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1、第三章第三章 土的力学性质土的力学性质压缩性压缩性 抗剪性抗剪性 击实性击实性自自11731173年动工修建，当塔筑年动工修建，当塔筑至至24m24m高时发生倾斜，限于高时发生倾斜，限于当时技术水平，因不知其原当时技术水平，因不知其原因而停工。因而停工。100100年后续建至年后续建至塔顶，高约塔顶，高约55m55m，全塔总重，全塔总重约约145MN145MN，基础底面平均压，基础底面平均压力约力约50kPa50kPa。地基持力层为。地基持力层为粉砂土，下面为粉土和粘土粉砂土，下面为粉土和粘土层。层。塔向南倾斜，塔向南倾斜，南北两端南北两端沉降差达沉降差达1.80m1.80m，塔顶离中，塔顶离
2、中心线已达心线已达5.27m5.27m，倾斜，倾斜5.55.5，成为危险建筑。成为危险建筑。19901990年年1 1月月4 4日被封闭。日被封闭。比萨斜塔比萨斜塔为了防止斜塔继续倾斜，意为了防止斜塔继续倾斜，意大利当局在斜塔大利当局在斜塔北侧北侧的塔基的塔基下码放了数百吨重的铅块，下码放了数百吨重的铅块，并使用钢丝绳从斜塔的腰部并使用钢丝绳从斜塔的腰部向北侧拽住，还抽走了斜塔向北侧拽住，还抽走了斜塔北侧的许多淤泥，并在北侧的许多淤泥，并在塔基塔基地下打入地下打入1010根根5050米长的钢柱米长的钢柱。今天看来，政府所采取的种今天看来，政府所采取的种种措施颇具成效，终于使这种措施颇具成效，终
3、于使这座举世无双、经历了数百年座举世无双、经历了数百年风雨的罗马式建筑摘掉了钢风雨的罗马式建筑摘掉了钢绳的束缚，摆脱了倒塌的危绳的束缚，摆脱了倒塌的危机。机。塔身倾斜度从原来的塔身倾斜度从原来的5.5度度挺直为现在的挺直为现在的3.99度度。 20012001年年1212月月1515日起，恢日起，恢复向游人开放。参与该复向游人开放。参与该项工作的工程师说，斜项工作的工程师说，斜塔在未来塔在未来300300年内不会年内不会出现倒塌。出现倒塌。正在纠偏中的比萨斜塔正在纠偏中的比萨斜塔（刘福明摄于（刘福明摄于2000年）年） 加固塔身加固塔身地基处理方法：压重法和取土法地基处理方法：压重法和取土法钢
4、柱加固钢柱加固第一节第一节 土的压缩性土的压缩性 一、土压缩变形的特点与机理一、土压缩变形的特点与机理土的压缩性土的压缩性是指在压力作用下体积变小的性能。是指在压力作用下体积变小的性能。 由于土的压缩实质上是土孔隙中的由于土的压缩实质上是土孔隙中的水分和水分和气体被挤出气体被挤出，土颗粒相互移动靠拢，致使，土颗粒相互移动靠拢，致使孔隙孔隙体积减小体积减小，从而引起，从而引起土的体积减小土的体积减小。有侧限有侧限（无侧胀）（无侧胀）压缩压缩基础砌置较深的建基础砌置较深的建筑物地基土的压缩接近于在无侧胀条件下进行。实验室研筑物地基土的压缩接近于在无侧胀条件下进行。实验室研究土的可压缩性多采用这种条
5、件；究土的可压缩性多采用这种条件；无侧限无侧限（有侧胀）（有侧胀）压缩压缩飞机场和道路飞机场和道路(尤其尤其是路堤是路堤)等表面建筑物以及基础砌置较浅的建筑物地基土等表面建筑物以及基础砌置较浅的建筑物地基土的压缩，近似于无侧限条件。的压缩，近似于无侧限条件。 两种压缩环境的对比两种压缩环境的对比二、压缩试验与压缩定律二、压缩试验与压缩定律 （1 1）试验类型：）试验类型：以有侧限以有侧限（无侧胀）（无侧胀）压缩为例压缩为例 由于土的压缩实质上是孔隙体积的变小由于土的压缩实质上是孔隙体积的变小（微观上的变化）（微观上的变化）, ,而在有侧限条件下的压缩而在有侧限条件下的压缩变形具体表现为土的纵向
6、变形变形具体表现为土的纵向变形（宏观上的变宏观上的变形）形），因此，这两者之间必然有一定的关系。因此，这两者之间必然有一定的关系。在实践中，一般用在实践中，一般用土样高度土样高度的变化的变化（h h）和）和孔隙比孔隙比的变化的变化（e e）来表示这种关系。）来表示这种关系。土土 粒粒水水气气 压缩前压缩前Vp0=e0VSVs 压缩后压缩后V0= VS( 1+e0 )土土 粒粒水水气气VsV1= VS(1+e1)Vp=e1VS无侧胀条件下土的压缩示意图无侧胀条件下土的压缩示意图h1h0 利用固体颗粒体积利用固体颗粒体积Vs保持不变，推导无侧保持不变，推导无侧胀条件下，土发生压缩变形前后，胀条件下
7、，土发生压缩变形前后， h1h1与与e e的关系：的关系： P30 公式公式110001)(1ehhAeAh010011eeehh001011ehhee （2 2）压缩特性的表示方法压缩特性的表示方法 如前所述，土的压缩实质是压力作用下，空隙中如前所述，土的压缩实质是压力作用下，空隙中水、气排出，土粒相互靠拢所致。因此土的压缩特性水、气排出，土粒相互靠拢所致。因此土的压缩特性主要与压力的大小和作用时间的长短（即水、气排出主要与压力的大小和作用时间的长短（即水、气排出的速度）有关。的速度）有关。 固结曲线固结曲线孔隙比（或变形量）与时间的关系孔隙比（或变形量）与时间的关系（见土力学）（见土力学）
8、压缩曲线压缩曲线孔隙比与压力的关系孔隙比与压力的关系 土的压缩特性的土的压缩特性的表示方法表示方法土的压缩曲线土的压缩曲线 土的固结曲线土的固结曲线 土的压缩曲线土的压缩曲线ep孔隙比孔隙比压力压力p（kPa）e0.6800.6800.7000.7000.7200.7200.7400.7400.7600.7600.7800.7800 04004008008001200120016001600常规压缩实验，各级压力常规压缩实验，各级压力pi下变形稳定标准：下变形稳定标准：1h内变形内变形量不大于量不大于0.005mm或每级压力作用或每级压力作用24h。ep1221:ppeetga压缩系数 压缩曲
9、线：压缩曲线：随压力随压力p p的不断的不断增大，压缩变形量逐渐增加，孔隙增大，压缩变形量逐渐增加，孔隙比比e e不断减小。不断减小。 随随p p增加，增加，e e刚开始变化增加快刚开始变化增加快（压缩快），后面压缩慢。曲线逐（压缩快），后面压缩慢。曲线逐渐变缓。渐变缓。 工程实践中，一般以压缩曲线的工程实践中，一般以压缩曲线的斜率斜率来评价土的压缩性。来评价土的压缩性。 土的压缩定律：土的压缩定律：在压力变化范围不大时，土的孔隙比在压力变化范围不大时，土的孔隙比的变化（减小值）与压力的变化（增加值）成正比。的变化（减小值）与压力的变化（增加值）成正比。 p p或或e e 压缩系数：压缩系数：
10、单位单位MPaMPa-1 -1 或或KPaKPa-1-1, ,是表征土压缩是表征土压缩性大小的重要指标，广泛应用于性大小的重要指标，广泛应用于土力学计算土力学计算中。中。 相同压力变化范围内，相同压力变化范围内，压缩系数越大压缩系数越大，表明土的空，表明土的空隙减小得越多，即隙减小得越多，即压缩性越高压缩性越高。 土的压缩系数土的压缩系数并不是常数并不是常数，与压力区段的，与压力区段的大小大小和和压力水平压力水平有关。有关。 （3 3）压缩特性的表示指标压缩特性的表示指标标准压缩系数标准压缩系数a a1-21-2： 一般的工民建作用于地基土的压力为一般的工民建作用于地基土的压力为0.10.2M
11、PaMPa。所以在工程实践中，常选择所以在工程实践中，常选择p p1 1= =0.1MPaMPa，p p2 2= =0.2MPaMPa所对应所对应的压缩系数的压缩系数1-21-2（标准（标准压缩系数压缩系数）作为判断土压缩性高作为判断土压缩性高低的标准。低的标准。 1-21-20.1 MPa0.1 MPa-1 -1 低压缩性土低压缩性土 0.10.11-21-20.5 MPa0.5 MPa-1 -1 中压缩性土中压缩性土 1-21-20.5 MPa0.5 MPa-1-1 高压缩性土高压缩性土、 s s 越大，越大，土的压缩性越土的压缩性越高高，抵抗压缩变形的能力越，抵抗压缩变形的能力越弱弱压缩
12、模量压缩模量指土在指土在有侧限有侧限的条件下的条件下受压时，在受压方向上的受压时，在受压方向上的应力应力与相应的与相应的应变应变之比。单位：之比。单位：MPa MPa （KPaKPa）。）。zzsE12ppz12101 eeehhzaeeeeppEs11211211EsEs越大越大，土的压缩性越土的压缩性越低低，抵抗压缩变形的能力越，抵抗压缩变形的能力越强强 实际工程中也常用实际工程中也常用p p1 1= =0.1MPa,pMPa,p2 2= =0.2MPaMPa相相对应的对应的压缩模量压缩模量来评价土的压缩性，常用于土来评价土的压缩性，常用于土力学沉降计算中。力学沉降计算中。 E Es s1
13、5 MPa15 MPa 低压缩性土低压缩性土 4 4 E Es s 15 MPa15 MPa 中压缩性土中压缩性土 E Es s 4 MPa 4 MPa 高压缩性土高压缩性土 变形模量变形模量无侧限无侧限（有侧胀）条件下，（有侧胀）条件下，压应力与相应的压缩应变的比值通常称为变形模压应力与相应的压缩应变的比值通常称为变形模量（量（E E0 0），通过），通过现场载荷试验现场载荷试验求得。求得。P P210210E E0 0越大，越大，土的压缩性越土的压缩性越低低，抵抗压缩变形的能力越，抵抗压缩变形的能力越强强压缩模量压缩模量Es有侧限（无侧胀），有侧限（无侧胀）， h h小小 变形模量变形模量
14、E0 无侧限（有侧胀），无侧限（有侧胀）， h h大大Es E0第二节第二节 土的抗剪性土的抗剪性 一、土发生破坏的两种类型一、土发生破坏的两种类型: :b.拉断破坏拉断破坏拉应力引起，裂隙面两侧沿垂直于裂隙拉应力引起，裂隙面两侧沿垂直于裂隙面方向（即沿拉应力方向）发生相对位移而开裂，例如：面方向（即沿拉应力方向）发生相对位移而开裂，例如：卸荷裂隙和收缩裂缝。卸荷裂隙和收缩裂缝。a.剪切破坏剪切破坏剪应力引起，破坏面两侧沿剪切方向发剪应力引起，破坏面两侧沿剪切方向发生相对位移；生相对位移；土的抗破坏性一般指的是其土的抗破坏性一般指的是其抗剪性。抗剪性。典型实例：滑坡典型实例：滑坡滑坡形成示意图
15、滑坡形成示意图滑坡床滑坡床二、土的抗剪强度二、土的抗剪强度 定义：定义：土的抗剪强度（土的抗剪强度（shearing strength，S）土抵抗剪应土抵抗剪应力而保持自身不被破坏的最大能力。力而保持自身不被破坏的最大能力。在数值上，抗剪强度在数值上，抗剪强度S等于土不被破坏而所能承受的等于土不被破坏而所能承受的最大最大剪应力值剪应力值max 。分为分为直接剪切（直剪）直接剪切（直剪）和和三轴剪切三轴剪切试验两类。试验两类。最常用的直剪试验方法。最常用的直剪试验方法。P34三、土的抗剪强度的测定方法三、土的抗剪强度的测定方法土的室内剪切试验土的室内剪切试验 直接剪切试验直接剪切试验试验九试验九
16、P313，应变式直剪仪：应变式直剪仪：通过弹性钢环变形控制剪切位移的速率。通过弹性钢环变形控制剪切位移的速率。 将土样放在上、下两部分可以错动的金属盒内，将上盒固将土样放在上、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定，下盒可沿水平方向滑动( (图图3-5)3-5)。试验时，先通过传压板在。试验时，先通过传压板在土样上施加正应力土样上施加正应力1 ，然后在下盒上逐级施加水平剪力，使土，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，当水平剪力增加至一样沿上、下盒之间的水平面受到剪应力，当水平剪力增加至一定量值时，土样发生剪切破坏，此时的剪应力定量值时，
17、土样发生剪切破坏，此时的剪应力1即为土样在该即为土样在该正应力作用下的抗剪强度。正应力作用下的抗剪强度。 每组至少每组至少4个试样个试样，分别在不同的正，分别在不同的正应力（应力（2、 3、 4）作用下，施加剪应力进行剪切，求得破坏时）作用下，施加剪应力进行剪切，求得破坏时的最大剪应力的最大剪应力2、 3 、 4 ，利用多个试样的试验资料作，利用多个试样的试验资料作关系关系曲线曲线（抗剪强度曲线）。（抗剪强度曲线）。土的直接剪切试验土的直接剪切试验 1773年，法国学者库仑通过大量的试验，总结出年，法国学者库仑通过大量的试验，总结出曲线（抗剪强度曲线）具有如下规律曲线（抗剪强度曲线）具有如下规
18、律（见下图）（见下图）：四、土的抗剪强度的库仑定律四、土的抗剪强度的库仑定律巨粒和粗粒土：巨粒和粗粒土：直线通过直线通过坐标原点坐标原点斜率较大斜率较大细粒土：细粒土：不通过坐标原点，不通过坐标原点，纵坐标轴上有截距纵坐标轴上有截距C斜率较小斜率较小土的抗剪强度的土的抗剪强度的库仑定律库仑定律土的抗剪强度土的抗剪强度由由内摩擦力内摩擦力tg和和内聚力内聚力C两部两部分组成，且与正应力分组成，且与正应力成直线正比关系。成直线正比关系。 tgc 其中：其中： 抗剪强度；抗剪强度； 正应力（法向应力）正应力（法向应力） 内摩擦角内摩擦角（） ； C内聚力（内聚力（MPa） tg 内摩擦力；内摩擦力；
19、 f =tg内摩擦系数内摩擦系数 从库仑定律可以看从库仑定律可以看出，土的抗剪强度出，土的抗剪强度随正应力随正应力的变化而变化，并不的变化而变化，并不是一个常数，因此，不能将它作为表征土的抗剪是一个常数，因此，不能将它作为表征土的抗剪能力的指标。但对一定的土而言，能力的指标。但对一定的土而言，内摩擦角内摩擦角和和内内聚力聚力C是常数，它们仅仅决定于土的内在特点，故是常数，它们仅仅决定于土的内在特点，故可用可用 和和C表征土的抗剪性能，并称之为土的抗剪表征土的抗剪性能，并称之为土的抗剪强度参数（或强度参数（或抗剪强度指标抗剪强度指标）。）。土的抗剪强度参数土的抗剪强度参数 tgc P35表表3-
20、2、3-3第三节第三节 土的击实性土的击实性 土是土坝、路堤、机场等的建筑材料。经过挖掘、搬运土是土坝、路堤、机场等的建筑材料。经过挖掘、搬运后，原始结构遭到破坏，抗剪强度降低，压缩性大，且不均后，原始结构遭到破坏，抗剪强度降低，压缩性大，且不均匀。必须用夯实或碾压等方法使填土密实，使土的匀。必须用夯实或碾压等方法使填土密实，使土的密度增大，密度增大，透水性降低，变形性减小，强度增高。透水性降低，变形性减小，强度增高。一、土的击实性一、土的击实性 土在短期荷载的反复作用（土在短期荷载的反复作用（ 碾压碾压、振动荷载及振动荷载及夯击荷载夯击荷载）下，发生体积的缩小和密度的增大，这）下，发生体积的
21、缩小和密度的增大，这种性质称为土的种性质称为土的击实性击实性。 教材教材P P3737、242242澳澳门门机机场场砂砂基基振振冲冲强夯法处理地基强夯法处理地基目前，目前，击实试验击实试验是研究土的击实性是研究土的击实性的常用方法，确定的常用方法，确定在什么样的情况（在什么样的情况（含水率、击实功等含水率、击实功等）下，才能使填土）下，才能使填土达到最好的击实效达到最好的击实效果。果。二、土的击实试验及资料整理二、土的击实试验及资料整理 d（g/cm3）d d/（1W） W op 18.33d max 1.64 g/cm3最优含水率最优含水率某一种土，在某一击实功的作某一种土，在某一击实功的作
22、用下，只有在用下，只有在某一含水率某一含水率 时，土的干密度才能达时，土的干密度才能达到最大值，即取得最佳的击实效果，这一含水率到最大值，即取得最佳的击实效果，这一含水率称为称为最优含水率。最优含水率。 土的干密度与含水率关系曲线土的干密度与含水率关系曲线干密度与含水率关系分析干密度与含水率关系分析ua. 土的土的含水率较小（含水率较小（WWop ）时，土粒周围的时，土粒周围的结合水膜较薄，联结较牢固，土粒不易移动，即不结合水膜较薄，联结较牢固，土粒不易移动，即不易被击实；易被击实；ub. 土的土的含水率较大（含水率较大（WWop ）时，土粒周围的时，土粒周围的结合水膜较厚，虽然土粒易于移动，
23、但多余的水不结合水膜较厚，虽然土粒易于移动，但多余的水不易排出土体，土也不易被击实；易排出土体，土也不易被击实；uc. 土的含水率等于土的含水率等于最优含水率最优含水率（WWop ）时，时，土粒周围的结合水膜厚度适中，土粒联结较弱，又土粒周围的结合水膜厚度适中，土粒联结较弱，又不存在多余的水分，故易于被击实，达到不存在多余的水分，故易于被击实，达到最大干密最大干密度。度。三、土的击实性的工程应用三、土的击实性的工程应用 道路、机场地基的处理，常采用振动压道路、机场地基的处理，常采用振动压密的方法，提高地基土的强度，降低地基土密的方法，提高地基土的强度，降低地基土的可压缩性。大规模施工前应开展一
24、定的试的可压缩性。大规模施工前应开展一定的试验工作，研究土的验工作，研究土的最优含水率、分层填土厚最优含水率、分层填土厚度、最佳碾压、振动遍数度、最佳碾压、振动遍数等与施工工艺密切等与施工工艺密切相关的问题，力求在相关的问题，力求在节约节约的前提下，达到的前提下，达到最最佳的地基土处理效果佳的地基土处理效果。 土的土的最优含水率最优含水率与击实功的关系与击实功的关系击实功：击实功：3456较大的击实较大的击实功在较小的功在较小的最优含水率最优含水率下，能获得下，能获得较大的最大较大的最大干密度。干密度。 （1)1)击实功较小时，干密击实功较小时，干密度随击实功增大迅速增大，度随击实功增大迅速增
25、大，以后逐渐变缓。以后逐渐变缓。（2)2)曲线上转折点的击实曲线上转折点的击实功为功为“临界功临界功”。 （3)3)土的含水率越小，临土的含水率越小，临界功越大。界功越大。土的土的干密度干密度与击实功的关系与击实功的关系第三章第三章 土的力学性质土的力学性质o了解土的压缩变形的特点和机理了解土的压缩变形的特点和机理, , 熟练掌握熟练掌握土的压缩定土的压缩定律并能结合压缩曲线灵活应用，律并能结合压缩曲线灵活应用，理解并掌握理解并掌握土的压缩系土的压缩系数、标准压缩系数、压缩模量、变形模量的概念。数、标准压缩系数、压缩模量、变形模量的概念。o了解土的抗剪强度的测定方法了解土的抗剪强度的测定方法, , 理解熟记理解熟记库伦定律，并库伦定律，并能根据实验结果灵活应用。能根据实验结果灵活应用。o了解土的击实特性了解土的击实特性, , 理解并掌握理解并掌握最优含水率的概念最优含水率的概念, , 掌掌握握土的干密度与含水率的关系曲线图。土的干密度与含水率的关系曲线图。要求：要求：
