趣味土力学ppt课件.ppt

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1、趣味土力学,授课教师：倪振强,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

2、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 http:/,参考

3、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,1、土的颗粒级配,d60,d50,d10,d30,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,Cu 5，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,有效粒径,平均粒径,限制粒径（限定粒径）,中值粒径,生活

4、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（coefficient of u

5、niformity) Cu = d60 / d10 2、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（submerged or buoyant unit weight）” 和“浮重度(buoyant density)“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

6、本概念,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

7、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.,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”；,3、黏性土的一些性质,同学们在学过土力学之后，其

8、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5m），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

9、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

10、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。,J,T,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

11、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）,3、驴子过河,H1,H2,H3,H,h,k1,k2,k3,x,z,q1x,q3x,q2x,L,层状地基的等效渗透系数,1,1,2

12、,2,不透水层,水平渗流,条件:,等效渗透系数:,qx=vxH=kxiH 总算,qix=kxiH=kiiiHi 分算,4、水平等效渗透系数kh与垂直等效渗透系数kv,H1,H2,H3,H,h,k1,k2,k3,x,z,竖直渗流:,v,承压水,条件:,等效渗透系数kz :,vi = ki (hi/Hi),分算,总算,水平渗流情形,垂直渗流情形,条件,已知,等效,推定,算例说明,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

13、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

14、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

15、、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），而且岩体节理发育、风化强烈。这样有时遇到土质地层比岩质地层磨损还要厉害的情况是完全有可能。,根据有效应力原理，土的抗剪强度是由有效应力决定的，孔隙水压力不会产生抗剪强度。但有时又无法将有效应力和孔隙水压力分开，只好用总应力与抗剪强度的关系表述，也就是用总应力指标（c、）。这正如工厂的计件生产率与全员生产率一样，100个工人共生产了1000

16、个产品，则有效生产率为10个/人，而工厂共有人员200人（包括行政管理、党、团、青、工会、计划生育）总生产率为5个/人。也就是所谓的“大锅饭”。,2、有效应力指标和总应力强度指标,三轴固结不排水（CU）试验中，试样土体有体缩趋势产生正的孔隙水压力；有剪胀趋势时，产生负的孔隙水压力；试着将口中水喷出时，与用吸管吸水时，口内是缩还是胀？,固结排水试验,固结不排水试验,3、土的剪胀剪缩与正负孔压,4.1 思考：飞起的鸽子和液化的砂土,一个密闭的车厢中，有1000支装鸽子的鸟笼。如果鸽子同时飞起，那么车厢的总重量是否减少了1000支鸽子的自重？如果一个1m高的铁桶中装满饱和松砂，在砂土液化时，桶底上的

17、压力是否只是静水压力1w？桶底上的压力还应当是1sat(砂的饱和重度)，否则就无法平衡了。那么鸽子呢？以此推理，鸽子起飞后，车厢的总重量应当是不变的。,4、砂土液化问题,装满液化砂土的桶壁土压力是多少？液化砂土的内摩擦角为0，无论是主动、被动，还是静止土压力系数都是1.0，所以桶壁各点的土压力为p=satz。但是液化时既然砂土土粒处于悬浮状态，竖向有效应力为0，那么砂粒与桶壁也是不接触的，怎么有土压力呢？ 将此理解为水压力更准确一些，应当是其水压力为pw=satz ,其中wz 为静水压力，z为超静水压力。这时水土合算与水土分算就一样了。,4.2 砂土液化与土压力,台湾集集地震,日本新澙地震,日

18、本阪神地震,4.3 建筑物-地基液化引起的倾覆,地震对结构的破坏主要祸首是横波，即剪切波，右图表示了在剪切荷载作用下墙柱被剪断的情况。一般都是抗剪断面最小的位置被剪切破坏。而一旦发生液化，地基土抗剪强度完全丧失，地基承载力也完全丧失，地基不再传递剪应力，所以对房屋结构本身的剪切力很小，建筑物失稳倾倒，在这种情况下的人员伤亡可能不大。,思考：地震液化地基上的建筑物为什么倒而不塌？,话说有一次太沙基（Karl Terzaghi）雨天在外边走，不留神滑了一跤。他想起牛顿被苹果砸了一下发现了万有引力的理论，而自己也不应白跌一跤。他没有急于爬起，而是仔细观察：黏土地面，下雨路滑是常识。为什么人在饱和黏土

19、上快走会滑倒，而在干黏土和饱和砂土上不会滑倒？他陷入了思考。,8、有效应力原理,1、太沙基与有效应力原理,他仔细观察，发现鞋底很光滑，滑面上有一层水膜。于是他认为：作用在饱和土体上的总应力，由作用在土粒骨架上的有效应力和作用在孔隙水上的孔隙水压力两部分组成。前者会产生摩擦力，提供人前进所需要的反力；后者是水而没有抗剪强度。人踏在饱和黏土上的瞬时，总应力转化为超静孔隙水压力，而黏土渗透系数又小，快行一步时间内孔压不会消散而转化为有效应力，因而人快步行走就会滑倒。著名的“有效应力原理”就形成了。,所谓智者失足，必有所得；愚者跌倒，怨天尤人。,下雨后，在土路表面上洒一层砂，就避免了滑倒和车辆事故，由

20、于饱和黏土中行车走路由于超静孔隙水压力使土的抗剪强度急剧降低。砂土的渗透系数很高，洒砂以后，在荷载作用下产生的超静孔压会迅速消散，有效应力提高，发挥砂土的抗剪强度，提供足够的摩擦力。汽车的轮胎和鞋底制成纹路，除了用来增加与地面的咬合力以外，也是为了便于排水，使孔压尽快消散，提供摩擦力。那为什么雪后也撒砂呢？通常认为冰雪是滑的，其实主要是由于其表面存在一薄层未冻水，它们隔绝了冰雪固体间的接触，在受力时产生超静孔压。在极低温下，冰雪也不是很滑的。撒砂能够避开冰雪中的未冻水膜，靠砂粒间的摩擦力提供前进的反力。,2、为什么雨雪天气后往地上撒砂？,地下水位下降，有效自重应力增加，这就好比一个人扛着重物，

21、重物质量增加了，人就要弯腰了。地下水位上升，由于岩溶和黏土矿物吸水，使土体的抗剪强度降低，这就好比一个人扛着重物，重物质量未变化，人自己生病了，人无法承受原来能承受的重物，人就要弯腰了。注：水位变化造成的地面沉降，必须要有压缩土层。,3、地下水下降和上升引起地面沉降的原因分别是？,在一个拥挤的公共汽车上，我们需要使出被动土压力才能上去；给轮胎打气，我们要用力才能打进去，轮胎（土）承受被动土压力。有人下车，车门打开时我们受到的是主动土压力；给轮胎放气，气很轻松就放出来了，轮胎（土）是主动土压力。,9、土压力,库伦土压力理论中为什么主动土压力是所有滑动面中对应的最大土压力？,库伦土压力理论中为什么

22、被动土压力是所有滑动面中对应的最小土压力？,一次非洲杯足球赛在非洲某国进行，容纳5万人的球场，涌进了7万多球迷。当主队进球时，热情澎湃的主场黑人球迷，掀起了欢呼跳跃的狂潮。于是乐极生悲，看台钢结构突然断裂，数百人伤亡。事故发生后，有人就问：看台的地基承载力、地基沉降和结构强度都是按规范设计和施工的，为什么这时不是看台突然沉降到地下，而是钢结构破坏呢？,1、看台的倒塌与地基的沉降？,10、地基承载力,这种看台的设计是以人群这种活荷载控制的。标准值为5万人，实际挤进7万人，再加上人群同时欢呼跳跃，已超过钢结构的承载能力，钢材瞬时超载就可能断裂，结构倒塌在所难免。可在一维渗流固结理论中，地基沉降主要

23、由于黏性土的压缩，而这种沉降常常是渗流固结沉降，这是需要时间的，短则几月，长则几年。7万人不吃不喝一场球最多坐3小时，而他们狂热的瞬时欢呼跳跃，对沉降几乎没有影响。所以规范规定，在沉降计算中对活荷载采用荷载效应的准永久组合。亦即采用5万人，对有固定座位的看台还要并乘以0.3的组合系数。所以只要不是地基液化，地基不会突然沉降。,1、地下室真的会浮起来吗?,11、基坑与基础,如果是纯地下室，以顶面填土压重的方式平衡浮力，那么无论在施工阶段或使用阶段，上浮的危险性都比较大。 那么如果是高层建筑物呢？ 建筑物的自重足以平衡浮力，但底板上承受着浮力的作用，底板配筋时就必须考虑浮力这个荷载了。,浮力从何而

24、来?,基坑开挖时会人工降水，但浇筑底板的时候就停止了降水，这时地下水位上升就产生了浮力。另外降雨是使地下水位上升，产生浮力的一个主要原因。,浙江宁波一小区居民楼地下室（2011年） 原来地下室的框架刚刚与地面持平，没想到一场大雨就整个浮了起来，高的地方已经离地面1米多了。,合肥市某新建小区地下停车库地下二层框架结构,泄水照片,2、什么是墩基础？,在我国的地基基础技术规范体系中没有“墩”的设计方法，浅基础与桩基之间不存在“墩”这种基础类型，因此也没有墩与浅基础或桩基础的界限。 国外，按施工方法将打入或压入的预制桩称为桩（pile），而将成孔后灌注桩混凝土的称为墩（pier）。 在我国，过去曾经将

25、大直径的灌注桩称为大直径灌注桩（墩），但最近编制的大直径扩底灌注桩技术规(JGJ/T225-2010)，已经取消了括号里的“墩”。 这好比姚明和奥尼尔，虽然体型不一样，在篮球场上发挥的作用一样，他们都叫中锋Center。,二广高速公路晋城至济源段的控制性工程，位于山西省晋城市泽州县山河镇境内。大桥桥墩高150.07米，居亚洲第一。,3、一柱一桩与一柱多桩,一些工程，常使用一柱一桩的基础形式。一旦该桩出现破坏，则柱就会下沉，引起柱间差异沉降及结构破坏。这就好比是独生子女，一旦不成材整个家庭都无望。 但如果采用一柱多桩，有个别桩出现问题，其他桩会多承担一些荷载，则基本没有危险。,4、现代社会了还用木桩，有用吗？,彩虹桥下徒骇河岸边的木桩,1）桩主要承受水平土压力；2）黏土坡的稳定性（坡度、抗剪强度、坡面措施）；3）交通荷载的影响；4）洪水期的考验；5）木材的使用年限（干千年，湿千年，干干湿湿两三年）。,希望大家在以后的学习中，能发现每门课程的乐趣，并在实践中学以致用！,