1、七 土的力学性质,土的压缩性 土的抗剪性,先例,上海市展览馆 比萨斜塔 Transcona谷仓地基,上海展览馆,650mm,e=1.8,w=60% Es=1.45MPa,521mm,比萨斜塔,Transcona谷仓地基,建筑物基础与地基相互作用可能出现的工程地质问题,1 强度问题（剪切破坏、承载力问题） 2 变形问题（过度沉陷、不均匀沉陷） 3 倾覆、滑移问题（水平力、近水平力作用）,决定因素 1.地基土本身的力学性质 2.建筑物、地基对土体的作用力,地基土变形的三个阶段,压密变形阶段 局部剪切阶段 整体破坏阶段,压密变形阶段Oa,O p（kPa）aS（mm）,基础 地面p s,局部剪切阶段a
2、b,O p（kPa）abS（mm）,基础 地面p p,整体破坏阶段bc,O p（kPa）abc S（mm）,基础 地面p,两种不同性质的变形,压密变形 计算地基的压缩变形量，即地基沉降量 剪切变形（剪切破坏） 土体强度和稳定性问题,两种研究途径,将土体变形和强度分开研究简化估算法 将土体变形和强度统一研究严格分析法建立在土体本构关系研究的基础上 本构关系 应力应变关系的数学表达式,（一） 土的压缩性,定义：土的压缩性是指在压力作用下体积压缩变小的性能 压缩变形的本质 土的三相组成决定了土的压缩变形由三部分组成 土粒本身的压缩变形 孔隙中水和气的压缩变形 孔隙中水和气被挤出，土颗粒相互靠拢，孔隙
3、体积缩小 土的压缩主要原因是由于孔隙中水和气被挤出，土颗粒相互靠拢，致使孔隙体积减小而引起的。,压力作用下作为三相组成的土各相之间的力是怎样分担的？怎样转化的？,思考一下,饱和土受力模型,1、有效应力原理,s,u,受力平衡方程,设s 为颗粒间的接触应力，颗粒间的接触面积为Fs uw为孔隙水压力，水的面积Fw=F-Fs 则有： F= sFs +uw（F-Fs）,F=1,设 一般情况下 Fs/F=0.01-0.03 则有 = +u,u,F=1, = + u,饱和土的有效应力原理 （Terzaghi，1920） 总应力 有效应力 u 孔隙水压力,u,F=1,u,F=1,有效应力,受压时，使土粒间发生
4、位移 受剪时，全部剪应力由粒间 应力造成的摩擦作用来承受 对土的位移和变形是有效的 或者说起控制作用,1,u 孔隙水压力 由孔隙水承担和传递的那部分压力。 为静水压力不引起颗粒的位移，不能承受剪应力 不直接引起土体变形和强度变化，故又称中性压力。,由泰沙基在1920年提出的这一表面上很简单的概念，标志着从理性上认识许多土力学现象的开始。 Terzaghi，1936：所有可测得的应力变化效应，例如压缩形变以及抗剪强度的变化，无一不是由于有效应力变化所引起的 , = + u,饱和土的有效应力原理的完整表述： （1）土的有效应力等于总应力减去孔隙水压力； （2）土的有效应力控制了土的变形和强度性能。
5、, = + u, = + u,3 h h 2 h=01=0， =0， = u= u= 0 u=0,饱和土的力学模型 用有效应力原理解释土体承受和传递附加应力,几个基本概念,饱和土压缩变形过程的实质是超静孔隙水压力随着水的渗流排出而逐渐消散和有效应力逐渐增长的过程，即超静孔隙水压力向有效应力转移的过程。,超静孔隙水压力：由附加应力作用引起的孔隙水压力超 出静水压力水头，称为超静孔隙水压力。 土的渗透固结：这种由孔隙水的渗流而引起的压缩过程。,非饱和土的有效应力原理,2.土的压缩性与变形指标,1）室内压缩试验与压缩定律 2）压缩模量、变形模量 3）体积压缩系数 4）侧压力系数、泊松比,1）室内压缩
6、试验与压缩定律,P1,.,1）室内压缩试验与压缩定律,p2,1.室内压缩试验与压缩定律,p3,.,h,可以测量高度的变化，如何转变成孔隙比的变化,Vso,Vvo,F=1,Vs1,Vv1,F=1,h0,h1,h,加压前 e0,加压后 e1,一般地，,p1， p2， p3， h1， h2， h3， e1， e2， e3， .,e,e1,e2,p1,p2,p,a称为压缩系数（coefficiennt of compression），单位1/KPa，或1/MPa,压缩定律,在压力不大的情况下，孔隙比的变化与压力的变化成正比。,3.压缩模量、变形模量,压缩模量（有侧限 ）,变形模量（无侧限）,4.体积压
7、缩系数,土压缩时竖向应变增量与竖向应力增量之比，,5.侧压力系数、泊松比,泊松比无侧限条件下，侧向膨胀应变与竖向压缩应变之比,侧压力系数侧限条件下侧向压力与竖向压力之比,（二） 土的抗剪性,材料的强度理论 最大正应力理论 最大正应变理论 最大拉应力理论 最大剪应力理论,最大剪应力理论认为，材料破坏的原因是材料中的最大剪应力造成的,试验和观察表明岩体、混凝土、土体的破坏主要是剪切破坏。在最大剪应力理论的基础上发展了符合土体破坏的莫尔库仑强度理论,大地的局部化开裂,多之形,雁形,锯齿形,桥梁支敦中出现的局部化剪切破坏,岩土工程材料中的局部化现象,实验室发现的剪胀带和剪缩带（ Lin, 2002 ）
8、，花岗岩,粘土的拉伸和压缩试验与局部化条带（Desrues & Chambon, 2002）左：拉伸 右：压缩,岩土工程材料中的局部化现象,试验和观察表明岩体、混凝土、土体的破坏主要是剪切破坏。在最大剪应力理论的基础上发展了符合土体破坏的莫尔库仑强度理论,1.库仑定律,在一定载荷范围内，土的抗剪强度与法向应力之间呈直线关系。 其中C、 被称为土的抗剪强度指标。,粘性土,c,C 称为土的粘聚力 称为土的内摩擦角,2.莫尔库仑强度理论,莫尔认为土中某点达到该点的抗剪强度时，即土发生破坏。,莫尔库仑强度理论,莫尔认为 f=f（）为曲线 f=f（）用直线（库仑定律 ）代替，故称为莫尔库仑强度理论, =
9、C+ tg,1 破坏2临界状态（极限平衡状态）3安全（弹性平衡状态） ,=c+ tg,莫尔圆与破坏线的关系,不相交：表明通过该点的任意平面上的剪应力小于f，土体处于弹性状态 相割：表明通过该点的任意平面上的剪应力大于f，土体已经破坏，不存在 相切：表明通过该点的任意平面上的剪应力等于f，土体处于极限平衡状态 极限平衡状态下的莫尔圆称为极限应力圆，根据极限应力圆可以得出在极限平衡状态下主应力的关系,极限平衡条件,在极限平衡状态下主应力之间的关系，叫做极限平衡条件,c,A,O,O,注意：只有当土中某点处于极限平衡条件时，才满足上式，并非任何情况均满足。 即只有A点才满足。,直剪仪,直剪预压仪,直剪
10、试验,直剪试验,直剪试验,直剪试验,直剪试验的三种类型,1.快剪（Q） 2.固结快剪（CQ） 3.慢剪（S）,直剪试验,实验室（法国）,实验室,Local Strain Measurement,Mid-Plane PWP Measurement,Triaxial,Hollow Cylinder,Bender Elements,Small Strain,Software,Unsaturated Soil,Dynamic Triaxial,局部的应变测量,中平面孔隙水压力测量,GDSTAS 北方交通大学,5Hz/60kN 100/150mm动三轴系统（中国科学院成都山地所）,GDSTAS 大连理工
11、大学,STDTTS 成都理工大学,1,Pc,2.三轴剪切试验,3,1,Pc,2.三轴剪切试验,3,1,Pc,2.三轴剪切试验,3,4.砂土液化,日本新泻1964年地震时砂土液化引起震陷。这些设计为抗震的建筑物倾斜而未受损坏。,加州沃森维尔附近的野外涌沙,唐山地造成的喷水冒砂区分布图,砂土液化（横向移动）系因地震时球粒（理想砂粒）的重新堆集。地震振动造成这种固体颗粒堆集更加有效，这会占据少量体积。一部分覆盖层荷载由水来支撑，这就无法阻止水体横向运移。,震前，水，不稳定（立体）堆集，震后，液化土中剩余孔隙水负担覆盖层荷载 稳定（六边形）堆集,砂土液化（Liquefaction of sand）,饱
12、和砂土受震动时颗粒间趋于紧密，使孔隙水压力增大，有效应力减小。当有效应力趋于零时，砂土的抗剪强度消失，从而引起地面沉陷、斜坡失稳或者地基失效的现象称为砂土液化。常伴随又喷水冒砂。 震动来源：机械震动（局部场地）、地震（区域性）,砂土液化的影响因素,内因,土类及其颗粒级配 土的密实程度、饱水特性 土结构的抗剪强度,外因,地震作用特征,地震强度（震级、烈度） 地震频率和周期 震动历时,环境条件,场地地貌单元 饱水砂土的埋藏条件 地下水条件 建筑物类型、基础特性,砂土液化评价,步骤：判别、分级、建议措施 液化可能性判定 经验判定法 标贯试验判定法 剪切波速判定法 静力触探判定法 液化等级划分：液化指
13、数 抗液化措施,液化等级划分,存在液化土层的地基应进一步探明各液化土层的深度和厚度，计算液化指数,重锤法:采用80400kN的重锤，从很高处(820m)自由落下，对土体进行强力夯实的方法。这是在的基础上发展起来的一项技术。强夯法是用很大的冲击能，使土体中出现冲击波和很大的应力，致使孔隙被压缩，土体局部液化，夯实点周围产生裂隙，形成良好排水通道，土体迅速固结。最大加固深度可达1112m或更大。此法不仅能加固陆上土层，也能加固水中土层；适用于多种土类：粗粒土、低饱和度的细粒土、杂填土、素填土、湿陷性黄土；不仅能提高地基承载力，也可防止地基液化。对于饱和细粒土，要慎用。,青藏铁路压实路基,广州白云机场扩建工程,京福高速公路,
