岩土力学课程教学教案.ppt

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1、岩土力学岩土力学辅导教师辅导教师:任兴武任兴武联系电话联系电话:8118762:8118762主主讲讲教教师师：郑郑州市州市郑郑花路花路2020号号华华北水利水北水利水电电学院学院 岩土岩土工程系工程系 岩土工程教研室（岩土工程教研室（孙孙文文怀怀）邮邮政政编码编码：450008450008EmailEmailsunwenhuaisunwenhuai电话电话：0371-5790210(o)0371-5790210(o)中央中央电电大主持教大主持教师师：陈丽陈丽TelTel：010-66490545010-66490545EmailEmail：岩土力学岩土力学课程程说明明n n课课程的内容包括土

2、力学和岩石力学两部分。其程的内容包括土力学和岩石力学两部分。其中土力学部分主要中土力学部分主要论论述土体的渗透述土体的渗透变变形特征、形特征、有效有效应应力原理、土的力原理、土的变变形和形和强强度特征、地基中度特征、地基中的的应应力及力及变变形、土形、土压压力理力理论论、边边坡地基坡地基稳稳定性定性分析等。岩石力学主要介分析等。岩石力学主要介绍绍岩石的物理形状、岩石的物理形状、变变形形强强度特征与度特征与强强度理度理论论、岩体初始、岩体初始应应力状力状态态、岩石蠕岩石蠕变变的基本概念、岩石的基本力学模型、的基本概念、岩石的基本力学模型、地下洞室地下洞室稳稳定性定性计计算等。水利水算等。水利水电

3、电工程工程软软基基处处理理.第第1章章 岩土的物理性质及工程岩土的物理性质及工程分类分类n n重、难点n n掌握岩土的物理性质指标的含义；掌握岩土的物理性质指标的含义；n n理解密度、比重及含水率三个实测指标，清理解密度、比重及含水率三个实测指标，清楚各指标的计算方法及指标之间的换算；楚各指标的计算方法及指标之间的换算；n n掌握无粘性土及粘性土的状态指标及应用；掌握无粘性土及粘性土的状态指标及应用；n n理解土的三相组成；理解土的三相组成；n n了解岩土的工程分类。了解岩土的工程分类。岩土的物理性质指标及三相组岩土的物理性质指标及三相组成成n n土的物理力学性质指标。如含水量、密度、土粒比重

4、、孔隙比、孔隙土的物理力学性质指标。如含水量、密度、土粒比重、孔隙比、孔隙率和饱和度等。用三相图来表示土的三相组成，如图率和饱和度等。用三相图来表示土的三相组成，如图1-11-1所示。在三相图所示。在三相图左侧，表示三相组成的质量，三相图的右侧，表示三相组成的体积。左侧，表示三相组成的质量，三相图的右侧，表示三相组成的体积。n n图图1.21.2三相图三相图n n图中符号含义如下：图中符号含义如下：n nmm 土的总质量土的总质量n nmama 气体的质量气体的质量 n nmwmw 液体的质量液体的质量 n nmsms 固体颗粒的质量固体颗粒的质量 n nVV 土的总体积土的总体积n nVvV

5、v 土的孔隙部分体积土的孔隙部分体积n nVaVa 气体体积气体体积n nVwVw 水的体积水的体积图图1-11-1n nVsVs 土的固体颗粒的体积土的固体颗粒的体积2.密度、比重及含水率三个实密度、比重及含水率三个实测指标测指标n n（1 1）土的含水率）土的含水率()()n n土的含水量土的含水量是指土中液体的质量是指土中液体的质量(mw)(mw)和土颗粒质量和土颗粒质量(ms)(ms)之比，用百之比，用百分比表示。这一指标需通过试验取得。（分比表示。这一指标需通过试验取得。（1-11-1）n n式中土粒的质量式中土粒的质量msms就是干土的质量，是把土烘干至恒量后称得的，气体就是干土的

6、质量，是把土烘干至恒量后称得的，气体的质量忽略小计，液体的质量由总质量的质量忽略小计，液体的质量由总质量mm和干土的质量和干土的质量msms相减而得。相减而得。n n（2 2）土的密度）土的密度()土的密度土的密度 是指单位体积土的质量，在三相图中，是指单位体积土的质量，在三相图中，即是总质量与总体积之比。单位用即是总质量与总体积之比。单位用 或计。公式如下：或计。公式如下：n n（3 3）土粒比重土粒比重(Gs)(Gs)土粒比重土粒比重(Gs)(Gs)是土粒的质量与同体积纯蒸馏水在是土粒的质量与同体积纯蒸馏水在4 4时的质量之比，这一指标需试验取得，公式如下：（时的质量之比，这一指标需试验取

7、得，公式如下：（1-51-5）3.粘性土（细粒土）的物理状粘性土（细粒土）的物理状态指标及应用态指标及应用n n1 1）液限）液限()()n n液限指土从塑性状态转变为液性状态时的界限含水量；液限指土从塑性状态转变为液性状态时的界限含水量；n n（2 2）塑限）塑限()()n n塑限指土从半固体状态转变为塑性状态时的界限含水量。塑限指土从半固体状态转变为塑性状态时的界限含水量。n n（3 3）塑性指数）塑性指数：(1-7)(1-7)n n式式中中，为为液液限限，为为塑塑限限。塑塑性性指指数数越越大大，土土性性越越粘粘，工工程程中中根根据据塑塑性指数的大小对粘性土进行分类。性指数的大小对粘性土进

8、行分类。n n（4 4）液性指数）液性指数：（1-81-8）n n当当 =0=0时时，土土从从半半固固态态进进入入可可塑塑状状态态。当当 =1=1时时，土土从从可可塑塑状状态态进进入入液液态态。因因此此，可可以以根根据据 的的值值直直接接判判定定土土的的软软硬硬状状态态。工工程程上上按按液液性性指数指数的大小，可把粘性土的状态区分开来：的大小，可把粘性土的状态区分开来：n n00坚固状态坚固状态n n01.001.0可塑状态可塑状态4.砂土的物理状态指标及应用砂土的物理状态指标及应用n n相对密实度（相对密实度（DrDr）n n实际工程中，一般用相对密实度实际工程中，一般用相对密实度DrDr来

9、表征砂土的密实程度。公式为：式中来表征砂土的密实程度。公式为：式中,指砂指砂土的天然孔隙比；土的天然孔隙比；n n指砂土的最大孔隙比，由它的最小干密度换算而得；指砂土的最大孔隙比，由它的最小干密度换算而得；n n指砂土的最小孔隙比，由它的最大干密度换算而得；指砂土的最小孔隙比，由它的最大干密度换算而得；n n将式将式(1-9)(1-9)中的孔隙比用干密度替换，可得到用干密度表示的相对密度表达式：中的孔隙比用干密度替换，可得到用干密度表示的相对密度表达式：n n(1-9)(1-9)(1-10)(1-10)式中，式中，指砂土的天然干密度；指砂土的天然干密度；n n指砂土的最大干密度指砂土的最大干密

10、度n n指砂土的最小干密度。指砂土的最小干密度。n n最大干密度和最小干密度可直接由试验测定。最大干密度和最小干密度可直接由试验测定。n n当当时，时，表示土处于最松状态。当，表示土处于最松状态。当时，时，n n，表示土处于最密实状态。工程中，用相对密度判别砂土的密实状态标准为：，表示土处于最密实状态。工程中，用相对密度判别砂土的密实状态标准为：n n疏松疏松n n n n中密中密n n n n密实密实n n 第二章第二章 岩土体的渗透性质岩土体的渗透性质n n重点重点：n n1 1、掌握岩土体的渗透性，渗透变形破坏的类、掌握岩土体的渗透性，渗透变形破坏的类型，渗透变形破坏的条件型，渗透变形破

11、坏的条件;n n2 2、动水压力的概念，临界水力坡降，渗透水、动水压力的概念，临界水力坡降，渗透水力坡降的试验确定方法及坝基渗透稳定性分析力坡降的试验确定方法及坝基渗透稳定性分析等。等。n n3 3、了解冻胀过程中土中水分的迁移与积聚及、了解冻胀过程中土中水分的迁移与积聚及渗透变形破坏的防治措施等内容。渗透变形破坏的防治措施等内容。1.土的渗透及渗透性土的渗透及渗透性n n水在岩土体孔隙中的流动过程称为渗透。岩土体具有渗透的性质水在岩土体孔隙中的流动过程称为渗透。岩土体具有渗透的性质称为岩土体的渗透性。称为岩土体的渗透性。n n土土的的渗渗透透性性：土土体体孔孔隙隙中中的的自自由由水水，在在重

12、重力力作作用用下下会会发发生生运运动动。如如基基坑坑开开挖挖排排水水施施工工期期间间地地下下水水会会源源源源不不断断的的流流向向基基坑坑。这这种种土土体被水透过的性质。体被水透过的性质。n n达西定律：水的渗透速度与水力坡降成正比达西定律：水的渗透速度与水力坡降成正比n nvv渗透速度渗透速度n nhh水头差水头差（mm）n nLL渗径（渗径（mm）n nkk土的渗透系数土的渗透系数h2.渗透变形破坏的类型渗透变形破坏的类型n n根据渗透破坏的机理将破坏形式分为流土、管涌、接触流失和接触冲刷四种形式，称为土的渗透破坏的四种模式。前两种模式发生在单一土层中，后两种模式则发生在成层土中。3.动水压

13、力及临界水力坡降动水压力及临界水力坡降n n地下水在松散介质的孔隙中流动，土粒与水流相互包围。由于水流流地下水在松散介质的孔隙中流动，土粒与水流相互包围。由于水流流n n线间及水流与土粒间的摩阻力作用而产生一定的水头损失，水头降低，线间及水流与土粒间的摩阻力作用而产生一定的水头损失，水头降低，n n故每一土粒在水头差作用下，承受来自水流的作用力故每一土粒在水头差作用下，承受来自水流的作用力渗透力，也渗透力，也n n称动水压力。取一微单元体分析，设渗透水由下往上流经的长度和断称动水压力。取一微单元体分析，设渗透水由下往上流经的长度和断n n面面积分别为面面积分别为 和和dwdw，上下界面的水头差

14、为，上下界面的水头差为dh(dh(图图2-2)2-2)，则单，则单n n元元土土体体承承受受的的总总渗渗透透压压力力为为：dp=dp=wwdhdwdhdw(2-2)(2-2)式式中中 ww水水的的重重度度；将将渗透力作用分解在土体的单位体积上，称之为动水压力渗透力作用分解在土体的单位体积上，称之为动水压力D D：n n(2-3)(2-3)n n式中符号含义同前。式中符号含义同前。n n动水压力的作用方向与渗流流向一致。一般取动水压力的作用方向与渗流流向一致。一般取 ww为为10kN/m10kN/m3 3，n n单元土体的浮重度为单元土体的浮重度为 ，则其水下重量，则其水下重量dQdQ为：为：d

15、Q=dQ=wwdldw(2-4)dldw(2-4)n n当当时时，单单元元土土体体发发生生流流土土，此此时时的的水水力力坡坡度度称称为为流流土土型型临临界界水水力力坡坡度度，以表示。以表示。Icr=Icr=/ww(2-5)(2-5)n n由由土土的的物物理理性性质质指指标标间间的的关关系系,=(G=(Gs s-1)(1-n)-1)(1-n)，故故有有I Icrcr=(G=(Gs s-1)(1-n)/-1)(1-n)/ww(2-6)(2-6)n n式中式中G GS S土粒比重；土粒比重；土的孔隙率。土的孔隙率。第3章土体的应力与变形n n重点：要求掌握自重应力、基底接触压力、附加应力的计算，并能

16、绘制相应的应力分布图;n n单向压缩分层总和法计算地基最终沉降量的方法;n n有效应力原理及各种条件下的孔隙水压力和有效应力计算;n n难点：地基变形随时间变化的关系。自重应力自重应力n n自重应力是由于地基土体本身的有效重量而产生的。可以分为以下的两个方面：1）垂直向自重应力:sz=n n2）水平向自重应力基底接触应力基底接触应力n n基底接触压力简称基底压力:作用在地基表面的各种分布荷载，都是通过建筑物的基础传到地基中的,基础底面传递给地基表面的压力.包括：1）竖直中心荷载）竖直中心荷载作下的基底接触压力，用于计算矩形基作下的基底接触压力，用于计算矩形基础和条形基础；础和条形基础；2）竖直

17、偏心荷载作用下）竖直偏心荷载作用下的基底接触压力；的基底接触压力；3）倾斜荷载作用下的）倾斜荷载作用下的基底接触压力。基底接触压力。附加应力附加应力n n附加应力是由于土层上部的建筑物在地基内新附加应力是由于土层上部的建筑物在地基内新增的应力，因此，它是使地基变形、沉降的主增的应力，因此，它是使地基变形、沉降的主要原因。附加应力的计算包括：要原因。附加应力的计算包括：1 1）竖直集中）竖直集中）竖直集中）竖直集中荷载下的附加应力；荷载下的附加应力；荷载下的附加应力；荷载下的附加应力；2 2）矩形面积竖直均布荷）矩形面积竖直均布荷）矩形面积竖直均布荷）矩形面积竖直均布荷载作用时的附加应力；载作用

18、时的附加应力；载作用时的附加应力；载作用时的附加应力；3 3）矩形面积竖直三角）矩形面积竖直三角）矩形面积竖直三角）矩形面积竖直三角形荷载时的附加应力；形荷载时的附加应力；形荷载时的附加应力；形荷载时的附加应力；4 4）矩形面积水平均布）矩形面积水平均布）矩形面积水平均布）矩形面积水平均布荷载时的附加应力；荷载时的附加应力；荷载时的附加应力；荷载时的附加应力；5 5）条形面积竖直均布荷）条形面积竖直均布荷）条形面积竖直均布荷）条形面积竖直均布荷载时的附加应力；载时的附加应力；载时的附加应力；载时的附加应力；6 6）条形面积竖直均布荷载）条形面积竖直均布荷载）条形面积竖直均布荷载）条形面积竖直均

19、布荷载时的附加应力。时的附加应力。时的附加应力。时的附加应力。有效应力原理有效应力原理n n当外力作用于饱和土体后，一部分由土的骨架承担，并通过颗粒当外力作用于饱和土体后，一部分由土的骨架承担，并通过颗粒之间的接触面传递，这部分称为粒间应力，定义为有效应力；另之间的接触面传递，这部分称为粒间应力，定义为有效应力；另一部分由水承担，水不能承担剪应力，但能承担法向应力，并可一部分由水承担，水不能承担剪应力，但能承担法向应力，并可以通过连通的孔隙水传递，这部分水压力称为孔隙水压力。以通过连通的孔隙水传递，这部分水压力称为孔隙水压力。n n(1)(1)饱和土体内任一平面上受到的总应力可分为有效应力和孔

20、隙水饱和土体内任一平面上受到的总应力可分为有效应力和孔隙水压力两部分压力两部分:n n总应力与有效应力和孔隙水压力的关系如下：总应力与有效应力和孔隙水压力的关系如下：n n(2)(2)土的变形与强度的变化仅取决于有效应力的变化土的变形与强度的变化仅取决于有效应力的变化n n孔孔隙隙水水压压力力和和有有效效应应力力的的计计算算可可以以细细分分为为如如下下的的几几个个方方面面：1 1）饱饱和和土土中中自自重重应应力力作作用用下下的的孔孔隙隙水水压压力力和和有有效效应应力力的的计计算算；2 2）侧侧限限条条件件下下附附加加应应力力时时的的孔孔隙隙水水压压力力和和有有效效应应力力的的计计算算；3 3）

21、轴轴对对称称三三维应力状态的孔隙水压力和有效应力的计算。维应力状态的孔隙水压力和有效应力的计算。土的变形特征土的变形特征n n土的变形主要是竖向的压缩变形n n包括侧限压缩试验和压缩指标侧限压缩试验和压缩指标，土的弹土的弹性变形与残余变形的概念，土体的受荷性变形与残余变形的概念，土体的受荷历史对土的压缩性的影响，地基最终沉历史对土的压缩性的影响，地基最终沉降量计算和单一压缩土层的沉降量计算降量计算和单一压缩土层的沉降量计算以及单向压缩分层总和法原理和计算步以及单向压缩分层总和法原理和计算步骤。骤。地基变形与时间的关系计算地基变形与时间的关系计算n n（1)1)计算步骤计算步骤计算步骤计算步骤n

22、 n1)1)用分层总和法计算地基最终沉降量用分层总和法计算地基最终沉降量s s；n n 2)2)根根据据土土层层的的性性质质指指标标,确确定定土土的的固固结结系系数数c cv v；n n3)3)根据时间根据时间t t、固结系数、固结系数c cv v计算时间因数计算时间因数T Tv v；n n4)4)根据土层附加应力与排水情况确定比值根据土层附加应力与排水情况确定比值J J；n n5)5)由由T Tv v、J J确定确定U Ut t；n n6)6)根据根据U Ut t和最终沉降量和最终沉降量s s，由，由U Ut t=，求，求s st t。第4章章 土的抗剪强度土的抗剪强度n n重点：掌握土的强

23、度特性；掌握土的强度特性；n n掌握砂类土和粘性土的抗剪强度定律；掌握砂类土和粘性土的抗剪强度定律；n n掌掌握握土土处处于于极极限限平平衡衡条条件件下下大大小小主主应应力力的的关关系系以以及及剪剪切切破破裂裂面面与与大大主主应应力力作作用用面面的的关关系系；掌掌握握用用直直剪剪仪仪和和三三轴轴仪仪测测定定抗抗剪剪强强度度的的方方法法；了了解解土土的的强强度度增增长长规规律律及及应应力力路路径径对对土土的的强强度的影响。度的影响。n n难点难点：土的极限平衡条件：土的极限平衡条件。土的抗剪强度的基本理论土的抗剪强度的基本理论n n（1）直剪试验）直剪试验n n（2）土的抗剪强度规律库仑强度线。

24、）土的抗剪强度规律库仑强度线。n n砂性土砂性土f=tan (4-1a)n n粘性土粘性土 f=c+tan (4-1b)（3）土的极限平衡条件1)土中一点的应力状态当土中任一点的应力x、z、xy2)土的极限平衡状态当f(在破坏线以下)表示该点处于稳定状态=f(破坏线以上)表示该点处于极限平衡状态f(在破坏线上方)表示该点已经剪切破坏3)土的极限平衡条件【解】已知最小主应力3=150kPa，现将=26,c=20kPa，1=450kPa代入公式(4-5b)的右侧，得最小主应力的计算值为：=450tg2(32)-220tg32=150.5kPa计算结果可认为3的计算值与已知值相等，所以该土样处于极限

25、平衡状态。某土样=26，c=20kPa，承受大小主应力分别为1=450kPa，3=150kPa，试判断该土样是否达到极限平衡状态?【解】已知最小主应力3=150kPa，现将=26,c=20kPa，1=450kPa代入公式(4-5b)的右侧，得最小主应力的计算值为：3tan2(45-2)-2ctan(45-2)=450tg2(32)-220tg32=150.5kPa计算结果可认为3的计算值与已知值相等，所以该土样处于极限平衡状态。抗剪强度试验方法抗剪强度试验方法n n（1 1）直接剪切试验）直接剪切试验n n1)1)快剪快剪2)2)固结快剪固结快剪3)3)慢剪慢剪 n n（2 2）三轴压缩试验三

26、轴压缩试验n n1)1)试验仪器和试验原理试验仪器和试验原理 不固结不排水剪不固结不排水剪(UU)(UU)n n 固结不排水剪固结不排水剪(CU)(CU)试验试验 固结排水剪固结排水剪(CD)(CD)试验试验 n n2)2)影响土的抗剪强度的因素影响土的抗剪强度的因素 n n土粒的矿物成份、形状、颗粒大小与颗粒级配土粒的矿物成份、形状、颗粒大小与颗粒级配n n土的密度土的密度含水量含水量土体结构的扰动情况土体结构的扰动情况n n孔隙水压力的影响孔隙水压力的影响 土的天然强度及强度增长规律土的天然强度及强度增长规律n n（1 1）土土的的天天然然强强度度土土体体保保持持天天然然原原始始状状态态所

27、所具具有有的的强强度度即即为为天天然强度。然强度。n n1 1）三三轴轴不不固固结结不不排排水水剪剪切切试试验验（UUUU）试试验验，测测定定 fufu作作为为土土的的天天然强度。然强度。n n2 2）无侧限抗压强度试验，测定）无侧限抗压强度试验，测定 fufu。n nn n3 3）直接剪切试验直接剪切试验n n（2 2）软土在荷载下的强度增长规律软土在荷载下的强度增长规律n n软软土土地地基基在在外外荷荷载载作作用用下下，若若总总应应力力不不变变和和地地基基有有排排水水固固结结条条件件，则孔隙水压力的消散以及士层的固结将使土的抗剪强度增长。则孔隙水压力的消散以及士层的固结将使土的抗剪强度增长。土的强度特性土的强度特性（1 1）砂性土的强度特性砂性土的强度特性n n11）砂土的内摩擦角）砂土的内摩擦角n n22）砂土的应力轴向应变体应变砂土的应力轴向应变体应变图图n n3)3)砂土的残余强度砂土的残余强度n n44）砂土的液化）砂土的液化（2 2）影响粘性土的强度特性有）影响粘性土的强度特性有n n11）应力历史的影响）应力历史的影响 n n22）粘性土的残余强度）粘性土的残余强度n n3)3)粘土的结构性与灵敏度粘土的结构性与灵敏度n n4)4)粘土的蠕变粘土的蠕变