土质土力学指导大纲.docx
- 文档编号:8296758
- 上传时间:2023-01-30
- 格式:DOCX
- 页数:22
- 大小:257.52KB
土质土力学指导大纲.docx
《土质土力学指导大纲.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《土质土力学指导大纲.docx(22页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
土质土力学指导大纲
《土质土力学》课程教学大纲与指导
(56学时)
参考教材:
《土力学》(中国建筑工业出版社,东南大学等)
一、课程的性质与任务
本课程是土木工程及其相近专业的一门十分重要的专业基础课,是从事土木建筑工程专业人员应该熟悉和掌握的岩土工程基本理论知识,是与岩土工程实践联系紧密的基础理论和经验总结。
学习本课程的主要任务是:
1.理解土力学的基本概念、原理和理论。
2.掌握土力学基本工程问题的计算方法。
二、课程基本要求
学习本课程应该具备工科数学分析、理论力学、材料力学、结构力学、工程地质学等先修课程的基础知识。
通过本课程学习,了解土的成因和分类方法,熟悉土的基本物理力学性质,掌握地基沉降、地基承载力、土压力计算方法和土坡稳定分析方法,具有应用土力学的基本原理和方法解决实际工程中稳定、变形等问题的能力,为基础工程、地基处理、挡土结构与基坑工程、岩土工程测试与检测技术、环境岩土工程、地质灾害防治与评估、地下建筑施工、特种基础工程、土动力学与工程抗震等工作打好理论基础。
三、课程基本内容
第1章绪论
1、教学目的和教学要求
掌握地基与基础的概念,熟悉地基的分类,了解本学科的内容和特点。
2、教学内容和重点知识解析
(1)土质学与土力学的概念及其研究对象
(2)土质学与土力学的发展与展望
(3)本课程的学习内容
重点知识解析:
(1)土是矿物或岩石碎屑构成的松软集合体,是由母岩经风化作用生成的大小悬殊的颗粒。
(2)地基是受上部结构荷载影响的一部分土层;基础是建筑物(构筑物)向下传递荷载的下部结构,是建筑物的组成部分。
第2章土的组成
1、教学目的和教学要求
(1)熟练掌握三种风化作用、土的结构与构造、黏土矿物组成、土的粒径级配曲线、结合水的性质。
(2)掌握土粒大小与形状、土中水的分类。
(3)了解土中气体对工程性质的影响。
2、教学内容和重点知识解析
第一节土的生成及物质成分
土的生成、土的成分
重点知识解析:
(1)土由母岩经风化作用生成,包括生成物理风化、化学风化、生物风化作用。
(2)土为固相、液相、气相三相体。
第二节土中固体颗粒
土颗粒矿物成分、土颗粒大小与形状、土的粒径级配
重点知识解析:
(1)土粒的矿物成分包括原生矿物、次生矿物和腐殖质。
(2)土颗粒大小与形状
(3)粒径级配是土中各粒组的相对含量占总质量的百分数,决定无粘性土工程性质的主要因素,土分类定名的标准
(4)限定粒径d60、有效粒径d10、不均匀系数的概念
(5)土颗粒的大小及其级配,通常是用颗粒累计级配曲线来表示的,级配曲线越平缓表示土粒大小不均匀,级配良好.
(6)不均匀系数Cu是用小于某粒径的土粒质量累计百分数的两个限定粒径之比来表示的,即Cu=d60/d10
第三节土中水
结合水、自由水
重点知识解析:
(1)结合水分为强结合水和弱结合水
(2)不能够传递静水压力的包括强结合水、弱结合水、固态水
第四节土中气
自由气、封闭气泡
重点知识解析:
封闭气泡与橡皮土有关。
第五节土的结构与构造
土的结构分类、土的构造分类
重点知识解析:
(1)土的结构分为
(2)土的构造分为层状构造、分散构造、结核状构造和裂隙状构造。
3、复习题
土中结合水可分为哪两种,它们各有什么特点?
什么是土的结构,什么事土的构造,各有哪些分类?
什么是限定粒径、有效粒径、不均匀系数?
自由水、弱结合水和强结合水是否都能传递静水压力?
第3章土的物理性质及工程分类
1、教学目的和教学要求
(1)熟练掌握土的物理性质指标及各指标间的换算、物理状态指标的含义。
(2)掌握《建筑地基基础设计规范》对土的工程分类。
(3)了解土的工程分类定名依据。
2、教学内容和重点知识解析
第一节土的物理性质
土的三项基本物理性质指标、土的六项导出物理性质指标、物理性质指标换算
重点知识解析:
(1)三项基本物理指标:
密度:
单位体积土的质量。
土粒比重:
土中固体矿物的质量与同体积4℃时纯水质量的比值。
土的含水量:
土中水的质量与固体矿物质量的比值。
(2)六项导出物理性质指标:
孔隙比、孔隙率、饱和度、干密度、饱和密度、有效密度
(3)已知一原状土样,天然重度ρ=1.7g/cm3,含水量ω=10%,土粒密度ρs为2.72g/cm3,求该土样的孔隙比e和饱和度Sr。
解:
令V=1cm3,
―――
则:
第二节土的物理状态
粘性土的密实程度指标、粘性土的物理状态指标
重点知识解析:
(1)描述粘性土物理状态的指标包括液限、塑限、缩限、塑性指数
(2)描述无粘性土密实程度的指标包括孔隙比、相对密度、标贯击数。
(3)孔隙比表示土中孔隙体积与土颗粒体积之比。
(4)土的含水量是指土中水的质量与固体颗粒质量之比。
(5)粘性土原状土无侧限抗压强度与结构完全破坏的重塑土的无侧限抗压强度的比值称为灵敏度。
(6)塑限、液限和天然含水量是评价粘性土的物理指标
(7)土的黏粒含量越高,黏性土的塑性指数Ip越大。
第三节土的工程分类
土工程分类的国家标准、《建筑地基基础设计规范》对土的工程分类
重点知识解析:
地基土的工程分类:
岩石、碎石土、砂土、粉土、粘土、人工填土
3、复习题
土的三相实测指标是什么?
什么是粘性土的界限含水量?
什么是塑性指数,其工程用途是什么
第4章土的渗透性
1、教学目的和教学要求
(1)熟练掌握达西定律的含义、流网的工程应用。
(2)掌握平面渗流微分方程的含义、土的冻胀与融沉现象与机理。
(3)了解冻融过程水分迁移模型。
2、教学内容和重点知识解析
第一节达西定律
达西定律的表达式、渗透系数
重点知识解析:
(1)水在土中的渗流速度与水头梯度成正比。
(2)达西定律限于层流的情况,一般只适用于中砂、细砂和粉砂。
(3)渗透系数室内测试分常水头试验和变水头试验、原位测试可采用现场抽水试验。
(4)根据达西定律,水在土中的渗流速度等于水力梯度和渗透系数的乘积。
(5)细砂和粉砂容易发生流砂现象。
(6)影响土体渗透系数的因素包括
①粒径大小和级配②结构与孔隙比
③饱和度和矿物成分④渗透水的性质
(7)渗透力方向与渗透方向一致,其数值与水头梯度成正比,是一种体积力
第二节流网及其应用
平面渗流微分方程、流网的工程应用
重点知识解析:
流网可用于计算渗流速度、渗流量、孔隙水压力。
第三节冻融过程的水分迁移
土的冻胀与融沉现象、冻融机理与水分迁移模型
重点知识解析:
(1)某些细粒土层在冻结时,往往会发生土层体积膨胀,使地面隆起成丘。
危害表现为路面变得松软,重者路面开裂、冒泥、翻浆;使房屋、桥梁等发生大量下沉或不均匀下沉,甚至引起建筑物开裂破坏。
(2)冻胀的机理是冻结时土中的水向冻结区域迁移和积累。
3、复习题
1)达西定律的适用范围是什么?
2)影响渗透系数的因素有哪些?
3)冻胀的工程危害有哪些?
如何解决冻胀问题?
4)渗透系数的测定方法有哪些?
它们的适用条件是什么?
第5章地基中的应力
1、教学目的和教学要求
(1)熟练掌握自重应力的计算、有效应力原理的含义、基底压力的计算、角点法。
(2)掌握水平向自重应力的计算、基底压力分布形式及其影响因素。
(3)了解利用布辛奈斯克解积分求地基附加应力的方法及方法的优缺点。
2、教学内容和重点知识解析
第一节土的自重应力
均质土体自重应力计算、层状地基自重应力计算
重点知识解析:
(1)层状地基自重应力的计算公式为
(2)水平向自重应力与竖向自重应力的关系为
第二节有效应力原理
太沙基实验、有效应力原理的表述
重点知识解析:
(1)饱和土中的总应力等于有效应力与孔隙水压力之和。
(2)地下水位长时间下降,会使地基中原水位以下的自重应力增加。
第三节基底应力
基底接触压力、基底附加压力
重点知识解析:
(1)基底接触压力的计算公式
(2)基底超过自重应力的那一部分接触应力称为基底附加压力。
第四节地基中的附加应力
弹性半空间的布辛奈斯克(Boussinesq)解答、地基附加应力计算的角点法
重点知识解析:
利用角点法计算地基附加应力。
3、复习题
1)说明集中荷载作用下地基中附加应力的分布规律。
2)基底压力、基底附加压力的含义及它们之间的关系?
3)用所学知识解释抽吸地下水引起地面沉降的原因。
第6章土的压缩性与地基变形
1、教学目的和教学要求
(1)熟练掌握分层总和法计算地基最终沉降量、压缩性指标的意义与计算、超固结比的涵义、先期固结压力的确定方法、静载荷试验及变形模量的反演、沉降时程的理论计算和经验估计方法。
(2)掌握地基的变形特性、侧限压缩试验条件、压缩曲线、分层总和法计算公式的推导、原始压缩曲线的获取方法、考虑应力历史的最终沉降量的计算、最终沉降量的弹性力学方法、饱和土固结机理、太沙基一维固结方程的涵义。
(3)了解两种分层总和法的关系、旁压试验及模量计算。
2、教学内容和重点知识解析
第一节土的变形特性
压缩性、饱和土变形过程特性
重点知识解析:
(1)饱和土体的压缩过程——排水固结,有效应力增加,孔隙压力减小的过程。
(2)土的压缩需要一定时间。
第二节侧限压缩试验
试验条件、试验荷载、压缩曲线、压缩性指标
重点知识解析:
(1)侧限条件:
限制侧向变形,仅允许竖向变形
(2)压缩系数
(3)根据a1-2的大小评价土的压缩性
(4)土体压缩性e-p曲线是在完全侧限条件下试验得到的。
15、若土的压缩曲线(e-p曲线)较陡,则表明土的压缩性较大。
27、土的压缩曲线e-p曲线中的压力p是有效应力。
(5)从一粉质粘土层中取样做固结试验,试验成果列于表中,试计算该粉质粘土的压缩系数α1-2及相应的压缩模量Es,1-2,并评价其压缩性。
粉质粘土固结试验成果
p(kPa)
0
50
100
200
300
e
0.651
0.625
0.608
0.587
0.570
【解】由
和
查表,得到
,
因为
故该土属中压缩性土。
第三节地基的最终沉降量
传统分层总和法、《建筑地基基础设计规范》推荐分层总和法、相邻荷载对最终沉降量的影响、应力历史对最终沉降量的影响、地基最终沉降量计算的弹性力学方法
重点知识解析:
(1)地基土层在建筑物荷载作用下,压缩稳定后地基表面的沉降量称为地基最终沉降量。
(2)利用分层总和法计算地基最终沉降量。
(3)超固结比等于先期固结压力/自重应力。
(4)地基沉降通常由三部分组成,包括瞬时沉降、固结沉降和次固结沉降。
(5)土的前期固结压力与现有土重压力之比称为超固结比。
(6)超固结土的前期固结压力大于现有覆盖土的自重应力。
(7)下图是a、b两个土样固结不排水试验结果,表示轴向应力增量与轴向应变的关系,则a土样为超固结土,b土样为正常固结土。
(8)下图是a、b两个土样固结不排水试验结果,表示孔隙水压力与轴向应变的关系,则a土样为正常固结土,b土样为超固结土。
第四节饱和粘性土地基沉降的发展过程
饱和土的渗透固结机理、太沙基一维固结微分方程、地基沉降与时间的关系
重点知识解析:
(1)太沙基一维固结微分方程表达式:
(2)固结度:
3、复习题
1)何谓压缩模量?
何谓变形模量?
它们的关系是什么?
?
2)什么是先期固结压力,怎样确定?
3)计算地基最终沉降量的分层总和法与《规范》法的主要区别有那些?
二者的实用性如何?
4)按沉降机理,沉降可分为哪三种类型?
它们的含义。
5)什么是土层的平均固结度?
第7章土的抗剪强度
1、教学目的和教学要求
(1)熟练掌握库伦公式、极限平衡条件的应用、直剪试验的优缺点、三轴压缩试验的三种试验方法、十字板剪切试验的适用土质、三种粘性土抗剪强度指标的含义、无粘性土剪涨和减缩特性、抗剪强度指标的工程适用性。
(2)掌握十字板剪切试验获得抗剪强度的方法。
(3)了解三轴压缩试验的应力路径、非饱和土三轴试验的孔隙压力系数。
2、教学内容和重点知识解析
第一节摩尔—库伦强度理论
库伦公式、极限平衡条件
重点知识解析:
(1)库伦公式:
(2)极限平衡方程:
;
第二节抗剪强度指标的测定方法
直接剪切试验、三轴压缩试验、无侧限压缩试验、十字板剪切试验
重点知识解析:
(1)直接剪切试验的不足:
a)剪切过程中试样内剪应变和剪应力分布不均匀。
b)剪切面主观定在两盒接触面,但该平面并非试验
抗剪最弱的剪切面;
c)剪切过程中确定的剪切面的面积逐渐变小,计算
时仍认为受剪面积不变;
d)剪切过程垂直荷载发生偏心,计算时未预考虑;
e)不能控制排水条件,无法测孔压
(2)三轴压缩试验三种试验方法:
不固结不排水试验、固结不排水试验、固结排水试验。
(3)十字板剪切试验适用于软弱粘性土。
第三节饱和粘性土的抗剪强度
不固结不排水抗剪强度、固结不排水抗剪强度、固结排水抗剪强度、三种抗剪强度的比较
重点知识解析:
(1)不固结不排水试验的特点:
由于试样不排水,改变围压只引起了孔隙水压力的改变,有效应力没有改变。
故不同围压的极限应力圆直径相等,有效应力圆为同一个圆。
(2)饱和软粘土的不排水抗剪强度等于其无侧限抗压强度的一半。
(3)三个饱和土样进行三轴不固结不排水试验,其围压σ3分别为50kPa,100kPa和150kPa,最终测得的强度与σ3无关,强度相似。
(4)通过无侧限抗压强度试验可以测得黏性土的粘聚力cu和灵敏度St
(5)已知地基中某点的大主应力σ1=500kPa、小主应力σ3=200kPa,试求:
①最大剪应力值及最大剪应力作用面与大主应力面的夹角;
②作用在与小主应力面成60°角的面上的正应力和剪应力。
【解】
(1)莫尔应力圆顶点所代表的平面上的剪应力为最大剪应力,其值为:
该平面与大主应力面的夹角为
(2)若某平面与小主应力面成60°角,
则该平面与大主应力面的夹角
该面上的正应力和剪应力:
(6)某饱和黏性土在三轴仪中进行固结不排水试验,得c’=0、φ’=28°,如果这个试件受到σ1=200kPa和σ3=150kPa的作用,测得孔隙水压力u=l00kPa,问该试件是否会破坏?
(7)对某砂土试样进行三轴固结排水剪切试验,测得试样破坏时的主应力差σ1-σ3=400kPa,周围压力σ3=100kPa,试求该砂土的抗剪强度指标cd和φd。
【解】
)
)
(8)某正常固结饱和黏性土试样进行不固结不排水试验,得φu=0°,cu=20kPa,对同样的土进行固结不排水试验,得有效抗剪强度指标c’=0,φ’=30°,如果试样在不固结不排水条件下破坏,试求剪切破坏时的有效大主应力和小主应力。
第四节无粘性土的抗剪强度
饱和砂土的剪涨性、剪缩性
重点知识解析:
围压不太大时,紧砂剪胀,松砂剪缩;围压很大时,都会减缩。
3、复习题
1)何谓抗剪强度?
何谓极限平衡条件?
2)为什么直剪试验要分快剪,固结快剪及慢剪?
这三种试验结果有何差别?
3)按排水条件,三轴试验可分为哪三种类型?
它们有何差别?
4)土体中发生剪切破坏的平面为什么不是剪应力值最大的平面?
第8章地基的承载力
1、教学目的和教学要求
(1)熟练掌握地基临塑荷载、临界荷载、极限荷载的含义。
(2)掌握地基临塑荷载、临界荷载、极限荷载的计算公式。
(3)了解地基承载力的含义及确定方法。
2、教学内容和重点知识解析
第一节地基临塑荷载
临塑荷载的含义、临塑荷载的计算公式
重点知识解析:
(1)外荷载作用下,地基中刚开始产生塑性变形时基础底面单位面积上的荷载为临塑荷载。
(2)在粘性土地基上有一条形刚性基础,基础宽度为b,在上部荷载作用下,基底持力层内最先出现塑性区的位置在条形基础边缘处。
13、粘性土地基上,有两个宽度不同,埋置深度相同的条形基础,两个基础的临塑荷载一样大。
第二节地基临界荷载
临界荷载的含义、临界荷载的计算公式
重点知识解析:
当地基中塑性变形区最大深度为:
中心荷载基础:
zmax=b/4
偏心荷载基础:
zmax=b/3
与此对应的基底压力,称为临界荷载。
第三节地基极限荷载
极限荷载的含义、极限荷载的计算公式
重点知识解析:
(1)地基在外荷载作用下,产生的应力达到极限平衡状态的荷载
(2)在荷载作用下,建筑物地基的破坏通常是由于承载力不足而引起的剪切破坏,地基剪切(3)破坏的形式可分为整体剪切破坏、局部剪切破坏以及冲切破坏三种。
(4)对于框架结构,地基变形一般由沉降差控制;对于砌体承重结构,地基变形一般由局部倾斜控制。
(5)对于设有地下室的独立基础,在对地基承载力特征值进行埋深修正时,埋深d应自室内地面算起。
(6)地基土冲剪破坏的特征是:
①破坏时地基中没有明显的滑动面
②基础四周地面无隆起
③基础无明显倾斜,但发生较大沉降
④多发生于软土地基
(7)地基土整体剪切破坏的特征的是:
①基础四周的地面隆起
②多发生于坚硬粘土层及密实砂土层
③地基中形成连续的滑动面并贯穿至地面
3、复习题
1)何谓地基承载力?
影响地基承载力的因素是什么?
2)临塑荷载、临界荷载及极限荷载三者有什么关系?
3)几个极限承载力公式的适用条件是什么?
第9章土压力
1、教学目的和教学要求
(1)熟练掌握朗肯土压力、库伦土压力的基本假定,实际工况的土压力计算,重力式挡土结构稳定性分析。
(2)掌握朗肯土压力、库伦土压力计算公式的推导。
(3)了解挡土墙的类型。
2、教学内容和重点知识解析
第一节挡土墙及土压力类型
常见的挡土墙类型、土压力的类型
重点知识解析:
(1)土体作用在挡土墙上的压力称为土压力。
(2)土压力分为主动土压力、静止土压力和被动土压力。
(3)在相同条件下,产生主动土压力所需的墙身位移量△a与产生被动土压力所需的墙身位移量△p的大小关系是△a<△p。
第二节朗肯土压力理论
朗肯土压力理论基本假设、主动土压力计算、被动土压力计算、几种实际工况的土压力计算
重点知识解析:
(1)主动土压力
(2)临界深度
(3)被动土压力
(4)当挡土墙墙后土体处于朗肯主动土压力状态时,土体剪切破坏面与墙背面的夹角为45°-φ/2;当墙后土体处于朗肯被动土压力状态时,土体剪切破坏面与墙背面的夹角为45°+φ/2。
(5)当挡土墙墙后填土面有均布荷载q作用时,若填土的重度为γ,则将均布荷载换算成的当量土层厚度为q/γ。
(6)根据朗肯土压力理论,当墙后土体处于主动土压力状态时,表示墙后土体单元应力状态的应力圆与土体抗剪强度包线的几何关系是相切。
(7)按朗肯土压力理论计算挡土墙的主动土压力时,墙背是小主应力作用面。
第三节库伦土压力理论
库伦土压力理论基本假设、主动土压力计算、被动土压力计算、几种实际工况的土压力计算
重点知识解析:
(1)库伦土压力理论基本假设
a)挡土墙向前移动;
b)墙后填土沿墙背和填土中某一平面同时下滑,
形成滑动楔体;
c)土楔体处于极限平衡状态;
d)滑动楔体为刚体;
(2)库仑理论假定墙后土体中的滑裂面是通过墙踵的平面。
(3)朗肯土压力理论与库仑土压力理论计算所得土压力相同的情况是墙背直立、光滑,填土面水平.
(4)挡土墙高5m,墙背直立、光滑,墙后填土面水平,填土分为二层,第一层为砂土,第二层为粘性土,各层土的物理力学性质指标如图所示,试做出主动土压力强度的分布图,并求合力Ea的大小及作用点位置。
【解】
第一层顶
(2分)
第一层底
第二层顶
第二层底
土压力沿墙高的分布图如图所示。
合力
设合力Ea作用点距墙底的距离为y,计算过程如下:
(5)高度为6m的挡土墙,墙背直立、光滑,墙后填土面水平,填土面上作用有均布荷载q=20kPa。
试作出主动土压力强度的分布图,并求合力Ea的大小及作用点位置。
设合力Ea作用点距墙底的距离为y,将主动土压力分布图分解为四个三角形,y的计算过程如下:
第四节重力式挡土墙稳定性分析
抗滑移稳定性、抗倾覆稳定性、圆弧滑移稳定性
重点知识解析:
(1)抗滑移安全系数=抗滑力/滑动力
(2)抗倾覆安全系数=抗倾覆力矩/倾覆力矩
(3)设计仅起挡土作用的重力式挡土墙时,土压力一般按主动土压力考虑。
(4)挡土墙墙后的回填土应优先选用砂土、碎石土等透水性较大的土,最主要原因是此类土的抗剪强度较稳定,易于排水。
(5)重力式挡土墙的设计应满足的基本要求包括:
①不产生墙身沿基底的滑动破坏
②不产生墙身绕墙趾倾覆
③地基承载力足够,不出现因基底不均匀沉降而引起墙身倾斜
④墙身不产生开裂破坏
3、复习题
1)产生主动土压力的条件是什么?
2)产生被动土压力的条件是什么?
3)三种土压力的大小关系是什么?
4)朗肯土压力理论和库仑土压力理论的相同点是什么?
第10章土坡的稳定性
1、教学目的和教学要求
(1)熟练掌握无粘性土简单土坡、瑞典条分法、毕肖普条分法安全系数的定义,瑞典条分法与毕肖普条分法的本质区别,自然休止角的定义,利用瑞典条分法进行土坡稳定分析。
(2)掌握土坡稳定性影响因素,粘性土简单土坡最危险滑动面的确定。
(3)了解毕肖普条分法公式推导,毕肖普条分法基本分析步骤。
2、教学内容和重点知识解析
第一节影响土坡稳定性的因素
坡角、坡高、土性、渗流的影响、气象条件、地震的影响
第二节无粘性土简单土坡的稳定性
简单土坡的定义、无粘性土简单土坡的稳定性分析
重点知识解析:
(1)土质均匀、坡度不变、无地下水的土坡称为简单土坡。
(2)砂性土的土坡稳定性与坡高无关,仅取决于土的内摩擦角和坡角。
(3)无粘性土坡在自然稳定状态下的极限坡角,称为自然休止角。
第三节瑞典条分法
原理与计算、粘性土简单土坡最危险滑动面的确定
重点知识解析:
(1)安全系数=抗滑力矩/滑动力矩
(2)由于忽略了条间力,瑞典条分法计算结果K值偏小。
(3)瑞典条分法对每一土条力的平衡条件是不满足的;对每一土条本身的力矩平衡不满足;能满足整个滑动上体的整体力矩平衡条件。
3、复习题
1)土坡失稳的主要原因有哪些?
2)土坡稳定安全系数的意义是什么?
3)
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 土质 土力学 指导 大纲