土的力学性质指标
1．压缩系数
土的压缩性通常用压缩系数（或压缩模量）来表示，其值由原状土的压缩试验确定。
压缩系数按下式计算：
2
1211000p p e e a --?= （1-1） 式中 1000——单位换算系数；
a ——土的压缩系数（MPa -1）；
p 1、p 2——固结压力（kPa ）：
e 1、e 2——相对应于p 1、p 2时的孔隙比。
评价地基压缩性时，按p 1为100kPa ，p 2为200kPa ，相应的压缩系数值以a 1-2划分为低、中、高压缩性，并应按以下规定进行评价：
（1）当a 1-2＜0.1MPa -1时，为低压缩性土；
（2）当0.1≤a 1-2＜0.5MPa -1时，为中压缩性土；
（3）当a 1-2≥0.5MPa -1时，为高压缩性土。
2．压缩模量
工程上也常用室内试验求压缩模量E s 作为土的压缩性指标。压缩模量按下式计算：
a
e E s 01+= （1-2） 式中 Es ——土的压缩模量（MPa ）；
e 0——土的天然（自重压力下）孔隙比；
a ——从土的自重应力至土的自重加附加应力段的压缩系数（MPa -1）。 用压缩模量划分压缩性等级和评价土的压缩性可按表1-1规定。
地基土按E s 值划分压缩性等级的规定 表1-1
3．抗剪强度
土在外力作用下抵抗剪切滑动的极限强度，一般用室内直剪、原位直剪、三轴剪切试验、十字板剪切试验、野外标准贯入、动力触探、静力触探等试验方法进行测定。它是评价地基承载力、边坡稳定性、计算土压力的重要指标。
（1）抗剪强度计算
土的抗剪强度一般按下式计算：
τf＝σ·tgφ＋c（1-3）
式中τf——土的抗剪强度（kPa ）；
σ——作用于剪切面上的法向应力（kPa）；
φ——土的内摩擦角（°），剪切试验法向应力与剪应力曲线的切线倾斜角；
c——土的粘聚力（kPa），剪切试验中土的法向应力为零时的抗剪强度，砂类土c＝0。
（2）土的内摩擦角φ和粘聚力c的求法
同一土样切取不少于4个环刀进行不同垂直压力作用下的剪力试验后，用相同的比例尺在坐标纸上绘制抗剪强度τ与法向应力σ的相关直线，直线交τ值的截距却为土的粘聚力c，砂土的c=0，直线的倾斜角即为土的内摩擦角切，见图6-1。
图1-1 抗剪强度与法向应力的关系曲线
（a）粘性土；（b）砂土
(E, ν) 与(K, G)的转换关系如下： ) 21(3ν-= E K ) 1(2ν+= E G （7.2） 当ν值接近0.5的时候不能盲目的使用公式3.5，因为计算的K 值将会非常的高，偏离实际值很多。最好是确定好K 值(利用压缩试验或者P 波速度试验估计)，然后再用K 和ν来计算G 值。 表7.1和7.2分别给出了岩土体的一些典型弹性特性值。 岩石的弹性（实验室值）（Goodman,1980） 表7.1 土的弹性特性值（实验室值）（Das,1980） 表7.2 各向异性弹性特性——作为各向异性弹性体的特殊情况，横切各向同性弹性模型需要5 中弹性常量：E 1, E 3, ν12,ν13和G 13；正交各向异性弹性模型有9个弹性模量E 1,E 2,E 3, ν12,ν13,ν23,G 12,G 13和G 23。这些常量的定义见理论篇。 均质的节理或是层状的岩石一般表现出横切各向同性弹性特性。一些学者已经给出了用各向同性弹性特性参数、节理刚度和空间参数来表示的弹性常数的公式。表3.7给出了各向异性岩石的一些典型的特性值。 横切各向同性弹性岩石的弹性常数（实验室） 表7.3
流体弹性特性——用于地下水分析的模型涉及到不可压缩的土粒时用到水的体积模量K f ，如果土粒是可压缩的，则要用到比奥模量M 。纯净水在室温情况下的K f 值是2 Gpa 。其取值依赖于分析的目的。分析稳态流动或是求初始孔隙压力的分布状态（见理论篇第三章流体-固体相互作用分析），则尽量要用比较低的K f ，不用折减。这是由于对于大的K f 流动时间步长很小，并且，力学收敛性也较差。在FLAC 3D 中用到的流动时间步长,? tf 与孔隙度n ，渗透系数k 以及K f 有如下关系： ' f f k K n t ∝ ? （7.3） 对于可变形流体（多数课本中都是将流体设定为不可压缩的）我们可以通过获得的固结系数νC 来决定改变K f 的结果。 f 'K n m k C + = νν （7.4） 其中 3 /4G K 1 m += ν f 'k k γ= 其中，' k ——FLAC 3D 使用的渗透系数 k ——渗透系数，单位和速度单位一样（如米/秒） f γ——水的单位重量 考虑到固结时间常量与νC 成比例，我么可以将K f 的值从其实际值（Pa 9 102?）减少，利用上面得表达式看看其产生的误差。 流动体积模量还会影响无流动但是有空隙压力产生的模型的收敛速率（见1.7节流动与力学的相互作用）。如果K f 是一个通过比较机械模型得到的值，则由于机械变形将会产生孔隙压力。如果K f 远比k 大，则压缩过程就慢，但是一般有可能K f 对其影响很小。例如在土体中，孔隙水中还会包含一些尚未溶解的空气，从而明显的使体积模量减小。 在无流动情况下，饱和体积模量为： n K K K f u + = （7.5） 不排水的泊松比为：
土的力学性质 土的力学性质 土的力学性质是指土在外力作用下所表现的性质，主要包括压应力作用下体积缩小的压缩性和在剪应力作用下抵抗剪切破坏的抗剪性，.其次是在动荷作用下所表现的一些性质。第一节土的压缩性. 一、土压缩变形的特点与机理 土的压缩性指土在压力作用下体积压缩变小的性能。土受压后体积缩小是土中固、液、气三相组成部分中的各部分体积减小的结果(主要是气体、水分挤出、土粒相互移动靠拢的结果)。 二、压缩试验压缩定律试验方法 : 室内现场据压缩条件: 无侧向膨胀(有侧限)试验有侧向膨胀(无侧限)试验主要是室内无侧向膨胀压缩试验 土的无侧向膨胀压缩试验是先用金属环刀切取土样,然后将土样连同环刀一起放入压缩仪内,由于土样受环刀和护环等刚性护壁约束,在压缩过程中只能发生竖向压缩,不可能发生侧向膨胀.。 试验时,通过加荷装臵将压力均匀地施加到土样上,压力由小到大逐级增加,每级压力待压缩稳定后,再施加下一级压力,土的压缩量可通过微表观测，并据每级压力下的稳定变形量,计算出与各级压力相应的稳定孔隙比。 若试验前试样的截面积为A,土样原始高度为h0，原始孔隙比e0, 当加压P1后土样压缩量为△h1,土样高度由h0减小到h1=h0-△h ,相应孔隙比由e0变为e1. 由于土样压缩时不可能产生侧向膨胀,故压缩前后横截面积不变,加压过程中土的体积是不变的.即: A h0/(1+e0)=A(h0-△h1)(1+ e1) e1=e0-△h1/h0(H e0) 通过试验,求的各级压力Pi作用下,土样压缩性稳定后相应的孔隙比ei，以纵坐标表示孔隙比e, 横坐标表示压力ρ。据压缩试验数据,可绘制出孔隙比与压力的关系曲线------压缩曲线。
光泽反应 光泽反应是指用小刀切开稍湿的土，并用小刀抹土面，看土面是否呈现光泽。可分为：有光泽和无光泽两种。高液限的粘性土通常有光泽，而低液限粘性土（或粉质土）通常无光泽反应。 土的结构描述： 粒状结构，野外表现很密实状，显微镜下呈粒状紧密连接； 蜂窝状结构，野外表现很松散，显微镜下显蜂窝状； 环状结构，显微镜下显环状结构。 关键是在野外怎么判别？而且土的结构与哪些土有较密切关联性。 另外分别说出各类土的结构对工程力学性质有什么影响，就是说通过土的结构可以推断出土的大概力学物理性质吗？大家畅言 常见的土结构有以下三种： 1、单粒结构(particle structure)或(single-grained structure) 粗颗粒土，如卵石、砂等。 2、蜂窝结构(boneycomb structure) 当土颗粒较细（粒级在0.02~0.002mm范围），在水中单个下沉，碰到已沉积的土粒，由于土粒之间的分子吸力大于颗粒自重，则正常土粒被吸引不再下沉，形成很大孔隙的蜂窝状结构。 3、絮状结构（flocculent structure） 粒径小于0.005mm的粘土颗粒，在水中长期悬浮并在水中运动时，形成小链环状的土集粒而下沉。这种小链环碰到另一小链环被吸引，形成大链环状的絮状结构，此种结构在海积粘土中常见。
上述三种结构中，以密实的单粒结构土的工程性质最好，蜂窝状其次，絮状结构最差。后两种结构土，如因振动破坏天然结构，则强度低，压缩性大，不可用作天然地基。 二、土的构造 同一土层中，土颗粒之间相互关系的特征称为土的构造。觉见的有下列几种： 1．层状构造 土层由不同颜色，不同粒径的土组成层理，平原地区的层理通常为水平层理。 层状构造是细粒土的一个重要特征。 2．分散构造： 土层中土粒分布均匀，性质相近，如砂，卵石层为分散构造。 3．结核状构造 在细粒土中掺有粗颗粒或各种结核，如含礓石的粉质粘土，含砾石的冰碛土等。其工程性质取决于细粒土部分。 4．裂隙状构造 土体中有很多不连续的小裂隙，有的硬塑与坚硬状态的粘土为此种构造。裂隙强度低，渗透性高，工程性质差。
表11-1 岩土参数建议值表 岩土分层岩 土 名 称 时 代 与 成 因 岩石地基 承载力特 征值 土承载 力特征 值 桩侧摩阻力 特征值(钻孔 灌注桩) 桩端阻力特 征值(钻孔灌 注桩) 桩极限侧阻力 标准值(钻孔 灌注桩) 桩极限端阻力 标准值(钻孔 灌注桩) 土体与锚固体极 限摩阻力标准值 岩石与锚 固体极限 摩阻力标 准值 地基系数 的比例系 数(灌注 桩) 岩层或土 层水平基 床系数 岩层或土 层垂直基 床系数 静止侧压 力系数 岩土泊桑 比 岩石质量 指标 基底摩擦 系数 边坡坡度高 宽比允许值 (1:n) 土石可挖性 分级 f a f ak q sa q pa q sik q sik q s q s m K s Kc K0μRQD f (kPa) (kPa) (kPa) (kPa) (kPa) (kPa) (kPa) (MPa) (MPa/m2) (MPa/m) (MPa/m) (%) (1-1) 填土Q4ml60 18 18 12 0.40 0.29 0.28 支护Ⅰ～Ⅱ(3-4) 粗砂Q2al190 30 40 50 18.0 20 18 0.40 0.29 0.28 1.25 Ⅱ(4-2) 粉质粘土Q2el210 30 43 50 22.0 35 30 0.39 0.28 0.30 1 Ⅱ(11)-1 全风化板岩P t220 35 50 55 40.0 35 30 0.38 0.28 0.30 1 Ⅲ(11)-2 强风化板岩P t350 70 700 75 750 0.12 150 120 0.38 0.28 0.33 0.75 Ⅲ～Ⅳ(11)-3 中风化板岩P t800 130 1300 170 1600 0.30 170 135 0.28 0.22 10~150.38 0.5 Ⅳ(11)-4 微风化板岩P t1200 135 1500 180 1800 0.50 200 175 0.26 0.21 10~20 0.45 0.5 Ⅴ说明： 1、本表的岩土参数值，是根据勘察结果，按工程类比（工程经验）的方法经过查阅有关规程、规范、手册或通过计算而提供的可用于设计的岩土参数。 2、根据场地的岩土层物理力学性质和室内试验成果，结合相关规范规程以及工程经验，给出岩土地基承载力特征值、桩侧摩阻力特征值、桩的端阻力特征值、边坡坡度高宽比允许值等参数建议值。 3、根据场地的岩土层物理力学性质和室内试验成果，结合国家行业标准《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008），给出桩的极限侧阻力标准值、桩的极限端阻力标准值等的参数建议值。 4、根据场地的岩土层物理力学性质和室内试验成果，结合相关工程经验，给出土体与锚固体极限摩阻力标准值、岩石与锚固体极限摩阻力标准值、土的泊松比等的参数建议值。 5、根据勘察结果，按国家标准《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002），给出基底摩擦系数、边坡坡度高宽比允许值等的参数建议值。 表11-2 岩土参数建议值表 岩土分层岩 土 名 称 时 代 与 成 因 天然 密度 天然含 水量 孔隙比 岩（土）体剪切试验 压 缩 系 数 压 缩 模 量 变 形 模 量 渗 透 系 数 单轴极限抗压强 度标准值 导温系数导热系数 比热容 C 水上坡角 (°) 直接快剪固结快剪 粘聚力内摩擦角粘聚力内摩擦角 干燥天然饱和 ρw е c φ c φa0.1-0.2Es1-2E0K fd fc fr (g/cm3) (%) (kPa) (°) (kPa) (°) (MPa) (MPa) （m/d）(MPa) (m2/h) (W/m·K) (kJ/kg.k) (1-1) 填土Q4ml 1.96 28.0 0.822 17100.27 7.30 1.0 0.00179 1.44 1.25 (3-4) 粗砂Q2al 1.97 23.3 25 5.0 0.00179 1.13 0.89 (4-2) 粉质粘土Q2el 1.96 26.46 0.783 26 120.24 7.70 29 0.04 0.00189 1.31 1.34 (11-1) 全风化板岩P t 1.99 26.7 0.770 28 14 0.19 9.30 32 0.10 0.00189 1.37 1.12 (11-2) 强风化板岩P t 2.70 85 30 100 0.50 7.0 1.0 1.0 0.00193 1.45 1.21 (11-3) 中风化板岩P t 2.79 90 33 0.40 10.0 5.0 3.00.00199 1.51 1.27 (11)-4 微风化板岩P t 2.76 100 35 0.20 15.0 10.0 8.0 0.00203 1.55 1.39 说明： 1.本表所称的岩土参数建议值，是根据室内试验或原位测试结果的统计值，按工程类比（工程经验）的方法而提供的岩土参数。 2.表中岩土层热物理指标建议值系根据相关工程经验的室内热物理力学性质试验成果综合提出。
土的力学性质指标 1．压缩系数 土的压缩性通常用压缩系数（或压缩模量）来表示，其值由原状土的压缩试验确定。 压缩系数按下式计算： 2 1211000p p e e a --?= （1-1） 式中 1000——单位换算系数； a ——土的压缩系数（MPa -1）； p 1、p 2——固结压力（kPa ）： e 1、e 2——相对应于p 1、p 2时的孔隙比。 评价地基压缩性时，按p 1为100kPa ，p 2为200kPa ，相应的压缩系数值以a 1-2划分为低、中、高压缩性，并应按以下规定进行评价： （1）当a 1-2＜0.1MPa -1时，为低压缩性土； （2）当0.1≤a 1-2＜0.5MPa -1时，为中压缩性土； （3）当a 1-2≥0.5MPa -1时，为高压缩性土。 2．压缩模量 工程上也常用室内试验求压缩模量E s 作为土的压缩性指标。压缩模量按下式计算： a e E s 01+= （1-2） 式中 Es ——土的压缩模量（MPa ）； e 0——土的天然（自重压力下）孔隙比； a ——从土的自重应力至土的自重加附加应力段的压缩系数（MPa -1）。 用压缩模量划分压缩性等级和评价土的压缩性可按表1-1规定。 地基土按E s 值划分压缩性等级的规定 表1-1
3．抗剪强度 土在外力作用下抵抗剪切滑动的极限强度，一般用室内直剪、原位直剪、三轴剪切试验、十字板剪切试验、野外标准贯入、动力触探、静力触探等试验方法进行测定。它是评价地基承载力、边坡稳定性、计算土压力的重要指标。 （1）抗剪强度计算 土的抗剪强度一般按下式计算： τf＝σ·tgφ＋c（1-3） 式中τf——土的抗剪强度（kPa ）； σ——作用于剪切面上的法向应力（kPa）； φ——土的内摩擦角（°），剪切试验法向应力与剪应力曲线的切线倾斜角； c——土的粘聚力（kPa），剪切试验中土的法向应力为零时的抗剪强度，砂类土c＝0。 （2）土的内摩擦角φ和粘聚力c的求法 同一土样切取不少于4个环刀进行不同垂直压力作用下的剪力试验后，用相同的比例尺在坐标纸上绘制抗剪强度τ与法向应力σ的相关直线，直线交τ值的截距却为土的粘聚力c，砂土的c=0，直线的倾斜角即为土的内摩擦角切，见图6-1。 图1-1 抗剪强度与法向应力的关系曲线 （a）粘性土；（b）砂土
力学性能指标：拉伸强度、断裂伸长率、硬度、弹性模量、冲击强度。 影响力学性能的因素：温度、拉伸速度、环境介质、压力等。 弹性变形特点:可逆变形虎克定律弹性变形量很小，一般不超过0.5%-1% 材料的弹性模量主要取决于结合键的本性和原子间的结合力，而材料的成分和组织对它的影响不大共价键的弹性模量最高. 弹性比功：又称弹性比能，表示金属材料吸收弹性变形功的能力。一般用金属开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功表示。 滞弹性：在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附加弹性应变的现象。 循环韧性的意义:循环韧性越高，机件依靠自身的消振能力越好，所以高循环韧性对于降机器的噪声，抑制高速机械的振动，防止共振导致疲劳断裂意义重大 金属材料常见的塑性变形方式滑移和孪生 金属应变硬化机理与高分子应变硬化机理的区别:金属机理：位错的增殖与交互作用导致的阻碍高分子机理：发生应变诱导结晶、分子链接近最大伸长 韧性断裂：金属断裂前产生明显的宏观塑性变形的断裂，有一个缓慢的撕裂过程，在裂纹扩展过程中不断消耗能量。脆性断裂：突然发生断裂，基本上不发生塑性变形，没有明显征兆，因此危害性很大。 α值越大，表示应力状态越“软”，金属越易于产生塑性变形和韧性断裂。α值越小，表示应力状态越“硬”，金属越不易于产生塑性变形而易于产生脆性断裂。拉伸时塑性很好的材料，在压缩时只发生压缩变形而不断裂。硬度：布氏、洛氏、维氏 缺口效应：缺口根部产生应力集中，同时缺口截面上的应力分布发生改变。 断裂韧性：由于裂纹破坏了材料的均匀连续性，改变了材料内部应力状态和应力分布，所以机件的结构性能就不再相似于无裂纹的试样性能，传统的力学强度理论就不再适用。 断裂力学就是在这种背景下发展起来的一门新型断裂强度科学，是在承认机件存在宏观裂纹的前提下，建立了裂纹扩展的各种新的力学参量，并提出了含裂纹体的断裂判据和材料断裂韧度。 分析裂纹体断裂问题的方法：应力应变分析方法：考虑裂纹尖端附近的应力场强度，得到相应的断裂K判据。(2) 能量分析方法：考虑裂纹扩展时系统能量的变化，建立能量转化平衡方程，得到相应的断裂G判 KI和KIC的区别：应力场强度因子KI增大到临界值KIC时，材料发生断裂，这个临界值KIC称为断裂韧度。KI是力学参量，与载荷、试样尺寸有关，而和材料本身无关。KIC是力学性能指标，只与材料组织结构、成分有关，与试样尺寸和载荷无关。根据KI和KIC的相对大小，可以建立裂纹失稳扩展脆断的断裂K判据，由于平面应变断裂最危险，通常以KIC为标准建立： 应力腐蚀现象：在应力和特定的化学介质共同作用下，经过一段时间后所产生的低应力脆性断裂现象。 应力腐蚀产生的条件：(1)必须有应力，特别是拉应力的作用, 远低于材料的屈服强度，是脆性断裂；(2)对一定成分的合金，只有在特定介质中才发生应力腐蚀断裂；(3)应力腐蚀断裂速度约为10-8-10-6 m／s数量级的范围内，远大于没有应力时的腐蚀速度，又远小于单纯力学因素引起的断裂速度。 机理：当应力腐蚀敏感的材料置于腐蚀介质中，首先在金属的表面形成一层保护膜，它阻止了腐蚀进行，即所谓“钝化”。由于拉应力和保护膜增厚带来的附加应力使局部地区的保护膜破裂，破裂处金属直接暴露在介质中，成为微电池的阳极，产生阳极溶解。阳极小阴极大，所以溶解速度很快，腐蚀到一定程度又形成新的保护膜，但在拉应力的作用下又可能重新破坏，发生新的阳极溶解。这种保护膜反复形成反复破裂的过程，就会使某些局部地区腐蚀加
钢材力学性能指标汇总表钢筋的公称横截面积与公称重量 公称直径，mm 公称横截面积mm 2 公称重量，Kg/m 6.5 33.18 8 50.27 0.395 10 78.54 0.617 12 113.1 0.888 14 153.9 1.21 16 201.1 1.58 18 254.5 2.00 20 314.2 2.47 22 380.1 2.98 25 490.9 3.85 28 615.8 4.83 32 804.2 6.31 36 1018 7.99 40 1257 9.87 50 1964 15.42 注：表中公称重按密度为7.85g/cm3计算。 一、钢筋混凝土用热轧带肋钢精GB1499-1998 1、力学性能 牌号公称直径mm 屈服点σsMpa 抗拉强度σbMpa 伸长率δs%
不小于 HRB335 6~25 28~50 335 490 16 HRB400 6~25 28~50 400 570 14 HRB500 6~25 28~50 500 630 12 2、弯曲性能（按下表规定的弯心直径弯曲180°后，钢筋受弯曲部位表面不得产生裂纹）牌号公称直径mm 弯曲试验弯心直径 HRB335 6~25 28~50 3a 4a HRB400 6~25 28~50 4a 5a HRB500 6~25 28~50 5a 7a 二、钢筋混凝土用热轧光圆钢筋GB13013-91 表面形状钢筋级别强度等级代号公称直径mm 屈服点σsMpa 抗拉强度σbMpa 伸长率δs% 冷弯d弯心直径a公称直径 不小于 光圆ΙR235 8~20 235 370 25 180°d=a 三、低碳钢热轧圆盘条GB/T701-1997 牌号屈服点σsMpa 抗拉强度σbMpa 伸长率δs% 冷弯180°d弯心直径a公称直径 不小于 Q215 215 375 27 d=0 Q235 235 410 23 d=0.5a 四、冷轧扭钢筋JG3046-1999 表一轧扁厚度、节距
土的力学性质 土的力学性质是指土在外力作用下所表现的性质，主要包括压应力作用下体积缩小 的压缩性和在剪应力作用下抵抗剪切破坏的抗剪性， .其次是在动荷作用下所表现 的一些性质。 第一节 土的压缩性 . 、土压缩变形的特点与机理 土的压缩性指土在压力作用下体积压缩变小的性能。 固、液、气三相组成部分中的各部分体积减小的结果 粒相互移动靠拢的结果 ) 。 、压缩试验压缩定律 试验方法 : 室内 现场 据压缩条件 : 无侧向膨胀(有侧限)试验 有侧向膨胀(无侧限)试验 主要是室内无侧向膨胀压缩试验 土的无侧向膨胀压缩试验是先用金属环刀切取土样 ,然后将土样连同环刀一起放入 压缩仪内 ,由于土样受环刀和护环等刚性护壁约束 ,在压缩过程中只能发生竖向压缩 , 不可能发生侧向膨胀 .。 试验时 ,通过加荷装臵将压力均匀地施加到土样上 ,压力由小到大逐级增加 ,每级压力 待压缩稳定后 ,再施加下一级压力 ,土的压缩量可通过微表观测，并据每级压力下的 稳定变形量 ,计算出与各级压力相应的稳定孔隙比。 若试验前试样的截面积为 A,土样原始高度为hO ，原始孔隙比eO,当加压P1后土 样压缩量为△ hi, 土样高度E 减小到h1=hO- △ h ,相应孔隙比由0变为e1. 由于土样压缩时不可能产生侧向膨胀 ,故压缩前后横截面积不变 ,加压过程中土的体 积是不变的 .即: A hO/(1+eO)=A(hO- △ h1)(1+ e1) e1=eO -△ h1/hO(H eO) 通过试验 ,求的各级压力 Pi 作用下,土样压缩性稳定后相应的孔隙比 ei ，以纵坐标表 示孔隙比e,横坐标表示压力p 。据压缩试验数据，可绘制出孔隙比与压力的关系曲 线 压缩曲线。 在压力曲线上，P 较小时，曲线较陡。随P 增大，曲线变缓，。这表明在压力增量 不变情况下对土进行压缩时 ,其压缩变形的增量是递减的。 1 、压缩系数 土的力学性质 土受压后体积缩小是土中 (主要是气体、水分挤出、土
第一章 机械力学性能 习题参考答案 一、填空题 1．材料的力学性能的主要指标有 强度 、 硬度 、 冲击韧性 、 塑性 等。 2．HBS250～300应改为250～300 HBS ；600～650HBS 应改为600～650HBW 或600～650HV ；5～10HRC 应改为5～10HBS ；HRC70～75应改为 70～75HRA 。 3．σs 表示 屈服强度 ，σ r0.2：表示 条件屈服强度 ，其数值越大，材料抵抗 塑性变形 的能力越大。 4．材料常用的塑性指标有延伸率 和 面缩率 两种。其中用面缩率表示塑性更接近材料的真实变形。 二、是非题 ( F )1．机器中的零件在工作时，材料强度高的不会变形，材料强度低的一定会产生变形； ( F )2．材料的E 越大，其塑性越差； ( F )3．屈服点是表征材料抵抗断裂能力的力学性能指标； ( F )4．所有的金属材料均有明显的屈服现象。 三、思考题 1．现测得长、短两根圆形截面标准试样的δ5，和δ10均为25%，其原始直径为d 0=10mm,求两试样拉断后的标距长度是多少?哪一根试样的塑性好?为什么？ 解：由下列公式 可算得： 不能判断试样塑性好坏；因为只有当L0 /d0为常数时，塑性值才有可比性。 2．标准规定，15钢的力学性能指标不应低于下列数值，σb ≥372(MPa)，σs ≥225(MPa)，δ5≥27%，ψ≥55%。现将购进的15钢制成d 0=10mm 的圆形截面短试样，经拉伸试验后测得F b =34500N ，F s =21100N ，L 1=65mm ，d l =6mm 。试问，这批15钢的力学性能是否合格? 解：由屈服强度和抗拉强度公式得 100100%l l l δ-=?()1100025%1010125mm d d L =?+=()150025%5562.5mm d d L =?+=()221100268.79103.142S MPa σ==?()234500439.49103.142b MPa σ==?56550100%30%50δ-=?=222 106100%64%10ψ-=?=
表11-1岩土参数建议值表岩石地基土承载力特征 值 f ak (kPa) 60 190 210 220桩侧摩阻力 特征值(钻孔 灌注桩) q sa (kPa) 30 30 35 70 130 135桩端阻力特
征值(钻孔灌 注桩) q pa (kPa) 700 1300 1500桩极限侧阻力 标准值(钻孔桩极限端阻力 标准值(钻孔岩石与锚土体与锚固体极固体极限地基系数的比例系岩层或土层水平基 床系数 K s(MPa/m) 18203535150170200岩层或土层垂直基 床系数 Kc(MPa/m) 12183030120135175岩 土 分 层岩
名 称时 代 与 成 因承载力特征值 f a (kPa)静止侧压力系数 K 0.40 0.40 0.39 0.38 0.38 0.28 0.26岩土泊桑
0.29 0.29 0.28 0.28 0.28 0.22 0.21岩石质量 指标RQD (%)10~1510~20基底摩擦 系数 f 0.28 0.28 0.30 0.30 0.33 0.38 0.45边坡坡度高宽比允许值(1:n) 支护
1.25 11 0.75 0.5 0.5土石可挖性 分级Ⅰ～Ⅱ ⅡⅡⅢⅢ～Ⅳ ⅣⅤ限摩阻力标准值摩阻力标数(灌注灌注桩)灌注桩) 准值桩)q sik(kPa) 40435075170180q sik(kPa) 75016001800q s(kPa) 18505055q s(MPa) 0.12 0.30 0.50m(MPa/m2) 18.0 22.0
40.0(1-1) (3-4) (4-2) (11)-1 (11)-2 (11)-3 (11)-4 说明： 岩 土 分 层 (1-1) (3-4) (4-2) (11-1) (11-2) (11-3) (11)-4 说明： 1.本表所称的岩土参数建议值，是根据室内试验或原位测试结果的统计值，按工程类比（工程经验）的方法而提供的岩土参数。
指标 法定计量单位 计算公式 试验仪器 含义说明 名称 符号 名称 单位 弹性 弹性是指金属在外力作用下产生变形，当外力取消后又恢复到原来的形状和大小的一种特性 弹性指标 正弹性模量 E 兆帕〔斯卡〕 MPa 式中 σ──应力 ε──应变 P ──垂直应力（N ） l 0──试样原长（mm ） F 0──试样原来的横截面积（mm 2） Δl ──绝对伸长量（mm ） 拉伸试验机或万能材料试验机 金属在弹性范围内，外力和变形成比例地增长，即应力与应变成正比例关系时（符合虎克定律），这个比例系数就称为弹性模数或弹性模量。根据应力，应变的性质通常又分为：正弹性模数（E ）和剪切弹性模数（G ），弹性模数的大小，相当于引起物体单位变形时所需应力之大小，所以，它在工程技术上是衡量材料刚度的指标，弹性模数愈大，刚度也愈大，亦即在一定应力作用下，发生的弹性变形愈小 切变弹性模量 G 兆帕〔斯卡〕 MPa 式中 ──切应力 ──相应的扭转滑移 M ──扭转力矩 l 0──试样计算长度（mm ） ──计算长度l 0两端的扭 转角度（经度） ──扭转时试样截面相对于轴线的极惯性矩（对圆截面 ）（mm 4） 扭转试验机或万能材 料试 验机 比例极限 σp 兆帕 〔斯卡〕 MPa 式中 ──比例极限载荷（N ） F ──试样横截面积 （mm 2） 拉伸试验机 或万 能材 料试验机 指伸长与负荷成正比地增加，保持直线关系，当开始偏离直线时的应力称比例极限，但此位置很难精确测定，通常把能引起材料试样产生残余变形量为试样原长的0.001％或0.003％、0.005％、0.02％时的应力，规定为比例极限 弹性极限 σe 兆帕〔斯卡〕 MPa 式中 ──弹性极限载荷（N ） F ──试样横截面积（mm 2） 拉伸试验机或万 能材 料试 验机 这是表示金属最大弹性的指标，即在弹性变形阶段，试样不产生塑性变形时所能承受的最大应力，它和σp 一样也很难精确测定，一般多不进行测定，而以规定的σp 数值代替之 强度 强度指金属在外力作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力 强度极限 σ 兆帕〔斯卡〕 MPa 式中 ──最大载荷（N ） F ──试样横截面积（mm 2） 指金属受外力作用，在断裂前，单位面积上所能承受的最大载荷 抗拉强度 σb 兆帕〔斯卡〕 MPa 式中 ──最大拉力（N ） F ──试样横截面积（mm 2） 拉伸试验机 或万 能材 料试验机 指外力是拉力时的强度极限，它时 衡量金属材料强度的主要性能指标
地基土物理力学指标建议值表 土名 容重 γ （kN/m3） 地基土 承载力 基本容许值 fao （kPa） 内聚 力 C k （kPa） 内摩 擦角 φk （0） 压缩 模量 Es （MPa） 岩石天然单轴 极限抗压 强度frc (Kpa) 岩石饱和单轴 极限抗压 强度fr (Kpa) 素填土18.5 90 15 10 5.0 含卵石粉质粘土19.5 160 25 15 6.0 粉质粘土19.0 140 20 12 5.5 细砂19.5 80 22 7.0 稍密卵石21.0 320 30 25 中密卵石22.0 550 35 30 密实卵石23.0 850 40 45 强风化粉砂质泥岩22.0 300 1500 中风化粉砂质泥岩23.0 850 350 30 4500 3000 强风化粉砂岩23.0 500 2000 中风化粉砂岩24.0 1200 600 40 7000 5000 地基土物理力学指标建议值表表16 土名 基床 系数 K MPa/m3 地基土的水 平抗力系数 的比例系数 m 底摩擦 系数 μ 土体与 锚固体 粘结强度特 征值f rb kPa 钻孔灌注嵌岩桩桩基础 钻孔灌注桩 桩摩阻力 标准值qsik （kPa） 竖直水平 杂填土 4 素填土 6 0.20 15 20 含卵石粉质粘土25 18 12 0.30 45 40 粉质粘土20 16 10 0.30 40 35 细砂16 11 14 0.25 50 30 稍密卵石22 18 50 0.40 80 140 中密卵石36 27 75 0.45 100 180 密实卵石65 55 90 0.50 120 300 强风化粉砂质泥岩100 80 0.45 100 140 中风化粉砂质泥岩220 200 0.50 150 200 强风化粉砂岩120 90 0.45 120 160 中风化粉砂岩240 220 0.55 200 240
金属材料机械性能的指标及意义 材料在一定温度条件和外力作用下，抵抗变形和断裂的能力称为材料的力学性能。锅炉、压力容器用材料的常规力学性能指标主要包括：强度、硬度、塑性和韧性等。 （1）强度强度是指金属材料在外力作用下对变形或断裂的抗力。强度指标是设计中决定许用应力的重要依据，常用的强度指标有屈服强度σS或σ0.2（国外用Re表示）和抗拉强度σb（国外用Rm表示），高温下工作时，还要考虑蠕变极限σn和持久强度σD。 （2）塑性塑性是指金属材料在断裂前发生塑性变形的能力。塑性指标包括：伸长率δ，即试样拉断后的相对伸长量；断面收缩率ψ，即试样拉断后，拉断处横截面积的相对缩小量；冷弯（角）α，即试件被弯曲到受拉面出现第一条裂纹时所测得的角度。 （3）韧性韧性是指金属材料抵抗冲击负荷的能力。韧性常用冲击功Ａk和冲击韧性值αk表示。Αk值或αk 值除反映材料的抗冲击性能外，还对材料的一些缺陷很敏感，能灵敏地反映出材料品质、宏观缺陷和显微组织方面的微小变化。而且Ａk对材料的脆性转化情况十分敏感，低温冲击试验能检验钢的冷脆性。 表示材料韧性的一个新的指标是断裂韧性δ，它是反映材料对裂纹扩展的抵抗能力。 （4）硬度硬度是衡量材料软硬程度的一个性能指标。硬度试验的方法较多，原理也不相同，测得的硬度值和含义也不完全一样。最常用的是静负荷压入法硬度试验，即布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HRA、HRB、HRC）、维氏硬度（HV），其值表示材料表面抵抗坚硬物体压入的能力。而肖氏硬度（HS）则属于回跳法硬度试验，其值代表金属弹性变形功的大小。因此，硬度不是一个单纯的物理量，而是反映材料的弹性、塑性、强度和韧性等的一种综合性能指标。 在断裂力学基础上建立起来的材料抵抗裂纹扩展断裂的韧性性能称为断裂韧性。（Kic,Gic） 常用的35CrMo在850℃油淬，550℃回火后，机械性能如下： σb≥980MPa；σs≥835 MPa；δ5≥12%；ψ≥45%；AK≥63J； 而高级优质的35CrMoA的性能应该更加优良稳定。
黄土的物理力学性质 §2-1 黄土的物理性质 试验用黄土采用甘肃兰（州）海（石湾）高速公路工程现场扰动土，其物理性质主要由它的物理性质指标来体现，其物理性质指标主要有：孔隙率、天然含水量、容重和液塑限等。 由于黄土的生成与存在条件比较特殊，它的孔隙率比普通土的孔隙率要大。一般黄土中存在肉眼易见的孔隙，这些孔隙多为铅直圆孔，这类孔隙通称为大孔隙。大孔隙比例的多少在一定程度上决定了黄土湿陷性的大小，大孔隙多的黄土湿陷程度大；反之则小。 试验所用黄土的天然含水量很低，一般在10％以下。含水量在剖面上的变化与黄土层的厚度和埋藏深度没有直接关系。黄土的容重、比重取决于黄土的矿物成分、结构和含水量，而黄土的颗粒分散度、矿物成分、形状和弹性在一定程度上决定了黄土的液塑性。 黄土的物理性质随成岩时代、成岩地区的不同而表现出一定的差异。为了得到该黄土的物理性质，我们根据《公路土工试验规程》（JTJ 051-93）的要求，分别采用联合液塑限仪、烘箱和重型击实等方法进行了有关指标的测定，测定结果如表2-1所示。 黄土的物理性质表2-1 一．主要成分分析 组成黄土的矿物约有60种，其中轻矿物（d﹤）含量占粗矿物（d﹥）总量的90%以上。黄土中粘土矿物（d﹤）以不同的方式同水和孔隙中的水溶液相互作用，显示出不同的亲水性，故粘土矿物的成分和比例，在某种程度上体现了黄土的湿陷性。 水溶盐的种类和含量与黄土的湿化、收缩和透水性关系密切，直接影响着黄土的工程性质。 水溶盐包括易溶盐、中溶盐和难溶盐三种。易溶盐（氧化物，硫酸镁和碳酸钠）极易溶于水或与水发生作用。它的含量直接影响到黄土的湿陷性。 中溶盐（石膏为主）的存在状态决定其与水的作用情况。以固体结晶形态存在时，
土的物理力学性质的形成 土是连续、坚固的岩石在风化作用下形成的大小悬殊的颗粒，在原地残留或经过不同的搬运方式，在各种自然环境中形成的堆积物。由于土的形成年代和自然条件的不同，是各种土的工程物理力学性质有很大差异。 一、土的物理性质的形成 土的物理性质包括土粒密度、土的密度、含水性及孔隙性等，以及由此延伸出的细粒土的稠度和可塑性，一般土的胀缩性、崩解性、毛细性级透水性。 就像一开始提到的，土的物理性质直接受到其矿物成分的影响，包括原生矿物及次生矿物，原生矿物成分中含有石英、长石、角闪石、云母等，因此其物理力学性质较为稳定，但颗粒粗大，为卵石、砂砾、粉粒的主要组成成分，性质坚硬。而次生矿物又分为可溶矿物和不可溶矿物，可溶矿物含有卤化物、硫酸盐、碳酸盐等，经结晶沉淀，填充于土粒空隙中，构成不稳定胶结物；不可溶矿物常见的有游离氧化物和粘土矿物，这些成分组成的土颗粒，大都细小，并且有一定的亲水性，胶结能力十分强。 矿物成分影响土颗粒成分及大小，进而影响土的透水性、胶结性并对土的结构和构造起相当的影响作用。比如土的膨胀性，对于土吸水膨胀、失水收缩的性质，最普遍的看法是粘粒与土中水作用后，由于双电层的形成使扩散层或若结合水的厚度发生变化；或由于某些亲水性较强的粘土矿物层间结合水的吸入或析出有关。而土的毛细性，则同时受内外因的作用而形成，主要受以土的粒度成分、矿物成分、水溶液的化学成分、土的结构为主的内因和以气温、蒸发等因素为主的外因有关。 至于土粒密度、土的密度、含水性及孔隙性等物理性质，主要受矿物成分矿物密度级配土颗粒排列的疏密程度决定。 二、土的力学性质的形成 土的力学性质主要包括：土的压缩性、抗剪性和击实性。 土是三相介质，多孔、松散，土粒间仅有微弱的连结或无连结，因此，土在外力作用下易变形，强度低，但土的力学性质说明了土有一定的抵抗外力变形的能力。 土的压缩性，是在外力作用下，土的体积缩小的性质。因为是三相介质，所以土的压缩，有三种可能：○1土粒本身的压缩变形；○2孔隙中水和气体的压缩变形；○3孔隙中部分水和气体的排出，土颗粒相互靠拢使空隙减小。因此影响土的压缩性的因素中，密实度最为主要。还有土的矿物成分是否坚硬、土体的结构是否松散、土本身受到的外力的大小，土颗粒的连结和摩擦是否紧密等。土的压缩变形，体现了结构、孔隙比和含水率的变化。而且，由于物质组成的关系，不同粒径的土的压缩性也不尽相同。粗粒土颗粒大，矿物亲水性弱，单粒结构，无连
第一章 土的物理性质、水理性质和力学性质 第一节 土的物理性质 土是土粒（固体相），水（液体相）和空气（气体相）三者所组成的；土的物理性质就是研究三相的质量与体积间的相互比例关系以及固、液两相相互作用表现出来的性质。 土的物理性质指标，可分为两类：一类是必须通过试验测定的，如含水量，密度和土粒比重；另一类是可以根据试验测定的指标换算的；如孔隙比，孔隙率和饱和度等。 一、土的基本物理性质 （一）土粒密度(particle density) 土粒密度是指固体颗粒的质量m s 与其体积Vs 之比；即土粒的单位体积质量： s s s V m =ρ g/cm 3 土粒密度仅与组成土粒的矿物密度有关，而与土的孔隙大小和含水多少无关。实际上是土中各种矿物密度的加权平均值。 砂土的土粒密度一般为：2.65 g/cm 3左右 粉质砂土的土粒密度一般为：2.68g/cm 3 粉质粘土的土粒密度一般为：2.68~2.72g/cm 3 粘土的土粒密度一般为：2.7-~2.75g/cm 3 土粒密度是实测指标。 （二）土的密度(soil density)
土的密度是指土的总质量m 与总体积V 之比，也即为土的单位体积 的质量。其中：V=Vs+Vv; m=m s +m w 按孔隙中充水程度不同，有天然密度，干密度，饱和密度之分。 1．天然密度（湿密度）(density) 天然状态下土的密度称天然密度，以下式表示： v s w s V V m m V m ++==ρ g/cm 3 土的密度取决于土粒的密度，孔隙体积的大小和孔隙中水的质量多少，它综合反映了土的物质组成和结构特征。 砂土一般是１.4 g/cm3 粉质砂土及粉质粘土１.4 g/cm3 粘土为１.4 g/cm3 泥炭沼泽土：１.4 g/cm3 土的密度可在室内及野外现场直接测定。室内一般采用“环刀法”测定，称得环刀内土样质量，求得环刀容积；两者之比值。 2．干密度（dry density ） 土的孔隙中完全没有水时的密度，称干密度；是指土单位体积中土粒的重量，即：固体颗粒的质量与土的总体积之比值。 V m s d =ρ g/cm 3 干密度反映了土的孔隙生，因而可用以计算土的孔隙率，它往往通过土的密度及含水率计算得来，但也可以实测。 土的干密度一般常在1.4~1.7 g/cm3
硬度：指金属材料抵抗硬物压入表面的能力。 常用的硬度测定方法都是用一定载荷（压力）把一定的压头压在金属材料表面，然后测定压痕面积或深度来确定硬度值，压痕愈大愈深则硬度愈低。它是表征材料的弹性、塑性、形变强化率，强度、韧性等一系列不同物理量的组合的一种综合性能指标。由于简单易行，不必破坏所以是重要的检验手段之一。 ①布氏硬度：HB 在直径为D的淬火钢球上施加压力P，使钢球压入被测金属表面，并留下压痕，载荷P与压痕表面积之比称为布氏硬度。 为了避免压痕面积计算的麻烦，专门制定了压痕直径与HB值的对照表。 在布氏硬度实验时，钢球直径D，压力P和力保持时间应根据不同的金属材料和厚度选定。的比值不同，不能直接进行比较。分为30、10、25三种；压痕直径d应在0.25D＜d＜0.6D范围内。HB＞450不能用淬火钢球测量布氏硬度。 硬度与强度的关系： 表示方法：HBS淬火钢球≤450HB，HBW合金钢球≤650HB ②洛氏硬度：HR 洛氏硬度时采用测量压痕深度来确定硬度值的实验方法。
实验：锥角为120°的金刚石圆锥或直径为1.588㎜（英时）的淬火钢球负载先后两次施加，先加100N初载再加主载荷，按照压头种类和总实验力的大小组成三种洛氏值。 洛氏硬度及应用范围 洛氏硬度实验适用范围广，操作简便迅速，压痕较小故在热处理质量检验中应用最广。 ③维氏硬度HV：使用金刚石正四棱锥体 为了满足从软到硬有一个连续一致的硬度标度，需要采用维氏硬度HV：是以负荷除以压痕表面积所得的商。测出两对角线平均长度（d）㎜。然后查表或代入公式确定硬度值。 它采用正棱角锥体金刚石压头，实验压力从10～1000N选用。还有显微硬度选更小的压力测出金相组织中不同相的硬度。焊缝热影响区硬度等。 ④里氏硬度：HL 装有一碳化钨冲击测头在一定高度下冲击试件表面测出冲击测头距试样表面1㎜处的冲击速度和回跳速度，是利用电磁感应原理中速度与电压成正比的关系。则 里氏硬度仪体积小、重量轻、操作简便，任何方向均可测试，所以适合现场使用，由于是电压值，电脑处理十分方便。
1、塑性指数 plasticity index 塑性指数是液限和塑限之差称为塑性指数，用不带百分号的小数表示，符号为IP。 概述 塑性是表征细粒土物理性能一个重要特征，一般用塑性指数来表示；液限与塑限的差值称为塑性指数IP，即IP=WL-WP。过去的研究表明，细粒土的许多力学特性和变形参数均与塑性指数有密切的关系。 特征 塑性指数 可塑性是粘性土区别于砂土的重要特征。可塑性的大小用土处在塑性状态的含水量变化范围来衡量，粘性土由一种状态过渡到另一种状态的分界含水量叫作界限含水量，也称为阿太堡界限，有缩限含水量、塑限含水量、液（流）限含水量、粘限含水量、浮限含水量五种，在建筑工程中常用前三种含水量。固态与半固态间的界限含水量称为缩限含水量，简称缩限，用ω表示。半固态与可塑状态间的含水量称为塑限含水量，简称塑限，用ωp表示。可塑状态与流动状态间的含水量称为液（流）限含水量，简称液限，用ωl表示。含水量用百分数表示。天然含水量大于液限时土体处于流动状态；天然含水量小于缩限时，土体处于固态；天然含水
量大于缩限小于塑限时，土体处于半固态；天然含水量大于塑限小于液限时，土体处于可塑状态。 塑性指数习惯上用不带%的数值表示。塑性指数是粘土的最基本、最重要的物理指标之一，它综合地反映了粘土的物质组成，广泛应用于土的分类和评价。 因素 由于塑性指数在一定程度上综合反映了影响粘性土特征的各种重要因素。塑性指数愈大，表明土的颗粒愈细，比表面积愈大，土的粘粒或亲水矿物（如蒙脱石）含量愈高，土处在可塑状态的含水量变化范围就愈大。也就是说塑性指数能综合地反映土的矿物成分和颗粒大小的影响。因此，在工程上常按塑性指数对黏性土进行分类。粉土为塑性指数小于等于10且粒径大于0.075的颗粒含量不超过总质量50%的土；黏性土为塑性指数大于10且粒径大于0.075的颗粒含量不超过总质量50%的土，其中： Ip>17 黏土 Ip>10 粉质黏土 Ip<10或Ip=10 粉土 2、液性指数liquid index 对黏性土来说，有一个指标叫液性指数，是判断土的软硬状态，表示天然含水率与界限含水率相对关系的指标。 液性指数公式 IL=(ω-ωp)/(ωL-ωp)。 ω：土的实际含水量