大学精品课件:土力学一到四章.doc
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- 大学 精品 课件 土力学 一到四章
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1、第一章 土的物理性质 一、内容简介 土的力学性质由其物理性质所决定,而土的物理性质又取决于土的成分、结构 和形成过程等。在本章中将介绍土的生成、矿物组成、结构及其联结、三相含量指 标、土体状态、土(岩)的工程分类等。 二、基本内容和要求 1基本内容 (1)土的形成; (2)土的粒径组成及物质成分; (3)土中的水及其对土性的影响(粘粒与水的表面作用) ; (4)土的结构及联结; (5)土的三相含量指标及换算关系; (6)土的物理状态及有关指标; (7)土(岩)的工程分类。 2基本要求 概念及基本原理 【掌握】 土的粒径组成(或颗粒级配、粒度成分) ;粒组划分;粒径分析;粒径 分布曲线(级配曲线
2、)及其分析应用;土的三相含量指标;砂土及粘性土的物理状 态及相应指标;砂土的相对密实度及状态划分;粘性土的稠度和可塑性;稠度和稠 度界限;塑性指数及液性指数; 【理解】 土的形成过程;粒径分析方法(筛分法、比重计法) ;不均匀系数;曲 率系数;土的矿物成分及相应的物理性质;土中水的形态及相应的性质;粗粒土、 粉土、粘性土的结构及对土性的影响;重塑土;粘性土的灵敏度及触变性;标准贯 入试验及标贯数;塑限及液限的确定方法;土(岩)的工程分类 计算理论及计算方法 【掌握】土的三相含量指标关系的推导;土的三相含量指标的计算;相对密实度 的计算;塑性指数及液性指数的计算; 试 验 【掌握】三个基本指标容
3、重、比重、含水量的确定方法;塑限及液限的确定(搓 条法及锥式液限仪法) 三、重点内容介绍 1土的生成 土的多相性、分布不均匀性的主要原因就是因为其生成的原因和历史不同。总的 来说, 土是由地壳表层的岩石 (完整的) 经长期的 风化(物理、化学、生物) 剥蚀(水流、冰川、风等自然力的) 变为碎屑,原地堆积或经风力水流等搬运后沉积而形成。与岩石相比,其形成的年 代较短,多在一百万年以内,属第四纪沉积。其中: 风化 物理:由于温度的变化,使岩体内部产生应力,反复作用,导致岩体表面破碎 化学:大气中的氧、二氧化碳等与岩石中的化学成分发生反应,使岩体破碎,同时生成新的矿物成份 生物:生物生长过程对岩体的
4、机械破坏作用,死亡后对岩体的化学腐蚀等 根据成因不同,土的沉积类型:残积土、坡积土、洪积土、冲积土、湖沼积土、海 积土、冰川积土、风积土等。此外,还有在特殊环境下形成的特殊土,如沿海的软 土、陕甘晋的黄土、黔滇桂的红粘土等。 2土的粒径组成 土的粒径组成及矿物组成是决定土的物理性质的最基本的因素,土的很多物理及工 程工程性质都是由它决定的。其中 粒径组成粗颗粒土的物理、工程性质 矿物成份细颗粒土的物理、工程性质 粒组的概念: 各粒组的界限粒径:200mm,20mm,2mm,0.075mm,0.005mm 确定各粒组相对含量的方法颗粒分析试验 mmd mmd 0.075 075. 0 筛分法 比
5、重计法 试验成果颗粒级配曲线 级配曲线(半对数坐标) 土质量含量()纵坐标小于某粒径的 )土粒粒径(对数坐标横坐标mm)( 由级配曲线,可从以下几方面分析颗粒的级配特点: 曲线的起止范围反映了某土样中颗粒粒径的范围, 范围越大,土中颗粒的大小就越 不均匀,就越容易成为级配良好的土。定义不均匀系数 10 60 d d Cu (1-1) 对级配良好的土,要求其 Cu5。 若级配曲线上的某段较为平缓,则表明该段颗粒含量较少;反之,若较陡,则该 段颗粒含量较多。引入曲率系数 1060 2 30 c dd d C (1-2) 对级配良好的土,要求其 Cc=13。 判别土体级配好坏的指标 当同时满足 Cu
6、5 和 Cc=13 时,土的级配良好,否则,级配不良。 3土的矿物成分 (1) 原生矿物 物理风化产物,化学性质比较稳定,具有较强的水稳性。其中以石英砂粒强度最高, 硬度最大,稳定性最好,而云母则最弱。是粗颗粒土的主要成分。 (2)次生矿物 化学风化的产物,颗粒细小,比表面积大,活性强。其中高岭石、伊利石、蒙脱石 这三种复合的铝硅酸盐晶体是最重要的次生矿物,具有很强的亲水性(蒙脱石 伊利石高岭石) ,遇水膨胀,失水收缩。 (3)有机质 4粘粒与水溶液的表面作用 粘粒表面带负电,水分子有极性,故粘粒与水分子之间会发生相互作用。其中: 强结合水:其水分子被粘粒紧密地吸附,很难分开。 弱结合水:粘粒
7、对水分子的吸附作用使其不能完全自由运动,水可发生一定程度的 变形,表现为粘性土的可塑性。 自由水:水分子距粘粒较远,可自由运动。 5土的结构及其联结 (1)土的结构 土的结构是指土粒之间的相互排列和联结方式。可分为: 形式是粘性土的主要结构絮状结构 以粉粒为主的土蜂窝结构 常见于砂土、碎石土单粒结构 (2)砂土的结构变化 受高频振动时,颗粒位置重新调整,使砂更趋密实。 饱和的粉砂、细砂在动荷载作用下,会失去强度,产生砂土液化。 (3)粘性土的结构性和触变性 粘性土的天然结构(原状土)被破坏后(扰动土) ,其强度通常会下降,称为 土的结构性。其结构性的强弱用灵敏度表示,其定义为:原状土与重塑土无
8、侧限抗 压强度之比,或不排水抗剪强度之比。 6土的三相指标 土颗粒 水 气 体 s m w m a 0m vw mm m a V w V s V v V V 图 1-2 土的三相图 (1)土的天然密度 或重度 单位体积土的质量(重量) 。 V m (kg/m3) (1-3a) W V (kN/m3) (1-3b) 且有关系 g (1-4) 试验测定方法:环刀法等。 (2)土的含水量(率)w 土中水的质量(重量)与土粒质量(重量)之比,以百分数表示。 %100%100 s w s w w w m m w (1-5) 试验测定方法:烘干法 (3)土粒相对密度(土粒比重)Gs 土粒相对密度定义为土粒
9、的质量与同体积 4oC 纯水的质量之比。 s s sw m G V (无量纲) (1-6) 试验测定方法:比重瓶煮沸法。由此还可得到 ssw G (1-7) 以下指标由基本指标导出。设土颗粒的体积为 1,按照各指标的定义,可得到单元 土的三相简图如图 1-3 所示。 土颗粒 水 气 体 e 1 e s w s (1)w 1 s 图 1-3 单元土的三相简图 (4)孔隙比 e 孔隙比为土中孔隙何种与土粒体积之比,用小数表示。 1 )1 ( w V V e s s v (1-8) (5)孔隙率 n 土中孔隙体积与土的总体积之比。 100 V V n v (1-9) 且有 e e n 1 或 n n
10、 e 1 (1-10) (6)饱和度 Sr 土中所含水分的体积与孔隙体积之比, 反映了土体中孔隙被水充满的程度。 e wG V V S s v w r (1-11) (7)土的饱和容重 sat 和浮重度(有效重度) 饱和重度为土处于饱和状态时的重度,浮重度为土浸入水中受到浮力时的重度。 e e ws sat 1 (1-12) e ws wsat 1 (1-13) (8)干重度 d 土中颗粒的重量与土体积之比。 weV W ss 11 (114) (9)各重度之间的比较 ssatd (115) (10)最大干容重和最优含水量 同一种土,采用同一种方法压密击实时,所能达到的最大干容重与其含水量有关
11、, 达到最大干容重时所对应的含水量称为最优含水量,显然干容重最大时,填土的密 实度最高。 7土的物理状态 土的物理状态主要是指: 无粘性土:密实程度,疏松或密实。粘性土:稠度,即土的软硬程度。 土的干湿软硬松密等状态。 (1)无粘性土密实程度指标 孔隙比e 孔隙比愈大,则土愈松散,反之越密实。 孔隙比仅适用于级配相近的土的密实度的比较,且取原状土样测定孔隙比e比较困 难。 相对密度 Dr minmax max ee ee Dr (116) 其中, e 为原状土的孔隙比, max e 和 min e 分别为该种土所能达到的最大、 最小孔隙比。 同样,它也存在着原状土孔隙比e较难测定的问题。 标准
12、贯入系数 N63.5 通过现场标准贯入试验确定,适用范围较广。 (2)粘性土的状态及可塑性 即粘性土的软硬程度,或称稠度状态,如图 1-4 所示。其中: w/ %缩限ws 固 态半固态塑 态液 态 0塑限wP液限wLw/ %缩限ws 固 态半固态塑 态液 态 0塑限wP液限wL 图 1-4 粘性土的物理状态 液 态:含水量较大,颗粒之间有自由水,且粒间联结很弱。宏观上表现为粘土处 于粘滞流动状态。 可塑态:颗粒之间的主要为外层间的结合水,土粒之间有一定的联结力。宏观上表 现为土的形状可任意改变而不裂不断,外力解除后,土仍保持改变后的形状,这种 性能称为可塑性,是粘性土区别于无粘性土的重要特征。
13、 半固态:颗粒间的水主要是强结合水和扩散层的内层结合水,粒间联结比较牢固, 土失去可塑性。 固 态:土间之水为强结合水,粒间联结非常牢固,土体积已不随含水量的减少而 减少。 它有以下几个稠度界限(粘性土由一种状态变为另一状态的分界含水量) : 液限:由液性状态转变为塑性状态时的分界含水量。由锥式(碟式)液限仪法或液 塑限联合测定法确定。 塑限:由塑性状态转变为半固体状态时的分界含水量。由搓条法或液塑限联合测定 法确定。 缩限:由半固态转变为固态的分界含水量。 (3)塑性指数 P I PLP wwI (117) 反映粘性土的可塑性的大小,综合反映出该种土的固有特性(指颗粒组成、矿物成 分、结构性
14、等) ,可作为粘性土分类的指标。 (4)液性指数 L I PL P L ww ww I (118) 由此可判断粘性土所处的物理状态: 0 L I ,半固态或固态;0 1 L I ,可塑态; 1 L I ,液 态 5土(岩)的工程分类 以建筑地基基础设计规范 (GB50072002)为例,作为建筑地基的土(岩),可分 为岩石、碎石土、砂土、粉土、粘性土和人工填土等六类。其中,岩石按强度、完 整程度等分类,粗粒土按其级配(及颗粒是否圆滑)分类,细粒土按塑性指数分类。 (1)岩石 按强度:坚硬岩、较硬岩、较软岩、软岩、极软岩。 按完整程度:完整、较完整、较破碎、破碎、极破碎。 (2)碎石土 碎石土是
15、指粒径大于 2mm 的颗粒含量超过总质量的 50%的土,由大到小,包括: 漂石(块石) 、卵石(碎石) 、圆砾(角砾)砾。 (3)砂土 砂土是指粒径大于 2mm 的颗粒含量不超过总质量的 50%,粒径大于 0.075mm 的颗 粒含量超过总质量的 50%的土,由大到小,包括:砾砂、粗砂、中砂、细砂、粉砂。 (4)粉土 粉土是指粒径大于 0.075mm 的颗粒含量不超过总质量的 50%且塑性指数 IP10 的 土。 (5)粘性土 粘性土是指塑性指数 10 P I 的土。其中:10 17 P I ,粉质粘土; 17 P I ,粘 土。 (6)人工填土 包括素填土、压实填土、杂填土、充填土。 四、疑
16、难问题解答 第二章 土的渗透性和水的渗流 一、内容简介 土中孔隙相互连通形成的通道可以被水透过,称为土的渗透性,它是土的重要工程 特性之一。本章将主要介绍土的渗透性、土体中的渗流及达西定律、渗透系数的测 定和临界水力梯度等。 二、基本内容和要求 1基本内容 (1)土的渗透性; (2)土体中的渗流及达西定律; (3)渗透系数的测定方法; (4)临界水力梯度。 2基本要求 概念及基本原理 【掌握】土的渗透性;土的渗透系数;水力坡降(水力梯度) ;达西定理;渗透力; 临界水力梯度; 计算理论及计算方法 【掌握】达西定理的计算公式; 【理解】定、变水头法及抽水试验测定渗透系数的计算公式及推导过程; 试
17、 验 【理解】定、变水头法及抽水试验测定土的渗透系数 三、重点内容介绍 1土的渗透性 土中孔隙相互连通形成的通道可以被水透过,称为土的渗透性。 2达西定律 (1)水头 单位重量的水所具有的能量称为水头。 总水头势水头压力水头动水头 对土中渗流来说,其流速较小,动水头可忽略不计,故有: 总水头势水头压力水头 其中势水头,或称位置水头,是指考察点高出基准面的高度;压力水头:或静水头、 压强水头为考察点引出的测压管的水面高度,且有 w w u h (2-1) u 为该点的孔隙水压力(静止水压力) 。 (2)水力梯度 如图 2-1 所示,若渗流由截面 A 流过距离 L 至截面 B 的过程中,水头损失为
18、h, 则水力梯度为 L h i (2-2) A h A z w A u L B h h B w u B z 总水头线 A B 图 2-1 土中渗流 (3)达西定律 法国工程师达西于 1856 年通过大量试验得出:在层流状态下,有 vk i (2-3) 式中 /vQ A 为水流过全断面的平均流速;i 为水力梯度;cm/s 或 m/d;k 为渗透系 数,单位通常为 cm/s。 3.渗透系数的确定方法 (1)常水头试验 常水头试验适用于透水性大(k10-3cm/s)的土,例如砂土。在整个试验过程中, 水头保持不变。设土样高为 L,截面为 A,水头差为h,时间 t 内流过试样的总水 量为 Q,则渗透系
19、数为 hAt L k Q (2-4) (2)变水头试验 粘性土由于渗透系数很小,流经试样的总水量也很小,不易准确测定,可采用变水 头试验,即整个试验过程中,水头随时间而变化。渗透系数为 1 0 01 ln h h ttA aL k (2-5) 式中 A、L 的意义同上,a 为变水头管的截面积,时间由 01 tt 时,水头差由 01 hh 。 4. 渗透力和渗透变形 (1)渗透力 水在土体中流动时,渗流施加于单位土粒上的拖曳力, 其作用方向与渗流方向一致。 w ij (2-6) (2) 临界水力坡降 渗流向上时,当渗透力与土的浮重度相等时,土粒将处于失重或悬浮状态,此时对 应的水力梯度称为临界水
20、力坡降。 cr w i (2-7) 第三章 土中应力和地基应力分布 一、内容简介 土中应力是指自重、建筑物和构筑物荷载以及其他因素(如土中水的渗流、地震等) 在土体中产生的应力。土中应力过大时,会使土体发生破坏乃至发生滑动,失去稳 定。此外,附加应力会引起土体变形,使建筑物发生沉降、倾斜以及水平位移。 土是三相体,具有明显的非线性特征。为简便起见,将地基土视作连续的、均匀的、 各向同性的弹性半无限体,采用弹性理论公式计算土的应力。这种假定同土体的实 际情况有差别,不过其计算结果尚能满足实际工程的要求。 二、基本内容和要求 1基本内容 (1)土中一点的应力状态; (2)弹性力学平衡方程及边界条件
21、; (3)均匀满布荷载及自重应力作用下的应力计算; (4)垂直集中荷载、线状荷载、带状荷载、局部面积荷载作用下的应力计算; ()基底接触压力; ()刚性基础基底压力的简化计算方法。 2基本要求 概念及基本原理 【掌握】自重应力及附加应力;Winkler 假定;截面核心。 【理解】基底压力的分布规律。 计算理论及计算方法 【掌握】 均匀满布荷载及自重作用下地基应力的计算; 刚性基础基底压力简化 算法的基本假定及计算;垂直集中、垂直线状荷载及带状荷载作用下地基应力的简 化计算法;角点法;截面核心的计算。 三、重点内容介绍 1土中一点的应力状态 土中一点的应力可用 6 个独立分量即 x 、 y 、
22、z 、 xyyx 、 zyyz 、 xzzx 来表示。其中,总可以找到三个相互正交的面,其上的 6 个剪应力分量均为 0,相 应的法向应力称为主应力,并有 123 。 对平面问题,设坐标系为 x-z,则有 122 3 () 22 xzxz xz (3-1) 最大主应力的作用方向与竖直线间的夹角由下式确定 2 tan2 xz zx (3-2) 2弹性力学平衡方程 设土体的重度为,则相应的平衡方程为 在 x 轴方向 0 zyx zx xy x (3-3a) 在 y 轴方向 0 zyx zyyxy (3-3b) 在 z 轴方向 zyx z yz xz (3-3c) 3饱和土的有效应力原理 外荷载在饱
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