土动力学（共12篇）
土动力学 篇1
0 引言
土动力学是研究动荷载下, 土的变形和强度特性以及土体稳定性的一门科学, 属于土力学学科的一个分支。土动力学作为一门新兴学科, 近年来受到了人们的广泛关注, 关于土动力学的理论研究和实践应用越来越多。应该说, 随着现代科学技术的不断进步, 土动力学的研究也进入了一个新的阶段。本文将介绍土动力学的主要研究内容及其发展方向, 其中包括动力测试技术, 土的动力特性, 土体动力本构模型, 动力分析, 土与结构物相互作用这五大部分。
1 土的动力特性
在动荷载作用下, 建筑物会发生振动, 并且土的强度和变形特性也会受到影响, 其受到影响的程度取决于其受到的动荷载作用, 尤其是加荷速率和加荷次数。
1.1 动荷载下土的应力—应变关系
动荷载作用下土的应力—应变关系是分析土体动力失稳过程中的一系列特性的主要依据, 其表示的是土动力学特性的基本关系。
1.1.1 土的动应力—应变关系的特征
土的动应力—应变关系受到土中水的影响, 再加上土本身具有明显的各向异性, 使得该关系表现出三个方面的特征, 即非线性、滞后性和变形积累。其曲线表示为最大剪应力与最大剪应变之问的关系, 反映了动应变的非线性;滞回曲线表示某一个应力环内各时刻剪应力与剪应变之间的关系, 反映出应变对应力的滞后性。
1.1.2 应力—应变关系的力学模型
物理类模型主要包括弹性元件、粘性元件和塑性元件三个基本力学元件, 弹性元件和塑性元件的应力-应变关系可组合得理想的弹性模型, 对于粘弹性模式, 在土动力学中, 只分析滞后模型。
1.2 砂土的液化
有关权威机构曾对“液化”一词做出过定义, 认为其是人和物质转化为液体的行为或过程。对于无粘性土而言, 造成其出现液化现象的原因主要有两个, 分别是孔隙压力增大和有效应力减小。
三种典型的液化机理:
①砂沸:
由于地下水头的变化使得饱和砂体中的孔隙水压力上升到某个压力值时, 该饱和砂沉积体就会出现异常情况, 进而影响到自身的承载能力。这种液化主要是由渗透压力造成的, 跟其他因素的关系不大。
②流滑:
在单程剪切作用下, 饱和砂土的颗粒骨架会呈现出不可逆的体积压缩, 然后若为及时排水, 就会造成孔隙水压力增大和有效应力减小, 进而导致连续的流动变形, 这就是流滑。
③循环活动性:
在相对密度比较大的饱和元粘性土中其循环活动性体现的比较明显, 这种液化主要与试件在循环作用中的剪缩和剪胀交替变化相关。
饱和砂土出现液化与很多因素有关, 比如土体本身条件、动荷条件、起始的应力条件和排水条件等。
2 土体动力本构模型研究
饱和砂土的实际动力本构关系的发展主要表现在三个方面, 分别是本构理论、数值计算和测试技术。动荷载作用下, 在一开始研究饱和砂土体动力特性时, 由于受到诸多客观原因的限制, 特别是当时的测试技术非常落后, 往往最终的测试结果和实际情况相距甚远, 在这种情况下, 对饱和砂土体动力特性的研究是不科学的, 不具说服力。因此以该结果为基础建立的土体动力本构模型也是不科学的, 其动本构关系的描述非常简单, 这只是土体动力本构模型的初级阶段。之后经过相关人士的不断努力, 再加上现代科技的不断进步, 该模型被注入了越来越多的新元素, 处于逐步完善的阶段, 其最终的测试结果正在向实际情况渐渐靠拢, 对于饱和砂土体动力特性的研究也越来越全面化了。同时需要注意的是有限元方法为代表的数值计算方法也起到了非常关键的作用。综合分析上述情况发现, 由于饱和砂土的实际动本构关系及其复杂, 要想建立一个模型可以适用于所有的动本构关系是几乎不可能的, 面对这种形势, 在实际的设计动本构模型当中, 应结合不同的工程问题, 分析不同土体的实际情况, 有的放矢的建立一个能够反映实际情况的动本构模型。
现阶段, 动本构模型主要包括两大部分, 分别是粘弹性理论和弹塑性理论。
3 土工动力分析研究
土工动力分析方法主要包括总应力动力分析法、有效应力动力分析法和弹塑性动力分析法等。以下介绍一下三种分析方法:
3.1 总应力动力分析法
总应力动力分析法是直接运用室内试验中所取得的各项数据和曲线, 然后经过多次迭代, 得到一个与某种应变水平相协调的等效线性体系, 进而得到接近的解答。
3.2 有效应力动力分析法
由于在不同状况下土中孔隙水压力的产生、增长、扩散以及消散规律等表现不一, 这一度成为判断是否出现液化的难点, 而随着有效应力动力分析法的出现, 这个问题迎刃而解了。相对来说, 总应力动力分析法无法描述液化的全过程, 但是有效应力动力分析法可完整的描述液化的全过程。有资料显示:用总应力法预测会液化的话, 用有效应力法预测也可能不会液化;但是若用有效应力法预测会液化的话, 用总应力法一定会液化。
比如小浪底斜心墙堆石坝地震反应分析中就曾应用过有效应力动力分析法, 采用有效应力动力分析法分析地震的反应是根据土料是否液化实现的, 可采用两种评价方式:一是引入孔压水平来评价单元孔压相对值。当孔压水平大于0.9时认为该单元液化;而当孔压水平介于0.5-0.9时认为该单元破坏。另一种方法是采用西特安全系数法来评价可液化土体的抗震性能。这种方法首先根据地震震级与等效周次的关系查得相应的等效振动次数, 然后根据试验结果求得相应静力条件的土料在等效振动周期的动强度。各单元相应振动周数的动强度与各单元在整个地震历时的等效剪应力之比即为各单元的西特安全系数。由此求得的西特安全系数一般偏大, 因此通常认为Fs≤1.3为液化区、1.3<Fs≤1.5为破坏区。
将该有效应力分析方法运用与小浪底斜心墙堆石坝地震反应分析中, 计算结果是正确的, 受到了有关专家的肯定, 同时它不仅适用于砂硕石、掺砂土, 而且对于细粒土的动力试验结果也符合要求, 具有广阔的应用前景。
3.3 弹塑性动力分析法
虽然有效应力法比总应力更加科学有效, 但本质上两者的原理是一致的, 都是通过计算地震作用下土体的平均永久变形和孔隙水压力的发展过程。而弹塑性动力分析法的出现改变了这一情况, 通过采用弹塑性模型, 利用将位移和渗流相耦合的动力Biot固结方程, 可以直接求解出任一时刻土体内各点的地震反应。如果说总应力法是过去常用的方法, 有效应力法是现阶段常用的方法, 而弹塑性动力分析法就是未来的发展趋势。
国内外很多相关专家学者对此进行了深入了研究, 比如Yiagos基于对运动方程的Galerkin数值列式建立了动力弹塑性分析方法;王志良的基于Dafalias低塑性边界面理论而建立的弹塑性模型结合进有限无程序, 对一维问题进行了地震反应分析等。由于我国在这方面的起步较晚, 应加大相关投入力度, 提高我们在这方面的研究优势。
4 土工动力测试研究
土工动力测试分为室内测试技术、原位测试技术。
4.1 室内测试技术
土体的室内测试试验有动三轴试验、共振柱试验、离心模型试验等类型。动三轴试验, 其利用计算机进行自动控制、数据采集和数据的处等。
4.2 原位测试技术
原位测试技术有地震法原理和动力荷载试验两类, 地震法原理中要观察土层中弹性波的传播速度, 计算动力变形参数, 其中计算的方法包括折射法和反射法等;动力荷载试验的动力旁压试验, 更多用于测试较大应变时的变形参数。
5 结束语
本文叙述了土体的动力本构模型、土工动力分析方法和土工动力测试的研究发展。因为岩土材料的力学特性, 特别是动力循环特性的复杂性, 应该说其弹塑性理论模拟是一个可行的研究方法, 故其应用具有非常广阔的前景。
土动力学 篇2
2． 上述宾馆采用钢筋混凝土预制桩，桩端进入中砂1.0m。问桩端土承载力标准值qp是多少？桩的极限端阻力标准值qpk为多大? 若采用钢筋混凝土桩，横截面为300mm×300mm。桩承台底部埋深1.0m，桩长为9.0m，用送桩器送入地面下0.90m。计算单桩竖向承载力标准值和设计值。
3． 某校教师住宅为6层砖混结构，横墙承重。作用在横墙墙脚底面荷载为165.9kN／m。横墙长度为10.5m，墙厚37cm。地基土表层为中密杂填土，层厚h1＝2.2m，桩周土的摩擦力qs1＝llkPa；第②层为流塑淤泥，层厚h2＝2．4m，qs2＝8kPa；第③层为可塑粉土，层厚h3＝2.6m，qs3＝25kPa，第④层为硬塑粉质粘土，层厚h4＝6.8m，qs4＝40kPa，桩端土承载力标准值qp＝1800kPa。试设计横墙桩基础。
土力学课堂教学若干问题的反思 篇3
关键词：土力学；教学改革；课堂教学
中图分类号：G642.3 文献标识码：A 文章编号：1002-4107（2012）09-0032-03
人类之所以区别于动物，很大程度上在于人类能够思考，能够利用文字记录历史（包括政治、经济、文化、天文、历法等），能够总结前人的经验与教训，不断认识世界与改造世界。随着现代科学技术的发展，社会进程呈指数关系推进。在这样一个历史进程中，大学扮演不可替代的角色，因为重大文化思想及原始科技创新绝大部分来源于大学。大学的根本任务在于人才培养，本质在于创新，灵魂在于学术追求。大学的主体是教师与学生，人才培养的根本在于教学。教学是两类对象、多个个体之间相互作用的过程，所以，如何使教学实现良性互动是教学过程首先要解决的问题。
岩土工程学科经过了几百年的发展，取得了很多重大研究成果，如岩体力学中的库伦—纳维尔判据、莫尔判据、格里菲斯判据等，又如，土力学中太沙基的饱和土有效应力原理、一维渗流固结理论等。但是这些理论在面临复杂工程的时候，显得捉襟见肘，所以岩土工程学科具有很强的实践性。笔者主要从事土力学教学，下面谈谈土力学课堂教学中存在的问题，希望对提高教学质量有所裨益。
一、土力学课堂教学过程中存在的问题
对于教师而言，课堂教学在教师职业生涯中具有举足轻重的地位；对于学生而言，课堂教学是获取知识的主要通道，在学生学习生涯中具有不可替代的作用。作为一名教师，完成了从学生到教师的角色转换，对课堂教学的认识与学生存在本质的区别。笔者就土力学这门课程在求学期间听课、新教师听指导老师讲课、自己上课过程中发现的问题，从教师与学生两个角度进行分析总结。
（一）平等关系
教师与学生没有平等关系，教师是上级，学生是下级。教师只管讲课，不管学生是否学习。只要学生上课不迟到、早退、讲话，不影响教师讲课，很多教师一般是不管学生的。如果上课违反课堂纪律，一般会受到体罚。但是随着社会进步，这样的做法已经不符合历史潮流，甚至违法犯罪。然而，教师的一些不当言辞有可能在思想上、情感上、心灵上伤害学生。所以，在教师与学生之间，如何构建一种平等、互信、互爱的关系，是教学的一个重要内容。
（二）德与才的关系
韩愈曾说“师者，所以传道授业解惑也”。传道，朴实的理解，就是传授道德观念，也就是进行思想教育；授业，就是传授学业，教给学生技能；解惑，就是解除迷惑。教师应该做到三者，才算一个好教师；学生只有尽全力学了问了，才算好学生。现实的问题是，教师过分注重讲授课业，忽视德育。学高为师，德高为范。社会需要德才兼备的人。那些有德无才的人或许不能成就一番大事业，但是至少无害于社会；那些有才无德的人，对社会而言往往是极其危险的。马加爵事件、药家鑫事件，已经给人们敲响了警钟。
（三）理论与实践的关系
土力学与其他课程相比，突出的特点是一门半经验半科学的课程，很多理论、方法需要不断改进。以清华大学为首的黄文熙院士[1]、沈珠江院士[2]、李广信教授[3]都非常注重土工试验与工程实践，强调实践检验理论。20世纪90年代，杨光华[4]一篇土力学理论性论文引起土力学界数位专家的热烈关注与讨论[5-7]，以至于李广信教授向人们提出这样一个问题“有志于从事岩土工程和岩土力学工作的青年学者们应当走一条什么样的研究道路，才能不浪费自己的才华和精力，从而在此学科中作出自己的贡献”。由此可见，土力学课程的实践性很强。然而，在教学过程中，一些教师与学生更关注书本知识，虽然考试通过了，但是到了现场，连土的工程分类都搞不清。
土力学来源于实际生产生活，总结经验上升到理论，完成了土力学的第一次飞跃（量变）；再用于指导实践，并且不断修正、完善理论，则是土力学第二次飞跃（质变）。这种反复的过程，正是土力学不断完善自身的动力与源泉。
（四）教与学的关系
教学活动是教师与学生进行的一种生命与生命、思想与思想、心灵与心灵的交流活动。在这个过程中，通过教学互动的方式，即通过调节师生关系及其相互作用，形成和谐的课堂气氛，使师生互动、生生互动，使每个人都与他人交流，产生共振，以期得到最好的教学效果。教师不是主体，学生也不再是被灌输知识的对象，大家是平等的朋友。
在实际教学过程中，对于教与学的认识存在很大误区。有些教师认为，只要教完就可以，其他一切不管。有些学生认为，我是花钱来学习，教师你就是讲课的，我只管听就行。这些都是缺乏主人翁精神的体现，教师缺乏教师职业道德，学生缺乏自主学习能动性。久而久之，恶性循环，教学效果可想而知。教学相长，互动式教学等从本质上讲属于教与学的关系范畴。所以，无论是教师，还是学生，不应该是机械性教学，而是活生生的人，要通过情感交流产生共鸣。
二、土力学课堂教学改革的方法与途径
（一）问卷调查
笔者授课之余，针对土力学课堂教学作了一项问卷调查，向水利水电工程专业两个大班共256位学生进行调查：（1）学生家庭经济情况；（2）学生学习感受；（3）毕业后打算；（4）是否喜欢学习；（5）如何提高学生的学习主观能动性。
调查结果见图1，家庭经济情况一般及以上的占61.2%，贫困生占38.8%；学习轻松的占25.8%，较困难与很困难的占74.2%；毕业后继续上研的占61.3%，进企业的占12.9%，就业目标不明确的占25.8%；喜欢学习的占40.5%，厌恶学习的占8.4%，对学习无所谓的占51.1%。关于如何提高学习兴趣，学生提出一些建议，可以归纳为：希望教师和蔼可亲，与学生多交流，能够关注学生的感受，多带实物模型讲解，希望到现场看看。
图1 各类学生占总学生的百分数
调查结果表明：（1）学生大多来自于中西部地区，家庭经济状况贫困的占38.8%，学习基础比较薄弱；（2）大部分学生希望本科毕业后能够继续深造，25.8%的学生自控能力很差，缺乏学习目标；（3）爱好学习的占40.5%，感到轻松的只有25.8%，这说明14.7%的学生希望好好学习，但是感到很吃力；（4）学生的提议说明学生希望师生平等，教学互动，理论与实践结合。
（二）课堂教学改革探索
现代科技日新月异，各种通讯手段层出不穷，旧的教学内容、教学方式已经不能适应社会的潮流，有必要对土力学课堂教学进行改革，这是每一位从教者都应该反思的问题。笔者就所见所闻，结合问卷调查的结果，谈谈土力学课堂教学改革的方法与途径。
1.树立以人为本的情怀，激发学生的学习兴趣。李约瑟难题、钱学森之问，一次次震撼着每一位有一点良知的中国人的心。诺奖与奥奖之痛，也让我们不得不反思中国的教育。新中国成立前，中国遭受100多年的屈辱历史。新中国成立后，百废待兴，我们从西方社会引进所谓的“科学”。由于积贫积弱已久，我们更关注科学的实效性，而忽略科学的本真性，导致功利主义蔓延。这些导致教学过程中师生偏重工具性价值取向，忽略了问题本身。很多时候，学生问教师土力学中一些繁琐的公式有什么用，不记是否可以。有些教师不注意言行，在课堂上也说某某章节工程中用不到，不讲。这些都是不正确的，往往误导学生。再者，很多教师在课堂上给予学生一些错误信号：考试通过就可以。大学除了教给学生一些知识与技能外，更重要的是培养学生自我学习的能力、道德观念、责任感，激发求知欲。
联系问卷调查结果，教师还有很多工作要做。256名学生中，学习兴趣不浓的学生占51.1%，另有8.4%的学生厌恶学习，如何培养这些学生的学习兴趣，是一个长期而艰巨的任务。其实每一位学生都是优秀的，都有自己的优点，教师应该循循善诱，教他们取长补短，发现他们的兴趣并加以引导，而不是遇到问题就恶语相向。教师应该根据自己的知识与经验，树立以人为本的观念，以自己的人格魅力感染人，塑造人。有的学生善于动手，可以鼓励学生设计一些简单试验获取知识；有的学生善于推理，则可以考虑从理论上着手进行演绎……总之，做到“不愤不启，不悱不发”，多鼓励学生，引导学生，让学生对课程始终保持良好的兴趣。
2.增强情感交流，实现心灵交融。从广义上说，学习包括从低等动物到人类在后天生活过程中，通过练习获取经验的过程。狭义可以理解为，学习是在社会生产生活中，通过语言、文字、行为等媒介获取知识与能力的过程。土力学课程的学习，则是通过课堂教学、实验室练习、野外地质实习等手段完成的。教学过程不是机械的，教师面临的对象不是动植物，而是有感情的、会思考的人。所以，教学过程伴随着情感交流、智力交流、思想交流。智力因素与情感因素同时发生，相互作用，相互影响。在教学过程中，教师与学生如果没有情感交流，仅有智力教授，很难唤起学生的主观能动性，学习活动很难持续进行。从某种程度上讲，情感交流可能更加重要。
要实现这一过程，首先，需要教师具有良好的道德素养，衣着整洁，举止大方，和蔼可亲，做一个诚于中而形于外、学高身正的人；第二，需要教师与学生交朋友，以诚相待，具有大爱精神，双方建立平等、互信、互爱的关系；第三，换位思考，多替学生着想，多与学生交流。譬如，在土力学课堂上，可以讲授一些岩土工程学科名人趣事，课下与学生谈谈学生关心的话题，这样可以拉近教师与学生的距离，有利于教学。
在这次调查中，贫困生占38.8%，没有明确学习目标的有25.8%，厌恶学习的有8.4%。这些因素不同程度地影响学生的学习感受，即教学效果。教师如果不能设身处地地为学生利益着想，不能与学生发生情感交流，是很难获得学生认可的，尤其是要多关注单亲家庭、贫困家庭、父母感情有问题的学生。
3.增强教学互动，调动学生的积极性。学生之所以不愿意学习，有成千上万个理由，但是至少有一条就是教、学彻底隔离，教师没有调动学生的积极性。经常在土力学课堂上，发现一部分学生讲话、睡觉、迟到、早退等。作为学生，应该检讨自己的不良行为；作为教师，我们也应该反省事故的原因，管理好课堂纪律，维持课堂秩序。
行为主义者认为，学习是刺激与反应的结果，该理论的代表人物有桑代克、巴甫洛夫、华生、斯金纳和班杜拉。认知主义理论认为，学习是个体通过认识、辨别、理解获取新知识的过程，代表人物有格式塔、托尔曼等。还有20世纪50年代以后盛行的人本主义与建构主义学习观。综合分析这些理论，应该认识到学习不是学生单向机械学习，而是教师与学生互动的结果。
问卷调查的最后一个问题是请学生提建议，256名学生（少数问卷未填写建议）都不同程度地表示，希望教师上课能够多与学生交流，根据实际情况安排进度。要增强教学互动，调动学生的积极性，需要在教学内容、教学方式等方面狠下工夫。时代进步了，平铺直叙的讲述方式，一支粉笔写满黑板，方式方法需要改进与提高。改进方法：（1）精选案例，扣人心弦。上课开始，可以讲授一些经典土力学案例，例如，意大利比萨斜塔的纠偏，加拿大特郎斯康谷仓地基破坏，意大利瓦依昂水库滑坡；也可以讲授一些时事要闻，如汶川地震、青海玉树地震、舟曲泥石流等。（2）提出主题，学生讨论。在教学过程中提出一个主题，让学生与学生之间互动起来，待讨论完毕以后，由教师总结发言，再实现师生互动。譬如，讨论一下达西定律的原理与适用范围、渗透系数的测定等。（3）分成小组，交流辩论。把一个班级分成几个小组，完成某一主题的报告，然后进行辩论。既可以提高个人积极性，又可以教给学生处理人际关系方法，还锻炼了学生的口才。（4）利用多媒体放映一些动画及视频资料，加深印象，必要时现场实习，如讲解土的工程分类就可以把学生带到现场。
4.注重理论与实践结合。在问卷调查中，学生提议希望教师多带实物模型讲解，有些学生希望看看现场。这说明土力学课程教学应该理论联系实际，不可偏废一方。土的基本特性是碎散性、多相性、时空变异性，所以土的物理、力学性质复杂多变。土力学理论与试验研究、数学计算、现场观测与检验是密切相关的，不可偏重某一方面。现场→试验→理论→工程实践检验→修正理论→指导实践，这是岩土工程专业工作的基本方法。实践是检验真理的唯一标准，同理，工程实践也是检验土力学理论的唯一标准。
在教学过程中，教师应该始终贯穿这一主线，强调理论与实践结合，切不可过分关注理论，这样会导致学生重理论、轻实践，到了现场什么也干不了。有一些教师，因为求学期间不下实验室，不上工地，所以教学就是纸上谈兵，建议寒暑假可以补补课，联系生产单位进行一些必要的实习。有一些学生土力学课程考试成绩很高，但是平时实验课与实习不愿动手，这样非常有害，因为不能判断现场，计算出来的参数再精确也是毫无意义的。
目前教学，可以利用学校的各类实验室、校园空地、校内工地，必要时可以带学生进行野外地质实习、工地实践。在实践过程中，不断提高理论水平。教师要起到良好的引导作用，让学生不仅“仰望星空”，还要“脚踏实地”。
三、结论
1.在土力学课堂教学过程中，主要存在四类问题影响教学：师生关系不平等导致师生之间难以建立互信互爱的关系；忽视德育容易造成学生的人格缺失；理论与实践分离，背离了基本的教育规律；教与学机械分离，师生缺乏互动。
2.笔者对授课对象256人进行问卷调查，结果显示，家庭困难、学习目标不明确、缺乏学习兴趣等因素直接影响教学效果。为了提高教学质量，教师应该以人为本，通过不断改进教学方法，增强与学生的情感交流，从而激发学生的学习兴趣。同时，在土力学课堂教学过程中，教师应该注重理论与实践相结合，培育学生独立思考与解决实际问题的能力。
参考文献：
[1]黄文熙.土的工程性质[M].北京：水利电力出版社，1983.
[2]沈珠江.理论土力学[M].北京：中国水利水电出版社，2000.
[3]李广信.关于土力学理论发展的一些看法[J].岩土工程学报，1991，（5）.
[4]杨光华.岩土类材料的多重势面弹塑性本构模型理论[J].岩土工程学报，1991，（5）.
[5]杨代泉.也谈土力学研究的理论与实践[J].岩土工程学报，1992，（2）.
[6]陈生水.土的本构模型研究之浅见[J].岩土工程学报，1992，（2）.
土力学的新概念与特殊土强度初探 篇4
参见文献[2]的摘要, 由文献[3]~[12]总结:初步建立“非饱和土有效应力的大气张力公式与新概念土力学”的构架。其要点有, 提出有效应力的新概念, 即有效应力是土体中提供抗剪强度的点的集合所对应的应力;非饱和土有五相;自由水和孔隙气具有等效压缩刚度 (等效压缩模量和等效压缩系数) ;有效应力的实质是自由水和孔隙气没有抗剪能力;大气张力抗拉强度, 揭示了非饱和土的“吸力”之谜;大气张力库仑抗剪强度, 展示了经典凝聚力的全貌;应该用绝对压强论述土力学。其公式有, 非饱和土有效应力的大气张力公式;大气张力系列的饱和度系数和自由水通道率、有效自重应力、地基承载力、郎肯土压力、库伦土压力、土坡稳定、地基压缩变形和渗流固结等等新公式。
文中将在文献[2-12]的基础上, 探讨上述土力学的新概念在特殊土强度方面的应用。
1 新概念土力学的基本公式
参见文献[2, 10], 抗剪极限状态非饱和土有效应力的大气张力公式
其中, σ′s为颗粒接触有效应力;σ′c为结合水膜有效应力;σF为表面张力垂直分量贡献有效应力。
在抗剪极限状态, σ′s是法向压力, 其作用处切向提供由滑动摩擦和咬合摩擦产生的抗剪强度, σ′c和σF是法向拉力, 其作用处切向直接提供真凝聚力, 所以σ′s-σ′c-σF就是有效应力。由式 (1) 得, 有效应力
在z方向, 半空间无限体, 有效自重应力
其中, X为饱和度系数;Bu为非饱和土的自由水通道率。
Uwa为计算点处绝对压强下的自由水压力, 作用在同一平面的自由水上, 尽可能实测, 按重力水、毛细水、角部毛细水的区别有不同的计算式[4]。
Ua为计算点处 (绝对) 孔隙气压力, 作用在同一平面的孔隙气上, 尽可能实测。
Pa-[BuUaw+ (1-X) Ua]为水气不抵大气压强自重应力[6]。
2 修正一般土的饱和度系数和自由水通道率的计算公式
见文献[4], 初探, 文献[6]-[9]及文献[12], 不断更新, 下面进一步修正:
饱和度系数X应先按表1计算。
还应该对表1的结果进行孔隙比修正:取X= (0.908/e) ×表1的X, 且X《Sr。
计算BS0:粘粒水分分配系数k1=粘粒含量, 一般土, 认为IP=10时, k1=0;IP=17时, k1=0.4;按直线分布得
计算BS:结合水膜可靠连接面积率系数k2, 一般土, 认为IL=1 (含水量为液限) 时, k2=0;Il=0 (含水量为塑限) 时, k2=0.45;含水量为缩限时, k2=0.9, 按直线分布得:
结果:自由水通道率Bμ=X-BS。
其中, Sr为饱和度;IP为塑限指数;IL为液限指数;BS0为粘粒水分分配面积率;BS为粘性土的结合水膜可靠连接面积率。
注1:粘粒水分分配系数k1:粘粒与其他土粒共同吸附土中水, 土中水优先在粘粒形成结合水膜[13], 但考虑到截面上下两个粘粒不一定对齐, 所以择中取k1=粘粒含量
注2:结合水膜可靠连接面积率系数k2:参见文献[3]的结论, 认为粘性土在室内干燥失水过程中, 由泥浆期-液限-塑限-缩限, 截面上下两个粘粒不断靠近, 在接触处, 由无结合水膜接触 (泥浆期) -有弱结合水膜接触 (流塑) -有强结合水膜接触 (软塑下限时为0) -有45%强结合水膜接触 (塑限) -有90%强结合水膜接触 (缩限) 。
3 特殊土的饱和度和孔隙比
见文献[14]:土饱和度Sr计算方法用于粘土时出现数值偏大甚至超过理论最大值的不合理现象。偏差的原因是, 将粘土中的结合水作为普通自由水引进公式。见文献[15]:根据目前对结合水密度的认识, 强结合水密度一般为1.30~1.74g/cm3, 平均为1.5g/cm3左右。
见文献[16]
其中, W为天然含水量;γs为土粒重度;γw为水的重度。
式 (4) 与文献[14]的式 (1-2) 实质及计算结果相同。
见文献[14]的式 (3-1) , 认为在红粘土中, 结合水的平均密度为1.35g/cm3, 含量占总水量的60%, 得到水的加权重度dw, 即式 (3.1) 的γw=1.35×0.6+1×0.4, 其倒数为0.83, 按式 (4) 由γw=1计算得到的Sr (常规饱和度) , 再乘以0.83就是红粘土的实际饱和度。
3.1 红粘土及多粘粒的一般土的饱和度和孔隙比
见文献[14], 讨论的是贵州红粘土。下面讨论能适用于各地红粘土及多粘粒的一般土, 注意, 有膨胀性的红粘土, 按膨胀土处理。
首先, 求强结合水在总水量中的含量ζc。红粘土多处于可塑及硬塑范围, 所含弱结合水不多, 且弱结合水与自由水重度差别不大, 故取弱结合水重度=1.0g/cm3, 归于自由水。通常认为, 塑限含水量是有无弱结合水的界限。事实上, 含水量在塑限时, 粘粒吸附强结合水 (假定有3层水分子) , 其他土颗粒也由于润湿吸附水 (假定有1层水分子) , 取强结合水的重度为1.5g/cm3, 得
其中, Wp为塑限含水量;k1为粘粒含量。
其次, 求水的加权重度
所以, 实际饱和度
另外, 由土工试验及非膨胀土的特性知道, 所求的孔隙比就是常规孔隙比。
3.2 膨胀土的饱和度和孔隙比
参文献[17], 三类粘土矿物的特性见表2。参文献[18]的附录A, 膨胀土的自由膨胀率与蒙脱石含量、阳离子交换量的关系见表3。
注:1.表中蒙脱石含量为干土全重含量的百分数, 采用次甲基蓝吸附法测定。2.对不含碳酸盐的土样, 采用醋酸铵法测定其阳离子交换量, 对含碳酸盐的土样, 采用氯化铵-醋酸铵法测定其阳离子交换量。
由表3知, 我国现行的《膨胀土地区建筑技术规范》, 认为蒙脱石含量是决定土的自由膨胀率的主要因素。事实上, 蒙脱石晶层间是以分子引力连结, 联结力弱, 水很容易进入晶层之间, 具有显著的吸水膨胀、失水收缩的特性。见表2, 蒙脱石的比表面积大, 为800m2/g。参文献[19], 蒙脱石根据所吸附的阳离子不同, 分为钠基蒙脱石和钙基蒙脱石。钠基蒙脱石可促进土体的分散性, 钙基蒙脱石能抑制土体的分散性。所以, 忽略侧面面积, 假设钠基蒙脱石有1个晶层 (即有2个内表面和2个外表面) , 其内表面积占总表面积的50%;钙基蒙脱石有4个晶层 (即有8个内表面和2个外表面) , 其内表面积占总表面积的80%。
下面, 由土的三项组成讨论膨胀土的饱和度和孔隙比。土的总体积V;孔隙部分体积VV, 增量为ΔVV;固体颗粒体积VS, 增量为ΔVS;土中水的体积VW, 增量为ΔVW;土的总质量m;固体颗粒质量mS, 增量为ΔmS;土中水的质量mW, 增量为ΔmW。由文献[20]《土工试验方法标准》已知:V为环刀的体积, 由含水率试验得, 含水量W=mW/mS;由密度试验得土的密度ρ=m/V, 干密度ρd=mS/V;由土粒比重试验得固体颗粒的密度ρs=mS/VS;从而已知V, 通过计算:先由ρ、ρd, 可求得m、mS;进一步, 由W、ρs, 可求得mW、VS;按水的重度=1, 数值上VW=mW。这样, 通过土工试验及计算, 可以得到:m、mS、mW;V、VS、VW。
膨胀土除了应该按3.1节那样考虑强结合水的重度为1.5g/cm3, 进行水的加权重度计算外, 还要考虑蒙脱石内表面结合水属于土颗粒的因素。蒙脱石内表面结合水, 产生负的ΔmW和ΔVW, 还产生正的ΔmS和ΔVS。
首先, 求蒙脱石内表面结合水占水总质量mW的比例kw。设蒙脱石内表面积占蒙脱石总表面积的比例为km, 按前面假设, 0.5《km《0.8。见表1, 比表面积取上限, 且认为其他粘粒的比表面积与高岭石相同, 非粘粒的比表面积=1/5×20=4, 为高岭石的1/5。设蒙脱石、伊利石、高岭石加其他粘粒、非粘粒的含量分别为δm、δi、δk、δs, 则:
取强结合水的重度为1.5g/cm3得
参式 (3.2) 得
实际土粒外部的水质量为mW-=mW-ΔmW。其体积为
实际土粒的体积VS+=VS+ΔVW, 实际的孔隙体积
实际孔隙比e-=VV-/VS+, 实际饱和度
注意, 其他粘粒不包括膨胀蛭石, 膨胀蛭石与蒙脱石相似, 有较多吸水的内表面。
3.3 湿陷性黄土的骨架率、骨架饱和度和骨架孔隙比
见文献[21]406页, 通过对所获取微观照片进行统计分析发现:华阴、潼关、灵宝土样孔径大于20的孔隙面积可占到孔隙总面积的80%以上;又408页结束语的 (4) :黄土的湿陷性主要与平均孔径大于20μm的孔隙含量密切相关。对于同一场地所取的土样, 孔径大于20μm的孔隙含量增加, 其湿陷性增高。
因此, 可认为湿陷性黄土结构由土骨架 (包括微小孔隙) 和大孔隙组成。通过下面试验可以近似地反映湿陷性黄土结构。由文献[20], 用环刀切取天然土样, 土样的等级应为Ⅰ级不扰动土样, 环刀面积不应小于5 000m2。然后采用室内压缩试验, 分级加荷, 加荷至破坏 (沉降突变) , 并在该荷载下沉降稳定。
设上述环刀体积为V、高度为h0, 土样沉降了Δh,
定义湿陷性黄土的骨架率
如3.2节, 通过常规土工试验及计算, 可以得到m、mS、mW;V、VS、VW。所以
4 红粘土及多粘粒的一般土的强度计算
用式 (7) 的饱和度SR代替表1中的Sr, 加上其他参数, 可以求得红粘土的的饱和度系数和自由水通道率, 然后按文献[2]的公式, 进行大气张力系列的地基承载力、库伦抗剪强度、郎肯土压力、库伦土压力、土坡稳定计算。
5 膨胀土的强度计算
见文献[18], 强制性条文:地基基础设计应符合下列规定:1) 建筑物的地基计算应满足计算的有关规定;2) 地基基础设计等级为甲级、乙级的建筑物, 均应按地基变形设计;3) 建造在坡地或斜坡附近的建筑物以及受水平荷载作用的高层建筑、高耸构筑物和挡土墙、基坑支护等工程, 尚应进行稳定性计算。验算时应计及水平膨胀力的作用。
见文献[23]:笔者曾提出一种分层考虑裂隙影响的膨胀土边坡稳定性分析的方法, 概括如下:1) 仍然采用现有的条方法, 如瑞典法、毕晓普法、摩根斯坦法等。2) 将膨胀土层近似划分为3个区域, 如图6中a、b、c所示。a区为裂缝充分发育区 (强风化) , 厚度近似取为2hc/3, 假定裂隙开展深度为hc=4m。该层取裂隙土的强度指标;b层为一般裂隙区 (未充分发育, 弱风化) , 厚度为hc/3, 取裂隙土与原状土强度指标的平均值;c层为无裂隙区, 取原状土强度指标。3) 考虑渗透力, 假定浸润线沿着坡面, 这是最危险的情况。4) 寻找危险滑动面时, 要考虑局部滑动和整体滑动的情况。
见文献[24]:缓倾角软弱层, 软弱层倾角一般6°~10°, 底部层面极光滑, 具蜡状光泽, 充填连续灰白色粘土, 厚1~10mm, 非常细腻稀软;上部充填草黄色粘土, 裂隙很发育, 一般厚度1~4mm, 最厚达20cm。软弱层内物质的粘粒含量高达60%以上, 液限最大达到64%, 粘土矿物成分以蒙脱石为主。
5.1 膨胀土的地基承载力计算
取基础底面处的膨胀土样进行试样饱和后试验, 按1节, 饱和土X=1,
通过计算得BS, 所以, 基础底面处的自由水通道率Bμzi=X-BS。
结合文献[2]的式 (7) 和文献[18]的式 (5.2.6) 得, 修正后的地基承载力特征值
其中, fak为地基承载力特征值。
见文献[18]:地基承载力特征值可由载荷试验或其他原位测试、结合工程实践经验等方法综合确定, 并应符合下列要求:1) 荷载较大的重要建筑物宜采用本规范附录C现场浸水载荷确定;2) 已有大量试验资料和工程经验的地区, 可按当地经验确定。
地基承载力的其他计算见文献[18], 注意甲乙级的建筑物, 均应按地基变形设计。
5.2 膨胀土的库伦抗剪强度、郎肯土压力、库伦土压力、土坡稳定计算
假定当地的裂隙开展深度为hc (不一定是4m) 。按上述将膨胀土层近似划分为a、b、c, 即3个区域。a、b区用饱和土样, X=1, a区自由水通道率Bu=1, b区自由水通道率计算同5.1节。C区用实际土样, 按3.2节的式 (14) 和式 (15) 求得实际的孔隙比和饱和度, 再代入表1及加上相关系数, 按2节, 求得饱和度系数和自由水通道率。强度指标, a区取裂隙土的强度指标, b区取裂隙土与原状土强度指标的平均值, c区取原状土强度指标。
然后, 按文献[2]的公式, 进行大气张力系列的库伦抗剪强度、郎肯土压力、库伦土压力、土坡稳定计算。注意应加上水平膨胀力的作用, 要计入软弱层的不利影响;在土坡稳定计算中, 还要计入渗透力。
6 湿陷性黄土的强度计算
见文献[22], 在湿陷性黄土地区进行建设, 应根据湿陷性黄土的特点和工程要求, 因地制宜, 采取以地基处理为主的综合措施, 防止地基湿陷对建筑物产生危害。湿陷性黄土, 在一定压力下受水浸湿, 土结构迅速破坏, 并产生显著附加下沉的黄土。……自重湿陷性黄土, 在上覆土的自重压力下受水浸湿, 产生显著附加下沉的黄土。
防护距离:防止建筑物地基受管道、水池等渗漏影响的最小距离。
6.1 湿陷性黄土的饱和度系数和自由水通道率
取天然土样除了常规土工试验得到常规参数外, 还要按3.3节的室内压缩试验得到天然湿陷性黄土的骨架率、骨架饱和度和骨架孔隙比。天然土样饱和 (骨架结构未破坏) 的骨架饱和度等于100%, 骨架率和骨架孔隙比同天然土样。
然后, 将土样的骨架饱和度、骨架孔隙比以及液限指数、塑性指数或粘粒含量按2节的公式计算得到骨架的Xf和Bμf, 再乘以骨架率得到
6.2 湿陷性黄土的地基承载力计算
见文献[22], 强制性条文:1) 甲类建筑应消除地基的全部湿陷量或采用桩基穿透全部湿陷性黄土层, 或将基础设置在非湿陷性黄土层上;乙丙类建筑应消除地基的部分湿陷量。地基承载力特征值, 应保证地基在稳定的条件下, 使建筑物的沉降量不超过允许值;……对天然含水量小于塑限含水量的土, 可按塑限含水量确定土的承载力。
结合文献[2]的式 (7) 和文献[22]的式 (5.6.5) 得, 修正后的地基承载力特征值
其中, fak为地基承载力特征值;Bμzi为基础底面处或地基处理的下卧层顶面处的自由水通道率;ηb、ηd分别为基础宽度和埋深的地基承载力修正系数。
其实, 修正后的地基承载力特征值, 仅直接用于丁类建筑, 对于甲乙丙类建筑, 用于地基处理后的下卧层验算。由文献[2]的式 (8) , 得到大气张力下卧层顶面处有效自重压力为
再结合文献[22]的式 (6.1.7) 和式 (6.1.8) , 用于地基处理的下卧层顶面的计算。
6.3 湿陷性黄土的库伦抗剪强度、郎肯土压力、库伦土压力、土坡稳定计算
见文献[22]:1) 确定滑动面时, 应考虑湿陷性黄土地基中可能存在的竖向节理和裂隙;2) 对有可能受水浸湿的湿陷性黄土地基, 土的强度指标应按饱和状态的试验结果确定。见文献[25]:浸水前后湿陷性黄土的抗剪强度采用快剪试验测定。首先将所取的天然土样分为两组, 其中一组土样的每个样品均取4个环刀试样, 分别在100kPa、200kPa、300kPa以及400kPa荷载压力下测其抗剪强度;另一组土样中的每个样品同样取4个环刀试样, 但每个环刀试样都进行充分浸水, 对浸水后的环刀试样分别施加100kPa、200kPa、300kPa以及400kPa荷载压力, 待土样下沉稳定后再测其抗剪强度。最后对浸水前后湿陷性黄土的抗剪强度进行对比分析, 研究其浸水前后抗剪强度的变化规律。又有:浸水后湿陷性黄土的抗剪强度明显低于天然状态下湿陷性黄土的抗剪强度。
注意的是, 浸水湿陷稳定的土样已经破坏了原有骨架加大孔隙的结构, 与上述的天然土样饱和 (骨架结构未破坏) 不同, 与一般饱和土相似。因此, 应该用浸水湿陷稳定的土样进行常规试验得到其饱和度、孔隙比, 然后按2节计算得到饱和度系数和自由水孔隙比。很显然, X=1, 如果是粉土类, Buzi=1, 如果是粉质粘土类, 由于粘粒含量一般不多, 而含水量又饱和, 液限指数较大, Buzi≈1。还因为土从不饱和到饱和, 计算点处绝对压强下的自由水压力Uwa由小于大气压强到大于大气压强, 所以侧向水压力大大增加, 威胁稳定。
所以, 首先应考虑湿陷性黄土的土层是否会浸湿, 取天然土样试验或取天然土样按上述进行侵水湿陷稳定后的抗剪强度试验, 得到相应的饱和度系数、自由水通道率和抗剪强度指标, 然后按文献[2]的公式, 进行大气张力系列的库伦抗剪强度、郎肯土压力、库伦土压力、土坡稳定计算。注意应考虑湿陷性黄土地基中可能存在的竖向节理和裂隙。
7 结论
a.红粘土与膨胀土含有较多的粘粒, 存在大量的结合水, 实际饱和度应考虑由于结合水重度大于自由水的因素。蒙脱石颗粒含有较多的内表面, 该内表面含有的结合水, 实际上减少膨胀土颗粒间的水质量及体积, 增加颗粒的质量和体积, 因此, 膨胀土的实际饱和度和孔隙比与常规不同。湿陷性黄土由土骨架 (包括微小孔隙) 和大孔隙组成, 其特征为骨架率、骨架饱和度和骨架孔隙比。
b.求得特殊土的饱和度及孔隙比后, 加上液限指数、塑性指数或粘粒含量, 可以按一般土的方法求得特殊土的饱和度系数及自由水通道率。
c.进一步, 提出了特殊土进行大气张力系列的库伦抗剪强度、地基承载力、郎肯土压力、库伦土压力、土坡稳定计算的方法。
土力学习题 篇5
《土力学》习题精选
１．土由哪几部分组成?土中次生矿物是怎样生成的?粘土矿物分哪几种?蒙脱石有什么特性? ２． ３． ４． ５． ６． 土的粒径分哪几组?何谓粘粒?各粒组的工程性质有什么不同? 何谓土的粒径级配?粒径级配曲线的纵坐标表示什么?不均匀系数CU>10,反映土的什么性质? 土力学中的土中水包括哪几种?结合水有何特性?固态水对工程有何影响? 土的物理性质指标有哪些?其中哪几个可以直接测定?常用测定方法是什么? 无粘性土最主要的物理状态指标是什么?用孔隙比e、相对密度D，和标准贯入试验锤击数N来划分密实度各有何优缺点? ７． ８． 粘性土最主要的物理特征是什么?何谓液限?如何测定?何谓塑限?如何测定? 已知甲土的含水量w1大于乙土的含水量w2，试问甲土的饱和度Sr1是否大于乙土的饱和度Ｓr2? ９． 下列土的物理指标中，哪几项对粘性土有意义，哪几项对无粘性土有意义? ①粒径级配；②相对密度；⑧塑性指数；④液性指数；⑤灵敏度。１０． 无粘性土和粘性土在矿物成分、土的结构、构造及物理状态诸方面，有哪些重要区别? １１． 地基土分哪几大类?各类土划分的依据是什么? １２． 在某住宅地基勘察中，已知一个钻孔原状土试样结果为：土的密度 ρ＝1．80g／cm3，土粒比重GS=2．70，土的含水量W＝18．0％。求其余6个物理性质指标。１３． 某住宅进行工程地质勘察时，取回一个砂土试样。经筛析试验，得到各粒组含量百分比，如图所示，试定砂土名称。１４． 某住宅工程地质勘察中取原状土做试验。用天平称50cm3，湿土质量为95．15g，烘干后质量为75．05g，土粒比重为2．67。计算此土样的天然密度、干密度、饱和密度、有效密度、天然含水量、孔隙比、孔隙度和饱和度。(答案：1．90，1．50，1．94，0．94g／cm３，26．8％，0．78，43．8％，0．918)１５． 某宾馆地基土的试验中，已测得土样的干密度ρd＝1．54g／cm3，含水量w＝19．3％，土粒比重GS＝2．71。计算土的e，n和Ｓr。此土样又测得wL＝28．3％，Wp＝16．7％，计算Ip和IL，描述土的物理状态，定出土的名称。(答案：0．76，43．2％，0．69；11．6，0．224，硬塑状态，粉质粘土)１６． 一办公楼地基土样，用体积为lOOcm3的环刀取样试验，用天平测得环刀加湿土的质量为241．OOg，环刀质量为55．OOg，烘干后土样质量为162．OOg，土粒比重为2．70。计算该土样的W，Ｓr，e，n，ρ，ρsat，ρ，和ρd，并比较各种密度的大小。(答案：14．8％，0．60，0．67，40．0％；1．86g／cm3，2．02g／cm3，1．02g／cm3，1．62g／cm3；ρsat>ρ>ρd>ρ′)１７． 有一砂土试样，经筛析后各颗粒粒组含量如下。试确定砂土的名称。粒组(mm)<0．075 0．075～0．1 0．1～0．25 0．25—0．5 0．5～1．0 >1．0 含量(％)8．0 15．0 42．0 24．0 9．0 2．0(答案：细砂)１８． 已知甲、乙两个土样的物理性试验结果如下： 土 样 wL(％)wP(％)W(％)Gs Sr 甲 30．0 12．5 28．0 2．75 1．0 乙 14．0 6．3 26．0 2．70 1．0 试问下列结论中，哪几个是正确的?理由何在?①甲土样比乙土样的粘粒(d<0．005mm颗粒)含量多；②甲土样的天然密度大于乙土样；③甲土样的干密度大于乙土样；④甲土样的天然孔隙比大于乙土样。(答案：①，④)１９． 已知某土试样的土粒比重为2．72，孔隙比为0．95，饱和度为0．37。若将此土样的饱和度提高到0．90时，每lm3的土应加多少水?(答案：258kg)２０． 一干砂试样的密度为1．66g／cm3，土粒比重为2．70。将此干砂试样置于雨中，若砂样体积不变，饱和度增加到0．60。计算此湿砂的密度和含水量。(答案：1．89g／cm3，13．9％)２１． 地下水运动有何规律?达西定律的物理概念是什么? 何谓土的渗透系数? 如何确定渗透系数的数值? ２２． 试阐述动水力、流砂和潜蚀的物理概念和对建筑工程的影响。２３． 某工程的地基为粗砂进行渗透试验，已知试样长度为20cm，试样截面面积为5cm2，试验水头为50cm。试验经历10秒钟，测得渗流量为5cm3。求粗砂的渗透系数k。(答案：k＝4 × 10-2cm／s)２４． 土力学实验室进行粉砂渗透试验，试样长度为15cm，试样截面面积为5cm2，试验水头为20cm。试验经历l０分钟，测得渗流量为3cm3。求粉砂的渗透系数k。(答案：k＝7．5 × 10-4cm／s)２５． 建筑工程基槽排水，引起地下水由下往上流动。水头差70cm，水流途径为60cm，砂土的饱和重度γsat＝20．2kN／m3。问是否会产生流砂?(答案：产生流砂)２６． 基础底面压应力的计算有何实用意义?柔性基础与刚性基础的基底压应力分布是否相同?何故? ２７． 怎样计算中心荷载与偏心荷载作用下基底压应力? ２８． 何谓附加应力?基础底面的接触应力与基底的附加应力是否指的同一应力? ２９． 附加应力在地基中的传播、扩散有何规律?目前附加应力计算的依据是什么?附加应力计算有哪些假设条件?与工程实际是否存在差别? ３０． 某教学大楼工程地质勘察结果：地表为素填土，γ1=18．0kN／m3，厚度h1=1.50m；第二层为粉土，γ2＝19．4kN／m3，厚度h2＝3．60m；第三层为中砂，γ3＝19．8kN／m3，厚度h3＝1.80m；第四层为坚硬整体岩石。地下水位埋深1．50m。计算基岩顶面处土的自重应力。若第四层为强风化岩石，该处土的自重应力有无变化?(答案： 132．5kPa；有变化，为78．5kPa)３１． 某商店地基为粉土，层厚4．80m。地下水位埋深1．10m，地下水位以上粉土呈毛细管饱和状态。粉土的饱和重度γsat=20．1kN／m3。计算粉土层底面处土的自重应力。(答案：59.48kPa)３２． 已知某工程为条形基础，长度为L，宽度为B。在偏心荷载作用下，基础底面边缘处附加应力σmax＝150kPa，σmin＝50kPa。选择一种最简方法，计算此条形基础中心点下，深度为：0，0．25B，0．50b，1．0B，2.0B，3．0B处地基中的附加应力。(答案：分别为100kPa，96kPa，82kPa，55．2kPa，30．6kPa，20．8kPa)３３． 已知某条形基础，宽度为6．Om，承受集中荷载P＝2400kN／m，偏心距e＝ o．25m。计算基础外相距3．Om，A点下深度9．Om处的附加应力。(答案：81．3kPa)３４． 今有一矩形面积地基，长度为2．０m，宽度为1．０m，其上作用均布 荷载P＝100kPa，如图所示。计算此矩形面积的角点A、边点E、中心点O，以及矩形面积外F点和G点下，深度z＝1．０m处的附加应力。并利用计算的结果，说明附加应力的扩散规律。３５． 载荷试验有何优点?什么情况应做载荷试验?载荷试验试坑的尺寸有要求，为什么?载荷试验如何加载?如何测沉降?停止加荷的标准是什么?在p——s曲线上怎样确定地基承载力? ３６． 何谓超固结土与欠固结土?这两种土与正常固结土有何区别? ３７． 何谓沉降差?倾斜与局部倾斜有何区别?建筑物的沉降量为什么要有限度? ３８． 何谓地基允许变形值?何种建筑结构设计中以沉降差作为控制标准?高炉与烟囱以何种变形值作为控制标准? ３９． 当建筑工程沉降计算值超过国家规范允许值时，应采取什么措施?5层砖混结构条形基础，砖墙发生八字形裂缝是什么原因? ４０． 某厂房为框架结构，柱基底面为正方形，边长L＝b＝4．０m，基础埋置深度为d＝1．０m。上部结构传至基础顶面荷重P＝1440kN。地基为粉质粘土，土的天然重度γ＝16．0kN／m3，土的天然孔隙比e＝0．97。地下水位深3．4m，地下水位以下土的饱和重度γsat＝18．2kN／m3。土的压缩系数：地下水位以上为α1＝0．30MPa-1，地下水位以下为α2＝0．25MPa-1。计算柱基中点的沉降量。４１． 某厂房为框架结构独立基础，基础底面积为正方形，边长L＝B＝4．0m。上部结构传至基础顶面荷载P＝1440kN。基础埋深d＝1．0m。地基为粉质粘土，土的天然重度γ＝16．0kN／m3。地下水位深度3．4m，水下饱和重度γsat＝18．2kN／m3。土的压缩试验结果，e——σ曲线，如图所示。计算柱基中点的沉降量。４２． 某厂房为框架结构独立基础，基础底面积为正方形，边长L＝B＝4．0m。上部结构传至基础顶面荷载P＝1440kN。基础埋深d＝1．0m。地基为粉质粘土，土的天然重度γ＝16．0kN／m3。地下水位深度3．4m，水下饱和重度γsat＝18．2kN／m3。地基土平均压缩模量：地下水位以上Es1＝5．5MPa，地下水位以下Es2＝6．5MPa。地基土承载力标准值fk＝94kPa。用《规范》推荐法计算柱基中点的沉降量。４３． 某住宅楼工程地质勘察，取原状土进行压缩试验，试验结果如表所示。计算土的压缩系数α1—2和相应侧限压缩模量Es1—2，评价此土的压缩性。(答案：0．16MPa-1，12．2MPa；中压缩性)压应力σ／kPa 孔隙比e 50 0．964 100 0．952 200 0．936 300 0．924 ４４． 某宾馆柱基底面尺寸为4．00m×4．00m，基础埋深d=2．00m。上部结构传至基础顶面中心荷载N＝4720kN。地基表层为细砂，γ1＝17．5kN／m3，Es1＝8．0MPa，厚度h1＝6．00m；第二层为粉质粘土，Es2＝3．33MPa，厚度h2＝3．00m；第三层为碎石，厚度h3=4．50m，Es3＝22MPa。用分层总和法计算粉质粘土层的沉降量。(答案：60mm)４５． 某工程矩形基础长度3．60m，宽度2．00m，埋深d＝1．00m。地面以上上部荷重N＝900kN。地基为粉质粘土，γ＝16．0kN／m3，el＝1．0，α＝0．4MPa-1。试用《规范》法计算基础中心O点的最终沉降量。(答案：68．4mm)４６． 某办公大楼柱基底面积为2．00m×2．00m，基础埋深d＝1．50m。上 部中心荷载作用在基础顶面N＝576kN。地基表层为杂填土，γ＝17．0kN／m3，厚度h1=1．50m；第二层为粉土，γ2＝18．0kN／m3，Es2＝3MPa，厚度h2=4．40m；第三层为卵石，Es3＝20MPa，厚度h3＝6.5m。用《规范》法计算柱基最终沉降量。(答案：123．5mm)４７． 已知某大厦采用筏板基础，长度42．5m，宽度13．3m，基础埋深d＝4．0m。基础底面附加应力P。＝214kPa，基底铺排水砂层。地基为粘土，Es＝7．5MPa，渗透系数k＝0．6×10—8cm／s，厚度8．00m。其下为基岩，基岩面附加应力σ2＝160kPa。计算地基沉降与时间关系。４８． 土的抗剪强度指标是如何确定的?说明直接剪切试验的原理，直剪试验简单方便是否可应用于各类工程? ４９． 土的密度大小和含水量高低，对φ与c有什么影响? ５０． 为什么土的颗粒越粗，其内摩擦角φ越大?相反，土的颗粒越细，其粘聚力Ｃ越大？ ５１． 在外荷作用下，土体中发生剪切破坏的平面在何处?是否剪应力最大的平面首先发生剪切破坏?在什么情况下，剪切破坏面与最大剪应力面是一致的?在通常情况下，剪切破坏面与大主应面之间的夹角是多大? ５２． 地基临界荷载的物理概念是什么?中心荷载与偏心荷载作用下，临界荷载有何区别?建筑工程设计中，是否可直接采用临界荷载为地基承载力而不加安全系数?这样设计的工程是否安全?为什么? ５３． 建筑物的地基为何会发生破坏?地基发生破坏的形式有哪几种?各类地基发生破坏的条件是什么?如何防止地基发生强度破坏、保证建筑物的安全与正常使用? ５４． 已知地基土中某点的最大主应力为σ1＝600kPa，最小主应力 σ3= 200 kPa。绘制该点应力状态的摩尔应力圆。求最大剪应力τmax值及其作用面的方向，并计算与大主应面成夹角α＝15°的斜面上的正应力和剪应力。５５． 某教学大楼工程地质勘察时，取原状土进行直接剪切试验(快剪法)。其中一组试验，4个试样分别施加垂直压力为100，200，300，400kPa，测得相应的破坏时的剪应力分别为：68，114，163，205kPa。试用作图法求此土样的抗剪强度指标c与φ值。若作用在此土中某平面上的法向应力为250kPa，剪应力为1lOkPa，试问是否会发生剪切破坏?又如法向应力提高为340kPa，剪应力提高为180kPa，问土样是否会发生破坏? ５６． 某大厦为高层建筑，在建筑场地进行工程地质勘察时，在地下水位以下粘性土地基中取原状土进行三轴压缩试验，采用固结不排水剪切试验。一组4个试样，周围压力分别为60，100，150，200kPa。试样剪损时的最大主应力σ1与孔隙水压力u的数值，如表所示。试用总应力法和有效应力法确定土的抗剪强度指标。试样编号 σl／kPa σ3／kPa u ／kPa 1 145 60 2l 2 218 100 38 3 310 150 62 4 405 200 84 ５７． 某宾馆设计采用框架结构独立基础。基础底面尺寸：长度3．00m，宽度为2．40m，承受偏心荷载。基础埋深1．00m。地基土分3层：表层为素填土，天然重度γ1＝17．8kN／m3，层厚h1＝0．80m；第②层为粉土，γ2＝18．8kN／m3，内摩擦角φ2＝21°，粘聚力C2＝12kPa，层厚h2＝7．40m；第③层为粉质粘土，γ3＝19．2kN／m3，φ3＝18°，C3＝24kPa，层厚h3＝4．80m。计算宾馆地基的临界荷载。５８． 某办公楼采用砖混结构条形基础。设计基础底宽b＝1．50m，基础埋深d＝1．40m。地基为粉土，天然重度γ＝18．0kN／m3，内摩擦角φ＝30°，粘聚力C＝10kPa。地下水位深7．8m。计算此地基的极限荷载和地基承载力。５９． 某工程设计采用天然地基，浅埋矩形基础。基础底面尺寸：长度L=3．00m，宽度b＝1．50m，基础埋深d＝1．20m。地基为粉质粘土，土的天然重度γ＝18．5kN／m3，内摩擦角φ＝30°，粘聚力Ｃ＝8kPa。地下水位埋深8．90m。荷载倾斜角①δ0=5°42′；②δ0＝16°42′。计算地基极限荷载。６０． 某高层建筑地基取原状土进行直剪试验，4个试样的法向压力分别为100，200，300，400kPa，测得试样破坏时相应的抗剪强度为τf＝67，119，162，216kPa。试用作图法，求此土的抗剪强度指标Ｃ、φ值。若作用在此地基中某平面上的正应力和剪应力分别为225kPa和105kPa，试问该处是否会发生剪切破坏? 答案：C＝18kPa，φ＝26°20′；不会发生剪切破坏)６１． 某大厦地基为饱和粘土，进行三轴固结不排水剪切试验，测得4个试样剪损时的最大主应力σ
1、最小主应力σ3和孔隙水压力u的数值如下表。试用总应力法和有效应力法，确定抗剪强度指标。σl／kPa σ3／kPa u／kPa 145 60 31 218 100 57 310 150 92 401 200 126 ６２． 某公寓条形基础下地基土体中一点的应力为：σz＝250kPa，σx＝100kPa，τ＝40kPa。已知地基为砂土，土的内摩擦角φ＝30°。问该点是否剪损?若σz和σx不变，τ值增大为60kPa，则该点是否安全?(答案：未剪损；剪损)６３． 已知住宅采用条形基础，基础埋深d=1．20m，地基土的天然重度γ＝18．0kN／m3，粘聚力Ｃ＝25kPa，内摩擦角φ＝15°。计算地基的临塑荷载Pcr(答案： 170．93kPa)６４． 某办公大楼设计砖混结构条形基础。基底宽度b＝3．00m，基础埋深d= 2．00m，地下水位接近地面。地基为砂土，饱和重度γsat＝21．1kN／m3，内摩擦角φ＝30°，荷载为中心荷载。求：①地基的临界荷载；②若基础埋深d不变，基底宽度b加大一倍，求地基临界荷载；③若基底宽度b不变，基础埋深加大一倍，求地基临界荷载；④由上述三种情况计算结果，可以说明什么问题?(答案：①164kPa，②204kPa，⑧289kPa，④说明基底宽度b与基础埋深d增大时，地基临界荷载也随之增大。其中埋深d增大使临界荷载增大更显著。)６５． 某宿舍楼采用条形基础底宽b＝2．00m，埋深d＝1．20m。每m荷载包括基础自重在内为500kN。地基土的天然重度为20kN／m3，粘聚力c＝10kPa，内摩擦角φ＝25°。地下水位埋深8．50m。问地基稳定安全系数有多大?(答案：2．8)６６． 某工程设计框架结构，采用天然地基独立基础，埋深d＝1．00m。每个基础底面荷载为1 200kN。地基为砂土，天然重度γ＝19．0kN／m3，饱和重度γsat＝21．0kN／m3，内摩擦角φ＝30°，地下水位埋深1．00m。要求地基稳定安全系数K≥2．o，计算基础底面尺寸。(答案：2．0 × 2．O m2)６７． 某海滨保税区综合小楼设计基础长L＝3．00m，基底宽B＝2．40m，埋深d= 1．20m。地基表层为人工填土，天然重度γ1＝18．0kN／m3，层厚1．20m；第②层为饱和软土，天然重度γ2＝19．0kN／m3，内摩擦角φ＝0，粘聚力c＝16kPa。地下水位埋深1．40m。计算综合小楼地基极限荷载和地基承载力。(答案：123．7kPa，82．5kPa)６８． 某高压输电塔设计天然地基独立浅基础。基础长度L=4．00m，基底宽度B=3．00 m，基础埋深d＝2．00 m。地基为粉土，土的天然重度γ＝18．6 kN／m3，内摩擦角 φ=16°，粘聚力C＝8 kPa，无地下水，荷载倾斜角δ0＝11°18′。计算地基的极限荷载。(答案：247kPa)６９． 土压力有哪几种?影响土压力大小的因素是什么?其中最主要的影响因素是什么? ７０． 何谓静止土压力?说明产生静止土压力的条件、计算公式和应用范围。７１． 何谓主动土压力?产生主动土压力的条件是什么?适用于什么范围? ７２． 何谓被动土压力?什么情况产生被动土压力?工程上如何应用? ７３． 朗肯土压力理论有何假设条件?适用于什么范围?主动土压力系数ka与被动土压力系数Kp如何计算? ７４． 土坡稳定有何实际意义?影响土坡稳定的因素有哪些?举出土坡滑动的实例，如何预防土坡发生滑动? ７５． 土坡稳定分析圆弧法的原理是什么?为何要分条计算?计算技巧有何优点?最危险的滑弧如何确定? ７６． 设计一堵岩基上的挡土墙，墙高H＝6．0m，墙后填土为中砂，重度γ=18．5kN／m3，内摩擦角φ＝30°。计算作用在挡土墙上的土压力。７７． 已知某挡土墙高度H＝8．0m，墙背竖直、光滑，填土表面水平。墙后填土为中砂，重度γ＝18．0kN／m3，饱和重度γsat＝20kN／m3，内摩擦角φ＝30°。(1)计算作用在挡土墙上的总静止土压力P0，总主动土压力Pa；(2)当墙后地下水位上升至离墙顶4．0m时，计算总主动土压力Pa，与水压力Pw。７８． 已知某混凝土挡土墙，墙高为H＝6．0m，墙背竖直，墙后填土表面水平，填土的重度γ＝18．5kN／m3，内摩擦角φ＝20°，粘聚力c＝19kPa。计算作用在此挡土墙上的静止土压力、主动土压力和被动土压力，并绘出土压力分布图。７９． 已知某挡土墙高度H＝6．0m，墙背竖直，填土表面水平，墙与填土的摩擦角δ＝20°。填土为中砂，重度γ＝18．5kN／m3，内摩擦角φ＝30°。计算作用在挡土墙上的主动土压力。８０． 已知某挡土墙高度H＝6．0m，墙背倾斜ε＝10°，墙后填土倾角β＝10°，墙与填土摩擦角δ＝20°。墙后填土为中砂，中砂的重度γ＝18．5kN／m3，内摩擦角φ＝30°。计算作用在此挡土墙上的主动土压力。８１． 已知某挡土墙高度H＝6．00m，墙背竖直、光滑，墙后填土表面水平。填土为粗砂，重度γ＝19．0kN／m3，内摩擦角φ＝32°，在填土表面作用均布荷载q＝18．0kN／m2。计算作用在挡土墙上的主动土压力Pa及其分布。８２． 已知某混凝土挡土墙高度H＝6．Om，墙背竖直，墙后填土表面水平，填土平分两层：第一层重度γ1＝19．0kN／m3，粘聚力C1＝10kPa，内摩擦角φ＝16°；第二层γ2＝17．0kN／m3，C2＝0，φ＝30°。计算作用在此挡土墙上的主动土压力，并绘出土压力分布图。８３． 北京某高层建筑基槽开挖后发生了滑坡，经加固后，边坡高度为6．5m，坡顶塔吊基础宽2．0m，离坡边缘2．0m，坡脚至坡顶水平距离为5．0m。已知塔吊最大轮压力750kN。坡面土实测指标：天然重度γ＝19．0kN／m3，内摩擦角φ＝23°，粘聚力C＝32kPa。验算此基槽边坡的稳定性。８４． 某工程场地勘察地基土分为两层，第一层为粉质粘土，天然重度γ1=18．2kN／m3，粘聚力C1＝5．8kPa，内摩擦角φ1＝23°，层厚h＝2．0m；第二层为粘土，相应的γ2＝19．0kN／m3，C2＝8．5kPa，φ2＝18°，层厚h2＝8．3m。基坑开挖深度为5．0m。设计此基坑开挖的坡度。８５． 已知某工程基坑开挖深度H＝5．0m，地基土的天然重度γ＝19．0KN／m3，内摩擦角φ＝15°，粘聚力C＝12kPa。求此基坑开挖的稳定坡角。８６． 已知某挡土墙高度H＝4．0m，墙背竖直、光滑。墙后填土表面水平。填土为干砂，重度γ＝18．0kN／ m3，内摩擦角φ＝36°。计算作用在此挡土墙上的静止土压力Pa。(答案： 37．4kN／m；)８７． 上题，若挡土墙的摩擦角δ＝24°，其余条件不变。计算此时的主动土压力Pa。(答案：36．3kN／m)８８． 已知某地区修建一挡土墙，高度H＝5．0m，墙的顶宽B＝1．5m，墙底宽度B=2．5m。墙面竖直，墙背倾斜，填土表面倾斜β＝12°，墙背摩擦角δ＝20°。墙后填土为中砂，重度γ＝17．0kN／m3，内摩擦角φ＝30°。求作用在此挡土墙背上的主动土压力Pa和Pa的水平分力与竖直分力。(答案：106kN／m；90，5kN／m；55．0kN／m)８９． 某挡土墙高度H＝10．0m，墙背竖直、光滑，墙后填土表面水平。填土上作用均布荷载q＝20kPa。墙后填土分两层：上层为中砂，重度γ＝18．5kN／m3，内摩擦角φ1＝30°，层厚h1＝3．0m；下层为粗砂，γ2=19.0kN／m3，φ2＝35°。地下水位在离墙顶6．0m位置。水下粗砂的饱和重度为γsat＝20．0kN／m3。计算作用在此挡土墙上的总主动土压力和水压力。(答案：298kN／m；80．0kN／m)９０． 已知一均匀土坡，坡角θ＝30°，土的重度γ＝16．0kN／m3，内摩擦角φ＝20°，粘聚力c＝5kPa。计算此粘性土坡的安全高度H。(答案：12．0m)９１． 已知某路基填筑高度H＝10．Om，填土的重度γ＝18．0kN／m3，内 摩擦角φ＝20°，粘聚力C＝7kPa。求此路基的稳定坡角θ。(答案：35°)９２． 某高层住宅基坑开挖深度H＝6．0m，土坡坡度为1：1。地基土分两层； 第一层为粉质粘土，天然重度γ1＝18．0kN／m3，内摩擦角φ1＝20°，粘聚力C1＝5.4kPa，层厚h1＝3.Om；第二层为粘土，重度γ2＝19．0kN／m3，φ2＝16°，c2＝10kPa，层厚h2＝10．Om。试用圆弧法计算此土坡的稳定性。(答案：K≈1．0)９３． 我国一所大学建造教职工住宅楼4幢，均为6层建筑。经岩土工 程勘察结果，该住宅楼地基分为下列4层： 表层为人工填土层，层厚1．0m～2．7m；第②层为粉土层，层厚0m～1．4m； 第③层为粉砂层，层厚1．3m～2．9m； 第④层为粉质粘土，层厚超过6m。粉质粘土层测试数据 测 试 项 目 标准贯入试验N 轻便触探试验N10 孔隙比e 液性指数IL 数 据 8．3，11．7，12．0，10．5，10．2，7．2 26,56,49,39,49,53,47,45,43,72,26,33，37,33,35 0.646 0.602，0.773，0.796 0.67l，0.808 0．47，0．58，0．72，0．78，0．66，0．76 样本数n 6 15 6 6平均值μ 9．98 42．9 0．716 0．66 计算粉质粘土的地基承载力。９４． 新疆一幢高层建筑，经正规的工程地质详细勘察，地基土分3层：表层 为杂填土, 层厚0．2m～0．6m，松散；第②层为含粉土角砾，层厚1．8m～15．3m，稍密～中密；第③为残积层(泥岩)可塑状态，局部分布，层厚3．0m左右；第④层为基岩，强风化带厚1．5m左右其下为中等风化砂岩及泥岩互层。勘察报告提供第②层的地基承载力标准值fk=180kPa。校核此数据。９５． 何谓地基承载力?有哪几种确定方法?各适用于何种情况? ９６． 地基承载力基本值f0、标准值fK与设计值f，三者有什么区别?为何要进行宽度与埋深的修正? ９７． 某6层住宅设计条形基础，基础底宽b=1．80m，埋深d＝1．50m。地 基表层为素填土，天然重度γ1＝17．5kN／m3，层厚h1＝1．50m；第②层为粘土，γ2=18，5kN／m3，W＝33．0％，WL＝51．6％，Wp＝26．8％，e＝0．80。设ψf =1。确定地基承载力基本值与设计值。(答案：240kPa，268kPa)９８． 某工厂车间吊车梁柱基为独立基础，基础底面长度L=4.00m，宽度B＝3．00m，埋深2．00m。地基表层为人工填土层，天然重度γ＝18．5kN／m3，层厚2．00m。第②层为粉土，孔隙比e＝o．85，天然含水量w＝15．0％。设ψf =o．9。确定地基承载力基本值、标准值与设计值。(答案：170kPa，153kPa，183．5kPa)９９． 一商店门市部房屋基础底宽b＝1．00m，埋深d＝1．50m。地基为粘土，测得地基土的物理性质：W=31．0％，γ＝19．0kN／m3，ds=2．77；WL=51．6％，Wp＝26．8％，N10＝28。确定地基承载力设计值。设ψf ＝0．85。(答案：214kPa)１００． 一高层建筑箱形基础长度为23．00m，宽度为8．50m，埋深为4．00m。地基表层为素填土，层厚1．80m，γ1＝17．8kN／m3；第②层为粉i，层厚18．Om。地下水位深2．80m。粉土层的物理性质指标为：水上γ=18．9kN／m3，水下γsat＝19．4kN／m3,W＝28．0％，WL＝30.0％，Wp＝23．0％。确定地基承载力设计值。设ψf ＝0．90。(答案：222．3kPa)
土动力学 篇6
（国防科技大学 交通运输工程系，长沙 410072）
车辆地面力学是研究越野行驶中机器与地面相互作用的一门力学学科［1］，研究内容包括对机器通过性的预测和评价，行走机构的优化设计以及对地面可行驶性的预测判断等几个方面。车辆地面力学从一开始就是一门试验与理论并重的学科［2］，利用室内土槽进行模型试验是车辆地面力学非常重要的研究手段。土槽试验的作用［3］是研究土壤的行驶性，测定不同行走机构的滚动阻力、牵引力、行驶的滑转率、牵引效率与接地面积、接地比压及其在土壤中的下陷量等参数，研究行走机构与土壤的相互作用机理，从而优化行走机构的结构尺寸，为车辆的设计和改进提供参考数据。
土槽试验不受外界自然条件的影响，易于控制试验参数和试验条件，具有较高的测试精度及良好的重复性和可对比性，大大缩短研究周期，加快研究进度，为推动车辆地面力学的研究发挥了重要的作用。然而，迄今为止国内外对于土槽试验技术的系统性的专项研究未见公开报道。因此，本文开展的土槽试验技术研究工作对车辆地面力学研究具有重要的参考价值和指导意义。
1 国内外典型土槽试验系统最新进展
从1889年“土槽”概念模型的提出［4］到 20世纪末，国内外土槽试验研究主要集中在农田机械和越野车辆等领域进行，其发展历程详见文献［5］的报道。21世纪初，世界各国掀起了新一轮行星探测热潮。车轮与松软土壤相互作用的地面力学被广泛应用于行星探测车结构设计、性能评价、仿真分析等诸多方面，是目前深空探测的一个研究热点和难点。由于实车实地试验条件不具备，土槽试验是目前研究行星探测车辆轮地作用特性唯一有效的试验手段。国外行星探测活动开展较早，土槽试验研究的经验相对成熟，从20世纪90年代末开始许多单位就相继开发了具有较高精度的行星探测专用土槽试验系统，并广泛开展了试验和理论研究。国内行星探测活动相对滞后，专用土槽试验系统是随着“嫦娥探月工程”的实施于最近几年才逐步建立起来的，目前公开报道建有深空探测专用土槽试验系统的只有哈尔滨工业大学、吉林大学和北京航空航天大学等三所高校。专用土槽试验系统在行星探测研究中的应用代表了目前土槽试验技术发展的最高水平。因此本文首先将选取国内外具有代表性的土槽试验系统进行重点介绍。
1.1 日本东北大学土槽试验系统
1996年，为了适应无人控制中小型行星探测车的研究需要，日本东北（Tohoku）大学空间机器人实验室（SRL）在日本空间发展研究所（NASDA）、航空航天实验室（NAL）和宇航协会（ISAS）等机构的联合支持下，开发了轮地相互作用测试系统［6］（见图1）。该系统主要由驱动单元、传动单元及数据采集传感器组成，可分别进行车轮前进和侧偏力学性能测试；通过在车轮上安装应力传感器可进行应力分布测量，在此基础上进行土壤参数的估计［7］。该实验室还研制了多种整车测试系统，用于整个探测车基于滑转率的控制和动力学研究；不仅可以分析整车运动过程中的力学特性和爬坡性能，还可进行整车转向的力学性能分析和试验［8，9］。
1.2 美国卡内基—梅隆大学土槽试验系统
1997年，在NASA “南极陨石搜索计划”（ANSMET）的支持下，美国卡内基—梅隆大学（CMU）机器人学院的Apostolopoulos等人以行星探测原型机器人“Nomad”的车轮为研究对象，设计制造了车轮作圆周运动的正多边形的单轮土槽测试台（见图2），用以试验模拟车轮在星体表面松软地形环境的移动性能［10］。测试台中央是一个集电环，通过两个平行连杆机构连接车轮，为车轮供电并调节控制信号。该装置可以用来测量车轮持续工作和跨越障碍的驱动功率以及车轮驱动单元的耐久性，同时可预测轮齿效应和重复通过对车轮移动性能的影响［11］。
1.3 美国麻省理工学院土槽试验系统
2001年，在 NASA “火星基础技术计划”（MBTP）的资助下，美国麻省理工学院（MIT）野外和空间机器人实验室 （FSRL）Iagnemma 博士等人［12，13］完成了“Rocky”系列探测车的车轮运动性能测试系统（见图3）。该测试台可测量车轮行驶过程中的挂钩牵引力、车轮下陷量、车轮的滑转率以及前进驱动转矩等参量，根据这些参数可以动态地估测土壤的力学特性参数；通过协调控制车轮转动速度和托架的水平移动速度可以进行车轮滑转率控制［14］；可使用图像处理技术进行车轮沉陷量的测量；同时可对安装多个轮齿的金属车轮的行走性能进行试验和分析［15］。
1.4 吉林大学土槽试验系统
2007年，为测试月面探测车辆的牵引性能及通过性能，吉林大学地面机械仿生技术实验室自行设计了月壤—车轮土槽试验系统［5，16］（见图 4）。 试验机由EDC100根据电控箱发出的命令控制主机被试轮系台架的前后移动，能提供试验过程中需要的加载和卸载行为。土槽台架系统可以适应不同宽度和直径的车轮，可对有刺轮车轮与光滑车轮的牵引性能进行对比试验［17］；还具有可变角度的功能，可测量出车轮所能克服的上坡路、倾斜地和斜坡的最大角度［18］。在结构设计方面采用可更换的正面侧壁板，以便安装观测窗或瞬态测量土体变形用的透明网格板材。
2 土槽试验技术发展趋势
土槽试验技术是随着车辆地面力学的研究而不断发展成熟的，发展历史较长，应用领域较广。未来随着车辆地面力学研究领域的拓展和深入，以及计算机技术、测试技术、自动控制技术和机械制造技术等科技的发展和进步，土槽试验技术的应用水平必将不断提高和完善，其发展趋势具体体现在以下几个方面。
2.1土槽试验的测试功能更加完善
为满足不同种类科学试验的需要，关于轮地作用特性的测量参数也将越来越多，土槽试验必须具备同时测量多种车轮力学参量并验证建立的车轮力学模型的功能。除了目前普遍可测量的车轮牵引性能以外，还要能够测量车轮的侧偏性能、转向性能、越障性能、爬坡性能、抗侧滑性能等力学特性，以便模拟车辆在非结构环境中克服几何障碍而正常通过各种地面和地形的行驶能力。
2.2 土槽试验测得的数据更加精确
通过提高制造工艺和应用新型材料，土槽试验系统的可靠性、稳定性及测试精度将会不断提升。通过配备各种精密传感器，可精确测量包括挂钩牵引力、侧向力、车轮滑转率、沉陷量等测试参数。试验台测控系统软件能够精确设置车轮运行参数，实时显示测量数据，并通过可视化曲线观测特性参数的变化趋势，从而进行直观的对比分析，确保数据的客观、准确。
2.3 土槽试验的研究手段更加丰富
单凭土槽试验方法不能直观追踪轮地接触的动态变化过程进而无法深入研究车辆与地面相互作用的微观机理。而许多用试验方法难以解决的问题可以借助于数值模拟法来解决，包括有限差分法、有限元法、边界元法和离散元法等。正确的数值仿真模型可以快速、经济的预测试验结果，有助于更好的控制试验条件，提高试验过程的针对性；而客观的土槽试验数据又可以验证和修正数值仿真模型。通过与数值模拟方法有机结合起来，土槽试验可以解决更加微观、更加复杂的问题。
2.4 土槽试验的流程更加智能化
通过大规模集成电路技术的应用，可将整个试验系统的电路集成于以PLC为核心的电控系统进行集中控制，实现自动检测试验参数和加载条件，自动进行土壤整备及恢复处理，也能自动定位和自动控制行程，必要时自动报警。可以通过开发土槽试验专用软件系统，实现对土槽试验全过程的自动监测和控制。到一定阶段，甚至实现无人操控、全自动的试验过程：只要设定好试验目标，土槽试验系统就可以在软硬件系统的密切配合下，自动进行数据实时处理，自动得出试验结果报告。从而节省人力物力，极大地提高试验效率。
3 我国土槽试验技术研究的不足与建议
通过对比分析国内外土槽试验技术的研究现状，结合土槽试验技术的未来发展趋势，发现国内目前的土槽试验研究无论是土槽软硬件系统的开发设计还是土槽试验的测试手段等方面都尚不完善，具体从以下几点进行分析并提出建议。
3.1 土槽试验装置结构和功能设计不合理
相比于国外同类土槽设备，我国目前使用的多是较大型的土槽，结构笨重、占地面积大，而且用土量多，人力成本高，能耗大，噪声污染严重，不便于反复多次的进行精密土力学细观研究。因此在满足研究要求的前提下，尽可能开发结构精巧、紧凑的小型土槽试验装置。另外，野外条件下的车轮运行工况和路面状况是比较复杂的，而目前国内的土槽试验装置只能适应车轮缓慢匀速直行、侧偏或者爬坡等常见工况下的试验条件，模拟路面条件也多是由火山灰或干沙组成的弹塑性路面，造成了土槽试验功能设计的局限性。所以，应该结合实际使用环境，针对车轮工况和路面条件的多样性开发多功能的土槽试验装置。
3.2 土槽测控系统兼容性和扩展性较差
测控系统功能单一，操作较复杂，再开发空间小；同时数据实时采集与处理能力比较弱，测试效果较差。因此，可以采用模块化设计思想，实现各硬件系统之间的互联，同时需要开发具有良好可靠性和稳定性的数据处理软件。通过软硬件密切配合，提高系统的兼容性和扩展性，便于后续研究中系统的升级和改造。
3.3 土槽试验的自动化程度还不够高
多数研究单位仍采用早些年代的土槽设备或在其基础上做出部分改进，需要实验人自己配备传感器和计算机等硬件设备、编写数据采集和处理的软件，试验需要多人配合才能完成。因此需要研制集计算机技术、虚拟仪器技术、新型电测技术、远程遥控技术各种新技术为一体的新型土槽试验平台及其测控系统，提高土槽试验的自动化程度。
3.4 土槽试验中未采取信号屏蔽措施
未来包括微电子技术、无线电遥控技术、信号实时处理技术等新技术在土槽试验中的普及应用，对土槽试验的信号抗干扰能力将提出越来越高的要求。因此，应该对测控仪器、被测机件和电缆等设备采取信号屏蔽措施，排除随机信号的干扰，保证测试结果的准确性。
3.5 未开发土槽试验配套的仿真软件
国外研究者很早就开发了与土槽试验配套的专用仿真软件并采取技术保护，如Schmid等开发的VENUS和AESCO与德国汉堡大学开发的ASSTM软件。而国内土槽试验研究这么多年，一直未能自主开发相应配套软件以便与试验方法结合起来研究，阻碍了土槽试验技术的深入发展。国内研究者在进行土槽试验研究的同时要注重仿真软件的自主开发，形成自身独立的研究体系。
4 结论
通过近一百年的发展，土槽试验技术在车辆地面力学中的应用已从传统的越野行驶领域延伸到目前的行星探测热点领域。随着科技的进步，其应用领域将不断拓展。如何完善土槽试验技术以不断适应车辆地面力学研究的需要，是一个富有挑战性的课题。本文紧跟国际前沿，在综述国内外典型土槽试验系统最新研究进展的基础上，指出了土槽试验技术的发展趋势，进而结合国内实际情况分析了我国土槽试验技术研究的不足，并提出了合理可行的改进建议，希望能对我国车辆地面力学的相关研究起到一定的参考作用。
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土动力学 篇7
但衡量填土的密实程度的指标, 在不同的规范中却有不同的名字和不同的表述方法[2]。它在不同的规范中分别被称为压实系数、压实度、挤密系数;有的用小数表述, 有的用百分数表述;表述符号有4种。同一个指标, 在不同的规范中有不同的名字和不同的表述方法, 不仅给工程技术人员的交流带来一定难度, 也引发了作者对“土力学”教学的一些思考。
1.“土力学”教学要尊重客观事实
土建类专业均会开设“土力学”这门课程。土建类专业的学生, 虽然在大学学习期间是分专业的, 但在毕业之后, 往往会从事不同的专业工程施工, 所以在讲解“土力学”中如何衡量填土的密实程度时, 不仅要根据学生现在所学的专业的衡量指标进行教学, 还要介绍其他专业方向的相关规范对这一指标的不同表述方法。只有这样, 当学生在实际工作中, 遇到非自己大学所学专业工程时, 才不至于对相关指标感到陌生和不解, 才能迅速适应所从事的专业工程。填土的密实程度衡量指标在不同的规范当中有不同的表述, 这是客观事实, 在进行“土力学”教学时, 应当遵循这一事实, 才是做到教学与实际相结合, 这也有利于学生跨专业方向就业和从事跨专业方向工作。
2. 从同一指标的不同规范、不同表述引出执业资格制度
我国在建筑行业正大力实施执业资格制度, 其中, 注册土木工程师 (岩土) 的执业资格考试的内容与“土力学”知识密切相关。在进行“土力学”教学过程当中, 讲到填土的密实程度衡量指标在不同的规范当中有不同的表述时, 不仅应讲述相关的理论知识, 也要让学生明白, 重视不同规范的不同表述, 也有助于我们考取相关的执业资格证书。注册土木工程师 (岩土) 执业资格考试涉及的专业和规范特别多, 土建类各专业方向的规范达四十余本。在这些规范当中, 都会有一些共同的指标, 但却有不同的表述。在“土力学”教学时让学生注意到这一点, 学生进行相关规范的学习时就会更容易分清概念、理清关系、理解相关知识点, 从而更容易通过执业资格专业。
3. 从同一指标不同规范、不同表述引导学生创新
在进行“土力学”教学过程中, 不仅应向学生讲授专业知识, 还应培养学生的创新意识。创新思维不一定需要在专门的创新课程里面讲, 在“土力学”教学过程中, 也可以引导学生创新、培养学生的创新思维。这样做不仅可以促使学生学好“土力学”, 也可使学生在今后的人生发展过程中终身受益。
4.结论和建议
(1) 在进行“土力学”课程教学时, 应重视衡量土的密实程度等指标在不同的规范当中有不同的表述, 这是学生现在学习和将来工作的需要。
(2) 在进行“土力学”课程教学时, 可根据同一指标在不同的规范中有不同的表述这一现状, 引出我国的执业资格制度, 进而激发学生的学习兴趣, 提高学生的学习效果。
(3) 在进行“土力学”课程教学时, 可根据衡量填土的密实程度指标在不同的规范当中有不同的表述这一客观事实, 培养学生用发展的眼光看问题, 培养学生的创新意识。
参考文献
[1]李广信, 张丙印, 于玉贞.土力学 (第2版) [M].北京:清华大学出版社, 2013.
土动力学 篇8
关键词：泥炭土,剪切波速,动剪切模量比,阻尼比,统计分析
0 引言
土动力学参数包括剪切波速、动剪切模量比和阻尼比,它们是表征土动力特性的重要指标,是进行地震响应分析与地震安全评价的前提和基础,为此,各国学者完成了大量的现场动力测试和室内动力试验研究工作
泥炭土(包括泥炭、泥炭质土)是由已分解的腐殖质、尚未完全分解的植物残体及矿物质组成的特殊土,具有孔隙比大、含水量高、压缩性高、有机质含量高、天然密度小、呈多级团粒结构等特征,泥炭土的含水量可高达600%,孔隙比甚至可达7.0及以上。泥炭土主要分布在加拿大、俄罗斯、美国、印尼及中国等国家,我国的泥炭土主要分布在东北和西南地区。我国的云南省特别是昆明盆地就广泛分布着泥炭土,并且具有比其他地区泥炭土更高的含水量、孔隙比以及地区区域性强等特点,由于其工程性质差,给工程建设带来了诸多问题,越来越受到工程界的重视和关注
目前,世界各地对泥炭土的动力特性开展了一些研究工作,从已有的文献报道看,基本是由美国学者针对当地泥炭土开展的,如Seed和Idriss、Kramer、Boulanger、Wehling、kishida、Reinert等人的工作
然而,目前尚未有针对泥炭土这类特殊土的动力参数统计分析的相关文献报道。针对土动力学参数不全的情况,国内研究分析时大都是利用《工程场地地震安全性评价工作规范》中的各类土的动力参数推荐值,但规范中的推荐值并没有涵盖泥炭土。对于广泛分布在云南特别是昆明地区的泥炭土,已成为该地区工程建设的主要地质问题,随着我国高烈度地震区泥炭土层基础设施日益增多,开展泥炭土动参数的统计分析并建立相应的计算模型日益重要和迫切。另外,由于不同土类及相同土类但不同区域土的动力特性均有明显差异,在开展土的动力特性分析及动力学参数试验时,需要针对不同土类并考虑区域性,这样才能获得更合理和实用的结果。鉴于此,本文在收集国内外泥炭土动力测试数据基础上,统计分析了昆明泥炭土的剪切波速随土层深度及物理指标的关系、昆明及美国加州泥炭土的动剪切模量和阻尼比随剪应变的变化规律,并建立了各自的动参数计算模型,进一步与黏性土的动参数模型进行了对比分析。
1 剪切波速的统计分析
本次统计主要收集了昆明地区泥炭土的146个剪切波速测点数据,其中一部分数据来自文献[13],其余数据来自昆明轨道交通工程勘察资料,分布范围基本覆盖了整个昆明地区,深度2~97m。所得到的剪切波速均是基于单孔检层法(即测井法)测试结果。
1.1 剪切波速与土层深度的相关关系
根据昆明地区泥炭土剪切波速的测试数据,得到剪切波速随土层深度变化曲线(如图1所示)。通过对泥炭土剪切波速与土层深度之间采用线性、多项式和幂函数三种函数进行回归分析,其结果见表1。
图1 剪切波速与土层深度的关系曲线Fig.1 Relationship between shear wave velocity and depth for peat and peaty soils
表1 泥炭土剪切波速与土层深度的回归分析结果Table 1 Regression model between shear wave velocity and depth for peat and peaty soils
由图1及表1结果并根据相关系数的显著性检验可知:泥炭土的剪切波速与土层深度呈显著相关,剪切波速随着土层深度的增加而增大。说明埋深越大(也即有效围压越大),泥炭土相对越密实,故其剪切波速越大。对比三种回归方程的拟合效果,线性拟合和多项式拟合方式要优于指数拟合方式。从剪切波速大小看,昆明地区泥炭土的剪切波速范围在117~400m/s之间,文献
1.2 剪切波速与物理指标的相关关系
为建立昆明地区泥炭土的剪切波速和物理指标之间的相关关系,选择了24组剪切波速测点并有相应物理指标的数据资料,将剪切波速与天然密度、含水量、孔隙比、液性指数的相关性进行线性拟合及显著性检验后发现,泥炭土的剪切波速与天然密度、孔隙比没有呈现明显相关性,离散性较大。而剪切波速与含水量、液性指数的显著性检验结果表明它们之间呈显著相关,其相关性高于其他物理指标。这是由于剪切波速、含水量和液性指数都在一定程度上都反映了土的软硬状态。图2列出了剪切波速与含水量、液性指数的相关关系散点图及线性拟合结果。
图2 剪切波速与物理指标的关系曲线Fig.2 Relationship between shear wave velocity and physical indices of peat and peaty soils
总体而言,剪切波速与单个物理指标之间的相关系数都较低。一方面是剪切波速受多因素影响,十分复杂;另一方面,统计样本数量偏少,需要开展更广泛的测试及分析,以获得能合理描述泥炭土剪切波速与物理指标之间关系的计算模型。
2 动剪切模量比和阻尼比统计分析
土的动剪切模量比G/Gmax和阻尼比λ是土动力学特性中的两个重要参数。动剪切模量是土在动荷载下表现出来的弹性性能参数,其数值越大,表明弹性承载性能越好。阻尼比可用来表示振幅衰减的快慢,阻尼比越大,振幅衰减越快。虽然国内外众多学者针对各类土的动力学参数进行了广泛研究,取得了许多有益成果,但目前尚没有泥炭土的G/Gmax和λ随剪应变γ递变的规范值或推荐值。
2.1 动剪切模量比随剪应变的变化规律
本文收集了美国加州及我国昆明地区泥炭土动力特性试验的数据
图3 泥炭土的动剪切模量比随剪应变的变化关系Fig.3 Relationship of dynamic shear modulus ratio and strain for peat and peaty soils
由图3可知:不同地区的泥炭土,其剪切模量比有所差异,有一定的区域性。相对我国昆明地区泥炭土的动剪切模量比而言,在较小动剪应变下(γ<0.1%),美国加州泥炭土动剪切模量比偏小,而在较高剪应变下(γ>0.1%),其动剪切模量比偏大。
国内外常用的动剪切模量比计算模型主要有Hardin-Drnevich模型、Davidenkov模型和RambergOsgood模型
式中:A、B、γ0为土的试验参数。
通过采用Davidenkov模型对两个地区泥炭土动剪切模量比分别进行拟合,得到其拟合参数及标准差(详见表2)。
表2 泥炭土动剪切模量比的拟合参数Table 2 Fitting parameters of dynamic shear modulus ratio for peat and peaty soils
从表2可看出,拟合结果的标准差较小,采用Davidenkov模型能较好地描述泥炭土的动剪切模量比随剪应变的变化规律。从拟合参数看,两个地区泥炭土拟合参数相差较大,也从侧面反映了泥炭土动力特性的区域差异性。
2.2 阻尼比随剪应变的变化规律
两个地区泥炭土阻尼比随剪应变变化的散点图及拟合曲线见图4。图中结果表明:不同地区泥炭土的阻尼比差异较明显。相比美国加州的泥炭土,我国昆明泥炭土的阻尼比在低剪应变下相对偏大,而在高剪应变下相对偏小。需要说明的是,受动三轴仪限制,在对昆明地区泥炭土进行动参数试验时,主要测试的应变率范围为10-4~10-2,对于小于10-4应变下的数据尚有欠缺,有待结合共振柱试验进一步完善。
图4 泥炭土的阻尼比随剪应变的变化关系Fig.4 Relationship of damping ratio and strain for peat and peaty soils
国内外常用的阻尼比计算模型如H-D模型、Ishibashi和Zhang模型、Borden模型、Zhang和Andrus模型、陈国兴模型等
式中:K1、K2、K3为拟合参数。
采用式(2)对两个地区泥炭土阻尼比进行拟合,得到其拟合参数及标准差见表3。
表3 泥炭土阻尼比的拟合参数Table 3 Fitting parameters of damping ratio for peaty soil
从表3可看出,泥炭土阻尼比计算模型的拟合效果较好,所用模型能较好地描述泥炭土的阻尼比随剪应变的变化规律。
2.3 与黏性土的比较
将两个地区泥炭土动剪切模量比和阻尼比的拟合结果与一般黏性土
图5 泥炭土与黏性土的动剪切模量比变化曲线Fig.5 Relationship of dynamic shear modulus ratio and strain for peaty and clay soils
图6 泥炭土与黏性土的阻尼比变化曲线Fig.6 Relationship of damping ratio and strain for peaty and clay soils
从图5~图6可知:泥炭土的动剪切模量比和阻尼比变化曲线与黏土的曲线形态明显不同,表现为动剪切模量比明显偏大,阻尼比明显偏小,说明泥炭土的弹性性能较黏土好,但在动载作用下振幅衰减慢。
3 结论与建议
(1)统计分析了昆明泥炭土的剪切波速与土层深度及物理指标的相关性,采用三种拟合方式建立了剪切波速与土层深度的回归方程,总体拟合效果较好,比较而言,线性拟合和多项式拟合要优于指数拟合。泥炭土的剪切波速与单个物理指标之间没有呈现明显相关性,离散性较大。
(2)不同地区泥炭土剪切模量比和阻尼比有所差异,相对而言,阻尼比的差异更明显。与美国加州地区泥炭土相比,在较小剪应变下,我国昆明地区泥炭土的动剪切模量比相对偏大,在较高剪应变下,相对偏小。而阻尼比也表现出类似的变化规律。运用选取的计算模型拟合了泥炭土的动剪切模量比和阻尼比变化曲线,从拟合结果的标准差看,所用模型能较好地描述泥炭土的模量比和阻尼比随剪应变的变化规律。
(3)泥炭土的动力学参数曲线分布形态与黏土明显不同,表现为动剪切模量比明显偏大,阻尼比明显偏小,泥炭土的弹性性能较黏土好,但在动载作用下振幅衰减慢。若将泥炭土作为一般软黏土来对待,会引起较大误差甚至导致工程误判。
《土力学》课堂教学方法探索 篇9
1《土力学》教学体会
1.1 土力学的特点
土是岩石风化的产物, 土是由岩石经物理、化学、生物风化作用以及剥蚀、搬运、沉积作用等交错复杂的自然环境中所生成的各类沉积物[1]。土的形成过程决定了它具有特殊物理力学性质。与一般的建筑材料 (如混凝土, 钢材) 相比, 土体具有碎散性、多相性和自然变异性。碎散性是指土体颗粒之间存在大量孔隙, 可以透水透气;多相性是指土体是由固体颗粒、水和气体组成的多相体系, 每相的质和量的变化直接影响土的力学性质;自然变异性是指土的形成经历了漫长的地质历史时期, 具有明显的不均匀性, 性质复杂, 且随着时间还在不断变化。因此, 土的力学性质较复杂, 深刻理解这些特点, 有利于掌握土力学性质的本质[2,3]。
1.2 教师应对土力学理论体系整体性把握
教师应重视土力学基本原理间的内在联系, 将内容庞杂、繁多的土力学概念、公式, 以一条主线贯穿联系起来。以东南大学、浙江大学等四校合编的《土力学》为例, 全书可分为三大部分内容。第一部分为基础理论, 包括:第一章, 土的组成;第二章, 土的物理性质及分类。这两章内容是贯穿全书的基础与主线。第二部分为理论核心。包括:第三章, 土的渗流性及渗流;第四章, 土中应力;第五、六章, 土的压缩性和地基变形;第七章, 土的抗剪强度。以上五章主要讲述了土的三大特性, 即:渗透特性、变形特性、强度特性。第三部分为土力学在工程中的应用。包括:第八章, 土压力;第九章, 地基承载力;第十章, 土坡和地基的稳定性。这三章内容主要讲了挡土墙的稳定性问题, 地基的承载力问题及边坡稳定性问题, 是第二部分理论在工程中的具体应用。贯通全书, 可以总结为一个原理:即有效应力原理;两个变形:压缩变形和剪切变形;三个理论:渗透理论、变形理论及强度理论, 它们各自又自成体系, 有效应力原理将它们有机的结合在一起, 构成了土力学的基本内容。
2 课堂教学方法探索
2.1 结合经典案例, 激发学习兴趣
绪论课对全书内容做出系统性的总结, 即一个原理 (有效应力原理) , 两个变形 (压缩、剪切) , 三个理论 (强度、变形、渗流) 。结合相关工程案例形象化介绍。如加拿大特朗斯康谷仓、香港宝城滑坡、阪神大地震中地基液化属于土体强度破坏问题;比萨斜塔、苏州虎丘塔、日本关西机场属于土体变形问题;九江大堤决口属于渗透破坏问题。播放工程事故的图片、录像 (基坑工程失稳事故、建筑物倾斜事故、大堤管涌、路基滑坡事故等) , 简要说明工程事故中的设计、施工问题及与土力学的关系。通过直观的视觉冲击增强学生对相关知识重要性、实用性的认识, 使学生在正式学习之前了解学习内容的应用前景与今后工作的需要, 从而激发其努力学习的热情。
2.2 注重课堂教学的启发与互动
课堂讲授注重与学生的启发与互动。上课前做好教学策划, 对所要讲授的知识点进行分析归纳, 理清本知识点在本课程的地位及与其他章节的联系, 这样在授课过程中才能做到有的放矢。在教学启发过程中, 思路要连贯不能跳跃, 以便掌握讲课的速度和调整讲课方法, 根据学生的知识结构层次循序渐进。比如再讲土的压缩特性时, 首先提出问题:土体为什么会被压缩?压缩的实质是什么?引发学生思考。进而结合第二章的内容, 在土的物理性质中讲到土由三相组成, 那压缩的过程中到底是土体的哪一相被压缩了呢?在这个过程中要宽容学生的不同见解, 大学生思维跳跃, 教师对于在启发过程中的互动与思考, 都应给予应有的接纳及正面的解释, 使学生积极思考, 主动学习。
2.3 借助多媒体, 丰富课堂内容
应用多媒体可以提高课堂教学的生动性, 比如在绪论课中工程背景的介绍, 可以借助多媒体播放工程事故的图片、录像, 加强学生对工程实际的感性认识。有些章节理论性较强, 公式推导及图表较多, 板书不易完成, 可以通过多媒体清楚生动的展现在大屏幕上。以东南大学、浙江大学等四校合编的《土力学》为例, 第四章中地基附加应力部分, 采用了竖向集中力作用时的地基附加应力布辛奈斯克解, 其中涉及到六个应力分量和三个位移分量, 公式繁多且复杂, 若采用多媒体辅助板书教学的效果比较好。
2.4 开展实验, 激发学生动手与学习兴趣
土工试验是土力学理论研究的基本手段, 是土力学教学中的一个非常重要的环节。比如达西做了大量砂土的渗流实验发现了土体的渗流定律-达西定律。库伦通过对粘性土和无粘性土开展了剪切试验, 发现了土的抗剪强度定律-库伦定律。通过实验课的学习, 使学生认识到实际工程项目中必需做的试验项目有哪些, 试验的流程是怎么样的, 争强学生的工程意识。
3 结语
土力学与其他力学相比有其自身的特点, 教师应重视土力学基本原理间的内在联系, 将内容庞杂的概念、公式, 以一条主线贯穿联系起来。笔者结合自己的教学实践, 探讨了土力学的课堂教学方法。
摘要：土力学与其他力学相比有其自身的特点, 文章围绕土力学的特点及教学实践, 探讨了土力学的课堂教学方法 。土力学的教学要把握好备课和课堂设计两个环节, 同时还要把握其自身特点将繁杂的内容系统化, 理论与实践相结合。
关键词：土力学,教学内容,教学方法
参考文献
[1]东南大学, 浙江大学, 湖南大学, 苏州科技学院.土力学.[M].中国建筑工业出版社.2011.
[2]姚笑青.土力学课程特点与课堂教学方法探讨.[J]高等建筑教育, 2007, 16 (4) :81-85.
卵石土力学强度特性试验研究 篇10
关键词：粗粒土,原位剪切试验,颗粒级配,应力应变特性,强度特性
0 引言
粗粒土抗剪强度指标与粗粒土的物理特性、应力状态、测试方法及强度理论等相关。由于粗粒土具有物质组成的多样性、颗粒结构的不规则性以及试样的难以采集性等固有特征,要确定其强度指标较为困难[1]。目前,粗粒土抗剪强度的研究主要针对: ( 1) 对比分析原位试验、室内大型直剪试验和三轴试验等,分析归纳不同材料力学性质和试验结果[2~4]; ( 2) 通过对试验仪器的改良,探讨新仪器对研究精度的提高作用,以及试验条件的适用性[5,6]; ( 3) 在试验基础上对试验过程进行了有限元数值模拟,分析了计算模型的破坏过程,提出有针对性的本构关系[7,8]。由于受地质条件[9,10]、胶结程度[11]、粒度分布范围及颗粒粒径等因素的影响[12],粗粒土的力学性质表现出明显的非线性。由于粗粒土的原状试样很难获得,粗粒土天然应力状态的强度指标难以通过室内的试验设备检测。野外大尺度原位试验是揭示粗粒土这类非均质复杂地质介质力学特性的一种有效办法。
本文通过粗粒土原位剪切试验研究,从粗粒土抵抗剪切变形机理出发,并结合不同深度粗粒土地层进行了粗粒土料的剪切试验。试验获得了在不同应力状态下粗粒土的剪应力与应变曲线、剪切强度曲线以及相应的抗剪强度参数; 揭示了粗粒土体在推剪状态下的变形与破坏规律,为进一步研究粗粒土这种岩土混合复杂介质的力学特性提供了科学数据。
1 工程地质概况与试验方法
1. 1 试验场地工程地质概况
试验地层分别为:( 1) 全新统卵石层( Q4) ,杂色,泥质微胶结,结构密实,局部夹有薄层或透镜状砂层,该层漂石和卵石含量占50% ~ 65% ,一般粒径3 ~ 7cm,漂石含量较少; 圆砾含量占10%~ 20% ,中粗砂充填。卵石、圆砾母岩成份主要为砂岩、花岗岩、石英岩、硅质岩、燧石等。级配不良,磨圆度较好、分选性较差; ( 2) 下更新统卵石层( Q1) ,杂色,泥质微胶结,结构密实,局部夹有薄层或透镜状砂层,该层漂石和卵石含量占50%~ 62% ,一般粒径3 ~ 7cm,漂石含量较少; 圆砾含量占10% ~ 25% ; 中粗砂充填。卵石、圆砾母岩成份主要为砂岩、花岗岩、石英岩、硅质岩、钙质泥岩、燧石等。级配不良,磨圆度较好、分选性较差。
1. 2 试验方法
卵石土抗剪强度试验采用平推直剪法( 见图1) ,即剪切荷载平行于剪切面施加的方法: 在每组的4 个试样上分别施加不同的竖直荷载,等变形稳定开始施加水平荷载,水平荷载的施加按照预估最大剪切荷载的8% ~ 10% 分级均匀等量施加,当所加荷载引起的水平变形为前一级荷载引起变形的1. 5 倍以上时,减荷按4% ~ 5% 施加,直至试验结束。在全部剪切过程中,垂直荷载应始终保持为常数。加力系统采用油泵( 装有压力表) 和千斤顶,位移用百分表测量。通过加力系统压力表和安装在试样上的测表分别记录相应的应力和位移,图2 为原位剪切试验布置图。
1. 3 试验过程
( 1) 试样制备: 开挖加工新鲜试样,试样尺寸为50cm × 50cm × 30cm,其上浇注规格为60cm ×60cm × 35cm的加筋混凝土保护套。同一组试样的地质条件应尽量一致。
( 2) 仪器安装及试验: 首先安装垂直加荷系统,之后安装水平加荷系统,最后布置安装测量系统。检查各系统安装妥当即可开始试验,记录各个阶段的应力及位移量。
( 3) 试验成果整理: 试验完成后根据剪应力及剪应变 ε 绘制 τ- ε 曲线,再根据曲线确定抗剪试验的比例极限( 直线段) 、屈服极限( 屈服值) 、峰值,然后分别按照各点的正应力 σ 绘制各阶段的 τ-σ 曲线,最后由库伦公式确定出土体抗剪过程中各阶段的内摩擦系数f及黏聚力c:
2 试验结果
2. 1 应力应变特性
对卵石土进行了不同深度原位剪切试验,试验剪应力—剪切位移曲线如图3 所示。从图3 中可以看出,随着试验深度的增加,卵石土发生屈服破坏时,剪切位移逐渐减小。这是由于土体发生破坏前所能产生位移的空间随深度增加而减小,即随着深度增加,土体的孔隙减小,密实度增加。由此推断出,卵石土随着深度增加,更易发生塑性变形破坏。图3 曲线显示,卵石土的剪应力随剪切位移增加而增加,但增加速率越来越慢,最后逼近一渐近线。在塑性理论中,试验卵石土的应力—应变曲线属于位移硬化型。由于卵石土在沉积过程中,长宽比大于1 的片状、棒状颗粒在重力作用下倾向于水平方向排列而处于稳定的状态; 另外,在随后的固结过程中,竖向的上覆土体重力产生的竖向应力与水平土压力产生的水平应力大小是不等的。在试验中,体应变只能是由剪应力引起的,由于剪应力引起土颗粒间相互位置的变化,使其排列发生变化而使颗粒间的孔隙加大,从而发生了剪胀。而平均主应力增量 Δp在加载过程中总是正的,土颗粒趋于恢复到原来的最小能量的水平状态,剪切过程中剪应力要克服卵石土的原始状态,在达到峰值强度后,剪应力未发生随应变增加而下降的现象。
2. 2 抗剪强度特性
卵石土是卵砾石等粗颗粒作为骨架、细颗粒填充其中的堆积体,当其受到剪切应力的时候,卵砾石沿着剪应力的方向相互挤压、错动,在剪应力达到一定程度时,其原有土体结构遭到破坏。图4 为三组卵石土剪切试验 τ- σ 曲线,通过曲线可以获得三组试验的砂卵砾的抗剪强度参数,见表1。
一般散体材料都有一定的黏结性,由于土体表观黏聚力,即由吸附强度或土颗粒之间的咬合作用形成的不稳定黏聚力,本身就具有一个初始的剪切应力0τ[13~14]。在理想的散体材料中,0τ等于0时,抗剪角等于内摩擦角。在一般土体中,根据具有黏结性的散体材料应力图,可以求得初始剪切应力0τ。
式中: h0为材料垂直壁的最大高度,反映材料黏性ρ 为堆积密度; φ 为摩擦角; f为抗剪系数。
表1 中的数据显示,公式( 2) 计算出的0τ明显小于由图解法得到的土体表现黏聚力c值,且试验深度在4. 0m和14. 5m时,明显小于c值。假定卵石土中含的黏粒、含水率一定时,土体中的黏聚力变化不大,当卵石土离地面越近,密实度越小,颗粒的接触面积相对较小,其表观黏聚力中由咬合作用形成的不稳定黏聚力占得比例较大; 当土层深度较大时,密实度越大,颗粒的接触面积相对较大,但颗粒咬合得更加紧密,其表观黏聚力中由咬合作用形成的不稳定黏聚力也会占的比例较大。这表明在抗剪切强度参数中咬合力在卵石土松散和密实两个情况下对表观黏聚力影响较大。影响抗剪强度的因素取决于颗粒之间的内摩擦阻力和黏聚力。对于卵石土等粗粒土的黏聚力问题,一般认为颗粒间无黏结力。但由于因颗粒大小相差悬殊,充填中颗粒间相互咬合嵌挂,在剪切过程中外力既要克服摩擦力做功,又要克服颗粒间相互咬合嵌挂作用做功,所以无黏性粗粒土在剪切过程中存在有咬合力。
3 理论分析
卵石土实际上是一种非典型的 “混合土”,即卵石土中粒径小于0. 075mm颗粒含量小于25% ,但其是部分中间粒径缺乏的土。作为类混合土,其岩土试验方法及力学参数取值是土力学和工程领域中的一个重要问题[1,3,7,9]。
3. 1 粗粒土与细粒土孔隙结构的理想模式
粗粒土有其不同于细粒土的结构特征: 粗粒径的卵、砾石形成骨架,细粒径的砂和粉粒、黏粒充填在粗粒孔隙中,形成基质。卵、砾石和砂主要提供摩擦力; 粉粒、黏粒主要提供黏聚力,摩擦力很小。两种粒径范围不同的颗粒混合时,细颗粒充填在粗颗粒孔隙之中[15]。
图5 为不同含量粗粒土与细粒土孔隙结构的理想模式图。当混合土完全由粗粒组成时,颗粒直接接触,颗粒之间为空气孔隙( 见图5 ( a) ) ,此时混合土的抗剪强度为粗粒土颗粒的摩擦强度。当细粒土含量达到某一临界值时,细粒土全部充填在粗粒土颗粒之间的大孔隙中,粗粒土颗粒处于准接触状态,接触点上存在局部细粒土膜,该土膜得到强烈压实( 见图5 ( b) ) ,此时,混合物的抗剪强度受到粗粒土和细粒土的共同控制。继续增大细粒土含量,细粒土会占据粗粒土颗粒接触点之间的空间,粗粒土颗粒将彼此膨胀分离,处于 “悬浮”状态( 见图5 ( c) ) ,此时混合物的强度主要由细粒土控制,粗粒土颗粒间因为不接触,几乎不提供摩擦力。
3. 2 粗颗粒含量对混合土强度的影响
已有的抗剪强度试验结果表明,混合土强度控制因素变化不是一个阈值,而是一个区间,如表2。粗颗粒含量对混合土强度的影响反映了混合土结构形式对强度指标的影响,随着粗颗粒含量的增长,混合土的结构从典型的悬浮密实结构逐步转变为骨架密实结构,并最终变为骨架孔隙结构。不同结构形式的混合土强度存在明显的差异。许多学者的研究指出,在同等条件下,强度指标随大粒径颗粒所占的比例增大而增大。当粗粒含量小于30% 时,混合土处于图5 ( c) 的悬浮密实结构状态,即使有少量的大颗粒,对强度指标的影响也不大; 当粗粒含量在30% ~ 70% 时,混合土处于图5 ( b) 骨架密实结构,混合土的强度指标随大颗粒含量增长而增长; 当粗粒含量大于70% 时,混合土的抗剪强度主要由粗颗粒的摩擦强度提供。
4 结论
本次试验对不同深度分布的卵石土进行了原位剪切试验,研究结论如下:
( 1) 随着深度增加,土体的孔隙减小,密实度增加,卵石土发生屈服破坏时,剪切位移逐渐减小。因此,随着深度增加,卵石土更易发生塑性变形破坏。
( 2) 泥质微胶结卵石土剪切破坏后,其残余抗剪强度没有明显衰弱,应力应变曲线属于应变硬化型。
( 3) 卵石土由于颗粒大小相差悬殊,咬合力在卵石土松散和密实两个情况下对表观黏聚力影响较大。
土动力学 篇11
关键词：土力学；学习兴趣；工程案例
土力学是涉及土木工程、市政工程、水利工程等多学科的一门专业基础课，随着现代工程技术飞速发展，课程所涉及的知识也在不断丰富，而与之相反的却是学时的不断减少。如何在教学大纲的指导下进一步提高本科生的教学质量，是授课教师在教学过程中面临的一个重要问题。
一、教学现状
传统的教学方法多以讲授为主，即以教师为中心，将各章节知识点传授给学生。而土力学课本中所涉及的知识点，特别是一些经典的土力学理论，对于初学者来说既抽象又难以理解，无法引起学生的学习兴趣，也就难以调动学生的学习积极性。其中部分学生由于受到各种课外因素的影响，对课程学习本身就抱着可有可无的态度，再加上传统的教学方式缺乏吸引力，课程抽象又难以理解，造成学生难以融入课堂学习中。尽管任课教师尽力讲授，但是实际的教学效果往往难以取得预期的效果。
二、强化教学中绪论的引导作用
绪论是一门课程非常重要的环节。一个好的开场白可以极大地激发学生的学习兴趣，调动学生的学习主动性，为后续课程和教学计划的执行打下良好的基础。因此，在土力学的教学过程中，一定要突出绪论的引导性，引导学生顺利进入新学科的学习，让学生在学习之初就对本课程将要学习的基本内容有一个初步了解，建立起整体概念，认识到在完成课程学习以后，自身能够具备什么样的能力，了解课程在整个专业课程体系中的地位以及与其他选修课程和后续课程的关系，引起学生的兴趣并逐步培养学生学习的积极主动性。
三、引入工程案例教学
土力学课程中涉及的理论大都很抽象，而具体的计算公式，包含了大量的推导过程，教学过程中难以详细讲解，学生理解起来也就更困难，学生在学习过程中普遍反映学习起来很吃力。教师在讲课过程中，如果将一些工程实例的图片或者相关的实验视频播放给学生看，就很容易吸引绝大部分学生的注意力。因此，在讲课的过程中，教师可结合相关的工程案例（如比萨斜塔、加拿大特朗斯康谷仓等），在每章节的开头，通过选取一些有代表性的案例吸引学生的注意力；在后续的授课过程中，将学生的注意力由工程案例逐步引导到理论的学习，促使学生积极主动地思考并进行分析，然后再对学生讨论的结果进行总结，完成课程的理论教学。这样不仅更容易让学生融入课堂，一些有警示作用的案例还能使学生从中认识到如何在将来的工作中避免发生类似的事故，让学生认识到课程的重要意义，才能更积极主动地投入学习。
但是，在授课过程中也需要注意，虽然工程案例可以吸引学生的注意力，却是无法代替理论教学的，其最主要的作用是为教学内容服务，为教学提供支持。将案例教学引入教学环节，不应脱离教学大纲以及人才培养方案，而是要立足于教学目标，在教学过程中仍以教材为主导，以工程案例为辅助，通过有针对性的工程案例激发学生的兴趣，促进学生对所学知识点吸收。
在教学过程中还要注重启发、引导，强化分析、讨论。教学过程中，授课教师一定要扮演好教学活动中“导演”的角色，积极引导学生主动思考，踊跃发言参与讨论，把握课堂的讨论气氛，调动学生学习的积极性，促使学生主动思考、分析并解决问题。还要根据不同学生的发言进行总结，帮助学生进一步了解各自的分析有哪些是值得肯定的，哪些还需要改进，进一步加深对所学知识点的印象。
四、强化土力学实验教学
在土力学课程中，土的基本物理性质指标和基本力学性质变化规律及其参数确定都离不开土工实验。实验教学可以培养学生亲自动手测试、分析试验结果、编写试验报告的能力，不仅能够极大地激发学生的学习兴趣，还可以培养学生严谨、认真负责的工作态度。亲自参与到实验工作中来，还能够增强学生的责任感。同时，在实验报告中增加试验结果的误差分析，对与实验相关问题展开讨论及实验结果的分析，更有助于学生理解教学内容，强化学生的实践意识。
五、结语
在土力学教学过程中，不同教学方法及手段的引入，都是为了缩小理论教学与实际工程间的距离，让抽象的理论更加具体化，以达到活跃学生思維、激发学生主动学习的热情的目的，使之更迅速、扎实地掌握相关的专业知识，使学生能够将理论与实践有效结合，具备分析、解决实际工程问题的能力。
参考文献：
[1]朱芳芳.基于项目教学的铜筋混凝土技术课程改革研究[J].辽宁高职学报，2010（9）：72-75
土动力学 篇12
关键词：有效应力的新概念,土的压缩变形,饱和粘性土,起始水力坡降,自由水压力衰减
太沙基1923年提出了饱和土中的有效应力原理。九十二年来, 土力学的许多重大进展都是与有效应力原理的推广和应用相联系的。所以, 太沙基的有效应力原理是经典饱和土力学的基石。尽管如此, 经典饱和土力学还是存在疑惑。如经典有效应力原理在饱和粘性土中的适用性、土压力的水土分算和水土合算、地下室浮力折减、流沙陷阱等等。
见文献[1]的结论, 由文献[2-11]总结, 初步得到非饱和土有效应力的大气张力公式与新概念土力学的构架, 其中有:
1) 应该用有效应力的新概念代替经典有效应力原理, 即有效应力是土体中提供抗剪强度的点的集合所对应的应力。
2) 再参见文献[12]的式 (1.2) , 抗剪极限状态非饱和土的有效应力
其中, σ′s为颗粒接触有效应力;σ′c为结合水膜有效应力;X为饱和度系数。注意:结合水膜项还包括由碳酸盐、石膏及包围在颗粒外部的盐类薄膜[2]。
σF为表面张力垂直分量贡献有效应力;Bu为非饱和土的自由水通道率;Uwa为计算点处绝对压强下的自由水压力, 作用在同一平面的自由水上, 尽可能实测, 按重力水、毛细水、角部毛细水的区别有不同的计算式, 见文献[2]。Ua为计算点处 (绝对) 孔隙气压力, 作用在同一平面的孔隙气上, 尽可能实测。
下面, 在文献[1-12]的基础上, 用上述土力学的新概念解读和修正经典饱和土力学。
1 新概念土力学的自由水通道率
参见文献[12], 自由水通道率Bμ计算过程如下:
计算BS0:粘粒水分分配系数k1=粘粒含量, 一般土, 认为IP=10时, k1=0;IP=17时, k1=0.4 (粘粒含量) ;按直线分布得
k1=0.057 1IP-0.571 IP>10 然后 BS0=k1X 且BS0《X
计算BS:结合水膜可靠连接面积率系数k2, 一般土,
认为IL=1 (软塑下限) 时, k2=0;Il=0 (含水量为塑限) 时, k2=0.45;
含水量为缩限时, k2≈0.9, 按直线分布得
k2=-0.45IL+0.45 IL《1 然后 BS=k2BS0且BS《BS0
结果:自由水通道率Bμ=X-BS
其中, 饱和土的X=1, IP为塑限指数;IL为液限指数。
BS0为粘粒水分分配面积率 BS为粘性土的结合水膜可靠连接面积率
2 再论用有效应力的新概念代替经典有效应力原理
2.1 经典饱和土力学的有效应力原理
见文献[13]的77页:太沙基提出了饱和土的有效应力原理:σ′=σ-u, 即有效应力等于总应力减去孔隙水压力, 还提出“影响土的变形和强度的不是总应力而是有效应力”。
2.2 饱和土的有效应力的新概念
饱和土没有表面张力垂直分量贡献有效应力, 且X=1, 由式 (1) 得饱和土的有效应力
按有效应力的新概念, 在抗剪极限状态σ′s是法向压力, 其作用处切向提供由滑动摩擦和咬合摩擦产生的抗剪强度, σ′c是法向拉力, 其作用处切向直接提供真凝聚力, 所以σ′C=σ′s-σ′c就是饱和土的有效应力。
2.3 再论影响土的压缩变形的是总应力而不是仅取决于有效应力
参见文献[9]:图1是弹簧活塞模型 (用来模拟饱和土的渗流固结过程) 的实际的三个压缩模量。其中, 活塞瞬时加压总应力增量为p, 弹簧的截面积为As, 水的截面积为Aw, 总面积为A;水的初始高度为H, 瞬时加压到时间T时, 活塞下降到高度ΔH后稳定, 即压缩应变为εH=ΔH/H;ε=ΔHt/H为瞬时加压后某时刻t的应变。
由图1, a得:1/ε=Es/p, b得:1/ε=Es0/[pAε/As/εH]
c得:1/ε=Ew/[- (pAε/Aw/εH) +pA/Aw]综合得
式 (3) 的右边有两项, 第一项称为有效应力压缩模量贡献1, 第二项称为渗流水等效压缩模量贡献2, 所以总压缩模量Es是这两项贡献的叠加。因为当0<t<T, 即0<ε/εH<1时, 即除了开始和稳定时刻外的整个渗流固结过程, 恒有贡献1>0和贡献2>0, 所以总应力压缩模量Es总是大于贡献1或贡献2;由图1, 总应力压缩模量与渗流水等效压缩模量的曲线形状相似, 但Es总是大于Es0和Ew, 很明显有效应力压缩模量起了加劲作用, 而不是决定性作用。即影响土的压缩变形的是总应力而不是仅取决于有效应力。土颗粒结构不是弹簧, 只有半固态及固态的粘土才有类似弹簧的压缩特性。砂类土、粉土、粉质粘土都是散粒体, 在渗流固结过程中不断压密, 其有效应力压缩模量不断增大。所以见文献[10], 土颗粒先柔后刚, 自由水先刚后柔, 对立统一构成饱和土总刚度, 渗流固结完成实现土体更密实的飞跃。孔隙气、自由水既然有刚度 (等效压缩模量及等效压缩系数) 就必然参与抵抗压缩变形。
见文献[10]:真正反映渗流固结的是e/t=ɑwu/t, ……其特征是超自由水压力的等效压缩系数ɑw。而ɑw很显然不等于常规的总应力压缩系数α, 因此, 太沙基一维固结微分方程用α为特征是不妥的。又造成不妥的原因是, 太沙基一维固结理论, 一开始就设定了-de/dσ′=ɑ, 即有效应力原理。归根结底, 土的压缩变形计算中应用有效应力原理是错误的。
2.4 再论有效应力的实质是自由水和孔隙气没有抗剪能力
见文献[8]:有效应力的实质来源于流体的特性, 即自由水和孔隙气没有抗剪能力。在土体达到抗剪极限状态的时候, 截面上一部分能够抗剪, 一部分不能抗剪。提出有效应力的概念, 就能够迅速找到与抗剪强度相对应的应力。由式 (1) 得
对比太沙基公式σ=σ′+u的右边, 首先是颗粒接触应力σ′s与σ′相同, 接着多了一项结合水膜有效应力-σ′c, 因为其提供抗剪强度, 所以必须从孔隙水压力项中分出来, 留下的是自由水压力项BuUwa, 不管是否Bu=1, 这一项不提供抗剪强度。式 (4) 显示, 总应力由有效应力σ′s-σ′c和自由水压力项BuUwa组成, 这是按有效应力的实质是自由水没有抗剪能力进行区分的。这与讨论共有结合水膜区是否传递静水压力有着本质的不同[14,15]。
2.5 再论用有效应力的新概念代替经典饱和土力学的有效应力原理
参见百度百科:原理是自然科学和社会科学中具有普遍意义的基本规律。是在大量观察、实践的基础上, 经过归纳、概括而得出的。既能指导实践, 又必须经受实践的检验。概念是反映对象的本质属性的思维形式。人类在认识过程中, 从感性认识上升到理性认识, 把所感知的事物的共同本质特点抽象出来, 加以概括, 就成为概念。所以概念比原理更确定。
既然影响土的压缩变形的不仅取决于有效应力, 并且土的抗压强度实质上取决于土的抗剪强度, 所以, 有效应力仅与抗剪能力直接相关。用有效应力的新概念代替经典有效应力原理, 即修正了其错误的部分 (土的压缩变形仅取决于有效应力) , 又明确地表达了有效应力 (土体中提供抗剪强度的点的集合所对应的应力) 的本质属性, 方便适用。
3 水土分算与水土合算
3.1 水土分算与水土合算概述
太沙基公式表达的是水土分算法。文献[16]的9.3.3条:作用于支护结构的土压力和水压力, 对砂性土宜按水土分算计算;对粘性土宜按水土合算计算, 也可按地区经验确定。见文献[14, 15, 17, 18]:对水土分算与水土合算问题进行了充分的讨论。见文献[19]的20页:自由水通道率βu=at2+bt+c及at3+bt2+ct (分段的) :
当K<10-7时 (粘土) , 无自由水, Af=0βu=0
当K=10-7~10-3时 (粉土、粉质粘土、软粘土) , t=lg K, K为渗透系数。
-7≤t<-6时, βu=-0.051 28t2-0.728 t2-2.583 2 t
-6≤t≤-4.5时, βu=-0.090 67t2-0.664 7t-0.356
-4.5<t≤-3时, βu=-0.026t2-0.061t+1.051
当K>10-3时 (卵石、砾石、碎石、砂) , 几乎满自由水, Af=A, βu=1
上述内容为自由水通道率表达式。意思是在水土合算和水土分算之间, 即在粘土到砂类土之间, 自由水通道率是一个由0到1的连续过程, 是以t=lg K为自变量的分段连续函数。
见文献[20]:渗透系数K=5.67×10-7cm/s的密实粘土起始水力坡降J0=6~8;渗透系数K=6.07×10-8cm/s的密实粘土起始水力坡降J0=12~16。又:粘土中的测试水压力与理论上的静水压相比有大幅度的下降, 最终测试水压为零。见文献[21]的41页:粘土中自由水的渗流受到结合水的粘滞作用产生很大的阻力, 只有克服结合水的抗剪强度才能开始渗流。我们把克服此抗剪强度所需要的水土梯度, 称为粘土的起始水头梯度I0。I0通过文献[22]的13.3节的变水头渗透试验取得。I0用的实验时间较短, 试件也短;J0用的实验时间很长, 试件较长;实际基坑一般粘性土层厚度更厚, 时间t→∞。是否存在J0=limI0=ζI0, 0<ζ<1, 需进一步研究。
3.2 新概念土力学的土压力算法
见文献[5]的公式 (一) , 非饱和土大气张力有效自重应力公式
由于是饱和土, X=1, 所以饱和土大气张力有效自重应力
通常大气压强Pa=101千帕, 其中, (Pa-Bu ziUawzi) 称为土中水不抵地面大气压强自重应力。
见文献[1]的式 (9) , 大气张力朗肯主动土压力
由于是饱和土, 所以
式 (5) 与式 (6) 都涉及到BuUwa, 即自由水通道率Bu和绝对压强下的自由水压力Uwa。
首先是Bu, 在一般饱和土中与太沙基公式相比影响不大。砂类土和粉土, Bu=1, 与太沙基公式一致;粘性土, 即使是坚硬的一般饱和粘土, 取粘粒含量=0.4 (k1=0.4) , 天然含水量为塑限 (k2=0.45) , 按1节, Bu=1-0.4×0.45=0.82, 折减很小, 但注意到新概念土力学的计算与大气压强有关, 所以其影响比原来只考虑相对自由水压力要大。
其次是Uwa, 见文献[3]:重力水时, Uwa=Paw0+γwHw。一般, Paw0=Pa=101, 考虑广义水头, 有Uwa=Paw0+μ, μ为相对自由水压力, 见文献[19]的67页:可以是一般水头、承压水头、渗流水头压力。这些是对砂类土、粉土和没有起始水力坡降的粘性土而言的, 对于有起始水力坡降J0的饱和粘性土, 参文献[20], 引入饱和粘性土的自由水压力衰减概念:“饱和粘性土层顶 (或底) 部的相对自由水压力μ, 当自由水向下 (或向上) 流过一定厚度h=μ/J0后, 会衰减为零。”。所以其μ可以这样近似确定的, 在饱和粘性土层顶 (或底) 部, μ按常规, 向下 (或向上) 一定厚度h后, μ=0, 中间部分, 按线性分布。自由水压力衰减的原因可以这样理解:相邻两个土粒的结合水膜的接触部位就像是两个气球互相挤紧, 分3种情况:一是强结合水膜接触区, 自由水分子根本通不过;二是弱结合水膜且有阳离子介入区, 就相当于挤紧的气球还涂上胶水, 自由水分子很难通过;三是弱结合水膜没有阳离子介入, 自由水分子在挤紧的气球间减速通过。
自由水压力衰减不是由0到1的连续过程, 像防水、隔热一样, 如果存在“桥”, 即存在一定大孔隙通道 (自由水通道) 的情况下, 就会量变质变, 涌水或透热。所以新概念土力学的算法, 接近我国规范文献[16]:作用于支护结构的土压力和水压力, 对砂性土宜按水土分算计算;对粘性土宜按水土合算计算。
4 粘土地基中的基础浮力折减
按太沙基公式, 不管是砂类土还是粘性土, 地下室所受的浮力是不能折减的。
参见文献[23, 24], 进行了不同的地下室抗浮试验。对于砂性土, 得到的结论一样, 地下室所受的浮力是不能折减的;对于粘性土, 得到的结论是应该折减的。
首先见文献[23]:地下室抗浮试验模型见图2 (a) , 其粘性土试验取塑性指数Ip=17.3的粘土。粘土填装后浸水饱和半个月后, 将底部涂有水泥浆的有机玻璃地下室模型平放于饱和粘土表面。然后向模型池中缓慢注水, 水位每上升2cm高度后停止注水, 静置15min测其垂直方向的位移, 直至模型上浮。得到的结论是浮力不能折减。其次见文献[24]:地下室抗浮试验模型见图2 (b) , 其粘性土试验取塑性指数Ip=17.4的粘土。将粘土按100mm一层分层压实填入模型坑中, 并在填土过程中埋入4个重量 (根据预估的折减系数设置) 不同的塑料桶, 埋桶时在桶壁抹凡士林, 目的一是减小桶壁与土体间的摩擦力, 二是防止水从桶侧壁流入桶底。填好土后, 浸水饱和一个月。然后往坑里注水, 直至达到试验方案中的设计水位。接着打开数码摄像监控系统, 每10min拍摄一张照片, 持续进行10d, 10d后详细检查各桶的浮起情况, 确定折减系数。得到如下结论“根据试验现象直观发现粘性土中的水浮力存在折减, 且可初步估算出综合折减系数在0.41~0.58之间;在进行严格受力分析和利用二分法获取上浮临界参数的基础上, 计算得到浮力折减系数为0.73。”
下面用新概念土力学的观点进行分析。饱和土的自由水浮力BuUwa。首先见图2 (a) , 平放式, 用笑话说类似于偷工减料的抗浮做法, 即基础开挖后持力层泡水软化, 回填土不用灰土或粘土而是用砂类土。由Ip=17.3得, k1=0.057 1×17.3-0.571=0.42;基础模型底的粘土顶部浸水泡软, 流塑至软塑状态, k2=0, Bμ=1-0.42×0×1=1, 自由水通道率不折减。相对自由水压力μ作用在基础模型底的粘土顶部, 自由水向下流过的粘土厚度=0, 不衰减, 与原试验结果一致。其次见图2 (b) , 埋入式。虽然Ip=17.4, 但塑料桶底没有胶结能力, k1=0;基础模型底的粘土顶部不直接泡软, 一般处于可塑状态, k2≠0, Bμ=1-0×k2×1=1, 自由水通道率不折减。凡士林阻止水从桶侧壁流入桶底, 自由水向下流过80mm厚粘土应该衰减后才到达桶底。但粘土顶面水高度80mm, 相对自由水压力μ=0.8千帕;按试验结果折减0.73, 则桶底的相对自由水压力μ1=0.73×1.6=1.168千帕。由0.8千帕~1.168千帕, 并没有出现饱和粘性土的自由水压力衰减现象。如果凡士林与土接触部位没有问题, 则有可能模型埋入粘土的深度过浅, 只有80mm, 粘土容易泡软, 加厚弱结合水膜厚度及加大土颗粒间距, 自由水容易侵入。该例子说明, 折减厚度可能分成严重泡软区、中度泡软区、轻微泡软区、不变区, 相对自由水压力可能在严重泡软区达到最大, 再逐渐衰减为零。
按新概念土力学, 对于粘性土, 地下室浮力是应该衰减的。分析上述两个试验却没有衰减, 说明, 抗浮设计施工与防水一样, 是很严谨的工作。比如, 严格控制基础沉降, 以避免地下室与回填土之间产生相对位移而开裂;地下室基础应埋入粘土层大于0.5m, 基础底板外挑大于0.3m;粘土顶面用灰土回填夯实厚度大于0.5m, 宽度大于衰减厚度, 再用粘土回填, 回填厚度和宽度大于衰减厚度, 可能会获得很好的抗浮效果。
5 解读“原来如此, 逃离流沙陷阱”
中央电视台《原来如此》栏目, 2012年播放了“逃离流沙陷阱”节目。其中, 在实验室制造的流沙桶中, 电动玩具驴陷入其中, 用等于其重量30倍的力也拔不出来;在实验室制造的流沙池中, 实验者陷入其中用吊机吊至人快受伤了也出不来, 然后往池表面注水出不来, 用鼓风机带气管插入深部注气实验者才拔出腿来。见文献[26]:流沙常常被视为能将人吸入无底洞的大怪物……要把沙子变得像太妃糖一样黏需要好几天时间, 但要让它失去黏性则很容易, 只要在其表面施加适当的压力即可。一旦流沙表面受到运动干扰, 就会迅速液化, 表层的沙子会变得松松软软, 浅层的沙子也会很快往下跑。这种迁徙运动使得在流沙上面运动的物体下沉, 然而, 随着下沉深度的增加, 从上层经迁徙运动掉到下方底层的沙子和黏土逐渐聚合, 便会创造出厚实的沉积层, 使沙子的黏性快速增加, 阻止了物体进一步下陷……将脚从流沙中拔出来需要抬起一辆汽车的力量。
太沙基公式解释不了“流沙陷阱”现象, 对于饱和土, 没有“吸力”。但用土力学的新概念可以解释这一现象。见文献[4], 忽略土自重, 对应直接抗拉强度试验的大气张力抗拉强度
式中, |σ′|为真抗拉强度 (注:由结合水膜及颗粒摩擦或咬合提供, 按最不利, 破坏面优先在颗粒很小摩擦或咬合的位置, 所以颗粒摩擦或咬合提供的抗拉强度很小) ;σF为表面张力收缩膜抗拉强度;{Pa-[BuUwA+ (1-X) Ua]}为水气不抵大气压强抗拉强度:是土体中自由水、孔隙气的浮力 (绝对压力) 不能全部抵消地面大气压力所导致的抗拉强度。
饱和土, X=1, σF=0;砂类土, |σ′|=0。所以式 (6) 简化为
地面大气压强Pa=101千帕, 通常Uwa=Paw0+μ=101+μ。由于流沙“液化“, 沉积且级配良好的粉细砂 (或还有粘粒) 非常密实, 许多孔隙间只有吸附水 (或还有结合水) , 没有自由水, 不传递大气压强。比如有40%的孔隙间只有吸附水 (或还有结合水) , Bu=1-0.4=0.6;又假定平均自由水高度为0.5m, 则μ=5千帕;若作用的平面面积为0.5×0.5m2, 参式 (5.2) :“吸力”=[101-0.6× (101+5) ]×0.5×0.5=9.35kN=0.935t, 约一辆小汽车的重量。这不全是真正的吸引力 (结合水处有吸引力) , 而主要是土中绝对孔隙水浮力不抵地面大气压强所产生的向下的压力。用鼓风机带气管插入深部注气实验者才拔出腿来的原因是, 原来只有吸附水 (或还有结合水) 的孔隙间注入了大气压力, 大大抵消了地面大气压强。
6 结论
a.再论应该用有效应力的新概念代替经典有效应力原理。总应力压缩模量由有效应力压缩模量贡献和渗流水等效压缩模量贡献叠加得到。总应力压缩模量与渗流水等效压缩模量的曲线相似, 有效应力压缩模量起加劲作用, 而不是起决定性作用, 土的压缩变形计算中应用有效应力原理是错误的。
b.引入饱和粘性土的自由水压力衰减概念:近似地, 有起始水力坡降J0的饱和粘性土, 其土层顶 (或底) 部的相对自由水压力μ, 当自由水向下 (或向上) 流过一定厚度h=μ/J0后, 会衰减为零。
c.水土分算和水土合算之间不是由0到1的连续过程, 像防水、隔热一样, 可能存在“桥”。对于饱和粘性土, 自由水通道率Bu折减不大;相对自由水压力μ按衰减概念, 通过一定厚度后折减为零。所以新概念土力学的土压力算法, 接近我国规范:对砂性土宜按水土分算计算;对粘性土宜按水土合算计算。
d.用新概念土力学解读了地下室抗浮试验实例。说明抗浮设计施工与防水一样, 是很严谨的工作。地下室埋置及回填的方式, 底部及周边回填土材料的区别及构造做法, 即控制地下室底板底的自由水压力的不同做法, 会引起浮力折减的大大不同。