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1、清华大学土木水利学院 岩 土 工 程 研 究 所 张 丙 印 土力学1之第一章 土的物理性质与工程分类 本章提要 本章特点 学习要点 第一章：土的物理性质与工程分类 对土的特点进行详细解释 对土的组成和状态进行定量描述 内容琐碎、零散 理清各节间联系 理清各节内层次 注意物理概念的把握 仁者乐山 智者乐水 渗透特性 变形特性 强度特性 土的三相组成 土的物理状态 土的结构 土的形成过程 土的工程分类：便于研究和应用 土的压实性：如何获得较好的土 决定 仁者乐山 智者乐水 提醒：请同学们上教育在线2003年 版进行土力学实验预习 IP地址：166.111.92.9 用户名和密码已通知 1-1，1
2、-2，1-3，1-5，1-6 1-4 （假定两种土的活性指数相同） 1-8，1-9，1-10，1-12 仁者乐山 智者乐水 第一章：土的物理性质与工程分类 1.1 土的形成 1.2 土的三相组成 1.3 土的物理状态 1.4 土的结构 1.5 土的工程分类 1.6 土的压实性 仁者乐山 智者乐水 土 的 形 成 土岩石 风化、搬运、沉积 地质成岩作用 土的组成、结构 和物理力学性质 过程、条件 1.2 土的形成 仁者乐山 智者乐水 土的形成与风化作用 物理风化 化学风化 生物活动 岩石和土的粗颗粒受各种气 候等物理因素的影响产生胀 缩而发生裂缝,或在运动过 程中因碰撞和摩擦而破碎 是颗粒大小发
3、生量的变化 矿物成分与母岩相同，称原 生矿物 产生无粘性土 1.2 土的形成 仁者乐山 智者乐水 母岩表面和碎散的颗粒受环 境因素的作用而改变其矿物 的化学成分，形成新的矿物 颗粒成分发生质的变化 矿物成分与母岩不同，称次 生矿物 形成十分细微的土颗粒，最 主要为粘性颗粒及可溶盐类 土的形成与风化作用 物理风化 化学风化 生物活动 1.2 土的形成 仁者乐山 智者乐水 包括植物、动物和土壤微 生物的作用 可加剧物理和化学风化 构成土中有机质和营养物 质的生物循环 导致腐殖质的形成，改变 土壤的结构 土的形成与风化作用 物理风化 化学风化 生物活动 1.2 土的形成 仁者乐山 智者乐水 残积土
4、无搬运 运积土 有搬运 搬运与沉积 母岩表层经风化作用破碎成岩 屑或细小颗粒后，未经搬运残 留在原地的堆积物 残积土 强风化 弱风化 微风化 母岩体 颗粒表面粗糙 多棱角 粗细不均 无明显层理 1.2 土的形成 仁者乐山 智者乐水1.2 土的形成 搬运与沉积 残积土 无搬运 运积土 有搬运 风化所形成的土颗粒，受自然力的 作用搬运到远近不同的地点所沉积 的堆积物 坡积土：土粒粗细不同，性质不均 洪积土：有分选性，近粗远细 冲积土：浑圆度分选性明显，土层交迭 湖泊沼泽沉积土：含有机物淤泥，土性差 海相沉积物：颗粒细，表层松软，土性差 冰积土：土粒粗细变化较大，性质不均匀 风积土：颗粒均匀，层厚而
5、不具层理 仁者乐山 智者乐水 第一章：土的物理性质与工程分类 1.1 土的形成 1.2 土的三相组成 1.3 土的物理状态 1.4 土的结构 1.5 土的工程分类 1.6 土的压实性 风化作用 搬运与沉积 仁者乐山 智者乐水 土中气体 气相 次要作用 固体颗粒 固相 构成土体骨架 起决定作用 土中水 液相 重要影响 土体的三相构成 饱和土 ：土体孔隙完全被水充满 干 土 ：土体孔隙完全被气充满 非饱和土：孔隙中水和气均存在 1.2 土的三相组成 仁者乐山 智者乐水 固体颗粒 - 颗粒大小 粒组 按粗细进行分组，将粒径接近的归成一类 界限粒径 d (mm) 砾石砂粒粉粒粘粒胶粒 60 2 0.0
6、75 0.0050.002 0.250.5520 粗 中 细粗 中 细 0.075 粗粒细粒 粗粒土：以砾石和砂砾为主要组成的土，也称无粘性土。 细粒土：以粉粒、粘粒和胶粒为主要组成的土，也称粘性土。 巨粒 60 1.2 土的三相组成 固体颗粒 仁者乐山 智者乐水 固体颗粒 - 粒径级配 F 粒径级配：各粒组的相对含量，用质量百分 数来表示 F 分析方法： 筛分法：适用于粗粒土 孔径大小不同的筛子 水分法：适用于细粒土 常采用比重计法 F 表述方法: 粒径级配累积曲线 1.2 土的三相组成 固体颗粒 仁者乐山 智者乐水1.2 土的三相组成 固体颗粒 固体颗粒 - 粒径级配 孔径 10 5.0
7、2.0 1.0 0.5 0.25 0.1 (0.075) 200g土 筛余 0 10 16 18 24 22 38 72 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 小于某粒径之土质量百分数P（） 10 5.0 1.0 0.5 0.10 0.05 0.01 0.005 0.001 粒径(mm) P 100 95 87 78 66 55 36 土的粒径级配 累积曲线 水分法 粒径(mm)0.050.010.005 百分数P(%)2613.510 筛 分 法 仁者乐山 智者乐水 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 小于某粒径之土质量百分数（） 1
8、0 5.0 1.0 0.5 0.10 0.05 0.01 0.005 0.001 粒径(mm) 土的粒径级配累积曲线 固体颗粒 级配曲线 d60d50 d10 d30 特征粒径: 斜率: 某粒径范围内颗 粒的含量 陡-相应粒组含量多 缓-相应粒组含量少 平台-相应粒组缺乏 d50 : 平均粒径 d60 : 控制粒径 d10 : 有效粒径 d30 1.2 土的三相组成 固体颗粒 仁者乐山 智者乐水1.2 土的三相组成 固体颗粒 土的粗细度：用d50 表示 土的不均匀程度：用不 均匀系数： Cu = d60 / d10 表示，Cu 5，称为不均 匀土，反之称为均匀土 连续程度: 用曲率系数 Cc
9、= d302 / (d60 d10 ) 度量, Cc=13为连续级 配, 3或3 或 Cc 外压 液体1 液体2 界面张力 界面张力 仁者乐山 智者乐水1.2 土的三相组成 土中水 毛管中流体的界面效应 T dk w 空气 固体 =湿润角 水 a T =界面张力 Dk=毛管直径 ua-uw ua-uw =压力差 仁者乐山 智者乐水1.2 土的三相组成 土中水 毛 细 管 hc 土中毛细水上升高度 T 2r 上升高度 r2hcw=2rTcos 毛细升高与孔径成反比 粘土 粉土 砂土 砾石 仁者乐山 智者乐水1.2 土的三相组成 土中水 张力T T uc 水 hc 2r uc= -hcw 水压 +
10、 - T T 则毛细压力： 2rTcos+ucr2 = 0 毛细管中的 负静水压力 毛细水压力 仁者乐山 智者乐水1.2 土的三相组成 土中水 土颗粒缝隙处的弯液面 r 空气 水 固体颗粒 弯液面 F在非饱和土中，孔隙中含 有水和气，此时水多集中 于颗粒间的缝隙处，称毛 细角边水。 F由于毛细张力的作用，会 形成如图所示的弯液面， 使毛细角边水产生负压力 ，颗粒则受正压力。 F这是稍湿的砂土颗粒间存 在假凝聚力的原因 仁者乐山 智者乐水1.2 土的三相组成 土中水 气相 - 土中气 F自由气体：与大气连通连通的气体 对土的性质影响不大 F封闭气体：被土颗粒和水封闭的气体 其体积与压力有关。会增
11、加土的弹性； 阻塞渗流通道，降低渗透性 F溶解在水中的气体 F吸附于土颗粒表面的气体 仁者乐山 智者乐水1.2 土的三相组成 小结 土体有三个组成部分：固相、液相和气相 小 结 F固体颗粒 F土中水 F土中气体 粒径级配 矿物成分 颗粒形状 结合水 ：强结合水、弱结合水 自由水 ：重力水、毛细水 自由气体 封闭气体 仁者乐山 智者乐水 第一章：土的物理性质与工程分类 1.1 土的形成 1.2 土的三相组成 1.3 土的物理状态 1.4 土的结构 1.5 土的工程分类 1.6 土的压实性 仁者乐山 智者乐水1.3 土的物理状态 土的物理状态 土的物理状态 粗粒土的松密程度 粘性土的软硬状态 土的
12、物理性质指标 (三相间的比例关系) 表 示 影响力学特性 仁者乐山 智者乐水1.3 土的物理状态 物理性质指标 物理性质指标 土的三个组成相的体积 和质量上的比例关系 密实程度 干湿程度 特点: 指标概念简单，数量很多 要点： 名称、概念或定义、符号、表达式、 单位或量纲、常见值或范围、联系与区别 基本方法: 定义 三相草图法 仁者乐山 智者乐水1.3 土的物理状态 物理性质指标 空气 Air 三 相 草 图 水 Water 固体 Solid ma=0 mw ms m 质量 Va Vw Vs Vv V 体积 仁者乐山 智者乐水1.3 土的物理状态 物理性质指标 三 相 草 图 九个物理量: V
13、 Vv Vs Va Vw ms m w ma m 物性指标是比 例关系: 可假设 任一参数为1 物理量关系: 空气 水 固体 ma=0 mw ms m 质量 Va Vw Vs Vv V 体积 三个独立变量， 干土或饱和土二 个独立变量 其它指标： 三相草图法计算 实验室 测定 仁者乐山 智者乐水1.3 土的物理状态 物理性质指标 基本物理性质试验 为了确定三相草图诸量中的三个量，通 常进行三个基本的物理性质试验： F 土的密度试验 F 土粒比重试验 F 土的含水量试验 仁者乐山 智者乐水1.3 土的物理状态 物理性质指标 定义：土单位体积的质量 表达式： 单 位: kg/m3 或 g/cm3
14、一般范围: 1.602.20 g/cm3 n 土的密度 空气 水 固体 ma=0 mw ms m 质量 Va Vw Vs Vv V 体积 相关指标: 土的容重 =g 单位: kN/m3 工程上更常用, 用于计算土的 自重应力 基本试验指标-土的密度 仁者乐山 智者乐水1.3 土的物理状态 物理性质指标 定义：土粒的密度与4C时 纯蒸馏水密度的比值 表达式： 单 位: 无量纲 一般范围：粘性土 2.702.75， 砂土 2.65 n 土粒比重Gs 基本试验指标-土粒比重 =1.0 g/cm3 土粒比重在数值上 等于土粒的密度 空气 水 固体 ma=0 mw ms m 质量 Va Vw Vs Vv
15、 V 体积 仁者乐山 智者乐水1.3 土的物理状态 物理性质指标 基本试验指标 - 含水量 定义：土中水的质量与土粒质 量之比，用百分数表示 表达式： 单 位: 无量纲 一般范围：变化范围大 注意: 其实是含水比,可达到或超过100 n 土的含水量W 空气 水 固体 ma=0 mw ms m 质量 Va Vw Vs Vv V 体积 仁者乐山 智者乐水1.3 土的物理状态 物理性质指标 n 可表示同一种土的松密，二者之间存在关系： 表示土中孔隙含量的指标 砂类土：28-35% 粘性土：30-50%，有的可达60-70% n 孔隙比e：土中孔隙体积与固体 颗粒体积之比, 为无量纲 n 孔隙率(孔隙度)n：土中孔隙体 积与总体积之比, 用百分数表示 可用三相草图推出 空气 水 固体 ma=0 mw ms m 质量 Va Vw Vs Vv V 体积 仁者乐山 智者乐水1.3 土的物理状态 物理性质指标 表示土中含水程度的指标 对干土：Sr=0 对饱和土：Sr=1 n 含水量： n 饱和度：土中水的体积与孔 隙体积的比值 饱和
