《土的力学性质》PPT课件

（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。
超静孔隙水压力：由附加应力作用引起的孔隙水压力超 出静水压力水头，称为超静孔隙水压力。 土的渗透固结：这种由孔隙水的渗流而引起的压缩过程。
饱和土压缩变形过程的实质是超静孔隙水压力随着 水的渗流排出而逐渐消散和有效应力逐渐增长的过 程，即超静孔隙水压力向有效应力转移的过程。
非饱和土的有效应力原理
s
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
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。
砂土液化（Liquefaction of sand）
饱和砂土受震动时颗粒间趋于紧密，使孔隙水 压力增大，有效应力减小。当有效应力趋于零 时，砂土的抗剪强度消失，从而引起地面沉陷、 斜坡失稳或者地基失效的现象称为砂土液化。 常伴随又喷水冒砂。
震动来源：机械震动（局部场地）、地震（区 域性）
砂土液化的影响因素
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
= ’+ 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
3.压缩模量、变形模量
压缩模量（有侧限 ）
Es z z
变形模量（无侧限）
E z z
4.体积压缩系数
• 土压缩时竖向应变增量与竖向应力增量之比，
5.侧压力系数、泊松比
泊松比——无侧限条件下，侧向膨胀应变与竖向压缩应变之比
x y
侧压力系数——侧限条件下侧 向压力与竖向压力之比
K0
x z
a tan e1 e2 e
e
p2 p1 p
e1 e2
p1 p2
a i i 1
ei ei1 pi1 pi
a称为压缩系数
（coefficiennt of
compression），单位
p 1/KPa，或1/MPa
压缩定律
在压力不大的情况下，孔隙比的变化与压力的变化成正比。
ei ei1 a( pi1 pi )
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… …
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
3
tan 2 (450
)
2
2c tan(450
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
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， ...
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
源自文库v0 Vs0
Vv0 Vs0 e0
总体积 Vv0 Vs0 Fh0
(1 e0 )VS 0 Fh0
Vs0
h0 1 e0
加压后 e1
s
Fs F
uw (1
Fs F
)
设
s
Fs F
u uw
F=1
一般情况下 Fs/F=0.010.03
则有 = ’+u
u
= ’+ u
饱和土的有效应力原理 （Terzaghi，1920） —总应力 ’—有效应力 u —孔隙水压力
F=1
u
’—有效应力
受压时，使土粒间发生位移 受剪时，全部剪应力由粒间 应力造成的摩擦作用来承受 ’对土的位移和变形是有效的 或者说起控制作用
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
• 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
=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
)
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）
青藏铁路压实路基 京福高速公路
广州白云机场扩建工程
感谢下 载
1.库仑定律
f c tg
在一定载荷范围内，土的抗剪强度与法向应力之间呈直线关系。 其中C、 被称为土的抗剪强度指标。
粘
性
土
c
f c tg
C 称为土的粘聚力 称为土的内摩擦角
2.莫尔－库仑强度理论
莫尔认为土中某点达到该点的抗剪强度时，即土发生破坏。
f
莫尔—库仑强度理论
莫尔认为 f=f（）为曲线 f=f（）用直线（库仑定律 f c tg ）代替， 故称为莫尔—库仑强度理论
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）
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）
局部剪切阶段ab
O
p（kPa）
a
基础 p
地面 p
b
S（mm）
整体破坏阶段bc
O
p（kPa）
a
基础 p
地面
b
日本新泻1964年地震时砂土液化引起震陷。这些设计为抗震的建筑 物倾斜而未受损坏。
加州沃森维尔附近的野外涌沙
唐山地造成的 喷水冒砂区分
布图
震前，水，不稳定（立体）堆集，震后，液化土中剩余孔隙水负担覆盖层荷 载 稳定（六边形）堆集
砂土液化（横向移动）系因地震时球粒（理想砂粒）的重新堆集。地震 振动造成这种固体颗粒堆集更加有效，这会占据少量体积。一部分覆盖 层荷载由水来支撑，这就无法阻止水体横向运移。
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
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
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
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
液化等级划分
存在液化土层的地基应进一步探明各液化土层的深度 和厚度，计算液化指数
I le
n i 1
(1
Ni N c ri
)d
i
wi
液化 等级
液化 指数
轻微 0<Ile5
中等 5<Ile15
严重 Ile>15
地面喷水冒砂情况
对建筑物的危害程度
地面无喷水冒砂或在洼地、河边 液化危害程度小，一般不致引起明显的