土力学几个概念问题

• 渗透变形主要有二种形式 渗透变形主要有二种形式: • 流土:渗流水流将整个土体带走的现象 流土 渗流水流将整个土体带走的现象 • 管涌 渗流中土体大颗粒之间的小颗粒被 管涌:渗流中土体大颗粒之间的小颗粒被 冲出的现象
a.流土
渗流方向与土重力方向相反时， 渗流方向与土重力方向相反时，渗透力的 作用将使土体重力减小，当单位渗透力j等于土 作用将使土体重力减小，当单位渗透力 等于土 体的单位有效重力（有效重度） 体的单位有效重力（有效重度） γˊ 时，土体 处于流土的临界状态。如果水力梯度继续增大， 处于流土的临界状态。如果水力梯度继续增大， 土中的单位渗透力将大于土的单位有效重力， 土中的单位渗透力将大于土的单位有效重力， 此时土体将被冲出而发生流土。据此，可得到 此时土体将被冲出而发生流土。据此， 发生流土的条件为： 发生流土的条件为： j > γ ' （2－34） • 或 γ w ⋅ i > γ ' （2－35） •
（3）．固结度
• （1）固结度基本概念 • 土层在固结过程中，t 时刻土层各点土骨架承 担的有效应力图面积与起始超孔隙水压力（或 附加应力）图面积之比，称为 t 时刻土层的固 结度，用 Ut 表示，即
U t＝ 有效应力图面积 t时刻超孔隙水压力图面积 ＝1− 起始超孔隙水压力图面积 起始超孔隙水压力图面积
3.水对土的物理性质和力学性质的影响 水对土的物理性质和力学性质的影响 • 结合水： 结合水： 强结合水 弱结合水 自由水: 自由水 毛细水 重力水 土的物理性质： 重度、 界限含水量、 土的物理性质 ： 重度 、 界限含水量 、 相 对密度等 土的力学性质：渗透破坏、强度、 土的力学性质：渗透破坏、强度、变形
11. 饱和土的有效应力原理
• 饱和土中总应力与孔隙水压力、有效应力之间 存在如下关系： (4-23)
σ = σ '+ u
（1）饱和土体内任一平面上受到的总应力等于 ） 有效应力加孔隙水压力之和； 有效应力加孔隙水压力之和； （2）土的强度的变化和变形只取决于土中有效 ） 应力的变化
12．太沙基的一维渗流固结理 论
• 太沙基（K．Terzaghi，1925）一维固结 理论可用于求解一维有侧限应力状态下， 饱和粘性土地基受外荷载作用发生渗流 固结过程中任意时刻的土骨架及孔隙水 的应力分担量，如大面积均布荷载下薄 压缩层地基的渗流固结等。
（1）基本假设
• l）土是均质的、完全饱和的； • 2）土粒和水是不可压缩的； • 3）土层的压缩和土中水的渗流只沿竖向 发生，是单向（一维）的； • 4）土中水的渗流服从达西定律，且土的 渗透系数k和压缩系数a在渗流过程中保 持不变； • 5）外荷载是一次瞬时施加的。
∆p ∆p Es = = ∆ε ∆H / H1
(3). 土的侧限回弹曲线和再压缩曲线
• (4).关于三种模量的讨论 • 压缩模量Es是土在完全侧限的条件下得到 的，为竖向正应力与相应的正应变的比值。该 参数将用于地基最终沉降量计算的分层总和法、 应力面积法等方法中。 变形模量E0是根据现场载荷试验得到的， 它是指土在侧向自由膨胀条件下正应力与相应 的正应变的比值。该参数将用于弹性理论法最 终沉降估算中，但载荷试验中所规定的沉降稳 定标准带有很大的近似性。 弹性模量Ei可通过静力法或动力法测定， 它是指正应力σ与弹性（即可恢复）正应变ε的 比值。该参数常用于用弹性理论公式估算建筑 物的初始瞬时沉降。
(4-26) • 由于土层的变形取决与土中有效应力，故土层 的固结度又可表述为土层在固结过程中任一时 刻的压缩量st与最终压缩量sc之比，即
st U t＝ sc
（4-27）
为什么可以说土的压缩变形实 际上是土的孔隙体积的减小？
在常规的地基压力下土中颗粒本身的压 缩非常小，可以忽略，即只考虑土的孔 隙体积的减小。
• 流土的临界状态对应的水力梯度 c可用下 流土的临界状态对应的水力梯度i 式表示： 式表示：
γ ' ( ρ s − 1) ic = = γ w (1 + e)
（2－35） － ）
•
为地基土的土粒密度， 这里ρs为地基土的土粒密度，g/cm3。
（2）管涌
• 产生管涌的条件比较复杂，从单个土粒来看， 产生管涌的条件比较复杂，从单个土粒来看， 如果只计土粒的重量， 如果只计土粒的重量，则当土粒周界上水压力 合力的垂直分量大于土粒的重量时， 合力的垂直分量大于土粒的重量时，土粒即可 被向上冲出。实际上管涌可能在水平方向发生， 被向上冲出。实际上管涌可能在水平方向发生， 土粒之间还有摩擦力等的作用， 土粒之间还有摩擦力等的作用，它们很难计算 确定。 确定。 • 因此，发生管涌的临界水力梯度i。 因此，发生管涌的临界水力梯度 。一般 通过试验确定。 通过试验确定。
E1＜E2
E1＞E2
图3－14 双层地基中界面上附加应力的分布规律 (a) 应力集中 (b) 应力扩散
• 10.土的压缩性 土的压缩性
• ①土的压缩主要是由于孔隙体积减少而 引起的。 引起的。 • ②由于孔隙水的排出而引起的压缩对于 饱和粘性土来说是需要时间的
•
压缩性指标
• （1）压缩系数a • 通常可将常规压缩试验所得的e～p 数据 采用普通直角坐标绘制成e～p 曲线，如 图4－1所示。：
为何有了压缩系数还要定义压 缩模量？
压缩系数是室内验算试验中最直接 得到的指标，是土力学所特有的指标之 一。压缩模量的定义主要是为了利用虎 克定律而设置，工程中也比较习惯使用 这一指标。
饱和土的大沙基一维固结理论考虑的主要 因素有那些？ 主要有土层的厚度、排水条件、渗渗透系 数和固结时间等因素。
10. 地基沉降计算
• 1. 弹性理论法 • 2. 实用计算方法 • 1）分层总和法 • 2）应力面积法
• 简单讨论 • (1)分层总和法假设地基土在侧向不能变形， 而只在竖向发生压缩，这种假设在当压缩土层 厚度同基底荷载分布面积相比很薄时才比较接 近。如当不可压缩岩层上压缩土层厚度H不大 于基底宽度之半（即b/2)时，由于基底摩阻力 及岩层层面阻力对可压缩土层的限制作用，土 层压缩只出现很少的侧向变形。 • (2)假定地基土侧向不能变形引起的计算结果 偏小，取基底中心点下的地基中的附加应力来 计算基础的平均沉降导致计算结果偏大，因此 在一定程度上得到了相互弥补。
单面排水情况
双面排水情况 (点击图片观看动画）
（2）一维固结微分方程
• 太沙基一维固结微分方程可表示为如下 形式： 2
∂u ∂u = Cv 2 ∂t ∂ z（4-24）
式中 CV称为土的竖向固结系数，cm2/s，其 值为：
k (1 + e1 ) kEs Cv = = aγ w γw
• 上述固结微分方程可以根据土层渗流固结的初 初 始条件与边界条件求出其特解,当附加应力σz沿 始条件与边界条件 土层均匀分布时孔隙水压力u(z,t)的解答如下：
5么指标？
无粘性土依据的是土粒的粒径大小与级配， 无粘性土依据的是土粒的粒径大小与级配，粘性 土则主要依据土的状态特性指标－ 土则主要依据土的状态特性指标－塑性指数来定 名。
6.渗流和固结的联系与区别
(1).作用力: 渗流:地下水压力差 固结:外力引起的超孔隙水压力 (2) 对象: 渗流: 主要考虑土中水的流动,不考虑 土的变形(除了渗透破坏) 固结: 应力转移,超孔隙水压力消散,有 效应力增加引起土骨架变形 (3) 相同点:有水流动(压力差) (4) 不同点:有无应力转移
(2). 渗透变形
• 渗透变形:当水力梯度超过一定的界 渗透变形 当水力梯度超过一定的界 限值后， 限值后，土中的渗流水流会把部分土体 或土颗粒冲出、带走， 或土颗粒冲出、带走，导致局部土体发 生位移，位移达到一定程度， 生位移，位移达到一定程度，土体将发 生失稳破坏，这种现象称为渗透变形。 生失稳破坏，这种现象称为渗透变形
太沙基的有效应力原理与实际 情况差别有多大？
实际工程中的土中渗流问题一般都是三维问题， 而且土的渗透系数在竖向与水平方向的差别也 比较大，故在地基固结问题中采用三维固结理 论考虑渗流的空间效应非常重要。但三维固结 理论计算方法复杂，计算参数也很难获得，给 实际使用带来了困难。在通常的地基固结中， 按一维有侧限应力状态考虑采用太沙基的有效 应力原理进行分析计算虽然有误差，但在目前 条件下借助一定经验判断还是非常有效的。
8 .土中渗流的作用力及渗透变形 土中渗流的作用力及渗透变形 • （1）渗透力的定义 ） • 水在土中流动的过程中将受到土阻力 的作用，使水头逐渐损失。 的作用，使水头逐渐损失。 • 同时，水的渗透将对土骨架产生拖曳力， 同时，水的渗透将对土骨架产生拖曳力， 导致土体中的应力与变形发生变化。 导致土体中的应力与变形发生变化。这 种渗透水流作用对土骨架产生的拖曳力 称为渗透力。 称为渗透力。 •
7.达西定律的适用范围
• 达西定律是由砂质土体实验得到的 ， 后 达西定律是由砂质土体实验得到的， 来推广应用于其他土体如粘土和具有细 裂隙的岩石等。 进一步的研究表明， 裂隙的岩石等 。 进一步的研究表明 ， 在 某些条件下， 某些条件下 ， 渗透并不一定符合达西定 律 ， 因此在实际工作中我们还要注意达 西定律的适用范围。 西定律的适用范围。
• 重力水对砂性土物理力学性质的影响 （浮力、渗透力 浮力、 浮力 渗透力） • 毛细水对粉细砂物理性质的影响 • 重力水对粉细砂力学性质的影响（渗透 渗透 破坏、液化） 破坏、液化）
• 结合水对粘性土物理性质的影响（塑性 塑性 指数I 指数 P) • 重力水对粘性土物理性质的影响(液性指 液性指 数 IL ) • 结合水对粘性土力学性质的影响（强度 强度) 强度 • 重力水对粘性土力学性质的影响(强度值 强度值) 强度值
图4－1 e～p 曲线确定压缩系数
• （2）．压缩模量E • 根据e-p曲线，可以得到另一个重要的侧 限压缩指标—侧限压缩模量，简称压缩 模量，用E9来表示。其定义为土在完全 侧限的条件下竖向应力增量∆p（如从Pl 增至P2 ）与相应的应变增量∆ε的比值， 根据这个定义参见图4-5可得到： （4-3） 式中Es—侧限压缩模量，MPa