趣味土力学

趣味土力学授课教师：倪振强[e-mail]《土力学》是一门土木、水利工程专业的必修课，属技术基础课。在这门特殊的课程中，它既有力学方面的计算，也有施工方面的技术。但其特殊性不止于此，因为作为“土”这种独一无二的材料，它不等同于像钢材、木材等材料可以用精确的计算来进行工程设计。《土力学》中存在大量的假设、近似和经验公式，正如许多人所质疑的：“土力学是伪科学吗？”陈仲颐先生说，处理岩土工程问题就像中医看病一样。刘建航院士说，理论导向、实测定量、经验判断、检验验证。在我们学习了《土力学》以后，我们现在来回顾一下所学内容，从另一个角度来看这门课程，并结合我们的生活实践来检验一下《土力学》的正确与否，并且希望同学们能在这些鲜活的实例中，能激发起学习的兴趣，并学会在实践中应用。学习目的《趣味土力学》是清华大学李广信老师所提出的，本课件在李老师课件基础上，参考其他书籍和本人的一些经验整理而成。另外我们《土力学与基础工程》课程课时有限，对于初次接触土力学方面知识的同学们，必定学习起来有所困难，希望大家发挥主观能动性，将我们的课题延伸到以后的学习道路中去。善于发现问题，不止能够消化“鱼”，更要学会“渔”。希望同学们开动思维，提出建议，我们共同将课程完善。《岩土工程50讲：岩土漫话》李广信人民交通出版社《岩土工程勘察与设计——岩土工程疑难问题答疑笔记整理之二》高大钊人民交通出版社推荐学习网站：爱课程网参考资料1、土的颗粒级配2、土力学中的一些基本概念3、黏性土的一些性质4、砂土的一些性质5、渗透力与流网6、土的变形7、土的抗剪强度8、有效应力原理9、土压力10、地基承载力11、基坑与基础主要内容1009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径(mm)土的粒径级配累积曲线1、土的颗粒级配1009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径(mm)土的粒径级配累积曲线d60d50d10d30不均匀程度：Cu=d60/d10连续程度:Cc=d302/(d60×d10)—曲率系数—不均匀系数Cu5，级配均匀；Cu≥5，Cc=1-3级配良好各粒组的相对含量，用质量百分数来表示;土的粒径级配累积曲线：小于某粒径的土粒占颗粒总质量的百分比。特征粒径10d50d30d60d有效粒径平均粒径限制粒径（限定粒径）中值粒径生活中级配良好与级配均匀哪一种好？在军队中，要求战士们年龄接近，亦即级配均匀，步调一致，战斗力强；不同级别军官年龄则应级配良好，可发挥不同年龄段人的经验，阅历和威望；在花样游泳队中，各个队员身形相似，动作统一，级配均匀，才能做出令人赏心悦目的动作；在海贼王中，草帽海贼团上有路飞（船长）、索隆（剑士）、山治（厨师）、娜美（航海士）、罗宾（情报）、乌索普（狙击手）、乔巴（医生）、弗兰基（船工）和布鲁克（音乐家），各司其职，级配良好。级配良好与级配均匀的土哪一种土好？在土工设计中，作一般压实填料希望级配良好；而用于反滤料，则希望每层砂石料级配均匀。1、不均匀系数（coefficientofuniformity)Cu=d60/d102、浮密度和浮重度土的密度定义为“单位体积上土的质量”；重度定义为“单位体积土的重量”。质量是“物质的量”；“重力的大小叫重量”。质量是物质的固有属性，不能创造也不能消灭；因而它是用天平（不是用秤）来度量的；不管在地球、月球还是在太空，物质的质量是不变的，亦即“物质守恒”。在地球的同一海拔处，物质的重力也不会变化。在土力学中有“浮密度（submergedorbuoyantunitweight）”和“浮重度(buoyantdensity)“这一物理量，难道物质（土）在水下其质量和重量会减少吗，部分物质会消亡吗？2、土力学中的一些基本概念wsatwsat这些术语确实不够科学和严密。目前在土力学教材中，“浮密度”的提法少了，但“浮重度（浮容重）”的提法十分普遍，大家约定俗成。这一术语为土力学学科所特有，在其他的力学和学科中尚未发现。也未见其他学科定义混凝土、钢材和木材的浮容重，木材如果也有浮重度，它就成为“负重度”了。浮重度为单位体积的土骨架重量减去水对它的浮力w(1-n)；或者单位体积饱和土的重量减去水对它的浮力w。这一物理量在计算水下土层的有效自重应力时很方便：＝ihi。土力学与其他经典力学相比，在概念和方法方面，有不少姑妄用之的情况。所以说土力学是一门很“土”的力学。3、塑性指数与液性指数Ip:是由土性决定的，常用于土的分类；（可塑状态的上下限，土的性质决定了范围的大小，比如蒙脱石含量越高，Ip就越大。）IL:由土当前的含水量w决定的，表明黏性土软硬的一种状态.PLPIwwLPPI(ww)/I•塑性指数如同你的DNA，你的DNA决定了你是谁，“姓什么”，来自于什么血统和家族，这些都不会变了。•液性指数如同你的年龄和身体状况，现在你是多大了，你是健康的还是感冒了，是“状态”的表述。4、达西定律与欧姆定律达西定律：土中渗流速度等于渗透系数乘以水力梯度。欧姆定律：在同一电路中，导体中的电流跟导体两端的电压成正比，跟导体的电阻阻值成反比。二者的物理机理是一致的：“流”正比于“势”，反比于“阻”；vkiIU/R3、黏性土的一些性质同学们在学过土力学之后，其实可以发现，我们整个课程研究的重点难点都是黏性土：诸如土粒的粒径极小（小于5μm），颗粒表面带负电荷，吸附水的能力很强，触变性等。那它特殊在哪里呢？黏土颗粒引力d水分子阳离子强结合水弱结合水自由水膨润土分散在水中，其片状颗粒表面带负电荷，端头带正电荷。这种水溶液静止时呈固态，如果外界扰动，则变为液态，停止扰动水溶液又变作固体状态。该特性称作触变性，这种水溶液称为触变泥浆。作用除了具有泥浆的润滑、降温、护壁、携渣的外，还能加快桩体的下沉。1、什么是触变泥浆？触变性：扰动一个蜂群，蜂群四处乱窜，人走开后，它们又恢复原来的秩序；战争中的国家支离破碎，战后又恢复繁荣。2、为何百姓不让碰稻田？在南方石油管道埋设中，管道经常要穿越稻田，虽然老百姓得到了一定的经济赔偿，但是他们仍然非常不乐意，说管道的埋设不单影响了当年，而且会影响以后多年的收成，这是为什么呢？触变性需要较长的时间（往往以年论），管道的施工破坏了稻田黏土的结构，特别是在一些稻田下面有毛石基础的稻田，渗水现象更明显，因此破坏了稻田的储水，而影响产量。砂土的黏聚力c为零，在河边的砂滩上，全干和水下的部分，确实无法竖直挖洞；可是在潮湿部分，我们可以垂直挖一个小竖井而不垮，这是为什么呢？将湿手向干砂中一插下，结果手上黏了许多砂粒。干的砂土与饱和砂土是没有黏聚力的。而潮湿的砂土中砂粒间有水，水气表面的毛细力将砂粒“黏接”在一起。也称为“基质吸力”。由于毛细压力为负孔压，则砂粒间有效应力为正，会产生抗剪强度，称为假黏聚力。所以非饱和土常可以开挖成陡坡，可一旦降雨，这种假黏聚力消失，陡坡就会坍塌，许多基坑的事故就是这个道理。沙滩上的观察4、砂土的一些性质渗透力：渗透作用中，孔隙水对土骨架的作用力（压力差与拖曳力），方向与渗流方向一致。你在人流中站着不动，会体会到这两种力。JT水流方向土颗粒5、渗透力与流网1、什么是渗透力？流网中，由于各个方格水头差相等，流网密集区域水力坡降i大；渗透力j=wi，流网密集区域土骨架受到的渗透力大；正如在人流中，我们站在人流狭窄地方（楼梯），会受到很大的压力与拖曳力—也是踩踏事故的原因。2、渗透力与流网延伸：怪坡现象-水往上流？从前有两头驴，甲驴驮的盐，乙驴驮的棉花。甲边走边埋怨驮的太重，羡慕和嫉妒乙的轻载。前面遇一条河，趟水过河时，甲驴越走越轻，乙驴简直浮了起来。过河以后，身体露出水面时，由于盐大部分已溶于水，甲驴负荷大减，高兴得唱起了歌；而乙驴出水后艰难地站起后，已爬不上河岸。除了背负水和棉花，在饱和棉花中孔隙水向下渗流，还产生向下渗透力，而这些作用对乙驴蹄来说都是有效应力。（参见课本65页表3.14）饱和黏土砂土H3、驴子过河H1H2H3HΔhk1k2k3xzq1xq3xq2xL层状地基的等效渗透系数1122不透水层水平渗流条件:ihiiLxixqqiHH等效渗透系数:qx=vxH=kxiH总算Σqix=kxiH=ΣkiiiHi分算xii1kkHH4、水平等效渗透系数kh与垂直等效渗透系数kvH1H2H3HΔhk1k2k3xz竖直渗流:v承压水条件:vviihhiHH等效渗透系数kz:vi=ki(Δhi/Hi)iiikvHhzkvHhiizkvHkvHiizkHHk分算总算水平渗流情形垂直渗流情形条件已知等效推定Lhii;HH;qqiii...k...;H,H121iHkqxiixHkHk1ii2121HH;hh;v...vv;q...qq...k,k...;H,H2121HhkikvzziizkHHk算例说明daymkmHdaymkmHdaymkmH/100,0.1/1,0.1/01.0,0.1332211iixkHk33.67m/dayHziiHk0.03m/dayHkdaymkmHdaymkmHdaymkmH/3,0.1/2,0.1/1,0.1332211iixkHk2.0m/dayHziiHk1.64m/dayHkdaymkmHdaymkmmHdaymkmH/100,0.1/0,0.1/01.0,0.1332211ziiHk0m/dayHkiixkHk50m/dayH当各层土的渗透系数相差很大时：kh如同一个班的平均成绩，大家都起到了作用，关键成绩好的作用比较大；kv则如同联合国常任理事国开会，实行一票否决制。思考：深海里蛟龙号下潜7000多米里，因无法再承受压力继续下潜，而有些鱼类却能自由自在的游弋呢？深海鱼类为适应环境，它的身体的生理机能已经发生了很大变化。这些变化反映在深海鱼的肌肉和骨骼上。由于深海环境的巨大水压作用，鱼的骨骼变得非常薄；而且容易弯曲；肌肉组织变得特别柔韧，纤维组织变得出奇的细密。更有趣的是，鱼皮组织变得仅仅是一层非常薄的层膜，它能使鱼体内的生理组织充满水分，保持体内外压力的平衡。这就是深海鱼类为什么在如此巨大的压力条件下，也不会被压扁的原因。6、土的变形土骨架的压缩性和土粒的压缩性：土的压缩性实际上是土骨架的压缩性，即孔隙的减少，而不是土颗粒本身的压缩性，所以土的压缩性很大。土的矿物颗粒在土力学所考虑的压力范围内，可以认是不可压缩的。因此土变形的实质就是空隙中水和气的排出。在世界上最深的太平洋海沟，水深为11000多米，相当于1100个大气压，海底的土粒体积压缩也极小。将一定体积的土体放到这样海底时其总体积也基本是不变的；那么将土体用橡皮膜包上呢？7、土的剪切强度1、刀盘的磨损为何有时遇到土质地层比岩质地层磨损还要厉害？刀盘的价格是比较昂贵的，可达几十万至百万的价格，一旦磨损则需要修复（更换）。其破坏主要有切入式磨损（硬度）和冲击性磨损（韧性）等。那为什么有的土质地层比岩质地层磨损还要厉害呢？岩石的力学强度是岩石力学属性的表征值，主要与岩石本身性质有着密切的关系，即岩石结构构造、矿物组成成分、矿物的软硬度、颗粒之间的连结力、岩石节理裂隙发育程度、风化程度及岩石本身所处的应力环境。这样某些土，虽在取样时或扰动后让人感觉力学性质很差，但有可能这些土中含有较多硬度高的矿物（如石英、长石、角闪石等），加之所处的状态为密实状态，而一些岩石含有的矿物硬度较低（如云母、方解石、绿泥岩等