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水利水电工程建筑专业中专函授

出处:    2012-03-12 15:06:14    浏览次数:771
简要描述:
《土力学》课程任务、要求及重点
 
一、课程任务及基本要求
《土力学》是一门主要专业基础课,其主要任务是研究土的物理力学性质及土体在荷载作用下强度与变形的规律及土体压力、地基承载力、地基基础设计计算等有关内容。
通过本课程学习,要使学生了解土的基本物理力学性质及土体在外力作用下及其周围环境、介质改变后的性能变化规律,从而掌握水工建筑物地基沉降、稳定及土压力计算的原理与方法,并能运用这些基本知识分析、解决有关的实际工程问题。
二、学习重点
(一)土的物理性质及其工程分类
1、土的三相组成:土是由土料(固相)、水(液相)及空气(气相)组成的三相体系的散料体。散粒性与孔隙性是其主要特征。
(1)固相:土的颗粒,对土的性质起决定作用
1)粒组:粒径不同、性质相似的土颗料为料组,共六个粒组。
2)颗粒级配:土中各个料组干土的相对含量的百分比。
3)判断级配的两指标:
                       d60
    不均匀系数Cu=————
                        d10
                     d230
        曲率系数Cc=————
                    d60d10
当CU≥5、Cc=1-3时,为组配良好的土
(2)液相:水。可分为结合水与自由水,其中结合水对粘性土的性质影响较大,是粘性、可塑性及强度等主要来源。
2、土的工程分类:按SL237-001-1999《土的工程分类》,将土分为一般土及特殊土,其中一般土按粒径再划分。
(1)粗粒类土:粗粒(>0.1mm)含量占50%以上为粗粒类土。
然后根据砾粒组含量次分砾类土(砾、含细料土砾、细粒土质砾)及砂类土(砂、含细粒土砂,细粒土质砂)两类六小类。
(2)细粒类土:细粒(<0.1mm)含量50%以上为细粒类土。
然后根据粗粒组含量分成细粒土与合粗粒的细粒土两类,而细粒土根据塑性图再行划分。
3、土的物理性质
(1)物理性质指标及换算
1)实测指标—容重(环刀法),含水量(烘干法)及比重(比重并合法)
2)换算指标—孔隙率、孔隙比、饱和度、干容重、浮容重、饱和容重
3)四个容重之间关系:
4)指标换算—三相图法及公式法
(2)土的物理状态指标
1)无粘性土的密实度
用孔隙比e判别;
相对密实度Dr判别法:
  еmax -е      0.67<Dr≤1    密实
Dr=—————   0.33<Dr≤0.67 中密
    еmaxmin   0.00<Dr≤0.33 松散
标准贯入锤击数判别法。
(2)粘性土的稠度
    固态  半固态  塑态  流态
        Ws        Wp       Wc   
   (缩限) (塑限) (液限)
塑性指数Ip=WL-WP,大,土愈细、吸水能力强
            W-WP  
液性指数Ic=———— 越小、土越硬
       IP
(3)土的击实性
具有一定级配和含水量的土体,在一定的击实功与击实方法下,能压实到一定的密实程度的性能。
土的击实性与土的含水量、击实功及颗粒级别等因素有关。同一种土,在一定击实功作用下,能击实至最密实程度时的含水量称最优含水量,相应的干容重称最大干容重。
(二)土的力学性质
1、土的渗透性:土体被水透过的性质称渗透性,它与土粒大小及级配、孔隙率、水温等有关。
(1)达而定律:V=Ki  适用于层流
(2)渗透变形:土体在渗流作用下的破坏现象。有管涌、流土。
(3)渗透力:渗流作用于单位体积土颗粒的力称渗透力,其大小等于水力坡降与水容重的乘积,方向与渗流方向一致,既j=rw•i,是产生渗透变形的外因。
所以,当i>icr,则可能发生渗透变形。
(4)防止渗透变形措施:防渗、排水减压、加压重、反滤层。
2、土的压缩性:土体在压力作用下体积减小的性能。
土的压缩主要是由于孔隙中水分和气体被挤出,土粒相互移动靠拢,致使土的孔隙体积减小所致。
         
  • 压缩系数α
e1-e2
α= ———
         p2-p1
工程中规定p1 =0.1MPa, p2 =0.2MPa的压缩系数既α1-2作为判别土的压缩性高低的标准,压缩系数大,土的压缩性高。具体判别法见P44表5-1。
(2)压缩模量Es
          1+e1
           Es= ———
                 α
    压缩模量与压缩系数两者之间为反比关系,压缩模量大,土的压缩性小。判别法见P45表5-2。
  • 渗透固结
土体在荷载作用下,土孔隙中的自由水随时间而缓慢渗出,土体积逐渐减小的过程,称土的渗透固结。
3、土的抗剪强度:土体抵抗剪切破坏的极限能力。
(1)库仑定律
      =σtgφ+C
土的抗剪强度随剪切面法向应力成直线变化,其中φ、C称土的抗剪强度指标,对于同一种土的C、φ值,随试验条件不同而变化,并非常数。
(2)极限平衡状态及条件
土中点任一平面剪应力与抗剪强度比较,有三种可能情况:
  1. <时,土体处于稳定平衡状态
  2. =时,土体处于极限平衡状态
  3. >时,土体处于剪切破坏状态
  4. 影响土的抗剪强度的因素
1)土的物理性质:土粒成分,形状与级配;土的含水量及土的初始密度;
2)土的应力状态及历史:粘性土的挠动及孔隙水压力的影响。
(三)土中的应力与变形
1、自重应力
土体在自身有效重量作用下产生的应力。一般不产生土体变形。
    бsz=rz
自重应力沿深度呈直线(折线)分布,同一水平面为均布。
式中r为土体容重,地下水位以上用天然容重,地下水位以下用浮容重。
2、附加应力
由外荷载在地基内部产生的应力,是地基变形或失稳主要原因。
(1)基底压力:作用于基础底面单位面积上的压力,以p表示
(2)基底附加压力:建筑物建造后在基础底面新增加的压力,是基底压力减去基底埋深范围内原有自重压力的差,即
     P0=p-rD
(3)附加应力计算
1)空间问题<矩形基础,L/B≤5>,角点下бZ
竖直均布荷载p作用下:бZ =kSp  kS见P36表4-2
竖直三角形荷载pT作用下:бZ =kTpT  kT见P38表4-3
2)应力积聚与扩散
应力扩散:与力作用点水平距离越远,距力作用面深度越大,应力分布面积越大,附加应力越小。
应力积聚:在邻近多个集中力作用下,相邻荷载间的附加应力增大。
3)平面问题(条形基础L/B>5),生标法计算бZ 
竖直均布荷载p作用下:бZ =kSZp  k3Z见P39表4-4
竖直三角形荷载pT作用下:бZ =kTZpT kTZ见P40表4-5
3、地基沉降量计算
(1)计算方法:分层总和法,规范计算法
(2)地基变形特征值:沉降量、现降差、倾斜、局部倾斜。
(3)分层总和法
                  e1i-e2i                  _
1)基本公式  Si=————hi= ———— σzihi
                       1+e1i          1+e1i
                  S=∑Si
2)计算步骤:见P48,可分六步
(四)土压力与挡土垟
挡土垟背后填土作用与垟背的侧向压力。
1、分类:有主动、静止及被动土压力三类
(1)土动土压力:垟体移离填土,垟后土体极限平衡状态的最小土压力。
(2)静止土压力:垟体无位移而静止不动,垟后填土弹性平衡状态时土压力。
(3)被动土压力:垟体移向填土,垟背土体极限平衡状态的最大土压力。
所以,Pp>P0>Pa
2、朗肯理论
适用于垟背垂直、光滑,垟后填土水平的情况,实际运用中,垟背有摩擦作用。所以误差较大,但偏于安全,且计算简便,既可计算无粘性土,又可计算粘性土,并可求得土压力分布,所以工程中被广泛采用。
(1)主动土压力计算公式
      Pa=rztg2(45º-φ/2)-2ctg(45º-φ/2)
        =rzkω-2c
(2)被动土压力计算公式
      Pb=rztg2(45º+φ/2)+2ctg(45º+φ/2)
        =rzkp+2c
    (3)几种常见情况
1)填土表面有均布荷载:,将化成的填土高度;
2)填土中有地下水:把土压力,水压力分开计算,水下部分填土浮容重计;
3)填土成层:应分层计算,交介面处土压力有突变。
3、减小主动土压力的措施
(1)选用抗剪指标较大或轻质填土,
(2)设置减压平台
(3)垟体设排水措施
(4)排除填土表面上堆放的垂物
4、挡土垟设计
(1)挡土垟分类及特点:见P85表7-5;
(2)挡土垟设计
1) 垟身断面型式及尺寸拟定
2) 垟体稳定及强度计算
3) 垟体构造
(五)地基承载力
在正常使用前提下,地基单位面积所能承受荷载的能力,称地基承载力,即同时满足地基强度与变形要求的承载能力,它与地基土的物理力学性质()、地基土的分布、基础尺寸、埋置深度及上部结构有关。
  1、按原位测试成果确定地基承载力
(1)标准贯入试验:根据标准贯入击实N63.5 来评定地基承载力;
(2)静力触探试验:根据贯入阻力大小来评定地基承载力。
2、按工程规范确定地基承载力
  
式中:—地基承载力设计值(由基础实际尺寸、深度修正后承载力)
 —标准值(考虑土工试验离散性的回归修正后承载力)
(六)基础设计与地基处理
  1、浅基础设计
(1)类型:柱基础、条形基础、板式基础,倒拱基础;
(2)基础埋置深度:基础底面至设计地面的距离。它与工程地质(持力层承载力)、水文地质(地下水位,冲刷深度)、冻融条件(防冻要求)及施工、造价等因素有关。
(3)基础尺寸及地基承载力、稳定验算。
2、地基处理
(1)目的:降低地基土压缩性,减少沉降量;
提高地基承载力和稳定性;
增强抗渗性或加速排水固结。
(2)方法:换土垫层,碾压与夯实,排水固结,砂桩挤密与振冲等。
(3)换土垫层
1)定义:挖除地基内软土,换以硬土;
2)作用与特点:
  提高地基承载力和稳定性;
  减小地基沉降量;
  加速软土排水固结;
  防止土体膨胀,清除膨胀土的胀缩作用;
  结构简单学,施工方便,就地取材,造价较低。
  1. 适用性:淤泥、湿陷性黄土,素填土等软土地基。

复习自测作业
一、名词解释
1、土的粒径级配
 
 
 
2、土的容重
 
 
 
3、土粒比重
 
 
 
4、塑限
 
 
 
5、水力坡降
 
 
 
6、渗透变形
 
 
 
7、基底附加压力
 
 
 
 
8、附加应力的应力扩散现象
 
 
 
9、土的渗透固结
 
 
 
10、土的抗剪强度
 
 
 
11、主动土压力
 
 
 
12、挡土垟
 
 
 
13、地基承载力
 
 
 
14、地基
 
 
 
 
15、基础埋置深度
 
二、填空题
1、土的_________和__________是土区别于其它固体材料的本质特征。
2、土是由________、__________和_________组织的一种三相体。其中,土的___________对土的物理力学性质起到决定性作用。
3、土的粒径级配是指_____________,通常以_______________来表示。
4、从工程上看,满足条件__________________的土,称为级配良好的土。
5、土的物理性质指标共有_____________个,其中,三个实测指标为________________、_____________、_______________分别可用_______________、_______________、______________法进行测定。
6、粘性土随含水量的增加物理状态可以从_____________ 转变为____________、___________及_____________。
7、渗透压力作用方向为______________________________。
8、土的渗透破坏基本形式为______________、_______________。
9、计算自重应力时,地下水位以下的土的容重按_________计算。
10、自重应力从___________算起,附加应力从__________算起。
11、基础埋深越大,基底附加压力就越__________,由它引起的地基中的附加应力也越______________。
12、土的变形由____________变形和____________变形组成。
13、地基最终沉降量的常用计算方法有____________________、_________________两种。
14、库仑定律指出,土的抗剪强度是与____________成正比变化。土的抗剪强度由_____________和________________两部分组成。
15、土的密度越大,则土的抗剪强度__________;土中有效应力越大,则土的抗剪强度________________;土的级配越好,则土的抗剪强度________________。
16、按挡土墙的移动情况,可分为三种特定土压力:__________、
­­________________和________________。
17、墙后填土表面上作用均布荷载时,其土压力由两部分组成,一是________________引起的土压力,一是______________引起的土压力。
18、当墙后填土有地下水时,其墙后压力由两部分组成,一是________________,一是_________________。
19、挡土墙的设计主要内容有_____________、_____________、___________________、_________________。
20、在确定地基承载力时,必须考虑_________________和__________________两方面要求。
21、当基础的宽度B、埋深D满足_____________、____________条件时,可按工程规范法确定地基承载能力。
22、地基基础设计应满足两个方面条件:一是________________,一是________________________。
23、浅基础的基础埋置深度应从______________、_____________和________________三个方面进行考虑。
24、换土垫层设计要满足_____________、________________两方面要求,确定合理的________________、________________。
25、常见的基础类型有_________________、_________________、_______________及________________。
三、选择题
1、不均匀系数的表达式为(  )。
 
A.  B.  C.  D.
2、同一种土在体积不变的条件下,不同状态时的容重在数值上存在如下关系(  )。
A.        B.
C.     D.
3、某砂土天然孔隙比e=0.8,已计算该砂土最大孔隙比emax=0.9,最小孔隙比emin=0.640,用相对密度来判断该砂土的密实程度为(  )。
A.密实   B.中密   C.松散   D.硬塑
4、粘性土从塑态转变为液态的分界含水量是(  )。
A.液限   B.塑限   C.缩限   D.塑性指数
5、从某地基中取原状粘性土样,测得土的液限为56%,塑限为15%,天然含水量为40%,试判断该地基处于(  )状态。
A.坚硬   B.可塑   C.软塑   D.流塑
6、以下对渗透压力的描述,错误的是(  )。
A.水对土粒产生的一种反作用力;
B.渗透力的大小等于水力坡降与水的容重之乘积。
C.其作用方向与渗透方向一致,其单位为N/m3或KN/m3
D.渗透力的存在对土体稳定有利。
7、以下对渗透变形的描述,错误的是(  )。
A.可以采用渗流水力坡降I与土的允许水力坡降[icr]比较判断。
B.管涌的发生与土粒级配有关,不会出现在土体内部。
C.粘性土一般不发生管涌。
D.流土的发生与土的均匀性有关。
8、自重应力在垂直面上呈(  )分布。
A.均匀    B.直线    C.折线   D.曲线
9、工程上为了不允许基底出现拉力,在设计基础尺寸时,应使合力偏心距满足条件(  )。
  A.   B.         C.     D.
10、面积相同的矩形基础和正方形基础,其基底附加压力均匀分布且相同,在基础中点下同一深度处,二者中产生较大附加应力的是(  )。
A.两个基础相同 B.矩形基础 C.正方形基础 D.都有可能
11、压缩系数越大,以下描述正确的是(  )。
A.压缩曲线越缓  B.在某压力变化范围内孔隙比增加得越快
C.压缩性越高   D.压缩模量越大
12、以下描述正确的是(  )。
A.土体在压缩过程中,土粒间的相对位置始终是不变的。
B.饱和土在排水固结过程中,土始终是饱和的,土的含水量是不变的。
C.土的压缩实际上是土中孔隙体积的减少。
D.一般工程采用无侧限压缩实验法确定土体压缩性。
13、压缩系数的下标1-2表示(  )。
A.压应力从0.1Mpa到0.2Mpa  B.压应力从100Mpa到200Mpa
C.无特定含义,仅是一个符号而已
D.1表示初始孔隙比,2表示最终孔隙比
14、(  )是在地基变形、沉降的主要原因。
A.自重应力  B.附加应力  C.土压力  D.基底压力
15、地基最终沉降量计算深度一般是根据(  )确定。
A.  B.  C. D.
16、根据有效应力原理,只有(  )发生变化,土体强度才会变化。
A.总应力  B.有效应力  C.自重应力  D.附加应力
17、当墙后无粘性填土中地下水位逐渐上升,墙背上所受压力的变化为(  )。
A.不影响   B.增大   C.减少  D.先增大后减少
18、朗肯理论和库仑理论计算得到的土压力一致的情况是(  )。
A.墙后无地下水      B.墙后填土为无粘性土
C.墙背真立光滑填土面水平 D.墙体材料必须为混凝土。
19、以下描述不是朗肯土压力理论的假定是(  )。
A.墙背垂直、光滑。
B.墙后填土为均质的无粘性土或粘性土,填土表面水平。
C.土体在水平与垂直方向上均为无限延伸的均质半无限土体。
D.墙背倾斜、粗糙、填土面为倾斜平面。
20、墙后填优土先选用砂土、碎石土等透水性较大的土,最主要的原因是(  )。
A.该土填土面沉降量较小。
B.该土施工压实质量易于保证。
C.该土施工效率高,可以全天候施工。
D.该土抗剪强度稳定县易于排水。
四、问答题
1、粗粒土如何分类?
 
 
 
 
 
2、渗透变形产生的原因及防止的措施?
 
 
 
 
 
3、分析竖直集中力作用下的附加应力规律。
 
 
 
 
 
 
4、请回答地基最终沉降量的单向压缩分层总和法的计算步骤。
 
 
 
 
 
5、请回答影响土的抗剪强度因素。
 
 
 
 
6、请回答影响土压力的因素。
 
 
 
 
7、请分析浅基础基础埋置深度的影响因素。
 
 
 
8、地基处理的目的和常用方法是什么?
 
 
 
 
 
9、换土垫层的作用与适用范围是什么?
 
 
 
 
 
10、请回答软土粘土的物理力学性质及其作为地基时应采取的措施。
 
 
 
 
 
五、计算题
1、将质量为1kg的烘干土进行筛分法分析,试验成果如下表,请判断土的级配好坏。
筛孔径(mm) 10 5 2 1 0.5 0.2 0.075 底盘
筛上余土的质量(g) 70 100 196 323 168 152 52 30
小于此筛孔径土的质量(g)                
小于此筛孔径土的含量(%)                
 
 
 
 
 
 
2、已知某地基土试验中,测得土粒比重2.70,干容重14KN/m3,含水量18%,液限32%,塑限16.5%。
求:1)该土的孔隙比、孔隙率及饱和度。
2)该土的塑性、液性指数,并判断该土处于何种状态。
 
 
 
 
 
3、某工程基槽排水,引起地下水由下往上流动,水头差1.2mm,渗流途径为60cm,砂土饱和容重为20KN/m3,问是否会产生渗透破坏。
 
 
 
 
 
 
 
 
4、已知某地基土层,地表土天然容重r1=18KN/m3,厚度h1=1.50m,饱和容重20.5 KN/m3 ;第二层土天然容重r2=17.8KN/m3 ;厚度h2=1.00m,饱和容重20.3KN/m3 ,第三层土r3=16.9KN/m3 ;厚度h3=2.00m,饱和容重19.5KN/m3
问:高地面4.5m处自重应力在(1)无地下水情况,(2)有地下水且地下水离地面1.5m处情况时,各为多少?
 
 
 
 
 
 
5、已知某矩形基础,长度4m,宽度2m,上部作用竖直偏心荷载P为1200KN,偏心距为0.2m,求A点下4m处竖向附加应力值。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
6、已知某砂做直剪试验,当法向压力为200kpa时,测得破坏的抗剪强度为150kpa,问该砂的内摩擦角是多少?
 
 
 
 
 
 
 
 
7、已知挡土墙高5m,墙背垂直光滑,填土水平,墙后填以无粘性土,其物理性质指标为天然容重18.0 KN/m3 ,内摩擦角为35º,饱和容重20.0 KN/m3 ,地下水距离墙顶2m。求作用在挡土墙上的总主动土压力。