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1、第五章 土的力学性质,5.0 概述,土的力学性质的涵义 ：土在外力作用下表现出的性质。,高压缩性孔隙被压缩，土的体积减小低抗剪强度低抗剪切破坏的能力弱不考虑拉应力,包括：可压缩性 简称压缩性（在压应力作用下产生）抗剪性（在剪应力作用下产生）渗透变形（在渗透水流作用的渗透力下产生）,特点,5.1 土的压缩性,一、土的压缩性及实质压缩性土在静压应力作用下体积压缩变小的性能。,土的压缩性包括两含义：压缩量大小：研究外力与e的关系。压缩这程快慢：研究变形与时间t的关系。(土力学),土压缩变形的本质土体的压缩变形实际上是孔隙压缩、孔隙比变小所造成的。 在土的压缩过程中，假定土颗粒是不可压缩的，水是不可压
2、缩的，只有孔隙可以压缩。 对饱和土而言，土的压缩主要是由孔隙中的水被挤出所致，压缩过程同排水过程一致。孔隙水排出，土的压缩随时间而增长的过程，称为土的固结。,二、压缩实验 特点：室内，取样品做；有侧限。,方法：室内用环刀切取土体，放在垂向变形的压缩仪中，分级加压，测取各级压力下压缩稳定后土样的高度变化，换算相应的孔隙比，然后作p-e曲线。 分级加压，令Pi=0. 5，1，2，3 kg/cm2 用测微表测出h0.5 h1, h2, h3 通过公式算出e0.5 e1 e2 e3 作pe曲线称为压缩曲线,施加荷载，静置至变形稳定 逐级加大荷载,侧限压缩试验,测定：轴向压缩应力轴向压缩变形,已知：试样
3、初始高度H0试样初始孔隙比e0,试验结果： 每级压力p作用下，试样的压缩变形S,由三相草图：,可得到e-p关系,孔隙比和压缩量的关系,e-p曲线,不同土的压缩系数不同，a越大，土的压缩性越大 同种土的压缩系数a不是常数，与应力p有关 通常用a1-2即应力范围为100-200 kPa的a值对不同土的压缩性进行比较,压缩系数 KPa-1，MPa-1,压缩系数a1-2常用作比较土的压缩性大小,（3）压缩指数Cc将压缩试验成果投放e-lgp对数座标系中，得一曲线，其中线段的斜率定义为压缩指数。用Cc表示。优点：线在很大范围内呈直线，Cc是常量而非变量，用起来也较方便。Cc越大，线段越陡，表示土的压缩性
4、越高。,压缩指数,粘性土的Cc值一般在0.11.0之间,压缩系数,侧限压缩模量,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。,体积压缩系数,三、载荷试验和变形模量载荷试验无侧限现场试验，在试坑中进行，较真实反映土体的受力状态，因而成果较符合实际。,载荷试验PS曲线,oa段：压密变形阶段（直线变形或隙性变形阶段）P-S曲线近直线，反映地基的弹性变形为主，主要是土颗粒在垂直方向上彼此靠拢，0Pa压力下，剪力土的抗剪强度。ab段：局部剪切变形段（局部塑性变形阶段）压力Pa后，局部地基土剪应力超过土抗剪强度，局部地压出现剪切变形，且随压力的增大逐渐增大，但在Pa Pb范围内
5、未出现连续破坏面。Pa称临塑荷载，Pb称极限荷载。bc段：完全破坏阶段（b点以左），荷载达Pb后剪切变形形成连续滑动面，地基土发生破坏。,变形模量从P-S曲线可以确定土的变形模量E0。E0的物理意义：土在无侧限条件下受压，压应力与压应变之比。,四. 变形模量 E 与压缩模量 Es间的关系,则:,E s：超固结土 p1：超固结 OCR1：欠固结,超固结比：,如土层当前承受的自重压力为s,相同s 时，一般OCR越大，土越密实，压缩性越小,固结状态的相互转化,可以相互转化的。 例如：对于原位地基中沉积已稳定的正常固结土，因开挖卸载，就成为超固结土，而超固结土则可因足够大的堆载加压而成为正常固结土。新
6、近沉积土在自重应力作用下尚未完成固结，故为欠固结土，但随着时间的推移，在自重应力下的压缩会渐趋稳定从而转化为正常固结土。对于室内压缩稳定并处于正常固结状态的土样，经卸荷就会进入超固结状态，而处于超固结状态的土样则可经施加更大的压力而进入正常固结状态。,土的固结状态是否可以相互转化?,六、土的压缩过程土的压缩性应包括：压力与变形的关系（e-p，e-logp，p-s）或该土在某级压力下压缩达稳定时压力与变形量的关系；变形与时间的关系（s-t）或该是土在一定压力下的压缩过程，即压缩稳定所需的时间及在t稳过程中s的变化规律。,七.影响因素,1.粒度成分和矿物成分的影响,2.含水率的影响,3.密实度的影
7、响,4.结构状态的影响,5.构造特征的影响,6.受力历史的影响,5.2 土的抗剪性,一、抗剪强度及剪切破坏本质,1、土的抗剪性，抗剪强度。抗剪性：在剪应力作用下，土抵抗剪切破坏的性质。抗剪强度：土抵抗剪切破坏的极限强度。,定义,土的强度破坏的本质：实际上是颗粒间的相互错动最终在土体中形成连续的滑动面。,粒间存在摩擦阻力。土粒间有结构连结。不同的土粒间摩阻力不同，结构连结亦不同，抗剪强 度就不相同。无粘性土主要是粒向摩阻力；粘性土还有 粒间结构连结力，但它的粒间摩阻力小。,土为什么有抗剪强度?,抗剪强度指标的测试方法较多，有： 室内的：直剪、三轴、无侧限抗压强度 野外的：十字板、静力触探、大型直
8、剪,二.土的剪切试验,即直接剪切试验，是研究土的抗剪强度的一种较常规，一般的方法。室内进行。,1、直剪试验,方法：用环刀取土，将土样推入剪切盒中（由上、下两半组成），上盒固定，从上部加垂直压力P，然后从水平方向施加剪力T，当T增到某一定值时，土样沿剪切面剪坏。,直剪试验,法向应力：,剪应力：,剪切变形S,库仑公式：（1776）,f ： 土的抗剪强度 tg： 摩擦强度-正比于压力： 土的内摩擦角c： 土的粘聚力-与所受压力无关,直剪试验的优缺点,设备和操作简单人为固定剪切面 剪切面积逐渐减小 排水条件不明确,原理：据土体在主向力作用下处于极限平衡状态时，土内某点的应力状态（1、3）与c、之间的关
9、系来确定土的抗剪强度指标,2、三轴剪切试验（静三轴）,三轴试验确定土的强度包线,由不同围压的三轴试验，得到破坏时相应的（1-)f 分别绘制破坏状态的应力摩尔圆，其公切线即为强度包线，可得强度指标c与,常用试验类型,常规三轴试验优缺点,单元体试验，试样内应力和应变相对均匀 应力状态和应力路径明确 排水条件清楚，可控制 破坏面不是人为固定的设备操作复杂 现场无法试验 常规三轴试验不能反映2的影响,说明： 30 即为无侧限抗压强度试验,3、无侧限抗压强度试验（三轴试验的特例）,圆柱形土样放在无侧向压力仪上，使土样发生剪切破坏。即：指土抵抗轴乱向压力的极限强度。 适用于饱和软粘土（认为o）,极限应力圆
10、,试验时围压3=0（无侧限），试样在轴向压力下产生剪切破坏。 破坏时的轴向压力称为无侧限抗压强度，以 qu 表示。,1、总应力法用剪切面上的总应力表示土的抗剪强度的方法。总应力强度指标用总应力法求得的土的抗剪强度指标。f=tg +c（对无法测u来说的）,三、土的抗剪强度指标确定,因试样剪切过程中排水程度不同，u不同，在相同压力下，测得的指标c， 值是不同的，分三种： 慢剪（排水剪）：加上压力后试样充分排水固结，然后（d，cd）缓慢加水平力，试验中均排水，u=0，压缩固结； 快剪（不排水剪）：加上压力不排水，又迅速加水平剪力下试样剪坏（u，cu） ，整个试验过程中不变； 固结快剪（固结不排水剪）
11、：加压后充分排水固结，然后迅速加水平力剪坏试样（cu，Ccu）,在实际工程中该采取哪种方法应依具体情况定，即模拟实际工程的情况及土性，工程排水条件，施工期长短等，一般来说：,厚层粘土，排水条件不好，施工短期，采用?,薄层粘土，排水条件较好，施工期较长, 采用?,施工期间固结基本完成的土（砂类土或施工期长的粘性土）；期间可能突然加荷,采用?,快剪。,慢剪。,固结快剪。,2、有效应力法和有效应力强度指标有效应力法：用剪切面上的有效应力表示 土的抗剪强度的方法。,测定方法：主要是三轴剪切实验。,抗剪强度的有效应力指标c， c+ tg= -u 符合土的破坏的机理， 但有时孔隙水压力u 无法确定,研究意
12、义在于评价土稳定时如何选用强度指标，选残余强度是安全的，但偏于保守。,3、土的峰值强度和残余强度 1、峰值强度以土样剪坏时的最大剪应力（峰值）确定土的抗剪强度。 2、残余强度以土样剪坏时的最小剪应力（稳定值）确定土的抗剪强度。,无粘性土的剪切性状,紧砂的强度达一定值后，随着轴向应变的继续增加强度减小，最后趋于与松砂相同的恒定值，这一恒定的强度称为残余强度。 紧砂的这种强度减小被认为是剪应变克服了土粒间的咬合作用之后，无粘性土结构崩解变松的结果。,粘土的残余强度,正常固结粘性土的峰值强度超固结粘性土峰值强度正常固结土的残余强度=超固结土的残余强度,四、土的蠕变及长期强度1、土的蠕变是由工程实践中
13、提出来的。工程实践中发现，建筑物建成 后，使用开始，土体稳定。随着时间延伸，有些地基土在 f时发生变形甚至破坏。 说明在不变的剪力作用下，随时间延续土的剪变形逐渐增大，到一定程度时土体发生破坏，称土的蠕变。 蠕变概念在长期不变的作用下，软粘土剪变形随时间 逐渐缓慢增长的现象。也有的书上称为流变。 蠕变的结果随变形增大，土的抗剪强度衰减到一定程度时土体产生强度破坏。,2、土的蠕变与剪应力的关系蠕变的速率随剪应力的关系蠕变的速率随剪应力（初始剪力）的增大而增大。土的蠕变曲线t，只有剪力达某一值才会出现蠕变。工程上允许出现一定的蠕变，但要有限制（安全性）。以土样剪坏时的抗剪强度和土体破坏的时间（从某种土的不同下 t曲线上）可作出t曲线，得土的长期强度。3、长期强度由长期强度曲线长期强度极限f。相当于某一长时间内土的抗剪强度。时间根据需要取。,五.影响因素,1.粒度成分和矿物成分的影响,2.含水率的影响,3.密实度的影响,4.结构状态的影响,5.构造特征的影响,6.受力条件的影响,6.应力历史的影响(压缩性),1.粒度成分和矿物成分的影响,土的颗粒越粗，形状越不规则，表面越粗糙，内摩擦角越大，抗剪强度也越高。粘土矿物成份不同，其粘聚力也不同。土中含有多种胶合物，可使c增大。,2.含水率的影响,
