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清华大学土力学教材大纲，适合相关从业者温故而知新。包含土的物理性质与工程分类、土的渗透性和渗透问题、土体中应力计算、土体变形和地基沉降计算等内容
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第14章DNA的生物合成读书笔记
土力学
1、土的物理性质与工程分类
土性影响三大微观因素
土的三相组成
固体颗粒
粒径级配
填方工程需要级配良好的土
土粒成分
片状黏土颗粒表面常常带有不平衡 电荷
土中水
黏土中的强弱结合水（结合水不产生孔隙水压力）
自由水
土的物理状态
善于绘制土的三相草图
三相的比例关系
无黏性土的密实度
标准贯入试验测定
黏性土的稠度
弱结合水的存在是黏土具有可塑性的内因
液限wl
塑限wp
强结合水含量的上限
缩限
用液性指数评价黏性土的软硬状态
土的空间结构
无黏性土的结构
粒间作用力中重力起决定性作用
黏性土的结构
粒间作用力中重力不起主要作用，其他的物理、化学粒间作用力主导
两种特性
灵敏度
触变性
土的工程分类
土的压实性
无黏性土的压实性
黏性土的压实性
最优含水量和最大干密度
2、土的渗透性和渗流问题
达西定律
水力学伯努利方程
总水头差是渗流的内因
v=ki
渗流力
j=γwxi
渗流变形
流土
定义：在向上的渗透水流下，表层土局部范围内的土体或颗粒群同时发生悬浮、移动的现象
i＞icr=γ´/γw=（Gs-1）/（1+e）
黏性土和无黏性土都会发生
管涌
定义：渗流作用下，一定级配的无黏性土中的细小颗粒，通过较大颗粒所形成的孔隙发生移动，最终在土中形成与地表贯通的管道，从而引发土工建筑物或地基发生破坏的现象
产生条件
几何条件
不均匀土（Cu＞10）
级配不连续
土中细颗粒含量＜25％管涌土
土中细颗粒含量=25％-35％过渡型土
土中细颗粒含量大于35％非管涌土
级配连续Do=0.25d20
Do＜d3非管涌土
Do＞d5管涌土
Do=d3-d5过渡型土
水力条件
渗透力能够带动细颗粒在孔隙间滚动或移动是发生管涌的水力条件，可用发生管涌的临界水力坡降表示
只发生在无黏性土中
防治措施
防治流土的措施
上游做垂直防渗帷幕
上游做水平防渗铺盖，延长渗流路径
下游挖减压沟或者打减压井
下游填筑一定厚度的透水盖重
防治管涌的措施
改变水力条件，降低渗透坡降
改变几何条件，在渗流逸出部位铺设反滤保护层，反滤保护层一般是1-3层级配较为均匀的砂土和砾石层
3、土体中应力计算
有效应力原理
土的变形与强度的变化都只取决于有效应力的变化。当总应力不变时，孔压的变化将引起有效应力的变化，从而使土体的体积和强度发生变化。
地基中的附加应力计算
地表有竖向集中力作用下的布氏解
土体内部有竖向集中力作用下的明德林解
计算桩基沉降
角点法计算
布氏解和明德林解是基于弹性理论的假定，在下列很多情况下误差比较大
土体的非线性影响
成层地基的影响
变形模量随深度增大的影响
各向异性的影响
基础埋深的影响
超孔隙水压力
侧限应力状态下饱和土渗流固结模型
盛满水的有弹簧的钢筒。初始总应力与水压相等，加压过程中水溢出，瞬间的水压随着时间的推移逐步转换成给弹簧的有效应力，并产生形变（超孔隙水压力随时间递减至零）
超孔隙水压力定义：在外作用（如荷载、振动）或边界条件（如水位升降）下引起的孔隙水压力，它会随时间而消散，并伴以土体形变。为下式的△u=△u1=B△σ3
三维渗流固结下的超孔隙水压力计算：斯开普顿公式
△u=△u1+△u2=B[△σ3+A△（σ1-σ3）]
B--各向等压应力与孔压系数
A--偏差压力与孔压系数
4、土体变形和地基沉降计算
侧限压缩试验
建立应力与最终变形的函数关系
变形与孔隙比的变化函数关系
e=e0-（1+e0）s/H0
应力与应变的函数关系
土的弹塑性导致土加载后卸载再加载对Es的影响
p-ε曲线呈现螺旋上升的草写A
Es不是常数，它随应力增大而增大
土变形中大部分是弹塑性变形。加载后卸载，回弹量远小于压缩量；再压缩性比初次加载时压缩性小很多。土的应力历史对土的压缩性有显著影响。
三轴压缩试验
CD/CU/UU的试验区别
密砂（超固结黏性土）与松砂（正常固结黏性土）的应力应变关系不一样。前者出现剪胀现象，后者出现剪缩现象
变形模量随附加竖向偏差应力σ1-σ3增加而减小，这与上述侧限压缩试验结果有显著差别
土的变形特点和本构模型
非线性
弹塑性
剪胀性和剪缩性
压硬性（变形模量和强度随围压σ3增大而增大）
土的一维压缩性指标
e-lgp曲线特征
曲线呈现前段曲线后段斜直线形态
压缩指数Cc=-△e/△lgp和再压缩指数Ce，后者远小于前者，对于一般黏性土，后者为前者的1/10-1/15；表征为曲线中的变动斜率
可以采用卡萨格兰德法求先期固结压力pc
p比较大，孔隙比e≥0.42e0（e0是原始孔隙比），可认为扰动对土的压缩性无影响，e-lgp曲线发展最终汇于一点
土埋深越浅，土受扰动程度越低，直线段越明显；则新沉积地表土e-lgp曲线为斜直线（无曲线段）
原位压缩曲线简化模型
欠固结土压缩模型
曲线为斜直线形态
正常固结土压缩模型
曲线为水平直线＋斜直线形态
超固结土压缩模型
曲线为水平直线＋双折线形态
饱和土体渗流固结理论
建立沉降与时间的关系模型
5、土的抗剪强度
τf=c‘＋σ’tanφ‘
土的总应力法不符合土的抗剪强度机理
抗剪强度机理
摩擦强度σ’tanφ‘
颗粒间滑动摩擦强度
用滑动摩擦角φu表征
颗粒间咬合摩擦强度
表征为内摩擦角增大；出现剪胀（剪缩）现象。土越密越明显。
影响无黏性土内摩擦角主因：1、密度；2、级配；3、颗粒形状；4、矿物成分
影响黏性土内摩擦角主因：比无黏性土复杂，除相互移动和咬合作用原因外，还包括颗粒表面的物理化学引力
黏聚强度c’
黏性土：取决于颗粒间的物理化学引力
莫尔圆及极限平衡应力状态
极限平衡条件：建立最大主应力σ1与最小主应力σ3的量化关系，忽略中主应力
c、φ、c‘、φ’的测定实验方法
直剪试验
固结慢剪
先固结再慢剪，无超静孔隙水压力
固结快剪
快剪
缺点：很多，但由于属地化经验积累，故使用广泛
三轴剪切试验
工程试验中优先采用。先施加围压σ3，再施加竖向偏差应力σ1-σ3；按固结和排水条件分为CD、CU、UU
通过建立一组σ3-σ1f（σ3'-σ1f’）的极限状态莫尔圆，算出抗剪强度指标
缺点：适用于轴对称应力状态
无侧限压缩试验
十字板剪切试验
应力路径与破坏主应力线
应力路径：应力莫尔圆顶点移动轨迹
τf线（抗剪强度包线）：σ-τ坐标系中土体单元所有达到极限平衡状态的莫尔圆的公切线
Kf线（破坏主应力线）：p-q[（σ1＋σ3）/2；（σ1-σ3）/2]坐标系中极限平衡状态下莫尔圆顶点的连线集合
规律：τf线在Kf线上面，前者斜率比后者大一些，但两根线相交于横轴上某点。τf线截距c，Kf线截距对应为ccosφ；τf斜率为tanφ，Kf线斜率为sinφ
常规三轴试验的总应力路径和有效应力路径
土的抗剪强度指标
由于土的总应力法不符合土的抗剪强度机理；故对于总应力抗剪强度指标和有效应力抗剪强度指标的选择原则为：对于能够可靠确定孔隙水压力的问题，都应该优先采用有效应力分析方法；而对于孔隙水压力不能确定的问题，采用总应力法分析时，应选择与原位土体孔隙水条件相同或相近的试验方法来测定土的总应力抗剪强度指标。
上述c、φ、c‘、φ’的测定实验方法下的结果
三轴剪切试验结果
CD
试验测得的排水强度指标为Cd和φd；可视为有效应力抗剪强度指标c‘和φ’
对于天然黏土和超固结黏土，τf=Cd＋σtanφd
对于正常固结黏土或欠固结黏土，Cd=0，τf=σtanφd；这并不意味真实的情况下正常固结黏土没有黏聚强度，而是真实的c‘与σ成正比，被包含到φd中了
CU
试验测得的固结不排水强度指标为Ccu和φcu、孔隙水压力u
对于天然黏土和超固结黏土，τf=Ccu＋σtanφcu，真实的φ'＞φcu
对于正常固结黏土或欠固结黏土，Ccu=0，τf=σtanφcu，真实的φ'＞φcu，c'＜Ccu
UU
饱和黏土含水量-有效应力-抗剪强度唯一性定律：对同一种饱和黏土，存在单一的有效应力强度包线，且破坏时土样的含水量和抗剪强度存在唯一性关系，与试验的类型、排水条件和应力路径等无关
试验测得的不排水强度指标为Cuu和φuu
对于饱和黏土，Cu=（σ1-σ3）/2
土的抗剪强度指标的工程应用
工程试验优先采用三轴剪切试验结果。直剪试验成果应有属地化经验积累修正才能应用。
控制土体抗剪强度的是有效应力，且有效应力强度指标测定与取值稳定可靠，一般与应力路径无关。因此，应将有效应力分析法作为基本方法。
当无法测定孔隙水压力而被迫采用总应力法时，应根据现场土地的固结排水情况，选用合适的总应力强度指标。
6、挡土结构物上的土压力
挡土结构类型（按刚度和位移方式分）
刚性挡土墙
仅能发生整体平移或者转动，墙身挠曲变形可忽略。墙背的土压力呈三角形分布。如重力式挡土墙。
柔性挡土墙
土压力作用下自身产生挠曲变形，变形反过来影响土压力大小和分布。如支护中的排桩、地下连续墙、板桩墙等。这是作用在墙身的荷载呈曲线分布，计算时可简化为直线分布。
加筋挡土墙
靠筋材的拉力承担土压力，通过滑动面后面的土体与筋材间的摩擦力将筋材锚定，保持加筋土体整体稳定。
挡土墙土压力类型（以刚性挡土墙受力介绍）
静止土压力、主动土压力、被动土压力
土压力类型取决于墙体是否发生位移以及位移方向
对中密砂的试验表明：墙向离开土的方向只需移动1‰-5‰即可产生主动土压力，是比较容易产生的；但墙朝向土的方向需要移动1％-5％才能产生被动土压力，是比较困难产生的。这样就会导致墙后土体发生破坏之前，结构物可能已先破坏。因此，在估计挡土墙能抵抗多大外力时只能利用被动土压力的一部分或者以静止土压力替代。
土压力计算
静止土压力计算
P0=K0γz
对于无黏性土或者正常固结黏性土K0=1-sinφ'
对于超固结黏性土K0=正常固结黏性土的K0x超固结比的m次方；m一般取0.4-0.5
朗肯土压力计算
极限应力法：根据土的极限平衡状态计算。从研究墙后土体中一点的应力状态出发，从而求出作用在墙背上的土压力强度。
假定：当墙背面较光滑时，忽略墙背与填土之间的摩擦作用，假定墙背与填土之间无剪应力。对于墙背垂直，墙后填土面水平的情况一般可计算。
库仑土压力计算
滑动楔体法:考虑墙后某个滑动楔体的整体平衡，直接求出作用在墙背的总土压力
假定：1、平面滑动面假设；2、刚体滑动假设；3、楔体整体处于极限平衡状态
无黏性土采用数解法；黏性土或者填土面不是平面则采用图解法
朗肯理论与库仑理论的比较
墙背与填土之间的摩擦角为δ，填土内摩擦角为φ
当δ和φ较小时（≤20°）两个理论与真实值误差都可接受；反之，则误差比较大，朗肯计算结果偏小，库仑计算结果偏大
坦墙的土压力计算
运用朗肯理论和库仑理论都可以
加筋挡土墙受力计算
