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1、土力学基础课程节选,铁道科学研究院铁建所 刘汉文 电话：010-51849165 邮箱：,讲稿的主要内容,绪论 讲稿的主要内容 绪论 第1章 土的物理性质及工程分类 第2章土的渗透性和渗流问题 第3章 土中应力计算 第章土的压缩模量 第章土的抗剪强度 第6章 地基承载力,绪 论,1.土力学的基本概念与研究对象 土是地壳岩石经过物理风化和化学风化作用后的产物，是各种大小不同的土粒按各种比例组成的集合体，土粒之间的空隙中包含着水和气体，是一种三相体系。 土力学是从工程力学范畴发展起来的，它把土作为物理力学系统，根据土的应力、应变、强度关系提出力学计算模型，用数学力学计算方法求解土在各种条件下的应力
2、分布、变形以及土压力、地基承载力与土坡稳定等问题。同时根据土的实际情况评价各种力学计算方法的可靠性与适用条件。,土的物理性质及工程分类,土是地壳表层的岩石长期受自然界的风化作用，使大块岩体不断地破碎与发生成分变化，再经搬运、沉积而成为大小、形状和成分都不相同的松散颗粒集合体。因而，土是由固体颗粒、水和空气所组成的三相系。土中颗粒的大小、成分及三者之间的相互作用和比例关系，反映出土的不同性质，可据此对土进行分类和鉴定。同时，土的物理性质指标又都与土的力学性质发生联系，并在一定程度上决定着土的工程性质。因此，土的物理性质是土最基本的工程特性。,1.1土的三相组成,在天然状态下，土是由固体、液体和气
3、体三部分所组成的三相体系。固体部分即为土粒，由矿物颗粒或有机质组成，构成土的骨架。骨架间有许多孔隙，可为水、气所填充。若土中孔隙全部为水所充满时，称为饱和土，若孔隙全部为气体所充满时，称为干土；土中孔隙同时有水和空气存在时，称为非饱和土。土体三个组成部分本身的性质以及它们之间的比例关系和相互作用决定土的物理力学性质,1.1.1 土粒的矿物成分,a.原生矿物,是由岩石经过物理风化形成的，其矿物成分与母岩相同。常见的如石英、长石和云母等。一般较粗颗粒的砾石、砂等都是由原生矿物组成。这种矿物成分的性质较稳定，由其组成的土表现出无粘性，透水性较大，压缩性较低。,b.次生矿物,是岩石经化学风化后所形成的
4、新的矿物，其成分与母岩完全不相同，如粘土矿物的高岭石、伊利石和蒙脱石等。次生矿物性质较不稳定，具有较强的亲水性，遇水易膨胀。上列三种粘土矿物中，亲水性和膨胀性依次增强。,1.1.2 土中水,土中水即为土的液相，其含量及性质明显地影响土的性质(尤 其是粘性土)。土中水除了一部分以结晶水的形式紧紧吸附于固体 颗粒的晶格内部外，还存在结合水和自由水两大类。,A.结合水,结合水是指由电分子引力吸附于土粒表面成薄膜状的水。根据受电场作用力的大小及离颗粒表面远近，结合水又可以分成强结合水和弱结合水两类。,a.强结合水,指紧靠于颗粒表面的结合水。所受电场的作用力很大，几乎完全固定排列，丧失液体的特性而接近于
5、固体。其冰点远低于0，密度比自由水的大，在案105以上时才可被蒸发。,b.弱结合水,指强结合水以外、电场作用范围以内的水。弱结合水也受颗粒表面电荷所吸引成定向排列于颗粒四周，但电场作用力随着与颗粒距离增大而减弱，它是一种粘滞水膜，可以因电场引力从一个土粒的周围转移到另一个土粒的周围。即弱结合水膜能发生变形，但不因重力作用而流动。弱结合水的存在是粘性土在某一含水量范围内表现出可塑性的原因。,B.自由水,自由水是存在于土粒电场影响范围以外的水。它的性质和普通水无异，能传递静水压力，冰点为O，有溶解能力。自由水又可分为毛细水和重力水两类。,a.毛细水,土体内部间相互贯通的孔隙，可以看成是许多形状不一
6、、直径互异、彼此连通的毛细管。由于水和空气分界面处弯液面上产生的表面张力作用，土中自由水从地下水位通过毛细管逐渐上升，形成毛细水，所以毛细水不仅受重力而且还受到表面张力的支配。毛细水上升高度和速度取决于土的孔隙大小和形状、颗粒尺寸和水的表面张力等，可用试验方法或经验公式确定。一般说来，粒径大于2mm的颗粒可不考虑毛细现象；极细小的孔隙中，土粒周围有可能被结合水充满，亦无毛细现象。,b.重力水,在透水土层中，重力水是存在于地下水位以下的地下水，对于土粒和结构物水下部分起浮力作用。在重力作用下能在土孔隙中流动，对所流经的土体施加动水压力。在土力学计算中，必须考虑到这种浮力及渗流的影响。,1.1.3
7、 土中气体,土中气体即为土的气相，存在于土孔隙中未被水占据的部分，可分为与大气连通的非封闭气体和与大气不连通的封闭气体两种。非封闭气体成分与空气相似，受外荷作用时易被挤出土体外，对土的性质影响不大。封闭气体不能逸出，对土的性质有较大的影响。,1.2 土的颗粒特征及土的结构,A.土的颗粒级配(成分),a.概念,自然界的土都是由大小不同的土粒所组成。颗粒的大小通常用粒径表示。根据界限粒径200mm、20mm、2mm、0.05mm、0.005mm把土粒分为六大粒组：漂石(块石)、卵石(碎石)、圆砾(角砾)、砂粒、粉粒和粘粒。通常以土中各个粒组的相对含量(即各粒组占土粒总量的百分数)来表示，称为土的颗
8、粒级配。,表格法是用列表形式直接表示各粒组的相对含量。,累计曲线法,纵坐标表示小于某粒径的土粒含量百分比，横坐标表示土粒的粒径，以毫米表示,坐标取为对数坐标。根据曲线的坡度和曲率可判断土的级配状况。如曲线平缓，表示土粒大小均有，即级配良好；如曲线较陡，则表示颗粒粒径相差不大，粒径较均匀，即级配不良。,(a) 不均匀系数Ku,为了定量反映土的不均匀性，工程上常用不均匀系数Ku来描述颗粒级配的不均匀程度：,式中 d60、d10分别为土中小于某粒径的土的质量占土的总质量的60、10时相应的粒径； d60为限定粒径， d10为有效粒径。 Ku愈大，表示土粒愈不均匀。工程上把 Ku10的土视为级配良好的
9、土。,（b）曲率系数,式中 d30小于某粒径的土粒质量累计百分数为 30时的粒径。 一般认为，砾类土或砂类土同时满足Ku5和Kc13两个条件时，则定名为良好级配砾或良好级配砂。,B. 土的结构,土的结构是指土在成土过程中所形成的土粒的空间排列及其联结形式，与组成土的颗粒大小、颗粒形状、矿物成分和沉积条件有关。,a.单粒结构,较粗矿物颗粒在水或空气中在自重作用下沉落形成的单粒结构。单粒结构为砂土和碎石土的主要结构形式，其特点是土粒间存在点与点的接触。根据形成条件不同，可分为疏松状态和密实状态。 疏松的单粒结构稳定性能差，当受到震动及其它外力作用时，土粒易发生移动，土中孔隙减小，引起土的较大变形。
10、密实的单粒结构则较稳定，力学性能好，是良好的天然地基。,b.蜂窝结构,较细的颗粒(粒径005mm0005mm)在水中因自重作用而下沉时，碰到别的正在下沉或已沉稳的土粒，由于粒间的引力大于下沉土粒的重力，后沉土粒就停留在最初的接触点上不再继续下沉，逐渐形成链环状单元。很多这样的链环联结起来，便形成孔隙较大的蜂窝状结构。蜂窝结构是以粉粒为主的土所具有的结构形式。,c.絮状结构,又称絮凝结构。细微的粘粒(粒径小于0.005mm)大都呈针状或片状，重量极轻，在水中处于悬浮状态。当悬液介质发生变化时(如粘粒被带到电解质浓度较大的海水中)，土粒表面的弱结合水厚度减薄，粘粒互相接近，凝聚成絮状物下沉，从而形
11、成孔隙较大的絮状结构。,絮状结构是粘性土的主要结构形式。形成粘性土的片状或针状土粒，土片表面带负电荷，而在其边(即断口处)局部带正电荷。因此在土粒聚合时，多半以面对边(海水中沉 积)、或面对面(淡水中沉积)的方式接触，前者称片架结构，后者称片堆结构。,C.土的构造,土的构造是指土体中各结构单元之间的关系。如层状土体、互层土体、裂隙土体、软弱夹层、透水层与不透水层等。其主要特征是土的成层性和裂隙性，即层理构造和裂隙构造。二者都造成了土的不均匀性。,a.层理构造,土粒在沉积过程中，由于不同阶段沉积的物质成分、颗粒大小或颜色不同，而沿竖向呈现出成层特征,b.裂隙构造,土体被许多不连续的小裂隙所分割，
12、在裂隙中常充填有各种盐类的沉淀物。不少坚硬和硬塑状态的粘性土具有此种构造，裂隙将破坏土的整体性、增大透水性，对工程不利。,此外，土中的包裹物(如腐殖物、贝壳、结核体等)以及天然或人为的孔洞存在，亦将造成土的不均匀性。,1.3 土的三相比例指标,（一）确定三相量比例关系的基本试验指标,为了对土的基本物理性质有所了解，还需要对土的三相：土粒（固相）、土中水（液相）和土中气体（气相）的组过情况进行数量上的研究。在不同成分和结构的土中，土的三相之间具有不同的比例。,土的三相组成的重量和体积之间的比例关系，表现出土的重量性质（轻、重情况）、含水性（含水程度）和孔隙性（密实程度）等基本物理性质各不相同，并
13、随着各种条件的变化而改变。例如对同一成分和结构的土，地下水位的升高或降低，都将改变土中水的含量经过压实，其孔隙体积将减小。这些情况都可以通过相应指标的具体数字反映出来。,表示土的三相比例关系的指标，称为土的三相比例指标，亦即土的基本物理性质指标包括土的颗粒比重、重度。含水量、饱和度、孔隙比和孔隙率等。,一、指标的定义,m 土的总质量 , ma 气体的质量 , mw 液体的质量， ms 固体颗粒的质量,V 土的总体积， Vv 土的孔隙部分体积 ， Va 气体体积， Vw 水的体积 Vs 土的固体颗粒的体积,土的三相物质在体积和质量上的比例关系。,试验指标：密度、土粒密度、含水量 土粒密度是干土粒
14、的质量与其体积的之比。 含水量是土中水的质量与土粒质量之比。,换算指标：密度、土粒密度、含水量、干密度、 饱和密度、孔隙比、孔隙率、饱和度,（二）数学公式,1、土的密度（bulk density）,实验室：环刀法,m 土的总质量, mw 液体的质量，ms 固体颗粒的质量 V 土的总体积，Va 气体体积，Vw 水的体积 Vs 土的固体颗粒的体积,容重,m 土的总质量,V 土的总体积, 为土的密度,2、土粒比重,ms 固体颗粒的质量, Vs 土的固体颗粒的体积 s为固体颗粒密度, w为水在C时的密度,3、土的含水量,m 土的总质量, mw 液体的质量，ms 固体颗粒的质量,、孔隙比,V 土的总体积
15、 Vs 土的固体颗粒的体积,、孔隙度,V 土的总体积， Vv 土的孔隙部分体积,、饱和度,V Vv 土的孔隙部分体积 ，Vw 水的体积,7、饱和密度,ms 固体颗粒的质量,V 土的总体积， Vv 土的孔隙部分体积 ， e为为孔隙比, w为水的密度,、干密度,Gs为土粒比重, ms 固体颗粒的质量 , V 土的总体积， w为水的密度, e为为孔隙比,1.4 粘性土的界限含水量,界限含水量(又称阿太堡界限),液限（WL）：流动态到塑态 塑限（Wp）：塑态到半固态（搓条法测定） 缩限（Ws）：半固态到固态 从液限到塑限含水量的变化范围愈大，土的可塑性愈好，这个 范围称为塑性指数。Ip=WL-Wp 土
16、的天然含水量与界限含水量的相对关系，成为液性指数。,半固体 塑性状态 流动状态,9、三相指标的换算（表1-5）,10、相对密度,(多用于填土方的质量控制),为疏松,为中密,emax为最大孔隙比,emin为最小孔隙比,e为孔隙比,.液性指数,土的天然含水量与界限含水量的相对关系,W为含水量，Wp为塑限， Ip为塑限指数,工程上用以判别重塑土软硬程度,1.5 砂土的密实度,密实的砂土具有较高的强度和较低的压缩性，是良好的建筑物基础；但松散的砂土，尤其是饱和的冻死砂土，不仅强度低，且水稳定性很差，易产生流沙、液化等工程事故。正确划分砂土的密实度是评价砂土性质的必要条件。孔隙比、相对密度、标准贯入击数等都可描述砂土的密
