土力學(xué) 土的形成

土的形成物理風(fēng)化原生礦物化學(xué)風(fēng)化次生礦物生物風(fēng)化動(dòng)植物活動(dòng)有機(jī)質(zhì)母巖表面和碎散的顆粒受環(huán)境因素的作用而改變其礦物的化學(xué)成分，形成新的礦物巖石和土的粗顆粒受各種氣候因素的影響產(chǎn)生脹縮而發(fā)生裂縫,或在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中因碰撞和摩擦而破碎沉積與搬運(yùn)殘積土無(wú)搬運(yùn)母巖表層經(jīng)風(fēng)化作用破碎成巖屑或細(xì)小顆粒后，未經(jīng)搬運(yùn)殘留在原地的堆積物運(yùn)積土有搬運(yùn)風(fēng)化所形成的土顆粒，受自然力的作用搬運(yùn)到遠(yuǎn)近不同的地點(diǎn)所沉積的堆積物土的基本特征

☆土是自然歷史的產(chǎn)物☆土是相系組合體☆土是分散體系☆土是多礦物組合體

三相組成

土粒水氣固相液相氣相決定作用重要影響次要作用固體+氣體

固體＋液體＋氣體

固體＋液體

干土

濕土

飽和土

干粘土較硬干砂松散

粘土多為可塑狀態(tài)

飽和粉細(xì)砂受震動(dòng)可能產(chǎn)生液化

礦物成分顆粒形狀粒徑級(jí)配物理狀態(tài)力學(xué)特性篩分法

水分法

粗顆粒細(xì)顆粒顆粒大小粒組

按粗細(xì)進(jìn)行分組，將粒徑接近的歸成一類(lèi)界限粒徑dmm卵石礫石砂粒粉粒粘粒膠粒6020.050.0050.0020.250.5520粗中細(xì)粗中細(xì)極細(xì)(?)粗粒土細(xì)粒土篩分法它是利用一套孔徑大小不同的篩子，將事先稱(chēng)過(guò)重量的烘干土樣過(guò)篩，稱(chēng)留在各篩上的重量，然后計(jì)算相應(yīng)的百分?jǐn)?shù)。

比重計(jì)法:利用不同大小的土粒在水中的()不同來(lái)確定小于某粒徑的土粒含量.顆粒粒徑級(jí)配曲線(xiàn):縱坐標(biāo)表示小于某粒徑的土粒含量百分比,橫坐標(biāo)表示土粒的粒徑(對(duì)數(shù)坐標(biāo)）粒徑級(jí)配粒徑級(jí)配累積曲線(xiàn)及指標(biāo)的用途：1）粒組含量用于土的分類(lèi)定名；2）不均勻系數(shù)Cu用于判定土的不均勻程度：

Cu≥5,不均勻土；Cu<5,均勻土3）曲率系數(shù)Cc用于判定土的連續(xù)程度：

Cc=1~

3,

級(jí)配連續(xù)土；Cc>3或Cc<1,

級(jí)配不連續(xù)土;4）不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc用于判定土的級(jí)配優(yōu)劣：

如果Cu≥5且

Cc=1~3，級(jí)配良好的土；如果Cu<5或Cc>3或Cc<1,級(jí)配不良的土原生礦物次生礦物有機(jī)質(zhì)不可溶的

可溶的

腐植質(zhì)

泥炭

粘土礦物

倍半氧化物

次生氧化物

難溶鹽中溶鹽易溶鹽礦物硅片的結(jié)構(gòu)鋁片的結(jié)構(gòu)蒙脫石高嶺石伊利石蒙脫石粘粒的帶電性質(zhì)研究表明：粘土顆粒的表面電荷，凈電荷通常為()電荷。顆粒形狀原生礦物

圓狀、渾圓狀、棱角狀次生礦物

針狀、片狀、扁平狀結(jié)合水液態(tài)水

固態(tài)水

氣態(tài)水

結(jié)合水

非結(jié)合水

強(qiáng)結(jié)合水

弱結(jié)合水

毛細(xì)水

重力水

毛細(xì)壓力毛細(xì)水孔隙水在水頭差作用下滲透：水透過(guò)土體孔隙的現(xiàn)象滲透性：土允許水透過(guò)的性能稱(chēng)為土的滲透性

造成水量損失，影響工程效益引起土體內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)的變化，從而改變水土建筑物或地基的穩(wěn)定條件，甚者還會(huì)釀成破壞事故一、達(dá)西定律1856年法國(guó)學(xué)者達(dá)西砂土的滲透性進(jìn)行研究結(jié)論：水在土中的滲透速度與試樣的水力梯度成正比v=ki達(dá)西定律水力梯度，即沿滲流方向單位距離的水頭損失

達(dá)西定律砂土的滲透速度與水力梯度呈線(xiàn)性關(guān)系

密實(shí)的粘土，需要克服結(jié)合水的粘滯阻力后才能發(fā)生滲透;同時(shí)滲透系數(shù)與水力坡降的規(guī)律還偏離達(dá)西定律而呈非線(xiàn)性關(guān)系

ib起始水力坡降虛直線(xiàn)簡(jiǎn)化達(dá)西定律適用于層流，不適用于紊流v=kiivO砂土0iv密實(shí)粘土影響滲透系數(shù)的因素1.土粒大小與級(jí)配

細(xì)粒含量愈多，土的滲透性愈小，例如砂土中粉粒及粘粒含量愈多時(shí)，砂土的滲透系數(shù)就會(huì)大大減小。

2.土的密實(shí)度

3.水的動(dòng)力粘滯系數(shù)

同種土在不同的密實(shí)狀態(tài)下具有不同的滲透系數(shù)，土的密實(shí)度增大，孔隙比降低，土的滲透性也減小。

動(dòng)力粘滯系數(shù)隨水溫發(fā)生明顯的變化。水溫愈高，水的動(dòng)力粘滯系數(shù)愈小，土的滲透系數(shù)則愈大。4.土中封閉氣體含量

土中封閉氣體阻塞滲流通道，使土的滲透系數(shù)降低。封閉氣體含量愈多，土的滲透性愈小。T、20分別為T(mén)℃和20℃時(shí)水的動(dòng)力粘滯系數(shù)，可查表滲透力滲流力的特征與計(jì)算滲透力具有以下特征：(1)滲透力是一種體積力，量綱為KN/m3(2)滲透力與水力坡降成正比j=i(3)滲透力方向與滲流方向一致。當(dāng)滲流場(chǎng)中各個(gè)網(wǎng)格的水力坡降ii求得后，應(yīng)用式j(luò)＝i可確定單位滲透力ji=i；網(wǎng)格總的滲透力Ji=jiaili；其方向與流向一致。整個(gè)流場(chǎng)的總滲透力矢量J即為各網(wǎng)格滲透力的矢量和。滲透變形管涌原因：內(nèi)因——

有足夠多的粗顆粒形成大于細(xì)粒直徑的孔隙外因——滲透力足夠大

在滲流作用下，一定級(jí)配的無(wú)粘性土中的細(xì)小顆粒，通過(guò)較大顆粒所形成的孔隙發(fā)生移動(dòng)，最終在土中形成與地表貫通的管道。管涌管涌破壞流砂土中氣體氣體來(lái)源氣體分類(lèi)(1)空氣

(2)生物化學(xué)作用

(3)化學(xué)反應(yīng)

(1)與大氣連通的氣體(2)與大氣不連通的氣體土的結(jié)構(gòu)土固體顆粒之間的相互排列和聯(lián)結(jié)，稱(chēng)為土的結(jié)構(gòu)。

單粒結(jié)構(gòu)

蜂窩結(jié)構(gòu)絮狀結(jié)構(gòu)

粗顆粒土，如卵石、砂等.密實(shí)的單粒結(jié)構(gòu)土的工程性質(zhì)最好

蜂窩狀土工程性質(zhì)較好

絮狀結(jié)構(gòu)土工程性質(zhì)最差

土的結(jié)構(gòu)土的物理性質(zhì)

土的物理性質(zhì)就是研究三相的質(zhì)量與體積間的相互比例關(guān)系以及固、液兩相相互作用表現(xiàn)出來(lái)的性質(zhì)。

WaterAirSoilma=0mwmsmVaVwVsVvV質(zhì)量體積土的水理性質(zhì)塑性

:物體在外力作用下，可被塑成任何形態(tài)，而整體性不破壞；即不產(chǎn)生裂隙

固態(tài)或半固態(tài)塑限ωP可塑狀態(tài)液限ωL流動(dòng)狀態(tài)0ωwVO半固態(tài)顆粒水Vs+VaVs固態(tài)可塑態(tài)液態(tài)wswPwL飽和粘性土的典型干縮曲線(xiàn)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度恢復(fù)結(jié)構(gòu)破壞結(jié)構(gòu)未破壞觸變性土的力學(xué)性質(zhì)力學(xué)性質(zhì)土的壓縮性

土的抗剪性

土的擊實(shí)性

壓縮變形的本質(zhì)壓縮性指標(biāo)抗剪性本質(zhì)抗剪強(qiáng)度與剪切定律擊實(shí)特性壓實(shí)本質(zhì)強(qiáng)度問(wèn)題變形問(wèn)題地基中的應(yīng)力狀態(tài)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系土力學(xué)中應(yīng)力符號(hào)的規(guī)定應(yīng)力狀態(tài)及應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系自重應(yīng)力附加應(yīng)力基底壓力計(jì)算有效應(yīng)力原理建筑物修建以后，建筑物重量等外荷載在地基中引起的應(yīng)力，所謂的“附加”是指在原來(lái)自重應(yīng)力基礎(chǔ)上增加的壓力。建筑物修建以前，地基中由土體本身的有效重量所產(chǎn)生的應(yīng)力。地基中的自重應(yīng)力計(jì)算

豎向自重應(yīng)力天然地面11zzσcz

σcz=

z

土體中任意深度處的豎向自重應(yīng)力等于單位面積上土柱的有效重量成層土的自重應(yīng)力計(jì)算說(shuō)明：1.地下水位以上土層采用天然重度，地下水位以下土判斷是否收到浮力作用2.非均質(zhì)土中自重應(yīng)力沿深度呈折線(xiàn)分布

天然地面h1h2h33

2

1

水位面1h1

1h1+2h2

1h1+2h2+3h3

地基中的自重應(yīng)力計(jì)算

水平向自重應(yīng)力天然地面z靜止側(cè)壓力系數(shù)地基中的自重應(yīng)力計(jì)算

基底壓力計(jì)算

一、中心荷載作用下的基底壓力若是條形基礎(chǔ)，F(xiàn),G取單位長(zhǎng)度基底面積計(jì)算G=

GAd取室內(nèi)外平均埋深計(jì)算基底壓力計(jì)算

二、偏心荷載作用下的基底壓力F+G

eelbpmaxpmin作用于基礎(chǔ)底面形心上的力矩M=(F+G)?e

基礎(chǔ)底面的抵抗矩；矩形截面W=bl2/6基底壓力計(jì)算

討論：當(dāng)e<l/6時(shí)，pmax，pmin>0，基底壓力呈梯形分布

當(dāng)e=l/6時(shí)，pmax>0，pmin=0，基底壓力呈三角形分布

當(dāng)e>l/6時(shí)，pmax>0，pmin<0，基底出現(xiàn)拉應(yīng)力，基底壓力重分布

pmaxpmine<l/6pmaxpmin=0e=l/6e>l/6pmaxpmin<0pmaxpmin=0基底壓力重分布有效應(yīng)力原理

有效應(yīng)力原理的基本概念（1）飽和土體內(nèi)任一平面上受到的總應(yīng)力可分為兩部分σ’和u。（2）土的變形與強(qiáng)度都只取決于有效應(yīng)力一般地，有效應(yīng)力總應(yīng)力已知或易知孔隙水壓測(cè)定或算定通常,土具有壓縮性荷載作用地基發(fā)生沉降荷載大小土的壓縮特性地基在外荷載作用下的變形特性一致沉降（沉降量）差異沉降（沉降差）建筑物上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加應(yīng)力影響結(jié)構(gòu)物的安全和正常使用土的特點(diǎn)（碎散、三相）沉降具有時(shí)間效應(yīng)－沉降速率e0eppee-p曲線(xiàn)壓縮性指標(biāo)壓縮性不同的土，曲線(xiàn)形狀不同，曲線(xiàn)愈陡，說(shuō)明在相同壓力增量作用下，土的孔隙比減少得愈顯著，土的壓縮性愈高根據(jù)壓縮曲線(xiàn)可以得到三個(gè)壓縮性指標(biāo)1.壓縮系數(shù)a2.壓縮模量Es

3.變形模量E0曲線(xiàn)A曲線(xiàn)B曲線(xiàn)A壓縮性（）曲線(xiàn)B壓縮性地基沉降量計(jì)算基本假定和基本原理理論上不夠完備，缺乏統(tǒng)一理論；單向壓縮分層總和法是一個(gè)半徑驗(yàn)性方法。地基最終沉降量分層總和法（a）假設(shè)基底壓力為線(xiàn)性分布（b）附加應(yīng)力用彈性理論計(jì)算（c）只發(fā)生單向沉降：側(cè)限應(yīng)力狀態(tài)（d）只計(jì)算固結(jié)沉降，不計(jì)瞬時(shí)沉降和次固結(jié)沉降（e）將地基分成若干層，認(rèn)為整個(gè)地基的最終沉降量為各層沉降量之和：土的應(yīng)力歷史對(duì)土的壓縮性的影響土的應(yīng)力歷史：土體在歷史上曾經(jīng)受到過(guò)的應(yīng)力狀態(tài)先期固結(jié)壓力pc

：土在其生成歷史中曾受過(guò)的最大有效固結(jié)壓力討論：對(duì)試樣施加壓力p時(shí)，壓縮曲線(xiàn)形狀p<pc再壓曲線(xiàn)，曲線(xiàn)平緩p>pc正常壓縮曲線(xiàn)，斜率陡，土體壓縮量大

土層的先期固結(jié)壓力對(duì)其固結(jié)程度和壓縮性有明顯的影響，用先期固結(jié)壓力pc與現(xiàn)時(shí)的土壓力p0的比值描述土層的應(yīng)力歷史，將粘性土進(jìn)行分類(lèi)①確定先期固結(jié)壓力σp②過(guò)e0

作水平線(xiàn)與σp作用線(xiàn)交于B。由假定①知，B點(diǎn)必然位于原狀土的初始?jí)嚎s曲線(xiàn)上；③以0.42e0

在壓縮曲線(xiàn)上確定C點(diǎn)，由假定②知，C點(diǎn)也位于原狀土的初始?jí)嚎s曲線(xiàn)上；土樣取出以后e不變，等于原狀土的初始孔隙比e0，因而，（e0,σp）點(diǎn)應(yīng)位于原狀土的初始?jí)嚎s曲線(xiàn)上；②0.42e0時(shí)，土樣不受到擾動(dòng)影響。假定：推定：原位壓縮曲線(xiàn)的近似推求④通過(guò)B、C兩點(diǎn)的直線(xiàn)即為所求的位壓縮曲線(xiàn)。土的抗剪強(qiáng)度：土體抵抗剪切破壞的極限能力

剪切面（剪切帶）：土體剪切破壞是沿某一面發(fā)生與剪切方向一致的相對(duì)位移，這個(gè)面通常稱(chēng)為剪切面?？辜魪?qiáng)度的基本理論庫(kù)侖定律（剪切定律）1776年，庫(kù)侖根據(jù)砂土剪切試驗(yàn)f=tan砂土f=c+tan粘土c庫(kù)侖定律：土的抗剪強(qiáng)度是剪切面上的法向總應(yīng)力

的線(xiàn)性函數(shù)c:土的粘聚力:土的內(nèi)摩擦角ff庫(kù)侖定律說(shuō)明：（1）土的抗剪強(qiáng)度由土的內(nèi)摩擦力tg和內(nèi)聚力c兩部分組成；（2）內(nèi)摩擦力與剪切面上的法向應(yīng)力成正比，其比值為土的內(nèi)摩擦系數(shù)tg；（3）表征抗剪強(qiáng)度指標(biāo)：土的內(nèi)摩擦角φ和內(nèi)聚力c。

莫爾～庫(kù)侖破壞標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力圓與強(qiáng)度線(xiàn)相離：

強(qiáng)度線(xiàn)應(yīng)力圓與強(qiáng)度線(xiàn)相切：應(yīng)力圓與強(qiáng)度線(xiàn)相割：極限應(yīng)力圓σ1<σ1f彈性平衡狀態(tài)

σ1=σ1f極限平衡狀態(tài)

σ1>σ1f破壞狀態(tài)

莫爾～庫(kù)侖破壞標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)應(yīng)力狀態(tài)計(jì)算出大小主應(yīng)力σ1、σ3判斷破壞可能性由σ3計(jì)算σ1f比較σ1與σ1fσ1<σ1f

彈性平衡狀態(tài)σ1=σ1f

極限平衡狀態(tài)σ1>σ1f

破壞狀態(tài)Oc1f311判別對(duì)象：土體微小單元（一點(diǎn)）當(dāng)3=常數(shù)：墻體位移與土壓力類(lèi)型被動(dòng)土壓力主動(dòng)土壓力靜止土壓力土壓力EoEaEp滑裂面三種土壓力之間的關(guān)系

+△-△Eo△a△pEaEoEp

對(duì)同一擋土墻，在填土的物理力學(xué)性質(zhì)相同的條件下有以下規(guī)律：1.Ea

＜Eo

＜＜Ep2.△p＞＞△a朗肯土壓力理論

基本原理pappfzK0zf=c+tan土體處于彈性平衡狀態(tài)主動(dòng)極限平衡狀態(tài)被動(dòng)極限平衡狀態(tài)水平方向均勻壓縮伸展壓縮主動(dòng)朗肯狀態(tài)被動(dòng)朗肯狀態(tài)水平方向均勻伸展處于主動(dòng)朗肯狀態(tài)，σ1方向豎直，剪切破壞面與豎直面夾角為45o-/245o-/245o＋/2處于被動(dòng)朗肯狀態(tài)，σ3方向豎直，剪切破壞面與豎直面夾角為45o＋/2分析方法庫(kù)侖土壓力理論

方法要點(diǎn)

滑面邊坡失穩(wěn)天然土坡人工土坡由于地質(zhì)作用而自然形成的土坡

在天然土體中開(kāi)挖或填筑而成的土坡山坡、江河岸坡路基、堤壩坡底坡腳坡角坡頂坡高土坡穩(wěn)定分析問(wèn)題基本規(guī)律與基本原理

粘性土坡穩(wěn)定性分析條分法條分法分析步驟IabcdiβiOCRABH1.按比例繪出土坡剖面

2.任選一圓心O，確定滑動(dòng)面，將滑動(dòng)面以上土體分成幾個(gè)等寬或不等寬土條

3.每個(gè)土條的受力分析

cdbaliXiPiXi+1Pi+1NiTiWi靜力平衡假設(shè)兩組合力(Pi，Xi)＝(Pi＋1，Xi＋1)

地基的變形和失穩(wěn)地基變形的三個(gè)階段

0sppcrpuabcp＜pcrpcr＜p＜pup≥pua.線(xiàn)性變形階段塑性變形區(qū)連續(xù)滑動(dòng)面oa段，荷載小，主要產(chǎn)生壓縮變形，荷載與沉降關(guān)系接近于直線(xiàn)，土中τ＜τf,地基處于彈性平衡狀態(tài)b.彈塑性變形階段ab段，荷載增加，荷載與沉降關(guān)系呈曲線(xiàn)，地基中局部產(chǎn)生剪切破壞，出現(xiàn)塑性變形區(qū)c.破壞階段bc段，塑性區(qū)擴(kuò)大，發(fā)展成連續(xù)滑動(dòng)面，荷載增加，沉降急劇變化

地基的變形和失穩(wěn)地基的破壞形式

地基開(kāi)始出現(xiàn)剪切破壞（即彈性變形階段轉(zhuǎn)變?yōu)閺椝苄宰冃坞A段）時(shí)，地基所承受的基地壓力稱(chēng)為