《土力学简明教程》复习笔记
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《土力学简明教程》复习笔记
绪论
土力学:是研究土体在周围环境与力的作用下的变形和强度以及渗流规律的一门科学。
第一章土的物理性质和工程分类
土:一般指覆盖在地表上的碎散矿物几何体,是原岩经物理和化学风化作用形成的堆积物。
土可以分为残积土和运积土两大类:
残积土:母岩层经风化作用破碎成为岩屑或细小颗粒后残留在原地的堆积物,其特征是颗粒表面粗糙、多棱角、粗细不均匀、无层理。
运积土:是风化所形成的的土颗粒,受自然力作用,搬运到远景不同的地点所沉积的堆积物,其特点是颗粒比较圆滑。
运积土分类:坡积土、洪积土、冲积土、湖泊沼泽沉积土、海相沉积土、冰积
土、风积土。
主要区分坡积土(残积土在雨季水流和重力的作用下,被带到山坡坡脚出聚集起来的堆积物)和洪积土(残积土和坡积土受洪水冲刷带到山麓堆积起来的堆积物)、洪积土(残积土和坡积土受洪水冲刷带到山麓堆积起来的堆积物)和冲积土(由江
河水流搬运所形成的沉积物)
土的主要物理特征:
1、碎散性(岩石的物理风化所致)
2、三相体系
3、自然变异性
土是自然界漫长的地质年代内多形成的性质复杂、不均匀、各向异性且虽时间变化不断变化的物质。
岩石的风化:是指岩石在自然界各种因素和外力的作用下产生破碎与分解。
导致颗粒变小化学成分改变等。
1、物理风化(产生无粘性土,化学成分不变)
2、化学风化(产生粘性土颗粒和可溶盐,化学成分改变)
3、生物风化(产生腐殖质,改变土壤结构)
土的工程特性:
1、压缩性高
2、强度低
3、透水性大
土的三相组成:一般情况下是由固态的土颗粒、空隙中的液体、可气体三相组成饱和土:土的空隙完全被水充满
非饱和土:空隙部分被水占据另一部分被气体占据
干土:空隙全部充满气体
土的固体颗粒:
界限粒径:按照粒径的范围将土粒分为若干粒组,粒组之间的分界尺寸成为界限尺寸
巨粒、粗粒、细粒(60,0.75)
土的颗粒级配:土中各粒组的相对含量(各粒组占土粒总含量的百分数)
颗粒级配的分析方法:筛分法(适用于>0.075的粗粒)、水分法(适用于细粒)、激
光粒度分析法
颗粒级配曲线:颗粒级配曲线是根据筛分试验成果绘制的曲线,采用对数坐标表示,
横坐标为粒径,纵坐标为小于(或大于)某粒径的土重(累计百分)
含量
d,表示土中大于此粒径和小于此粒径的土的含量均占土的粗细——平均粒径(
50
50%)土的粒组分布情况——不均匀系数(10
60u d d C =
,不均匀系数越大土粒分布的范围越大,土越不均匀,级配越
好。
)颗粒级配曲线光滑程度(级配连续程度)——曲率系数(1060230C d d d c =,曲率系数大说明缺少小颗粒,曲率系数小说明缺少大颗粒)
总结一下就是:级配曲线出现平台(曲线缓)说明粗细粒差别大,均匀土级配不良,
必须同时满足3~1C 5C c u =>,才是级配良好的土
土粒的矿物成分:
1、原生矿物,粗粒土,矿物成分有石英、长石、云母等,颗粒粗、呈粒状
2、次生矿物,细粒土,主要是黏土矿物,颗粒细微、多呈片状或针状
三类不同性质的黏土矿物:
蒙脱石:颗粒细、亲水能力极强,比表面积大
伊利石:亲水能力介于蒙脱石和高岭石之间、比表面积介于二者之间
高岭石:颗粒粗,亲水能力差,比表面积小
比表面积:单位质量或体积的颗粒所拥有的表面积
土的颗粒越细、形状越扁平、比表面积越大
土中的液体:
1、结合水
A 、强结合水,物理化学力,失去液体的特性而接近固体,不能流动,具有蠕变性
B 、弱结合水,物理化学力,黏滞水膜,能发生变形,但是不会由于重力作用而流动
2、自由水
A 、重力水,重力,地下水位以下透水层中的地下水可以自由流动
B 、毛细水,表面张力及重力,地下水位以上的土层中的自由水
土中的气体:
1、粗粒土中,对土的性质没有多大影响
2、细粒土中,增加土体弹塑性变形、阻塞渗流、减小土的透水性、使土层具有很高的压缩性
土的结构:土粒或土粒集合体在空间的排列和互相联结形式
1、单粒状结构,疏松的单粒状结构土外荷载下易产生较大的变形或沉降不宜做建筑物地基,紧密单粒状结构土强度高压缩性小是良好的天然地基
2、蜂窝状结构,较不稳定外力作用下会产生较大变形,不可做天然地基
3、絮状结构,受到扰动强度变低压缩性变高,不可做天然地基
土体构造:同一土层中颗粒或者颗粒结合体相互间的位置与填充空间情况
1、层状构造,由不同颜色或粒径的土粒构成的一层一层的构造状态,大部分细粒土的土层
2、分散构造,土层中土粒分布均匀性质相近,大部分粗粒土
3、裂隙状构造,土体被许多不连续的小裂隙所分割,破坏了原状土的整体性,使
其工程性质变差,一些坚硬和硬塑状态的黏土4、结核状构造,细粒土中明显掺有粗颗粒或各种结合,土的性质主要取决于细粒土部分,含砾石的冰渍黏土含结核的黏土等。
土的三相图:再利用三相图计算的时候要注意,水的质量等于水的体积,设其中的某一个未知量为1,这样就只剩下三个未知量,可以用三相图推导公式
土的三相物理指标:
直接指标:必须通过实验测定的指标
1、土粒比重也成为比密度或者土粒相对密度(s G ):土粒在105~110℃温度
下烘干至恒重是的质量与4℃是同体积纯水的质量之比(实际上土粒比重在数值上等于土粒密度,但是量纲为1)
2、土的含水量(ω):土中水的质量与土粒质量之比以百分数表示(可以超过 100%,同一类土含水量越大其强度就越低)
3、土的密度又称为天然密度或者湿密度(ρ):单位体积的土所
具有的质量间接指标:可以根据直接指标换算的指标
1、重度也叫容重(γ):单位体积土的重量
2、干密度(d ρ)和干重度(d γ):分别指单位体积土中固体颗粒的质量和重量
3、饱和密度(sat ρ)和饱和重度(sat γ
):分别指土中空隙完全被水充满时单位体积的直连或重量
4、有效密度也叫浮密度('ρ)和有效重度也叫浮重度('γ):分别指地下水
位以下的土体在受到浮力作用时的单位体积的质量和重量
5、孔隙比(е):土壤中孔隙体积与土粒体积之比
6、孔隙率(n ):土中空隙占体积的百分数
7、土的饱和度(r S ):空隙被水充满的程度
土的物理状态指标:
1、对于无粘性土(粗粒土):密实程度
密实度:单位体积土体中固体颗粒的含量
直接用干密度和孔隙比作为密实度指标的缺点是没有考虑到级配的
影响相对密实度:min
max max D e e e e r --= min max e e e 、、分别表示土最疏松的、天然的、最紧密的孔隙比
r D 接近于1说明土呈密实状态,接近于0说明处于疏松状态(1/3,2/3)
标准贯入击数:用63.5KG 的锤从76cm 的高度自由下落,将贯入器击入土中 30cm 所需的锤击次数N
根据标准贯入击数可以将天然砂分为四类:松散,稍密,中密,密实
(10,15,30)
2、粘性土(细粒土):软硬程度
稠度:指土的软硬程度或者某一含水率下抵抗外力引起变形或破坏的能力(粘性土的稠度反映了土粒间的联结强度对含水量变化而变
化的情况)
塑性状态:土体受外力作用可以被捏成任何形状而不发生破裂,外力取消后仍然保持改变后的状态
液限(L ω):土由塑性状态转变为液性状态时的含水率(开始有自由水)
塑限(P ω):土由半固态进入塑性状态时的含水率(强结合水量最大开始有弱结合水)液性指数:P
L P L ωωω-ωI -= 液性指数越小土质越硬,液性指数越大土质越软
塑性指数:P L P ω-ωI =(习惯上去掉百分号)
土的灵敏度(t S ):原状土样的单轴抗压强度与重塑土样的单轴抗压强度之比
土的灵敏性越强其结构性越强,受扰动后土的强度降低的就越多土的触变性:在含水量和密度不变的条件下土因重塑而软化又因静置而逐渐硬化的性质
土的最优含水量:将一定量黏性土制成不同的含水量,用一定的压实方法和功能压实,含水量为某值时,压实干容重最大,此时相对应的含水量即最优含水量
影响土工程性质的三个因素:1、土的三相组成2、土的物理状态3、土的结构土的分类:
1、碎石土:粒径大于2mm 的颗粒质量超过总质量50%的土
2、沙土:粒径大于2mm 的颗粒质量不超过总质量50%,而粒径大于0.075mm 的颗粒质量超过全重50%的土
3、粉土:介于沙土与粘性土之间,塑性指数小于等于10且粒径大于0.075mm 的颗粒质量不超过总质量50%的土
4、粘性土:塑性指数大于10的细粒土,10到17为粉质粘土,17以上为黏土
第二章土的渗透性和渗流
渗透性:土具有被水等液体透过的性质
渗流:在水位差的作用下水在土体空隙中流动的现象
水头:单位水体所具有的能量
位置水头:单位质量液体所具有的的位能
压力水头:某点孔隙水的压力的水柱高度
流速水头:单位质量液体所具有的动能
总水头:单位质量液体所具有的总机械能
总水头差:单位质量的液体从一点到另一点为克服阻力而损失的能量
水力坡降:L
h i ?= 其物理意义是单位渗流长度上的水头损失
管内水流的两种形式:
1、层流:流动时相邻两质点流线永不相交
2、湍流:流动时相邻两质点流线相交流动时出现旋涡达西定律:ki L
h k A Q v =?== v 为渗透断面的平均渗流速度
k 为土的渗透系数,相当于水力坡降为1时的渗流速度,量纲与流速相同
1、渗透速度v 并不是土空隙中水的实际平均速度
2、达西定律只适用于层流,沙土和一般黏土可直接使用,很黏的砾石和粘性很大的密实黏土要修正m
ki v =、)(0i i k v -=
渗透系数的测定:
1、常水头实验法,室内,粗粒土
2、变水头实验法,室内,细粒土
3、注水试验或者抽水试验,室外,重要工程
对渗透系数的影响:
1、土的性质:粒径及粗配、孔隙比、矿物成分、结构、饱和度
2、水的性质:温度不同水的黏滞度不同
成层土的渗透系数: 1、水平渗流:∑==n i i i
x H k H k 11
结论:水平渗流的等效渗透系数等于各层渗透系数按厚度加权平
均特点:1、各土层在竖直截面上各点的水头相等,各层土的水力坡降与等效水力坡降相等
2、等效土层的总渗流量等于各土层的渗流量之和
2、垂直渗流:∑==n i i
i z k H H k 1 特点:1、通过各层的流量与通过等效土层的流量相同2、等效土层的水头损失等于各土层的水头损失之和结论:水平渗流的等效渗透系数由渗透系数最大的土层控制,垂直渗流的等效渗透系数由渗透系数最小的土层控制拉普拉斯方程:02222=??+??z
h x h 求解方法:1、解析法 2、数值解 3、实验法 4、图解法
流网:由流线和等势线所组成的曲线正交网格
绘制原则:1、流线与等势线必须正交
2、流线与等势线构成的各个网格的长宽比应为常数,一般取1
3、必须满足流场的边界条件,以保证解的唯一性
流网的特点:1、流网与上下游水头无关
2、上下游透水面为首位等势面求测压管水头:N h h i ?=
求水力坡降:i i i l h i ??=
(说明网格越密水力坡降和流速越大)求流速:i i ki v =
求单宽渗流量:i i h k s v q ?==?1 求总单宽渗流量:N
M h k q M q i ?=?= 求渗透压力(孔隙水压力):w i i i z h u γ)(-=
渗透力:单位土体内颗粒所受的渗流作用力静水作用下平衡时滤网对骨架的托力:L R '=γ0
有向上渗流时托力:J R h R R w -=?-=00γ(J 即为水对骨架的总作用力)单位体积的渗透力:i AL
hA V J j w w γγ=?== 临界水力坡降:正好发生流土破坏时的水力坡降
e
G i s w rc +-=='11γγ 渗透变形:土工建筑物或地基由于渗流作用而出现的变形或者破坏
1、流土:在向上的渗流作用下,局部土体表面隆起或者土颗粒同
时悬浮和移动的现象
发生条件:任何土只要满足渗透坡降大于临界水力坡降就会发生流土
防治措施:1、上游做垂直防渗帷幕
2、上游做水平防渗铺盖,延长渗流途径,降低下游水力坡降
3、下游挖减压沟或打减压井
4、下游加透水盖板,防止被渗透力悬浮
2、管涌:在渗流作用下,土体中的细颗粒在粗颗粒所形成的的通道中被移动、带走的现象
几何条件:粗颗粒构成的孔隙直径必须大于细颗粒的直径,水力条件
防治措施:1、改变几何条件,做反渗层
2、改变水力坡降,加设上游铺盖
第三章土中的应力计算
土中的应力有:1、自重应力——土体本身自重引起
2、附加应力——外荷载作用引起
3、惯性力——地震引起
4、渗透力——渗流引起
应力应变关系假定:1、连续介质 2、线弹性体 3、均质各向同性
地基中三种典型应力状态:1、一维应变状态2、二维应变状态3、三维应变状态符号规定:正应力压为正、拉为负,剪应力使微元体逆时针转动为正、反之为负自重应力:在没有修建建筑物之前,地基中由于土体本身的有效重力而产生的应力
竖直向自重应力:z cz γσ= 水平向自重应力:cz cx cx cy K σμμ
σσσ-===10
0K :土的侧向压缩系数,指侧限条件下水平有效应力与数值有效应力之比附加应力:由于修建建筑物而产生的应力
垂直集中力的作用:
=?=?=?==??=?=?=θππτθππτπθππσ2352235222553253cos
2323cos 2323123cos 2323R Py R y z P R Px R x z P z P K z R z P R P R z P zy zx z (52]1)(1[23+=z r K π)
1、轴对称性,z σ关于z 轴对称
2、某点应力合力过原点
3、在集中力作用线上z σ随深度的增加而递减
4、在某一圆柱面上随深度增加z σ先从零逐渐增加然后逐渐减小
5、在某一水平面上随r 的增加而逐渐减小
6、应力等值线为泡状
水平集中力作用:西罗提解
=?=?=55252
232323R zxy P R zx P R xz P h xz h xy h z πτπτπσ
矩形面积上的竖直均布荷载:0p K c z =σ
应力分布系数实际上是积分得来的,可以查表计算
利用角点法计算的时候要注意点的位置,然后使用叠加可计算出任意一点的应力矩形面积上的竖直三角形荷载:01p K K t c z )(-=σ
系数依旧是积分得来的,可以查表
在实际工程中当荷载面积长宽比大于等于10时可以看做条形荷载按照平面问题解地基中附加应力的影响因素:
1、材料非线性影响(对竖直应力影响较小,对水平应力影响较大)
2、成层地基的影响(刚性层出现应力集中,软性层出现应力扩散)
3、变形模量随地基深度的增大而增大的影响(地基中的应力向力的作用线附近集中)
基底压力(基底接触力):基础底面传递给地基表面的压力
1、弹性地基上的完全柔性基础(0=EI )
2、弹性土体上的刚性基础(∞=EI )
3、弹塑性地基上的有限刚性基础
基底压力的简化计算:
1、中心荷载作用:A P P =(对于条形荷载:b
P P =0,在长度方向取1m 计算) 2、偏心荷载作用:y
y x x I x M I y M A P y x P ++=),( 有效应力原理:u +='
σσ
1、饱和土体内人以平面受到的总应力可分为由土颗粒承担的有效应力和孔隙水承担的孔隙水压力
2、土的变形与强度只取决于有效应力
原因:土的变形一般指土中空隙的变化,主要包括颗粒移动到更稳定的位置,接触点破碎,土粒断裂。
孔隙水压力对颗粒的作用是各向相等的,不会引起土粒移动,造成空隙变化,同时孔隙水压力对土粒的压缩而引起的颗粒本身体积的变化比起孔隙的变化可以忽略不计,例如海面放在海底也不会由于巨大的水压力产生变形,由于水不能承受剪力因此孔隙水压力的变化也不会引起土的抗剪强度变化自重应力下的有效应力计算:
1、静水条件下应力分布
2、毛细饱和区内应力分布
3、稳定渗流条件下的应力
稳定向上渗流:有效应力减小
稳定向下渗流:有效应力增加
第四章土的压缩性与地基沉降量计算
土的可压缩性:天然土体具有孔隙,在受到外力及周围环境作用时会产生体积或形状的改变
土变形的特点:非线性、非弹(弹塑)性、剪胀(剪缩)性、流变性
三轴试验的三种类型:固结排水试验、固结不排水试验、不固结不排水试验固结:指的是在施加周围应力时打开排水阀,让土样充分排水,直至变形稳定排水:在施加竖向应力时打开排水阀并且加载速度要慢,保证加载过程中不产生超静孔隙水压力。