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1、第三章 土的力学性质本讲稿第一页，共三十三页第一节 土的压缩性一、土压缩变形的特点与机理 土的压缩性是指土在压力作用下体积压缩变小的性 能。土受压后体积缩小是土中固、液、气三相组成部分中的各部分体积减小的结果(主要是气体、水分被挤出、土粒相互移动靠拢的结果)。1.饱和土的压缩过程：是孔隙水压力消散的过程，砂土压缩过程短，压缩性小；细粒土压缩过程较长，压缩量较大。2.非饱和土压缩过程：先排气，再压缩排出水分二、压缩试验压缩定律 1.压缩试验的分类：本讲稿第二页，共三十三页试验方法：室内压缩试验现场载荷试验土被压缩的条件：无侧向膨胀(有侧限)试验 有侧向膨胀(无侧限)试验是主要的试验方法 2.室内
2、无侧向膨胀压缩试验的过程 1).首先用金属环刀切取土样；2).然后将土样连同环刀一起放入压缩仪内(由于土样受环刀和护环等刚性护壁约束，在压缩过程中只能发生竖向压缩，不可能发生侧向膨胀)。3).通过加荷装置将压力均匀地施加到土样上，压力由小到大逐级增加，每级压力待压缩稳定后,再施加下一级压力。本讲稿第三页，共三十三页土的压缩量可通过微表观测，并据每级压力下的稳定变形量，计算出与各级压力相应的稳定孔隙比。Ah0/(1+e0)=A(h0-h1)/(1+e1)；e1=e0-h1/h0(1+e0)其中：A-试样的横截面积；h0-土样的原始高度；h1=h0-h1h1-压缩后土样的高度；e0-原始孔隙比；e
3、1-压缩后的孔隙比 本讲稿第四页，共三十三页4).求的各级压力Pi作用下，土样压缩性稳定后相应的孔隙比ei，以纵坐标表示孔隙比e，横坐标表示压力p，可绘制出孔隙比与压力的关系曲线-压缩曲线。3.压缩系数在不同的应力条件下，孔隙比变化与压力变化比值。即：a=tg=(e1-e2)/(p2-p1)-压密定律 压密定律表明：在压力变化范围不大时,孔隙比的变化(减小值)与压力的变化(增加值)成正比。本讲稿第五页，共三十三页a为压缩系数(单位：Mpa-1)，它是表征土压缩性大小的重要指标。a愈大，说明土的压缩变形量越大，以p1=0.1Mpa，p2=0.2Mpa时相对应的压缩系数a1-2作为判断土的压缩性标
4、准。低压缩性土 a1-2 0.1Mpa-1 中压缩性土 0.1 Mpa-1 a1-2 15 Mpa 中压缩性土:4 Mpa 1 超压密状态；R1.0060.005100.0051400本讲稿第二十页，共三十三页二、三轴剪切试验是测定土的抗剪强度的另一种常用的方法。该方法首先将用橡皮膜包裹着的圆柱形置于密闭容器中，通过液体加压，使试样在三个轴向受到相同的围压3，这时试样中没有剪应力。然后通过活塞杆在试样顶面上加压，试样中产生剪应力，随着垂直压应力r的加大，剪应力随之增大，直至土样被剪坏。这时，作用于土样上的最大主应力1=3+r，最小主应力即3。用1和3可画出一个极限应圆的公切线，就是土的抗剪强度
5、曲线，从图上可获取土的C、值（见三轴剪切试验成果图，下图）。本讲稿第二十一页，共三十三页半圆直径1-3，圆心坐标（1+3）/2，0）本讲稿第二十二页，共三十三页三轴剪切仪仅能控制排水条件，可以测量孔隙压力的变化，没有规定的剪切面，受力条件比较符合实际，试验结果准确。尽管该试验仪器与设备操作较复杂，费用较高，还是会逐渐受到重视和推广的。三、土的抗剪指标的确定 无论是粗粒土，还是细粒土，其抗剪强度随剪切面上法向压力的增加而加大。本讲稿第二十三页，共三十三页饱和土中剪切面上的法向压力，在固结过程中是由孔隙水压力u和有效压力分担，即=+u。当孔隙中的水不断向外渗流时，孔隙水压力逐渐消失，有效压力逐渐增
6、加，摩擦阻力增大。因此，孔隙水压力逐渐消散的过程，也就是土的抗剪强度逐渐增加的过程。在测定土的抗剪强度指标时，必须考虑孔隙水压力消散程度的影响。目前，常用总应力法和有效应力法来考虑孔隙水压力对抗剪强度指标的影响。1.有效应力法是用剪切面上的有效应力来表达土的抗剪强度，即：=tg+C=(-u)tg+C本讲稿第二十四页，共三十三页这种方法需直接测得剪切面上的孔隙水压力u，总压力减去孔隙水压力u为有效压力。用有效压力法求得的、C分别称有效内摩擦角和有效内聚力。有效应力强度指标一般用三轴剪切仪测定。2.总应力法是用剪切面上的总应力来表示土的抗剪强度，即：=tg+C 将孔隙水压力的影响，通过试验时控制孔
7、隙水的排出程度来体现。本讲稿第二十五页，共三十三页若饱和粘土层很薄，排水条件较好，但在使用过程中可能施加突然荷载，则可考虑采用固结不排水剪法测定。若粘土层较薄，施工时间较长，可以充分固结。则可采用排水剪切法测定。本讲稿第二十六页，共三十三页第三节 土的击实性土体在没有击实或压实以前，其抗剪强度较低，压缩性大且很不均匀，遇水后还可能产生湿陷。为了满足建筑物稳定性的要求，必须用夯实和碾压等方法使土体密实，使土的密度增大，强度增高，变形减小，透水性降低。击实试验是研究土的击实性的常用方法。通过击实试验找出土的干密度、含水率和击实功之间的关系和基本规律，从而选定适合工程需要的土的干密度和与其相对应的含
8、水率。本讲稿第二十七页，共三十三页 击实试验是把某一含水率的土样装入击实筒内，按规定的落距和次数用击锤打击土，然后取出测其含水率和干密度。用一种土配制成多个不同含水率的土样做试验，测得相应的含水率和干密度，绘制出dw关系曲线图 本讲稿第二十八页，共三十三页由图可知，在某一击实功的作用下，当含水率较低时，随含水率的增加，土的干密度有所增加；但当含水率较高时，随含水率的增加，击实土的干密度反而降低。d-w曲线上有一峰值，此点所对应的干密度为最大干密度dmax，与之相对应的含水率称之为“最优含水率”。当压实土料的含水率为最优含水率时，土的压实效果最佳；当含水率小于或大于最优含水率时，都达不到最佳的击
9、实效果。本讲稿第二十九页，共三十三页土的最优含水率与击实功的大小有关。.下图表明细粒土在不同击实功的作用下，得到不同的击实曲线。当改变击实功时，曲线的基本形态不变，但其位置随击实功的增大而向左上方移动。这说明用较大的击实功在较小的最优含水率的情况下，能获得较大的干密度。本讲稿第三十页，共三十三页击实功对土的击实性的影响图本讲稿第三十一页，共三十三页(2).当含水率一定时，同一种土在不同的击实功作用下其击实效果也不同。击实功较小时，土的干密度随击实功的增大而迅速增加，以后随着击实功的逐渐增大，干密度却增加缓慢。试验曲线上转折点的击实功为“临界功”，用此功去击实土能得到较好效果。用大于临界功的击实功去击实土时，由于最大干密度增加不多，击实效果不佳。一般情况下，土的含水率越小，临界功越大。（见图所示）本讲稿第三十二页，共三十三页本讲稿第三十三页，共三十三页