据各类建筑工程的规模、用途与地基土的情况，选

23、择相应的仪器与方法进行试验1.5土压力与土坡稳定土压力与土坡稳定1.5.1土压力的种类与影响因素土压力的种类与影响因素1.土压力的种类 挡土结构物是房屋建筑、桥梁、道路以及水利等工程中常见的一种结构物，用于防止土体滑坡和坍塌，主要承担侧向压力。土体作用在挡土结构上的侧向压力称为土压力。土压力是进行挡土结构物设计的重要荷载。土压力的大小和分布不仅跟挡土墙的高度和填土性质有关外，还与挡土墙的刚度及位移密切相关。按结构的位移情况和墙后土体所处的应力状态，土压力分为三种：静止土压力、主动土压力、被动土压力。 (1)静止土压力 当挡土墙的刚度很大，在土压力作用下保持原始位置不动，即不产生移动或转动，墙后

24、土体处于弹性平衡状态，此时作用于墙背上的土压力称为静止土压力，以E0表示。 2)主动土压力当挡土墙在墙后土压力作用下产生背离填土方向移动或转动时，墙后土体因侧面约束的放松而产生了下滑趋势，为了阻止下滑，土内的滑裂面就产生了剪应力。随着位移量的逐渐增加，滑裂面上的剪应力逐渐增加从而使墙背受到的土压力逐渐减小。当墙的移动或转动达到某一数量时，滑裂面上的剪应力达到抗剪强度，墙后土体就处于极限平衡状态。此时作用于墙背上的土压力就叫主动土压力，以Ea表示。1.5土压力与土坡稳定土压力与土坡稳定1.5.1土压力的种类与影响因素土压力的种类与影响因素(3)被动土压力当挡土墙在外力(例如桥墩受到桥上荷载传来的

25、推力)作用下向着填土方向移动或转动时，墙压缩填土，使土体产生上滑趋势，为了阻止上滑，土内剪应力反向增加使作用在墙背上的土压力加大。当挡墙达到一定位移量时，滑裂面上的剪应力达到抗剪强度，墙后土体达到极限平衡状态。此时作用于墙背上的土压力叫被动土压力，以Ep表示。挡土墙上的三种土压力挡土墙上的三种土压力（a）静止土压力 （b）主动土压力 （c）被动土压力1.5土压力与土坡稳定土压力与土坡稳定1.5.1土压力的种类与影响因素土压力的种类与影响因素2.土压力的影响因素由理论分析与原型实测均证明：对同一挡土墙，在填土的物理力学性质相同的条件下，主动土压力小于静止土压力，而静止土压力远小于被动土压力由此可

26、见挡土墙土压力不是一个常量，其土压力的性质、大小及沿墙高的分布规律与很多因素有关，归纳起来主要有： (1)挡土墙是否发生位移及位移方向，是影响土压力大小的最主要因素；(2)挡土墙的形状、墙背的光滑程度和结构形式，都关系着用何种土压力计算理论公式和计算结果；(3)墙后填土的性质，包括填土的重度、含水量、内摩擦角和粘聚力的大小及填土面的倾斜程度。1.5土压力与土坡稳定土压力与土坡稳定1.5.2土压力的计算土压力的计算1.静止土压力静止土压力产生的条件是挡土墙静止不动。zKKpczcx0002.主动土压力土压力计算根据条件不同有库伦土压力理论和朗肯土压力理论。（1）库伦土理论计算主动土压力无粘性土的

27、土压力aaKhE221222sinsinsinsin1sinsinsinaK1.5土压力与土坡稳定土压力与土坡稳定1.5.2土压力的计算土压力的计算(2)朗肯理论计算主动土压力朗肯土压力理论的假设条件为墙背竖直，墙背光滑，填土面水平则此时可得主动土压力系数为245tan2aKaaaKczK2aazKaaKhE221)2)(210aaaKchKzhE1.5土压力与土坡稳定土压力与土坡稳定1.5.2土压力的计算土压力的计算3.被动土压力(1)库伦土压力理论计算pEppKhE221222sinsinsinsin1sinsinsinpK(2)朗肯土压力理论计算pEpppKczK2粘性土： pppKch

28、KhE2212无粘性土：ppKhE2211.5土压力与土坡稳定土压力与土坡稳定1.5.3挡土墙设计挡土墙设计为防止路基填土或山坡土体坍塌而修筑的承受土体侧压力的墙式构造物，称为挡土墙。在公路工程中，它广泛地用于支撑路堤填土或路堑边坡，以及桥台、隧道洞口和河流堤岸等处。按结构型式划分，常用的挡土墙型式有重力式、悬臂式、扶壁式、锚杆式、锚定板式、加筋土式、和土工合成材料挡土墙等。挡土墙型式的选择，一般根据挡土墙的用途、高度与重要性；建筑场地的地形与地质条件；尽量就地取材，因地制宜；安全而经济等因素合理地选择。1.挡土墙的类型(1)重力式挡土墙(2)悬臂式挡土墙(3)扶臂式挡土墙(4)锚杆式与锚定板

29、式挡土墙(5)板桩墙尽量选择清晰图片1.5土压力与土坡稳定土压力与土坡稳定1.5.3挡土墙设计挡土墙设计2.重力式挡土墙的设计当挡土墙的位置、墙高和断面形式确定后，挡土墙的断面尺寸可通过试算的方法确定，其程序是：(1)根据经验或标准图，初步拟定断面尺寸；（2）计算侧向土压力；（3）进行稳定性验算（包括抗倾覆和抗滑移验算两大内容）；（4）当验算结果满足要求时，初拟断面尺寸可作为设计尺寸；当验算结果不能满足要求时，采取适当的措施使其满足要求，或重新拟定断面尺寸，重新计算，直至满足要求为止。挡土墙抗滑移验算3 . 1tatannsGEEGK滑动力抗滑力挡土墙抗倾覆验算6 . 10faxfaztzEx

30、EGxK倾覆力矩抗倾覆力矩1.5土压力与土坡稳定土压力与土坡稳定1.5.3挡土墙设计挡土墙设计3.重力式挡土墙后填土选择(1)理想的回填土卵石、砾石、粗砂、中砂(2)可用回填土细砂、粉砂、含水率接近最优含水率的粉土、粉质粘土和低塑性粘土(3)不能用的回填土软粘土、成块的硬粘土、膨胀土和耕植土，因性质不稳定，在冬季结冰时或雨季吸水膨胀都将产生额外的土压力，对挡土墙的稳定性产生不利影响。故不能作为墙后填土。4.重力式挡土墙的构造 (1)重力式挡土墙的构造必须满足强度与稳定性的要求，同时应考虑就地取材，经济合理、施工养护的方便与安全。(2)重力式挡土墙根据墙背的倾角不同可分为仰斜式、垂直式、俯斜式(

31、3)为避免因地基不均匀沉陷而引起墙身开裂，根据地基地质条件的变化和墙高、墙身断面的变化情况需设置沉降缝。在平曲线地段，挡土墙可按折线形布置，并在转折处以沉降缝断开。1.5土压力与土坡稳定土压力与土坡稳定1.5.3挡土墙设计挡土墙设计(4)挡土墙常因雨水下渗而又排水不良，地表水渗入墙后填土，使填土的抗剪强度降低，土压力增大，这对挡土墙的稳定不利。如果墙后积水，则要产生水压力。积水自墙面渗出，还有产生渗流压力。水位较高时，静、动水压力对挡土墙的稳定更是较大威胁。因此挡土墙必须有良好的排水设施，以免墙后填土因积水而造成地基松软，从而导致承载力不足。若填土冻胀，则会使挡土墙开裂或倒塌。故常沿墙长设置间距为23m，直径不小于100mm的泄水孔。墙后做好滤水层和必要的排水盲沟，在墙顶地面铺设防水层。当墙后有山坡时，还应在坡下设置截水沟 1.5土压力与土坡稳定土压力与土坡稳定1.5.4土坡稳定分析土坡稳定分析土坡就是具有倾斜坡面的土体，可分为天然土坡和人工土坡。天然土坡是由于地质作用