土力学

土力学复习思维导图，包括土的组成和物理性质、土中应力分布及计算、土的压缩性与地基沉降、土的抗剪强度等内容。

土力学

土的组成和物理性质

土的三相组成和三相指标

三相

固相

土的矿物组成和颗粒级配

颗粒级配

不均匀系数Cu

d60/d10

限制粒径/有效粒径

>10级配良好

<5级配不好、均粒土

曲率系数Cc

d30*d30/d60d10

Cu>5,Cc=1-3级配良好

土的结构

单粒结构【大颗粒】

碎石、沙砾

分散结构

粉粒

絮状结构

黏粒

液相

土中水

结合水

强结合水

吸着水

弱结合水

薄膜水

自由水

重力水

毛细水

气相

土中气

通畅气

粗粒土

封闭气

细粒土

三相指标

直接测定

密度

土粒比重【相对密度】Gs

4℃时质量与水的比值

含水率w

间接换算

孔隙比e

砂土【无粘性土】的相对密实度

Dr=emax-e/emax-emin

孔隙比的关系

标准贯入试验

最初打入土层不计锤数的厚度为15cm

孔隙率n

饱和度Sr

干密度d

干重度d

饱和密度sat

饱和重度sat

浮密度’

浮重度‘

黏性土

界限含水率

粘性土转换状态的分界含水率

液限wL

塑限wp

缩限ws

稠度状态

粘性土的干湿程度

某含水率下抵抗外力作用变形或破坏的能力

粘性土最主要的物理状态指标

指标

塑性指标

Ip=wL-wp

➢ 塑性指数表示处在可塑状态时土的含水率可变化的幅度，塑性指数越大，可塑状态含水率变化范围也越大。

➢ 一般的，塑性指数越高，土的粘粒含量越高，所以常用作粘性土的分类指标

土体固有状态

反应粘性土状态指标

>1

液态

0<IL≤1

可塑状态

≤0

固态、半固态

液性指数

IL=w-wp/wL-wp

➢ 液性指数是用来表征粘性土的含水率状态的指标

➢ 液性指数越高，表明天然含水率越接近于液限含水率

受含水率的不断变化，而使土体呈现不同的状态，比如流态、可 塑态、半固态、固态

天然条件下的状态

土的压实性

影响因素

最优含水率wop

可达到最大密实度的含水率

最大干密度

实验

击实试验【试验室】

最大干密度

现场夯实或碾压

二者得到的结果往往不同

影响因素

压实能量

级配

在相同压实功作用下，同时得到最优含水率和最大干密度

击实能量

土类和级配

➢ 对于粘性土，在相同含水率情况下，粘性土的粘粒含量越高，或塑性指数越大，越难以压实。

➢ 对于无粘性土，在含水率较大时得到较高的干密度，无粘性土的填筑标准，通常是用相对密实度来控制的。

➢ 对于同一类土中，土的级配对它的压实性影响很大，级配良好的土，易于压实，反之，则不易压实。

粗粒含量

土的工程分类

土中应力分布及计算

土的自重应力

一般不产生变形和沉降

半无限空间体的地基

不存在剪应力和横向变形

只有竖向变形

自重应力分布式=yihi

叠加

各层【重度*深度】之和

地下水位以下透水层取浮重度

其他计算类型

有毛细管水上升的自重应力计算

不透水层中土的自重应力计算

不透水层土中自重应力等于其上覆土层的水土总重

潜水和承压水的土中应力计算

潜水：埋藏在地表以下第一个稳定隔水层以上具有自由水面的重力水，自由水面即为潜水面

承压水：充满两个隔水层之间的含水层中的地下水

起算点为天然地面

分布特征：沿深度折现增大

基础底面压力

刚性基础的基底压力

在中心荷载作用下，基底压力均匀分布

荷载呈矩形

单向偏心荷载作用下的基底压力

计算基础底面两侧最大、最小边缘压力值

偏心距e<L/6时，基底压力为梯形

Pmax/min=(F+G)/A±M/W

W=Iy/L/2=(bl^3/12)/(l/2)=bl^2/6

偏心距e=b/6时，基底压力为三角形

Pmax=（F+G）/A+M/W

W=Lb^2/6

M=(F+G)*L/6

Pmin=0

偏心距e>L/6时，基底压力为三角形

Pmax=2(F+G)/3al

a=b/2-e

Pmin=0

基底附加压力

修建建筑物的荷载在其地基的土体上引起的内力增量

=接触应力-自重压力

对埋深为d的基础，基底平均附加压力P=基底总压力-土的自重应力

分布特征：沿深度逐渐减小，曲线变化

影响因素

基础底面压力

基础埋深

土中附加应力

由基低附加压力引起的地基中压力增量

空间问题

竖向集中力作用下的附加应力

布辛奈斯克解

均布矩形荷载作用下的附加应力

角点法计算

矩形面积三角形分布荷载作用下的附加应力

圆形面积均布荷载作用下的地基附加应力

平面问题

线荷载

均布的条形荷载

分布规律

应力会分布在荷载面积内外，甚至会延伸到荷载外非常大的范围之下

应力沿荷载垂线越深越小

基础底面下任意水平面上，基底中心的水平面上应力最大

海姆假说认为

地应力的铅直应力和水平应力相等，即处于静水压力状态，不区分浅部和深部

土的压缩性与地基沉降

土的压缩试验

压缩性

土在压力下体积减小的性质

排除空气和水

压缩试验

室内侧限压缩试验/固结试验

慢速压缩试验法

快速压缩试验法

工程常用

压缩曲线

e-p曲线

斜率a=e1-e2/p2-p1

压缩系数

可评价土压缩性的高低

<0.1MPa^-1

低压缩性土

0.1-0.5

中压缩性土

>0.5

高压缩性土

随压力变化而变化

e-lgp曲线

斜率Cc=e1-e2/lgp2-lgp1

压缩指数

卸载再压缩

残余变形+弹性变形

e-lgp曲线接近直线

在压力较大时为常数

Cc越大，压缩性越高

低压缩性一般小于0.2

高压缩性一般大于0.4

回弹指数/再压缩指数

一般黏性土的Ce=（0.1-0.2）Cc

卸载段和再压缩段的平均斜率

土的压缩模量

ES=（1+e1）/a

>15MPa

低

15-4

中

≤4

高

变形模量Eo

现场静载试验确定

Eo=（1-2μ^2/(1-μ))Es

泊松比μ

粉土、砂石=0.15-0.25

粉质粘土=0.25-0.35

粘土=0.25-0.42

基础沉降

地基的最终沉降量计算/基础沉降量

假定土体为线弹性体

分层总和法

对土附加应力曲线的化整为零、积零为整的方法

分层【一般为0.4b或1.2m】

地下水位及土层分界线应该为分层界面

分别求每一薄层顶面和底面的应力

确定压缩层厚度

应力比法

0.2-0.1

“规范”法

沉降计算的弹性理论法

任意时刻的沉降量

地基变形与时间的关系

土的渗透性及流砂现象

渗透性

地下水在土的连通孔隙中流动的难易程度

层流

层流渗透定律

流速慢

达西定律

q=kAi

渗透速度v=ki

紊流

动水力及流砂现象

动水-力Gd

动水力=浮重度

流砂现象

土颗粒悬浮失稳

有临界水头梯度icr

管涌

砂性土中，细小颗粒被水从缝隙中带走

位置

渗流溢出处

土体内部

沉降

高压固结试验

瞬时沉降sd【不排水】

剪切变形

体积不变

固结沉降sc

水分排出，体积减小

次固结沉降ss

水压力消失，土骨架蠕变沉降

软土/有机质土/深层可压缩性土考虑

土的应力历史

前期固结压力pc

历史中受过的最大有效压力

超固结比OCR=pc/pl【自重应力】

超固结土

自重应力＜pc

压缩量最小，于工程有利

正常固结土

自重应力=pc

最常见

欠固结土

自重应力＞pc

没有完全固结【变形稳定】

有效应力原理

有效应力/粒间应力a

土骨架中颗粒彼此接触点传递的应力

可以使颗粒挤紧

孔隙水压力/超静孔隙水压力u

分层总和法

p=u+a

渗透固结简介

渗透固结/主固结

孔隙水失去，有效压力增大

太沙基一维固结理论

固结度U

低压缩黏性土地基

0.5-0.8

中

0.2-0.5

高

0.05-0.2

固结系数 Cv

土的抗剪强度

测定方法

直接剪切 试验

库伦定律

内摩擦角

黏性土小于无粘性

黏性土有时取0

黏聚力

总应力分析

分类

快剪

固结快剪

慢剪

三轴剪切 试验

有效应力分析 可计算孔隙水压力

无侧限抗压试验

饱和软粘土

现场原位 —十字板剪切

饱和软粘土

莫尔-库伦强度理论

莫尔圆与包络线的三种关系

相切

切点极限平衡

极限平衡条件

相离

剪应力均小于抗剪强度

弹性平衡

相割

剪应力大于抗剪强度

破坏状态【实际不存在】

地基承载力

地基破坏形式

整体剪切破坏

3个明显变形阶段

1、线性变形阶段

2、塑性变形阶段

塑性荷载

3、完全破坏阶段

刺入剪切破坏

局部剪切破坏

地基破坏的过程

p-s曲线

临塑荷载和临界荷载

临塑

即将出现塑性区的临界值

临界

即将破坏的临界值

地基极限承载力

单位s上，地基可以承受的荷载

取决于岩体结构面的强度，与基础用料强度无关

计算方法

地基规范确定

荷载试验确定

用土的抗剪强度指标确定

用理论公式确定

斯肯普顿公式

饱和软粘土地基

太沙基公式

条形浅基础+粗糙底面

条形基础公式

半经验公式

圆形基础公式

方形基础公式

安全系数一般取3

汉森公式

中心倾斜荷载作用

用当地建筑经验确定

土压力

压力类型

静止土压力

静止土压力系数Ko

黏土0.5-0.7

砂土0.35-0.5

有效内摩擦角

主动土压力

被动土压力

大小关系

被动>静止>主动

朗金土压力理论

基本假定

地面水平、半无限土体

竖直面与水平面均为主应力面

墙背—竖直、光滑

填土面水平土体为均匀各向同性体

主动土压力Ea

三角形线性分布

H/3处

被动土压力 Ep

合力作用于三角形【无黏性】或梯形【黏性】形心处

库仑土压力理论

基本假定

墙后的填土是理想的散粒体，c=0

滑动破坏面为平面

主动土压力

增大因素

内摩擦角减小、重度增大、黏聚力减小

特殊性土

软土

包括软土、充填土、杂填土、其他高压缩性土

成因：静水、缓慢流水区形成软塑到流塑状态的饱和黏土

三角区等区域

特性

含水率、孔隙率大

天然含水率>液限，孔隙比＞1.0

压缩性高

抗剪强度低

透水性小

据触变性和流动性

黄土

特征

高塑性黏土

吸水膨胀、失水收缩

强度高、压缩性低

危害

收缩性变化导致不均匀沉降

膨胀土

吸水膨胀、失水收缩

膨胀性指标

自由膨胀率

增加体积/原干土体积

无结构力影响下的膨胀特性

膨胀率

式样增加高度/原高度

膨胀力

膨胀产生的最大内应力

线缩率和收缩系数

膨胀土的地基评价

膨胀土的判别

自由膨胀率＞40%

蒙脱土含量≥7%

亲水性分级

根据自由膨胀率和蒙脱土含量

强、中、弱

地基分级变形量

s=膨胀变形量/收缩变形量

膨胀土地基承载力

红黏土

高塑性黏土

特点

天然含水量很高，40—60%；

密度小，天然孔隙比很大 1.4—1.7；

塑性指数为20—50；

一般处于坚硬或硬可塑状态；

强度高，压缩性低；

不具有湿陷性，原状土浸水后膨胀量很小，但失水后收缩剧烈。

物理力学性质变化规律

1. 随深度的加大，天然含水量、孔隙比和压缩性都有较大的增高，强度大幅度降低；

2. 水平方向上，地势较高的部位，排水条件好，天然含水量、孔隙比和压缩性均较低，强度较高；

3. 平面分布上，次生坡积红粘土经过搬运，结构松散，强度比原生残积红粘土差。

4. 红粘土近地表往往裂隙发育，破坏了土体的整体性和连续性，土体强度显著降低。

盐渍土

有溶陷性、膨胀性和腐蚀性

地基承载力变化大

随着季节和气候的变化而变化，在干燥时盐分呈结晶状态，地基承载力较高

浸水后，晶体溶解变为液体，承载力降低，压缩性增大

在天然状态下，盐渍土为很好的地基，一旦因自然条件改变就会产生严重的溶陷、膨胀和腐蚀，使建筑物裂缝、倾斜或结构被腐蚀破坏

冻土

季节性冻土——受季节影响，冬冻夏融，呈周期性冻结和融化的土

多年冻土——持续三年以上处于冻结而不融化的土

填土

素填土、压实填土、杂填土、和冲填土

可液化土

边坡稳定分析

土坡滑动失稳的机理

土坡作用力发生变化

静水力变化

土的抗剪强度减小

含水量增加

超静水压力增加

地下水渗流作用

【无黏土】均质土坡的稳定分析

极限平衡状态

土坡稳定的极限坡角=内摩擦角【天然休止角】

影响稳定性的因素

坡角

与坡高无关

为保证土坡的安全储备【K=1.1-1.5】

黏土土坡稳定分析

此时把滑动面假定为圆筒面

条分法

总抗滑力矩>滑动力矩，则稳定

对滑动面圆心取矩

稳定数法Ns

滑动面类型

坡脚圆

坡面圆

中点圆

表中查到的稳定数>计算稳定数——稳定