工程地质学--第四章-土的力学性质

第四章土的力学性质中国地质大学（武汉）工程学院工程地质学EngneeringGeology工程地质学概论:第四章土的力学性质2020/3/8中国地质大学工程学院贾洪彪22sin212cos2121mn313131平面上的应力解根据隔离体上静力平衡)0,21(213131圆心：半径莫尔应力圆的土中一点的应力状态工程地质学概论:第四章土的力学性质2020/3/8中国地质大学工程学院3•土的力学性质是指土在外力作用下所表现的性质，主要包括土的压缩性、抗剪性，其次为在动荷载作用下所表现的一些性质。土的力学性质说明了土抵抗外力变形和破坏的能力。•土的力学性质主要取决于土的物质组成、结构和构造特点，还与受力条件有关。•当土体作为建筑物地基时，在荷重作用下就会产生压缩变形，从而引起建筑物基础的沉降，当沉降量过大或产生不均匀沉降时，可能影响建筑物的正常使用，甚至引起建筑物开裂或倒塌。第四章土的力学性质工程地质学概论:第四章土的力学性质•当土中剪应力超过土的抗剪强度时，则土中一部分会相对另一部分发生滑动，从而危及建筑物安全。•土的力学性质对建筑物的安全、经济、正常使用影响最大。并且土的物理性质对建筑物的影响，是通过力学性质的变化反映出来的。•在土的力学性质中，最主要和最有实际意义的是土的压缩性和抗剪性。2020/3/8中国地质大学工程学院贾洪彪4工程地质学概论:第四章土的力学性质2020/3/8中国地质大学工程学院5第一节土的压缩性一、土压缩变形的特点与机理土的压缩性是指土在压力作用下发生压缩变形，体积缩小的性能。土体的压缩变形实际上是孔隙压缩、孔隙比变小所造成的。工程实践证明，在一般建筑物荷重作用下，土粒和水的压缩量极小，不及土体压缩量的1/400，通常认为是不可压缩的，气体的压缩较强。在自然界中土处于开放系统，空隙中的水和气体在压力作用下不可能被压缩，而是被挤出。所以土的压缩变形主要是由于空隙中的水分和气体被挤出，土的颗粒相互移动靠拢，空隙体积减少而引起的。开始时变形速度较大，随后随颗粒间接触点的增加，变形逐渐减弱。工程地质学概论:第四章土的力学性质对饱和土而言，空隙全被水充满，土的压缩主要是由孔隙中的水被挤出、空隙体积缩小所致，压缩过程同排水过程一致。压缩结果使土密度增高，含水率降低。非饱水土的压缩，首先是气体外逸，随时间的延续，土的饱和度逐渐增大，当气体全部排出土达到饱和状态后，其压缩过程与饱和土相同。•孔隙水排出，土的压缩随时间而增长的过程，称为土的固结。2020/3/8中国地质大学工程学院贾洪彪6工程地质学概论:第四章土的力学性质二、压缩试验与压缩定律•土的压缩试验是取土样放入压缩仪内进行试验，压缩仪的构造如下图。由于土样受到环刀和护环等刚性护壁的约束。在压缩过程中只能发生竖向压缩，不可能发生侧向膨胀，故又叫侧限压缩试验。2020/3/8中国地质大学工程学院贾洪彪7工程地质学概论:第四章土的力学性质2020/3/8中国地质大学工程学院8侧限压缩试验（一）压缩试验图-1缩仪的压缩容器简图5压底座环刀荷载土样加压活塞刚性护环透水石工程地质学概论:第四章土的力学性质2020/3/8中国地质大学工程学院贾洪彪9•施加荷载，静置至变形稳定•逐级加大荷载百分表加压上盖试样透水石护环环刀压缩容器侧限压缩试验P1s1e1e0ptest测定：•轴向压缩应力•轴向压缩变形P2s2e2P3s3e3工程地质学概论:第四章土的力学性质2020/3/8中国地质大学工程学院100010101001000sv0110110011]1,1VVVe[1)(11ehheeeeehheVVVVVVehhAeAheAhAVsssss，则：整理，得：不变，受压前后工程地质学概论:第四章土的力学性质•通过试验，求得在各级压力Pi作用下，土样压缩稳定之后相应的空隙比ei，根据压缩试验数据，可绘制出e~P关系曲线，称压缩曲线。如图。压缩曲线是室内压缩实验的成果，它是土的孔隙比e与所受压力P的关系曲线。土的压缩曲线的形状是先陡后缓，开始加压时，首先是接触不稳定的土粒发生位移，空隙体积减少得很快，故曲线的斜率较大；随压力的增大，主要是空隙中水和气体的挤出，且空隙的体积也逐渐变小；当水和气体不再挤出时，土的压缩逐渐停止，曲线也逐渐趋于平缓。2020/3/8中国地质大学工程学院贾洪彪11工程地质学概论:第四章土的力学性质2020/3/8中国地质大学工程学院12•压缩性曲线的形状与土样的成分、结构状态及受力历史等有关。•压缩性不同的土，其e-p曲线的形状不同。曲线愈陡，说明压力增加时孔隙比减小得多，土易变形，压缩性愈高；若曲线平缓，则土的压缩性低。故压缩曲线的形状可大致说明土的压缩性的高低。工程地质学概论:第四章土的力学性质2020/3/8中国地质大学工程学院13压缩稳定后的孔隙比；相应于压缩稳定后的孔隙比；相应于；加应力之和应力与附相当于某深度处的自重；应力相当于某深度处的自重；单位为称为压缩系数式中压缩系数作用下的压缩性。就表示了相应于压力点切线斜率曲线上任一2211211-1221::][:][:MPa:--pepekPapkPapappeepeapape压缩定律（压密定律）：在压力范围不大时，孔隙比的减小值与压力的增加值成正比。（二）压缩定律1.压缩系数工程地质学概论:第四章土的力学性质2020/3/8中国地质大学工程学院141-2-11-2-11-1-2-121210.5≥5.0≤0.11.0200100MPaaMPaaMPaMPaaakPapkPap高压缩性土中等压缩性土低压缩性土的标准：来作为判断土的压缩性压缩系数时的到通常用压力间隔由工程地质学概论:第四章土的力学性质2020/3/8中国地质大学工程学院152、压缩模量压缩模量指土在侧限压缩条件下竖向附加压应力与应变增量之比，单位为MPa。zzsE工程地质学概论:第四章土的力学性质2020/3/8中国地质大学工程学院16三、变形模量•变形模量指土在无侧限条件下附加压应力与压缩应变之比。单位为MPa。•载荷试验：在保持地基土天然应力和结构状态下，模拟建筑物荷载条件，通过一定面积的承压板向地基施加垂直荷载，研究地基土变形和强度规律的一种原位试验。工程地质学概论:第四章土的力学性质2020/3/8中国地质大学工程学院17022021-121-121KEEEss压缩模量指土在侧限压缩条件下竖向附加压应力与应变增量之比。变形模量指土在无侧限条件下附加压应力与压缩应变之比。变形模量与压缩模量的关系的比值与竖向向侧限条件下受压时，侧土的侧压力系数的比值与竖向件下受压时，侧向（泊松比）：无侧限条土的侧膨胀系数:0K工程地质学概论:第四章土的力学性质2020/3/8中国地质大学工程学院18四、土的前期固结压力固结是指土体在建筑物荷重或自重压力及其它应力作用下，其变形随时间发展至完全稳定的全过程。因此固结是时间的函数。前期固结压力(pc)是指土层在过去历史上曾经受过的最大固结压力。土经过长期所谓自然地质作用，形成了目前上覆土层的情况。如目前土层所受的上覆土层的自重压力为，并将pc与p0比值称超固结比，用OCR表示，即0p0ppOCRc工程地质学概论:第四章土的力学性质可把土层分为三种不同的固结状态：•1.，即OCR=1，称正常固结土，是指目前土层的自重压力就是该地层在历史上所受过的最大固结压力。即土层的固结一直随土层的自然沉积物相应发生，在固结固结过程中没有受到过侵蚀或其它卸荷作用，对一般正常沉积且在自重压力下完全固结的土层，均处于正常压密状态。•2.，即OCR1，称超固结土，是指土层历史上曾受过的固结压力大于现有的自重压力，即土层在历史上曾有过相当厚的沉积物，后来由于侵蚀、冲刷等卸荷作用，或由于古老建筑的拆毁，使土层原有的密度超过现有的与自重压力相对应的密度，而形成超压密状态。•3.,即OCR1，称欠固结土，即土层在自重压力下尚未完成固结。新近沉积的土层，如淤泥、冲积土等处于欠压密状态。2020/3/8中国地质大学工程学院贾洪彪190ppc0ppc0ppc工程地质学概论:第四章土的力学性质2020/3/8中国地质大学工程学院20根据前期固结压力划分三类沉积土层OCR=1正常固结土OCR1超固结土OCR1欠固结土工程地质学概论:第四章土的力学性质2020/3/8中国地质大学工程学院21五、前期固结压力的确定ep(log)CD1.在e-logp曲线上，找出曲率最大点m2.作水平线m13.作m点切线m24.作m1,m2的角分线m35.m3与试验曲线的直线段交于点B6.B点对应于先期固结压力pcm123pCasagrande法AB工程地质学概论:第四章土的力学性质第二节土的抗剪性一、土的抗剪强度土的抗剪强度指土体抵抗剪切破坏的极限强度（或能力）。其数值等于剪切破坏时滑动面上的剪应力。土体破坏时的应力组合关系称为破坏准则。工程地质学概论:第四章土的力学性质2020/3/8中国地质大学工程学院23二、土的抗剪强度机理1、摩擦强度（摩擦力）包括滑动摩擦和咬合摩擦滑动摩擦由颗粒间接触面粗糙不平所引起。咬合摩擦是指相邻颗粒对于相对移动的约束作用。•摩擦强度的影响因素有：•颗粒形状、矿物成分、粒径级配、密度等。2、粘聚强度（粘聚力）取决于土粒间的各种胶结作用和静电引力。工程地质学概论:第四章土的力学性质2020/3/8中国地质大学工程学院24直剪试验：土的室内剪切试验分为直接剪切和三轴剪切试验两类。最常用的是直剪实验方法，是将土样放在上、下两部分可以错动的金属盒内，将上盒固定，下盒可沿可沿水平方向滑动（见图）。二、土的直剪试验与库伦定律工程地质学概论:第四章土的力学性质2020/3/8中国地质大学工程学院25•粗粒土（砂土）:τf=σtg•细粒土（粘性土）:τf=c+σtg•式中：τf为土的抗剪强度，MPa;σ为剪切面上的法向应力，MPa；c和φ为抗剪强度指标(抗剪强度参数)•c-土的粘聚力，MPa；-土的内摩擦角;tg为土的内摩擦系数•上述方程是法国学者库伦(Coulomb)1773年提出的，一般称库仑公式，它反映了土的抗剪性的基本规律，所以又称库仑定律。库伦定律工程地质学概论:第四章土的力学性质三、土的三轴试验•该方法首先是将用橡皮膜包裹着的圆柱形试样置于密闭容器中（图），通过液体加压，使试样在三个轴受到相同的围压，然后通过活塞杆在试样顶面上加压，试样中产生剪应力，随着垂直压应力的的增大，剪应力随着增大，之至土样被剪坏。2020/3/8中国地质大学工程学院贾洪彪263工程地质学概论:第四章土的力学性质2020/3/8中国地质大学工程学院27工程地质学概论:第四章土的力学性质2020/3/8中国地质大学工程学院28333331=3+11=3+1三轴试验原理工程地质学概论:第四章土的力学性质2020/3/8中国地质大学工程学院29第三节土的压实性•土的压实是指土体在压实能量作用下，土颗粒克服粒间阻力，产生位移，使土中孔隙减小，密度增加，强度增高，变形减少，透水性降低。一、细粒土的压实性最优含水量：在击实曲线中，峰值干密度对应的含水量。最大干密度:在击实曲线上的干密度的峰值。1.41.61.82.00481216202428含水量w（%）干密度ρd（g/cm3）饱和曲线86.1maxd1.12op图1-28含水量——干密度曲线工程地质学概论:第四章土的力学性质2020/3/8中国地质大学工程学院30•曲线表明，压实功能愈大，得到的最优含水量愈小，相应的最大干密度愈高•对于同一种土，最优含水量和最大干密度随压实功能而变化•含水量超过最优含水量以后，压实功能的影响随含水量的增加而逐渐减小。