土力学与地基基础课程论文Word文档格式.docx

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温度变化影响红层边坡的风化进程．处于地下l5—30m的恒温带以上的红层坡体，受太阳辐射的影响，坡体中的温度场呈周期性变化，从而导致坡体中热应力的生成．当坡面处于高温状态时，边坡岩体中出现拉、压应力集中；

而当地面处于低温状态时，边坡岩体中的热应力均为拉应力。

但是，仅靠气温变化产生的热应力并不足以使红层快速风化崩解。

根据野外观察及原位监测试验，红层泥岩边坡的快速风化主要发生在表层约10cm的范围内。

此范围内风化裂隙密布，许多裂隙已全部贯通；

挖开已快速风化的表层，岩体中虽有少量风化裂隙。

但基本仍处于新鲜状态．这说明，虽然红层坡体处于不断风化的进程中，但快速的物理风化发生在表层约10cm范围内。

根据红层泥岩边坡风化的原位监测结果，边坡在高温多雨的夏季风化很快，说明水对红层泥岩边坡风化起了很大的作用，水在岩石风化中所起的作用，除溶解、水化、氧化和碳酸化外。

还有一个重要作用就是急剧的降温作用。

它可以使表层处于高温状态的红层泥岩表面在很短的时间内降至接近于温度较低的水温。

因红层岩体均为热的不良导体，导热性差，所以其内部仍基本保持原来的高温状态。

从而在岩体内外部产生很高的温差，导致热应力的产生．这种热应力远大于因气温周期性变化产生的热应力。

②成因分析：

土是地壳表层母岩经受强烈风化（包括物理的、化学的和生物的）的产物，是各种矿物颗粒（土粒）的集合体。

在自然界，土的形成过程是十分复杂的，可概括为风化、脱落、搬运和堆积四个过程，在这四个过程中土的完整性会大大折减，因而会有碎散性。

土是一种松散的颗粒堆积物，它由固相、液相、气相三部分组成。

固相主要是土粒，有时还有粒间胶结物和有机质，它们构成土的骨架；

液相部分为水及其溶解物；

气相部分为空气和其他气体。

由于土具有各向异性、结构性以及时空变异性的特点，所以形成了土的自然变异性。

③影响：

土的碎散性说明了土存在孔隙，而水在压力坡降作用下穿过土中连通孔隙发生流动就会出现水的渗透。

土的三相性说明了土中含有水，而土在压力作用下体积变小的性能为土的压缩性，最主要的原因就是孔隙中水和气体向外排出，土的孔隙体积减小。

黏性土都是松散颗粒的集合体，它们的破坏或表现为土粒之间联结的破坏，或表现为粒与粒之间产生的相对位移；

对于某一种土来说，其抗剪强度随剪切面上所受发向应力而变，它不仅与土粒大小、形状、级配、矿物成分、土体密度和含水率等因素有关，这些都是属于土的复杂性。

（3）何为假黏聚力？

非饱和土中，为什么毛细压力会导致“假黏聚力”？

①当无黏性土被水完全浸没或完全干燥时，弯液面消失，毛细压力变为零，这种黏聚力也就不存在。

因而把这种黏聚力成为假黏聚力。

②在非饱和区的湿土中，空隙中的水仅存在于土粒接触点周围，彼此是不连续的。

由T2πrcosα+uπr²

=0知，弯液面下面的孔隙水产生了小于大气压力的负压，这种负压称为负孔隙水压力或孔隙水吸力。

负孔隙水压力引起土粒互相靠拢的结合力，该力称为毛细压力，毛细压力的存在，增加了土粒间错动的摩擦阻力。

这种摩擦阻力犹如给无粘性土以某些黏聚力，以致在潮湿的砂土中能开外一定高度的直立坑壁。

当无黏性土被水完全浸没或完全干燥时，弯液面消失，毛细压力变为零，这种黏聚力也就不存在。

（4）谈谈你对粘性土、非粘性土物理力学性质区别的认识。

工程上应根据塑性指数分为粉质粘土和粘土，塑性指数大于10，且小于等于17的土，应定名为粉质粘土，塑性指数大于17的土应定名为粘土。

粘性土是具有粒间连结的细粒土。

颗粒细，孔隙小而多，透水性弱，具膨胀、收缩特性，力学性质随含水量大小而变化。

一般按粘粒（粒径小于0．005毫米）含量多少分为三类：

（1）粘土，粘粒含量大于30%；

（2）亚粘土（亦称“粉质粘土”），粘粒含量在10%～30%之间；

（3）亚砂土，牯粒含量3%～10%。

按塑性指数划分：

（1）粘土，塑性指数大于17；

（2）亚牯土，塑性指数为10～17；

（3）轻亚粘土（亦称亚砂土），塑性指数为3～10。

常作为建筑物地基或用作堤坝、路堤填土材料。

以粒径小于0.074毫米的土粒为主体所组成具有塑性的细粒土。

又称塑性土。

次生粘土矿物对塑性的形成起主导作用。

粘性土随含水率大小可处于液体、塑体、固体等稠度状态，各稠度状态间的含水率界限称稠度界限。

液限和塑限是塑体稠度的上、下限。

粘性土处于塑体状态时，具有在外力作用下可塑成任意形状而不破坏其整体性，外力去除后能保持所得形状的塑性性质。

塑性的大小可通过液限与塑限之差，即塑性指数定量表示。

塑性指数愈大，塑性愈强。

塑性指数曾是粘性土分类的主要依据，据这种指数分为粘土、亚粘土、亚砂土。

粘土是粘性土的典型代表，具强塑性、吸水性、膨胀性、收缩性、吸附性、冻胀性、烧结性、耐火性等特殊性质。

作为建筑物地基，粘性土的承载力取决于它的天然稠度状态。

粘性土是烧制砖瓦的材料，也是重要矿产。

粘性土的地质成因多种多样，在地壳上广为分布，约占沉积岩土的50%以上。

粘性土与非粘性土的区别：

①砂土的孔隙比为0.4~0.8；

粘土的孔隙比为0.6~1.5或2.0；

粘土若含有大量有机质，孔隙比可达到4或5。

②砂粒的平均相对密度为2.65；

粘粒的相对密度介于2.67~2.74之间，平均相对密度为2.70。

③一般粘土的湿密度为1.7~2.0g/cm³

；

砂土的湿密度为1.6~2.0g/cm³

。

④砂土的组成颗粒较粗，其结构以单粒结构为主，天然条件下砂土可处于从疏松到密实的不同状态，孔隙比的变动范围大致在0.33~1.0之间。

试验表明，一般粗粒砂土多处于密实状态，而细粒砂特别是含片状云母颗粒的砂则多处于疏松状态。

砂土的密实状态与其工程性质有着密切的关系。

呈密实状态时，结构稳定，强度大，压缩变形小，是良好的天然地基；

反之，呈疏松状态时，特别是饱和的细砂，结构常处于不稳定状态，对工程建设不利。

⑤砂土的密实状态在一定程度上可以用其孔隙比来反映。

但砂土的孔隙比受颗粒的形状及级配影响较大。

即使两种砂土具有相同的孔隙比，但它们在自然界的存在状态也不一定相同。

故孔隙比不能表明某一砂土的松密。

工程上常用砂土的相对密度Dr=（emax-e0）/（emax-emin）；

⑥无黏性土的最大和最小干密度可直接由试验测定。

⑦黏性土的稠度是指黏性土在某一含水率下对外力引起的变形或破坏的抵抗能力，其实质是土粒间的联结强弱或土粒相对移动的难易程度。

⑧黏性土的含水率发生变化时，它的稠度亦随之而改变，这是一个复杂的物理化学过程，其实质是与黏粒周围吸着水膜的厚度变化有直接关系。

当土的含水率很大时，土粒被自由水隔开，粒间联结能力消失，土可在自重作用下流动，呈现流动状态；

当水分减少到多数土粒为弱吸着水隔开时，土粒在外力作用下相互错动时而颗粒间的联结能力并不丧失，土处于可塑态，此时土被认为具有可塑性。

⑨黏性土由某一状态过渡到另一状态的分界含水率称为黏性土的界限含水率，可塑态与流动状态的界限含水率叫液限，用ωL表示；

可塑态与半固态的界限含水率叫塑限，用ωp表示；

半固态与固态的界限含水率叫缩限，用ωs表示。

⑩可塑性是区分黏性土和砂土的重要特征之一。

黏性土可塑性大小，是以土处在可塑状态的界限含水率变化范围来衡量的。

这个范围就是液限和塑限的差值，称为塑性指数（Ip），即

Ip=（ωL-ωp）*100

（5）推证“有效应力原理”。

有效应力原理的基本概念阐明了碎散颗粒材料与连续固体材料在应力--应变关系上的重大区别，从而使土力学成为一门独立学科的重要标志。

这是土力学区别于其他力学的一个重要原理。

我们知道土是三相体系，对饱和土来说，是二相体系。

外荷载作用后，土中应力被土骨架和土中的水气共同承担，但是只有通过土颗粒传递的有效应力才会使土产生变形，具有抗剪强度。

而通过孔隙中的水气传递的孔隙压力对土的强度和变形没有贡献。

这可以通过一个试验理解：

比如有两土试样，一个加水超过土表面若干，我们会发现土样没有压缩；

另一个表面放重物，很明显土样被压缩了。

尽管这两个试样表面都有荷载，但是结果不同。

原因就是前一个是孔隙水压，后一个是通过颗粒传递的，为有效应力。

就是饱和土的压缩有个排水过程（孔隙水压力消散的过程）,只有排完水土才压缩稳定.再者在外荷载作用下，土中应力被土骨架和土中的水气共同承担,水是没有摩擦力的,只有土粒间的压力（有效应力）产生摩擦力（摩擦力是土抗剪强度的一部分）。

有效应力原理表示研究平面上的总应力、有效应力与孔隙水压力三者之间的关系:

当总应力保持不变时,孔隙水压力与有效应力可以相互转化,即：

有效孔隙水压力减小等于有效应力的等量增加。

推证：

设饱和土体内某一研究平面（如水平面）的总面积为A，其中粒间接触面积之和为As,则该平面内由孔隙水所占的面积为Aw=A-As。

若由外荷和/或自重压力在该研究平面上所引起的法向总应力为σ，那么它必将由该面上的孔隙水和粒间接触面共同来分担，即该面上的总法相力等于孔隙水所承担的力和粒间所承担的力之和，于是可以写成：

σA=Ns+（A-As）u

或σ=Ns/A+（1-As/A）u（2-26）

把σ’=Ns/A代入（2-26）可得：

σ=σ’+（1-α）u（2-27）

试验研究表明，粒间接触面积甚微，α仅为百分之几，实用上可忽略不计。

于是，式（2-27）可简化为：

σ=σ’+u（2-28）

式（2-28）即为著名的有效应力原理，它表示研究平面上的总应力、有效应力与孔隙水应力三者之间的关系。

（6）论述流土、管涌的区别和联系。

①流土指在向上渗流作用下，局部土体表面隆起，或者颗粒群同时起动而流失的现象。

②管涌指在渗流作用下土体中的细颗粒在粗颗粒形成的孔隙通道中发生移动并被带出的现象。

③区别：

流土主要发生在地基或土坝下游渗流逸出处，而不发生于地基土壤内部；

管涌主要发生在砂砾中。

流土发展速度很快，一经出现必须及时抢护；

管涌破坏并不会直接造成土体结构破坏，其危险性不大。

④联系：

一、管涌、流土的抢护原则均是：

降低渗流出逸坡降，减少渗流压力，增强坝体或地基土的抗渗能力。

二、均受水利梯度的影响，在水流渗透作用下发生。

三、属于渗透变形土的两种种类。

（7）应力计算与变形和强度分析的关系？

①当建筑物通过它的基础将荷载传递给地基础以后，在地基内部将产生应力和变形，从而引起建筑物基础的下沉，将荷载引起的基础下沉称为基础的沉降，土体受力后引起的变形可分为体积变形和形状变形。

体积变形主要由正应力引起，它只会使土的体积缩小压密，不会导致土体破坏，而形状变形主要由剪应力引起，当剪应力超过一定限度时，土体将产生剪切破坏，此时的变形将不断发展，通常在地基中是不允许发生大范围剪切破坏的。

②建筑物地基和土工建筑物的破坏绝大多数属于剪切破坏，如建筑物地基的失稳和堤坝边坡的坍滑都是由于沿某一面上的剪应力τ超过土的抗剪强度τf所造成。

一旦发生滑动破坏，该面上侧土体就会产生很大相对位移，故称该面为滑动面或破坏面，因此，土的抗剪强度τf是决定地基或土工建筑物稳定性的关键因素。

如果土体内某一部分的剪切应力达到土的抗剪强度，在该部分就开始出现剪切破坏。

随着荷载的增加，剪切破坏的范围逐渐扩大，最终在土体中形成连续的滑动面，地基发生整体剪切破坏而丧失稳定性，或者土体发生滑坡破坏。

（8）举算例说明“角点法”的步骤。

如图所示，设矩形基底abcd上作用着

竖直均布荷载p，今要求在基底内M点

以下任意深度z处的附加应力σz。

为

此，过M点分别作平行于基底边缘的两

根辅助线ef和Rh，于是M点就称为Ⅰ、

Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个新矩形基底的公共角点，

则M点以下任意深度z处的附加应力为

上述四个基底对M点所产生的附加应力之和：

σzM=σzⅠ+σzⅡ+σzⅢ+σzⅣ

若M点在基底范围之外，如图b所示，那么先

将原有的基底扩大，使M点落在虚拟基底的角

点上，如图b中的虚线所示，再根据叠加原理

求出M点以下任意深度z处的附加应力为：

σzM=σzMhbe-σzMhef-σzMyae+σzMydf

（9）分析竖向偏心荷载作用下基础底部应力分布规律。

论述加大基础埋深可提高基础稳定性、减少地基变形量的原因。

分布规律：

当合力偏心距e＜B/6时，基底压力呈梯形分布；

当合力偏心距e=B/6时，pmin=0，基底压力呈三角形分布；

当合力偏心距e＞B/6时，则pmin＜0，即基底一端将出现拉力，一般在工程上不但不允许在基底上出现拉力，而且也不希望出现pmin=0的现象。

因此，在设计基础的尺寸时，应使合力偏心距控制在e＜B/6的范围内，以策安全。

原因：

因为地基承载力要经过埋深效正，基础埋深越大，则地基承载力越高，通常地基变形量越小，可提高基础稳定性。

（10）何为侧压力系数和侧限应力状态？

论述压缩模量和变形模量的区别？

侧压力系数：

无侧向变形条件下的侧向有效应力与竖向有效应力的比值，K0=μ/（1-μ）

侧限应力状态：

侧限应力状态即为地基中的自重应力。

自重应力是由土体本身的有效重量产生的。

由半无限弹性体的边界条件可知，其内部任一与地面平行的平面和垂直的平面上，仅作用着竖向应力σcz和水平向应力σcx=σcy，而剪应力τ=0。

区别：

压缩模量Es是在无侧向变形条件下，竖向应力与应变之比值,Es值的大小，反映了在单向压缩时土体对压缩变形的抵抗能力。

变形模量表示在无侧限条件下应力与应变之比值，相当于弹性模量，但由于土体不是理想的弹性体，故称为变形模量，因为E的大小反映了土体抵抗弹塑性变形的能力，可用于弹塑性问题的分析计算。

（11）结合“水-弹簧-活塞模型”分析土的固结过程。

设模型在受压之前，活塞的重量已由弹簧承担。

因此，各测压管中的水位与容器中的静水位齐平。

此时每一分层中的弹簧均承受一定的孔隙水压力，但它们对今后的压缩变形并没有影响。

当模型收到外界压力p作用时，由弹簧承担的应力将增加，它相当于土体内骨架所承担的附加有效应力σ’。

而由容器中水来承担的应力亦将在静水压力的基础上有所增加，这部分应力即相当于土体内孔隙水所承担的超静孔隙水应力u。

假定活塞与容器侧壁的摩擦力忽略不计，那么，当模型顶层活塞上受到压力p作用时，各分层的附加应力亦即固结应力将是相同的，且等于p。

在施加压力的瞬间，即t=0时，由于容器中的水还来不及向外排出，加之水本身认为是不可压缩的，因而，各分层的弹簧都没有压缩，附加有效应力σ’=0，固结应力全部由水来承担，故超静孔隙水应力u=p（t-0时的超静孔隙水应力即初始超静水压力）。

因此，各测压管中的水位均将高出容器中的静水位，所高出的水头为h0=p/γw。

经时间t，容器中的水在水头差的作用下，由下而上逐渐从顶层活塞的排水孔向外排出，各分层的孔隙水压力将减小，测压管的水位相继下降，超静孔隙水应力u＜p。

与此同时，各分层弹簧相应压缩，而承担部分应力，即附加有效应力σ’＞0。

最后，当t=∞时，测压管中的水位都恢复到与容器中的静水位齐平。

这时，超静孔隙水应力全部消散，即u=0，仅剩静水压力，容器中的水不再向外排出，弹簧均压缩稳定，固结应力全部由弹簧来承担而转化为有效应力，即σ’=p。

（12）举算例说明分层总和法的步骤。

①选择沉降计算剖面，在每一个剖面上选择若干计算点。

根据建筑物基础的尺寸，判别在计算基底压力和地基中附加应力时是属于空间问题还是平面问题；

再按作用在基础上的荷载的性质（中心、偏心或倾斜等情况），求出基底压力的大小和分布，然后结合地基中土层性状，选择沉降计算点的位置（以条形基础、均质地基、中心荷载、基础中心点的沉降计算为例）。

②将地基分层。

在分层时天然土层的交界面和地下水位应为分层面，同时在同一类土层中分层的厚度不宜过大。

对于水工建筑物地基，每层的厚度可以控制在Hi=2~4m或Hi≤0.4B（B为基础的宽度）。

对每一分层，可认为压力是均匀分布的。

③求出计算点垂线上各分层面处（如图中的0、1、2、……）的竖向自重应力σs（应从地面算起），并绘出它的分布曲线。

④求出计算点垂线上各分层面处的竖向附加应力σz，并绘出它的分布曲线，如图所示。

并以σz=0.2σs或0.1σs的标准确定压缩层的厚度H。

应当注意，当基础油埋置深度D时，应采用基地净压力p0=p-rD计算地基中的附加应力。

⑤按算数平均算出各分层的平均自重应力σsi和平均附加应力σzi，如图所示：

σsi=[（σsi）上+（σsi）下]/2

σzi=[（σzi）上+（σzi）下]/2

⑥根据第i分层的初始应力p1i=σsi和初始应力与附加应力之和，即p2i=σsi+σzi，由压缩曲线（如图所示）查出相应的初始孔隙比e1i和压缩稳定后孔隙比e2i。

⑦求出第i分层的压缩量：

[Si=（e1i-e2i）/（1+e1i）]*Hi

最后加以总和，即得基础的沉降量为

Nn

S=∑Si=∑（e1i-e2i）/（1+e1i）Hi

i=1i=1

（13）为什么土力学中关注的是抗剪强度，而不是抗拉或抗压强度？

推证土的极限平衡条件。

说明最大剪应力面和破裂面的区别？

①建筑物地基和土工建筑物的破坏绝大多数属于剪切破坏，如建筑物地基的失稳和堤坝边坡的坍滑都是由于沿某一面上的剪应力τ超过土的抗剪强度τf所造成。

土的抗剪强度是土体抵抗剪切破坏的极限能力，是土的重要力学性质之一。

②推证：

图示中是以总应力表示的强度线和极限应力圆，他们相切于D点。

根据几何关系可得：

sinφ=[（σ1-σ2）f/2]/[（σ1+σ3）f/2+ccotφ]

于是整理后得到：

σ1f=σ3ftan²

（45°

+φ/2）+2ctan（45°

+φ/2）

σ3f=σ1ftan²

-φ/2）-2ctan（45°

-φ/2）

式表明当σ3保持不变时，只有σ1增加到某一定值，莫尔应力圆与强度线相切，该点才处于极限平衡状态；

或者当当σ1保持不变时，只有σ3减小到某一定值，莫尔应力圆与强度线相切，该点才处于极限平衡状态。

以最大倾角αmax作为破坏准则，剪破面不是最大剪应力面，而是与大主应力面成θf角的平面,由几何关系可知：

2θf=90°

+φ

所以θf=45°

+φ/2

（14）直剪试验的类型、三轴试验的类型，各试验类型如何对应和模拟实际工程的工况？

直接剪切试验是测定土的抗剪强度的一种基本方法。

试验的原理是根据库仑定律，土的内摩擦力与剪切面上的法向压力成正比。

将土制备成几个土样，分别在不同的法向压力下，沿固定的剪切面直接施加水平剪力进行剪切，得其剪坏时的剪应力，即为抗剪强度f。

分为快剪法,慢剪法和固结快剪法三种类型。

直剪试验通常采用等速剪应变的试验方法，称为应变控制剪切。

在剪切过程中，隔固定时间间隔，亦即每隔一定值的剪变形增量测读一次所施水平力的大小，计算施于试样截面上的剪应力值。

于是即可绘制在一定法向应力σ条件下，土样剪变形δ（即上下盒间相对水平位移）与剪应力τ的对应关系（见图5-8（a））。

较坚实的黏土及密砂土的τ-δ曲线可出现剪应力的峰值τfp即为破坏强度。

软黏土和松砂的τ-δ曲线则常不出现峰值，此时应按某一剪变形量作为控制破坏的标准。

要绘出某种土的抗剪强度包线以确定改土的指标c和φ，至少要用3~4个试样，在不同的应力σ'

，σ'

'

.......作用下测出相应的τ-δ关系曲线

①类型：

不排水剪、固结不排水剪、排水剪

②不排水剪工况：

地基为不易排水的饱和软黏土，建筑施工又快，研究施工期稳定时。

固结不排水工况：

建筑物竣工以后较久，荷载又突然增大，如水闸挡水的情况。

固结排水剪工况：

地基容易排水固结，如砂性土，而建筑物施工又较慢的情况。

（15）试述土压力的类型，朗肯土压力理论和库仑土压力理论的适用条件？

①土压力的类型有静止土压力（当挡土墙在土压力作用下，不产生任何位移或转动，墙后土体处于弹性平衡状态，此时墙背所受的土压力称为静止土压力）、主动土压力（挡土结构物向离开土体的方向移动，致使侧压力逐渐减小至极限平衡状态时的土压力，它是侧压力的最小值）、被动土压力（挡土结构物向土体推移，致使侧压力逐渐增大至被动极限平衡状态时的土压力，它是侧压力的最大值）。

②朗肯土压力理论是从研究半无限大土体中一点的极限平衡状态出发，应用莫尔应力圆，

推导出了极限应力的理论解。

为了满足土体的极限平衡条件，朗肯理论假定：

墙是刚性、

墙背垂直光滑、墙后填土表面水平。

由于朗肯理论忽略了实际墙背并非光滑并存在摩擦力，

使计算所得的主动土压力偏大，而计算所得的被动土压力偏小。

它的适用条件：

根据土体中各点处于极限平衡状态的应力条件直接求得墙背上各点的土压力强度分布；

要求墙背铅直、光滑，填土可为无黏性土或黏性土；

适用于悬臂式，扶墙式或L型的挡土墙。

③库仑土压力理论是从研究挡土墙墙后滑动楔体的静力平衡条件出发,其假定填土为均匀的砂性土,滑动面是通过墙趾的二组平面,一个沿墙背面,另一个产生在土体中的平面,两组平面间的滑动土楔是刚性体,并根据土楔的静力平衡条件,按平面

问题解得作用在挡土墙上的土压力。

库仑理论事先曾假设墙后填料为无黏性土,因此对于黏性土的情况,不能直接应用库仑土压力理论计算土压力,需采取诸如等值内摩擦角法或图解法等方法来计算黏性土时支挡结构的土压力。

大量的室内实验和现场观测资料表明,库仑理论计算的主动土压力大小与实测结果非常接近,但被动土压力与实测值则误差较大。

在某些情况下,如计算深基坑的土压力,为何我们采取较简单的朗肯理论来计算主动土压力而不采用库仑理论,究竟这两大理论在计算结果有多大的差异性,两种方法何时准确,何时又存在很大误差,这些都需要斟酌和探讨,下面举例进行讨论。

根据墙背与滑动面之间的土楔整体处于极限平衡状态时的静力平衡条件，求得墙背上的总土压力；

要求墙背可以倾斜和粗糙以保证土楔沿墙背滑动；

假设填土为无黏性土，其表面为水平或倾斜的；