土力学教案- 辽宁工程技术大学教务处.

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直线M来1M代2替,其误差是工程允许的。

,称为压缩系数
式中:
1
——地基某深度处土中有效竖向自重应力;
2 ——地基某深度处土中有效竖向自重有力与有效竖向附加
应力之和;
e1——作用下压缩稳定后土的孔隙比,即土的天然孔隙比; e2——作用下压缩稳定后土的孔隙比,即土的最终孔隙比; a ——土的压缩系数,kPa-1。
对于饱和土体, Aa =0,则上式变为

由于颗粒间的接触面积As很小,根据毕肖普(Bishop)及伊尔定 (Eldin)等人的研究结果,一般As /A≤0.03。因此,1- As /A ≈1。 故上式变为
上式中σs As的是土颗粒间的接触压力
σs As/A是土颗粒之间接触压力的平均值,即为有效应力
孔隙水压力以及有效应力 如下图所示。
从上述计算结果可以看出,在毛细水上升区。由于表面张力 的作用使孔隙水压力为负值,这就使土的有效应力增加;在 地下水位以下,由于土颗粒的浮力作用,使土的有效应力减 小。
3.土中水渗流时(一维渗流)有效应力计算
当地下水在土体中渗流时,对土颗粒将产生动水力,这就必 然影响土中有效应力的分布。
对于地基土,在修建建筑物
之前就存在有效自重应力
1 cz 。建筑物修建后,
地基中的应力发生了变化,
由原来的 1增加到 2 1 z
,相应的孔隙比由原来
的减少到,如右图所示。由
于修建建筑物所引起的应力增加量一般不大, 2 1 z
=100~300 kPa,故M1至M2的一小段曲线可以近似用
在工程设计和施工中,如能事先预估并妥善考虑地基的变形而 加以控制或利用,是可以防止地基变形所带来的不利影响的。 如某高炉,地基上层是可压缩土层,下层为倾斜岩层,在基础 底面积范围内,土层厚薄不均,在修建时有意使高炉向土层薄 的一侧倾斜,建成后由于土层较厚的一侧产生较大的变形,结 果使高炉恰好恢复其竖向位置,保证了安全生产,节约了投资。 §5.2 研究土压缩性的方法及变形指标
一、压缩试验及压缩性指标
1.压缩试验 在实验室用侧限压缩仪(亦称固结仪)进行压缩试验,是研
究土压缩性的最基本方法。
试验仪器示意图如下图所示。
试验时,用金属环刀取天然土样,并放于刚性很大的压缩环 内,来限制土样的侧向变形;在土样的上、下表面垫两块透 水石,以使在压缩过程中土中水能顺利排出。压力是通过加 压活塞施加在土样上的,
《土力学》教案
课 次:第8次 主要内容:有效应力原理;土的压缩性;研究土压缩性的试
验方法 重点内容:有效应力原理机有效应力的计算;土压缩性的实
质;室内侧限压缩试验及其压缩性指标 教学方法:精讲启发式
§4.6 有效应力原理
一、土中两种应力试验
有两个完全相同的量筒,如下图所示,并在这两个量筒的底 部分别放置一层性质完全相同的松散砂土。
下面,分三种情况,分析土中水渗流时对有效应力的影响: 第Ⅰ,水静止不动,即a,b两点水头相等; 第Ⅱ,a、b两点有水头差,水自上向下渗流; 第Ⅲ,a、b两点有水头差,水自下而上渗流;
上述三种情况的总应力σ,孔隙水压力u及有效应力 值如下
图所示。
第五章 土的压缩性与地基沉降计算
一、土的压缩性
§5.1 概 述
在外力作用下土体积缩小的特性称为土的压缩性。
土是三相体,土体受外力作用发生压缩变形包括三部分:(1) 土固体颗粒自身变形;(2)孔隙水的压缩变形;(3)土中 水和气从孔隙中被挤出从而使孔隙体积减小。
一般工程土体所受压力为100~600kPa,颗粒的体积变化不 及全部土体积变化的1/400,可不予考虑;水的压缩变形也很 小,可以忽略。所以,土的压缩变形,主要是由于孔隙体积 减小而引起的。因此,土的压缩过程可看成是孔隙体积减小 和孔隙水或气体被排出的过程。因此,土的压缩性包含了两 方面的内容:
对于不同的土,其压缩曲线的形状不同,压缩曲线越陡,说 明随着压力的增加,土中孔隙比的减小越显著,土的压缩性 也就越高。从上图可以看出,软粘土的压缩性要比密实砂土 的压缩性高得多。
另外,土的压缩曲线一般随压力的增大而逐渐趋于平缓,即 在侧限条件下土的压缩性逐渐减小。
3.压缩性指标
(1)压缩系数a
对于道路和桥梁工程,一般来说,均匀沉降对路桥工程的上 部结构危害也较小,但过量的均匀沉降也会导致路面标高降 低、桥下净空的减少而影响正常使用;不均匀沉降则会造成 路堤开裂、路面不平,对超静定结构桥梁产生较大附加应力 等工程问题,甚至影响其正常和安全使用。因此,为了确保 路桥工程的安全和正常使用,既需要确定地基土的最终沉降 量,也需要了解和估计沉降量随时间的发展及其趋于稳定的 可能性。
试求地面以下深度h2处A点的有效
应力。
作用在A点的竖向总应力为
A点的孔隙水压力为

由此可见,当地面以上水深h1变化时,可以引起土体中总应
力σ的变化,但有效应力 不会随h1的升降而变化,即 与
h1无关,亦即h1的变化不会引起土体的压缩或膨胀。
2.毛细水上升时土中有效自重应力的计算
用下,变形稳定后的压缩量为si,土样高度变为h0 - si ,土样
的孔隙比从e0减小到ei,此时
由于在试验过
程中土样不能侧向变形,所以压缩前后土样横截面积A保持不
变;
同时,由于土颗粒本身的压缩变形可以忽略不计,即压缩前 后土样中土颗粒的体积也是不变的,则有
式中:vs——土样中土颗粒体积;

在甲量筒松砂顶面加若干钢球,使 松砂承受σ的压力,此时可见松砂顶 面下降,表明松砂发生压缩,亦即 砂土的孔隙比e减小。 乙量筒松砂顶面不加钢球,而是小 心缓慢地注水,在砂面以上高h处正好使砂层表面也增加σ的
压力,结果发现砂层顶面并不下降,
表明砂土未发生压缩,亦即砂土的孔隙比e不变。这种情况类 似于在量筒内放一块饱水的棉花,无论向量筒内倒多少水也 不能使棉花发生压缩一样。
二、研究土压缩性的意义
从工程意义上来说,地基沉降有均匀沉降和不均匀沉降之分。 当建筑物基础均匀下沉时,从结构安全的角度来看,不致有 什么影响,但过大的沉降将会严重影响建筑物的使用与美观,
如造成设备管道排水倒流,甚至断裂等;当建筑物基础发生 不均匀沉降时,建筑物可能发生裂缝、扭曲和倾斜,影响使 用和安全,严重时甚至使建筑物倒塌。因此,在不均匀或软 弱地基上修建建筑物时,必须考虑土的压缩性和地基变形等 方面的问题。
z 与相应竖向应变增量 z之比值,用Es表示,
即 Es z / z ,故有时也称之为侧限压缩模量。
如上图所示,若M1至M2的一小段曲线近似用直线
M 1M 2 代替时,也可表示为全量的形式,即
②计算公式
式中:e1——土的天然孔隙比;

a——土的压缩系数,kPa-1;

Es——土的压缩模量,kPa。
上述甲、乙两个量筒底部松砂都作用了σ的压力,但产生了两 种不同的效果,反映出土体中存在两种不同性质的应力:① 由钢球施加的应力,通过砂土的骨架传递,这种骨架应力称 为有效应力,用σ`来表示;②由水施加的应力通过孔隙中水 来传递称为孔隙水压力,用u来表示。这种孔隙水压力不能使 土层发生压缩变形。
二、有效应力原理 在土体中某点截取一水平截 面,其面积为A,截面上作 用应力σ,为总应力。 a-a截面是沿着土颗粒间 接触面截取的曲线状截面, 在此截面上,土颗粒接触面 间作用的法向应力为σ ,各土颗粒之间接触面积之和 为As;孔隙内的水压力为u,面积为Aw;气体压力为 ua,其相应的面积为Aa。 竖直方向平衡条件为:

则上式变为
u
上式即为有效应力原理,它说明饱和土体承受的总应力
为有效应力和孔隙水压力之和。
有效应力为:
= u
有效应力公式的形式很简单,却具有重要的工程应用价值。 当已知土体中某一点所受的总应力,并测得该点的孔隙水压
力时,就可以利用上式计算出该点的有效应力 。
不及全部土体积变化的1/400因此,土的全部压缩量可认为是 由于土的孔隙体积缩小引起的。因此,可以用孔隙比与所受 压力的关系曲线说明土的压缩过程。,
在压缩试验过程中。我们可以通过百分表测量出土样的高度
变化S(即土样的压缩量),如下图所示。 土样的初始高度
为h0,横截面面积为A,初始孔隙比为e0。在第i级竖向应力作
推导过程如下:
如下图所示,土样取自地下某深度处,其高度为h1 ,横截面
1.最终压缩变形量,将引起建筑物的最终沉降量或变形量 2.压缩变形随时间而变化的过程------土的固结 对于透水性较大的砂土和碎石土,在荷载作用下,孔隙中的
水很快排出了。因此,其固结过程在很短的时间内就可结束。 相反地,对于粘性土,其透水性很差,在荷载作用下,土中 水和气体只能慢慢地排出。因此,粘性土的固结过程所需的 时间比砂土和碎土长得多,有时需十几年或几十年才能完成。
压缩系数a是反映土压缩性的一个重要参数, a值越大,曲线
越陡,土的压缩性越高。延长直线M 1M 2与e坐标轴相交得截距
eA,则直线的 M 1M 2 方程为
e eA a
上式即为土力学中的重要定律之一,即压缩定律,说明了在
一定应力范围内( 1 2 ),土的孔隙比e与其所受
设地基土层如下图示,地下潜水位在C线处。由于毛细现象,
地下潜水沿着彼此连通的土孔隙上升,形成毛细饱和水带,
其上升高度为hc。在B线以下、C线以上的毛细水带内,土是
完全饱和的。
在毛细水上升区,其水压力u为负值(因为静水压力值假定大
气压力为零,即C线处静水压力为零,则在C线以上、B线以
下的毛细水带内孔隙水压力为负值)。土中各点的总应力为σ,
做饱和土样的压缩试验时,容器内要放满水,以保证在试验 过程中土样处于饱和状态。
由于土样受到环刀、刚性护环的约束,在压缩过程中只能发 生竖向变形,不能发生侧向变形,所以这种试验方法称为侧 限压缩试验。
试验时,荷载是分级施加的。首先施加荷载到第一级的压力
p1,等到土样变形稳定后,可用百分表测得其高度变化量S1,
此时孔隙水压力 U≈0,则施加的竖向总应力转为竖向有效应 力。然后,将压力提高到第二级p2,当变形稳定后。
可测得土样的压缩量S2。此下去,直到压力增加时,土样变
形几乎没有变化为止,则可得土样各级荷载下的压缩量,即:
2、压缩曲线:土的孔隙比与所受压力的关系曲线。
在一般工程中,常遇到的压力 =100~600kPa.土粒的体积变化
A——土样底面积;

h0——土样原始高度;

e0——土样初始孔隙比(由三相基本比例指标试验确
定);

si——土样在第级竖向应力 i 作用下变形稳定后的压
缩量;
隙比。 ei——土样在第级竖向应力 i 作用下变形稳定后的孔
将二式相除可得

这样,只要测定了土样在各级压力 i作用下的稳定变形量后,
有效应力在土力学中是一个最有实际意义的量,它将引起土 颗粒的位移,使孔隙体积缩小,土体发生压缩变形,同时, 有效应力有大小直接影响土的抗剪强度。因此,只有通过有 效应力分析,才能准确地确定土工建筑物或建筑地基的变形 与安全度。
三、有效应力原理应用举例
1.地表水位高度变化时土中应力变化 如下图所示,地面以上水深为h1,
应力 呈线Βιβλιοθήκη Baidu变化。
从上图可以看出,压缩系数a与先后作用于土上的有效应力
1 和 2有关,即a不是一个常数。为了统一标准,《土工 试验方法标准》规定采用 1 =100kPa, 2 =200kPa所得到
的a1-2作为评定土压缩性高低的指标,详见P94表4-1。
(2)压缩模量Es ①定义:土在完全侧限条件下,竖向附加应力增量
就可以按上式计算出孔隙比。以竖向有效应力 为横坐标,
孔隙比为纵坐标,绘制出孔隙比与有效应力的关系曲线,即
压缩曲线,又称
e ,曲如线下图a所示。如用半对数直角
坐标绘图,则得到
e l曲g线,如下图b所示。
从上图可以看出,用半对数坐标绘制的 e lg 曲线,在后半
部出现明显的直线段,这已被大量的实验所证实。
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