土力学与数值方法：土的基本力学特性
土力学第二章-土的物理性质指标
直接测定指标-2
• 土颗粒的容重：指土颗粒的重量与土颗粒的体积之比。 Ws s ( KN / m 3 ) Vs • 土颗粒的密度：指土颗粒的质量与土颗粒的体积之比
ms s ( g / cm3 ) Vs • 土颗粒的密度与比重的关系：土颗粒的密度在数值上等 于土颗粒的比重，一般不需直接测定。 s Gs • 土颗粒的容重和密度的关系： s 9.81 s
间接测定指标-1
• 孔隙比： 反映土体孔隙的多少。等于土体中孔隙的体积与土 颗粒的体积之比。它是一个相对指标。
• 孔隙率： 反映土体孔隙的多少。等于土体中孔隙的体积与整 个土体的体积 之比。它是一个绝对指标。
Vv e Vs
Vv n (%) V
间接测定指标-2
• 土体的饱和度： 反映土体含水的多少，等于土体孔隙中水的体积与孔隙 的体积之比 V Sr (%) Vv • 干土的饱和度为0， 饱和土的饱和度为100%， 一般土的饱和度介于0-100%之间。 • 理论上，饱和土的饱和度为100%， 但因土体中存在封闭孔隙，实际饱和度达到80%的土就 称为饱和土。
直接测定指标-1
• 土颗粒比重： 指土体在105º -110º C的温度下烘至恒量时的重量或 质量与土颗粒同体积的4º C时蒸馏水的重量或质量之比。 ms Ws Gs Gs Vs Vs
水的容重=9.81KN/m3，水的密度=1g/cm3 土颗粒的比重与土体中的水和气体无关 土颗粒比重一般介于2.65-2.75之间 • 测定方法： 比重瓶法、浮称法、虹吸筒法
换算指标
• 换算指标： 指在土的10个物理性质指标中， 只要知道其中的几个指标， 其余的指标都可以通过指标的基本概念换算出来。 • 技巧： 如问题没有具体给定土体的体积、重量或质量， 在计算过程中可任意假定一体积或重量或质量为单位值， 可使计算过程简化，而不影响计算结果 。 但注意每次只能假定一个为单位值。
土力学与数值方法：土的本构理论(1)
1
-
3
1
(
1
-
3)f
(
1
-
3) ult
1 O
双曲线应力－应变关系
• 切线弹性模量 Et 基于三轴排水试验建立起来的非线性模型，对于正常固 结粘性土、松砂及中密砂，具有应变硬化特征，偏应力 q=σ1-σ3与轴应变ε1之间的关系可以用双曲线进行拟合， 可表示为：
ζ1 ζ 3 ε1 a bε1
土的变形特性：
非线性和非弹性 塑性体积应变和剪胀性 塑性剪应变 硬化和软化 应力路径和应力历史对变形的影响 中主应力对变形的影响 高固结压力的影响 各向异性
在简单应力条件下，可以通过试验的方法确定土的 本构关系，但在复杂应力条件下试验就比较困难，因此， 根据简单应力条件下得到的结果，结合理论分析的方法 建立复杂应力条件下的本构关系，求得普遍形式的本构 方程。 弹性理论 弹塑性理论
R f ( ζ1 ζ 3 ) ζ3 2 1 K p 1 R S E a f L ( ζ ζ ) p 1 3 f ζ ζ3 a SL 1 ( ζ1 ζ 3 ) f
2
n
代入Et公式中后，得到：
ζ3 E t K E pa p a
第四章：土的本构理论
土的本构关系又称为本构模型，即描述土的应力－ 应变－关系的数学表达式。土的σ -ε 关系很复杂，具有 非线性、粘弹塑性，同时强度发挥程度、应力历史以及 土的组成状态和结构等对其都有影响。 已建立的本构模型很多，重要的有以下几类： 弹性模型-----Winkler、弹性半空间、分层地基模型 非线性弹性模型-----D-C模型 弹塑性模型------剑桥模型 粘弹性模型 边界面模型 内蕴时间模型
2024年土力学与基础工程重点概念总结范文(2篇)
2024年土力学与基础工程重点概念总结范文土力学与基础工程是土木工程领域的核心学科之一，在现代建筑和基础设施的设计、施工和维护中扮演着重要的角色。
____年，土力学与基础工程面临着新的挑战和机遇，以下是对其重点概念的总结。
一、土体力学与岩土工程1. 土体力学基本特性：包括土体的物理性质、力学性质和流变性质等。
其中，土体的物理性质主要涉及土壤颗粒的大小和形状、土体的密实度和孔隙率等。
力学性质包括土体的弹性、塑性、强度和变形性能等。
流变性质指的是土体在应力作用下的时间依赖性。
2. 岩土工程基础理论：包括土体的应力与应变关系、土体的变形和破坏机理以及土体的强度和稳定性分析等。
岩土工程基础理论为基础工程的设计和施工提供了理论依据。
3. 岩土材料特性与实验：对土体岩石材料进行物理力学特性的测试与分析。
其中，岩石的力学特性包括强度、弹性模量、抗剪强度等。
土体的力学特性包括强度、压缩性、剪切特性等。
4. 地基与基础工程：包括地基的选址与勘察、地基处理技术、地基承载力分析与设计、基础工程的选择与建设等。
地基与基础工程是建筑物安全和稳定的基础，对整个工程的质量和可持续发展具有重要影响。
二、土力学分析与计算方法1. 古典土力学理论：经典的弹性力学理论应用于土体力学中，通过力学方程和边界条件来推导土体的应力和应变状态。
2. 统计土力学方法：使用统计学原理来描述土体的非均质性和随机性。
常用的统计土力学方法包括蒙特卡洛模拟、随机场理论等。
3. 数值计算方法：应用计算机技术和有限元分析等数值方法进行土体力学问题的求解。
通过离散化、迭代和逼近等方法来模拟土体的力学行为。
4. 物理模型试验：通过搭建物理模型和进行试验来研究土体力学问题。
物理模型试验可以直观地观察土体的变形和破坏过程，验证分析方法的准确性。
三、地震工程与抗震设计1. 地震波传播与地震响应分析：研究地震波在土体中的传播规律和地震响应的特点。
通过地震波传播速度和频谱特性等参数，分析土体的地震反应。
土质土力学03土的物理性质
环刀
3 土的物理性质
（3）饱和密度(重度)
sat
m Vv w s V
ma(0) mw m ms
sat sat g
A w W S
体积
Va Vw
Vv
V
Vs
volume
质量 mass
3 土的物理性质
（4）干密度（重度）
ms V
ma(0) mw m ms
d
A a W S
d sat
当土在天然状态下为干燥时，测得的密
度为干密度，饱和时（土处于地下水位 面附近及以下）为饱和密度。
3 土的物理性质
(6) 土的有效重度（浮重度） 当土浸没在水中时，其颗粒会受到浮力的作用，土体所受的 重力应扣除浮力。计算地下水位以下土层的自重应力时应当 考虑浮力的影响，此时采用有效重度计算。 有效重度是扣除浮力以后的颗粒所受重力与土的总体积之比， 用’表示，有效重度又称为浮重度（浮容重）。有效重度 除于重力加速度称为土的有效密度（浮密度），用’表示。 计算式为： m s g Vs w ' sat w V ms Vs w ' sat w sat 1
V
土的有效重度的影响因素与土的密度相同。
3 土的物理性质
2．土的含水性 土的含水性是指土的含水情况，说 明土的干湿程度。 可用土中含水的质量来表示，也可 用水充填孔隙的程度表示。
3 土的物理性质
(1) 土的天然含 水量（含水率）
ma(0) mw
mw 100% ms
用百分数表示 实测指标（烘干 法）
3 土的物理性质
土的工程性质主要指土的物理性质
土力学与数值方法：土的基本力学特性(2)
Bjerrum将关系 K0 1 sin ' 代入Skempton关系式中：
P.5的关系式
cu (1 sin ' A sin ' ) sin ' p 1 (2 A 1) sin '
通过三轴试验取得参数 A、φ’ 值后代入上式，计算 强度比（cu/p）值，计算过程中对于φ’ ~Ip的关系采用统 计关系，并设定φ’ 的变化幅度为Δφ’= ±5°，将计算结 果与Skempoton根据统计得到的强度（cu/p）值进行了对 比，得到如下图所示结果。
强度比与K值 及A值有关
由 (1 3 ) / 2 cu ，可以得到（不等压固结）：
cu [ K (1 K ) A] sin ' p 1 (2 A 1) sin '
显然，在不等压固结条件下，不同的K0值，不排水剪强度比的取值也不同
等压固结· 轴对称
K0固结· 平面应变 K0固结· 轴对称
平面应变条件和轴对称条件下固结不排水剪的(cu/p)比较
轴对称
平面应变
K0固结
正八面体应力的应力路径
上图显示，应力路径用八面体应力表示时，三轴试 验与平面应变试验的应力路径基本一致。
右图为柴田等将等压固结后 的粘性土进行σ1>σ2>σ3条件下 的不排水剪得到的结果，结 果显示，孔隙水压力与中间 应力的大小、含水量等因素 无关，而与正八面体应力具 有确定的关系。 另外，不管是压缩试验、伸 张试验、或是σ1>σ2>σ3条件下 的试验，所得到的有效应力 强度指标c’、 υ1的值是共同 的。
K0固结与等压固结的比较（固结不排水剪）
以上讨论的固结方式，不管是等压固结还是K0固结 都是在轴对称情况下进行的，在工程上仍然属于特殊的 情况，而在实际工程中诸如道路、堤防、大坝等条形构 造，其应力状态更接近与平面应变状态。Henkel通过重 塑粘性土的平面应变剪切试验，测得K0=0.58，与通过三 轴试验的K0=0.59比较接近。 平面应变条件下测得的有效内摩擦角φ’ 要大于轴对 称条件下的有效内摩擦角。下图为平面应变及轴对称条 件下剪切试验过程中的有效应力变化情况。图形显示， 有效应力比(σ1’-σ3’)/ (σ1’+σ3’)与(σ1’+σ3’)/2无关，关系曲 线接近水平线，即应力比基本上是定值，则说明有效内 摩擦角φ’ 是定常且可确定的。且平面应变状态的应力比 (σ1’-σ3’)/ (σ1’+σ3’)要大于轴对称的。
土的基本力学特性及其弹塑性描述_姚仰平
2
Cam-clay 模型对正常固结土应力 应变特性的描述
正常固结土是一种理想化、性质简单的土，在
简单加载条件下具有压硬性、剪胀性和临界状态特 性。如图 1 所示，当沿着路径 AB 加载时，随着平 均主应力 p 和剪应力 q 的增加，土的体积应变增大； 当达到临界状态时，孔隙比达到临界状态值，剪切 应变增量趋于无穷大，应力比达到临界状态应力 比。 为了描述上述特性， 剑桥大学的 Roscoe 等建立 了适合正常固结土和弱超固结土的经典 Cam-clay 模型
casagrande和cariilo102j最早从概念上区分沈珠江恻将损伤力学应用于土体建立了结构生各向异性和应力诱导各向异性认为前者是材料性黏土的弹塑性损伤模型和非线性损伤力学模型固有的一种与应力应变无关的物理特性而后者则将变形中的土体看成原状土和损伤土的复合体把随着应力应变的发展不断变化
第 30 卷第 10 期 2009 年 10 月
－12]
正常固结土是一种理想化、性质最为简单的 土，在简单加载条件下表现为压硬性、剪缩性和临 界状态等特性
[11－12]
。 土的刚度和强度随应力水平的
增加而增大的特性即为压硬性。土在剪切作用下产 生的体积变形称为剪胀性，由于正常固结土的密度 较小，仅产生体积收缩，即剪缩性，它是剪胀性的 一种。土的临界状态是指应力水平保持不变，体积 应变增量为 0，剪切应变增量趋于无穷大的一种极 限状态。 受复杂加载方式和各种不同组构的影响，土具 有较复杂的应力应变特性。 三维特性是指在三维应力状态下土在 π 平面 上的屈服和强度特性以及三维应力应变规律，其对 应的加载方式是相对于简单加载而言的复杂应力状 态。 土的应力历史是指历史上的受力过程。超固结 土不同于正常固结土的特性，是由应力历史引起 的。它的孔隙比较小，密度较大，强度较高，表现 为硬化、软化、剪缩、剪胀等特性。在充分剪切情 况下，临界状态时超固结土的应力应变特性和正常 固结土趋于一致。 应力路径是指土中某点的应力状态的变化在 应力空间中的轨迹。渐近状态是一种应变控制的特
《土力学与地基基础》教案
《土力学与地基基础》教案第一章：土的性质与分类1.1 教学目标了解土的组成、性质和分类，掌握土的三相指标及土的密度、含水率和塑性指数的概念。
学会使用土工试验仪器进行土的物理性质试验。
理解土的工程特性及其对地基基础的影响。
1.2 教学内容土壤的组成与结构土壤的物理性质：密度、含水率、塑性指数土壤的力学性质：抗剪强度、压缩性、渗透性土的分类与工程特性土工试验：密度试验、含水率试验、塑性指数试验1.3 教学方法课堂讲授：讲解土壤的性质、分类和工程特性。
实验教学：指导学生使用土工试验仪器进行土的物理性质试验。
案例分析：分析实际工程案例，理解土壤性质对地基基础的影响。
第二章：土力学基本理论2.1 教学目标掌握土力学的基本概念、原理和定律，包括剪切强度理论、压缩理论和小应变弹性理论。
学会运用土力学理论分析土壤的力学行为。
土力学的基本概念：应力、应变、应力路径剪切强度理论：抗剪强度、库仑定律、莫尔-库仑准则压缩理论：压缩性、压缩系数、压缩模量小应变弹性理论：弹性模量、泊松比、弹性应变2.3 教学方法课堂讲授：讲解土力学的基本概念、原理和定律。
数值分析：运用数值方法分析土壤的力学行为。
案例分析：分析实际工程案例，运用土力学理论解决问题。
第三章：地基基础设计原理3.1 教学目标掌握地基基础的设计原理和方法，包括浅基础、深基础和地下工程的设计。
学会运用土力学和结构力学的知识进行地基基础的设计。
3.2 教学内容浅基础设计原理：承载力计算、基础尺寸确定、沉降计算深基础设计原理：桩基础、沉井基础、地下连续墙地下工程设计原理：隧道、地铁、地下室3.3 教学方法课堂讲授：讲解地基基础的设计原理和方法。
数值分析：运用数值方法分析地基基础的设计问题。
案例分析：分析实际工程案例，运用土力学和结构力学的知识进行地基基础设计。
第四章：地基承载力与稳定性分析掌握地基承载力和稳定性的分析方法，包括极限平衡法、数值方法和实验方法。
学会运用地基承载力和稳定性分析方法解决实际工程问题。
土力学-基本理论
地基稳定性分析
稳定评估
通过对土体的应力应变关系、强度特性以及变形特性进行分析，评估地基在受到竖向压力作用下的稳定性。
影响因素
主要包括土的物理性质、地下水位、施工方法以及环境条件等。
地基沉降计算
沉降预测
通过对地基土的压缩性、应力分布以及变形历史进行分析，预测地基在未来荷载作用下的沉降量。
计算方法
土的压缩性对于工程设计 和施工具有重要意义，特 别是在地基沉降计算和桩 基设计等方面。
土的动力性质
01
土的动力性质是指土在动荷载作用下的力学性质，包括动强度、动模 量和阻尼等。
02
土的动力性质与静力性质不同，需要考虑动荷载的特性以及土的动力 响应。
03
土的动力性质可以通过振动台试验、离心机试验和动三轴试验等方法 进行测定。
通过测量土的孔隙体积和固体颗粒体积来计算土的孔隙比，常用的方 法有压汞法、核磁共振法等。
03 土的力学性质
土的抗剪强度
土的抗剪强度是指土抵抗剪切 破坏的极限能力，是土的重要
力学性质之一。
土的抗剪强度通过剪切试验来 测定，包括直接剪切试验、三 轴压缩试验和无侧限抗压试验
等。
土的抗剪强度取决于土的粒度 、矿物成分、含水率和温度等 因素，其中粒度分布和矿物成 分是主要的影响因素。
感谢您的观看
02 土的物理性质
土的密度
定义
土的密度是指单位体积内土的质量，通常用ρ表示，单位 为克/立方厘米（g/cm³）或吨/立方米（t/m³）。
01
影响因素
土的密度受其矿物成分、含水量、孔隙 比等因素影响。
02
03
测量方法
通过测量土的质量和体积来计算土的 密度，常用的方法有环刀法、灌砂法 等。
土力学-2 土的性质及工程分类
级配良好
二、土的液相 土中水处于不同位臵和温度条件下，可具有不同的物 理状态——固态、液态、气态。液态水是土中孔隙水的主 要存在状态，因其受土粒表面双电层影响程度的不同可分 为结合水、毛细水、重力水。后两者也称为非结合水（自 由水）。
水 的 类 型 结 合 水 非 结 合 水 毛 细 水 重 力 水 主要作用力 物理化学力 表面张力和重力 重 力
测定含水率常用的方法是烘干法，先称出天然土的质量， 然后放在烘箱中，在100℃～105℃常温下烘干，称得干 土质量，按前式可算得。
二、间接换算得物理性质指标
（一）土的孔隙比e 定义：土中孔隙的体积与土粒的体积之比，以小数表 示，其表达式为：
（二）土的孔隙率n
Vv e Vs
定义：土中孔隙Biblioteka 体积与土的总体积之比，或单位体 积内孔隙的体积，以百分数表示，其表达式为：
Vv n 100 % V
（三）土的饱和度Sr 定义：土中孔隙水的体积与孔隙体积之比，以百分数表 示，其表达式为：
Vw S r 100% Vv
描述土体中孔隙被水充满的程度。干土为0；湿土为100%。
（四）干密度ρd与干重度γd 土的干密度：单位体积内土粒的质量，表达式：
ms d V
Vv e n V 1 e
或
孔隙
e 1+e
土粒
1
n e 1 n
三相示意图
（二）干密度与湿密度和含水量的关系 设土体的体积V为1，则ρd = ms /V，土体内土粒的质 量ms为ρd，由w= mw / ms水的质量mw为w ρd。
m d w d d (1 w) V 1
三、土中气 与大气相通 压缩性高；
土中的气体
土壤力学数值模拟
土壤力学数值模拟土壤力学是研究土壤在外力作用下的变形和破坏性能的科学，是土力学的一个重要分支。
土壤力学数值模拟则是应用计算机模拟和数值计算的方法，对土壤的内部结构和力学行为进行分析和预测的一种工具。
本文将围绕土壤力学数值模拟的原理、应用和发展趋势进行论述。
一、土壤力学数值模拟的原理土壤力学数值模拟是基于土体连续介质力学和有限元理论的基础上进行建模和仿真分析的。
其原理主要包括以下几个方面：1. 土体的离散化表示：通过有限元网格或网络逼近法将土体连续性进行离散化处理，将土体划分为许多小单元，以便于进行数值计算。
2. 材料模型的选择：选择适当的材料模型来描述土体的力学性质，常用的有弹性模型、塑性模型、本构模型等。
根据不同的工程问题和所研究的土体类型，选择合适的材料模型进行参数设置。
3. 边界条件的设定：根据实际工程情况和研究目的，合理设定边界条件，包括约束边界和加载边界条件。
约束边界是指模型中固定的边界，加载边界是指施加在模型上的外部载荷。
4. 求解方法的选择：选择适当的数值计算方法，如有限元法、边界元法和差分法等，进行模型求解。
根据模型的性质和计算效率要求，选择合适的数值方法。
5. 结果分析与评估：对模拟结果进行分析和评估，包括应力分布、位移变形、孔隙水压力等参数，以验证模拟结果的可靠性和准确性。
二、土壤力学数值模拟的应用土壤力学数值模拟在土木工程、地质工程、水利工程等领域具有广泛的应用价值。
以下是一些典型的应用案例：1. 基坑开挖模拟：通过数值模拟方法，可以预测基坑开挖过程中土体的变形和沉降情况，为基坑支护和施工方案的设计提供科学依据。
2. 填土工程分析：数值模拟可用于分析填土工程对周围土体和地下水系统的影响，预测填土后土体的变形和沉降，指导工程施工和填土方案的选择。
3. 地下水渗流模拟：通过土壤力学数值模拟方法，可以分析地下水的流动规律、渗流压力分布和水位变化趋势，为水文地质研究和水资源管理提供支持。
土力学_精品文档
土力学一、介绍土力学是土木工程中的一个重要学科，研究土壤力学和土木工程中土壤的应力、应变和变形等方面的规律。
土力学的研究对象是土壤及其力学性质，通过对土壤的特性和行为的研究，可以预测和控制土壤在工程中的行为，为土木工程的设计和施工提供科学依据。
二、土壤力学的基本概念1. 土壤物理性质土壤的物理性质包括土壤的颗粒组成、容重、孔隙比、相对密度等。
这些性质直接影响土壤的承载力、抗剪强度和渗透性等力学性质，是土壤力学研究的基础。
2. 土壤力学参数土壤力学参数包括土壤的压缩性、内摩擦角、剪切强度参数等。
这些参数描述了土壤在受力作用下的变形和破坏特性，是土壤力学分析和计算的重要依据。
3. 土壤应力状态土壤应力状态是指土壤中的应力分布情况，包括垂直应力、水平应力和剪应力等。
了解土壤的应力状态可以帮助工程师预测土壤的承载力、变形和破坏状态，从而设计出安全可靠的土木工程。
三、土壤力学的应用1. 土壤的承载力分析土壤的承载力是指土壤在承受外力作用下的最大抵抗能力。
工程师通过对土壤的颗粒组成、孔隙结构、内摩擦角等参数的分析，计算得出土壤的承载力，并根据承载力的大小来设计和选择合适的基础结构和土方工程。
2. 土壤的变形特性研究土壤在受力作用下会发生变形，包括压缩变形、剪切变形和液化等。
了解土壤的变形特性可以帮助工程师预测土壤的沉降和位移，并采取相应的补充措施，确保土木工程的安全和稳定。
3. 土壤的抗剪强度分析土壤的抗剪强度是指土壤在剪切作用下的抵抗能力。
通过对土壤的剪切试验和理论分析，工程师可以确定土壤的剪切强度参数，并结合实际工程条件进行抗剪强度的计算和分析，为土木工程的设计和施工提供重要依据。
四、土力学的挑战与发展土力学作为土木工程中的重要学科，正面临着一系列的挑战和发展机遇。
首先，随着城市化进程的加快和人口增长的需求，工程建设规模不断扩大，对土力学的研究和应用提出了新的要求。
其次，随着科技的进步和实验技术的发展，土力学研究手段和方法也将得到加强和完善，从而能够更加准确和全面地研究土壤的力学性质和行为规律。
土力学土的物理性质指标
• 土颗粒比重：
指土体在105º-110ºC的温度下烘至恒量时的重量或
质量与土颗粒同体积的4ºC时蒸馏水的重量或质量之比。
Gs
Ws
Vs
Gs
ms
Vs
水的容重=9.81KN/m3，水的密度=1g/cm3
土颗粒的比重与土体中的水和气体无关
土颗粒比重一般介于2.65-2.75之间
• 测定方法：
比重瓶法、浮称法、虹吸筒法
1) 土颗粒体积
8) 浮密度
2) 孔隙体积
9) 湿密度
3) 土颗粒质量
10) 干密度
4) 水的质量
11) 孔隙率
5) 水的体积
12) 饱和度
6) 气体体积
13) 土颗粒的容重
7) 饱和密度
14) 土体的容重
• 已知，
求解-1
• 1）由
可得，
则土颗粒体积为：
• 2）孔隙体积为：
• 3）由
可得，土颗粒质量为：
Ws Vs (KN / m3 )
V
• 浮密度：指土体淹没在水下面的有效密度，这时土颗粒 受到水的浮力作用，其有效质量减小。
ms Vs (g / cm3 )
V • 浮容重与浮密度的关系：
9.81
间接测定指标-5
• 干容重：指干土的容重，这时土体的孔隙中没有水。
d
Ws V
(KN
s 9.81s
直接测定指标-3
• 土体的容重：指单位体积土体的重量。 也称湿容重、
天然容重。 W (KN / m3 )
V • 土体的密度：指单位体积土体的质量。也称湿密度、
天然密度。 m (g / cm3 )
V
• 土体的容重一般介于16.0-19.0KN/m3，
土力学与数值方法土基本力学特性分析
σ3
σ1
土力学与数值方法土基本力学特性 分析
抗剪强度包线
内摩擦角
粘聚力 正常固结粘性土、松砂
超固结粘性土、密砂 剪胀
剪缩
土力学与数值方法土基本力学特性 分析
(σ1-σ3) ε1/(σ1-σ3)
渐近线
1/b
θ
1/a=tanθ
b=tanβ
a
ε1
土力学与数值方法土基本力学特性 分析
孔隙水压力系数
利用常规三轴试验可以确定孔隙水压力系数：
实际上，根据孔隙水压力的表达式所代表的物理意 义，平均主应力成分引起体积变化，偏应力引起形状变 形，据此原理，孔隙水压力系数可以表示为以下形式：
轴对称问题
土力学与数值方法土基本力学特性 分析
对于更一般的形式，Skempton用以下形式表示：
上式中系数a可以根据土的压缩性及剪胀性确定， 由于上式包含了三个主应力，既可以适合轴对称问题， 也可适合轴对称以外的问题。对于三轴压缩试验或三轴 伸张试验，对应的应力条件为：
l 一般变形特性 • 硬化和软化——硬化与剪缩相关，软化与剪胀
相关 • 各向异性——初始各向异性、诱导各向异性 • 路径相关——土的应力应变曲线与应力路径相
关联
土力学与数值方法土基本力学特性 分析
• 弹塑性耦合——塑性变形引起弹性性质的变化 • 非关联性——土的塑性应变增量方向与屈服面
通常并不正交。
土力学与数值方法土基本力学特性 分析
孔隙水压力系数的扩张
一般的孔隙水压力系数都是在三轴压缩试验的基础 上得到的，但实际上在工程上也采用三轴伸张试验，试 验结果表明，不同试验方法所得到的A值有很大的差异。 为了说明以上的现象，可以将孔隙水压力系数的表达式 进行扩张处理（即进一步可以从理论上加以说明）。
水泥土力学特性的数值分析方法
ａ ａｏ ｒｓ ｌ ｉ ｐ ｏ ｅ ｔ ｂ ａ ｐ ｏ ｉ ｔ ｔ ａ ｔ ａ ｓｒ ｎ ｔ ， ｗｈ ｃ ｐ ｓｅ ｓ ｓ ｃ ｒａｎ ｅｅｅ ｃ ｖ ｌ ｅ ｏ ｎ ｌｇ ｅ ｕｔ ｓ ｒｖ ｄ ｏ ｅ ｐ ｒｘｍａｅ ｏ ｃｕ ｌ ｔｅ ｇｈ ｉｈ ｏ ｓ ｓｅ ｅｔ ｉ ｒｆ ｒｎ ｅ ａｕ ｎ
Ｍ ＥＣＨＡＮＩ ＣＡＬ ＣＨ ＡＲＡＣＴＥＲＩ ＴＩ Ｓ ＣＳ
ＨＵＡＮＧ Ｈｕ，ＹＯＵ ｅｉ ｉ Ｌ ，ＴＡＮＧ Ｄｏｎ －ｙｎ ｇ ｉｇ，ＺＨＡＮＧ Ｌ ｉ
（ａ ｇｕ Ｔ ｓｎ ｅ ｔ ｏ ａｉ ｆＣ ｎｔ ｃｏ ｎｉｅｒ ｇ２０ ２ ，Ｎ ｎｉｇ ｈｎ） Ｊ ｎ ｓ ｅｔ ｇ Ｃ ｎｅ ｆｒＱｕｌｙｏ ｏ ｓｕ ｔ ｎ Ｅ ｇ ｅｉ ，１０ ８ ａｊ ，Ｃ ｉａ ｉ ｉ ｒ ｔ ｒ ｉ ｎ ｎ ｎ
１ ０ ０ 单元 ，０ ０ 个 节点 。并 输出 单元 信息 和节 点 ０ ０个 １２１
信息。
１２ 随 机 骨 料 的 投 放 ．
由于水泥 土材料 经 充分搅拌 混 合后 ，水泥 石颗 粒
粒 所 近 平 面 问题进 行研 究 ， 据 细观 力学 理论 ， 根 应用Ｆ ｒ ａ 足 够小 ， 径 约毫 米 级 左右 ， 以在 投 放 骨料 时 ， 似 ｏｔ ｎ ｒ
关键 词 ： 泥 土 ； 度 ； 值 计 算 ； 合材 料 ； 水 强 数 复 细观 力学
中 图分 类号 ： Ｕ４ １ Ｔ １． ３ 文献 标 识 码 ： Ａ 文 章 编 号 ：０ ０ ４ ２ （０ ２ １ — ９ ４ ０ １ ０ — ７ ６ ２ １ ）０ ０ ４ — ３
ＮＵＭ ＥＲＩ ＣＡＬ ＡＮＡＬＹＳ Ｓ Ｉ Ｍ ＥＴＨ Ｏ Ｄ Ｆ Ｏ ＣＥＭ ＥＮＴ— ｏ Ｉ Ｓ Ｌ
ｓｔｃｍ ｎ ａｄ ｓｉ ｒｃｅ－ ｒｇｒ ｓ ａｔｍ ｄ ｌｓｆ ｍ ｔ ｎ ｅ ｅ ｍ ｎ ｓｆ ａｅ Ａ Ａ Ｕ ｓａｐｉ ｏ ｅ ｅ ｅｔ ｎ ｏ ．Ｄｕ ｋｒ Ｐａｅ ｅ ｎ ｏｕｕ ｒ ｈ ｆ ｉ ｌ ｅｔ ｏｗ ｒ Ｂ Ｑ Ｓ ｉ ｐ ｌ ｄ ｔ ｌ ｃ ｏ ｅｉ ｔ ｅ ｔ ｅ
土质学与土力学绪论
土力学武汉理工大学胡幼常Email: huyouchang@12土力学是研究土的力学土力学是研究土的力学，，它是力学的一个分支它是力学的一个分支，，其研究对象是土其研究对象是土。
一、土的工程定义土是地壳表层母岩经受强烈风化的产物土是地壳表层母岩经受强烈风化的产物，，是各种矿物颗粒的集合体是各种矿物颗粒的集合体。
二、土的基本特征1. 多孔性—土体内部存在大量孔隙土体内部存在大量孔隙。
2. 散体性—颗粒间的联结强度远低于颗粒本身的强度。
研究土的意义—所有的建筑都植根于岩土构成的地基之上之上，，因此有岩石力学和土力学此有岩石力学和土力学。
3三、土的用途1. 作为地基作为地基（（称为基土称为基土）：）：）：如房屋如房屋如房屋、、桥梁桥梁、、堤坝堤坝、、码头等的基础2. 作为建筑材料作为建筑材料（（称为土料称为土料）：）：）：如堤坝如堤坝如堤坝、、路堤等路堤等。
3. 作为建筑物的周围介质作为建筑物的周围介质：：如地下管道如地下管道、、隧道隧道、、地铁地铁、、沟渠等沟渠等。
四、土力学的任务利用力学知识利用力学知识，，运用试验手段运用试验手段，，研究土的强度研究土的强度、、变形的规律变形的规律。
4五、土力学的基本内容1. 土的物理性质2. 土的基本力学性质3. 土力学基本原理4. 用土力学分析和计算地基基础等工程问题5. 地基处理六、学习土力学应注意的问题1. 充分认识土的多孔性和散体性充分认识土的多孔性和散体性，，将土的力学特性与一般连续介质的力学特性区别开来介质的力学特性区别开来。
2. 土力学的理论尚未形成完善的力学体系完善的力学体系，，注意各种理论所作的基本假定的基本假定，，掌握其适用条件掌握其适用条件。
3. 注重试验的重要性注重试验的重要性，，掌握几种基本土工试验的操作方法和试验步骤试验步骤，，注意培养自己的试验操作技能和对试验现象进行分析和总结的能力分析和总结的能力。
5六、土力学发展简史1773年法国工程师Coulomb 发表论文发表论文《《极大极小准则在若干静力学问题中的应用学问题中的应用》》为开端为开端。
土力学知识点总结PDF
土力学知识点总结PDF土力学是土木工程领域中的一个重要分支，它研究土体物理性质、力学性质和变形规律等内容。
土力学知识的掌握对于土木工程的设计、施工和管理具有重要意义。
本文将对土力学的相关知识进行总结，包括土体力学性质、土体压缩、土体强度等内容。
一、土体力学性质1. 土的物理性质：土体的物理性质包括密度、孔隙度、含水率等指标。
其中密度是土体的质量和体积之比，孔隙度是土体含水空隙的体积占总体积的比重，含水率是土体中水分的质量占总质量的比值。
2. 土的力学性质：土的力学性质包括固体土体和饱和土体的力学性质。
固体土体的力学性质由其颗粒间的摩擦力和粘聚力决定，而饱和土体的力学性质受到孔隙水的影响。
3. 土的变形规律：土体在外力作用下会发生变形，其变形规律可以用黏弹性理论进行描述。
土体的压缩变形和剪切变形是土体力学研究的重要内容。
二、土体压缩1. 土体压缩的原因：土体在受到外力作用时会发生压缩变形，其原因主要包括土颗粒间的调配和孔隙水的排出。
2. 土体压缩指标：土体压缩的指标包括压缩系数和压缩模量。
压缩系数表示单位压力下土体的体积变化量与初始体积的比值，压缩模量表示单位压力下土体的应变与应力之比。
3. 土体压缩计算：土体压缩的计算可以采用理论模型和实测数据相结合的方法。
一般通过试验和实测数据来确定土体的压缩系数和压缩模量，然后进行压缩计算。
三、土体强度1. 土体的强度指标：土体的强度指标包括内摩擦角和粘聚力。
内摩擦角是土体颗粒之间的摩擦阻力，粘聚力是土体颗粒间粘聚的力量。
2. 土体强度计算：土体的强度计算可以采用摩擦角和粘聚力的理论模型，通过实验和实测数据来确定土体的强度指标，然后进行强度计算。
4. 土体的抗剪强度：土体在受到剪切应力作用时会发生剪切破坏，其抗剪强度是土体的重要力学性质。
抗剪强度通过直剪试验来确定，它是土体强度的重要指标之一。
四、土体稳定性分析1. 土体的稳定性分析：土体在承受外部荷载作用下可能发生破坏，其稳定性分析是土力学研究的重要内容。
土力学与地质工程研究中的数值模拟方法
土力学与地质工程研究中的数值模拟方法土力学与地质工程是关于土体力学特性和地质工程问题的研究领域。
在这个领域中，数值模拟方法被广泛应用来解决各种土力学问题和地质工程难题。
数值模拟方法通过对土体和岩石的内部结构、物理特性和力学行为进行建模，可以提供准确的预测和分析，为工程实践提供有力的支持。
一、数值模拟的背景和应用土力学和地质工程问题的复杂性使得传统的试验和经验方法往往无法满足现实工程需求。
而数值模拟方法的引入，使得研究者们能够更加深入地了解土体和岩石的内部结构、物理特性和力学行为。
通过对土体和岩石的数值模拟，可以预测地下水流动、土体固结沉降、土体侧向位移等问题，对于地下工程的设计和施工具有重要意义。
二、数值模拟方法的种类在土力学与地质工程领域，常见的数值模拟方法包括有限元法（finite element method，FEM）、边界元法（boundary element method，BEM）和离散元法（discrete element method，DEM）等。
这些方法在建模原理和适用范围上有所不同，但都可以用来解决土力学与地质工程问题。
有限元法是一种广泛应用的数值分析方法，通过将土体或岩石划分成离散的小单元，然后对每个小单元的物理行为进行计算，最后通过求解整个计算域上的物理方程得到土体或岩石的力学行为。
边界元法则是通过将物理问题转化为远离边界的问题，在边界上进行插值计算，从而得到力学行为。
离散元法则是建立在颗粒模型上的一种数值模拟方法，将土体或岩石看作是由大量的离散颗粒组成的，通过分析颗粒之间的相互作用来研究力学性质。
每种方法都有其独特的优势和适用范围。
有限元法适用于连续介质的模拟，可以处理复杂的土体和岩石结构，而边界元法则适用于模拟边界上的行为，对于近断层研究和地下水流动等问题有较好的效果。
离散元法则适用于颗粒模型的模拟，对于颗粒结构的变化和力学行为的分析有较好的表现。
三、数值模拟方法的优势和挑战数值模拟方法在土力学与地质工程研究中具有很多优势。
高等土力学复习要点——土的性质
土的性质一．土的定义、土按成因分类、土的工程分类土——土是连续、坚固的岩石在风化作用下形成的大小悬殊的颗粒，在原地残留或经过不同的搬运方式，在各种自然环境中形成的堆积物。
属第四纪沉积物。
根据地质成因类型划分，可将第四纪沉积物的土体分为：残积土、坡积土、洪积土、冲积土、湖积土、海积土、风积土及冰积土等。
土的工程分类：工程上是用某种最能反映土的工程特性的指标来进行系统的分类。
影响土的工程性质的三个主要因素是土的三相组成、土的物理状态和土的结构。
GB5007一2002 《建筑地基基础设计规范》将地基土分成六大类，即岩石、碎石土、砂土、粉土、粘性土和人工填土。
二．岩石按成因分类、按风化程度分类岩石按成因可分为岩浆岩、沉积岩和变质岩。
岩石按风化程度划分为微风化、中等风化和强风化三类。
三.土的颗粒级配：1．颗粒分析试验：分为筛分法和水分法二种。
筛分法适用于粒径大于0.074mm粒组的土。
水分法适用于分析粒径小于0.074mm的土。
2．颗粒级配曲线：综合上述筛分试验和比重计试验的全部结果，可以绘制如图所示的颗粒级配累积曲线。
3．颗粒级配曲线的应用：由土的颗粒级配曲线的坡度可以大致判断土的均匀程度。
如曲线较陡，则表示粒径大小相差不多，土粒较均匀，则级配不好；反之，如曲线平缓，则表示粒径大小相差悬殊，土粒不均匀，级配良好。
四．地下水1.地下水按埋藏条件可分为：毛细水，潜水，承压水地下水在土中的渗透属于层流现象，遵循达西渗透定律。
2.渗透性：地下水通过土颗粒之间的孔隙流动，土体可被水透过的性质。
3.达西渗透定律：水在砂土中的渗流速度与试样两端间的水头差成正比，而与渗流路径成反比。
其中i——水力梯度；k——渗透系数，即当i=1时的渗透速度，m／s；h1、h2——试样两端的水头；L——试样的长度，即渗流路径。
4.渗透系数k：单位水力坡降时的渗透速度。
K值的大小与土的名称、土粒粗细、粒径级配、孔隙比及水的温度等因素有关。
《土力学与地基基础》教案
《土力学与地基基础》教案第一章：土的性质与分类1.1 教学目标了解土的组成、物理性质、力学性质及其影响因素。
掌握土的分类方法及其工程意义。
1.2 教学内容土的组成与结构土的物理性质（密度、含水率、粒径分布等）土的力学性质（抗剪强度、压缩性、渗透性等）土的分类（按照粒径、塑性、有机质含量等）1.3 教学方法采用讲授法介绍土的性质与分类的基本概念。
利用图像、案例等方式展示土的组成与结构。
通过实验或现场考察，让学生亲手操作，加深对土的物理性质与力学性质的理解。
1.4 教学活动引入话题：土地与建筑物的基础关系。
讲授土的组成与结构，配合图像与案例。
学生实验：土的密度、含水率、粒径分布等测试。
小组讨论：土的分类方法及其在工程中的应用。
第二章：土的力学性质2.1 教学目标理解土的力学性质及其在土力学分析中的重要性。
学会应用土的抗剪强度、压缩性和渗透性等力学性质进行工程计算。
2.2 教学内容土的抗剪强度（抗剪断强度、抗剪摩尔圆）土的压缩性（压缩系数、压缩模量）土的渗透性（渗透系数、达西定律）2.3 教学方法采用讲解和案例分析相结合的方式，让学生理解土的力学性质。
利用实验数据，讲解土的抗剪强度、压缩性和渗透性的测定方法。
2.4 教学活动复习土的分类，引入土的力学性质的重要性。
讲解土的抗剪强度、压缩性和渗透性的基本概念。
学生实验：土的抗剪强度、压缩性和渗透性的测定。
案例分析：应用土的力学性质进行实际工程问题的计算。
第三章：土压力与支撑力3.1 教学目标理解土压力和支撑力的概念及其在工程中的应用。
学会计算静止土压力、主动土压力和被动土压力。
3.2 教学内容土压力（静止土压力、主动土压力、被动土压力）支撑力（挡土墙、地下墙、支护结构）3.3 教学方法采用讲授法，结合实例讲解土压力和支撑力的概念。
利用公式和计算实例，让学生掌握土压力和支撑力的计算方法。
3.4 教学活动引入土压力和支撑力的概念，讲解其在工程中的应用。
讲解静止土压力、主动土压力和被动土压力的计算方法。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
对于更一般的形式，Skempton用以下形式表示：
1 Δu B[ ( 1 2 3 ) 3 a ( 1 2 ) 2 ( 2 3 ) 2 ( 3 1 ) 2 ]
Δu=Bp[Δσ3+Ap(Δσ1-Δσ3)]
Bp、Ap分别表示平面应变状态下的孔隙水压力系数。理 论上在平面应变条件下的孔隙水压力系数Ap要大于轴对 称条件下的A值。
孔隙水压力系数的扩张 一般的孔隙水压力系数都是在三轴压缩试验的基础 上得到的，但实际上在工程上也采用三轴伸张试验，试 验结果表明，不同试验方法所得到的A值有很大的差异。 为了说明以上的现象，可以将孔隙水压力系数的表达式 进行扩张处理（即进一步可以从理论上加以说明）。 实际上，根据孔隙水压力的表达式所代表的物理意 义，平均主应力成分引起体积变化，偏应力引起形状变 形，据此原理，孔隙水压力系数可以表示为以下形式：
一般变形特性
• 硬化和软化——硬化与剪缩相关，软化与剪胀 相关 • 各向异性——初始各向异性、诱导各向异性 • 路径相关——土的应力应变曲线与应力路径相 关联
• 弹塑性耦合——塑性变形引起弹性性质的变化 • 非关联性——土的塑性应变增量方向与屈服面 通常并不正交。
土的变形机制
• 塑性和弹性
固结试验
固结试验：各向等压固结试验、侧限单向压缩试验
荷载
加压活塞 透水石 环刀 土样
刚性护环
底座 透水石 侧限压缩仪示意图
e ea λ(ln p ln pa )
常规三轴试验
常规三轴试验： 三轴压缩试验（σ 3不变，增大σ 1、σ 1不变，减小σ 三轴伸长试验（σ 3不变，减小σ 1、σ 1不变，增大σ
3 3
） ）
σ3 σ1
抗剪强度包线
内摩擦角
1 (a c 1 ) q 1 3 (a b 1 )2
超固结粘性土、密砂 粘聚力 剪胀 正常固结粘性土、松砂
ε1 q σ1 σ 3 a bε1
剪缩
(σ1-σ3)
渐近线
1 a b1 ( 1 3 )
A 1.0 饱和粘性土 不饱和粉质粘土 A 1.0
0 -0.4
饱和松砂 σ3
0 -0.4 1 Log(OCR) 2 10 20
在常规三轴试验条件下得到的孔隙水压力系数，主 要反映轴对称条件下的结果，而实际工程中更多的可能 是平面应变状态（长度方向的应变忽略不计），此时， 孔隙水压力系数满足以下关系：
2 2 - 1 - 3 1 - 3
Bishop则采用b值反映中间应力σ2的影响： b
2 2 - 3 1 2b 1 1 - 3
2 - 3 1 - 3
• b值增大，曲线变陡， 破坏应变减小，材料 越接近于脆性破坏；
• 与常规三轴试验结 果相比，平面应变试 验曲线位于上方。
土的变形包括弹性、塑性、粘性三种成分 弹性变形——固体颗粒弹性变形构成的土骨架整体变形 为弹性变形 塑性变形——颗粒之间的相对滑移、小颗粒的填充作用、 颗粒旋转和重新排列、颗粒弯曲和压碎、孔 3 )， a 0
同样，取孔隙水压力系数 B=1，则：
Δu [ 2 a ] r
对比以上2式，由上述关系确定a值时，所得到的a值与 三轴压缩和三轴伸张的试验条件有关，由于a值与A值相
关，使得孔隙水压力值A也与不同的试验方法有关。
真三轴试验
常规三轴试验的应力状态可能与实际情况不符，一般 情况下没有反映中间应力σ2的影响。在真三轴试验中， 三个方向的主应力不等， σ1> σ2> σ3，在真三轴试验中， 用Lode参数反映中间应力σ2的影响：
上式中系数a可以根据土的压缩性及剪胀性确定， 由于上式包含了三个主应力，既可以适合轴对称问题， 也可适合轴对称以外的问题。对于三轴压缩试验或三轴 伸张试验，对应的应力条件为： 2 3 如果将轴压增量用 a 表示，围压增量用 r 表 示，则将上述关系代入上式后经简化处理可以将前式写 成如下形式：
使某方向保持不变形 以上结果说明，将常规三轴 试验结果用于平面应变问题 时，可能存在强度过小评价 的问题。
2.2 土的变形特性
基本变形特性 • 非线性和弹塑性——与金属材料相比较，非线 性性比较明显 • 压硬性——强度和刚度随压力增大而增大 • 剪胀性——剪切过程中存在体积变化 • 等压屈服——等压力或静水压力状态下会产生 塑性体积变形
第二章：土的基本力学特性
2.1 基本试验（室内试验） 直接剪切试验
试验仪器：直剪仪（应变控制式，应力控制式） 上下透水石
水平测力装置 T
基 座
F
竖向加压装置
上下剪切盒 土样 T
应变硬化
γ (a cγ ) 软化曲线： τ (a bγ )2
τr c 1 a , τ , p p b2 4(b c ) b 2c
应变硬化 应变软化
松砂或正常固结粘性土 硬化曲线：
γ τ a bγ
密砂或超固结粘性土
渐近线
γ a bγ τ
γ/τ
1/b
θ
1/a=tanθ
b=tanβ a
γ
加载速率对强度抗剪强度的影响
2.0
抗剪强度比 粘性土 1.0
砂性土
0.01
1.0
100
以剪切速率为1%/min剪切时的抗剪强度为基准
1 Δu B[ ( a 2 r ) 3 2a a r ]
经对比可知，
1 2a ( A ) 3
对于三轴压缩试验，应满足： r
1 Δu [ 3
0， a (1 3 )
如果取孔隙水压力系数 B=1，则：
2 a ] a
对于三轴伸张试验，应满足： r
1/b
θ
1/a=tanθ
ε1/(σ1-σ3)
b=tanβ a
ε1
孔隙水压力系数 利用常规三轴试验可以确定孔隙水压力系数：
Δu=Δu3+Δu1=B[Δσ3+A(Δσ1-Δσ3)]
其中，孔隙水压力系数A与土的应力历史、土的类别等 因素有关。一般情况下，粘性土的A值要大于砂性土， 而且A值随超固结比的增大而减小。