高等土力學基本概念與原理

高等土力學第一章：基本概念與原理土力學的基本概念土力學：利用力學的一般原理,研究土的物理,化學和力學性質(zhì)及土體在荷載,水,溫度等外界因素作用下的工程性質(zhì),包括土的應力,變形,強度,穩(wěn)定和土與結(jié)構(gòu)物相互作用等規(guī)律的一個力學分支。土力學的發(fā)展簡史土力學是一門既古老、又新興的學科，人類很早就懂得廣泛利用土進行工程建設(shè)（我國的長城、南北大運河）直到十八世紀中葉，人類對土在工程建設(shè)方面的特性，尚停留在感性認識階段。土力學的發(fā)展簡史十八世紀產(chǎn)業(yè)革命后，提出了大量與土力學有關(guān)的問題和不少成功的經(jīng)驗，特別是一些工程事故的教訓，迫切促使人們?nèi)で罄碚摰慕忉?，并要求永通過實踐檢驗的理論來直到以后的工程實踐。筑城學（歐洲）墻后土壓力問題鐵路、公路、水利工程土坡穩(wěn)定問題半經(jīng)驗分析階段土力學的發(fā)展簡史二十世紀，隨著土建規(guī)模的擴大，促使人們?nèi)娴叵到y(tǒng)地對土的力學性質(zhì)作理論和實踐研究，科學技術(shù)不斷發(fā)展，世界不少國家分分成立專門土力學研究機構(gòu)，重點研究。十八世紀二十年代，著名的土力學家太沙基的土力學專著《土力學》問世，標志著土力學作為一門獨立的較系統(tǒng)而完整的學科，自1936年以來，已召開了十一屆國際土力學和基礎(chǔ)工程學術(shù)會議。近四十年來，由于尖端科學、生產(chǎn)發(fā)展的需要，土力學的研究領(lǐng)域又有了明顯的擴大土動力學、凍土力學、海洋土力學、月球土力學同時巖石力學也已與土力學分離而單獨稱為一門學科。1.1土體的基本特征上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)、地基示意圖研究對象：土

土的性狀變化很大，土力學理論依靠較多的簡化假設(shè)，因此在處理工程中的土力學問題時，不能單憑數(shù)學和力學的方法，我們同時需要室內(nèi)和野外的測試手段，實地觀察和經(jīng)驗判斷。土的概念：在土木工程領(lǐng)域，土是指覆蓋在地表的沒有膠結(jié)和弱膠結(jié)的顆粒堆積物，土與巖石的區(qū)分僅在于顆粒膠結(jié)的強弱，所以，有時也會遇到難以區(qū)分的情況。

土的來源土根據(jù)來源可分為無機土：巖石風化天然土土是巖石風化的產(chǎn)物有機土：腐殖土，由植物完全或部分分解的堆積物具有高壓縮性、低強度，為不良建筑物地基風化：物理風化：溫度應力巖石開裂水的凍脹裂縫張開巖石開裂波浪沖擊地震風沙礫沖擊巖石破裂化學風化：巖石與空氣、水和各種溶液相接觸經(jīng)氧化炭化作用分解成細小的顆粒致使巖石的礦物成分發(fā)生變化水化在自然界，物理風化和化學風化是同時或交替進行的，所以任何一種天然土通常既是物理風化的產(chǎn)物，又是化學風化的產(chǎn)物。土的種類殘積土：巖石風化后仍然留在原地的堆積物。殘積土的厚度和風化程度主要取決于氣候條件和暴露時間，其明顯特征是顆粒多為角粒，且母巖種類對殘積土的性質(zhì)有顯著影響。(優(yōu)良母巖、質(zhì)地不良母巖)運積土：經(jīng)流水、風和冰川等動力搬運離開產(chǎn)地的堆積物?？煞譃楹恿鬟\積土風積土冰川沉積土沼澤土（腐植土）河流沉積積土水沖積形形成的，，上游顆顆粒粗，，下游顆顆粒細，，故：上游：強強透水，，引起滲滲漏和滲滲透變形形問題下游：地地基土的的高壓縮縮性和低低強度引引起的基基礎(chǔ)沉降降和穩(wěn)定定問題，，同時要要考慮滲滲透變形形問題風積土黃土典型特點點：濕陷陷性，所所謂濕陷陷性指黃黃土未浸浸水時，，含水率率低，一一般10%左右，仍仍能維持持陡壁或或承受較較大的建建筑物荷荷載，可可一旦濕濕水，其其膠結(jié)強強度會迅迅速降低低，會在在自重或或建筑物物荷載下下劇烈下下沉，黃黃土的這這種性質(zhì)質(zhì)稱為濕濕陷性。。冰川沉積積土未經(jīng)水流流搬運，，直接從從冰層中中擱置下下來的冰冰磧土。。其特點是是：不成成層，性性質(zhì)一般般不均勻勻，可作作為土石石壩的不不透水材材料，而而化學膠膠結(jié)的冰冰磧土具具有很高高的密實實性，常常常是極極好的建建筑物地地基。冰水沖積積土：由由冰川融融化水搬搬運、堆堆積在冰冰層外圍圍的沖積積土，具具有與河河流沖積積土類似似的性質(zhì)質(zhì)，是優(yōu)優(yōu)良的透透水材料料和混凝凝土骨料料風積土（（黃土高高原風成成學說））雅丹地貌貌（風蝕蝕作用形形成）物理風化化物理風化化風的作用用水的作用用化學風化化化學風化化天然地質(zhì)質(zhì)體土的物理力學學性質(zhì)隨隨母巖種種類,形成過程程等不同而不不同；土的物理理力學性性質(zhì)隨環(huán)環(huán)境條件件(溫度,濕度,水分,壓力等)不同而不不同。人工土體體：人為為控制土土的結(jié)構(gòu)構(gòu)與組成成天然土體體：自然然形成土體與結(jié)結(jié)構(gòu)不確定性性：土的的物理力學學性質(zhì)隨隨母巖種種類,形成過程程等不同而不不同；不均勻性性：具有有明顯的的空間變變異性；；易變性：：土的物物理力學學性質(zhì)隨隨環(huán)境條條件(溫度,濕度,水分,壓力等)不同而不不同；多相性：：由固相相、液相相、氣相相組成。。固體礦物物顆粒（固相））土中氣體體（氣相））土中水（液相））土的組成成土的固體體顆粒是是土的三三相組成成中的主主體，是是決定土土的工程程性質(zhì)的的主要成成分。土體與巖巖體連續(xù)性：：土體看看成為連連續(xù)介質(zhì)質(zhì)，巖石石常認為為是不連連續(xù)介質(zhì)質(zhì)；滲透性：：土體一一般無明明顯的方方向性，，巖石具具有明顯顯的方向向性；破壞機理理：土體體內(nèi)部對對土顆粒粒的約束束較弱，，巖石內(nèi)內(nèi)部的膠膠結(jié)能力力較強，，一般沿沿不連續(xù)續(xù)面發(fā)生生破壞。。土體的材材料性質(zhì)質(zhì)土體作為為結(jié)構(gòu)材材料與力力學介質(zhì)質(zhì)，具有有多相性、易碎性、變異性，土的力學性性質(zhì)取決于地質(zhì)成因、物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)特征。影響因素多，，影響因素之之間的相互作作用，根據(jù)土土的組成與結(jié)結(jié)構(gòu)進行完全全的定量分析析是困難的，，需要借助工工程經(jīng)驗、實實驗等手段進進行分析。1.2土的結(jié)構(gòu)與組組成土的固體顆粒粒非粘土礦物顆顆粒：土中的原生生礦物以石英英為主，含有有少量長石、、云母等。粘土礦物顆粒粒：次生礦物物的主要組成成部分，最常常見的是高嶺石、伊利石、蒙脫石，基本單元為為硅氧四面體體、鋁氫氧八八面體。粘粒粉粒砂粒圓粒碎石塊石0.0050.075260200巨粒粗粒細粒粒組的概念：：工程上將大大小，性質(zhì)相相近的土粒合合并為一組，，稱粒組，其其分界尺寸稱稱界限粒徑。。土粒粒度與粒粒組砂粒硅氧四面體硅硅氧晶片鋁氫氧八面體體鋁鋁氫氧氧晶片沿平面展布晶胞（結(jié)構(gòu)單單元）片狀粘土礦物物相互疊合1：1型2：1型組合蒙脫石伊利石高嶺石礦物類型結(jié)構(gòu)類型晶胞厚度(A)比表面積(m2/g)高嶺石1：17.210~20伊利石2：11080~100蒙脫石2：114800主要粘土礦物物的性質(zhì)土顆粒與孔隙隙水液態(tài)水結(jié)合水自由水強結(jié)合水弱結(jié)合水不能傳遞靜水水壓力重力水毛細水能傳遞靜水壓壓力結(jié)合水：指由電分子引引力吸附于土土粒表面成薄薄膜狀的水。。根據(jù)受電場場作用力的大大小及離顆粒粒表面遠近，，又可以分成成強結(jié)合水和弱結(jié)合水兩類?！鶑娊Y(jié)合水：緊靠于顆粒表表面、所受電電場的作用力力很大、幾乎乎完全固定排排列、喪失液液體的特性而而接近于固體體，冰點遠低低于0℃，密度比自由由水的大，在在案105℃以上時才可被被蒸發(fā)；※弱結(jié)合水：緊靠強結(jié)合水水的外圍形成成的結(jié)合水膜膜，所受的電電場作用力隨隨著與顆粒距距離增大而減減弱。是一種種粘滯水膜，，可因電場引引力從一個土土粒周圍轉(zhuǎn)移移到另一個土土粒周圍。即即弱結(jié)合水膜膜能發(fā)生變形形，但不因重重力作用而流流動。弱結(jié)合合水的存在是是粘性土在某某一含水量范范圍內(nèi)表現(xiàn)出出可塑性的原原因。結(jié)合水示意圖圖土顆粒自由水弱結(jié)合水強結(jié)合水結(jié)合水存于孔隙中粘粒表面的擴擴散雙電層負電荷顆粒表面擴散層固定層土的微觀結(jié)構(gòu)構(gòu)特征結(jié)構(gòu)形式粗粒土：單粒結(jié)構(gòu)、蜂窩結(jié)構(gòu)松散狀態(tài)密實狀態(tài)粉土：蜂窩結(jié)構(gòu)粘性土：絮狀結(jié)構(gòu)顆粒級配不均勻系數(shù)d60—限定粒徑d10—有效粒徑d30—中值粒徑曲率系數(shù)級配評定孔隙分布土的孔隙結(jié)構(gòu)構(gòu)——不同大小的孔孔隙所占比例例的分布情況況d：孔隙直徑；；p(d)：大于d的孔隙體積百百分含量；V：大于d的孔隙體積；；Vz：總孔隙體積積?？讖椒植记€線1.3連續(xù)介質(zhì)力學學原理基本假定連續(xù)性假定——土體為連續(xù)介介質(zhì)。物質(zhì)點無孔隙隙地分布于物物體所占的空空間物體在變形過過程中仍保持持連續(xù)性均勻性假定——物體內(nèi)各點的的物理力學性性質(zhì)相同。各向同性假定定——材料性質(zhì)與方方向無關(guān)小變形假定——物