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工程特性指标-全国一、二级注册结构工程师专业考试教程

2023-08-28 理论教育版权反馈

【摘要】：1）根据室内n组三轴压缩试验的结果，按下列公式计算某一土性指标的变异系数、试验平均值和标准差。

1.土体的渗透系数

土是具有连续孔隙的多孔介质，土孔隙中的水在水头差的作用下会发生流动，水透过土孔隙流动的现象称为渗流或渗透，而土被水透过的性能称为土的渗透性。

（1）达西定律因土的孔隙较小，一般来讲，水在其中的流动速度很小，可假定这种渗流属层流，试验研究表明：水在土中的渗流符合

或 Q=kiAt （5.2-21）

式中 v——渗透速度（cm/s）；

Q——渗透流量（cm³）；

i——水力坡降或水力梯度，；

h——总水头差，总水头只包括位置头和压力头（cm）；

L——渗透路径，简称渗径（cm）；

A——土样的横断面面积（cm²）；

t——时间（s）；

k——渗透系数，即水力坡降为1时的渗透速度（cm/s）。

图5.2-5 达西定律

式（5.2-20）和式（5.2-21）即为达西定律，如图5.2-5所示。

渗透系数k是表征土体渗透性质的力学指标，渗透系数越大，土体越容易透水，反之则越不容易透水。一般渗透系数通过现场或室内渗透试验获得。

（2）影响渗透系数的因素土的固相、液相、气相对渗透系数都有影响，主要反映在：①土体颗粒大小，矿物成分和级配；②孔隙比大小；③土的结构；④水的黏滞性；⑤土体的饱和度。

2.抗剪强度指标c、φ的选取与标准值的计算

在土压力计算、土坡稳定分析及地基承载力的确定中，都需要土的抗剪强度指标，因此在实际工程中，抗剪强度指标选择得当与否是非常重要的。

《规范》规定：地基土工程特性指标的代表值应分别为标准值、平均值及特征值，抗剪强度指标应取标准值。土的抗剪强度指标，可采用原状土室内剪切试验、无侧限抗压强度试验、现场剪切试验、十字板剪切试验等方法测定。当采用室内剪切试验确定时，宜选择三轴压缩试验的自重压力下预固结的不固结不排水试验。经过预压固结的地基可采用固结不排水试验。每层土的试验数量不得少于6组。室内试验抗剪强度指标c_k、φ_k，可按《规范》在附录E中规定的计算方法确定。在验算坡体的稳定性时，对于已有剪切破裂面或其他软弱结构面的抗剪强度，应进行野外大型剪切试验。现摘录附录E如下。

1）根据室内n组三轴压缩试验的结果，按下列公式计算某一土性指标的变异系数、试验平均值和标准差。

式中 δ——变异系数；

μ——某一土性指标的试验平均值；

σ——标准差。

2）按下列公式计算内摩擦角和黏聚力的统计修正系数ψφ、ψ_c。

式中 ψ_φ——内摩擦角的统计修正系数；

ψ_c——黏聚力的统计修正系数；

δ_φ——内摩擦角的变异系数；

δ_c——黏聚力的变异系数。

3）内摩擦角和黏聚力的标准值。

φ_k=ψ_φφ_m （5.2-24a）

c_k=ψ_cc_m （5.2-24b）

式中 φ_m——内摩擦角的试验平均值；

c_m——黏聚力的试验平均值。

【例5.2-8】～【例5.2-13】某房屋墙下条形基础底面宽度1.2m，基础埋置深度d=1.3m。基础埋深范围内土的重度γ_m=18.0kN/m³；持力层为粉土，重度为γ=17.0kN/m³，对粉土取6组试样，进行三轴试验，求得每组试样的内摩擦角φ_i和黏聚力c_i具体数值见表5.2-4。

表5.2-4 【例5.2-8】～【例5.2-13】用表

【例5.2-8】内摩擦角的变异系数与下列哪项数值最接近？

（A）0.0142 （B）0.0179 （C）0.0191 （D）0.0213

答案：（A）

解答：根据式（5.2-22a）～式（5.2-22c）

【例5.2-9】黏聚力的变异系数与下列哪项数值接近？

（A）0.0245 （B）0.0347 （C）0.0412 （D）0.0513

答案：（D）

解答：根据式（5.2-22a）～式（5.2-22c）

【例5.2-10】如果δ_φ=0.0130，则与内摩擦角的统计修正系数接近的数值为哪项？

（A）0.976 （B）0.989 （C）0.992 （D）0.997

答案：（B）

解答：根据式（5.2-23a）

【例5.2-11】如果δ_c=0.0338，则与黏聚力的统计修正系数接近的数值为哪项？

（A）0.972 （B）0.963 （C）0.958 （D）0.949

答案：（A）

解答：根据式（5.2-23b）

【例5.2-12】如果ψ_c=0.958，则与黏聚力标准值接近的为哪项数值？

（A）41.9kPa （B）44.76kPa （C）46.96kPa （D）52.33kPa

答案：（B）

解答：根据式（5.2-24b）

c_k=ψ_cc_m=（0.958×46.72）kPa=44.76kPa

【例5.2-13】如果ψ_φ=0.976，则与内摩擦角标准值接近的数值为哪项？

（A）26.24° （B）26.33° （C）26.68° （D）26.98°

答案：（B）

解答：根据式（5.2-24a）

φ_k=ψ_φφ_m=0.976×26.98°=26.33°

3.压缩性指标

（1）压缩系数a 如图5.2-6所示的e-p压缩曲线反映了土的压缩特性，压缩曲线形状不同反映土的压缩性质不同：曲线越陡，说明压力变化时孔隙比变化越大，即土的压缩性越大；相反，则说明压缩性越小。因此土的压缩曲线的斜率反映了土的压缩性大小。在某一荷载范围内压缩曲线的斜率定义为压缩系数a

单位MPa^-1。压缩系数是随荷载区域变化而变化的数值，因而压缩系数a不是常量，规范中常用荷载变化从0.1MPa到0.2MPa计算压缩系数，记为a_1-2，并由a_1-2判断土体的压缩性大小，见表5.2-5。

图5.2-6 e-p曲线

表5.2-5 土体压缩性评价

（2）压缩模量E_s 压缩模量是侧限应力条件下，竖向应力增量与竖向应变增量之比，可由侧限压缩试验确定

式中 E_s——压缩模量（MPa）；

e₁——地基土自重应力对应的孔隙比；

a——土的自重应力到自重应力与附加应力之和段的压缩系数（MPa^-1）。

因此，压缩模量越大，压缩系数越小，说明土的压缩性越低，在外荷载作用下产生的变形量越小。

《规范》规定：地基土的工程特性指标的代表值应分别为标准值、平均值及特征值。压缩性指标应取平均值：土的压缩性指标可采用原状土室内压缩试验、原位浅层或深层平板载荷试验、旁压试验确定，并应符合下列规定：

1）当采用室内压缩试验确定压缩模量时，试验所施加的最大压力应超过土自重压力与预计的附加压力之和，试验成果用e-p曲线表示。

2）当考虑土的应力历史进行沉降计算时，应进行高压固结试验，确定先期固结压力、压缩指数，试验成果用e-lgp曲线表示；为确定回弹指数，应在估计的先期固结压力之后进行一次卸荷，再继续加荷至预定的最后一级压力。

3）当考虑深基坑开挖卸荷和再加荷时，应进行回弹再压缩试验，其压力的施加应与实际的加卸荷状况一致。

【例5.2-14】对某土层取出的标准土样进行压缩试验后，得到的试验成果见表5.2-6。

表5.2-6 【例5.2-14】用表

试问，该土层的压缩性应为下列何项所示？

（A）高压缩性（B）中压缩性（C）低压缩性（D）无法判断

答案：（A）

解答：

根据表5.2-5规定，为高压缩性土。故选（A）。