土質(zhì)學與土力學：土坡穩(wěn)定分析、地基承載力、土的動力性質(zhì)和壓實性

2024年5月9日

第8章土坡穩(wěn)定分析8.1概述在工程中經(jīng)常遇到土坡。有天然土坡或人工土坡。例如，堤壩、路基、深基坑等工程中都存在高邊坡。并存在土坡穩(wěn)定問題。8.2無黏性土的土坡穩(wěn)定分析

設(shè)有一個簡單土坡，分析坡面上某土粒的受力：土坡穩(wěn)定安全系數(shù)：2024年5月9日8.3黏性土的土坡穩(wěn)定分析

一、土坡圓弧滑動面的整體穩(wěn)定分析(試算法)

實測土坡滑動面近似呈圓弧狀，整體穩(wěn)定安全系數(shù)：

二、泰勒穩(wěn)定因數(shù)法

泰勒分析提出穩(wěn)定因數(shù)，并給出臨界

坡腳與的關(guān)系：

該函數(shù)關(guān)系可查曲線8-10確定。

三、圓弧滑動面的條分法(試算法)

(1)按比例畫出土坡剖面圖；

(2)選一個圓心o和半徑R作圓弧AD為

假定滑動面；

(3)將滑動圓弧體分成n等份豎向土條；

(4)取第i土條進行受力分析；

2024年5月9日

(5)計算穩(wěn)定安全系數(shù)；

(6)確定最危險滑弧圓心(費倫紐斯法)：

a按做斜線DE；

b在點附近以為圓心過點做假定滑??；

c計算各相應(yīng)穩(wěn)定安全系數(shù)

;

d做曲線，在做DE線的垂線FG，在斜線FG上以為圓心過點做假定滑??；

e計算各相應(yīng)穩(wěn)定安全系數(shù)，做曲線，處的即為最危險滑弧圓心。第8章作業(yè)：8-18-4

2024年5月9日

第9章地基承載力

9.1概述

一、地基破壞的性狀

試驗表明淺基礎(chǔ)的地基破壞模式分為：

1)整體剪切破壞；2)局部剪切破壞；3)沖切剪切破壞。

二、確定地基承載力的方法

地基承載力包括：地基極限承載力、地基容許承載

力、地基承載力特征值等。

地基承載力確定方法：靜載荷試驗法；理論公式法；

規(guī)范表格法；經(jīng)驗法等。

9.2地基臨塑荷載和臨界荷載

一、地基塑性區(qū)邊界方程

1、地基土中應(yīng)力狀態(tài)的三個階段

2、地基塑性區(qū)邊界方程

聯(lián)立求解：

得：

2024年5月9日

二、地基的臨塑荷載和臨界荷載1、地基臨塑荷載當由得代入式得當式中

2、地基臨界荷載

當式中

式中稱為承載力系數(shù)，可查表9-3取值。2024年5月9日

9.4地基極限承載力

普朗特爾公式：

經(jīng)雷斯諾修正：

經(jīng)泰勒修正：

式中：

太沙基公式：

式中：

第9章作業(yè)：9-1

9-2

2024年5月9日

第10章土的動力性質(zhì)和壓實性

10.1土在動荷載作用下的變形和強度性質(zhì)

一、

動荷載及其特點

1、動荷載的定義在荷載作用期間,其幅值隨時間以某種形式發(fā)生變化的荷載。其變化包括兩種情況：1）只有幅值大小的改變，沒有作用方向的改變。例如車輛荷載。2）除幅值大小變化外，還有頻率、方向的改變，成為交變荷載。如地震荷載。2、描述動荷載的要素1)最大幅值；2)頻率；3)持續(xù)時間或作用次數(shù)3、動荷載的類型1)一次沖擊型荷載例如爆炸荷載，僅有大小的變化。2)有限循環(huán)作用次數(shù)的隨機荷載例如地震、風浪荷載等，有大小變化和正負的變化，正→負→正叫一次循環(huán)，循環(huán)次數(shù)是有限的，通常小于1000次。3)循環(huán)作用次數(shù)非常大的疲勞荷載例如穩(wěn)態(tài)機械振動荷載，其幅值和頻率幾乎不變，循環(huán)次數(shù)非常大，通常大于1000次。

2024年5月9日

二、在動荷載作用下土的速率效應(yīng)和疲勞效應(yīng)1．動荷作用下土的變形特點

①動荷載的大小是隨時間而改變的,而土的變形需要改變土的結(jié)構(gòu),土結(jié)構(gòu)的改變則需要一個時間過程。這樣,土受某一個大小的荷載作用所持續(xù)的時段非常短,然后其荷載的大小就改變了,在這樣短的時段內(nèi)變形不能得到充分發(fā)展,其變形與同樣大小靜荷載引起的變形相比要小。

②如果動荷載是循環(huán)荷載，每次循環(huán)作用都會使土的結(jié)構(gòu)發(fā)生一定的破壞,并且每一次循環(huán)對土的結(jié)構(gòu)破壞作用隨動荷載的幅值增加而增大。這樣,土在幅值不變的循環(huán)荷載作用下其變形要隨作用次數(shù)的增加而增大,并且每一次循環(huán)作用引起的土的變形增量要隨動荷幅值的增大而增大。2．速率效應(yīng)速率效應(yīng)是指土的變形模量和強度隨動荷載的變化速率的增加而增大的力學現(xiàn)象。速率效應(yīng)的機制是上述的第一個在動荷作用下土變形的特點。按上述，動荷載的變化速率越大，則在某一時刻荷載作用持續(xù)的時段越短，土的變形越不能充分發(fā)展，其速率效應(yīng)則越顯著。3．疲勞效應(yīng)疲勞效應(yīng)是指在動荷載作用下土的變形隨作用次數(shù)的增加逐次累計增大，最后使土發(fā)生破壞的力學現(xiàn)象。土的疲勞效應(yīng)的機制是上述第二個在動荷作用下土變形的特點。由于土破壞時的變形大約是相同的，按上述，動荷載幅值越大土破壞時相應(yīng)的動荷載作用次數(shù)就越小。4．兩種效應(yīng)的意義

①兩種效應(yīng)是土的動力性能與靜力性能不同的根本原因。

②土的速率效應(yīng)與疲勞效應(yīng)是在動荷載作用下同時存在的兩種相反作用。速率效應(yīng)使土的變形模量和強度增大，疲勞效應(yīng)使土的強度降低。這樣，在動荷作用下土的力學性能取決于這兩種效應(yīng)哪一個占主導。如果速率效應(yīng)占主導，則土具有較好的動力學性能；如果疲勞效應(yīng)占主導，則土具有較差的動力學性能。

③不同的土類所表現(xiàn)出來的兩種效應(yīng)是不同的。一般結(jié)構(gòu)易受破壞的土類，即結(jié)構(gòu)性強的土類，疲勞效應(yīng)占主導作用；相反，則速率效應(yīng)占主導作用。因此，不同的土類，其動力學性能有明顯差別。2024年5月9日

3．疲勞效應(yīng)疲勞效應(yīng)是指在動荷載作用下土的變形隨作用次數(shù)的增加逐次累計增大，最后使土發(fā)生破壞的力學現(xiàn)象。土的疲勞效應(yīng)的機制是上述第二個在動荷作用下土變形的特點。由于土破壞時的變形大約是相同的，按上述，動荷載幅值越大土破壞時相應(yīng)的動荷載作用次數(shù)就越小。

4．兩種效應(yīng)的意義

①兩種效應(yīng)是土的動力性能與靜力性能不同的根本原因。

②土的速率效應(yīng)與疲勞效應(yīng)是在動荷載作用下同時存在的兩種相反作用。速率效應(yīng)使土的變形模量和強度增大，疲勞效應(yīng)使土的強度降低。這樣，在動荷作用下土的力學性能取決于這兩種效應(yīng)哪一個占主導。如果速率效應(yīng)占主導，則土具有較好的動力學性能；如果疲勞效應(yīng)占主導，則土具有較差的動力學性能。

③不同的土類所表現(xiàn)出來的兩種效應(yīng)是不同的。一般結(jié)構(gòu)易受破壞的土類，即結(jié)構(gòu)性強的土類，疲勞效應(yīng)占主導作用；相反，則速率效應(yīng)占主導作用。因此，不同的土類，其動力學性能有明顯差別。

2024年5月9日

1.4在動荷載作用下土的受力水平及工作狀態(tài)

1.土的受力水平土是一種結(jié)構(gòu)性很強的力學介質(zhì)或工程材料，土受力越大，土結(jié)構(gòu)的破壞性也越大，土的變形越發(fā)展，土也越趨于破壞。因此，在確定土的力學性能時，必須考慮土的受力水平。土的受力水平是土受力大小和土結(jié)構(gòu)的破壞程度的一種表示。因此，需要一個定量指標表示土的受力水平。表示土受力水平的定量指標有兩種：

①動剪應(yīng)力幅值或動剪應(yīng)力幅值比一般說，土的破壞是由剪切引起的，土所受的動剪應(yīng)力越大，土越接近破壞。因此，可以用動剪應(yīng)力幅值表示土的受力水平。但是，土破壞所需的動剪應(yīng)力幅值隨所受的有效靜正應(yīng)力的增大而增大。因此，即使同一種土當所受的動剪應(yīng)力幅值相同而有效靜正應(yīng)力不同時，其接近破壞的程度也不相同，因此，以動剪應(yīng)力幅值與有效靜正應(yīng)力比值代替動剪應(yīng)力幅值表示土的受力水平更合理。

②動剪應(yīng)變幅值當動剪應(yīng)力幅值或動剪應(yīng)力幅值比相同時，不同類型的土產(chǎn)生的動剪切變形是不同的。軟土產(chǎn)生的動剪切變形大，硬土所產(chǎn)生的動剪切變形??；相應(yīng)地，土結(jié)構(gòu)的破壞程度也不同。因此，以動應(yīng)力作用所引起的動剪應(yīng)變幅值來表示土的受力水平更為適宜。2024年5月9日

2．土的工作狀態(tài)

按上述，土的受力水平越高，土結(jié)構(gòu)的破壞就越大。當土結(jié)構(gòu)的破壞很小時，在動應(yīng)力作用下土所引起的變形是可恢復(fù)的，土表現(xiàn)出彈性性能，稱為彈性工作狀態(tài)。當土的結(jié)構(gòu)的破壞達到一定程度時，動應(yīng)力作用所引起的變形將不再能完全恢復(fù)，發(fā)生了不可恢復(fù)塑性變形，土表現(xiàn)出彈塑性性能，稱為彈塑性工作狀態(tài)。土的結(jié)構(gòu)破壞越大，所發(fā)生的塑性變形及其在總變形中所占的比例越大，土越接近破壞。最后，土發(fā)生破壞，稱之為破壞狀態(tài)或流動。

由于土的結(jié)構(gòu)破壞與受力水平有關(guān)，則土所處的工作狀態(tài)也與受力水平有關(guān)。按上述受力水平的表示方法，土的受力水平以動剪應(yīng)變幅值表示，則根據(jù)動剪應(yīng)變幅值大小土的受力水平分為小變形階段、中變形階段、大變形階段：

不同變形階段土所處的工作狀態(tài)如下圖所示：

從上圖可見，在小變形階段，土處于彈性工作狀態(tài)，在中等變形階段，土處于彈塑性工作狀態(tài)，在大變形階段，土處于破壞階段。2024年5月9日

3.界限剪應(yīng)變幅值

界限剪應(yīng)變幅值是區(qū)分土結(jié)構(gòu)破壞程度的剪應(yīng)變幅值。

①彈性限

當土所受的剪應(yīng)變幅值小于彈性限時，土的結(jié)構(gòu)沒有破壞，土的變形完全可以恢復(fù)。一般說，。

②屈服限

當土所受的剪應(yīng)變幅值大于屈服限時，土的結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯的破壞，要發(fā)生明顯的塑性變形，最終可能導致破壞。按此定義，屈服限應(yīng)是上圖中的彈性工作狀態(tài)的結(jié)尾階段。當剪應(yīng)變幅值大于屈服限時，土已處于彈塑性工作狀態(tài)，一般說，。

界限剪應(yīng)變幅值在圖中的位置：

2024年5月9日

1.5動荷作用下的兩大類土

1．兩大類土定義

在動荷載作用下力學性能不好的土，稱之為對動荷作用敏感的土。所謂力學性能不好，是指在動荷作用下土產(chǎn)生大的變形，或高的孔隙水壓力，或部分或完全喪失抗剪強度。

在動荷載作用下力學性能好的土，稱之為對動荷載作用不敏感的土。所謂力學性能好，是指在動荷作用下土不會產(chǎn)生大的變形，或高的孔隙水壓力，基本上能保持其抗剪強度。

2．劃分兩大類土的依據(jù)

①理論依據(jù)

在動荷載作用下，如果與速率效應(yīng)相比疲勞效應(yīng)占主導，則土的動力性能不好，如果與疲勞效應(yīng)相比速率效應(yīng)占主導，則土的動力性能好，并且哪種效應(yīng)占主導與土的類型有關(guān)。這樣，就有可能根據(jù)土的動力性能將土劃分成兩大類。

2024年5月9日

②試驗依據(jù)

土動力試驗數(shù)據(jù)表明，在動荷作用下某些土類，例如中等密度以下的飽和砂土、粘粒含量小于10%的飽和粉質(zhì)粘土、礫粒含量小于70%的飽和砂礫石，會部分或完全喪失強度，而飽和軟粘土、淤泥質(zhì)粘土，則會產(chǎn)生較大的變形。

③動荷作用引起的工程災(zāi)害實例依據(jù)

動荷作用，特別是地震作用，引起的工程災(zāi)害實例表明，凡是發(fā)生工程災(zāi)害的地基和土工建筑其土體中都含有松砂、中密飽和砂土、