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岩土力学


1 粒度成分:土中各个粒组的相对百分含量,通常用各粒组占土粒总质量的百分数表示。 2 塑性指数:粘性土的液限和塑限之差,即土处在可塑状态的含水率变化范围。 3 岩体:在地质历史过程中形成的具有一定的岩石成分和一定结构、并赋存于一定地应力状 态的地质环境中的地质体。 4 结构面:发育于岩体中具有一定方向和延伸性、有一定厚度的各种地质界面。 5 泥化夹层:含泥质的原生软弱夹层经一系列地质作用演化而成的,它多发生在上下相对坚 硬而中间相对软弱的刚柔相间的岩层组合下。 6 软弱结构面:岩体中具有一定厚度的软弱带(层)与两盘岩体相比具有高压缩和低强度的 特征,在产状上多属缓倾角结构。 7 蠕变:岩石在大小和方向不变的条件下且应力保持不变时,应变随时间的增长而增大。 8 饱水系数:岩石的吸水率与饱和吸水率之比。 9 软化系数:岩石试件的饱和抗压强度与干抗压强度的比值。 10 风化系数:风化岩石的饱和单轴抗压强度与新鲜岩石的单轴抗压强度之比。 11 离子交换:黏粘表面扩散层中的离子与空隙溶液中的离子发生交换,被吸附的离子进入 溶液而溶液中的离子进入扩散层。 12 凝聚作用:颗粒之间相互结合的作用。 13 分散作用:颗粒之间相互分离的作用。 14 触变作用:当黏粒发生凝聚,如果受到震动、搅拌、超声波、电流等外力作用时,往往 会产生液化或由凝聚状态过渡到溶液或悬液状态,当这些外力消失后又重新凝结。 15 陈化作用:有触变性的土经过一定时间后会消失原来的触变性。 16 松弛:岩石外部条件不变的情况下,当应变保持恒定时,应力随时间增长而逐渐减小。 17 自重应力:在修建建筑物以前,地基中由土体本身有效重量引起的应力。 18 附加应力:建筑的修建而在基础底面处产生的增加的压力。 19 土的抗剪强度:土受到外力作用以后,土粒间发生滑动,土抵抗剪切破坏的极限强度或 土发生剪切破坏时,在剪切破坏面上的最大剪应力。 20 固结度:前期固结压力 Pc 与目前途的自重应力 Po 之比。 21 剪胀作用:在法向应力较小的情况,在剪切作用下具有明显的剪胀,即结构面相对滑动 时,由于结构面上的突起体的影响,结构面沿突起体斜面上开张开、发生膨胀的作用。 22 压缩定律:在无侧胀条件且压力变化不大的条件下,空隙比的变化与压力的变化成正比。 23 变形记忆:非弹性岩石每次卸载后再加载,在荷载超过上次循环的最大荷载后,形变曲 线仍沿着单调加载曲线上升的现象。 24 无侧限抗压强度:指土在无侧限条件下,抵抗轴向压力的极限强度其值等于土破换时的 垂直极限压力。 25 有效应力:土体内单位面积上固体颗粒承受的平均发向力。 26 地应力:地壳在各种运动过程中和自重作用下,岩体在天然条件下产生的内部应力。 27 疲劳破坏:如果反复加载的应力值超过某一数值时,岩体将在某此循环中破坏的现象。 一 有效应力法的原理及意义 1 原理 有效应力法是用剪切面上的有效应力来表达土的抗剪强度,即τ= σ′tgφ′+C′ =(σ-u)tgφ′+C′其中 ?’—有效内摩擦角;c’—有效粘聚力;σ—剪切破坏面上的总正 应力;u—孔隙水压力(超静),由正应力和剪应力所引起孔隙水压力的增加值。这种方法需 直接测得剪切面上的孔隙水压力 u,总压力σ减去孔隙水压力 u 为有效压力σ′。用有效压 力法求得的φ′、C′分别称有效内摩擦角和有效内聚力。 2 意义 有效应力法求得的抗剪强度指标最科学、最准确的反映了土强度的实质,因此可以 为解决某些工程问题提供最有效,最可靠的数据。

二 土的压缩过程及特点 1 定义 土在受到外力(主要是压力)作用下发生变形,体积缩小的性质称为土的压缩性。 。 2 压缩过程 对于饱和土体,土是由固体颗粒和水组成的。土受到外力作用时,首先是由孔 隙水承担这种压力,在受作用范围内的孔隙水压力升高,与外围孔隙水形成水头压力差,于 是在水头差的作用下,水从孔隙中流出,孔隙水压力减小,外力转移到土粒上,粒间压力逐 渐增大, 颗粒向孔隙内移动, 土体发生压缩变形。 非饱和土的压缩过程较饱和土要复杂一些。 受压初期,压力作用在土粒上,土体积压缩,随着土中孔隙体积的减少,土体逐渐达到饱和 状态,成为饱和土,以后的压缩过程与饱和土相同。 3 特点 (1)土的压缩主要是由于孔隙体积减小而引起的,而在工程上一般的压力(100~600 kPa)作用下,固体颗粒和水本身的体积压缩量非常微小,可以忽略。 (2)压缩往往需要一定 的时间。土体在压力作用下,压缩量随时间增长的过程称为土的固结。固结时间的长短与土 的透水性有关。砂土等粗颗粒的土,由于渗透性好,孔隙水容易排出,因此,固结时间短; 粘性土的透水性差,土中水沿孔隙排出速度很慢,固结往往需要很长的时间。 三 影响土的抗剪强度的因素 1 土的矿物成分、颗粒形状和级配的影响 对于粘性土, 主要是矿物成分的影响。 粘性土的抗剪强度随着粘粒和粘土矿物含量的增加而 增大,或者说随着胶体活动性的增强而增大。 对于砂性土,主要是颗粒的形状、大小及级配的影响。在土的颗粒级配中,粗颗粒越多、形 状越不规则、表面越粗糙,则内摩擦角越大,因而抗剪强度越高。 2 含水量的影响 含水量的增高一般会使土的抗剪强度降低。 这种影响主要表现在两方面, 一是水分在较粗颗 粒之间起着润滑作用,使摩擦阻力降低;一是粘土颗粒表面结合水膜的增厚使粘聚力(水胶 连接力)减小。 3 天然密实度的影响 一般地,土的天然密实度越大,抗剪强度就越高。对于粗颗粒土如砂土,密实度越大,颗粒 之间的咬合作用越强,因而摩擦阻力越大;对于细颗粒土如粘性土,密实度大则意味着颗粒 之间的距离越近,水膜越薄,粘聚力就越大。 4 粘性土触变性的影响 粘性土的强度会因受到扰动而削弱, 但经过静置又可得到一定程度的恢复, 对于粘性土的这 一特性称为触变性。当粘性土受扰动后,一般强度会降低,精置一段时间,强度会逐渐恢复 5 土的应力历史 土的受压过程所造成的受力历史状态,对土的强度的试验结果也有影响。 6 孔隙水压力 孔隙水压力不会产生土颗粒之间的摩擦力, 只有作用在颗粒之间的有效应力才能产生内摩擦 强度。根据有效应力原理,孔隙水压力升高,有效应力下降,抗剪强度也下降。 四 风化作用对岩石物理性质的影响 1 产生新的裂隙 岩石风化过程可产生新的裂隙或使原有细微裂隙张开、延伸,使岩石分裂 成更小的碎块,进一步破坏岩石的完整性,随着原有结构连接的削弱,岩石强度降低,甚至 变为松软土。 2 形成新的矿物:岩石在风化过程中,由于水解、水化、氧化作用等使原生矿物发生变化, 形成新的矿物,特别是黏土矿物,从而改变了岩石的力学性质。 3 改变岩石的物理力学性质:岩石成分和结构的改变,使其物理力学性质发生改变。一般表 现为:抗水性降低,亲水性增强;力学性质降低,压缩性提高;渗透性增强。

五 压缩条件下围压对岩石变形破坏的影响 1 岩石破坏前应变随 σ3 增大而增大 2 岩石的峰值强度随 σ3 增大而增大 3 随 σ3 增大岩石变形模量增大,软岩增大明显,致密的硬岩增大不明显 4 随 σ3 增大,岩石的塑性不断增大,随 σ3 增大到一定值时,岩石由弹脆性转变为塑性。 这时,σ3 的大小称为“转化压力” 。 5 随 σ3 的增大,岩块从脆性劈裂破坏逐渐向塑性剪切及塑性流动破坏方式过渡。 六 分层总和法计算地基沉降量的原理、方法、步骤及优缺点 1 原理 将地基土分为若干个水平土层,分别计算每个土层的压缩量,然后累计起来,即为 地基的最终沉降量。 2 计算方法与步骤 a 绘制地基土层分布和基础结构剖面图 b 计算地基土中自重应力,土层 变化点、 地下水位面为计算点。 计算结果按一定的比例绘制自重应力随深度变化曲线于剖面 图的一侧 c 计算基础底面接触压力 d 计算基础底面附加压力 e 计算地基图中的附加应力 f 确定受压层的深度 zn。一般土:zn 取附加应力为自重应力的 20%的深度;软土:zn 取附加 应力为自重应力的 10%的深度 g 计算受压层范围内各分层的压缩量 h 计算地基最终沉降量 3 优缺点 a 具有物理概念明确、计算方法简便的优点 b 但计算结果与实际观测结果存在于大 的误差,主要表现在: 中等地基, 两者结果接近; 软弱地基, 计算结果偏小(小于实测结果); 坚实地基,计算结果偏大(有时远大于实测结果)c 原因在于:采用的假设与实际不符;计算 所用的指标的代表性、取样与试验条件存在问题;计算中没有考虑地基、基础、上部结构三 者之间的作用关系。 七 结构面的分级、各级结构面的特征及对岩体特征的影响 按结构面延伸长度、切割深度、破碎带宽度及其力学效应,可将结构面划分为五级: Ⅰ级:包括大小构造单元接壤的深大断裂带。影响到区域稳定性,并影响山体稳定性和岩体 稳定性。 Ⅱ级:如较大的断层、层间错动、接触破碎带、不整合面、原生软弱夹层、风化夹层等。影 响常控制工程区的山体稳定性或岩体稳定性。 Ⅲ级:主要为小断层,延伸长度一般数十米~数百米,破碎带宽度小于 1m。影响或控制工程 岩体,如地下洞室围岩及边坡岩体的稳定性。 Ⅳ级:延伸性较差的节理、层面、次生裂隙、小断层及较发育的片理、劈理等。主要控制着 岩体的结构、完整性和物理力学性质。 Ⅴ级 :包括隐节理、微层面、微裂隙及不发育的片理、劈理等。主要影响岩块的物理力学 性质。 八 泥化夹层的成因、特征及工程性质的特点 1 定义 泥化夹层是含泥质的软弱夹层经一系列的地质演化作用形成的(往往与水有关),是 含水量较大,处于塑性状态的含泥质的软弱夹层。多分布于上下相对坚硬而中间相对软弱、 刚柔相间的岩层组合条件下。 2 形成 由于构造等原因,使原岩破碎,岩石颗粒分散,含水量增加,岩石处于塑性状态; 水溶解岩石中可溶盐类,引起离子交换,改变了岩石的物理力学性质。 3 特性 a 由原岩的超固结胶结式结构变成了, 泥质散状结构或泥质定向结构 b 粘粒含量很高 c 含水量接近或超过塑限 d 密度比原岩小 e 常具有一定的胀缩性 f 力学性质比原岩差 g 强度 低 h 压缩性高 i 易产生渗透变形

九 绘制连续加载条件岩石变形典型曲线、分析岩石的变性特征 1 空隙压密阶段(OA) 荷载作用初期,岩石中的裂隙及孔隙被逐渐压密,形成早期非线性变 形,曲线呈上凹形,斜率随应力增大而增大,裂隙、孔隙压密开始较快,随后减慢,本阶段 变形对裂隙化岩石比较明显,对坚硬少裂隙的岩石则不明显,甚至不出现 2 弹性变形阶段(AB) 轴向变形随荷载增加成比例增长, 并是可恢复弹性变形, 点的应力为 B 弹性极限,约为 30%~40% 3 微裂隙稳定发展阶段(BC) 由于岩石连续压缩特点可由开始膨胀和近似线性增长的体积应 变来表证,C 点的应力为屈服强度,约为 80%,岩石压密至最密实状态,体积应变趋于 0 4 非稳定发展阶段(CD)微裂缝迅速增加和不断扩展,形成局部拉裂或剪切面,体积变形由压 缩转为膨胀,最终导致岩石结构完全破坏,D 点的应力为峰值强度σc,称为单轴抗压强度。 5 破坏后阶段(DE) 内部结构完全破坏,裂隙扩展成分叉状直至分离成一系列碎块体,在外 荷作用下相互滑移,随之变形不断增加,应力降到某一定值,称为残余强度,大小等于块体 间的摩擦阻力

十 排水条件与抗剪强度的试验类型、试验特征、适用条件及各试验结果的关系 1 试验类型 a 慢剪—排水剪 b 固结快剪—固结不排水剪 c 快剪—不排水剪 2 试验特征及适用条件 A 直剪试验 a 慢剪: (土受外力压缩稳定,土体充分固结后施加剪切力使其剪切破坏) ,充分 排水。 不会产生孔隙水压力。 通常对于排水条件好的土, 当施工时间较长且加荷速率较小时, 评价其强度采用慢剪试验。b 固结快剪: (同上) ,不排水。一般地质条件下、一般建筑工程 中采用。c 快剪:土受外力后立即将其剪坏,不排水。适用于加荷速率大、排水条件差、施 工时间短的情况,以及评价土坡稳定和饱和粘土的强度时。 B 三轴剪切试验 a 慢剪: (对土样施加三向相等压力 σ3,待孔隙水压力完全消散后在保持围 压 σ3 不变的前提下逐渐加大轴向压力 σ1,至土样发生剪切破坏。 )不产生孔隙水压力。试 验获得的强度曲线是斜线, 存在 c 和 ?, 极限应力圆随位置而变化。 总应力与有效应力相等。 b 固结快剪: (同上)期间孔隙水压力不为 0,剪切面上的正应力 σ>孔隙水压力 u’。试验 获得的强度曲线也是斜线,存在 c 和 ?,极限应力圆随位置而变化。c 快剪:对土样施加三 向相等的压力 σ3 后,立即在保持围压 σ3 不变的前提下加大轴向压力 σ1,直至土样发生剪 切破坏。期间孔隙水压力没有消散,且剪切面上的正应力 σ 与孔隙水压力 u 相等,有效应 力等于 0。试验获得的强度曲线是平行于 σ 轴,仅存在 c。正常固结的饱和粘性土,慢剪时 的抗剪强度约等于其固结快剪时的有效抗剪强度 3 各试验结果的关系 由库仑定律 τf=σtg?+c,tg? 内摩擦力,是强度曲线的斜率;? 内摩擦 角;c 粘聚力。对相同土体,慢剪内摩擦力较大,粘聚力较小,快剪内摩擦力较小,强度主 要取决于粘聚力,固结快剪介于慢剪与快剪之间。


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