土的力学性质

土的力学性质 土的力学性质是指土在外力作用下所表现的性质，主要包括压应力作用下体积缩小 的压缩性和在剪应力作用下抵抗剪切破坏的抗剪性， .其次是在动荷作用下所表现 的一些性质。 第一节 土的压缩性 .

、土压缩变形的特点与机理

土的压缩性指土在压力作用下体积压缩变小的性能。

固、液、气三相组成部分中的各部分体积减小的结果

粒相互移动靠拢的结果 ) 。

、压缩试验压缩定律 试验方法 : 室内 现场 据压缩条件 :

无侧向膨胀(有侧限)试验 有侧向膨胀(无侧限)试验 主要是室内无侧向膨胀压缩试验 土的无侧向膨胀压缩试验是先用金属环刀切取土样 ,然后将土样连同环刀一起放入 压缩仪内 ,由于土样受环刀和护环等刚性护壁约束 ,在压缩过程中只能发生竖向压缩 , 不可能发生侧向膨胀 .。

试验时 ,通过加荷装臵将压力均匀地施加到土样上 ,压力由小到大逐级增加 ,每级压力 待压缩稳定后 ,再施加下一级压力 ,土的压缩量可通过微表观测，并据每级压力下的 稳定变形量 ,计算出与各级压力相应的稳定孔隙比。

若试验前试样的截面积为 A,土样原始高度为hO ，原始孔隙比eO,当加压P1后土 样压缩量为△ hi, 土样高度E 减小到h1=hO- △ h ,相应孔隙比由0变为e1. 由于土样压缩时不可能产生侧向膨胀 ,故压缩前后横截面积不变 ,加压过程中土的体 积是不变的 .即: A hO/(1+eO)=A(hO- △ h1)(1+ e1) e1=eO -△ h1/hO(H eO)

通过试验 ,求的各级压力 Pi 作用下,土样压缩性稳定后相应的孔隙比 ei ，以纵坐标表 示孔隙比e,横坐标表示压力p 。据压缩试验数据，可绘制出孔隙比与压力的关系曲 线 压缩曲线。

在压力曲线上，P 较小时，曲线较陡。随P 增大，曲线变缓，。这表明在压力增量 不变情况下对土进行压缩时 ,其压缩变形的增量是递减的。 1 、压缩系数

土的力学性质

土受压后体积缩小是土中 (主要是气体、水分挤出、土

a=tga=(e1-e2)/ p2- p l)压密定律压密定律表明：在压力变化范围不大时，孔隙比的变化(减小值)与压力的变化(增加值)成正比。

a 为压缩系数(Mpa-1) 它是表征土压缩性大小的重要指标。 a 愈大,说明土的压缩变

形量越大。

评价不同种类和状态土的压缩性大小时，必须以同一压力范围来比较,在GBJ7—89，<< 建筑地基基土设计规范>> 中规定以P1=0.1Mpa ，P2=0.2Mpa 时相对应的压缩系数a1 — 2 作为判断土的压缩性标准。

低压缩性土a1—2<0.1Mpa-1

中压缩性土0.1 Mpa- 1 < al —<0.5 Mpa-1 高压缩性土al — 2 > 0.5 Mpa-1 二、

压缩模量(Es)

压缩模量(Es):它是指土在有侧限条件受压时，在受压方向上的应力与相应的应

变E Z之间的比值。Es= Z E Z

式中§z=P2-P1 Z= △ h/h=(e1 -e2)/(1+e1) Es=(P2-P1) (1+e1)/ (e1-e2)=

(1+e1)/a a----为压力从P1到P2时的压缩系数el -为压力P1时的孔隙比.

工程中:P仁o.lMpa ,P2=-0.2Mpa 相应的Es评价土的压缩性低压缩性土： Es>15 Mpa

中压缩性土： 4 Mpa

土的变形模量(E0):指土在无侧限压缩条件下，压应力与相应的压缩应变的比值(Mpa.) 它是通过现场载荷试验求的压缩性指标。

E0= ES[1-2u2/(1-u)] E0= ES [1-2 叨(1+ 切

u和E分别为土的侧膨胀系数和侧压力系数.土侧膨胀系数指土在无侧限条件受压时侧向应变次与竖向应变E的比值。u=- E E

侧压力系数在有侧限条件下,竖向间压力增加,引起侧向压力增加,此时的侧压力系数。宇Z x/ Zz.据广义的虎克定律：u和E关系有：u= 0(1+ 3 8=u/(1-u)四、土的前期

固体压力

土的前期固结压力是指土层在过去历史上曾经受过的最大固结压力，通常用PC 表示。如果目前土层所爱的上覆土层的自重压力为P0,将PC与PO进行比较，可把天然土层分为三种不同的固结状态；

(1)PC= P0,称正常固结土：指目前土层的自重压力，就是该地层在历史上所

受过的最大固结压力，一般正常沉积且在自重压力下固结的土层，均处于正常压密状态。

(2)PC> P0,称超常固结土是指土层在过去历史上曾受

过的固结压力大于现有土层的自重压力。如土层的过去历史上曾有过相当厚的沉积

物，而后来由于侵蚀、冲刷、冰川等卸荷作用，或者由于古老建筑物的拆毁、地下

水位的长期变化以及土的干缩等作用，使土层原有的密度超过现有土的自重压力相对应的密度，而形成超压密状态。

⑶PC v P0,称欠固结土即土层在自重压力下尚未完成固结。如新近沉积的淤

泥、冲填土等均处于欠压密状态。目前确定土的前期固结压力的方法很多，但应用较普遍的是卡萨格兰德图解法。在此曲线上找出Pc。

实际工程中，用超固结比R来表征土的天然压密状态.R= Pc/ P0, R=1正常压密状

态R>1 超压密状态R<1 欠压密状态第二节土的抗剪性

土的抗剪性(抗剪强度)指土抵抗剪切破坏的极限强度。它是研究土体稳定性的一个极为重要的工程地质性质。

土是由固体颗粒组成的,土粒间的连结强度远远小于土粒本身的强度,故在剪应力作用下,多数土体(如砂类土、细粒土)发生的剪切破坏,并不是土粒本身的破坏, 而是土粒间发生相对错动,引起土的一部分相对另一部分沿着某个面发生与剪切方向一致的滑动。

目前，研究土的抗剪强度的途径，主要是模拟土剪切破坏时的应力和工作条件，利用室内或现场进行土的剪切试验。一、土的直剪试验与库克定律. 1 、直剪试验

土的室内剪切试验分为直接剪切和三轴剪切试验两类。最常用的直剪试验方法，是将土样放在上、下两部分可以错动的金属盒内，将上盒固定，下盒可沿水平方向滑动（图3-5）。试验时，先通过传压板在土样上施加法向压力P,使土样受法向应力

Z=p/F （F为土样的横截面积）作用。然后在下盒上逐级施加水平剪力，使土样沿上、下盒之间的水平面受到剪应力，当水平剪力增加强度至T 时，土样发生剪切破坏，此时的剪应力为T=T/F。即为土样在该法向压应力作用下的抗剪强度n.据此试验数据，可知n--- z关系曲线。

大量试验结果证明：在一般建筑物的荷载（0.1—0.6Mpa）作用下,土的抗剪强度与法向压应力关系近似为直线一库仑定律.巨粒土和粗粒土：曲线为n?= z g 9 （过坐标原点）细粒土:抗剪曲线,n= Z g 9+c

n为土的抗剪强度（MPa ）; Z剪切面上的法压力（MPa ）; 9为土的内摩擦

（o ）;C为土的内聚力（MPa ）。

库仑定律表明：巨粒土的抗剪强度决定于法向压力成正比的内摩擦力；而细粒土的抗剪强由两部分组成，一部分是与法向压力成正比的内摩擦力，另一部分与法向压力无关的内聚力。

库仑定律表明，巨粒土的抗剪强度与其内摩擦角和正切成正比，而内摩擦角与组成土的矿物性质和土的密度有关。组成巨粒土和粗粒土的矿物越坚硬，颗粒越粗大，表面越粗糙，棱角越多，内摩擦角越大。这两类土的密度越高，内摩擦角也越大

（见表3-2 ）。松散状态砂土的内摩擦与其自然堆积时所形成的最大坡角—天然休止角近似相等。所以工程实际中，常用砂土天然休止角代替松散状态砂土的内摩擦角。

表3-2 砂土的内摩擦角9（o）

细粒土的抗剪强度由内摩擦力和内聚力组成，而且以内聚力为主。细粒土中粘粒含量越多，土粒间的连结越强，内聚力越大，内摩擦角越小，担抗剪强度仍可增大。