土的物理性质指标与工程分类(河海土力学课件)

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1、土 力 学,河海大学 岩土工程研究所 朱俊高,绪 论,土力学是研究土的物理性质以及在荷载作用下土体内部的应力变形和强度规律的一门学科。 土力学研究对象是土 需要研究和解决的工程中的三大类问题： 土体稳定或强度问题； 土体变形问题； 渗流：渗透变形与渗透稳定。,绪 论,土力学课程的学习方法： 注重基本概念的理解，要咬文嚼字，理解加记忆； 注意基本理论学习； 掌握基本的计算方法。,土力学课程的学习要求： 课后复习，每章学习完要复习； 作业独立完成； 作业按时交。,绪 论,土力学的历史： 人类在同生存作斗争的历史中，积累了大量的土力学知识； 土力学作为一门系统的学科是以太沙基的1925年出版的土力学

2、为标志；很多基本理论、试样方法在20世纪70年代前就已经形成； 现代土力学在本构模型理论、计算方法、非饱和土力学有较大发展；量测技术的提高；土动力学理论、分析方法、测试手段有很大发展和提高。,第一章 土的物理性质指标与工程分类,1-1 土的形成,土是松散颗粒的堆积物，是岩石风化的产物（人工破碎;堆石坝的坝壳料；相当于物理风化）。 土是指覆盖在地表的没有胶结或弱胶结的颗粒堆积物 根据来源分：有机土和无机土 岩石风化分为物理风化和化学风化。 物理风化：岩石经受风、霜、雨、雪的侵蚀，或受波浪的冲击、地震等引起各种力的作用，温度的变化、冻胀等因素使整体岩石产生裂隙、崩解碎裂成岩块、岩屑的过程。,第一章

3、 土的物理性质指标与工程分类,1-1 土的形成,化学风化：岩体（或岩块、岩屑）与氧气、二氧化碳等各种气体、水和各种水溶液等物质相接触，经氧化、碳化和水化作用，使这些岩石或岩屑逐渐产生化学变化，分解为极细颗粒的过程。,特征： 物理风化：量变过程，形成的土颗粒较粗； 化学风化：质变过程，形成的土颗粒很细。,对一般的土而言，通常既经历过物理风化，又有化学风化，只不过哪种占优而已。,第一章 土的物理性质指标与工程分类,土从其堆积或沉积的条件来看可分为：,残积土：岩石风化后仍留在原地的堆积物。 特点：湿热地带，粘土，深厚，松软，易变； 寒冷地带，岩块或砂，物理风化，稳定。,第一章 土的物理性质指标与工程

4、分类,运积土：岩石风化后经流水、风和冰川以及人类活动等搬运离开生成地点后再沉积下来的堆积物。又分为冲积土、风积土、冰碛土和沼泽土等。 冲积土：由水流冲积而成；颗粒分选、浑圆光滑 风积土：由风力带动土粒经过一段搬运距离后沉积下来的堆积物；没有层理、细砂或粉粒；黄土 冰碛土：由冰川剥落、搬运形成的堆积物；不成层、从漂石到粘粒 沼泽土：在沼泽地的沉积物；含有机质、压缩性高、强度低,1-2 土的组成,第一章 土的物理性质指标与工程分类,土是固体颗粒、水和空气的混合物，常称土为三相系。 固相：土的颗粒、粒间胶结物； 液相：土体孔隙中的水； 气相：孔隙中的空气。,1-2 土的组成,第一章 土的物理性质指标

5、与工程分类,当土骨架的孔隙全部被水占满时，这种土称为饱和土； 当土骨架的孔隙仅含空气时，就成为干土； 一般在地下水位以上地面以下一定深度内的土的孔隙中兼含空气和水，此时的土体属三相系，称为湿土。 根据土的粘性分：粘性土：颗粒很细； 无粘性土：颗粒较粗，甚至很大。砂、碎石、甚至堆石（直径几十cm甚至1m）,第一章 土的物理性质指标与工程分类,一、土的固相 （一）成土矿物 原生矿物：由物理风化生成的土粒；颗粒较粗，一般为无粘性土；石英、长石、云母等；圆形、板状、块状；吸水力弱、稳定、无塑性；砂多为石英。 次生矿物：由原生矿物经化学风化作用而形成的矿物。颗粒较细，一般为粘土矿物，形成粘性土。高岭石、

6、伊利石、蒙脱石；片状、极细；吸水力强、活泼、有塑性。,第一章 土的物理性质指标与工程分类,一、土的固相 （二）粘土矿物的晶体结构 粘土矿物：由各种硅酸盐矿物分解形成的水铝硅酸盐矿物。 其结构可分为晶体和非晶体，以晶体矿物为主。 硅片：基本单元是硅氧四面体，底面每个氧离子为2个相邻单元的硅原子共有组成六边形孔硅片； 铝片：铝（镁）氢氧（氧）八面体，每个氢氧离子为2个相邻单元的铝原子共有组成铝片；,第一章 土的物理性质指标与工程分类,一、土的固相 （二）粘土矿物的晶体结构 粘土矿物： 高岭石：长石风化产物，1：1型晶格，一个硅片一个铝片一个晶层，晶层靠氢键连接，一个颗粒多达近百个晶层。 伊利石：云

7、母在碱性介质中风化产物， 2：1型晶格，二个硅片一个铝片一个晶层，晶层靠钾离子连接，比较稳定，但不如氢键； 蒙脱石：伊利石进一步风化， 2：1型晶格，晶层没有钾离子连接，而是有水分子进入；连接弱。,第一章 土的物理性质指标与工程分类,一、土的固相 （三）土粒的大小和土的级配 粒组：把工程性质相近的土粒合并为一组；某粒组的土粒含量定义为该粒组的土粒质量与干土总质量之比。,土的级配：土中各种大小的粒组中土粒的相对含量。,第一章 土的物理性质指标与工程分类,（四）颗粒大小分析试验 测定土中各粒组颗粒质量所占该土总质量的百分数，确定粒径分布范围的试验称为土的颗粒大小分析试验。 常用的方法：筛分法：粒径

8、0.075mm 密度计法：粒径0.075mm，又有粒径0.075mm,第一章 土的物理性质指标与工程分类,（四）颗粒大小分析试验 1.筛分法 利用一套孔径由大到小的筛子，将按规定方法取得的一定质量的干试样放入一次叠好的筛中，置振筛机上充分振摇后，称出留在各级筛上的土粒的质量，按下式计算出小于某土粒粒径的土粒含量百分数X（） 式中：mi，m分别为小于某粒径的土粒质量及试样总质量,第一章 土的物理性质指标与工程分类,2.密度计法 利用不同大小的土粒在水中的沉降速度不同来确定小于某粒径的土粒含量的方法。 通过密度计测定土水悬浊液的密度来确定。,第一章 土的物理性质指标与工程分类,3.土的级配曲线 （

9、1）粒径分布曲线 （2）粒组频率曲线,粒径分布曲线,粒组频率曲线,第一章 土的物理性质指标与工程分类,(五)颗粒分析试验曲线的主要用途 按粒径分布曲线可求得： （1）土中各粒组的土粒含量，用于粗粒土的分类和大致评估土的工程性质； （2）某些特性粒径，用于建筑材料的选择和评价土级配的好坏。 根据某些特征粒径，可得到两个有用的指标，即不均匀系数Cu和曲率系数Cc，它们的定义为： （12）,(13) 式中：d10，d30和d60为粒径分布曲线上小于某粒径的土粒含量分别为10，30和60时所对应的粒径。d10称为有效粒径；d60称为限制粒径。,第一章 土的物理性质指标与工程分类,土的级配的好坏可由土中

10、的土粒均匀程度和粒径分布曲线的形状来决定，而土粒的均匀程度和曲线的形状又可用不均匀系数和曲率系数来衡量。 Cu小，曲线陡；Cu大，易压密； Cc过大，台阶在d10d30间； Cc过小，台阶在d30d60间；,第一章 土的物理性质指标与工程分类,第一章 土的物理性质指标与工程分类,土的级配的连续性也可用粒组频率曲线来反映。双峰，谷点=5，且Cc=13时，级配良好，否则，不良。,第一章 土的物理性质指标与工程分类,二、土的液相 （一）吸着水 由土颗粒表面电分子力吸附在土粒表面的一层水。 吸着水可分为强吸着水和弱吸着水。,第一章 土的物理性质指标与工程分类,二、土的液相 （一）吸着水 大多数粘粒表面

11、带有净的负电荷: 原子替代; 断键; 氢氧离子中的氢离子被离解; 吸着水形成原因:土粒表面的负电荷,阳离子,氢键。,第一章 土的物理性质指标与工程分类,二、土的液相 （一）吸着水 强吸着水性质接近于固体，冰点很低，沸点较高，且不能传递压力。 弱吸着水也称为薄膜水，不能传递压力，也不能在孔隙水中自由流动，但它可以因电场引力的作用从水膜厚的地方向水膜薄的地方转移。由于它的存在，使土具有塑性、粘性、影响土的压缩性和强度，并使土的透水性变小。 吸着水厚度影响因素：成土矿物；阳离子浓度及化学性质(阳离子价低,厚; 阳离子浓度高,薄)。,第一章 土的物理性质指标与工程分类,(二）自由水 离开土颗粒表面较远

12、，不受土颗粒电分子引力作用，且可自由移动?的水称为自由水。 （分为毛细管水和重力水）,1.毛细管水 土中存在许多大小不同的相互连通的弯曲孔道，由于水分子与土粒分子之间的附着力和水气界面上的表面张力，于是，将引起迫使相邻土粒相互积紧的压力，这个压力称为毛管水压力。,第一章 土的物理性质指标与工程分类,在潮湿的粉、细砂中孔隙水仅存在于土粒接触点周围，彼此是不连续的。这时，由于空袭中的气与大气连通，因此，孔隙中的压力亦将小于大气压力。 由毛管水压力引起的摩擦阻力犹如给予砂土以某些粘聚力，以致在潮湿的砂土中能开挖一定高度的直立坑壁。但一旦砂土被水浸饱和，则弯液面消失，毛管水压力变为零，这种粘聚力液就不

13、再存在。把这种粘聚力称为假粘聚力。,第一章 土的物理性质指标与工程分类,2.重力水 在重力或水位差作用下能在土中流动的自由水称微重力水。 具有溶解能力，能传递静水和动水压力，对土颗粒有浮力作用。 当它在土孔隙中流动时，对所流经的土体施加渗流力（亦称动水压力、渗透力），计算中应考虑其影响。,第一章 土的物理性质指标与工程分类,三、土的气相 存在土中的气体分为两种基本类型：一种是与大气连通的气体；另一种是与大气不连通的以气泡形式存在的封闭气体。,第一章 土的物理性质指标与工程分类,一、土粒间的相互作用 当粘粒在溶液中沉淀时，粒间引力主要是范得华力（分子键），还有吸着水层中异性电荷引起的静电引力。

14、引力: 范得华力总是在极性颗粒之间产生引力，但它是一种短程力，约随粒间间距得六次方递减，而与溶液的性质无关。,1-3 土的结构,第一章 土的物理性质指标与工程分类,一、土粒间的相互作用 斥力: 在两个土粒互相靠近，使颗粒表面吸着水层相搭接时，吸着水层中的阳离子不足以平衡土粒上得净负电荷就发生粒间斥力。大小取决于溶液的性质，并随粒间间距得指数函数递减。,1-3 土的结构,第一章 土的物理性质指标与工程分类,二、土的结构 （一）单粒结构,第一章 土的物理性质指标与工程分类,二、土的结构 （二）蜂窝状结构,第一章 土的物理性质指标与工程分类,二、土的结构 （三）絮状结构 角、边与面接触时净引力最大，

15、因此絮状结构的特征是土粒之间以角、边与面的接触或边与边的搭接形式为主。这种结构的土粒呈任意排列，具有较大的孔隙，其强度低，压缩性高，对扰动比较敏感。,片堆结构,第一章 土的物理性质指标与工程分类,1-4 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，如含水率、密度和土粒比重，称为直接指标； 另一类是根据直接指标换算的，如孔隙比、孔隙率、饱和度等，称为间接指标。,第一章 土的物理性质指标与工程分类,1-4 土的物理性质指标,一、试验直接测定的物理性质指标 （一）土的密度与重度 土的密度定义为单位体积土的质量，用表示，单位为Mg/m3(或g/cm3)。 表达式如下： （1-4） 对于粘

16、性土，土的密度常用环刀法测定。,第一章 土的物理性质指标与工程分类,土的重度亦称为容重，定义为单位体积土的重量，用表示，单位为kN/m3。表达式如下： （1-5） 式中：W土的重量，单位为kN； g重力加速度。,第一章 土的物理性质指标与工程分类,（二）土粒比重Gs 土粒比重定义为土粒的质量（或重量）与同体积4时纯水的质量（或重量）之比（无因次），其表达式为： （1-6） 或 （1-7） 式中：s土粒的密度，即土粒单位体积的质量； （w）44时纯水的密度，1g/cm3 （w）44时纯水的重度。,第一章 土的物理性质指标与工程分类,土粒比重常用比重瓶法测定，事先将比重瓶注满纯水，称瓶加水的质量。然后把烘干土若干克装入该空比重瓶内，再加纯水至满，称瓶加土加水的质量，按下式计算土粒比重：