第三章土的力學(xué)性質(zhì)第一頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四第一節(jié)土的壓縮性一、土壓縮變形的特點(diǎn)與機(jī)理土的壓縮性是指土在壓力作用下體積壓縮變小的性能。土受壓后體積縮小是土中固、液、氣三相組成部分中的各部分體積減小的結(jié)果(主要是氣體、水分被擠出、土粒相互移動(dòng)靠攏的結(jié)果)。1.飽和土的壓縮過程：是孔隙水壓力消散的過程，砂土壓縮過程短，壓縮性??；細(xì)粒土壓縮過程較長，壓縮量較大。2.非飽和土壓縮過程：先排氣，再壓縮排出水分二、壓縮試驗(yàn)壓縮定律1.壓縮試驗(yàn)的分類：第二頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四試驗(yàn)方法：室內(nèi)壓縮試驗(yàn)現(xiàn)場載荷試驗(yàn)土被壓縮的條件：無側(cè)向膨脹(有側(cè)限)試驗(yàn)有側(cè)向膨脹(無側(cè)限)試驗(yàn)—是主要的試驗(yàn)方法2.室內(nèi)無側(cè)向膨脹壓縮試驗(yàn)的過程1).首先用金屬環(huán)刀切取土樣；2).然后將土樣連同環(huán)刀一起放入壓縮儀內(nèi)(由于土樣受環(huán)刀和護(hù)環(huán)等剛性護(hù)壁約束，在壓縮過程中只能發(fā)生豎向壓縮，不可能發(fā)生側(cè)向膨脹)。3).通過加荷裝置將壓力均勻地施加到土樣上，壓力由小到大逐級增加，每級壓力待壓縮穩(wěn)定后,再施加下一級壓力。第三頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四土的壓縮量可通過微表觀測，并據(jù)每級壓力下的穩(wěn)定變形量，計(jì)算出與各級壓力相應(yīng)的穩(wěn)定孔隙比。Ah0/(1+e0)=A(h0-△h1)/(1+e1)；e1=e0-△h1/h0(1+e0)其中：A-試樣的橫截面積；h0-土樣的原始高度；△h1=h0-h1h1-壓縮后土樣的高度；e0-原始孔隙比；e1-壓縮后的孔隙比第四頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四4).求的各級壓力Pi作用下，土樣壓縮性穩(wěn)定后相應(yīng)的孔隙比ei，以縱坐標(biāo)表示孔隙比e，橫坐標(biāo)表示壓力p，可繪制出孔隙比與壓力的關(guān)系曲線--壓縮曲線。3.壓縮系數(shù)在不同的應(yīng)力條件下，孔隙比變化與壓力變化比值。即：a=tgα=(e1-e2)/(p2-p1)----壓密定律壓密定律表明：在壓力變化范圍不大時(shí),孔隙比的變化(減小值)與壓力的變化(增加值)成正比。第五頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四a為壓縮系數(shù)(單位：Mpa-1)，它是表征土壓縮性大小的重要指標(biāo)。a愈大，說明土的壓縮變形量越大，以p1=0.1Mpa，p2=0.2Mpa時(shí)相對應(yīng)的壓縮系數(shù)a1-2作為判斷土的壓縮性標(biāo)準(zhǔn)。低壓縮性土a1-2<0.1Mpa-1

中壓縮性土0.1Mpa-1≤a1-2<0.5Mpa-1高壓縮性土a1-2≥0.5Mpa-1

4.壓縮模量(Es)它是指土在有側(cè)限條件受壓時(shí)，在受壓方向上的應(yīng)力σz與相應(yīng)的應(yīng)變?chǔ)舲之間的比值。第六頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四Es=σz/εz；Es=(P2-P1)(1+e1)/(e1-e2)=(1+e1)/a其中：σz=p2-p1；εz=△h/h=(e1-e2)/(1+e1)a-為壓力從p1到p2時(shí)壓縮系數(shù)；e1、e2-為壓力p1、p2時(shí)的孔隙比工程中以p1=0.1Mpa，p2=0.2Mpa相應(yīng)的Es評價(jià)土的壓縮性。低壓縮性土:Es>15Mpa中壓縮性土:4Mpa<Es≤15Mpa高壓縮性土:Es≤4Mpa第七頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四三、土的變形模量(E0)指土在無側(cè)限壓縮條件下，壓應(yīng)力與相應(yīng)的壓縮應(yīng)變的比值。它是通過現(xiàn)場載荷試驗(yàn)求得的壓縮性指標(biāo)。但由于載荷試驗(yàn)的諸多不便，故在一般情況下根據(jù)壓縮模量間接求得。E0=ES[1-2μ2/(1-μ)]；E0=ES[1-2ξ2/(1+ξ)]其中：μ和ξ(讀音截塔)分別為土的側(cè)膨脹系數(shù)和側(cè)壓力系數(shù)。第八頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四土側(cè)膨脹系數(shù)：指土在無側(cè)限條件受壓時(shí)側(cè)向應(yīng)變?chǔ)舩與豎向應(yīng)變?chǔ)舲的比值。μ=-εx/εz

側(cè)壓力系數(shù)：指在有側(cè)限條件下，豎向間壓力增加，引起側(cè)向壓力增加，此時(shí)的側(cè)壓力系數(shù)。ξ=σx/σz四、土的前期固體壓力是指土層在過去歷史上曾經(jīng)受過的最大固結(jié)壓力，通常用pc表示。如果目前土層所受的上覆土層的自重壓力為po，將pc與po進(jìn)行比較，可把天然土層分為三種不同的固結(jié)狀態(tài)：第九頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四1．pc＝po－稱正常固結(jié)土：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(jié)壓力。一般正常沉積且在自重壓力下固結(jié)的土層，均處于正常壓密狀態(tài)。2．pc＞po－稱超常固結(jié)土：指土層在過去歷史上曾受過的固結(jié)壓力大于現(xiàn)有土層的自重壓力。如土層的過去歷史上曾有過相當(dāng)厚的沉積物，而后來由于侵蝕、沖刷、冰川等卸荷作用，或由古老建筑物的拆毀、地下水位的長期變化以及土的干縮等作用，使土層原有的密度超過現(xiàn)有土的自重壓力相對應(yīng)的密度，而形成超壓密狀態(tài)。第十頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四3．pc＜po－稱欠固結(jié)土：即土層在自重壓力下尚未完成固結(jié)。如新近沉積的淤泥、充填土等均處于欠壓密狀態(tài).確定土的前期固結(jié)壓力的方法很多，但應(yīng)用較普遍的是卡薩格蘭德圖解法。第十一頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四在此曲線上找出pc。實(shí)際工程中，用超固結(jié)比R來表征土的天然壓密狀態(tài)。R=pc/p0

R=1正常壓密狀態(tài)；R>1超壓密狀態(tài)；R<1欠壓密狀態(tài)。第十二頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四第二節(jié)土的抗剪性土的抗剪性(抗剪強(qiáng)度)：指土抵抗剪切破壞的極限強(qiáng)度。它是研究土體穩(wěn)定性的一個(gè)極為重要的工程地質(zhì)性質(zhì)。土是由固體顆粒組成的，土粒間的連結(jié)強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于土粒本身的強(qiáng)度，故在剪應(yīng)力作用下，多數(shù)土體(如砂類土、細(xì)粒土)發(fā)生的剪切破壞，并不是土粒本身的破壞，而是土粒間發(fā)生相對錯(cuò)動(dòng)，引起土的一部分相對另一部分沿著某個(gè)面發(fā)生與剪切方向一致的滑動(dòng)。目前，研究土的抗剪強(qiáng)度的途徑，主要是模擬土剪切破壞時(shí)的應(yīng)力和工作條件，利用室內(nèi)或現(xiàn)場進(jìn)行土的剪切試驗(yàn)。第十三頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四一、土的直剪試驗(yàn)與庫侖定律1.直剪試驗(yàn)土的室內(nèi)剪切試驗(yàn)分為直接剪切和三軸剪切試驗(yàn)兩類。最常用的直剪試驗(yàn)方法。直剪試驗(yàn)是將土樣放在上、下兩部分可以錯(cuò)動(dòng)的金屬盒內(nèi)，將上盒固定，下盒可沿水平方向滑動(dòng)(圖3-5)。試驗(yàn)時(shí)，先通過傳壓板在土樣上施加法向壓力P，使土樣受法向應(yīng)力σ=P/F(F為土樣的橫截面積)作用。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。第十四頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四當(dāng)水平剪力增加強(qiáng)度至T時(shí)，土樣發(fā)生剪切破壞，此時(shí)的剪應(yīng)力為τ=T/F，即為土樣在該法向壓應(yīng)力作用下的抗剪強(qiáng)度τ?。據(jù)此試驗(yàn)數(shù)據(jù),可知τ?—σ關(guān)系曲線。2.庫侖定律大量試驗(yàn)結(jié)果證明:在一般建筑物荷載(0.1-0.6Mpa)作用下，土的抗剪強(qiáng)度與法向壓應(yīng)力關(guān)系近似為直線--庫侖定律。1).巨粒土和粗粒土：其抗剪強(qiáng)度曲線是一條通過坐標(biāo)原點(diǎn)的直線，即：τ?=σtgφ；第十五頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四2).細(xì)粒土：其抗剪強(qiáng)度曲線是不通過坐標(biāo)原點(diǎn)的，且與縱坐標(biāo)有一截距C的近似直線，即：τ?=σtgφ+C式中：τ?--土的抗剪強(qiáng)度(Mpa)；σ--剪切面上的法壓力(Mpa)；φ--土的內(nèi)摩擦(o)；C--土的內(nèi)聚力(Mpa)。庫侖定律說明：巨粒土的抗剪強(qiáng)度決定于法向壓力成正比的內(nèi)摩擦力；而細(xì)粒土的抗剪強(qiáng)由兩部分組成，一部分是與法向壓力成正比的內(nèi)摩擦力，另一部分與法向壓力無關(guān)的內(nèi)聚力。第十六頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四庫侖定律表明1).巨粒土的抗剪強(qiáng)度與其內(nèi)摩擦角和正切成正比，而內(nèi)摩擦角與組成土的礦物性質(zhì)和土的密度有關(guān)。組成巨粒土和粗粒土的礦物越堅(jiān)硬，顆粒越粗大，表面越粗糙，棱角越多，內(nèi)摩擦角越大。這兩類土的密度越高，內(nèi)摩擦角也越大(見下表)。松散狀態(tài)砂土的內(nèi)摩擦與其自然堆積時(shí)所形成的最大坡角--天然休止角近似相等。所以工程實(shí)際中，常用砂土天然休止角代替松散狀態(tài)砂土的內(nèi)摩擦角。第十七頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四砂土的內(nèi)摩擦角φ參考值（°）粗砂土中砂土細(xì)砂土粉砂土松散34302825稍密36333028中密38363432密實(shí)41383634第十八頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四2).細(xì)粒土的抗剪強(qiáng)度由內(nèi)摩擦力和內(nèi)聚力組成，而且以內(nèi)聚力為主。細(xì)粒土中粘粒含量越多，土粒間的連結(jié)越強(qiáng)，內(nèi)聚力越大，內(nèi)摩擦角越小，擔(dān)抗剪強(qiáng)度仍可增大。細(xì)粒土的液性指數(shù)越大，即天然含水率越高，則土的連結(jié)強(qiáng)度越低，抗剪強(qiáng)度越小。尤其是液限狀態(tài)的擾動(dòng),幾乎是沒有抗剪強(qiáng)度的。細(xì)粒土的密度越大，抗剪強(qiáng)度越大。這類土內(nèi)摩擦和內(nèi)聚力一般值可參考下表。第十九頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四細(xì)粒土的內(nèi)摩擦角φ和內(nèi)聚力C的參考值粘土粉質(zhì)粘土粉土液性指數(shù)φCφCφC＜0220.100250.060280.0200-0.25200.060230.040260.0150.25-0.50180.040210.025240.0100.50-0.75140.020170.015200.0050.75-1.0080.010130.010180.002>1.00≤6≤0.005≤10≤0.005≤1400第二十頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四二、三軸剪切試驗(yàn)是測定土的抗剪強(qiáng)度的另一種常用的方法。該方法首先將用橡皮膜包裹著的圓柱形置于密閉容器中，通過液體加壓，使試樣在三個(gè)軸向受到相同的圍壓σ3，這時(shí)試樣中沒有剪應(yīng)力。然后通過活塞桿在試樣頂面上加壓，試樣中產(chǎn)生剪應(yīng)力，隨著垂直壓應(yīng)力σr的加大，剪應(yīng)力隨之增大，直至土樣被剪壞。這時(shí)，作用于土樣上的最大主應(yīng)力σ1=σ3+σr，最小主應(yīng)力即σ3。用σ1和σ3可畫出一個(gè)極限應(yīng)圓的公切線，就是土的抗剪強(qiáng)度曲線，從圖上可獲取土的C、φ值（見三軸剪切試驗(yàn)成果圖，下圖）。第二十一頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四半圓直徑σ1-σ3，圓心坐標(biāo)（（σ1+σ3）/2，0）第二十二頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四三軸剪切儀僅能控制排水條件，可以測量孔隙壓力的變化，沒有規(guī)定的剪切面，受力條件比較符合實(shí)際，試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確。盡管該試驗(yàn)儀器與設(shè)備操作較復(fù)雜，費(fèi)用較高，還是會(huì)逐漸受到重視和推廣的。三、土的抗剪指標(biāo)的確定無論是粗粒土，還是細(xì)粒土，其抗剪強(qiáng)度隨剪切面上法向壓力的增加而加大。第二十三頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四飽和土中剪切面上的法向壓力，在固結(jié)過程中是由孔隙水壓力u和有效壓力σ′分擔(dān)，即σ=σ′+u。當(dāng)孔隙中的水不斷向外滲流時(shí)，孔隙水壓力逐漸消失，有效壓力逐漸增加，摩擦阻力增大。因此，孔隙水壓力逐漸消散的過程，也就是土的抗剪強(qiáng)度逐漸增加的過程。在測定土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)時(shí)，必須考慮孔隙水壓力消散程度的影響。目前，常用總應(yīng)力法和有效應(yīng)力法來考慮孔隙水壓力對抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響。1.有效應(yīng)力法是用剪切面上的有效應(yīng)力來表達(dá)土的抗剪強(qiáng)度，即：τ=σ′tgφ′+C′=(σ-u)tgφ′+C′第二十四頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四這種方法需直接測得剪切面上的孔隙水壓力u，總壓力σ減去孔隙水壓力u為有效壓力σ′。用有效壓力法求得的φ′、C′分別稱有效內(nèi)摩擦角和有效內(nèi)聚力。有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)一般用三軸剪切儀測定。2.總應(yīng)力法是用剪切面上的總應(yīng)力來表示土的抗剪強(qiáng)度，即：

τ?=σtgφ+C將孔隙水壓力的影響，通過試驗(yàn)時(shí)控制孔隙水的排出程度來體現(xiàn)。第二十五頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四若飽和粘土層很薄，排水條件較好，但在使用過程中可能施加突然荷載，則可考慮采用固結(jié)不排水剪法測定。若粘土層較薄，施工時(shí)間較長，可以充分固結(jié)。則可采用排水剪切法測定。第二十六頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四第三節(jié)土的擊實(shí)性土體在沒有擊實(shí)或壓實(shí)以前，其抗剪強(qiáng)度較低，壓縮性大且很不均勻，遇水后還可能產(chǎn)生濕陷。為了滿足建筑物穩(wěn)定性的要求，必須用夯實(shí)和碾壓等方法使土體密實(shí)，使土的密度增大，強(qiáng)度增高，變形減小，透水性降低。擊實(shí)試驗(yàn)是研究土的擊實(shí)性的常用方法。通過擊實(shí)試驗(yàn)找出土的干密度、含水率和擊實(shí)功之間的關(guān)系和基本規(guī)律，從而選定適合工程需要的土的干密度和與其相對應(yīng)的含水率。第二十七頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四擊實(shí)試驗(yàn)是把某一含水率的土樣裝入擊實(shí)筒內(nèi)，按規(guī)定的落距和次數(shù)用擊錘打擊土，然后取出測其含水率和干密度。用一種土配制成多個(gè)不同含水率的土樣做試驗(yàn)，測得相應(yīng)的含水率和干密度，繪制出ρd—w關(guān)系曲線圖第二十八頁，共三十三頁，編輯于