土力學(xué)教學(xué)課件

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第一章工程地質(zhì)概述內(nèi)容：地質(zhì)作用、地質(zhì)年代；巖石和土的成因類型及工程性質(zhì)；不良地質(zhì)條件；水文地質(zhì)等。1.1概述一、地質(zhì)作用定義：引起地殼成分（巖石和土）變化和構(gòu)造變化的作用。根據(jù)能量來源不同，分為內(nèi)力地質(zhì)作用和外力地質(zhì)作用。內(nèi)力地質(zhì)作用：由地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)能等引起的地質(zhì)作用。外力地質(zhì)作用：由太陽輻射能和地球重力位能引起的地質(zhì)作用。二、地質(zhì)年代地殼發(fā)展歷史與地殼運動、沉積環(huán)境及生物演化相應(yīng)的時代段落。從古到今，地質(zhì)年代分為五代：太古代、元古代、古生代、中生代、新生代。1.2礦物與巖石一、主要造巖礦物礦物：是地殼中具有一定化學(xué)成分和物理性質(zhì)的自然元素和化合物。造巖礦物：組成造巖的礦物稱為造巖礦物。分類：按生成條件分為原生礦物和次生礦物。原生礦物：一般由巖漿冷凝生成；次生礦物：一般由原生礦物經(jīng)化學(xué)風(fēng)化而產(chǎn)生的另一種礦物。二、礦物的主要性質(zhì)幾個物理性質(zhì)：光澤：礦物表面反射光線的強(qiáng)弱程度；硬度：巖石抵抗外力刻劃的能力；解理：礦物受外力后沿一定方向裂開成光滑平面的性能。斷口：礦物受外力打擊破裂時斷開面的形態(tài)；三、巖石的類型和性質(zhì)巖石按成因分為三大類：（1）巖漿巖成因：由地球內(nèi)部的巖漿侵入地殼或噴出地面冷凝而成巖漿巖。（2）沉積巖成因：巖石經(jīng)風(fēng)化、剝蝕成碎屑，經(jīng)水流、風(fēng)力或冰川搬運至下游處沉積，再經(jīng)長時代的壓緊或化學(xué)作用硬結(jié)而成沉積巖。（3）變質(zhì)巖成因：地殼外殼的原巖因地殼運動、巖漿活動‘在高溫、高壓和化學(xué)性活潑的物質(zhì)作用下，改變了原巖的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造和成分，形成一種新的巖石，稱為變質(zhì)巖。1.3第四紀(jì)沉積層第四紀(jì)沉積層：原巖受風(fēng)化作用生成的碎屑物，經(jīng)剝蝕、搬運、沉積而未結(jié)硬的松散沉積物，稱為第四紀(jì)沉積層。分類：殘積層、坡積層、洪積層、沖積層、海相沉積層、湖沼沉積層。1.6不良地質(zhì)條件常見的不良地質(zhì)條件：（1）斷層（2）巖層節(jié)理發(fā)育（3）山坡滑動（4）河岸沖淤（5）岸坡失穩(wěn)（6）河溝側(cè)向位移1.5地地下下水水一、地下水水對建筑筑工程的的影響二、地下下水（1）地地下水的的埋藏條條件定義：存在于地地表下面面土和巖巖石的孔孔隙、裂裂隙或溶溶洞中的的水稱為為地下水水。按其其埋藏條條件分為為上層滯滯水、潛潛水和承承壓水。。上層滯水水：存在于局局部隔水水層上的的水；潛水：埋藏在地地表以下下第一個個連續(xù)分分布的隔隔水層之之上，具具有自由由水面的的重力水水；潛水水面的標(biāo)標(biāo)高稱為為地下水水位。承壓水：：充滿于兩兩個穩(wěn)定定隔水層層之間含含水層中中的地下下水。三、土的的滲透性性定義：土體可讓讓水透過過的性質(zhì)質(zhì)稱為土土的滲透透性；達(dá)西定律律：水在土中中的滲透透速度與與其水力力坡度成成正比，，可表示示為：V=k××i動水力Gd：水流對單單位體積積土的骨骨架作用用力；公公式為Gd=I×γw，動力水水是體積積力。流砂：當(dāng)動力水水的大小小等于或或大于土土的浮重重度時，，土體失失重，隨隨水流動動，稱為為流砂。。潛蝕：當(dāng)水流的水力坡降降很大，降引起絮絮流，水流可把土土體粗顆?？紫吨刂厮涮畹募?xì)粒土土帶走，破壞土的的結(jié)構(gòu)，這種作用用稱為潛蝕。第二章土的物物理性質(zhì)一、土的組成土的三相組成為：：固體顆粒、水和和氣體。1.土的固體顆粒粒（1）土固體顆粒粒的礦物成分，顆顆粒大小、形狀及及組成決定土的物物理力學(xué)性質(zhì)。（2）土的顆粒級級配粒組定義：把土顆粒按性質(zhì)相相近為原則，歸為為一組稱為粒組。。級配定義:土中各粒組相對含含量百分?jǐn)?shù)之比稱稱為土的顆粒級配配。級配曲線:曲線平緩，表示粒粒徑相差懸殊，土土粒不均勻，級配配良好；反之，曲曲線較陡，表示粒粒徑均勻，級配較較差。工程上采用不均勻勻系數(shù)Cu或曲率率系數(shù)Cc進(jìn)行定定量分析：不均勻系數(shù)：Cu=d60/d10曲率系數(shù)：Cc=d302/d60×d10工程上把Cu≥5，且Cc＝1－3的土稱為級配良好好的土。2.土中水水土中液態(tài)水主要有有結(jié)合水和自由水水兩類。結(jié)合水:土粒表面由電分子子吸附的土中水，，分為強(qiáng)結(jié)合水和和弱結(jié)合水;自由水:在電場影響范圍以以內(nèi)的水,根據(jù)移移動所受作用力不不同分為重力水和和毛細(xì)水。重力水：一般存在于地下水水位以下，對土粒粒產(chǎn)生浮力，流動動時產(chǎn)生動水力。。施工時，對基坑坑開挖，排水等方方面產(chǎn)生影響；毛細(xì)水：一般存在于地下水水位以下。對建筑筑物底層的防潮、、地基土的浸濕以以及動脹等有重要要影響。二、土的工程特性性a.土的壓縮性大大b.強(qiáng)度低c.滲透性大三、土的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造1.土的結(jié)構(gòu)定義：土顆粒之間間相互排列和聯(lián)結(jié)結(jié)形式稱為土的結(jié)結(jié)構(gòu)。2.土的構(gòu)造定義：同一土層中中，土顆粒之間相相互關(guān)系的特征稱稱為土的構(gòu)造。2.2土的物物理性質(zhì)指標(biāo)在建筑地基基礎(chǔ)設(shè)設(shè)計中，首先要確確定地基土承載力力的大小，確定地地基承載力的方法法，就是土的物理理性質(zhì)指標(biāo)。土的三項基本指標(biāo)標(biāo)：土的天然密度、含含水量和土的顆粒粒比重。（1）土的天然密密度密度定義：土單位體積的質(zhì)量量，稱為土的天然然密度，記為ρ公式：ρ=m/v重度定義：土的天然重力密度度，記為γ公式：γ=W/v=ρg=9.8ρ（2）土顆粒的比比重定義：土土顆粒質(zhì)質(zhì)量和相同同體積4℃℃時的蒸餾餾水的質(zhì)量量之比，記記為ds；；公式：ds=ms/mw(4℃)（3）土的的含水量定義：土在105－110℃下烘干干到恒量時時所失去的的水質(zhì)量和和達(dá)到恒量量后干土質(zhì)質(zhì)量的比值值，記為W;公式：w=mw/ms×100％％注：粘性土土的含水量量越大，土土的壓縮性性越大，強(qiáng)強(qiáng)度越低。。（4）土的的孔隙比定義:土中孔隙體體積與土固固體顆粒體體積之比，，以小數(shù)表表示，記為為e;公式：e=Vv/Vs注：孔隙比比是土的一一個重要物物理性質(zhì)指指標(biāo)，它反反映土的密密實度。(5)土土的孔隙隙率定義：土中孔隙體體積與總體體積之比，，或單位體體積中孔隙隙的體積，，用百分?jǐn)?shù)數(shù)表示，記記為n;公式：N=Vv/V×100％注：它表示示土中孔隙隙大小的程程度，一般般土孔隙率率的范圍為為30％％－50％。（6）飽和和度度定義：土中被水充充填的孔隙隙體積與孔孔隙總體積積之比，記記為Sr;公式：So=Vw/Vv×100％注：飽和度反反映土中的孔孔隙被水充滿滿的程度，當(dāng)當(dāng)孔隙中沒有有水存在時Sr=0；孔孔隙中充滿水水時，Sr=1.(7)干干密度度定義：單位體積中固固體顆粒的質(zhì)質(zhì)量，記為ρρd;公式：ρd=Ms/V干重度：γγd＝9.8ρρd注：ρd越大，土體越越密實，工程程質(zhì)量越好，，但發(fā)費也大大。（8）飽和和密度定義：土的的孔隙中充滿滿水時的單位位體積質(zhì)量，，即土的飽和和度Sr=1時的土的密密度，記為ρsat公式：ρsat＝(ms+Vv×ρρw)/V飽和重度：γγsat＝9.8ρρsat（9）有效效密度定義：單單位體積中土土粒的質(zhì)量與與相同體積水水的質(zhì)量之差差，即在地下下水位以下，，單位土體積積中的有效質(zhì)質(zhì)量，記為ρρ｀公式：ρ｀=ρsat-ρw浮重度：γ’’=9.8ρsat-9.8ρw2.3土土的物理狀態(tài)態(tài)特征指標(biāo)一、無粘性土的密密實度1.用孔隙比e作作為劃分密實度；；2.以相對密實度度作密實度標(biāo)準(zhǔn)；；3.用標(biāo)準(zhǔn)貫入實實驗劃分密實度；；二、粘性土的稠度粘性土的物理狀態(tài)態(tài)指標(biāo)為軟硬程度度，稱為稠度。粘粘性土隨含水量的的不同，分別處于于固態(tài)、半固態(tài)、可塑性態(tài)及流塑狀狀態(tài)，反映粘性土土物理特征的指標(biāo)標(biāo)是一組特征含水水量及其構(gòu)成的指指標(biāo)。液限wl:粘性土由由流動狀狀態(tài)轉(zhuǎn)變變?yōu)榭伤芩軤顟B(tài)的的界限含含水量,一般用用錐式液液限儀測測定。塑限wp:粘性土由由可塑狀狀態(tài)轉(zhuǎn)變變?yōu)榘牍坦虘B(tài)的界界限，一一般用搓搓條法測測定?？s限ws:粘性土的的固態(tài)與與半固態(tài)態(tài)的分界界含水量量，一般般用收縮縮皿法測測定。塑性指數(shù)數(shù)Ip:液限與塑塑限的差差值，用用去掉百百分號的的數(shù)值表表示。液性指數(shù)數(shù)Il:細(xì)粒土的的天然含含水量和和塑限的的差值與與液限和和塑限的的差值之之比即為為液性指指數(shù)；活動度A:塑性指數(shù)數(shù)與土中中膠粒含含量百分分?jǐn)?shù)之比比；靈敏度St:指土的密密度和含含水量不不變條件件下，原原狀土的的無側(cè)限限抗壓強(qiáng)強(qiáng)度與重重塑土的的無側(cè)限限抗壓強(qiáng)強(qiáng)度的比比值；2.4地地基基土的工工程分類類地基土的的合理分分類具有有很大的的實際意意義，根根據(jù)分類類名稱可可以大致致判斷地地基土的的工程特特性，評評價土（（巖石））作為建建筑材料料的適宜宜性以及及結(jié)合其其它指標(biāo)標(biāo)來確定定地基土土的承載載力等。。《規(guī)范》》把土按按工程性性質(zhì)分為為巖石、、碎石土土、砂土土、粉土土、粘性性土和人人工填土土六大類類。第三章地地基基的應(yīng)力力和變形形（一）幾幾個基本本概念1.土的的變形特特性a.土的的變形比比其它建建材大b.土的的變形主主要由孔孔隙減小小產(chǎn)生c.飽和和土的壓壓縮變形形需一定定的時間間2.土的的應(yīng)力、應(yīng)變的關(guān)關(guān)系a.土力力學(xué)中規(guī)規(guī)定以壓壓應(yīng)力為為正值，，拉應(yīng)力力為負(fù)值值；b.土體體受荷時時，其應(yīng)應(yīng)力與應(yīng)應(yīng)變的關(guān)關(guān)系是非非線性的的；3.有效效應(yīng)力原原理土體中存存在兩種種性質(zhì)的的力。由由土的固固體骨架架傳遞的的應(yīng)力，，稱為有有效應(yīng)力力；由孔孔隙水傳傳遞的應(yīng)應(yīng)力，稱稱為孔隙隙水壓力力。σ=σ’+u3.2地地基基中的應(yīng)應(yīng)力一、土層自自重應(yīng)力力定義：在在未修建建筑物之之前，由由土體本本身的自自重引起起的應(yīng)力力，稱為為土層自自重應(yīng)力力。公式：σσcz=γ1h1+γ2h2+γ3h3+…+γγnhn=∑γγihi注：γ為為第i層層土的天天然重度度，對地地下水位位以下的的土層取取有效重重度γ’’二、基礎(chǔ)底底面接觸觸壓力基底接觸壓壓力的分布布規(guī)律主要要取決于基基礎(chǔ)的剛度度和地基土土的變形性性質(zhì)，是兩兩者共同作作用的結(jié)果果。在工程程上采用簡簡化的方法法進(jìn)行計算算。（1）中心心荷載矩形形基礎(chǔ)公式：p=(N+G)/A注1：G為為基礎(chǔ)自重重及上回填填土重的總總量；G=γGAd為基礎(chǔ)礎(chǔ)及回填土土之平均重重度，一般般取20KN/m3，但在地下下水位以下下部分應(yīng)扣扣去浮力；；d為基礎(chǔ)礎(chǔ)埋深，必必須從設(shè)計計地面或室室內(nèi)外平均均設(shè)計地面面算起2.如基礎(chǔ)礎(chǔ)為條形，，可沿基礎(chǔ)礎(chǔ)長度方向向取1m計計算。（2）偏心荷荷載矩形基基礎(chǔ)公式：pmaxmin=R/A(1±6e/l)三、基底附附加壓力定義：因修修建建筑物物，在地基基重增加的的壓力稱為為附加壓力力。公式：p0=p－γγ0d注：1.γγ0為基礎(chǔ)底面面標(biāo)高以上上天然土層層的加權(quán)平平均重度，，γ0＝（γ1h1+γ2h2+…）/(h1+h2+…)，其其中地下水水位下的重重度取有效效重度；2.d基礎(chǔ)礎(chǔ)埋深，必必須從天然然地面算起起，對于新新填土場地地則從老天天然地面算算起；四、地基中的附附加應(yīng)力定義：由建建筑物荷載載在地基中中產(chǎn)生的應(yīng)應(yīng)力，稱為為地基中的的附加應(yīng)力力。（1）集中中力荷載作作用下，任任意點：σz=α×P/z2注：α由r/z查教教材表3.1確定（2）矩形形面積受豎豎向均布荷荷載作用（3）矩形面面積受三角形形分布的豎向向荷載作用（4）條形面面積受豎向均均布荷載作用用（5）條形面面積受豎向三三角形分布荷荷載作用3.3地地基土的壓縮縮性地基土的壓縮縮性指標(biāo)確定定：（1）室內(nèi)試試驗(2)原位位測試幾個基本概念念：1.壓縮系數(shù)數(shù)a:a反映土的壓壓縮性高低，，a值越大，，土的壓縮性性越大；土的壓縮標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)《規(guī)范》規(guī)定定取p1=100KPa至P2=200KPa相應(yīng)的壓壓縮系數(shù)a1-2作為土的壓縮縮性高低的判判別標(biāo)準(zhǔn)。影響土的壓縮縮性高低的因因素：（1）土的類類別（（2）土的原原始密度（3）土的結(jié)結(jié)構(gòu)2.側(cè)限壓壓縮模量定義：土在側(cè)側(cè)限條件下，，應(yīng)力增量與與其應(yīng)變的比比值，稱為土土的側(cè)限壓縮縮模量，以Es表示。Es越大，土土的壓縮性越越小。側(cè)限壓縮模量量與壓縮系數(shù)數(shù)的關(guān)系：Es=(1+e)/a3.土的的變形模量定義：指土在在無側(cè)限條件件下，單軸受受壓時的應(yīng)力力與應(yīng)變之比比值，用E0表示。土的變形模量量與壓縮模量量的關(guān)系：E0＝β×Es3.4地地基的最終終沉降量地基的最終沉沉降量是指地地基壓縮穩(wěn)定定后的沉降量量。地基最終終沉降量的計計算方法很多多，本課程主主要介紹分層層總和法和《《規(guī)范》法。。分層總和法計計算假定：（1）地基土土是一均勻、、等向的半無無限空間彈性性體；（2）地基沉沉降量按基礎(chǔ)礎(chǔ)中心點下土土樁所受的附附加應(yīng)力進(jìn)行行計算；（3）地基土土層受荷載作作用下只產(chǎn)生生豎向壓縮變變形，側(cè)向不不能膨脹，即即在側(cè)限條件件下發(fā)生變形形；（4）地基沉沉降量等于基基礎(chǔ)底面下某某一深度范圍圍內(nèi)各土層壓壓縮量的總和和。3.5建筑物地基變變形允許值一、地基變形形特征（1）沉降量量（2）沉降查（3）傾斜（（4））局部傾斜二、防止地基基有害變形的的措施1.減小沉降降量的措施2.減小沉降降差的措施3.6地地基變形與時時間的關(guān)系一、飽和土滲滲流固結(jié)飽和土的固結(jié)結(jié)包括荷載作作用下：（1）土體孔孔隙中的自由由水逐漸排出出；（2）土體孔孔隙的體積逐逐漸縮??；（3）孔隙水水壓力逐漸轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移到土骨架架來承受外力力，成為有效效應(yīng)力。故：飽和土的的固結(jié)作用是是上述排水壓壓縮和壓力轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移三者同時時進(jìn)行的一個個過程。第四章土土的抗剪強(qiáng)度度及地基承載載力土的強(qiáng)度問題題實質(zhì)上是土土的抗剪強(qiáng)度度。本章主要要介紹土的抗抗剪強(qiáng)度定律律；土的極限限平衡條件；；抗剪強(qiáng)度指指標(biāo)的測定和和取值方法；；及地基承載載力的確定。。4.2土土的極限平衡衡條件一、土的抗剪剪強(qiáng)度及定律律土的抗剪強(qiáng)度度是指土體抵抵抗剪切破壞壞的極限能力力，用τf表示。當(dāng)土體中某點點的剪力τ＜τf土體處于彈性性平衡狀態(tài)τ＝τf土體處于極限限平衡狀態(tài)τ＞τf土體發(fā)生剪切切破壞土體中任一點點的應(yīng)力狀態(tài)態(tài)公式：σ=(σ1+σ3)/2+(σ1－σ3)/2cos2ατ=(σ1－σ3)/2sin2α土的抗剪強(qiáng)度度規(guī)律用庫侖侖定律表示：：砂土:ττf＝σtgφφ粘性土:ττf＝σtgφ＋＋c三、土的極限限平衡條件定義：到達(dá)極極限平衡時土土的應(yīng)力狀態(tài)態(tài)和土的抗剪剪強(qiáng)度指標(biāo)之之間的關(guān)系稱稱為土的極限限平衡條件。。無粘性土的極極限平衡條件件：σ1=σ3tg2(45+φ/2)σ3=σ1tg2(45－φ/2)粘性土的極限限平衡條件公式：σ1=σ3tg2(45+φ/2)＋2ctg(45+φ/2)σ3=σ1tg2(45－φ/2)－2ctg(45－φ/2)4.3抗剪強(qiáng)強(qiáng)度指標(biāo)的確定國內(nèi)外常用的儀器器有：直接剪切儀儀、無側(cè)限壓力儀儀、三軸壓縮儀和和十字板剪切儀。。直接剪切儀：分應(yīng)應(yīng)力控制式和應(yīng)變變控制式兩種。三軸壓縮實驗中三三種方法：不固結(jié)不排水、固固結(jié)不排水和固結(jié)結(jié)排水。4.4影響抗抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的因因數(shù)一、抗剪強(qiáng)度的來來源1.無粘性土（1）內(nèi)摩擦力（（2）咬合力力2.粘性土（1）內(nèi)摩擦力（（2）黏聚聚力二、影響抗剪強(qiáng)度度的因數(shù)1.物理化學(xué)性質(zhì)質(zhì)的影響（1）土粒的礦物物成分、顆粒形狀狀與級配（2）土的原始密密度（3）土土的含水量(4)土的結(jié)構(gòu)2.孔隙水壓力的的影響（1）固結(jié)排水剪剪（2）不固結(jié)不排水水剪（3）固結(jié)不排水剪剪4.5地基的的臨塑荷載和臨界界荷載一、地基的臨塑荷荷載定義：是指在外荷荷載作用下，地基基剛開始產(chǎn)生塑性性變形時，基礎(chǔ)底底面單位面積上所所承受的荷載。公式：Pcr=Ndγd+NcC二、地基的臨界荷荷載定義：采用塑性區(qū)區(qū)最大深度為b/4,b/3，與與此相應(yīng)的基礎(chǔ)底底面壓力為臨界荷荷載。公式：P1/4=N1/4γb+Ndγd+NcCP1/3=N1/3γb+Ndγd+NcC注：第一個γ為土土的天然重度；第第二個γ為地基埋埋深范圍內(nèi)土的加加權(quán)平均重度。4.6地基基的極限荷載定義：地基的極極限荷載指地基基在外荷載作用用下產(chǎn)生的應(yīng)力力達(dá)到極限平衡衡時的荷載，公式：Pu=1/2Nrγb+NcC+qNq注：q為基礎(chǔ)埋埋深范圍內(nèi)的土土的自重壓力即即γd太沙基公式（書書上154頁））二、影響極限荷荷載的因數(shù)1.地基的破壞壞形式2.地基土的指指標(biāo)3.基礎(chǔ)設(shè)計的的尺寸4.荷載作用方方向第五章土壓壓力與土坡穩(wěn)定定一、擋土墻分類：重力式、、懸臂式、扶壁壁式錨桿式及加加筋擋土墻。二、土壓力的種種類a.靜止土壓力力b.主動動土壓力c.被動土壓力力影響土壓力的因因數(shù)1.主要因數(shù)是是擋土墻的位移移方向和位移量量的大??；2.擋土墻的形形狀、墻背的光光滑程度和結(jié)構(gòu)構(gòu)形式；3.填土的性質(zhì)質(zhì)，如填土的含含水量、重度、、內(nèi)摩擦角和黏黏聚力的大小及及填土的表面形形狀；4.擋土墻的建建筑材料；5.2