巖土工程__土的力學(xué)性質(zhì)

1、一、土體中的應(yīng)力一、土體中的應(yīng)力 支承建筑物荷載的土層稱為支承建筑物荷載的土層稱為地基地基。 與建筑物基礎(chǔ)底面直接接觸的土層稱為與建筑物基礎(chǔ)底面直接接觸的土層稱為持力層持力層。 將持力層下面的土層稱為將持力層下面的土層稱為下臥層下臥層。 土體的應(yīng)力按引起的原因分為土體的應(yīng)力按引起的原因分為自重應(yīng)力自重應(yīng)力和和附加應(yīng)力附加應(yīng)力； 自重應(yīng)力自重應(yīng)力由土體自身重量所產(chǎn)生的應(yīng)力。由土體自身重量所產(chǎn)生的應(yīng)力。 附加應(yīng)力附加應(yīng)力由外荷（靜的或動(dòng)的）引起的土中應(yīng)力由外荷（靜的或動(dòng)的）引起的土中應(yīng)力。 按土體中土骨架和土中孔隙（水、氣）的應(yīng)力承按土體中土骨架和土中孔隙（水、氣）的應(yīng)力承 擔(dān)作用原理或應(yīng)力傳遞方

2、式可分為擔(dān)作用原理或應(yīng)力傳遞方式可分為有效應(yīng)力有效應(yīng)力和和孔孔 隙應(yīng)力。隙應(yīng)力。 有效應(yīng)力有效應(yīng)力由土骨架傳遞（或承擔(dān)）的應(yīng)力。由土骨架傳遞（或承擔(dān)）的應(yīng)力。 孔隙應(yīng)力孔隙應(yīng)力由土中孔隙流體（水和氣體）傳遞由土中孔隙流體（水和氣體）傳遞 的應(yīng)力。的應(yīng)力。 土中任意一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)用六個(gè)獨(dú)立分量表示：土中任意一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)用六個(gè)獨(dú)立分量表示： x z y xy yz zx 土力學(xué)中應(yīng)力符號(hào)的規(guī)定土力學(xué)中應(yīng)力符號(hào)的規(guī)定 x xz zx x z xz zx 材料力學(xué)材料力學(xué) + - + - 土力學(xué)土力學(xué) 正應(yīng)力正應(yīng)力剪應(yīng)力剪應(yīng)力 拉為正拉為正 壓為負(fù)壓為負(fù) 順時(shí)針為正順時(shí)針為正 逆時(shí)針為負(fù)逆時(shí)針為負(fù)

3、壓為正壓為正 拉為負(fù)拉為負(fù) 逆時(shí)針為正逆時(shí)針為正 順時(shí)針為負(fù)順時(shí)針為負(fù) z 均勻一致各向同性體均勻一致各向同性體 （土層性質(zhì)變化不大時(shí)）（土層性質(zhì)變化不大時(shí)） 線彈性體線彈性體 （應(yīng)力較小時(shí)）（應(yīng)力較小時(shí)） 連續(xù)介質(zhì)連續(xù)介質(zhì) （宏觀平均）（宏觀平均） 碎散體碎散體 非線性非線性 彈塑性彈塑性 成層土成層土 各向異性各向異性 p p e e 線彈性體線彈性體 加載加載 卸載卸載 土中應(yīng)力的研究方法（研究假定）土中應(yīng)力的研究方法（研究假定） 實(shí)際實(shí)際假定假定 土的非線性彈塑性應(yīng)力應(yīng)變曲線土的非線性彈塑性應(yīng)力應(yīng)變曲線 1 1 地基中的自重應(yīng)力地基中的自重應(yīng)力 地下水位以下，用有效容地下水位以下，用有

4、效容 重；不同土層的重量可以重；不同土層的重量可以 疊加疊加 332211 hhh cz 3 hp ww z cz 豎向應(yīng)力豎向應(yīng)力 分布規(guī)律分布規(guī)律 自重應(yīng)力在等容重地基中隨深度呈直線分布；自重應(yīng)力在等容重地基中隨深度呈直線分布； 自重應(yīng)力在成層地基中呈折線分布；自重應(yīng)力在成層地基中呈折線分布； 在土層分界面處和地下水位處發(fā)生轉(zhuǎn)折。在土層分界面處和地下水位處發(fā)生轉(zhuǎn)折。 均質(zhì)地基均質(zhì)地基 1 2 2 )( 21 成層地基成層地基 The stratums conditions and the related physical characteristics parameters of a fo

5、undation are shown in Fig below. Calculate the stress due to self-weight at a,b,c. Draw the stress distribution. w=15.6% e=0.57 s=26.6kN/m3 w=22% wL=32% wp=23% s=27.3kN/m3（ watertight ） 3 1 /9 . 9 67. 01 106 .26 1 mkN e ws )(0 2332 2322 Semisolid ww ww I pL p L 3 2 /8 .20 6 . 01 106 . 03 .27 1 6 . 0

6、22. 010/3 .27 1 mkN e e wGe e wG S ws sat s s r a z=0 b z(upper)=1h1=9.92=19.8kPa z(Down)=1h1+ w(h1+hw)=9.92+10(2+1.2)=51.8kPa c z=1h1+ w(h1+hw)+ sat2h2 = 9.92+10(2+1.2)+20.83=114.2kPa K0靜止側(cè)壓力系數(shù)，它是土體在側(cè)限條件下有效小主靜止側(cè)壓力系數(shù)，它是土體在側(cè)限條件下有效小主 應(yīng)力應(yīng)力3與有效大主應(yīng)力與有效大主應(yīng)力1 之比，之比， K0與土層的應(yīng)力歷史及與土層的應(yīng)力歷史及 土的類型有關(guān)。土的類型有關(guān)。 正常固結(jié)

7、粘土：正常固結(jié)粘土： K0 1sin 對(duì)一般地基對(duì)一般地基K0 0.5 左右左右 czcycxch K 0 無側(cè)向變形（側(cè)限）條件下：無側(cè)向變形（側(cè)限）條件下： 2 2 側(cè)向應(yīng)力側(cè)向應(yīng)力 1 0 K 3 3 基底壓力與基底附加壓力基底壓力與基底附加壓力 基底（接觸）壓力基底（接觸）壓力指上部結(jié)構(gòu)荷載和基礎(chǔ)自重通過基礎(chǔ)指上部結(jié)構(gòu)荷載和基礎(chǔ)自重通過基礎(chǔ) 傳遞，在基礎(chǔ)底面?zhèn)鬟f，在基礎(chǔ)底面 處施加于地基上的單位面積壓力。處施加于地基上的單位面積壓力。 地基反向施加于基礎(chǔ)底面上的壓力稱為地基反向施加于基礎(chǔ)底面上的壓力稱為基底反力基底反力。 基底附加應(yīng)力基底附加應(yīng)力是指基底壓力扣除因基礎(chǔ)埋深所開挖的自是指

8、基底壓力扣除因基礎(chǔ)埋深所開挖的自 重應(yīng)力之后在基底處施加于地基上的單位面積壓力。重應(yīng)力之后在基底處施加于地基上的單位面積壓力。 dppn 影響影響基底壓力分基底壓力分 布和大小的布和大小的因素因素 基礎(chǔ)條件基礎(chǔ)條件 剛度剛度 形狀形狀 大小大小 埋深埋深 大小大小 方向方向 分布分布 土類土類 密度密度 土層結(jié)構(gòu)等土層結(jié)構(gòu)等 荷載條件荷載條件 地基條件地基條件 1）基底壓力）基底壓力 柔性基礎(chǔ)與剛性基礎(chǔ)柔性基礎(chǔ)與剛性基礎(chǔ) 柔性基礎(chǔ)柔性基礎(chǔ)：剛度較小，基底壓力與其上的荷載大小及分剛度較小，基底壓力與其上的荷載大小及分 布相同布相同； 剛性基礎(chǔ)剛性基礎(chǔ)：剛度較大，基底壓力分布隨上部荷載的大小、：剛

9、度較大，基底壓力分布隨上部荷載的大小、 基礎(chǔ)的埋深及土的性質(zhì)而異?；A(chǔ)的埋深及土的性質(zhì)而異。 當(dāng)基礎(chǔ)尺寸不太大，荷載也較小時(shí)，可假定基底壓力為當(dāng)基礎(chǔ)尺寸不太大，荷載也較小時(shí)，可假定基底壓力為 直線分布。直線分布。 2）基底附加壓力）基底附加壓力 基底凈壓力基底凈壓力 基底壓力中扣除基底標(biāo)高處原有土的自重應(yīng)力，才是基礎(chǔ)底基底壓力中扣除基底標(biāo)高處原有土的自重應(yīng)力，才是基礎(chǔ)底 面下真正施加于地基的壓力，稱為面下真正施加于地基的壓力，稱為基底附加壓力基底附加壓力或或基底凈壓基底凈壓 力。力。 對(duì)于基底壓力對(duì)于基底壓力p為均布情況為均布情況 二、土的滲透性二、土的滲透性 滲透滲透：由于土體本身具有連續(xù)的

10、孔隙，如果存在水位差：由于土體本身具有連續(xù)的孔隙，如果存在水位差 的作用，水就會(huì)透過土體孔隙而發(fā)生孔隙內(nèi)的流動(dòng)。的作用，水就會(huì)透過土體孔隙而發(fā)生孔隙內(nèi)的流動(dòng)。 土具有被水透過的性能稱為土具有被水透過的性能稱為土的滲透性土的滲透性。 土的問題土的問題是指由于水的滲透引起土體內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)的變是指由于水的滲透引起土體內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)的變 化或土體、地基本身的結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度等狀態(tài)的變化，從而化或土體、地基本身的結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度等狀態(tài)的變化，從而 影響建筑物或地基的穩(wěn)定性或產(chǎn)生有害變形的問題。影響建筑物或地基的穩(wěn)定性或產(chǎn)生有害變形的問題。 1 土的滲流理論土的滲流理論 一、達(dá)西滲透定律一、達(dá)西滲透定律 由于土體中的孔

11、隙一般非常微小，水在土體中流動(dòng)時(shí)的由于土體中的孔隙一般非常微小，水在土體中流動(dòng)時(shí)的 粘滯阻力很大、流速緩慢，因此，其流動(dòng)狀態(tài)大多屬于粘滯阻力很大、流速緩慢，因此，其流動(dòng)狀態(tài)大多屬于 層流。層流。 著名的著名的達(dá)西達(dá)西(Darcy)滲透定律滲透定律： 滲透速度：滲透速度： 或或 滲流量為：滲流量為： h vkki L kiAvAq 式中：式中：-水在土中的滲透速度，水在土中的滲透速度， cm/s。 它不是地下水的實(shí)際流速，而是它不是地下水的實(shí)際流速，而是 在一單位時(shí)間（在一單位時(shí)間（sec） 內(nèi)流過一單位內(nèi)流過一單位 土截面（土截面（cm2）的水量（）的水量（cm3）；）； i-水頭梯度，即土中

12、兩點(diǎn)的水頭差（水頭梯度，即土中兩點(diǎn)的水頭差（ h1-h2）(對(duì)右圖，為對(duì)右圖，為H1-H2)與兩點(diǎn)間與兩點(diǎn)間 的流線長(zhǎng)度（的流線長(zhǎng)度（L）之比；）之比； k-土的滲透系數(shù)，土的滲透系數(shù)，cm/s，與土的，與土的 滲透性質(zhì)有關(guān)的待定系數(shù)。滲透性質(zhì)有關(guān)的待定系數(shù)。 對(duì)粘性土對(duì)粘性土：)( b iikv 土的滲透系數(shù)可以通過室內(nèi)土的滲透系數(shù)可以通過室內(nèi)滲透試驗(yàn)滲透試驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)來測(cè)定?；颥F(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)來測(cè)定。 各種土的滲透系數(shù)參考值（各種土的滲透系數(shù)參考值（cm/s） 基馬式滲透儀基馬式滲透儀 南南55滲透儀滲透儀 2 滲透力及滲透破壞類型滲透力及滲透破壞類型 滲流所引起的滲流所引起的穩(wěn)定問題穩(wěn)定

13、問題： （1） 土體的局部穩(wěn)定問題，又稱為滲透變形問題；土體的局部穩(wěn)定問題，又稱為滲透變形問題； （2） 整體穩(wěn)定問題。整體穩(wěn)定問題。 1）滲透力的概念）滲透力的概念 在飽和土體中水的滲流分析中，把土顆粒骨架視為不可變?cè)陲柡屯馏w中水的滲流分析中，把土顆粒骨架視為不可變 形的剛體，發(fā)生滲流時(shí)，受到土粒的阻力，引起水頭損失形的剛體，發(fā)生滲流時(shí)，受到土粒的阻力，引起水頭損失 ，同時(shí)水也對(duì)土顆粒施加滲流作用力，同時(shí)水也對(duì)土顆粒施加滲流作用力，單位體積土骨架所單位體積土骨架所 受到的滲流作用力稱為滲透力受到的滲流作用力稱為滲透力(seepage force or seepage pressure)或動(dòng)水

14、壓力，用或動(dòng)水壓力，用J表示。表示。 2）滲透破壞類型）滲透破壞類型 根據(jù)滲透破壞的機(jī)理將破壞形式分為根據(jù)滲透破壞的機(jī)理將破壞形式分為流土、管涌、接流土、管涌、接 觸流失和接觸沖刷觸流失和接觸沖刷四種形式，稱為土的滲透破壞的四種四種形式，稱為土的滲透破壞的四種 模式。模式。 1.流砂或流土流砂或流土 在自下而上的滲流發(fā)生時(shí)，滲透力的大小超過土重在自下而上的滲流發(fā)生時(shí)，滲透力的大小超過土重 度，致使土粒間的有效應(yīng)力為零，土體的表面隆起、浮度，致使土粒間的有效應(yīng)力為零，土體的表面隆起、浮 動(dòng)或某顆粒群懸浮、移動(dòng)的現(xiàn)象稱為流砂動(dòng)或某顆粒群懸浮、移動(dòng)的現(xiàn)象稱為流砂(sand boiling) 或流土或

15、流土(soil boiling)。 土的臨界水力梯度土的臨界水力梯度 當(dāng)豎向滲流力等于土體的有效重量時(shí)，土體就處于流土臨當(dāng)豎向滲流力等于土體的有效重量時(shí)，土體就處于流土臨 界狀態(tài)。當(dāng)發(fā)生自下而上的滲流且水力梯度大于或等于臨界界狀態(tài)。當(dāng)發(fā)生自下而上的滲流且水力梯度大于或等于臨界 水力梯度時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)流砂現(xiàn)象。水力梯度時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)流砂現(xiàn)象。 以瀕臨滲透破壞時(shí)的水力梯度以瀕臨滲透破壞時(shí)的水力梯度 稱為稱為臨界水力梯度臨界水力梯度。 w s scr e G nGi 1 1 )1)(1( 1 1 s ww G ji e )1 ( e i w ws w cr 粘性土粘性土發(fā)生流土破壞的機(jī)理發(fā)生流土破壞的機(jī)

16、理與無粘性土不完全相同，因?yàn)榕c無粘性土不完全相同，因?yàn)?前者不僅僅是由于滲流力作用的結(jié)果，而且還與土體表面的前者不僅僅是由于滲流力作用的結(jié)果，而且還與土體表面的 水化崩解程度（即水穩(wěn)性）以及滲流出口臨空面的孔徑等因水化崩解程度（即水穩(wěn)性）以及滲流出口臨空面的孔徑等因 素有關(guān)。素有關(guān)。 )1)(1 (79. 0)1( )1 (24 2 0 CDnn n i L cr 2.管涌管涌 在滲流作用下，土體中的細(xì)顆粒在粗顆粒形成的孔隙中移動(dòng)， 以至流失；隨著土的孔隙不斷擴(kuò)大，滲流速度不斷增加，較粗 的顆粒也相繼被水流逐漸帶走，最終導(dǎo)致土體內(nèi)形成貫通的滲 流通道，造成土體塌陷。這種在滲流作用下土體內(nèi)的細(xì)土

17、顆粒 在粗顆粒形成的孔隙通道內(nèi)發(fā)生移動(dòng)并被帶出的現(xiàn)象稱為管涌 (piping) 如果在地基上修建建筑物，地基土內(nèi)各點(diǎn)不僅要如果在地基上修建建筑物，地基土內(nèi)各點(diǎn)不僅要承受土體本承受土體本 身的自重應(yīng)力身的自重應(yīng)力，而且要，而且要承擔(dān)由建筑物通過基礎(chǔ)傳遞給地基的承擔(dān)由建筑物通過基礎(chǔ)傳遞給地基的 荷載產(chǎn)生的附加應(yīng)力作用荷載產(chǎn)生的附加應(yīng)力作用，這都將導(dǎo)致地基土體的變形。，這都將導(dǎo)致地基土體的變形。 在附加應(yīng)力作用下，地基土土體變形，從而將引起建筑物沉在附加應(yīng)力作用下，地基土土體變形，從而將引起建筑物沉 降。降。 為什么要研究沉降？為什么要研究沉降？ 基礎(chǔ)的沉降量或者各部位的沉降差過大，那么將基礎(chǔ)的沉降

18、量或者各部位的沉降差過大，那么將影響上部建影響上部建 筑物的正常使用筑物的正常使用，甚至?xí)＜敖ㄖ锏陌踩?。，甚至?xí)＜敖ㄖ锏陌踩?三、土的壓縮、固結(jié)與沉降三、土的壓縮、固結(jié)與沉降 沉降、不均勻沉降沉降、不均勻沉降 工程實(shí)例工程實(shí)例 問題：?jiǎn)栴}： 沉降沉降2.2米，米， 且左右兩部分且左右兩部分 存在明顯的沉存在明顯的沉 降差。降差。 墨西哥某宮殿墨西哥某宮殿 地基：地基：20多米厚的粘土多米厚的粘土 由于沉降相互影響，兩棟相鄰的建筑物上部接觸由于沉降相互影響，兩棟相鄰的建筑物上部接觸 沉降、不均勻沉降沉降、不均勻沉降 工程實(shí)例工程實(shí)例 高層建筑物由于不均勻沉降而被爆破拆除高層建筑物由于不

19、均勻沉降而被爆破拆除 沉降、不均勻沉降沉降、不均勻沉降 工程實(shí)例工程實(shí)例 長(zhǎng)高比過大的建筑物因不均勻沉降墻體產(chǎn)生裂縫長(zhǎng)高比過大的建筑物因不均勻沉降墻體產(chǎn)生裂縫 47m 39 150 194199 175 87 沉降曲線沉降曲線(mm) 中部沉降大中部沉降大“八八”字形裂縫字形裂縫 沉降、不均勻沉降沉降、不均勻沉降 工程實(shí)例工程實(shí)例 1）土的壓縮試驗(yàn)土的壓縮試驗(yàn) 在外力作用下，土顆粒重新排列，土體體積縮小的現(xiàn)象稱在外力作用下，土顆粒重新排列，土體體積縮小的現(xiàn)象稱 為為土的壓縮土的壓縮。 為了研究土的壓縮特性，通?？稍谠囼?yàn)室內(nèi)進(jìn)行壓縮（固為了研究土的壓縮特性，通?？稍谠囼?yàn)室內(nèi)進(jìn)行壓縮（固 結(jié)）試驗(yàn)

20、，從而測(cè)定土的壓縮性指標(biāo)。結(jié)）試驗(yàn)，從而測(cè)定土的壓縮性指標(biāo)。室內(nèi)壓縮（固結(jié)）室內(nèi)壓縮（固結(jié)） 試驗(yàn)試驗(yàn)的主要裝置為側(cè)限壓縮儀（的主要裝置為側(cè)限壓縮儀（固結(jié)儀固結(jié)儀）。 用這種儀器進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，由于剛性護(hù)環(huán)所限，試樣只用這種儀器進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，由于剛性護(hù)環(huán)所限，試樣只 能在豎向產(chǎn)生壓縮，而不能產(chǎn)生側(cè)向變形，故稱為能在豎向產(chǎn)生壓縮，而不能產(chǎn)生側(cè)向變形，故稱為側(cè)側(cè) 限壓縮試驗(yàn)限壓縮試驗(yàn)。 1 1 土的壓縮性土的壓縮性 側(cè)限壓縮試驗(yàn)側(cè)限壓縮試驗(yàn) F 固結(jié)容器：固結(jié)容器： 環(huán)刀、護(hù)環(huán)、導(dǎo)環(huán)、透水環(huán)刀、護(hù)環(huán)、導(dǎo)環(huán)、透水 石、加壓上蓋和量表架等石、加壓上蓋和量表架等 F 加壓設(shè)備：加壓設(shè)備：杠桿比例杠桿比例1:1

21、01:10 F 變形測(cè)量設(shè)備變形測(cè)量設(shè)備 側(cè)限壓縮儀（固結(jié)儀） 支架支架 加壓設(shè)備加壓設(shè)備 固結(jié)容器固結(jié)容器 變形測(cè)量變形測(cè)量 2）土壓縮的本質(zhì)）土壓縮的本質(zhì) 土的壓縮性是指土在壓應(yīng)力作用下,體積壓縮變小的性 能。 土體壓縮性受三相物質(zhì)壓縮性及土體結(jié)構(gòu)的控制。 土體壓縮原因：土粒本身的壓縮變形；水和氣體 壓縮變形；孔隙中水和氣體被排出，顆粒位移，孔隙變 小，造成的壓縮變形結(jié)構(gòu)變化。 一般情況下，在建筑荷載作用下（0.10.6Mpa）水 和土粒的壓縮變形可忽略不計(jì)，氣體被排擠出。 土壓縮的本質(zhì)是：土壓縮的本質(zhì)是：土孔隙中的水分和氣體被擠出，土土孔隙中的水分和氣體被擠出，土 粒產(chǎn)生位移，孔隙體積減

22、小引起的。粒產(chǎn)生位移，孔隙體積減小引起的。 壓縮曲線壓縮曲線反映了土的壓縮過程。 它是一下凹的曲線。說明土在壓力 P作用下開始變形較大，然后逐漸變 小。即：開始?jí)嚎s容易，到后來難開始?jí)嚎s容易，到后來難。 各類土的曲線及壓縮量不同。取決 于如土的類型等等一系列因素。 在該曲線上取一段較平緩的曲線M1、M2，若壓力變化不太大， 就可用直線近似地代替它。兩點(diǎn)的坐標(biāo)為M1（P1，e1），M2 （P2,e2）。通過這兩點(diǎn) 的直線方程為： 土的壓密定律：在壓力作用下，土的孔隙比變化與壓土的壓密定律：在壓力作用下，土的孔隙比變化與壓 力的變化成正比。力的變化成正比。 e e2 P1 M2 P KPa M1

23、P2 e1 eo tgaPPPeee Pae PPtgee 1221 1221 : )( 式中 或 其中： 叫壓縮系數(shù)叫壓縮系數(shù) 表征土壓縮性的重要指標(biāo)。 越大，土的壓縮性越高，反 之，就低。 不是常數(shù),為了統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),常用0.1-0.2MPa壓力段的壓縮系數(shù) 1-2, 評(píng)價(jià)土壓縮性的高低。 1-2 粘性土；粘性土； 高嶺石高嶺石伊里石伊里石蒙特石蒙特石 粒徑的形狀（顆粒的棱角與長(zhǎng)寬比）粒徑的形狀（顆粒的棱角與長(zhǎng)寬比） 在其他條件相同時(shí)：在其他條件相同時(shí)： 一般，對(duì)于粗粒土，顆粒的棱角提高了內(nèi)摩擦角一般，對(duì)于粗粒土，顆粒的棱角提高了內(nèi)摩擦角 影響土的摩擦強(qiáng)度的主要因素：影響土的摩擦強(qiáng)度的主要因素

24、： 摩擦強(qiáng)度摩擦強(qiáng)度 tg 5-2 土的抗剪強(qiáng)度理論土的抗剪強(qiáng)度理論 p粘聚強(qiáng)度機(jī)理 n靜電引力（庫(kù)侖力）靜電引力（庫(kù)侖力） n范德華力范德華力 n顆粒間膠結(jié)顆粒間膠結(jié) n假粘聚力（毛細(xì)力等）假粘聚力（毛細(xì)力等） p粘聚強(qiáng)度影響因素 n地質(zhì)歷史地質(zhì)歷史 n粘土顆粒礦物成分粘土顆粒礦物成分 n密度密度 n離子價(jià)與離子濃度離子價(jià)與離子濃度 - - - - + + 粘聚強(qiáng)度粘聚強(qiáng)度 土的抗剪強(qiáng)度有兩種表達(dá)方法，一種是以總應(yīng)力表示剪切破土的抗剪強(qiáng)度有兩種表達(dá)方法，一種是以總應(yīng)力表示剪切破 壞面上的法向應(yīng)力，抗剪強(qiáng)度表達(dá)式即為庫(kù)倫公式，稱為壞面上的法向應(yīng)力，抗剪強(qiáng)度表達(dá)式即為庫(kù)倫公式，稱為 抗剪強(qiáng)度抗剪

25、強(qiáng)度總應(yīng)力法總應(yīng)力法，相應(yīng)的，相應(yīng)的 c 、 稱為總應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)稱為總應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo) ( ( 參數(shù)參數(shù) ) ) ；另一種則以有效應(yīng)力表示剪切破壞面上的法；另一種則以有效應(yīng)力表示剪切破壞面上的法 向應(yīng)力，稱為抗剪強(qiáng)度向應(yīng)力，稱為抗剪強(qiáng)度有效應(yīng)力法有效應(yīng)力法， c 、 稱為有效應(yīng)稱為有效應(yīng) 力強(qiáng)度指標(biāo)力強(qiáng)度指標(biāo) ( ( 參數(shù)參數(shù)) ) 。試驗(yàn)研究表明，土的抗剪強(qiáng)度取。試驗(yàn)研究表明，土的抗剪強(qiáng)度取 決于土粒間的有效應(yīng)力，然而，決于土粒間的有效應(yīng)力，然而，由庫(kù)倫公式建立的概念在由庫(kù)倫公式建立的概念在 應(yīng)用上比較方便，許多土工問題的分析方法都還建立在這應(yīng)用上比較方便，許多土工問題的分析方法都還建立在這 種

26、概念的基礎(chǔ)上，故在工程上仍沿用至今種概念的基礎(chǔ)上，故在工程上仍沿用至今。 抗剪強(qiáng)度有效應(yīng)力表達(dá)式：抗剪強(qiáng)度有效應(yīng)力表達(dá)式： 對(duì)于砂土對(duì)于砂土 對(duì)于粘性土對(duì)于粘性土 tan c f tan f 2 2 抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度試驗(yàn) 測(cè)定土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的試驗(yàn)稱為測(cè)定土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的試驗(yàn)稱為剪切試驗(yàn)剪切試驗(yàn)； 剪切試驗(yàn)可以在試驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，也可在現(xiàn)場(chǎng)原位條件剪切試驗(yàn)可以在試驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，也可在現(xiàn)場(chǎng)原位條件 下進(jìn)行。下進(jìn)行。 按常用的試驗(yàn)儀器可將剪切試驗(yàn)分為按常用的試驗(yàn)儀器可將剪切試驗(yàn)分為: 直接剪切試驗(yàn)（直剪試驗(yàn)）直接剪切試驗(yàn)（直剪試驗(yàn)） 三軸壓縮試驗(yàn)（三軸試驗(yàn)）三軸壓縮試驗(yàn)（三軸試驗(yàn)） 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

27、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn) 十字板剪切試驗(yàn)十字板剪切試驗(yàn) 1）直接剪切試驗(yàn)）直接剪切試驗(yàn)(direct shear test 或或shear box test) 直接剪切儀（直剪儀）直接剪切儀（直剪儀） 1）直接剪切試驗(yàn)）直接剪切試驗(yàn) 直剪試驗(yàn)原理圖直剪試驗(yàn)原理圖 直剪儀分應(yīng)變控制式直剪儀分應(yīng)變控制式 和應(yīng)力控制式兩種和應(yīng)力控制式兩種 為了考慮固結(jié)程度和排水條件為了考慮固結(jié)程度和排水條件 對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響，根據(jù)加荷對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響，根據(jù)加荷 速率的快慢將直剪試驗(yàn)劃分為速率的快慢將直剪試驗(yàn)劃分為 快剪快剪、固結(jié)快剪固結(jié)快剪和和慢剪慢剪三種。三種。 1）直接剪切試驗(yàn)）直接剪切試驗(yàn) = 100KPa S =

28、 200KPa = 300KPa O c 粘性土抗剪強(qiáng)度線粘性土抗剪強(qiáng)度線 O 無粘性土抗剪強(qiáng)度線無粘性土抗剪強(qiáng)度線(過原點(diǎn)過原點(diǎn)) 通過控制剪切速率通過控制剪切速率 來近似模擬排水條來近似模擬排水條 件件 (1) (1) 固結(jié)慢剪固結(jié)慢剪 施加正應(yīng)力施加正應(yīng)力- -充分固結(jié)充分固結(jié) 慢慢施加剪應(yīng)力慢慢施加剪應(yīng)力- -小于小于0.02mm/0.02mm/分，分， 以保證無超靜孔壓以保證無超靜孔壓 (2) (2) 固結(jié)快剪固結(jié)快剪 施加正應(yīng)力施加正應(yīng)力- -充分固結(jié)充分固結(jié) 在在3-53-5分鐘內(nèi)剪切破壞分鐘內(nèi)剪切破壞 (3) (3) 快剪快剪 施加正應(yīng)力后施加正應(yīng)力后 立即剪切立即剪切3-53

29、-5分鐘內(nèi)剪切破壞分鐘內(nèi)剪切破壞 P S T A O n K0 n P S T A z x zx xz 1 3 l 設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便 l 結(jié)果便于整理結(jié)果便于整理 l 測(cè)試時(shí)間短測(cè)試時(shí)間短 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) l 試樣應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜試樣應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜 l 應(yīng)變不均勻應(yīng)變不均勻 l 不易控制排水條件不易控制排水條件 l 剪切面固定剪切面固定 缺點(diǎn)缺點(diǎn) P S T A 類似試驗(yàn)：類似試驗(yàn)： 環(huán)剪試驗(yàn)環(huán)剪試驗(yàn) 單剪試驗(yàn)單剪試驗(yàn) T P 試樣內(nèi)的試樣內(nèi)的 變形分布變形分布 2）三軸壓縮試驗(yàn)）三軸壓縮試驗(yàn)(triaxial shear test) 壓力水 試樣試樣 壓力室 排水管 閥門 軸向加壓桿

30、 有機(jī)玻璃罩 橡皮膜 透水石 頂帽 量測(cè)體變或孔壓量測(cè)體變或孔壓 三軸是指一個(gè)豎向和兩三軸是指一個(gè)豎向和兩 個(gè)側(cè)向而言，由于壓力個(gè)側(cè)向而言，由于壓力 室和試樣均為圓柱形，室和試樣均為圓柱形， 因此，兩個(gè)側(cè)向的應(yīng)力因此，兩個(gè)側(cè)向的應(yīng)力 （或稱圍壓）相等并為（或稱圍壓）相等并為 小主應(yīng)力小主應(yīng)力3 ，而豎向，而豎向 （或軸向）的應(yīng)力為大（或軸向）的應(yīng)力為大 主應(yīng)力主應(yīng)力1。在增加。在增加1時(shí)時(shí) 保持保持3 不變，這樣條不變，這樣條 件下的試驗(yàn)稱為件下的試驗(yàn)稱為常規(guī)三常規(guī)三 軸壓縮試驗(yàn)。軸壓縮試驗(yàn)。 類似試驗(yàn)：類似試驗(yàn)： 環(huán)剪試驗(yàn)環(huán)剪試驗(yàn) 單剪試驗(yàn)單剪試驗(yàn) 常規(guī)三軸儀常規(guī)三軸儀 試驗(yàn)方法：試驗(yàn)方法：

31、 首先試樣施加靜水壓力首先試樣施加靜水壓力室壓（圍壓）室壓（圍壓） 1= 2= 3 ； 然后通過活塞桿施加的是應(yīng)力差然后通過活塞桿施加的是應(yīng)力差 1= 1- 3 。 3 3 13 3 v分別作圍壓分別作圍壓 為為100 kPa 、200 kPa 、300 kPa的三軸試驗(yàn)，得到的三軸試驗(yàn)，得到 破壞時(shí)相應(yīng)的（破壞時(shí)相應(yīng)的（ 1- )f v繪制三個(gè)破壞狀態(tài)的應(yīng)力莫爾圓，繪制三個(gè)破壞狀態(tài)的應(yīng)力莫爾圓， 畫出它們的公切線畫出它們的公切線強(qiáng)度包線，強(qiáng)度包線， 得到強(qiáng)度指標(biāo)得到強(qiáng)度指標(biāo) c 與與 1 1- 3 1 =15% 強(qiáng)度包線強(qiáng)度包線 ( 1- )f c ( 1- )f v固結(jié)排水試驗(yàn)（CD試驗(yàn)）

32、 1 打開排水閥門，打開排水閥門，施加圍壓施加圍壓 后充分固結(jié)，后充分固結(jié)， 超靜孔隙水壓力完全消散；超靜孔隙水壓力完全消散； 2 打開排水閥門，慢慢施加軸向應(yīng)力差打開排水閥門，慢慢施加軸向應(yīng)力差 以便充分排水，避免產(chǎn)生超靜孔壓以便充分排水，避免產(chǎn)生超靜孔壓 v固結(jié)不排水試驗(yàn)（CU試驗(yàn)） 1 打開排水閥門，打開排水閥門，施加圍壓施加圍壓 后充分固結(jié)，超靜孔隙水壓力完全消散；后充分固結(jié)，超靜孔隙水壓力完全消散； 2 關(guān)閉排水閥門，很快剪切破壞，在施加軸向應(yīng)力差關(guān)閉排水閥門，很快剪切破壞，在施加軸向應(yīng)力差 過程中不排水過程中不排水 v不固結(jié)不排水試驗(yàn)（UU試驗(yàn)） 1 關(guān)閉排水閥門，關(guān)閉排水閥門，圍

33、壓圍壓 下不固結(jié)；下不固結(jié)； 2 關(guān)閉排水閥門，很快剪切破壞，在施加軸向應(yīng)力差關(guān)閉排水閥門，很快剪切破壞，在施加軸向應(yīng)力差 過程中不排水過程中不排水 cd 、 、 d ccu 、 、 cu cu 、 、 u 試驗(yàn)類型試驗(yàn)類型 v固結(jié)排水試驗(yàn)（CD試驗(yàn)） Consolidated Drained Triaxial test (CD) 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)： cd d （c ） 試驗(yàn)英文名及所測(cè)指標(biāo)試驗(yàn)英文名及所測(cè)指標(biāo) v固結(jié)不排水試驗(yàn)（CU試驗(yàn)） Consolidated Undrained Triaxial test (CU) 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)：ccu cu v不固結(jié)不排水試驗(yàn)（UU試驗(yàn)） Unconso

34、lidated Undrained Triaxial test (UU) 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)： cu u （ cuu uu ） 試驗(yàn)條件與現(xiàn)場(chǎng)條件試驗(yàn)條件與現(xiàn)場(chǎng)條件 的對(duì)應(yīng)關(guān)系的對(duì)應(yīng)關(guān)系 粘土地基上的分層慢粘土地基上的分層慢 速填方速填方 在在1層固結(jié)后，快速施工層固結(jié)后，快速施工2層層 1 2 軟土地基上的快速填方軟土地基上的快速填方 固結(jié)排水試驗(yàn)固結(jié)排水試驗(yàn) 固結(jié)不排水試驗(yàn)固結(jié)不排水試驗(yàn) 不固結(jié)不排水試驗(yàn)不固結(jié)不排水試驗(yàn) c c 3 31 31 q 3 不固結(jié)或固結(jié)是對(duì)周圍壓力增量而言的不固結(jié)或固結(jié)是對(duì)周圍壓力增量而言的 不排水或排水是對(duì)附加軸向壓力而言的不排水或排水是對(duì)附加軸向壓力而言的 =

35、+ + 在進(jìn)行不同方法的三軸試驗(yàn)時(shí)，都要先使試樣在周圍壓力在進(jìn)行不同方法的三軸試驗(yàn)時(shí)，都要先使試樣在周圍壓力c下下 固結(jié)穩(wěn)定，若進(jìn)行不固結(jié)不排水剪試驗(yàn)，則在不排水條件下施固結(jié)穩(wěn)定，若進(jìn)行不固結(jié)不排水剪試驗(yàn)，則在不排水條件下施 加周圍壓力增量加周圍壓力增量3，然后在不允許有水進(jìn)出的條件下，逐漸，然后在不允許有水進(jìn)出的條件下，逐漸 施加附加軸向壓力施加附加軸向壓力q，直至試樣剪破。因此，試驗(yàn)中徑向應(yīng)力，直至試樣剪破。因此，試驗(yàn)中徑向應(yīng)力 3等于（等于（c+ 3 ），軸向應(yīng)力），軸向應(yīng)力1等于（等于（3+q ）。若進(jìn)行固）。若進(jìn)行固 結(jié)不排水剪試驗(yàn)，要允許試樣在周圍壓力增量結(jié)不排水剪試驗(yàn)，要允許試樣

36、在周圍壓力增量3下排水，待下排水，待 固結(jié)穩(wěn)定后，再在不允許有水進(jìn)出的條件下，逐漸施加附加軸固結(jié)穩(wěn)定后，再在不允許有水進(jìn)出的條件下，逐漸施加附加軸 向壓力向壓力q，直至試樣剪破。固結(jié)排水剪試驗(yàn)同樣在周圍壓力增，直至試樣剪破。固結(jié)排水剪試驗(yàn)同樣在周圍壓力增 量量3下排水，待固結(jié)穩(wěn)定后，在允許有水進(jìn)出的條件下以極下排水，待固結(jié)穩(wěn)定后，在允許有水進(jìn)出的條件下以極 慢的速率對(duì)試樣逐漸施加附加軸向壓力慢的速率對(duì)試樣逐漸施加附加軸向壓力q，直至試樣剪破。，直至試樣剪破。 0 50 100 150 200 250 300 05101520 軸向應(yīng)變(%) 軸向附加應(yīng)力q(kPa) 100kPa200kPa

37、300kPa400kPa 0 50 100 150 200 250 300 05101520 軸向應(yīng)變(%) 軸向附加應(yīng)力q(kPa) 100kPa200kPa 300kPa400kPa 0 50 100 150 200 250 300 05101520 軸向應(yīng)變(%) 孔隙水應(yīng)力u(kPa) 100kPa200kPa 300kPa400kPa fff u 33 fff u 11 Total Stress Circle 總應(yīng)力圓總應(yīng)力圓 vEffective Stress Circle 有效應(yīng)力圓有效應(yīng)力圓 0 200 400 600 800 1000 024681012 a(%) 1-3（k

38、Pa) 50kPa 100kPa 150kPa 200kPa Sand reinforced with 1cm-high galvanized iron sheet 粘性土的卸載試驗(yàn)粘性土的卸載試驗(yàn) 動(dòng)(靜)力三軸試驗(yàn)剪切儀 (a) Conventional triaxial test (b) S3D triaxial test Comparison of stress systems between conventional triaxial test and S3D triaxial test. 0 50 100 150 200 250 300 350 00.511.522.533.544

39、.5 a/% v-h/kPa vi=300 hi=150 vi=400 hi=200 vi=450 hi=225 應(yīng)力應(yīng)變曲線及體積應(yīng)變曲線應(yīng)力應(yīng)變曲線及體積應(yīng)變曲線(A2組組) 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 00.511.522.533.544.5 a/% v, h /kPa v( vi=300 hi=150) v( vi=400 hi=200) v( vi=450 hi=225) h( vi=300 hi=150) h( vi=400 hi=200) h( vi=450 hi=225) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

40、12 13 14 15 00.511.522.533.544.555.5 a/% v /% vi=300 hi=150 vi=400 hi=200 vi=450 hi=225 -300 -250 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 250 -5-4.5-4-3.5-3-2.5-2-1.5-1-0.50 a/% v-h /kPa vi=200 hi=100 vi=300 hi=150 vi=400 hi=200 應(yīng)力應(yīng)變曲線及體積應(yīng)變曲線應(yīng)力應(yīng)變曲線及體積應(yīng)變曲線(B4組組) 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 -5-4.

41、5-4-3.5-3-2.5-2-1.5-1-0.50 a/% v, h /kPa v(vi=200 hi=100) v(vi=300 hi=150) v(vi=400 hi=200) h(vi=200 hi=100) h(vi=300 hi=150) h(vi=400 hi=200) -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 -5-4.5-4-3.5-3-2.5-2-1.5-1-0.50 a/% v /% vi=200 hi=100 vi=300 hi=150 vi=400 hi=200 壓縮破壞 擠長(zhǎng)破壞 卸載試驗(yàn)的試樣破壞狀態(tài)卸載試驗(yàn)的試樣破壞狀態(tài) 100 150 200

42、250 300 350 400 100200300400500600700 p/kPa q/kPa Experimental data Linear fixing value 不同卸載應(yīng)力路徑下強(qiáng)度與常規(guī)三軸試驗(yàn)對(duì)比不同卸載應(yīng)力路徑下強(qiáng)度與常規(guī)三軸試驗(yàn)對(duì)比 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 50100150200250300350 p/kPa q/kPa Experimental data for compression failure Experimental data for extension failure Linear fixing for co

43、mpression failure Linear fixing for extension failure v優(yōu)點(diǎn)： 1 應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力路徑明確；應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力路徑明確； 2 排水條件清楚，可控制；排水條件清楚，可控制； 3 破壞面不是人為固定的破壞面不是人為固定的 v缺點(diǎn)： 設(shè)備相對(duì)復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)難以試驗(yàn)設(shè)備相對(duì)復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)難以試驗(yàn) 說明：說明： 3 30 0 即為即為無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn) 優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn) 真三軸儀真三軸儀 空心圓柱扭剪儀空心圓柱扭剪儀 試樣試樣 End of Chapter 2 K0靜止側(cè)壓力系數(shù)，它是土體在側(cè)限條件下有效小主靜止側(cè)壓力系數(shù)，它是土體在側(cè)限條件下有效小主 應(yīng)力應(yīng)力3與有效大主應(yīng)力與有效大主應(yīng)力1 之比，之比， K0與土層的應(yīng)力歷史及與土層的應(yīng)力歷史及 土的類型有關(guān)。土的類型有關(guān)。 正常固結(jié)粘土：正常