《土的力学性质》PPT课件
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土力学课件第2章_土的物理性质及分类
• 一类是根据直接指标换算的，称为间接指标（换 算指标），有 孔隙比（void rate） 孔隙率（porosity） 饱和度（degree of saturation）
2.2.1 土的三相比例关系图
质量
m mw ms
气 水 土粒
体积
Va
Vv
Vw
V
Vs
ms：土粒质量 mw：土中水质量 m：土的总质量
100 %
（7）干密度ρd干容重γd • 定义：单位体积内土粒的质量或重量
• 表达式：
d
ms V
d
ms g V
d
g
• 土烘干，体积要减小，因而土的干密度不 等于烘干土的密度。
• 土的干密度或干容重是评价土密实程度的 指标，干密度或干容重越大表明土越密实， 反之越疏松。常用它来控制填土工程的施 工质量。
干密度与湿密度和含水率的关系
m
V
d
wd
1
d 1 w
d
1 w
孔隙比与比重和干密度的关系
d
ms V
s
1 e
e dsw 1 d
饱和度与含水率、比重和孔隙比的关系
Sr
Vw Vv
ws w
e
wd s e
当土饱和时，即为Sr=100％
则
e wsat ds
w
sat
Gs e 1 e
w
Gs 1 1 e
e Gs (1 w)w 1
n 1 d Gs w
St
w d nw
kN/m3 kN/m3 kN/m3 kN/m3
2.2.1 土的三相比例关系图
质量
m mw ms
气 水 土粒
体积
Va
Vv
Vw
V
Vs
ms：土粒质量 mw：土中水质量 m：土的总质量
100 %
（7）干密度ρd干容重γd • 定义：单位体积内土粒的质量或重量
• 表达式：
d
ms V
d
ms g V
d
g
• 土烘干，体积要减小，因而土的干密度不 等于烘干土的密度。
• 土的干密度或干容重是评价土密实程度的 指标，干密度或干容重越大表明土越密实， 反之越疏松。常用它来控制填土工程的施 工质量。
干密度与湿密度和含水率的关系
m
V
d
wd
1
d 1 w
d
1 w
孔隙比与比重和干密度的关系
d
ms V
s
1 e
e dsw 1 d
饱和度与含水率、比重和孔隙比的关系
Sr
Vw Vv
ws w
e
wd s e
当土饱和时，即为Sr=100％
则
e wsat ds
w
sat
Gs e 1 e
w
Gs 1 1 e
e Gs (1 w)w 1
n 1 d Gs w
St
w d nw
kN/m3 kN/m3 kN/m3 kN/m3
《土质学与土力学》第3章 土的物理性质及工程分类.ppt
ms
ms
含水量w是标志土的湿度的一个重要物理指标。天然土层的含水量变 化范围很大，它与土的种类、埋藏条件及其所处的自然地理环境等有关。 一般说来，对同一类土，当其含水量增大时，则其强度就降低。
Nanjing University of Technology
测定方法：土的含水量一般用“烘干法”测定。先称小块原状土样 的湿土质量m，然后置于烘箱内维持100～105℃烘至恒重，再称干 土质量ms，水的质量mw为湿土和干土质量之差。
ms Vs w V
三相比例表达式
d
dmsVVmsVggsmswl dg
g
sat
wmsVmmVsws
w
100 %
g
sat
g
ms
Vs V
wm
g
g
V
e Vv
d
Vms s V
n
sat
VVmv s
在上述变量中ma = 0，独立的量有 Vs、Vw、 Va、 mw和 ms五个。 1 m3 水的质量通常等于 1g ，故在数值上 Vw = mw。
当研究这些量的相对比例关系时，总是取某一定数量的土体来分析， 例如，取 V = 1cm3 ，或 m =1g，或 Vs = 1cm3 等，因此又可以消去一个 未知量。这样，对于一定数量的三相土体，只要知道其中三个独立的量， 其他各个量就可从图中直接换算得到。
ddss1(1Sewwre) w
d
ds 1 e
w
w
Sre dsat s
；ds w e 1 e
土的基本性质高等土力学课件
Bazant ZP, Oh BH. Microplane model for creep of anisotropic clay. J Eng Mech, ASCE, 1983.
59
蠕变微观机理
9次2×21点在二十面上的非正交对称分布
60
蠕变微观机理
9次2×21点在球面上的正交对称分布
61
蠕变微观机理
原因： 地基持力层为粉砂，下面为粉土和粘土 层，强度较低，变形较大。
1
2
3
4
1995年阪神地震大阪的街道路面液化
5
1999年台湾大地震中台中县由于液化引 起的楼房倒塌
6
赵洲桥
隋朝石工李春所建，他把石台砌筑于密 实的粗砂 层上，一千三百多年来估计沉 降仅几厘米。
7
提纲
土的构成 土的物理化学性质 土的基本力学性质 土的分类
11次2×33点在多面上的正交对称分布
62
变形
本构模型 固结理论
63
土的分类
64
塑性指数分类指标界限值及土类名称
0 13
7
国家建委TJ7-74规范 砂土
轻亚粘土
水利部土工实验6规范 砂土 砂壤土
10
17
亚粘土 粘土
壤土
粘土
交通部79规范 冶金部冶基规103-77
地质矿产部84规范
砂土 砂土 砂土
ij
f
.
(n)ds
.
ij ij
3
2
bijkm
s
1
.
k2 T
sh1
.
T
k1
f
(n)ds
. km
.
ij
57
蠕变微观机理
土的力学性质
岩石 碎石土 砂土 粉土 粘性土 人工填土
土
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Ip>10的土
粉质粘土：10<Ip17的土 粘 土 ： Ip>17的土
表2-7
水利部SL237-1999分类法
• 巨粒土和含巨粒土
土的分类
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0—0.1MPa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， 。
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： E Z
s
Z
其中： Z P2 P 而 Z 1 Es E1 1 e1 a
h ho
e1 e2 1 e1
P2 P 1 (1 e1 ) e1 e2
侧限压缩模量
先期固结压力
土的压缩性
• 摩擦强度：与压应力成正比
土的抗剪强度机理
• 凝聚强度
直剪试验与库仑公式 • 直剪试验
• 库仑公式 • 土的抗剪强度指标c和
库仑公式:
c tg f
P
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
土
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Ip>10的土
粉质粘土：10<Ip17的土 粘 土 ： Ip>17的土
表2-7
水利部SL237-1999分类法
• 巨粒土和含巨粒土
土的分类
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0—0.1MPa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， 。
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： E Z
s
Z
其中： Z P2 P 而 Z 1 Es E1 1 e1 a
h ho
e1 e2 1 e1
P2 P 1 (1 e1 ) e1 e2
侧限压缩模量
先期固结压力
土的压缩性
• 摩擦强度：与压应力成正比
土的抗剪强度机理
• 凝聚强度
直剪试验与库仑公式 • 直剪试验
• 库仑公式 • 土的抗剪强度指标c和
库仑公式:
c tg f
P
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
土力学课件ppt
环境工程中的土力学
总结词
环境保护、土壤修复
详细描述
在环境工程中，土力学主要关注土壤污染和修复、土壤保持和土地复垦等方面。它研究土壤污染物的 迁移转化规律，提出土壤修复和改良的方法和技术，为环境保护和土地资源可持续利用提供科学依据 。
地质工程中的土力学
总结词
岩土工程、地质灾害防治
详细描述
地质工程中的土力学主要研究岩土体的稳定性、变形和渗流 等问题，涉及到边坡工程、地下工程、地基处理等方面的应 用。同时，它也涉及到地质灾害的防治，如滑坡、泥石流等 自然灾害的预测和治理。
04
渗流基本概念
渗流
土中水流在土壤孔隙中的流动现象。
孔隙压力
土壤孔隙中的流体压力。
渗透力
水流在土壤孔隙中流动时对土壤颗粒产生的动水 压力。
达西定律
达西定律描述了水在土壤孔隙中流动 时的速度与压力梯度之间的关系，即 水流的速率与孔隙压力梯度成正比。
达西定律是渗流理论的基本定律，适 用于描述土壤和岩石等连续介质的渗 流。
的数学模型。
常见的固结方程有太沙 基固结方程、剑桥固结
方程等。
土力学在工程中的
07
应用
土木工程中的土力学
总结词
基础建设、建筑安全
详细描述
土力学在土木工程中主要用于研究和解决地基与基础的问题，确保建筑物的安 全性和稳定性。它涉及到土的强度、变形、渗透等基本特性，以及如何进行合 理的地基设计、基础选型和施工方法选择。
土压力理论
02
静止土压力
静止土压力是指土体在无外力作用或外力作用平衡时产生的土压力，通常表现为 土体内部的应力状态。
静止土压力的大小与挡土墙的刚度和位移有关，计算公式为：P = K * γ * H，其 中K为静止土压力系数，γ为土的容重，H为挡土墙高度。
土力学(全套318页PPT课件)
苏州名胜虎丘塔
土 • 虎丘塔共七层，高47.5m，底层直径13.7m。 呈八角形，全为砖砌，在建筑艺术风格上有独 特的创意，被国务院公布为全国重点文物保护 单位。
力 • 目前该塔倾斜严重塔顶偏离中心线2.31m。经 勘探发现，该塔位于倾斜基岩上，复盖层一边 深3.8m，另一边为5.8m。由于在一千余年前
土 • 作为建筑地基、建筑介质或建筑材料的地壳表 层土体是土力学的研究对象。
• 土力学不仅研究土体当前的性状，也要分析其 性质的形成条件，并结合自然条件和建筑物修
力 建后对土体的影响，分析并预测土体性质的可 能变化，提出有关的工程措施，以满足各类工 程建筑的要求。
学 • 土力学是一门实践性很强的学科，它是进行地 基基础设计和计算的理论依据。
• 土力学研究对象：与工程建设有关的土
上部结构、基础和地基三者之间的关系
土 • 地基（Ground） 由于建筑
物的修建，使一定范围内土层
的应力状态发生变化，这一范
力
围内的地层称为地基。
• 基础（Foundation）指与地基
接触的建筑物下部结构。
学 • 一般建筑物由上部结构 （Superstructure）和基础两 部分组成。
坏或不能正常使用，这类问题在土力学中叫做 变形问题。
力 • 如果土受力超过了它所能承受的能力，土便要 被破坏，建筑物将随之倒毁或不能使用。土体 的破坏，在力学中亦称为稳定性丧失。研究土
学 体是否会破坏这一类问题称为稳定问题，土的 稳定性取决于它的强度。
二、土力学研究特点.内容与方法
土 • 土力学是研究与工程建筑有关的土的变形和强度 特性，并据此计算土体的固结与稳定，为各项专 门工程服务。
学 • 掌握土体变形与强度指标的测定方法及在工程实践中 的应用。 • 掌握土的动力特性的基本概念。来自三、土力学发展简史与趋势
清华大学版土力学课件ppt
1）土的密度、重度 2）土粒的比重 3）土的饱和度 4）土的含水量 5）土的孔隙比和空隙率
为深入学习习近平新时代中国特色社 会主义 思想和 党的十 九大精 神,贯彻 全国教 育大会 精神, 充分发 挥中小 学图书 室育人 功能
土的结构与构造
（1）单粒结构；（2）蜂窝结构；（3）絮 状结构
量为各层沉降量之和：
SSi
为深入学习习近平新时代中国特色社 会主义 思想和 党的十 九大精 神,贯彻 全国教 育大会 精神, 充分发 挥中小 学图书 室育人 功能
计算步骤
(a)计算原地基中自重应力分布 (b)基底附加压力p0 (c)确定地基中附加应力分布
地面
(d)确定计算深度zn
自重应力
(e)地基分层Hi
为深入学习习近平新时代中国特色社 会主义 思想和 党的十 九大精 神,贯彻 全国教 育大会 精神, 充分发 挥中小 学图书 室育人 功能
土的工程特性
（1）压缩性高； （2）强度低； （3） 透水性大
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孔压系数
土体在不排水和不排气条件下，由外荷载 引起的孔隙压力增量与应力增最的比值。
为深入学习习近平新时代中国特色社 会主义 思想和 党的十 九大精 神,贯彻 全国教 育大会 精神, 充分发 挥中小 学图书 室育人 功能
固结过程孔压系数的变化
外荷载 附加应力σz
土骨架：有效应力
孔隙水：孔隙水压力
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土的抗剪强度
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土的结构与构造
（1）单粒结构；（2）蜂窝结构；（3）絮 状结构
量为各层沉降量之和：
SSi
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计算步骤
(a)计算原地基中自重应力分布 (b)基底附加压力p0 (c)确定地基中附加应力分布
地面
(d)确定计算深度zn
自重应力
(e)地基分层Hi
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土的工程特性
（1）压缩性高； （2）强度低； （3） 透水性大
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孔压系数
土体在不排水和不排气条件下，由外荷载 引起的孔隙压力增量与应力增最的比值。
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固结过程孔压系数的变化
外荷载 附加应力σz
土骨架：有效应力
孔隙水：孔隙水压力
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土的抗剪强度
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=C+ tg
1 破坏
2临界状态（极限平衡状态）
3安全（弹性平衡状态）
=c+ tg
莫尔圆与破坏线的关系
不相交：表明通过该点的任意平面上的剪应力小于f，土体处于弹性状态
相割：表明通过该点的任意平面上的剪应力大于f，土体已经破坏，不存在 相切：表明通过该点的任意平面上的剪应力等于f，土体处于极限平衡状态 极限平衡状态下的莫尔圆称为极限应力圆，根据极限应力圆可以得出在极限
大地的局部化开裂 多之形 锯齿形
雁形
桥梁支敦中出现的局部化剪切破坏
岩土工程材料中的局部化现象
实验室发现的剪胀带和剪缩带（ Lin, 2002 ），花岗岩
岩土工程材料中的局部化现象
o 粘土的拉伸和压缩试验与局部化条带（Desrues & Chambon, 2002）
左：拉伸
右：压缩
试验和观察表明岩体、混凝土、土体的破坏主要是剪切破坏。 在最大剪应力理论的基础上发展了符合土体破坏的莫尔—库仑强度理论
Fs F
uw
Fw F
ua (1
Fs F
Fa F
)
ua
Fw F
(ua
uw) ua
Fa F
ua (ua uw )
Fw
F
2.土的压缩性与变形指标
1）室内压缩试验与压缩定律 2）压缩模量、变形模量 3）体积压缩系数 4）侧压力系数、泊松比
1）室内压缩试验与压缩定律
P1,.
1）室内压缩试验与压缩定律
• 直剪试验
实验室（法国）
Triaxial Unsaturated Soil
Small Strain
Dynamic Triaxial
Hollow Cylinder Bender Elements Software
实验室
中平面孔隙水压力测量
Mid-Plane PWP Measurement
局部的应变测量
e1
Vv1 Vs1
Vv1 Vs1 e1
总体积 Vv1 Vs1 Fh1
(1 e1 )VS1 Fh1
Vs1
h1 1 e1
Vs0
h0 1 e0
Vs1
h1 1 e1
Vs0
h0 1 e0
Vs1
h1 1 e1
h0 h1 1 e0 1 e1
h1 1 e1 h0 1 e0
Local Strain Measurement
GDSTAS 北方交通大学
5Hz/60kN 100/150mm动三轴系统 （中国科学院成都山地所）
GDSTAS 大连理工大学
STDTTS 成都理工大学
2.三轴剪切试验
Pc
1
3
2.三轴剪切试验
• Pc
1
3
2.三轴剪切试验
1
3 • Pc
4.砂土液化
c S（mm）
两种不同性质的变形
压密变形 ——计算地基的压缩变形量，即地基沉降量 剪切变形（剪切破坏） ——土体强度和稳定性问题
两种研究途径
将土体变形和强度分开研究——简化估算法 将土体变形和强度统一研究——严格分析法——建立在土体本构关系
研究的基础上
本构关系
应力应变关系的数学表达式
七 土的力学性质
土的压缩性 土的抗剪性
先例
上海市展览馆 比萨斜塔 Transcona谷仓地基
上海展览馆
e=1.8,w=60% Es=1.45MPa
• 521mm
650mm
比萨斜塔
Transcona谷仓地基
建筑物基础与地基相互作用可能出现 的工程地质问题
1 强度问题（剪切破坏、承载力问题） 2 变形问题（过度沉陷、不均匀沉陷） 3 倾覆、滑移问题（水平力、近水平力作用）
1
（二） 土的抗剪性
材料的强度理论 最大正应力理论 最大正应变理论 最大拉应力理论 最大剪应力理论
最大剪应力理论认为，材料 破坏的原因是材料中的最大 剪应力造成的
max
1
2
3
试验和观察表明岩体、混凝土、土体的破坏主要是剪切破坏。 在最大剪应力理论的基础上发展了符合土体破坏的莫尔—库仑强度理论
)
2
3
1
tan 2 (450
) 2c tan(450
2
)
2
注意：只有当土中某点处于极限平衡条件时，才满足上式，并非任何情况均 满足。
即只有A点才满足。
直剪仪
直剪预压仪
• 直剪试验
• 直剪试验
• 直剪试验
• 直剪试验
直剪试验的三种类型
1.快剪（Q） 2.固结快剪（CQ） 3.慢剪（S）
平衡状态下主应力的关系
极限平衡条件
在极限平衡状态下主应力之间的关系，叫做极 限平衡条件
f c tg A
c
O
ccot 3
2
O’
sin AO
OO
1 3
1
2
3
c cot
2
1
1 (1 sin) 3 (1 sin) 2c cos
1
3an(450
h h0 h1 1 h1 1 1 e1 e0 e1 e
h0
h0
h0
1 e0 1 e0 1 e0
e
h h0
(1
e0 )
e1
e0
e
e0
h h0
(1
e0 )
一般地，
ei
e0
hi h0
(1 e0 )
p1， p2， p3，…
h1， h2， h3，…
e1， e2， e3， ...
F=1
’
u
u —孔隙水压力
1
由孔隙水承担和传递的那部分压力。
为静水压力—不引起颗粒的位移，不能承受剪应力
不直接引起土体变形和强度变化，故又称中性压力。
= ’+ u
由泰沙基在1920年提出的这一表面上很简单的概念，标志着从理性上认 识许多土力学现象的开始。
Terzaghi，1936：所有可测得的应力变化效应，例如压缩形变以及抗剪 强度的变化，无一不是由于有效应力变化所引起的… …
有零星喷冒点
震害
喷水冒砂可能性很大，从轻微到 液化危害性较大，可造成不均匀沉陷和
严重都有，多数为中等喷冒
开裂，有时不均匀沉陷可达200mm
一般喷水冒砂都很严重，地面变 液化危害性大，一般可产生大于200mm
形很明显
的不均匀沉陷，高重心结构可能产生不
容许的倾斜
重锤法:采用80～400kN的重锤，从很高处(8～20m)自由落下，对土体进行强力夯实的 方法。这是在的基础上发展起来的一项技术。强夯法是用很大的冲击能，使土体中出现 冲击波和很大的应力，致使孔隙被压缩，土体局部液化，夯实点周围产生裂隙，形成良 好排水通道，土体迅速固结。最大加固深度可达11～12m或更大。此法不仅能加固陆上 土层，也能加固水中土层；适用于多种土类：粗粒土、低饱和度的细粒土、杂填土、素 填土、湿陷性黄土；不仅能提高地基承载力，也可防止地基液化。对于饱和细粒土，要 慎用。
思考一下
压力作用下作为三相组成的土各 相之间的力是怎样分担的？怎样 转化的？
1、有效应力原理
F=1
受力平衡方程
u s
饱和土受力模型
设s 为颗粒间的接触应力， 颗粒间的接触面积为Fs
uw为孔隙水压力，水的面积 Fw=F-Fs
则有：
F= sFs +uw（F-Fs）
F
s Fs
uw (1
Fs F
)F
p2
1.室内压缩试验与压缩定律
p3,…... h
可以测量高度的变化，如何转变成孔隙比的变化
F=1
Vvo
h0
Vso
F=1
h
Vv1
h1
Vs1
加压前 e0
e0
Vv0 Vs0
Vv0 Vs0 e0
总体积 Vv0 Vs0 Fh0
(1 e0 )VS 0 Fh0
Vs0
h0 1 e0
加压后 e1
= ’+ u
饱和土的有效应力原理的完整表述： （1）土的有效应力等于总应力减去孔隙水压力； （2）土的有效应力控制了土的变形和强度性能。
饱和土的力学模型
用有效应力原理解释
土体承受和传递附加
3 应力
h
h’
2
h=0
1 ’=0， u=
’ =0， u= 0
’= u=0
= ’+ u
几个基本概念
内因
土类及其颗粒级配
土的密实程度、饱水特性 土结构的抗剪强度
地震作用特征
地震强度（震级、烈度） 地震频率和周期 震动历时
外 因
环境条件
场地地貌单元 饱水砂土的埋藏条件 地下水条件 建筑物类型、基础特性
砂土液化评价
步骤：判别、分级、建议措施 液化可能性判定
经验判定法 标贯试验判定法 剪切波速判定法 静力触探判定法 液化等级划分：液化指数 抗液化措施
（一） 土的压缩性
定义：土的压缩性是指在压力作用下体积压缩变小的性能 ✓ 压缩变形的本质 土的三相组成决定了土的压缩变形由三部分组成
1) 土粒本身的压缩变形 2) 孔隙中水和气的压缩变形 3) 孔隙中水和气被挤出，土颗粒相互靠拢，孔隙体积缩
小
土的压缩主要原因是由于孔隙中水和气被挤出，土颗粒相互靠拢，致使孔隙体积减 小而引起的。
决定因素
1.地基土本身的力学性质 2.建筑物、地基对土体的作用力
地基土变形的三个阶段
压密变形阶段 局部剪切阶段 整体破坏阶段
压密变形阶段Oa
O
p（kPa）
a
基础 地面
p
s
S（mm）