第三章-土的力学性质

第一节土的压缩性•一、土压缩变形的特点与机理•土的压缩性是指土在压力作用下体积压缩变小的性能。土受压后体积缩小是土中固、液、气三相组成部分中的各部分体积减小的结果(主要是气体、水分被挤出、土粒相互移动靠拢的结果)。•1.饱和土的压缩过程：是孔隙水压力消散的过程，砂土压缩过程短，压缩性小；细粒土压缩过程较长，压缩量较大。•2.非饱和土压缩过程：先排气，再压缩排出水分•二、压缩试验压缩定律•1.压缩试验的分类：•试验方法：室内压缩试验•现场载荷试验•土被压缩的条件：无侧向膨胀(有侧限)试验•有侧向膨胀(无侧限)试验—是主要的试验方法2.室内无侧向膨胀压缩试验的过程1).首先用金属环刀切取土样；2).然后将土样连同环刀一起放入压缩仪内(由于土样受环刀和护环等刚性护壁约束，在压缩过程中只能发生竖向压缩，不可能发生侧向膨胀)。3).通过加荷装置将压力均匀地施加到土样上，压力由小到大逐级增加，每级压力待压缩稳定后,再施加下一级压力。•土的压缩量可通过微表观测，并据每级压力下的稳定变形量，计算出与各级压力相应的稳定孔隙比。•Ah0/(1+e0)=A(h0-△h1)/(1+e1)；•e1=e0-△h1/h0(1+e0)•其中：A-试样的横截面积；h0-土样的原始高度；△h1=h0-h1•h1-压缩后土样的高度；e0-原始孔隙比；e1-压缩后的孔隙比•4).求的各级压力Pi作用下，土样压缩性稳定后相应的孔隙比ei，以纵坐标表示孔隙比e，横坐标表示压力p，可绘制出孔隙比与压力的关系曲线--压缩曲线。•3.压缩系数•在不同的应力条件下，孔隙比变化与压力变化比值。•即：a=tgα=(e1-e2)/(p2-p1)----压密定律•压密定律表明：在压力变化范围不大时,孔隙比的变化(减小值)与压力的变化(增加值)成正比。•a为压缩系数(单位：Mpa-1)，它是表征土压缩性大小的重要指标。a愈大，说明土的压缩变形量越大，以p1=0.1Mpa，p2=0.2Mpa时相对应的压缩系数a1-2作为判断土的压缩性标准。•低压缩性土a1-20.1Mpa-1•中压缩性土0.1Mpa-1≤a1-20.5Mpa-1•高压缩性土a1-2≥0.5Mpa-1•4.压缩模量(Es)•它是指土在有侧限条件受压时，在受压方向上的应力σz与相应的应变εz之间的比值。•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-为压力从p1到p2时压缩系数；•e1、e2-为压力p1、p2时的孔隙比•工程中以p1=0.1Mpa，p2=0.2Mpa相应的Es评价土的压缩性。•低压缩性土:Es15Mpa•中压缩性土:4MpaEs≤15Mpa•高压缩性土:Es≤4Mpa•三、土的变形模量(E0)•指土在无侧限压缩条件下，压应力与相应的压缩应变的比值。它是通过现场载荷试验求得的压缩性指标。但由于载荷试验的诸多不便，故在一般情况下根据压缩模量间接求得。•E0=ES[1-2μ2/(1-μ)]；E0=ES[1-2ξ2/(1+ξ)]•其中：μ和ξ(读音截塔)分别为土的侧膨胀系数和侧压力系数。•土侧膨胀系数：指土在无侧限条件受压时侧向应变εx与竖向应变εz的比值。μ=-εx/εz•侧压力系数：指在有侧限条件下，竖向间压力增加，引起侧向压力增加，此时的侧压力系数。ξ=σx/σz•四、土的前期固体压力•是指土层在过去历史上曾经受过的最大固结压力，通常用pc表示。•如果目前土层所受的上覆土层的自重压力为po，将pc与po进行比较，可把天然土层分为三种不同的固结状态：•1．pc＝po－称正常固结土：指目前土层的自重压力，就是该地层在历史上所受过的最大固结压力。一般正常沉积且在自重压力下固结的土层，均处于正常压密状态。•2．pc＞po－称超常固结土：指土层在过去历史上曾受过的固结压力大于现有土层的自重压力。•如土层的过去历史上曾有过相当厚的沉积物，而后来由于侵蚀、冲刷、冰川等卸荷作用，或由古老建筑物的拆毁、地下水位的长期变化以及土的干缩等作用，使土层原有的密度超过现有土的自重压力相对应的密度，而形成超压密状态。•3．pc＜po－称欠固结土：即土层在自重压力下尚未完成固结。如新近沉积的淤泥、充填土等均处于欠压密状态.•确定土的前期固结压力的方法很多，但应用较普遍的是卡萨格兰德图解法。•在此曲线上找出pc。实际工程中，用超固结比R来表征土的天然压密状态。•R=pc/p0•R=1正常压密状态；R1超压密状态；R1欠压密状态。第二节土的抗剪性•土的抗剪性(抗剪强度)：•指土抵抗剪切破坏的极限强度。它是研究土体稳定性的一个极为重要的工程地质性质。•土是由固体颗粒组成的，土粒间的连结强度远远小于土粒本身的强度，故在剪应力作用下，多数土体(如砂类土、细粒土)发生的剪切破坏，并不是土粒本身的破坏，而是土粒间发生相对错动，引起土的一部分相对另一部分沿着某个面发生与剪切方向一致的滑动。目前，研究土的抗剪强度的途径，主要是模拟土剪切破坏时的应力和工作条件，利用室内或现场进行土的剪切试验。•一、土的直剪试验与库仑定律•1.直剪试验•土的室内剪切试验分为直接剪切和三轴剪切试验两类。•最常用的直剪试验方法。直剪试验是将土样放在上、下两部分可以错动的金属盒内，将上盒固定，下盒可沿水平方向滑动(图3-5)。试验时，先通过传压板在土样上施加法向压力P，使土样受法向应力σ=P/F(F为土样的横截面积)作用。然后在下盒上逐级施加水平剪力，使土样沿上、下盒之间的水平面受到剪应力。•当水平剪力增加强度至T时，土样发生剪切破坏，此时的剪应力为τ=T/F，即为土样在该法向压应力作用下的抗剪强度τƒ。据此试验数据,可知τƒ—σ关系曲线。•2.库仑定律•大量试验结果证明:在一般建筑物荷载(0.1-0.6Mpa)作用下，土的抗剪强度与法向压应力关系近似为直线--库仑定律。•1).巨粒土和粗粒土：其抗剪强度曲线是一条通过坐标原点的直线，即：τƒ=σtgφ；•2).细粒土：其抗剪强度曲线是不通过坐标原点的，且与纵坐标有一截距C的近似直线，•即：τƒ=σtgφ+C•式中：τƒ--土的抗剪强度(Mpa)；σ--剪切面上的法压力(Mpa)；φ--土的内摩擦(º)；C--土的内聚力(Mpa)。•库仑定律说明：巨粒土的抗剪强度决定于法向压力成正比的内摩擦力；而细粒土的抗剪强由两部分组成，一部分是与法向压力成正比的内摩擦力，另一部分与法向压力无关的内聚力。•库仑定律表明•1).巨粒土的抗剪强度与其内摩擦角和正切成正比，而内摩擦角与组成土的矿物性质和土的密度有关。•组成巨粒土和粗粒土的矿物越坚硬，颗粒越粗大，表面越粗糙，棱角越多，内摩擦角越大。•这两类土的密度越高，内摩擦角也越大(见下表)。松散状态砂土的内摩擦与其自然堆积时所形成的最大坡角--天然休止角近似相等。所以工程实际中，常用砂土天然休止角代替松散状态砂土的内摩擦角。•砂土的内摩擦角φ参考值（°）粗砂土中砂土细砂土粉砂土松散34302825稍密36333028中密38363432密实41383634•2).细粒土的抗剪强度由内摩擦力和内聚力组成，而且以内聚力为主。细粒土中粘粒含量越多，土粒间的连结越强，内聚力越大，内摩擦角越小，担抗剪强度仍可增大。细粒土的液性指数越大，即天然含水率越高，则土的连结强度越低，抗剪强度越小。尤其是液限状态的扰动,几乎是没有抗剪强度的。细粒土的密度越大，抗剪强度越大。这类土内摩擦和内聚力一般值可参考下表。•细粒土的内摩擦角φ和内聚力C的参考值粘土粉质粘土粉土液性指数φCφCφC＜0220.100250.060280.0200-0.25200.060230.040260.0150.25-0.50180.040210.025240.0100.50-0.75140.020170.015200.0050.75-1.0080.010130.010180.0021.00≤6≤0.005≤10≤0.005≤1400•二、三轴剪切试验•是测定土的抗剪强度的另一种常用的方法。该方法首先将用橡皮膜包裹着的圆柱形置于密闭容器中，通过液体加压，使试样在三个轴向受到相同的围压σ3，这时试样中没有剪应力。然后通过活塞杆在试样顶面上加压，试样中产生剪应力，随着垂直压应力σr的加大，剪应力随之增大，直至土样被剪坏。这时，作用于土样上的最大主应力σ1=σ3+σr，最小主应力即σ3。用σ1和σ3可画出一个极限应圆的公切线，就是土的抗剪强度曲线，从图上可获取土的C、φ值（见三轴剪切试验成果图，下图）。半圆直径σ1-σ3，圆心坐标（（σ1+σ3）/2，0）•三轴剪切仪仅能控制排水条件，可以测量孔隙压力的变化，没有规定的剪切面，受力条件比较符合实际，试验结果准确。尽管该试验仪器与设备操作较复杂，费用较高，还是会逐渐受到重视和推广的。•三、土的抗剪指标的确定•无论是粗粒土，还是细粒土，其抗剪强度随剪切面上法向压力的增加而加大。•饱和土中剪切面上的法向压力，在固结过程中是由孔隙水压力u和有效压力σ′分担，即σ=σ′+u。当孔隙中的水不断向外渗流时，孔隙水压力逐渐消失，有效压力逐渐增加，摩擦阻力增大。因此，孔隙水压力逐渐消散的过程，也就是土的抗剪强度逐渐增加的过程。在测定土的抗剪强度指标时，必须考虑孔隙水压力消散程度的影响。目前，常用总应力法和有效应力法来考虑孔隙水压力对抗剪强度指标的影响。•1.有效应力法•是用剪切面上的有效应力来表达土的抗剪强度，即：•τ=σ′tgφ′+C′=(σ-u)tgφ′+C′•这种方法需直接测得剪切面上的孔隙水压力u，总压力σ减去孔隙水压力u为有效压力σ′。用有效压力法求得的φ′、C′分别称有效内摩擦角和有效内聚力。有效应力强度指标一般用三轴剪切仪测定。•2.总应力法是用剪切面上的总应力来表示土的抗剪强度，即：•τƒ=σtgφ+C•将孔隙水压力的影响，通过试验时控制孔隙水的排出程度来体现。•若饱和粘土层很薄，排水条件较好，但在使用过程中可能施加突然荷载，则可考虑采用固结不排水剪法测定。•若粘土层较薄，施工时间较长，可以充分固结。则可采用排水剪切法测定。第三节土的击实性•土体在没有击实或压实以前，其抗剪强度较低，压缩性大且很不均匀，遇水后还可能产生湿陷。为了满足建筑物稳定性的要求，必须用夯实和碾压等方法使土体密实，使土的密度增大，强度增高，变形减小，透水性降低。•击实试验是研究土的击实性的常用方法。通过击实试验找出土的干密度、含水率和击实功之间的关系和基本规律，从而选定适合工程需要的土的干密度和与其相对应的含水率。•击实试验是把某一含水率的土样装入击实筒内，按规定的落距和次数用击锤打击土，然后取出测其含水率和干密度。用一种土配制成多个不同含水率的土样做试验，测得相应的含水率和干密度，绘制出ρd—w关系曲线图•由图可知，在某一击实功的作用下，当含水率较低时，随含水率的增加，土的干密度有所增加；但当含水率较高时，随含水率的增加，击实土的干密度反而降低。ρd-w曲线上有一峰值，此点所对应的干密度为最大干密度ρdmax，与之相对应的含水率称之为“最优含水率”。当压实土料的含水率为最优含水率时，土的压实效果最佳；当含水率小于或大于最优含水率时，都达不到最佳的击实效果。•土的最优含水率与击实功的大小有关。•⑴.下图表明细粒土在不同击实功的作用下，得到不同的击实曲线。当改变击实功时，曲线的基本形态不变，但其位置随击实功的增大而向左上方移动。这说明用较大的击实功在较小的最优含水率的情况下，能获得较大的干密度。击实功对土的击实性的影响图•(2).当含水率一定时，同一种土在不同的击实功作用下其击实效果也不同。击实功较小时，土的干密度随击实功的增大而迅速增加，以后随着击实功的逐渐增大，干密度却增加缓慢。试验曲线上转折点的击实功为“临界功”，用此功去击实土能得到较好效果。用大于临界功的击实功去击实土时，由于最大干密度增加不多，击实效果不佳。一般情况下，土的含水率越小，临界功越大。（见图所示）