土的力學(xué)性質(zhì)

1、土的力學(xué)性質(zhì)土的力學(xué)性質(zhì)土的力學(xué)性質(zhì)是指土在外力作用下所表現(xiàn)的性質(zhì)，主要包括壓應(yīng)力作用下 體積縮小的壓縮性和在剪應(yīng)力作用下抵抗剪切破壞的抗剪性，.其次是在動(dòng)荷作用下所 表現(xiàn) 的一些性質(zhì)。第一節(jié)土的壓縮性.、土壓縮變形的特點(diǎn)與機(jī)理土的壓縮性指土在壓力作用下體積壓縮變小的性能。土受壓后體積縮小是土中固、液、氣三相組成部分中的各部分體積減小的結(jié)果(主要是氣體、水分?jǐn)D出、土粒相互移動(dòng)靠攏的結(jié)果)。、壓縮試驗(yàn)壓縮定律 試驗(yàn)方法：室內(nèi)現(xiàn)場(chǎng) 據(jù)壓縮條件：無(wú)側(cè)向膨脹(有側(cè)限)試驗(yàn)有側(cè)向膨脹(無(wú)側(cè)限)試驗(yàn)主要是室內(nèi)無(wú)側(cè)向膨脹壓縮試驗(yàn)土的無(wú)側(cè)向膨脹壓縮試驗(yàn)是先用金屬環(huán)刀切取土樣，然后將土樣連同環(huán)刀一起放入壓縮儀內(nèi)

2、，由于土樣受環(huán)刀和護(hù)環(huán)等剛性護(hù)壁約束，在壓縮過(guò)程中只能發(fā)生豎向壓縮，不 可能發(fā)生側(cè)向膨脹.。試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)加荷裝鋁將壓力均勻地施加到土樣上，壓力由小到大逐級(jí)增加，每級(jí)壓力待壓縮穩(wěn)定后，再施加下一級(jí)壓力，土的壓縮量可通過(guò)微表觀測(cè)，并據(jù)每級(jí)壓力下的穩(wěn) 定變形量，計(jì)算出與各級(jí)壓力相應(yīng)的穩(wěn)定孔隙比。若試驗(yàn)前試樣的截面積為A,土樣原始高度為hO,原始孔隙比eO,當(dāng)加壓P1后土樣壓縮量為 hi, 土樣高度E減小到h1=hO- h，相應(yīng)孔隙比由0變?yōu)閑1.由于土樣壓縮時(shí)不可能產(chǎn)生側(cè)向膨脹，故壓縮前后橫截面積不變，加壓過(guò)程中土的體積是不變的.即：A hO/(1+eO)=A(hO- h1)(1+ e1) e1=e

3、O - h1/hO(H eO)通過(guò)試驗(yàn)，求的各級(jí)壓力Pi作用下，土樣壓縮性穩(wěn)定后相應(yīng)的孔隙比ei,以縱坐標(biāo)表示孔隙比e,橫坐標(biāo)表示壓力P。據(jù)壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可繪制出孔隙比與壓力的關(guān)系曲線 壓縮曲線。在壓力曲線上，P較小時(shí)，曲線較陡。隨P增大，曲線變緩，。這表明在壓力增量不變情況下對(duì)土進(jìn)行壓縮時(shí)，其壓縮變形的增量是遞減的。1、壓縮系數(shù)a=tga=(e1-e2)/ p2- pl)壓密定律壓密定律表明：在壓力變化范圍不大時(shí)，孔隙比的變化 (減小值)與壓力的變化(增加值)成正比。a為壓縮系數(shù)(Mpa-1)它是表征土壓縮性大小的重要指標(biāo)。a愈大，說(shuō)明土的壓縮變 形量越大。評(píng)價(jià)不同種類和狀態(tài)土的壓縮性大小時(shí)

4、，必須以同一壓力范圍來(lái)比較，在GBJ7-89， 中規(guī)定以P1=0.1Mpa， P2=0.2Mpa時(shí)相對(duì)應(yīng) 的 壓縮系數(shù)a1 2作為判斷土的壓縮性標(biāo)準(zhǔn)。低壓縮性土 a120.1Mpa-1中壓縮性土 0.1 Mpa- 1 al 0.5 Mpa-1 二、壓縮模量(Es)壓縮模量(Es):它是指土在有側(cè)限條件受壓時(shí)，在受壓方向上的應(yīng)力與相應(yīng)的應(yīng)變eZ之間的比值。Es= Z eZ式中 z=P2-P1 Z= h/h=(e1 -e2)/(1+e1) Es=(P2-P1) (1+e1)/ (e1-e2)=(1+e1)/a a-為壓力從P1到P2時(shí)的壓縮系數(shù)el -為壓力P1時(shí)的孔隙比.工程中:p仁o.lMpa

5、，P2=-0.2Mpa 相應(yīng)的Es評(píng)價(jià)土的壓縮性 低壓縮性土 ： Es15 Mpa中壓縮性土 ： 4 Mpa土的變形模量(E0):指土在無(wú)側(cè)限壓縮條件下，壓應(yīng)力與相應(yīng)的壓縮應(yīng)變的比值 (Mpa.)它是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)求的壓縮性指標(biāo)。E0= ES1-2u2/(1-u) E0= ES 1-2叨(1+ 切u和E分別為土的側(cè)膨脹系數(shù)和側(cè)壓力系數(shù).土側(cè)膨脹系數(shù)指土在無(wú)側(cè)限條件受壓時(shí)側(cè) 向應(yīng)變次與翌向應(yīng)變E的比值。u=- E E側(cè)壓力系數(shù)在有側(cè)限條件下，豎向間壓力增加，引起側(cè)向壓力增加，此時(shí)的側(cè)壓力系 數(shù)。宇zx/ Zz據(jù)廣義的虎克定律：u和E關(guān)系有u= 0(1+ 3 8=u/(1-u)四、土的前期固體壓

6、力土的前期固結(jié)壓力是指土層在過(guò)去歷史上曾經(jīng)受過(guò)的最大固結(jié)壓力，通常用PC表示。 如果目前土層所愛(ài)的上覆土層的自重壓力為P0,將PC與PO進(jìn)行比較，可把天然土層 分為三種不同的固結(jié)狀態(tài)；（1）PC= P0,稱正常固結(jié)土：指目前土層的自重壓力，就是該地層在歷史上所 受過(guò)的最大固結(jié)壓力，一般正常沉積且在自重壓力下固結(jié)的土層，均處于正常壓密狀 態(tài)。（2）PC P0,稱超常固結(jié)土是指土層在過(guò)去歷史上曾受過(guò)的固結(jié)壓力大于現(xiàn)有土層的自重壓力。如土層的過(guò)去歷史上曾有過(guò)相當(dāng)厚的沉積 物，而后來(lái)由于侵蝕、沖刷、冰川等卸荷作用，或者由于古老建筑物的拆毀、地下 水位的長(zhǎng)期變化以及土的干縮等作用，使土層原有的密度超過(guò)現(xiàn)

7、有土的自重壓力相對(duì)應(yīng) 的密度，而形成超壓密狀態(tài)。（3）PCVP0,稱欠固結(jié)土即土層在自重壓力下尚未完成固結(jié)。如新近沉積的淤泥、沖填土等均處于欠壓密狀態(tài)。目前確定土的前期固結(jié)壓力的方法很多，但應(yīng)用較 普遍的是卡薩格蘭德圖解法。在此曲線上找出Pc。實(shí)際工程中，用超固結(jié)比R來(lái)表征土的天然壓密狀態(tài).R= Pc/ P0, R=1正常壓密狀態(tài)R1超壓密狀態(tài)R1欠壓密狀態(tài)第二節(jié)土的抗剪性土的抗剪性（抗剪強(qiáng)度）指土抵抗剪切破壞的極限強(qiáng)度。它是研究土體穩(wěn)定性的一個(gè)極 為重要的工程地質(zhì)性質(zhì)。土是由固體顆粒組成的，土粒間的連結(jié)強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于土粒本身的強(qiáng)度，故在剪應(yīng)力 作用 下,多數(shù)土體仗。砂類土、細(xì)粒土）發(fā)生的剪切破

8、壞，并不是土粒本身的破壞，而是土粒間 發(fā)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)，引起土的一部分相對(duì)另一部分沿著某個(gè)面發(fā)生與剪切方向一致的滑動(dòng)。目前，研究土的抗剪強(qiáng)度的途徑，主要是模擬土剪切破壞時(shí)的應(yīng)力和工作條件，利用室 內(nèi)或現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行土的剪切試驗(yàn)。一、土的直剪試驗(yàn)與庫(kù)克定律.1、直剪試驗(yàn)土的室內(nèi)剪切試驗(yàn)分為直接剪切和三軸剪切試驗(yàn)兩類。最常用的直剪試驗(yàn)方法，是將土 樣放在上、下兩部分可以錯(cuò)動(dòng)的金屬盒內(nèi)，將上盒固定，下盒可沿水平方向滑動(dòng)（圖3- 5）。試驗(yàn)時(shí)，先通過(guò)傳壓板在土樣上施加法向壓力P,使土樣受法向應(yīng)力Z=p/F （F為土樣的橫截面積）作用。然后在下盒上逐級(jí)施加水平剪力，使土樣沿上、 下盒之間的水平面受到剪應(yīng)力，當(dāng)水平

9、剪力增加強(qiáng)度至T時(shí)，土樣發(fā)生剪切破壞，此 時(shí)的剪應(yīng)力為T=t/f。即為土樣在該法向壓應(yīng)力作用下的抗剪強(qiáng)度n.據(jù)此試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可知nz關(guān)系曲線。大量試驗(yàn)結(jié)果證明：在一般建筑物的荷載（0.10.6Mpa）作用下，土的抗剪強(qiáng)度與法 向壓應(yīng)力關(guān)系近似為直線一庫(kù)侖定律.巨粒土和粗粒土 ：曲線為n?= zg 9 （過(guò)坐標(biāo)原 點(diǎn)）細(xì)粒土 :抗剪曲線,n= Zg 9+cn為土的抗剪強(qiáng)度（MPa）; Z剪切面上的法壓力（MPa）; 9為土的內(nèi)摩擦（o）;C為土的內(nèi)聚力（MPa）。庫(kù)侖定律表明：巨粒土的抗剪強(qiáng)度決定于法向壓力成正比的內(nèi)摩擦力；而細(xì)粒土的抗剪 強(qiáng)由兩部分組成，一部分是與法向壓力成正比的內(nèi)摩擦力，另一部

10、分與法向壓力無(wú)關(guān)的 內(nèi)聚力。庫(kù)侖定律表明，巨粒土的抗剪強(qiáng)度與其內(nèi)摩擦角和正切成正比，而內(nèi)摩擦角與組成土的 礦物性質(zhì)和土的密度有關(guān)。組成巨粒土和粗粒土的礦物越堅(jiān)硬，顆粒越粗大，表面越粗 糙，棱角越多，內(nèi)摩擦角越大。這兩類土的密度越高，內(nèi)摩擦角也越大（見(jiàn)表3-2）。松散狀態(tài)砂土的內(nèi)摩擦與其自然堆積時(shí)所形成的最大坡角一天然休止 角近似相等。所以工程實(shí)際中，常用砂土天然休止角代替松散狀態(tài)砂土的內(nèi)摩擦角。表3-2砂土的內(nèi)摩擦角9 （。）細(xì)粒土的抗剪強(qiáng)度由內(nèi)摩擦力和內(nèi)聚力組成，而且以內(nèi)聚力為主。細(xì)粒土中粘粒含量越 多，土粒間的連結(jié)越強(qiáng)，內(nèi)聚力越大，內(nèi)摩擦角越小，擔(dān)抗剪強(qiáng)度仍可增大。細(xì)粒土的液性指數(shù)越大，即

11、天然含水率越高，則土的連結(jié)強(qiáng)度越低，抗剪強(qiáng)度越小。尤其是液限狀態(tài)的擾動(dòng)，幾乎是沒(méi)有抗剪強(qiáng)度的。細(xì)粒土的密度越大，抗剪強(qiáng)度越大。這類土內(nèi)摩擦和內(nèi)聚力一般值可參見(jiàn)表（3-3）內(nèi)磨擦角B取決于細(xì)粒中的粘粒含量，土粒間的連接強(qiáng)度.C與上述兩者成正比。3-3細(xì)粒土的內(nèi)摩擦角B和內(nèi)聚力C參考值二、三軸剪切試驗(yàn)三軸剪切試驗(yàn)是測(cè)定土的抗剪強(qiáng)度的另一種常用的方法。該方法首先將用橡皮膜包裹 著的圓柱形鋁于密閉容器中（圖3-7 ），通過(guò)液體加壓，使試樣在三個(gè)軸向受到相同的圍壓Z3，這時(shí)試樣中沒(méi)有剪應(yīng)力。然后通過(guò)活塞桿在試樣頂面上加壓，試樣中產(chǎn)生剪應(yīng)力，隨著垂直壓應(yīng)力Zr 的加大，剪應(yīng)力隨之增大，直至土樣被剪壞。這時(shí)

12、，作用于土樣上的最大主應(yīng)力Z1 = Z3+ Zr，最小主應(yīng)力即Z3。用Z1和Z3可畫出一個(gè)極限應(yīng)圓的公切線，就是土的抗 剪強(qiáng)度曲線，從圖上可獲取土的C、B值（見(jiàn)圖3-8 ）。三軸剪切儀能近代制排水條 件，可以測(cè)量孔隙壓力的變化，沒(méi)有規(guī)定的剪切面，受力條件比較符合實(shí)際，試驗(yàn)結(jié) 果準(zhǔn)確。盡管該試驗(yàn)儀器與設(shè)備操作較復(fù)雜，費(fèi)用較高，還是會(huì)逐漸受到重視產(chǎn)推廣 的。三、土的抗剪指標(biāo)計(jì)劃指標(biāo)的確定。無(wú)論是粗粒土，還是細(xì)粒土，其抗剪強(qiáng)度隨剪切面上法向壓力的增加而加大，飽和土 中剪切面上的法向壓力，在固結(jié)過(guò)程中是由孔隙水壓力u和有效壓力Z分擔(dān)，即Z=Z+u。當(dāng)孔隙中的水不斷向外滲流時(shí)，孔隙水壓力逐漸消失，有效壓

13、力逐漸增 加，摩擦阻力增大。因此。當(dāng)孔隙水壓力逐漸消散的過(guò)程，也就是土的抗剪強(qiáng)度逐漸 增加的過(guò)程。在測(cè)定土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)時(shí)，必須考慮孔隙水壓力消散程度的影響。目 前常用總應(yīng)力法和有效應(yīng)力法來(lái)考慮孔隙水壓力對(duì)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響?？倯?yīng)力法是用剪切面上的總應(yīng)力來(lái)表示土的抗剪強(qiáng)度，即：n?= Zg 0+c將孔隙水壓力的影響，通過(guò)試驗(yàn)時(shí)控制孔隙水的排出程度來(lái)體現(xiàn)。根據(jù)試驗(yàn)時(shí)排水程 度不同，分為排水剪、不排水剪和固結(jié)不排水剪3種。在相同的法向壓力Z的作用下，上述3種試驗(yàn)方法所測(cè)得抗剪強(qiáng)度指標(biāo)是不 同的。一般情況下，排水剪的抗剪強(qiáng)度最大，固結(jié)不排水剪的抗剪強(qiáng)度居中，不排水 剪的抗剪強(qiáng)度最小?？倯?yīng)力法較簡(jiǎn)單，一般用直剪儀測(cè)定。在工程實(shí)際中，應(yīng)根據(jù)具體工程中的實(shí)際排水情況，選取相近似的方法測(cè)定土的抗剪 強(qiáng)度。例如，研究細(xì)粒土的地基的穩(wěn)定性時(shí)，若飽和粘土層很厚，排水條件不好，建 筑物施工期又很短，粘土層在施工期來(lái)不及固結(jié)，就應(yīng)采用不排水剪切法測(cè)定；若飽 和粘土層很薄，排水條件較好，但在使用過(guò)程中可能施加豁然荷載，則可考慮采用固 結(jié)不排水剪法測(cè)定。有效應(yīng)力法是