土力学第1章 土的物理性质与工程分类

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1、 主讲内容土力学基本原理基础设计地基处理课程介绍变形问题、强度问题、稳定问题、渗流问题研究土体在荷载作用下，土中的应力、变形、强度和稳定性以及渗流规律的一门力学分支称它为土力学。专业基础课、理论为主。 土力学s 土力学的研究主题 基础工程运用土力学的基础理论研究结构物物地基基础的设计，以及下部结构与土层相互作用共同承担上部结构物所产生的各种变形和稳定问题，包括基础设计、地基设计两部分。研究的目的是为设计提供依据，解决岩土工程中的安全性和经济性这一对矛盾，专业课、应用为主。上部结构：对于某一建筑结构而言，在岩土地层（土层或岩层）上的工程结构成为上部结构。地基：支撑建筑物（上部结构）荷载、并且受建

2、筑物影响的那一部分地层称为地基。天然地基：没有经过人工处理的地基。建筑物直接建筑在地基上。 人工地基：如果地基不满足工程要求，需要对地基进行加固处理，处理后的地基被称为人工地基。地基与基础的基本概念基础：将上部结构的荷载传递到地基中的结构组成部分被称为基础。通常被称为下部结构。 浅基础：通常把埋置深度不大（小于或相当于基础底面宽度，一般认为小于5米）的基础。 深基础：若浅层土质不良，必须把基础埋置于较深处良好地层时（基础深度大于基础宽度）的基础。持力层：直接承担基础荷载的土层被称为持力层。下卧层：持力层下面的土层被称为下卧层。软弱下卧层：承载力显著低于持力层的土层，如淤泥。 地基与基础的基本概

3、念地基与基础示意图地 基持力层下卧层第一章 土的物理性质与工程分类土的组成与结构土的物理性质指标土的物理状态 土的渗透性及工程分类 渗透特性 变形特性 强度特性 土的三相组成 土的结构与构造 土的物理性质指标 土的物理状态 土的渗透性影 响土的形成过程决定本章脉络 土的分类 地质年代太古代、元古代、古生代、中生代和新生代 地壳发展历史与地壳运动、沉积环境及生物演化相对应的时代段落。 地质年代和地层单位、顺序、名称对应关系 表1-1 地质年代单位代纪世期地层单位界系统阶（层）相对地质年代 古生物的演化 岩层形成的顺序一、 土的形成（了解)第四纪地质年代细分表 表1-2 n 土的概念 地壳表层原来

4、坚硬连续的岩石，经历长期的风化作用以 及剥蚀、搬运、沉积等作用，在各种交错复杂的自然环境中 在地表形成的各种散粒堆积物称为“第四纪沉积物”或“土 ”。岩石土风化作用沉积过程由人类文化期以来的沉 积土称为“新近沉积土 ” 纪（系）世（统）距今年代（百 万年） 第四纪（系）Q全新世（统）Q4（Qh）0.011 更新世（ 统）（Qp）晚更新世（上更新统）Q30.13中更新世（中更新统）Q20.73早更新世（下更新统）Q12.43生成产物产生原因s 岩石的风化 物理风化、化学风化、生物风化 物理风化风化后的产物仅由大变小，化学成分 不变，物理化学性状较稳定。风化特征属于原生矿物颗粒,易生成巨粒土、粗

5、粒土，如漂石、砾类土、砂类土等。、地质构造力；、温差； 、冰 胀 ；、碰撞 （一）风化作用生成产物产生原因风化后的产物改变其矿物的化学成分， 形成新的矿物。风化特征属于次生矿物颗粒,易生成细粒土，最 主要的是黏土颗粒及大量的可溶性盐。、水解作用；、水化作用； 、 氧化作用 ；、溶解作用 生物的物理风化 生物的化学风化 化学风化 生物风化（一）风化作用 残积土残积土 颗粒表面粗糙、 多棱角、粗细不 均匀、无层理。特点（二）不同形成条件下土的特点w 坡积土 坡积土（物、层）断面 搬运土搬运距离短；土 中组成物的尺寸 相差很大，性质 很不均匀。特点作用力重力、雨 水或雪水w 洪积土 洪积土（物、层）

6、断面 有一定的分选性， 搬运距离近的沉积 物颗粒较粗，力学 性质较好；搬运距 离远的沉积物颗粒 较细，力学性质较 差。洪积土还常呈 现不规则交错的层 理构造。特点作用力暴雨或山洪w 冲积土 山区河谷断面示例 由于经过较长时间 的搬运，浑圆度和 分选性更为明显， 常形成砂土层和黏 性土层交叠的地 层。特点作用力河流流水w 风积土风力 w 湖泊沼泽沉积土缓慢的水流或静水条件 w 海相沉积土海水 w 冰积土冰川或冰水 颗粒细，磨圆度、分选性好，表层土质松软，黄土 具有湿陷性；沙丘在风力推动下随时改变形状和位置。这种土的特征，除了含有细微的颗粒外，常伴有生物 化学作用所形成的有机物的存在，成为具有特殊

7、性质 的淤泥或淤泥质土，工程性质都很一般。颗粒细，表层土质松软，工程性质较差。颗粒粗细变化也较大，土质不均匀 。s 土的工程性质的概念是指与变形、强度、稳定和渗流等有关的土的性质。它有3个基本特征和2个基本特点，从而导致土力学不同于其他力学学科（包括岩石力学）。 土体的三个基本特征1、三相体 土的组成 土粒 土中水 土中气 固相 液相 气相 饱和土非饱和土干土 二、土的组成与结构 土体工程性质的二个基本特点3、自然变异性或不均匀性 土的自然变异性是指土的工程性质随空间与时间而变异的性质，有时也称其为不均匀性。这种变异性是客观的、自然形成的。 1、不确定性 2、易变性 原因 土的性质复杂 埋藏于

8、地下，难以直接测量 土粒间的联结为无黏结或弱黏结。土体是碎散的，是一种以摩擦为主的集聚性材料，具有散粒性和孔隙性。 2、碎散性 物理力学 性质复杂粒径粒度粒组w 界限粒径： 土颗粒的大小 土颗粒大小的程度 将土中各种不同粒径的土粒，按适当的粒径范围，分为若干组 ，称为粒组。划分粒组的分界尺寸称为界限粒径。 国标土的分类标准（GBJ145-90）规定的界限 粒径200、60、2、0.075和0.005mm。 颗粒大小与粒组划分 粒组划分与颗粒级配（熟知）（一）土中固体颗粒粒径范围d /mm粒组划分方案一方案二d 200漂石（块石）巨粒组漂石（块石）200d60卵石（碎石）卵石（碎石）60d20粗

9、粒组砾粒粗砾20d2圆砾（角砾）细砾2d0.5砂粒粗砂砂粒粗砂0.5d0.25中砂中砂0.25d0.075细砂细砂0.075d0.005粉粒细粒组粉粒0.005d黏粒黏粒w 粒组划分粒组划分 表1-3 方案一：建筑地基基础设计规范和岩土工程勘察规范 方案二：土的分类标准（GBJ145-90） 土的颗粒级配土中各个粒组的相对含量(各粒组占土粒总质量的 百分数) ，这个百分数习惯上称为土的颗粒级配。 土颗粒分析试验w 筛分法w 沉降分析法用于粒径小于等于60mm、大于0.075mm粗粒土。 用于粒径小于0.075mm的细粒土。 沉降分析法有密度计法（比重计法）、移液管法等。孔径105.02.01.

10、00.50.250.1 (0.075)200g土筛余010161824223872100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0小于某粒径的土的百分含量（）105.01.0 0.50.10 0.050.01 0.0050.001粒径(mm)P100958778665536土的颗粒级配 累计曲线沉降法粒径(mm)0.050.010.005 百分数P(%)2613.510筛 分 法 颗粒级配曲线100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0小于某粒径的土的百分含量（）105.01.0 0.50.10 0.050.01 0.0050.001粒径(mm)土的粒径级配

11、累计曲线d60d50d10d30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 : 中值粒径100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0小于某粒径的土的百分含量（）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径(mm)土的粒径级配累计曲线A、B、C三种不同土样的颗粒级配曲线 ABCw 颗粒级配曲线的应用 不均匀系数Cu 曲率系数Cc在一般情况下，把 Cu10 的土属级配良好。经验证明，当级配 连续时， Cc的范 围约为13；因此

12、当Cc3时， 均表示级配线不连 续。工程上要求同时Cu5且Cc=13的土为级配良好的土F 粒组含量用于土的分类定名；F 不均匀系数Cu用于判定土的不均匀程度；Cu 5为不均匀土； Cu 5为均匀土F 曲率系数Cc用于判定土的连续程度；Cc =13为级配连续土；Cc3 或 Cc3 或Cc1.0时，为软弱地基。w 表达式 n 表示土中孔隙体积相对含量的指标（二）土的间接物理性质指标 孔隙度(孔隙率)n土的孔隙体积与土总积之比 ，以百分数表示。w 常见值：黏性土和粉土:(30-60)%；砂土: (25-45)%。 根据、Gs与W实测值计算而得，孔隙度与孔隙比相比，工程应用较少。w 表达式 w 物理意

13、义：表示土中孔隙大小的程度。n 表示土中孔隙体积相对含量的指标 土的饱和度Sr土中孔隙水的体积与孔隙体积之比 ，以百分数表示。w 常见值： Sr=0100%。根据、Gs与W实测值计算而得。w 工程中Sr作为砂土湿度划分的标准： w 表达式 w 物理意义：表示水在孔隙中充满的程度。 Sr 50% 稍湿的 50%Sr80% 很湿的 Sr 80% 饱和的n 表示土中含水程度的指标 重度 土的重力密度（重量）。 单位（N/m3）或（kN/m3）土的密度 和土的重度 ；土的干密度 和土的干重度 ；土的饱和密度 和饱和重度 ；有效密度(浮密度) 和有效重度(浮重度) ； 土的三个组成相的体积和质 量上的比

14、例关系三相草图法室内测定三个基本 物理性质指标： 土的密度 土粒比重 土的含水量其它物理性质指标 孔隙含量 含水程度 密度和容重土的物理 性质指标小 结 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、联系与区别步骤：首先绘出三相草图；明确所求指标的表达式或定义；作假设以减少未知量，求解。（三）物理性质指标之间的换算例如设：推求【例题1-1】 某完全饱和黏土试样试计算该【解】 土样的孔隙比、饱和重度和干重度。令：【例题1-2】 某饱和土样切满容器为24.51cm3的环刀内，称得总质量为110.8g，烘干后质量为100.4g。已知环刀质量为66.

15、5g，土粒比重2.72, 该土样的密度、有效密度、含水量、孔隙比。【解】 【练习1-1】 一体积为150cm3的土样，湿土重270g，烘干后质量为204g,土粒比重2.67,求该土样的密度、含水率、孔隙比和饱和度。由已知条件：【解】 定义【练习1-2】 某原状土，天然密度（1） 计算土的孔隙比、饱和度； （2） 当土中孔隙充满水时土的饱和密度和含水率。（1） ：令：【解】 （2） ：【练习1-3】 某饱和土体，重度，土粒比重（1） 根据题中的已知条件，推导干重度的表达式; （2）根据（1）的结果，计算该土的干重度。由已知条件：令：【解】 土的物理状态反映土的松密和软硬状态的指标无黏性土的松密程度黏性土的软硬状态土的物理性质指标三相间的比例关系 质量和体积之间的关系影响力学特性密实度 稠度四、 土的物理状态 黏性土的物理特征黏性土含水量较硬 变软 流动固态半固态可塑状态液体状态（流动状态) 黏性土的可塑性黏性土在外力的作用下可以任意改变形状而不开 裂，外力撤去后仍能保持既得的形状的性能。 界限含水量黏性土由一种状态转到另一种状态的分界含水量，称 为土的稠度界