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1、高等土力学,谢康和,高等土力学 Advanced Soil Mechanics,课时安排 1 土的结构与分类（1周） 2 土的渗透性和渗流（1周） 3 固结（2周） 4 沉降分析（1周） 5 抗剪强度（1周）,高等土力学 Advanced Soil Mechanics,参考文献 1.土的工程性质,黄文熙主编,中国水利水电出版社,1983年 2.土工原理与计算(第二版),钱家欢、殷宗泽主编, 中国水利水电出版社,1996年5月 3.理论土力学,沈珠江著, 中国水利水电出版社,2000年5月 4.土工计算机分析,龚晓南主编,中国建筑工业出版社,2000年10月 5.岩土工程有限元分析理论与应用,谢
2、康和、周健编著,科学出版社,2002年5月 6.Advanced Soil Mechanics,Das,B.J., McGraw-Hill Book Company,1983 7.高等土力学,李广信主编,清华大学出版社,2004,1 土的结构与分类Structure and Classification of Soil,1.1 土的形成 1.2 土的组成 1.3 土骨架 1.4 土中水 1.5 无粘性土的密实度 1.6 粘性土的稠度（软硬程度） 1.7 土的分类 1.8 有效应力原理 1.9 粘性土的灵敏度和触变性 1.10非饱和土的压实原理-道路等工程,1.1 土的形成,严格地说，土是由地质
3、作用而生成的。,1.1 土的形成,地质作用导致地壳（3080km）成分变化和构造变化的作用。是土 的生成的根本原因和动力。,1.1 土的形成,内力地质作用由于地球自转的旋转能和放射性元素的蜕变产生 的热能所引起。 外力地质作用由于太阳的辐射能和地球的自重能所引起。 内力与外力地质作用彼此独立又相互依存，前者对地壳的发展占主 导地位。 总之，地质作用形成了各种成因的地形，造就了岩浆岩、变质岩、 沉积岩，也生成了土。,1.1 土的形成,对土的生成贡献最大的地质作用是风化作用。,1.1 土的形成,按风化成因，土可分为：,岩石经风化剥蚀作用而形成的碎散颗粒，有的存留在原地，有的则进一步经自然力的搬运而
4、在别处沉积，就形成了性质千差万别的各种土。,1.1 土的形成,按沉积地理历史，土可分为：,残积土：未经自然力（水力、风力、冰川活动等）剥蚀和搬运，留存原地的散碎体、碎屑物。分布于山坡、山顶，近基岩。 风成沉积土：因风力的剥蚀和搬运作用在别处沉积的土。包括黄土和砂丘。 水成沉积土：因水力的侵蚀和搬运作用在别处沉积的土。可分为：坡积土、洪积土、冲积土、湖相沉积土、三角洲沉积土、海相沉积土等 冰川沉积土：因冰川活动的剥蚀和搬运作用在别处沉积的土。,土,1.1 土的形成,残积土：性质与母岩类似，与基岩无明显界限(强风化弱风化鲜 岩)、粗颗粒且未被磨圆和分选（因未经搬运）、无层理构造、孔隙大、 均匀性差
5、。 风成沉积土：（1）黄土：黄色、粉状。具有肉眼可见的大孔隙、结 构强度较高、压缩性小。但有的在自重应力或自重应力和附加应力的联 合作用下，受水浸泡后土体结构迅速破坏而发生显著下沉，称为湿陷性 黄土。（2）砂丘：大面积砂性土烈风搬运风速减小时落下形成。可 在地面上移动（风力作用下）；砂丘中砂颗粒大小极不均匀（由于风的 选分作用）。,1.1 土的形成,水成沉积土：雨、雪水从河流发源地向四面八方流向江河，最后汇入 大海。一路上侵蚀、搬运土层，形成各种新的沉积土： （1）坡积土：岩石风化物经雨水、雪水冲刷、侵蚀携带，沉积在较 平缓的山坡上形成的沉积物。土质不均匀（搬运距离很短），厚度变化 大（新坡积
6、土疏松、压缩性高） （2）洪积土：山洪急流冲刷地表土层，形成泥石流，在山谷冲沟山 口或山前倾斜平原上形成的堆积物。有不规则交错的层理构造，如夹层 、透镜体等。土质不均匀。（由于山洪是周期性产生的，每次大小均不 同，故每次堆积物的性质都不一样） （3）冲积土：河流水力将坡积土、洪积土侵蚀、搬运，沉积在河流 、坡降变小的平缓地带形成的沉积物。搬运距离长，带棱角颗粒（如块 石、砾石、角砾）经滚磨碰撞变圆、变细。 可分为：平原河谷冲积土（颗粒较细）和山区河谷冲积土（颗粒较粗 ）；有的经多次搬运直至近海区，成为海相沉积土。,1.1 土的形成,（4）湖泊沉积土：湖泊发育过程中由于湖浪冲蚀湖岸、破坏岸壁等
7、而在其中形成的沉积物。成分复杂、变化大。湖边（近岸带）粗颗粒 （卵石、圆砾、砂土），远岸带是细颗粒的砂土、粘性土，湖心是粘土 和污泥。 湖泊淤塞后形成沼泽，沼泽沉积物包括泥炭土（动植物残余体，有机 质含量极高）。 （5）三角州沉积土：河水流至海洋时，因流速减小，其中携带的悬 浮物质在河口形成的沉积土。近河口的颗粒较粗，远离河口的近海处颗 粒较细。 （6）海相沉积土：江、河将各种冲积土搬至海洋而形成的沉积土， 按海水深度不同而分为滨海沉积物、浅海沉积物、陆坡沉积物和深海沉 积物。,1.1 土的形成,冰川沉积土：特性取决于其搬运土的种类、搬运距离、坡度、压力等 从强度上看：残积土强度最大，沼泽土强
8、度最差。 我省（杭州、萧山、宁波、绍兴）土一般属于滨海、湖泊、三角洲 混合沉积土。杭州西部土质较差，大都为软土；东部（近钱塘江）土质 较好，主要为粉土、粉质粘土。,1.1 土的形成,土的生成绝非一日之功，而必须经过漫长的时间。 地质年代地壳发展历史与地壳运动、沉积环境及生物演化相应的 世代段落。分为绝对的和相对的，后者应用最广。 地球的形成至今大约60亿年。 相对地质年代根据古生物的演化和岩层形成的顺序，将地壳历史 划分成的一些自然时段，共划分为五大代：太古代、元古代、古生代、 中生代、新生代。 代又分为纪，纪又分为若干世和期，即代纪世期。 每一地质年代中都划分有相应的地层，依次为界系统阶（层
9、） 在新生代中最新近的一个纪段称为第四纪，我们现在所见的土就是在 这一地质年代生成且尚未胶结成岩的，距今约1百万年。,1.1 土的形成,第四纪地质年代的细分,因此，我们现在所指的土可称为第四纪沉积物（层）。,1.1 土的形成,上述各种土形成后仍受物理、化学作用，产生沉积后的变化，主要有 ： 1.风化作用：风吹雨打日晒，例如成分逐步改变，干燥后收缩形成硬 壳层等。 2.固结作用：自重作用下、水位下降后、外荷载下固结（粘土），地 震、人类活动使土体振密（无粘性土） 3.溶解作用：由于环境改变而导致离子交换和可溶盐的淋溶，沉积物 被溶解，从沉积土中迁移。如土洞、溶洞的生成。 4.成岩作用：土在漫长的
10、地质年代里，在覆盖压力和含有碳酸钙、二 氧化硅等胶结物作用下，逐渐压密、脱水、胶结、硬化而生成新的岩石,1.1 土的形成,因此： 岩石经风化而成土，土也可经压实固结、脱水、胶结硬化而成为 岩石（沉积岩），即 总之： 从土的形成到岩石的再生，或即土与岩石的相互转化，虽然过程缓慢，但循环往复、永不休止。 这就是大自然演化的辩证法。,1.2 土的组成,1.2.1 土的矿物组成 土：固相（一种或多种矿物的集合体）、液相、气相。 土的矿物成分组成土中固体颗粒的矿物类型、结构等。 了解土的矿物成分，对认识土体性状非常有益。 1.非粘土矿物（原生矿物） 母岩（由岩浆冷凝生成）物理风化的产物。构成岩石结构的矿
11、物颗粒 。如石英、云母、长石、辉石、角闪石等。在大多数土中，石英含量最 多，其次是长石、云母。（因石英结构稳定，而其它矿物很容易被化学 风化）。 残积土、无粘性土（包括砾石、和砂土等）一般均由非粘土矿物组成,1.2 土的组成1.2.1 土的矿物组成,2粘土矿物（是构成粘土的主要矿物，是自然界最常见、数量最多的次生矿物） 次生矿物 由原生矿物进一步化学风化而成。 粘土矿物结构中有两个基本单元：硅氧四面体（见下图）、铝氧八面 体或镁氧八面体。 硅氧晶片（S） 由硅氧四面体连接成的片状晶体结构。厚4.63 。 八面体晶片(G) 由铝氧八面体连接成的片状晶体结构。厚5.05 （ Angstrom,埃（
12、波长单位），1 =10-10m）。,1.2 土的组成1.2.1 土的矿物组成,粘土矿物主要有：蒙脱石、伊利石、高岭石和绿泥石。 （1）高岭石：一般由长石风化而成，由硅氧晶片和铝氧八面体晶片 相间组成。 结构式：(OH)4Si4Al4O10 特点：水稳性好，可塑性低，压缩性低，亲水性差。 （2）蒙脱石：由两个硅氧晶片和一个八面体晶片组成。 结构式：(OH)4Si8Al4O20.nH2O 特点：结构不稳定，水分易进入，亲水性好，吸水膨胀，脱水收缩。 可塑性高，压缩性高，强度低，渗透性小。 （3）伊利石：由硅氧晶片 水铝石晶片 硅氧晶片三层相间构 成。 结构式：(OH)2K2(Si6Al2) Al4
13、O20 ，性质介于高岭石和蒙脱石之间。 （4）绿泥石：由辉石或角闪石风化而成，由硅氧晶片和八面体晶片 交替迭合而成。目前研究较少，性质类似伊利石。 亲水性：蒙脱石（亲水性好）伊利石高岭石（亲水性差） 渗透性：与亲水性相反,1.2 土的组成1.2.1 土的矿物组成,3非晶质粘土矿物（包括水钻英石和各种胶体氧化物和含水氧化物） 非晶质的硅酸盐粘土矿物的通称，凡有此成分的土均有较高的灵敏性 和活动性。 4有机质 来源于动植物遗体的分解和腐烂。为泥炭土的主要成分。 5溶解盐类（包括易溶盐、中溶盐、难溶盐） 易溶盐中的硫酸盐对金属有腐蚀，应重视。,1.2 土的组成,1.2.2 土的三相及相互关系,土的三
14、相及计算图,ms：土粒质量 mw：土中水质量 ma：土中气质量 m：土的总质量， m=ms +mw Vs：土粒体积 Vw：土中水体积 Va：土中气体积 Vv：土中孔隙体积 Vv= Va+ Vw V：土的总体积 V= Vv+ Vs,1.2 土的组成1.2.2 土的三相及相互关系,对饱和土： 孔隙比： （饱和土） 密实、低压缩性； 疏松、高压缩性。 孔隙度： 饱和度： 干土 ；饱和土 含水量：,1.2 土的组成1.2.2 土的三相及相互关系,土粒比重（土粒相对密度） 土粒质量与同体积的 时纯水的质量之比，即： 土粒密度： ，g/cm3； 时纯水的密度，1 g/cm3或 1 t/m3； 天然水密度，
15、约为1g/cm3） 土的密度（单位体积土体质量） ： 干密度： ，土单位体积中固体颗粒部分的质量。 （工程上用作评定土体密实度，控制填土工程的施工质量）,1.2 土的组成1.2.2 土的三相及相互关系,饱和密度： ，土孔隙中充满水时土体的单位体积质量。 有效密度： ，单位土体中土粒的有效质量（在 地下水位以下，扣除浮力后单位土体积中土粒的质量）。 与五种密度相应，土有五种重度（即重力密度，kN/m3）： 土粒重度： ； 湿重度（又称天然重度）： 干重度： 饱和重度： 有效重度： 。 其中 ，水（天然）重度（约为10 kN/m3）；g=9.807 m/s2, 重 力加速度。 一般， 。,1.2 土的组成1.2.2 土的三相及相互关系,土粒比重、含水量、土密度三个指标可通过试验测定，其他指标则可 由它们导出。常用土的三相物理指标换算图进行各指标间关系的推导和换 算。 令 ，则 ， ， ， ， 如孔隙比e的推导： 因为： ； 所以： ；对于饱和土，,1.2 土的组成1.2.2 土的三相及相互关系,其他指标的推导： 综上可见，土的三相物理指标共15个（ , w, e, n, ,五种密 度，五种重度）。 密度单位：g/cm3, 重度单位：kN/m3, 其余均无量纲。,1.3 土骨架,土骨架由土颗粒组成，为土的固相部分。 1.3.1 土颗粒及级配 粒组
