《土力学》教学教案1要点.docx
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《土力学》教学教案1要点
《土力学》教案
参考书：
《土力学》，张克恭，刘松玉主编，中国建筑出版社
《土力学地基基础》清华大学（第三版）
《建筑基础工学》，山肩帮男，永井兴史郎，富永晃司，伊藤淳志著，朝仓书店
《土质力学》，山口柏树著，技报堂出版。
一、课程性质和任务
土力学的主要任务是：
保持土力学系统性和科学性，突出重点，避免与已修课程的简单重复，将重点放在与工程应用有密切关系的工程地质和土力学基本知识和基本理论上，以提高学生的理论水平和实际应用能力。
在学习本课程之前，应学完材料力学、结构力学等课程。
二、课程的基本内容
绪论
1．土力学的概念及学科特点（Conceptofsoilmechanicsanditscharacteristics）
2．土力学的发展史（Developmentofsoilmechanics）
3．本课程的内容，要求和学习方法（Content,demandandstudytechniques）
第1章土的物理性质及分类（Physicalcharacteristicsofsoilanditssorts）
1.1概述（Outline）
1.2土的组成Soilconstitution）
1.2.1土中固体颗粒（Soilparticle）
1.2.2土粒粒度分析方法（Methodofparticlesizeanalysis）
1.2.3土中水和土中气（Waterandairinsoil）
1.2.4粘土颗粒与水的相互作用（interactionofclayparticleandwater）
1.2.5土的结构和构造（Soilstructure）
1.3土的三相比例指标（Phaserelationship）
1.3.1指标的定义（Definitionofphase）
1.3.2指标的换算（Conversionamongphase）
1.4无粘性土的密实度（Densityofsandy-soil）
1.4.1沙土的相对密（实）度（RelativeDensityofsand）
1.5粘性土的物理特征（Physicalcharacteristicsofclay）
1.5.1粘性土的可塑性及界限含水量（Plasticityofclayanditsconsistencylimit（Atterberglimit））
1.5.2粘性土的可塑性指标（plasticindexofclay）
1.5.3粘性土的结构性和触变性
1.5.4粘性土的胀缩性，湿陷性和冻胀性
1.6土的分类标准（Soilclassification）
1.6.1土的分类原则（Principleofsortingsoils）
1.6.2土的分类标准（Benchmarkofsoilsorts）
1.7地基土的工程分类（Sortsofsoilinengineering）
1.7.1建筑地基土的分类（Soilsortsinarchitechturalfoundation）
1.7.2公路桥涵地基土的分类（Soilsortsinbridgeandculvertfoundation）
1.7.3公路路基土的分类（Soilsortsinroadbedfoundation）
思考题与习题（Problems）
第2章土的渗透性及渗流（Soilpermeabilityandseepage）
2.1概述（Outline）
2.2土的渗透性（Soilpermeability）
2.2.1土的层流渗透定律（permeabilitylaw）
2.2.2渗透试验与渗透系数（permeabilitytestandcoefficientofpermeability）
2.3土中二维渗流及流网简介（2Dseepageandintroductionofflownet）
2.3.1二维渗流方程（Equationof2Dseepage）
2.3.2流网特征与绘制（Characteristicofflownet）
2.4渗透破坏与控制（Breakageduetopermeabilityanditscontrol）
2.4.1渗流力（seepageforce）
2.4.2流砂或流土现象（Sandboiling）
2.4.3管涌现象和潜蚀作用（）
思考题与习题
第3章土中应力（Soilstress）
3.1概述（Outline）
3.2土中自重应力（Stressduetosoildeadweight）
3.2.1均质土中自重应力（Stressduetodeadweightinhomogeneoussoils）
3.2.2成层土中自重应力（Stressduetodeadweightinlayeredsoils）
3.2.3地下水位升降时的土中自重应力（Stressduetodeadweightwhensoilislayered）
3.3基底压力（接触应力）（AttachedPressure）
3.3.1基本概念（Basicconcept）
3.3.2基层压力的简化计算（Simplifiedmethodofcalculatingthecontactpressure）
3.3.3基底附加应力（Thecontactpressure）
3.3.4桥台前后填土引起的基底附加应力（Theadditionalcontactpressureduetofillingatthefrontandbackofabutment）
3.4地基附加应力（add-stressesoffoundation）
3.4.1竖向集中力下的地基附加应力（add-stressesoffoundationduetoapointverticalload）
3.4.2矩形荷载和圆形荷载下的地基附加应力（add-stressesoffoundationduetoauniformpressureinarectangularareaorinacirculararea）
3.4.3线荷载和条形荷载下的地基附加应力（add-stressesoffoundationduetoalineloadand/orapressureinastriparea）
3.4.4非均质和各向异性地基中的附加应力（add-stressesinnonhomogeneousoranisotropicsoils）
思考题与习题（problems）
第4章土的压缩性及固结理论（Soilcompressionandconsolidationtheory）
4.1概述（Outline）
4.2土的压缩性（Soilcompression）
4.2.1固结试验及压缩性指标（Consolidationtestandtheparametersofsoilcompression）
4.2.2现场载荷试验及变形摸量（In-situloadtestanddistortionmodulus）
4.2.3土的弹性摸量（Elasticmodulus）
4.3饱和土中的有效应力（Effectivestressesinsaturatedsoil）
4.3.1饱和土中的有效应力原理（Principleofeffectivestressesinsaturatedsoil）
4.3.2土中水渗流时的土中有效应力（Influenceofseepageoneffectivestresses）
4.3.3毛细水上升时的土中有效应力（Influenceofsuctiononeffectivestresses）
4.4土的单向固结理论（Theoryof1Dconsolidation）
4.4.1饱和土的渗透（流）固结（Consolidationofsaturatedsoils）
4.4.2太沙基一维固结理论（Terzaghi’stheoryofconsolidation）
4.4.3土的固结系数（Coefficientofconsolidation）
思考题与习题（problems）
第5章地基沉降（settlement）
5.1概述（outline）
5.2地基的最终沉降量（Finalsettlement）
5.2.1按分层总和法计算最终沉降量（Finalsettlement:
onedimensionalmethod）
5.2.2弹性力学公式计算最终沉降量（Finalsettlementbyelasticequation）
5.2.3变形发展三分法（斯肯普顿法）计算最终沉降量（FinalsettlementbySkepton-Bjerrummethod）
5.2.4最终沉降量计算方法的讨论（Discussiononmethodsofcalculatingfinalsettlement）
5.3应力历史对地基沉降的影响（Influenceofstresshistoryonfoundationsettlement）
5.3.1沉积土层的应力历史（Stresshistoryofdepositlayers）
5.3.2地基固结沉降的计算（Calculatingtheconsolidationsettlementoffoundation）
5.4应力路径法计算地基沉降简介（Introductionofthestresspathmethod）
5.5地基沉降与时间的关系（Relationshipbetweenfoundationsettlementandtime）
5.5.1地基固结过程中任意时刻的沉降量（Settlementatanytimeduringconsolidation）
5.5.2利用沉降观测资料推算后期沉降量（Estimatingthelatersettlementbymeasurement）
思考题与习题（problems）
第6章土的抗剪强度（Shearstrength）
6.1概述（Outline）
6.2土的抗剪强度理论（Theoryofshearstrength）
6.2.1库仑公式及抗剪强度指标（Coulmbequationandshearstrengthindexes）
6.2.2莫尔-库仑强度理论及极限平衡条件（TheMohr-Coulmbfailurecriterion）
6.3土的抗剪强度试验（Testsonshearstrength）
6.3.1直接剪切试验（Directsheartest）
6.3.2三轴压缩试验（Triaxialcompressiontest）
6.3.3无侧限抗压强度试验（）
6.3.4十字板剪切试验
6.4三轴压缩试验中的孔隙压力系数Coefficientofvoidstressintriaxialcompressiontest
6.5饱和粘性土的抗剪强度
6.5.1不固结不排水抗剪强度（不排水抗剪强度）
6.5.2固结不排水抗剪强度
6.5.3固结排水抗剪强度
6.5.4抗剪强度指标的选择
6.6应力路径在强度问题中的应用
6.7无粘性土的抗剪强度
思考题与习题
第7章土压力
7.1概述
7.2挡土墙侧的土压力
7.3朗肯土压力理论
7.3.1主动土压力
7.3.2被动土压力
7.3.3有超载时的主动土压力
7.3.4非均质填土的主动土压力
7.4库伦土压力理论
7.4.1主动土压力
7.4.2被动土压力
7.4.3粘性土和粉土的主动土压力
7.4.4有车辆荷载时的土压力
7.4.5朗肯理论与库伦理论的比较
思考题与习题
第8章地基承载力
8.1概述
8.2浅基础的地基破坏模式
8.2.1三种破坏模式
8.2.2破坏模式的影响因素和判别
8.3地基临界荷载
8.3.1地基塑性区边界方程
8.3.2地基的临塑荷载和临界荷载
8.4地基极限承载力
8.4.1普朗德尔和赖斯纳极限承载力
8.4.2太沙基极限承载力
8.4.3汉森和魏锡克极限承载力
8.5地基容许承载力和地基承载力特征值
思考题与习题
第9章土坡和地基的稳定性
9.1概述
9.2无粘性土坡的稳定性
9.3粘性土坡的稳定性
9.3.1整体圆弧滑动法土破稳定分析
9.3.2毕肖普条分法土破稳定分析
9.3.3杨布条分法土破稳定分析
9.3.4土体抗剪强度指标及稳定安全系数的选择
9.3.5坡顶开裂时的土破稳定分析
9.3.6土中水渗流时的土破稳定性
9.4地基的稳定性
思考题与习题
第10章土在动荷载作用下的特性
10.1概述
10.2土的压实性
10.2.1击实试验及压实度
10.2.2土的压实机理及其影响因素
10.3土的振动液化
10.3.1土的振动液化机理及试验分析
10.3.2影响土液化的主要因素
10.3.3坡顶开裂时的土破稳定分析
10.4反复荷载下土的强度和变形特性
10.5土的动力特征参数简介
思考题与习题
绪论
土力学的概念及学科特点
土力学是研究土体的一门力学，它是研究土体的应力﹑变形﹑强度﹑渗流及长期稳定性的一门学科。
广义的土力学又包括土的生成﹑组成﹑物理化学﹑物理生物及分类在内的土质学。
在自然界中，地壳表层分布有岩石圈（广义的岩石包括基岩及其覆盖土）﹑水圈及大气圈。
岩石是一种或多种矿物的集合体，其工程性质在很大程度上取决于他的矿物成分，而土是岩石风化的产物。
土是由岩石经历物理﹑化学﹑生物风化作用以及剥蚀﹑搬运﹑沉积作用交错复杂的自然环境中所生成的各类沉积物。
因此，土的类型及其物理﹑力学性状是千差万别的，但在同一地质年代和相似沉积条件下，又有其相近性状的规律性。
强风化岩石的性状接近土性，也属于土质学与土力学的研究范畴。
土中固体颗粒是岩石风化后的碎屑物质，简称土粒。
土粒集合体构成土的骨架，土骨架的孔隙中存在液态水和气体。
因此，土是由土粒（固相）﹑土中水（液相）和土中气（气相）所组成的三相物质；当土中孔隙被水充满时，则是由土粒和土中水组成的二相体。
土体具有与一般连续固体材料（如钢﹑木﹑混凝土及砌体等建筑材料）不同的孔隙特性，它不是刚性的多孔介质，而是大变形的孔隙性物质。
在孔隙中水的流动显示土的透水性（渗透性）；土孔隙体积的变化显示土的压缩性﹑胀缩性；在孔隙中土粒的错位显示土内摩擦和粘聚的抗剪强度特性。
土的密度﹑孔隙率﹑含水量是是影响土的力学性质的重要因素。
土力学的发展史
18世纪：
1）Coulmb，《极大极小准则在若干静力问题中应用》，法国，1773
2）Darcy，土的层流渗透定律，法国，1855
3）Rankine，土压力塑性平衡理论，英国，1857
4）Boussinesq，弹性半空间（半无限体）表面竖向集中力作用时土中应力变形的理论解，法国，1885
20世纪
1）1915年由瑞典，Petterson提出，经由瑞典Fellenius，Taylor进一步发展，土坡稳定分析的整体圆弧滑动面法。
2）Prandtl，地基剪切破坏时的滑动面形和极限承载力公式，法国，1920
3）Terzaghi，《土力学》专著，美籍奥地利人，1925，从此《土力学》成为一门独立的科学
本课程的内容，要求和学习方法
本课程所含内容为：
第1章土的物理性质及分类
第2章土的渗透性及渗流
第3章土中应力
第4章土的压缩性及固结理论
第5章地基沉降
第6章土的抗剪强度
第7章土压力
第8章地基承载力
第9章土坡和地基的稳定性
第10章土在动荷载作用下的特性
第1章土的物理性质及分类
学习要求：
了解土的成因和三相组成，掌握土的物理性质和物理状态指标的定义、物理概念、计算公式和单位。
要求熟练地掌握物理指标的三相换算。
了解地基土的工程分类依据与准确定名。
1.1概述
“土”一词在不同的学科领域有其不同的涵义。
就土木工程领域而言，土是指覆盖在地表的没有胶结和弱胶结的颗粒堆积物。
土与岩石的区分仅在于颗粒间胶结的强弱。
物理风化——指岩石经受风、霜、雨、雪的侵蚀，温度湿度的变化、不均匀膨胀与收缩，使岩石产生裂隙，崩解为碎块。
这种风化仅改变颗粒大小与形状，不改变原来矿物成分。
生成的土呈松散状态，无粘性土。
化学风化——指岩石碎屑与空气、水和各种水溶液相接触，经氧化、碳化和水化作用，改变原来矿物成分，形成新的矿物（次生矿物）。
生成的土为细粒土，粘性土。
生物风化——由动物、植物和人类对岩体的破坏称生物风化
1.2土的组成（本章重点之一，布置作业加以巩固）
1.2.1土的固体颗粒
土是岩石风化的产物。
因此土粒的矿物组成将取决于成土母岩的矿物组成及其后的风化作用。
成土矿物可分为两大类：
原生矿物：
由岩石经物理风化生成的，颗粒成分与母岩的相同，常见的有石英、长石和云母，颗粒较粗，多呈浑圆形状，吸附水的能力弱，无塑性。
次生矿物由原生矿物经化学风化生成的新矿物，它的成分与母岩的完全不同，有高岭石、伊利石和蒙脱石粘土矿物，颗粒极细，且多呈片状，性质活泼，吸附水能力强，具塑性。
水溶盐：
可溶性次生矿物。
常见的有岩盐、钾盐、石膏、方解石，硫酸盐类还对金属和混凝土有一定的腐蚀作用
有机质：
动植物分解后的残骸，称为腐殖质。
其颗粒极细，粒径小于0.1m，呈凝胶状，带有电荷，具极强的吸附性。
1.2.2土粒粒度分析方法
土的颗粒级配
土颗粒的大小直接决定土的性质；
粒径——颗粒直径大小，界限粒径——划分粒组的分界尺寸。
粒组——将粒径大小接近、矿物成分和性质相似的土粒归并为若干组别即称为粒组。
可划分
2006020.0750.005mm
漂石卵石砾石砂粒粉粒粘粒
颗粒级配——土粒的大小及组成情况，通常以土中各个粒组的相对含量来表示，称为土的颗粒级配。
级配的测室方法：
筛析法（>0.075mm）比重计法（<0.075mm）
颗粒分析试验结果，绘制图的粒径级配曲线。
用半对数坐标绘制。
纵坐标表示小于某粒径的土重占总土重的百分数，横坐标用对数坐标表示土的粒径。
1不均匀系数定义为（Cu）
2曲率系数定义为（Cc）
式中：
d60：
限定粒径。
当小于某粒径的土粒质量累计百分数为60%时，相应的粒径称为d60。
d10：
有效粒径。
当小于某粒径的土粒质量累计百分数为10%时，相应的粒径称为d10。
d30：
当小于某粒径的土粒质量累计百分数为30%时的粒径用d30表示。
不均匀系数Cｕ反映大小不同粒组的分布情况。
Cｕ越大表示土粒大小的分布范围越大、其级配越良好，作为填方工程的土料时，则比较容易获得较大的
密实度。
曲率系数Cc描写累积曲线的分布范围，反映曲线的整体形状。
曲线平缓，粒径大小相差悬殊，土粒不均匀。
颗粒级配可以在一定程度上反映土的某些性质。
对于级配良好（Cｕ>10，且Cc=1~3）的土，较粗颗粒间的孔隙被较细的颗粒所填充，因而土的密实度较好，相应的地基土的强度和稳定性也较好．透水性和压缩性也较小，可用作堤坝或其它土建工程的填方土料。
习题1.2。
1.2.3土中水和水中气
土中水处于不同位置和温度条件下，可具有不同的物理状态——固态、液态、气态。
液态水是土中孔隙水的主要存在状态，因其受土粒表面双电层影响程度的不同可分为结合水、毛细水、重力水。
后两者也称为非结合水（自由水）。
结合水:
土颗粒表面带有一定的电荷，当土粒与水相接触时，由于静电作用力，将吸引水化离子和水分子，形成双电层，在双电层影响下的水膜称为表面结合水。
双电层的厚薄也反映了结合水的
厚薄，结合水具有与一般自由水不同的性质，其密度较大、粘滞度高、流动性差、冰点低、比热较大、介电常数较低。
这种差异随距离增加而减弱。
自由水（非结合水）：
毛细水:
毛细水是受到水与空气交界面处表面张力作用的自由水。
毛管现象是毛细管壁对水的吸力和水的表面张力共同作用的结果。
重力水:
重力水是存在于地下水位以下的适水土层中的地下水。
它是在重力或压力差作用下运动的自由水，对土粒有浮力作用。
重力水只受重力控制，不受土粒表面吸引力的影响。
土中气：
土中的气体:
与大气相通,压缩性高；与大气隔绝,降低透水性
成分:
一般空气中成分；微生物产生可燃气体（H2S）
1.2.4粘土颗粒与水的相互作用
本节以学生自学为主，使学生了解，粘土矿物的结晶构造和基本特性以及粘土颗粒与水的相互作用
1.2.5土的结构和构造
1.定义：
指土颗粒的大小、形状、表面特征，相互排列及其联结关系的综合特征。
2.土的结构单粒结构砂层，砾石层
蜂窝结构粉粒
絮状结构粘粒
土的构造：
指同一土层中成分和大小都相近的颗粒或颗粒集合体相互关系的特征。
常分散构造的工程性质最好，裂隙状构造中，因裂隙强度低、渗透性大，工程性质差
1.3土的三相比例指标（本章重点，亦为难点，课堂讲解，要求学生自行推倒关系式，布置课后作业）
由于各类土的生成条件不同，它们的工程特性往往相差悬殊。
1.搬运、沉积条件：
通常流水搬运沉积的土优于风力搬运沉积的土。
2.沉积年代：
通常土的沉积年代越长，土的工程性质越好。
3.沉积的自然地理环境：
自然地理环境不同所生成的土的工程性质差异也很大。
土的三相组成是指土由固体颗粒、液体水和气体三部分组成。
土中的固体矿物构成土的骨架,骨架之间贯穿着大量的孔隙,孔隙中充满着液体水和气体。
土体三相比例不同，土的状态和工程性质也随之各异，例如：
固体+气体（液体=0）为干土，此时粘土呈坚硬状态，砂土呈松散状态；
固体+液体+气体为湿土，此时粘土多为可塑状态；
固体+液体（气体=0）为饱和土，此时粉细砂或粉土遇强烈地震，可能产生液化，而使工程遭受破坏；粘土地基受建筑物荷载作用发生沉降需几十年才能稳定。
土是由固相、液相、气相组成的三相分散系。
固相——包括多种矿物成分组成土的骨架，骨架间的空隙为液相和气相填满，这些空隙是相互连通的，形成多孔介质；
液相——主要是水（溶解有少量的可溶盐类）；
气相——主要是空气、水蒸气，有时还有沼气等。
三相比例指标反映了土的干燥与潮湿、疏松与紧密，是评价土的工程性质的最基本的物理性质指标，也是工程地质勘察报告中不可缺少的基本内容。
三相比例指标可分为两种，一种是试验指标（基本指标）；另一种是换算指标。
反映土的松密程度的指标有：
土的孔隙比e、孔隙率n；反映了土的含水程度的指标有：
含水量ω、饱和度Sr；特定条件下土的重度有：
重度γ、干重度γd、饱和重度γsat、浮重度γ’。
三项基本指标（重度γ、比重Gs、含水量ω）
1.3.1指标的定义
土粒
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