工程地質學-第四章 土的力學性質

第四章土的力學性質中國地質大學（武漢）工程學院工程地質學EngneeringGeology2024/1/2中國地質大學工程學院賈洪彪2土中一點的應力狀態(tài)2024/1/2中國地質大學工程學院3土的力學性質是指土在外力作用下所表現(xiàn)的性質，主要包括土的壓縮性、抗剪性，其次為在動荷載作用下所表現(xiàn)的一些性質。土的力學性質說明了土抵抗外力變形和破壞的能力。土的力學性質主要取決于土的物質組成、結構和構造特點，還與受力條件有關。當土體作為建筑物地基時，在荷重作用下就會產生壓縮變形，從而引起建筑物基礎的沉降，當沉降量過大或產生不均勻沉降時，可能影響建筑物的正常使用，甚至引起建筑物開裂或倒塌。第四章土的力學性質當土中剪應力超過土的抗剪強度時，則土中一部分會相對另一部分發(fā)生滑動，從而危及建筑物安全。土的力學性質對建筑物的安全、經濟、正常使用影響最大。并且土的物理性質對建筑物的影響，是通過力學性質的變化反映出來的。在土的力學性質中，最主要和最有實際意義的是土的壓縮性和抗剪性。2024/1/2中國地質大學工程學院賈洪彪42024/1/2中國地質大學工程學院5第一節(jié)土的壓縮性一、土壓縮變形的特點與機理土的壓縮性是指土在壓力作用下發(fā)生壓縮變形，體積縮小的性能。土體的壓縮變形實際上是孔隙壓縮、孔隙比變小所造成的。工程實踐證明，在一般建筑物荷重作用下，土粒和水的壓縮量極小，不及土體壓縮量的1/400，通常認為是不可壓縮的，氣體的壓縮較強。在自然界中土處于開放系統(tǒng)，空隙中的水和氣體在壓力作用下不可能被壓縮，而是被擠出。所以土的壓縮變形主要是由于空隙中的水分和氣體被擠出，土的顆粒相互移動靠攏，空隙體積減少而引起的。開始時變形速度較大，隨后隨顆粒間接觸點的增加，變形逐漸減弱。對飽和土而言，空隙全被水充滿，土的壓縮主要是由孔隙中的水被擠出、空隙體積縮小所致，壓縮過程同排水過程一致。壓縮結果使土密度增高，含水率降低。非飽水土的壓縮，首先是氣體外逸，隨時間的延續(xù)，土的飽和度逐漸增大，當氣體全部排出土達到飽和狀態(tài)后，其壓縮過程與飽和土相同?？紫端懦?，土的壓縮隨時間而增長的過程，稱為土的固結。2024/1/2中國地質大學工程學院賈洪彪6二、壓縮試驗與壓縮定律土的壓縮試驗是取土樣放入壓縮儀內進行試驗，壓縮儀的構造如下圖。由于土樣受到環(huán)刀和護環(huán)等剛性護壁的約束。在壓縮過程中只能發(fā)生豎向壓縮，不可能發(fā)生側向膨脹，故又叫側限壓縮試驗。2024/1/2中國地質大學工程學院賈洪彪72024/1/2中國地質大學工程學院8側限壓縮試驗（一）壓縮試驗2024/1/2中國地質大學工程學院賈洪彪9施加荷載，靜置至變形穩(wěn)定逐級加大荷載百分表加壓上蓋試樣透水石護環(huán)環(huán)刀壓縮容器

側限壓縮試驗P1s1e1e0ptest

測定：

軸向壓縮應力

軸向壓縮變形P2s2e2P3s3e32024/1/2中國地質大學工程學院10通過試驗，求得在各級壓力Pi作用下，土樣壓縮穩(wěn)定之后相應的空隙比ei，根據(jù)壓縮試驗數(shù)據(jù)，可繪制出e~P關系曲線，稱壓縮曲線。如圖。壓縮曲線是室內壓縮實驗的成果，它是土的孔隙比e與所受壓力P的關系曲線。土的壓縮曲線的形狀是先陡后緩，開始加壓時，首先是接觸不穩(wěn)定的土粒發(fā)生位移，空隙體積減少得很快，故曲線的斜率較大；隨壓力的增大，主要是空隙中水和氣體的擠出，且空隙的體積也逐漸變??；當水和氣體不再擠出時，土的壓縮逐漸停止，曲線也逐漸趨于平緩。2024/1/2中國地質大學工程學院賈洪彪112024/1/2中國地質大學工程學院12壓縮性曲線的形狀與土樣的成分、結構狀態(tài)及受力歷史等有關。壓縮性不同的土，其e-p曲線的形狀不同。曲線愈陡，說明壓力增加時孔隙比減小得多，土易變形，壓縮性愈高；若曲線平緩，則土的壓縮性低。故壓縮曲線的形狀可大致說明土的壓縮性的高低。2024/1/2中國地質大學工程學院13壓縮定律（壓密定律）：在壓力范圍不大時，孔隙比的減小值與壓力的增加值成正比。（二）壓縮定律1.壓縮系數(shù)2024/1/2中國地質大學工程學院142024/1/2中國地質大學工程學院152、壓縮模量壓縮模量指土在側限壓縮條件下豎向附加壓應力與應變增量之比，單位為MPa。2024/1/2中國地質大學工程學院16三、變形模量變形模量指土在無側限條件下附加壓應力與壓縮應變之比。單位為MPa。載荷試驗：在保持地基土天然應力和結構狀態(tài)下，模擬建筑物荷載條件，通過一定面積的承壓板向地基施加垂直荷載，研究地基土變形和強度規(guī)律的一種原位試驗。

2024/1/2中國地質大學工程學院17壓縮模量指土在側限壓縮條件下豎向附加壓應力與應變增量之比。變形模量指土在無側限條件下附加壓應力與壓縮應變之比。變形模量與壓縮模量的關系2024/1/2中國地質大學工程學院18四、土的前期固結壓力固結是指土體在建筑物荷重或自重壓力及其它應力作用下，其變形隨時間發(fā)展至完全穩(wěn)定的全過程。因此固結是時間的函數(shù)。前期固結壓力(pc)是指土層在過去歷史上曾經受過的最大固結壓力。土經過長期所謂自然地質作用，形成了目前上覆土層的情況。如目前土層所受的上覆土層的自重壓力為，并將pc與p0比值稱超固結比，用OCR表示，即可把土層分為三種不同的固結狀態(tài)：1.，即OCR=1，稱正常固結土，是指目前土層的自重壓力就是該地層在歷史上所受過的最大固結壓力。即土層的固結一直隨土層的自然沉積物相應發(fā)生，在固結固結過程中沒有受到過侵蝕或其它卸荷作用，對一般正常沉積且在自重壓力下完全固結的土層，均處于正常壓密狀態(tài)。2.，即OCR>1，稱超固結土，是指土層歷史上曾受過的固結壓力大于現(xiàn)有的自重壓力，即土層在歷史上曾有過相當厚的沉積物，后來由于侵蝕、沖刷等卸荷作用，或由于古老建筑的拆毀，使土層原有的密度超過現(xiàn)有的與自重壓力相對應的密度，而形成超壓密狀態(tài)。3.

,即OCR<1，稱欠固結土，即土層在自重壓力下尚未完成固結。新近沉積的土層，如淤泥、沖積土等處于欠壓密狀態(tài)。2024/1/2中國地質大學工程學院賈洪彪192024/1/2中國地質大學工程學院20根據(jù)前期固結壓力劃分三類沉積土層OCR=1正常固結土OCR>1超固結土OCR<1欠固結土2024/1/2中國地質大學工程學院21五、前期固結壓力的確定ep(log)CD在e-logp曲線上，找出曲率最大點m作水平線m1作m點切線m2作m1,m2的角分線m3m3與試驗曲線的直線段交于點BB點對應于先期固結壓力pcmrmin123

pCasagrande法AB第二節(jié)土的抗剪性一、土的抗剪強度土的抗剪強度指土體抵抗剪切破壞的極限強度（或能力）。其數(shù)值等于剪切破壞時滑動面上的剪應力。土體破壞時的應力組合關系稱為破壞準則。2024/1/2中國地質大學工程學院23二、土的抗剪強度機理1、摩擦強度（摩擦力）包括滑動摩擦和咬合摩擦滑動摩擦由顆粒間接觸面粗糙不平所引起。咬合摩擦是指相鄰顆粒對于相對移動的約束作用。摩擦強度的影響因素有：顆粒形狀、礦物成分、

粒徑級配、密度等。2、粘聚強度（粘聚力）取決于土粒間的各種膠結作用和靜電引力。2024/1/2中國地質大學工程學院24直剪試驗：土的室內剪切試驗分為直接剪切和三軸剪切試驗兩類。最常用的是直剪實驗方法，是將土樣放在上、下兩部分可以錯動的金屬盒內，將上盒固定，下盒可沿可沿水平方向滑動（見圖）。

二、土的直剪試驗與庫倫定律2024/1/2中國地質大學工程學院25粗粒土（砂土）:τf=σtg

細粒土（粘性土）:τf=c+σtg

式中：τf為土的抗剪強度，MPa;σ為剪切面上的法向應力，MPa；c和φ為抗剪強度指標(抗剪強度參數(shù))c-土的粘聚力，MPa；

-土的內摩擦角;tg

為土的內摩擦系數(shù)上述方程是法國學者庫倫(Coulomb)1773年提出的，一般稱庫侖公式，它反映了土的抗剪性的基本規(guī)律，所以又稱庫侖定律。庫倫定律三、土的三軸試驗該方法首先是將用橡皮膜包裹著的圓柱形試樣置于密閉容器中（圖），通過液體加壓，使試樣在三個軸受到相同的圍壓，然后通過活塞桿在試樣頂面上加壓，試樣中產生剪應力，隨著垂直壓應力的的增大，剪應力隨著增大，之至土樣被剪壞。2024/1/2中國地質大學工程學院賈洪彪262024/1/2中國地質大學工程學院272024/1/2中國地質大學工程學院28

3

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1=3+1

1=3+1三軸試驗原理2024/1/2中國地質大學工程學院29第三節(jié)土的壓實性土的壓實是指土體在壓實能量作用下，土顆?？朔ｉg阻力，產生位移，使土中孔隙減小，密度增加，強度增高，變形減少，透水性降低。一、細粒土的壓實性最優(yōu)含水量：在擊實曲線中，峰值干密度對應的含水量。最大干密度:在擊實曲線上的干密度的峰值。1