《土力学》几个概念问题-同济考研考博.课件.ppt
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1、土力学几个重要概念问题同济大学2011年1月10日1.土力学内容v三方面:v 渗流v 固结(变形)v 强度(破坏)v一条主线:有效应力原理2.土与土性定义v(1).粘粒 (0.005)v 粉粒(0.0750.005)v 砂粒 (20.075)v (2)砂性土、粉性土、粘性土v (3)砂土、粉土、粘土3.水对土的物理性质和力学性质的影响水对土的物理性质和力学性质的影响v结合水:结合水: 强结合水强结合水 弱结合水弱结合水 自由水自由水: 毛细水毛细水 重力水重力水 土的物理性质:重度、界限含水量、相对密土的物理性质:重度、界限含水量、相对密度等度等 土的力学性质:渗透破坏、强度、变形土的力学性质
2、:渗透破坏、强度、变形v重力水对砂性土物理力学性质的影响(浮力、浮力、渗透力渗透力)v毛细水对粉细砂物理性质的影响v重力水对粉细砂力学性质的影响(渗透破坏、渗透破坏、液化)液化)v结合水对粘性土物理性质的影响(塑性指数塑性指数IP)v重力水对粘性土物理性质的影响(液性指数液性指数IL)v结合水对粘性土力学性质的影响(强度强度)v重力水对粘性土力学性质的影响(强度值强度值)4. 砂土的密实度如何判别?不同指标如何使用?砂土的密实度如何判别?不同指标如何使用?砂土的密实程度并不完全取决于孔隙比,而在很大程砂土的密实程度并不完全取决于孔隙比,而在很大程度上还取决于土的级配情况。粒径级配不同的砂土即度
3、上还取决于土的级配情况。粒径级配不同的砂土即使具有相同的孔隙比,但由于颗粒大小不同,颗粒排使具有相同的孔隙比,但由于颗粒大小不同,颗粒排列不同,所处的密实状态也会不同。为了同时考虑孔列不同,所处的密实状态也会不同。为了同时考虑孔隙比和级配的影响,工程中一般采用砂土相对密实度隙比和级配的影响,工程中一般采用砂土相对密实度将砂土划分为密实、中密、和松散三种密实度。实际将砂土划分为密实、中密、和松散三种密实度。实际工程中还有利用标准惯入试验指标工程中还有利用标准惯入试验指标N63.5N63.5值的大小评判值的大小评判砂土的密实度砂土的密实度。5.在土类定名时,无粘性土与粘性土各主要依据什么指标? 无
4、粘性土依据的是土粒的粒径大小与级配,粘性无粘性土依据的是土粒的粒径大小与级配,粘性土则主要依据土的状态特性指标塑性指数来定土则主要依据土的状态特性指标塑性指数来定名。名。6.渗流和固结的联系与区别(1).作用力: 渗流:地下水压力差 固结:外力引起的超孔隙水压力(2) 对象: 渗流: 主要考虑土中水的流动,不考虑 土的变形(除了渗透破坏) 固结: 应力转移,超孔隙水压力消散,有 效应力增加引起土骨架变形(3) 相同点:有水流动(压力差)(4) 不同点:有无应力转移7.达西定律的适用范围v 达西定律是由砂质土体实验得到的,后来推达西定律是由砂质土体实验得到的,后来推广应用于其他土体如粘土和具有细
5、裂隙的岩广应用于其他土体如粘土和具有细裂隙的岩石等。进一步的研究表明,在某些条件下,石等。进一步的研究表明,在某些条件下,渗透并不一定符合达西定律,因此在实际工渗透并不一定符合达西定律,因此在实际工作中我们还要注意达西定律的适用范围作中我们还要注意达西定律的适用范围。8 .土中渗流的作用力及渗透变形土中渗流的作用力及渗透变形v(1)渗透力的定义)渗透力的定义v 水在土中流动的过程中将受到土阻力的作水在土中流动的过程中将受到土阻力的作用,使水头逐渐损失。用,使水头逐渐损失。v 同时,水的渗透将对土骨架产生拖曳力,导同时,水的渗透将对土骨架产生拖曳力,导致土体中的应力与变形发生变化。这种渗透致土体
6、中的应力与变形发生变化。这种渗透水流作用对土骨架产生的拖曳力称为渗透力。水流作用对土骨架产生的拖曳力称为渗透力。v (2). 渗透变形v 渗透变形渗透变形:当水力梯度超过一定的界限值当水力梯度超过一定的界限值后,土中的渗流水流会把部分土体或土颗粒后,土中的渗流水流会把部分土体或土颗粒冲出、带走,导致局部土体发生位移,位移冲出、带走,导致局部土体发生位移,位移达到一定程度,土体将发生失稳破坏,这种达到一定程度,土体将发生失稳破坏,这种现象称为渗透变形现象称为渗透变形。v渗透变形主要有二种形式渗透变形主要有二种形式:v流土流土:渗流水流将整个土体带走的现象渗流水流将整个土体带走的现象v管涌管涌:渗
7、流中土体大颗粒之间的小颗粒被冲出渗流中土体大颗粒之间的小颗粒被冲出的现象的现象a.流土v 渗流方向与土重力方向相反时,渗透力的渗流方向与土重力方向相反时,渗透力的作用将使土体重力减小,当单位渗透力作用将使土体重力减小,当单位渗透力j等于等于土体的单位有效重力(有效重土体的单位有效重力(有效重度)度) g g 时,土时,土体处于流土的临界状态。如果水力梯度继续增体处于流土的临界状态。如果水力梯度继续增大,土中的单位渗透力将大于土的单位有效重大,土中的单位渗透力将大于土的单位有效重力,此时土体将被冲出而发生流土。据此,可力,此时土体将被冲出而发生流土。据此,可得到发生流土的条件为:得到发生流土的条
8、件为:(234) v或 (235) jgwigg v流土的临界状态对应的水力梯度流土的临界状态对应的水力梯度ic可用下式可用下式表示表示: (235) v 这里这里 s为地基土的土粒密度为地基土的土粒密度,g/cm3。(1)(1)scwiegg(2)管涌 v产生管涌的条件比较复杂,从单个土粒来看,如果产生管涌的条件比较复杂,从单个土粒来看,如果只计土粒的重量,则当土粒周界上水压力合力的垂只计土粒的重量,则当土粒周界上水压力合力的垂直分量大于土粒的重量时,土粒即可被向上冲出。直分量大于土粒的重量时,土粒即可被向上冲出。实际上管涌可能在水平方向发生,土粒之间还有摩实际上管涌可能在水平方向发生,土粒
9、之间还有摩擦力等的作用,它们很难计算确定。擦力等的作用,它们很难计算确定。v 因此,发生管涌的临界水力梯度因此,发生管涌的临界水力梯度i。一般通过。一般通过试验确定。试验确定。 渗透变形中那种变形容易发生?渗透变形中那种变形容易发生?渗透变形的发生与地基土的性质有很大关系,在比较均渗透变形的发生与地基土的性质有很大关系,在比较均匀的粉砂层中较易发生流砂现象,而在粗粒土中夹有细匀的粉砂层中较易发生流砂现象,而在粗粒土中夹有细粒土时,则容易发生管涌现象粒土时,则容易发生管涌现象。9.点、线、面荷载与地基的破坏与沉降图314 双层地基中双层地基中界面上界面上附加应力的分布规律 (a) 应力集中 (b
10、) 应力扩散E1E2E1E2v10.土的压缩性土的压缩性v土的压缩主要是由于孔隙体积减少而土的压缩主要是由于孔隙体积减少而引起的。引起的。 v由于孔隙水的排出而引起的压缩对于由于孔隙水的排出而引起的压缩对于饱和粘性土来说是需要时间的饱和粘性土来说是需要时间的v 压缩性指标v(1)压缩系数av通常可将常规压缩试验所得的ep 数据采用普通直角坐标绘制成ep 曲线,如图41所示。: 图41 ep 曲线确定压缩系数 v(2)压缩模量Ev根据e-p曲线,可以得到另一个重要的侧限压缩指标侧限压缩模量,简称压缩模量,用E9来表示。其定义为土在完全侧限的条件下竖向应力增量p(如从Pl增至P2)与相应的应变增量
11、的比值,根据这个定义参见图4-5可得到: (4-3)式中Es侧限压缩模量,MPa 1/sppEH H(3). 土的侧限回弹曲线和再压缩曲线v(4).关于三种模量的讨论v 压缩模量Es是土在完全侧限的条件下得到的,为竖向正应力与相应的正应变的比值。该参数将用于地基最终沉降量计算的分层总和法、应力面积法等方法中。 变形模量E0是根据现场载荷试验得到的,它是指土在侧向自由膨胀条件下正应力与相应的正应变的比值。该参数将用于弹性理论法最终沉降估算中,但载荷试验中所规定的沉降稳定标准带有很大的近似性。 弹性模量Ei可通过静力法或动力法测定,它是指正应力s与弹性(即可恢复)正应变的比值。该参数常用于用弹性理
12、论公式估算建筑物的初始瞬时沉降。10. 地基沉降计算地基沉降计算 v1. 弹性理论法 v2. 实用计算方法v 1)分层总和法v 2)应力面积法v简单讨论v (1)分层总和法假设地基土在侧向不能变形,而只在竖向发生压缩,这种假设在当压缩土层厚度同基底荷载分布面积相比很薄时才比较接近。如当不可压缩岩层上压缩土层厚度H不大于基底宽度之半(即b/2)时,由于基底摩阻力及岩层层面阻力对可压缩土层的限制作用,土层压缩只出现很少的侧向变形。v (2)假定地基土侧向不能变形引起的计算结果偏小,取基底中心点下的地基中的附加应力来计算基础的平均沉降导致计算结果偏大,因此在一定程度上得到了相互弥补。11. 饱和土的
13、有效应力原理v饱和土中总应力与孔隙水压力、有效应力之间存在如下关系: (4-23) (1)饱和土体内任一平面上受到的总应力等于有效)饱和土体内任一平面上受到的总应力等于有效应力加孔隙水压力之和;应力加孔隙水压力之和;(2)土的强度的变化和变形只取决于土中有效应力)土的强度的变化和变形只取决于土中有效应力的变化的变化 uss12太沙基的一维渗流固结理论v太沙基(KTerzaghi,1925)一维固结理论可用于求解一维有侧限应力状态下,饱和粘性土地基受外荷载作用发生渗流固结过程中任意时刻的土骨架及孔隙水的应力分担量,如大面积均布荷载下薄压缩层地基的渗流固结等。(1)基本假设v l)土是均质的、完全
14、饱和的;v 2)土粒和水是不可压缩的;v 3)土层的压缩和土中水的渗流只沿竖向发生,是单向(一维)的;v 4)土中水的渗流服从达西定律,且土的渗透系数k和压缩系数a在渗流过程中保持不变;v 5)外荷载是一次瞬时施加的。单面排水情况 双面排水情况(点击图片观看动画)(2)一维固结微分方程v太沙基一维固结微分方程可表示为如下形式: (4-24)式中 CV称为土的竖向固结系数,cm2/s,其值为: 22vuuCtz1(1)svwwkEkeCaggv上述固结微分方程可以根据土层渗流固结的初初始条件与边界条件始条件与边界条件求出其特解,当附加应力sz沿土层均匀分布时孔隙水压力u(z,t)的解答如下: 式
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