第三章土力學(xué)性質(zhì)

1、第三章第三章 土的力學(xué)性質(zhì)土的力學(xué)性質(zhì)壓縮性壓縮性 抗剪性抗剪性 擊實性擊實性自自11731173年動工修建，當塔筑年動工修建，當塔筑至至24m24m高時發(fā)生傾斜，限于高時發(fā)生傾斜，限于當時技術(shù)水平，因不知其原當時技術(shù)水平，因不知其原因而停工。因而停工。100100年后續(xù)建至年后續(xù)建至塔頂，高約塔頂，高約55m55m，全塔總重，全塔總重約約145MN145MN，基礎(chǔ)底面平均壓，基礎(chǔ)底面平均壓力約力約50kPa50kPa。地基持力層為。地基持力層為粉砂土，下面為粉土和粘土粉砂土，下面為粉土和粘土層。層。塔向南傾斜，塔向南傾斜，南北兩端南北兩端沉降差達沉降差達1.80m1.80m，塔頂離中，塔頂離

2、中心線已達心線已達5.27m5.27m，傾斜，傾斜5.55.5，成為危險建筑。成為危險建筑。19901990年年1 1月月4 4日被封閉。日被封閉。比薩斜塔比薩斜塔為了防止斜塔繼續(xù)傾斜，意為了防止斜塔繼續(xù)傾斜，意大利當局在斜塔大利當局在斜塔北側(cè)北側(cè)的塔基的塔基下碼放了數(shù)百噸重的鉛塊，下碼放了數(shù)百噸重的鉛塊，并使用鋼絲繩從斜塔的腰部并使用鋼絲繩從斜塔的腰部向北側(cè)拽住，還抽走了斜塔向北側(cè)拽住，還抽走了斜塔北側(cè)的許多淤泥，并在北側(cè)的許多淤泥，并在塔基塔基地下打入地下打入1010根根5050米長的鋼柱米長的鋼柱。今天看來，政府所采取的種今天看來，政府所采取的種種措施頗具成效，終于使這種措施頗具成效，終

3、于使這座舉世無雙、經(jīng)歷了數(shù)百年座舉世無雙、經(jīng)歷了數(shù)百年風雨的羅馬式建筑摘掉了鋼風雨的羅馬式建筑摘掉了鋼繩的束縛，擺脫了倒塌的危繩的束縛，擺脫了倒塌的危機。機。塔身傾斜度從原來的塔身傾斜度從原來的5.5度度挺直為現(xiàn)在的挺直為現(xiàn)在的3.99度度。 20012001年年1212月月1515日起，恢日起，恢復(fù)向游人開放。參與該復(fù)向游人開放。參與該項工作的工程師說，斜項工作的工程師說，斜塔在未來塔在未來300300年內(nèi)不會年內(nèi)不會出現(xiàn)倒塌。出現(xiàn)倒塌。正在糾偏中的比薩斜塔正在糾偏中的比薩斜塔（劉福明攝于（劉福明攝于2000年）年） 加固塔身加固塔身地基處理方法：壓重法和取土法地基處理方法：壓重法和取土法鋼

4、柱加固鋼柱加固第一節(jié)第一節(jié) 土的壓縮性土的壓縮性 一、土壓縮變形的特點與機理一、土壓縮變形的特點與機理土的壓縮性土的壓縮性是指在壓力作用下體積變小的性能。是指在壓力作用下體積變小的性能。 由于土的壓縮實質(zhì)上是土孔隙中的由于土的壓縮實質(zhì)上是土孔隙中的水分和水分和氣體被擠出氣體被擠出，土顆粒相互移動靠攏，致使，土顆粒相互移動靠攏，致使孔隙孔隙體積減小體積減小，從而引起，從而引起土的體積減小土的體積減小。有側(cè)限有側(cè)限（無側(cè)脹）（無側(cè)脹）壓縮壓縮基礎(chǔ)砌置較深的建基礎(chǔ)砌置較深的建筑物地基土的壓縮接近于在無側(cè)脹條件下進行。實驗室研筑物地基土的壓縮接近于在無側(cè)脹條件下進行。實驗室研究土的可壓縮性多采用這種條

5、件；究土的可壓縮性多采用這種條件；無側(cè)限無側(cè)限（有側(cè)脹）（有側(cè)脹）壓縮壓縮飛機場和道路飛機場和道路(尤其尤其是路堤是路堤)等表面建筑物以及基礎(chǔ)砌置較淺的建筑物地基土等表面建筑物以及基礎(chǔ)砌置較淺的建筑物地基土的壓縮，近似于無側(cè)限條件。的壓縮，近似于無側(cè)限條件。 兩種壓縮環(huán)境的對比兩種壓縮環(huán)境的對比二、壓縮試驗與壓縮定律二、壓縮試驗與壓縮定律 （1 1）試驗類型：）試驗類型：以有側(cè)限以有側(cè)限（無側(cè)脹）（無側(cè)脹）壓縮為例壓縮為例 由于土的壓縮實質(zhì)上是孔隙體積的變小由于土的壓縮實質(zhì)上是孔隙體積的變小（微觀上的變化）（微觀上的變化）, ,而在有側(cè)限條件下的壓縮而在有側(cè)限條件下的壓縮變形具體表現(xiàn)為土的縱向

6、變形變形具體表現(xiàn)為土的縱向變形（宏觀上的變宏觀上的變形）形），因此，這兩者之間必然有一定的關(guān)系。因此，這兩者之間必然有一定的關(guān)系。在實踐中，一般用在實踐中，一般用土樣高度土樣高度的變化的變化（h h）和）和孔隙比孔隙比的變化的變化（e e）來表示這種關(guān)系。）來表示這種關(guān)系。土土 粒粒水水氣氣 壓縮前壓縮前Vp0=e0VSVs 壓縮后壓縮后V0= VS( 1+e0 )土土 粒粒水水氣氣VsV1= VS(1+e1)Vp=e1VS無側(cè)脹條件下土的壓縮示意圖無側(cè)脹條件下土的壓縮示意圖h1h0 利用固體顆粒體積利用固體顆粒體積Vs保持不變，推導(dǎo)無側(cè)保持不變，推導(dǎo)無側(cè)脹條件下，土發(fā)生壓縮變形前后，脹條件下

7、，土發(fā)生壓縮變形前后， h1h1與與e e的關(guān)系：的關(guān)系： P30 公式公式110001)(1ehhAeAh010011eeehh001011ehhee （2 2）壓縮特性的表示方法壓縮特性的表示方法 如前所述，土的壓縮實質(zhì)是壓力作用下，空隙中如前所述，土的壓縮實質(zhì)是壓力作用下，空隙中水、氣排出，土粒相互靠攏所致。因此土的壓縮特性水、氣排出，土粒相互靠攏所致。因此土的壓縮特性主要與壓力的大小和作用時間的長短（即水、氣排出主要與壓力的大小和作用時間的長短（即水、氣排出的速度）有關(guān)。的速度）有關(guān)。 固結(jié)曲線固結(jié)曲線孔隙比（或變形量）與時間的關(guān)系孔隙比（或變形量）與時間的關(guān)系（見土力學(xué)）（見土力學(xué)）

8、壓縮曲線壓縮曲線孔隙比與壓力的關(guān)系孔隙比與壓力的關(guān)系 土的壓縮特性的土的壓縮特性的表示方法表示方法土的壓縮曲線土的壓縮曲線 土的固結(jié)曲線土的固結(jié)曲線 土的壓縮曲線土的壓縮曲線ep孔隙比孔隙比壓力壓力p（kPa）e0.6800.6800.7000.7000.7200.7200.7400.7400.7600.7600.7800.7800 04004008008001200120016001600常規(guī)壓縮實驗，各級壓力常規(guī)壓縮實驗，各級壓力pi下變形穩(wěn)定標準：下變形穩(wěn)定標準：1h內(nèi)變形內(nèi)變形量不大于量不大于0.005mm或每級壓力作用或每級壓力作用24h。ep1221:ppeetga壓縮系數(shù) 壓縮曲

9、線：壓縮曲線：隨壓力隨壓力p p的不斷的不斷增大，壓縮變形量逐漸增加，孔隙增大，壓縮變形量逐漸增加，孔隙比比e e不斷減小。不斷減小。 隨隨p p增加，增加，e e剛開始變化增加快剛開始變化增加快（壓縮快），后面壓縮慢。曲線逐（壓縮快），后面壓縮慢。曲線逐漸變緩。漸變緩。 工程實踐中，一般以壓縮曲線的工程實踐中，一般以壓縮曲線的斜率斜率來評價土的壓縮性。來評價土的壓縮性。 土的壓縮定律：土的壓縮定律：在壓力變化范圍不大時，土的孔隙比在壓力變化范圍不大時，土的孔隙比的變化（減小值）與壓力的變化（增加值）成正比。的變化（減小值）與壓力的變化（增加值）成正比。 p p或或e e 壓縮系數(shù)：壓縮系數(shù)：

10、單位單位MPaMPa-1 -1 或或KPaKPa-1-1, ,是表征土壓縮是表征土壓縮性大小的重要指標，廣泛應(yīng)用于性大小的重要指標，廣泛應(yīng)用于土力學(xué)計算土力學(xué)計算中。中。 相同壓力變化范圍內(nèi)，相同壓力變化范圍內(nèi)，壓縮系數(shù)越大壓縮系數(shù)越大，表明土的空，表明土的空隙減小得越多，即隙減小得越多，即壓縮性越高壓縮性越高。 土的壓縮系數(shù)土的壓縮系數(shù)并不是常數(shù)并不是常數(shù)，與壓力區(qū)段的，與壓力區(qū)段的大小大小和和壓力水平壓力水平有關(guān)。有關(guān)。 （3 3）壓縮特性的表示指標壓縮特性的表示指標標準壓縮系數(shù)標準壓縮系數(shù)a a1-21-2： 一般的工民建作用于地基土的壓力為一般的工民建作用于地基土的壓力為0.10.2M

11、PaMPa。所以在工程實踐中，常選擇所以在工程實踐中，常選擇p p1 1= =0.1MPaMPa，p p2 2= =0.2MPaMPa所對應(yīng)所對應(yīng)的壓縮系數(shù)的壓縮系數(shù)1-21-2（標準（標準壓縮系數(shù)壓縮系數(shù)）作為判斷土壓縮性高作為判斷土壓縮性高低的標準。低的標準。 1-21-20.1 MPa0.1 MPa-1 -1 低壓縮性土低壓縮性土 0.10.11-21-20.5 MPa0.5 MPa-1 -1 中壓縮性土中壓縮性土 1-21-20.5 MPa0.5 MPa-1-1 高壓縮性土高壓縮性土、 s s 越大，越大，土的壓縮性越土的壓縮性越高高，抵抗壓縮變形的能力越，抵抗壓縮變形的能力越弱弱壓縮

12、模量壓縮模量指土在指土在有側(cè)限有側(cè)限的條件下的條件下受壓時，在受壓方向上的受壓時，在受壓方向上的應(yīng)力應(yīng)力與相應(yīng)的與相應(yīng)的應(yīng)變應(yīng)變之比。單位：之比。單位：MPa MPa （KPaKPa）。）。zzsE12ppz12101 eeehhzaeeeeppEs11211211EsEs越大越大，土的壓縮性越土的壓縮性越低低，抵抗壓縮變形的能力越，抵抗壓縮變形的能力越強強 實際工程中也常用實際工程中也常用p p1 1= =0.1MPa,pMPa,p2 2= =0.2MPaMPa相相對應(yīng)的對應(yīng)的壓縮模量壓縮模量來評價土的壓縮性，常用于土來評價土的壓縮性，常用于土力學(xué)沉降計算中。力學(xué)沉降計算中。 E Es s1

13、5 MPa15 MPa 低壓縮性土低壓縮性土 4 4 E Es s 15 MPa15 MPa 中壓縮性土中壓縮性土 E Es s 4 MPa 4 MPa 高壓縮性土高壓縮性土 變形模量變形模量無側(cè)限無側(cè)限（有側(cè)脹）條件下，（有側(cè)脹）條件下，壓應(yīng)力與相應(yīng)的壓縮應(yīng)變的比值通常稱為變形模壓應(yīng)力與相應(yīng)的壓縮應(yīng)變的比值通常稱為變形模量（量（E E0 0），通過），通過現(xiàn)場載荷試驗現(xiàn)場載荷試驗求得。求得。P P210210E E0 0越大，越大，土的壓縮性越土的壓縮性越低低，抵抗壓縮變形的能力越，抵抗壓縮變形的能力越強強壓縮模量壓縮模量Es有側(cè)限（無側(cè)脹），有側(cè)限（無側(cè)脹）， h h小小 變形模量變形模量

14、E0 無側(cè)限（有側(cè)脹），無側(cè)限（有側(cè)脹）， h h大大Es E0第二節(jié)第二節(jié) 土的抗剪性土的抗剪性 一、土發(fā)生破壞的兩種類型一、土發(fā)生破壞的兩種類型: :b.拉斷破壞拉斷破壞拉應(yīng)力引起，裂隙面兩側(cè)沿垂直于裂隙拉應(yīng)力引起，裂隙面兩側(cè)沿垂直于裂隙面方向（即沿拉應(yīng)力方向）發(fā)生相對位移而開裂，例如：面方向（即沿拉應(yīng)力方向）發(fā)生相對位移而開裂，例如：卸荷裂隙和收縮裂縫。卸荷裂隙和收縮裂縫。a.剪切破壞剪切破壞剪應(yīng)力引起，破壞面兩側(cè)沿剪切方向發(fā)剪應(yīng)力引起，破壞面兩側(cè)沿剪切方向發(fā)生相對位移；生相對位移；土的抗破壞性一般指的是其土的抗破壞性一般指的是其抗剪性?？辜粜?。典型實例：滑坡典型實例：滑坡滑坡形成示意圖

15、滑坡形成示意圖滑坡床滑坡床二、土的抗剪強度二、土的抗剪強度 定義：定義：土的抗剪強度（土的抗剪強度（shearing strength，S）土抵抗剪應(yīng)土抵抗剪應(yīng)力而保持自身不被破壞的最大能力。力而保持自身不被破壞的最大能力。在數(shù)值上，抗剪強度在數(shù)值上，抗剪強度S等于土不被破壞而所能承受的等于土不被破壞而所能承受的最大最大剪應(yīng)力值剪應(yīng)力值max 。分為分為直接剪切（直剪）直接剪切（直剪）和和三軸剪切三軸剪切試驗兩類。試驗兩類。最常用的直剪試驗方法。最常用的直剪試驗方法。P34三、土的抗剪強度的測定方法三、土的抗剪強度的測定方法土的室內(nèi)剪切試驗土的室內(nèi)剪切試驗 直接剪切試驗直接剪切試驗試驗九試驗九

16、P313，應(yīng)變式直剪儀：應(yīng)變式直剪儀：通過彈性鋼環(huán)變形控制剪切位移的速率。通過彈性鋼環(huán)變形控制剪切位移的速率。 將土樣放在上、下兩部分可以錯動的金屬盒內(nèi)，將上盒固將土樣放在上、下兩部分可以錯動的金屬盒內(nèi)，將上盒固定，下盒可沿水平方向滑動定，下盒可沿水平方向滑動( (圖圖3-5)3-5)。試驗時，先通過傳壓板在。試驗時，先通過傳壓板在土樣上施加正應(yīng)力土樣上施加正應(yīng)力1 ，然后在下盒上逐級施加水平剪力，使土，然后在下盒上逐級施加水平剪力，使土樣沿上、下盒之間的水平面受到剪應(yīng)力，當水平剪力增加至一樣沿上、下盒之間的水平面受到剪應(yīng)力，當水平剪力增加至一定量值時，土樣發(fā)生剪切破壞，此時的剪應(yīng)力定量值時，

17、土樣發(fā)生剪切破壞，此時的剪應(yīng)力1即為土樣在該即為土樣在該正應(yīng)力作用下的抗剪強度。正應(yīng)力作用下的抗剪強度。 每組至少每組至少4個試樣個試樣，分別在不同的正，分別在不同的正應(yīng)力（應(yīng)力（2、 3、 4）作用下，施加剪應(yīng)力進行剪切，求得破壞時）作用下，施加剪應(yīng)力進行剪切，求得破壞時的最大剪應(yīng)力的最大剪應(yīng)力2、 3 、 4 ，利用多個試樣的試驗資料作，利用多個試樣的試驗資料作關(guān)系關(guān)系曲線曲線（抗剪強度曲線）。（抗剪強度曲線）。土的直接剪切試驗土的直接剪切試驗 1773年，法國學(xué)者庫侖通過大量的試驗，總結(jié)出年，法國學(xué)者庫侖通過大量的試驗，總結(jié)出曲線（抗剪強度曲線）具有如下規(guī)律曲線（抗剪強度曲線）具有如下規(guī)

18、律（見下圖）（見下圖）：四、土的抗剪強度的庫侖定律四、土的抗剪強度的庫侖定律巨粒和粗粒土：巨粒和粗粒土：直線通過直線通過坐標原點坐標原點斜率較大斜率較大細粒土：細粒土：不通過坐標原點，不通過坐標原點，縱坐標軸上有截距縱坐標軸上有截距C斜率較小斜率較小土的抗剪強度的土的抗剪強度的庫侖定律庫侖定律土的抗剪強度土的抗剪強度由由內(nèi)摩擦力內(nèi)摩擦力tg和和內(nèi)聚力內(nèi)聚力C兩部兩部分組成，且與正應(yīng)力分組成，且與正應(yīng)力成直線正比關(guān)系。成直線正比關(guān)系。 tgc 其中：其中： 抗剪強度；抗剪強度； 正應(yīng)力（法向應(yīng)力）正應(yīng)力（法向應(yīng)力） 內(nèi)摩擦角內(nèi)摩擦角（） ； C內(nèi)聚力（內(nèi)聚力（MPa） tg 內(nèi)摩擦力；內(nèi)摩擦力；

19、 f =tg內(nèi)摩擦系數(shù)內(nèi)摩擦系數(shù) 從庫侖定律可以看從庫侖定律可以看出，土的抗剪強度出，土的抗剪強度隨正應(yīng)力隨正應(yīng)力的變化而變化，并不的變化而變化，并不是一個常數(shù)，因此，不能將它作為表征土的抗剪是一個常數(shù)，因此，不能將它作為表征土的抗剪能力的指標。但對一定的土而言，能力的指標。但對一定的土而言，內(nèi)摩擦角內(nèi)摩擦角和和內(nèi)內(nèi)聚力聚力C是常數(shù)，它們僅僅決定于土的內(nèi)在特點，故是常數(shù)，它們僅僅決定于土的內(nèi)在特點，故可用可用 和和C表征土的抗剪性能，并稱之為土的抗剪表征土的抗剪性能，并稱之為土的抗剪強度參數(shù)（或強度參數(shù)（或抗剪強度指標抗剪強度指標）。）。土的抗剪強度參數(shù)土的抗剪強度參數(shù) tgc P35表表3-

20、2、3-3第三節(jié)第三節(jié) 土的擊實性土的擊實性 土是土壩、路堤、機場等的建筑材料。經(jīng)過挖掘、搬運土是土壩、路堤、機場等的建筑材料。經(jīng)過挖掘、搬運后，原始結(jié)構(gòu)遭到破壞，抗剪強度降低，壓縮性大，且不均后，原始結(jié)構(gòu)遭到破壞，抗剪強度降低，壓縮性大，且不均勻。必須用夯實或碾壓等方法使填土密實，使土的勻。必須用夯實或碾壓等方法使填土密實，使土的密度增大，密度增大，透水性降低，變形性減小，強度增高。透水性降低，變形性減小，強度增高。一、土的擊實性一、土的擊實性 土在短期荷載的反復(fù)作用（土在短期荷載的反復(fù)作用（ 碾壓碾壓、振動荷載及振動荷載及夯擊荷載夯擊荷載）下，發(fā)生體積的縮小和密度的增大，這）下，發(fā)生體積的

21、縮小和密度的增大，這種性質(zhì)稱為土的種性質(zhì)稱為土的擊實性擊實性。 教材教材P P3737、242242澳澳門門機機場場砂砂基基振振沖沖強夯法處理地基強夯法處理地基目前，目前，擊實試驗擊實試驗是研究土的擊實性是研究土的擊實性的常用方法，確定的常用方法，確定在什么樣的情況（在什么樣的情況（含水率、擊實功等含水率、擊實功等）下，才能使填土）下，才能使填土達到最好的擊實效達到最好的擊實效果。果。二、土的擊實試驗及資料整理二、土的擊實試驗及資料整理 d（g/cm3）d d/（1W） W op 18.33d max 1.64 g/cm3最優(yōu)含水率最優(yōu)含水率某一種土，在某一擊實功的作某一種土，在某一擊實功的作

22、用下，只有在用下，只有在某一含水率某一含水率 時，土的干密度才能達時，土的干密度才能達到最大值，即取得最佳的擊實效果，這一含水率到最大值，即取得最佳的擊實效果，這一含水率稱為稱為最優(yōu)含水率。最優(yōu)含水率。 土的干密度與含水率關(guān)系曲線土的干密度與含水率關(guān)系曲線干密度與含水率關(guān)系分析干密度與含水率關(guān)系分析ua. 土的土的含水率較?。ê瘦^?。╓Wop ）時，土粒周圍的時，土粒周圍的結(jié)合水膜較薄，聯(lián)結(jié)較牢固，土粒不易移動，即不結(jié)合水膜較薄，聯(lián)結(jié)較牢固，土粒不易移動，即不易被擊實；易被擊實；ub. 土的土的含水率較大（含水率較大（WWop ）時，土粒周圍的時，土粒周圍的結(jié)合水膜較厚，雖然土粒易于移動，但多余的水不結(jié)合水膜較厚，雖然土粒易于移動，但多余的水不易排出土體，土也不易被擊實；易排出土體，土也不易被擊實；uc. 土的含水率等于土的含水率等于最優(yōu)含水率最優(yōu)含水率（WWop ）時，時，土粒周圍的結(jié)合水膜厚度適中，土粒聯(lián)結(jié)較弱，又土粒周圍的結(jié)合水膜厚度適中，土粒聯(lián)結(jié)較弱，又不存在多余的水分，故易于被擊實，達到不存在多余的水分，故易于被擊實，達到最大干密最大干密度。度。三、土的擊實性的工程應(yīng)用三、土的擊實性的工程應(yīng)用 道路、機場地基的處理，常采用振動壓道路、機場地基的處理，常采用振動壓密的方法，提高地基土的強度，降低地基土密的方法，提高地基土的