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1、哈尔滨工业大学 土木工程系 Harbin Institute of Technology Civil Engineering Department,土质学与土力学,FOUNDATION SOIL SCIENCE AND SOIL MECHNICS,课程安排,授课时间： 5 11周 40 学时 课程性质：主干课及考试课 考试形式：实行累加式，平时考核占10% ，平时作业占10%，实验课占10%，期末考试占70%，缺席达到10课时取消期末考试资格。 授课教师：王幼清 教材： 土质学与土力学袁聚云等编 参考书： 土质学与土力学洪毓康编,2019年2月25日,绪 论 一、土质学及土力学的基本概念和研究
2、对象 1、土质学及土力学 土质学是研究土物质的物理化学性质的科学。例如研究土成因及分布、土粒的大小、形状、排列方式及其相互连接以及与地下水发生物理化学作用等。 土力学是研究土体的力学。主要研究土体的应力、应变、强度、稳定性以及渗流规律等等。 土质学及土力学的研究对象都是土，主要研究土的工程性质，为解决与土有关的工程问题提供分析方法、为工程设计提供土的计算指标。它是土木专业的技术基础课。 2、土体 土是岩石矿物固体颗粒集合体，也称为土体。土体的物理力学性能与其生成条件、环境条件、所处位置等密切相关。 3、土体在工程中的作用 1)传力介质地基 2)建筑材料堤坝、路基、路面等 4、工程中需解决的有关
3、土体问题 1)地基沉降问题 2)地基的承载能力及稳定问题 3)地基渗流破坏问题 4)路堤边坡滑移及其他问题,基础建筑物向地基传递 荷载的下部结构。,地基 受建筑物荷载影响的部分土体。,桥墩,路堤,河滩路堤下的渗流,2019年2月25日,二、本课程的特点 1、研究对象（土）是一种极为复杂的力学介质。 主要表现出以下特性： a、多样性 b、局部性或地方性 c、多相介质 d、结构性强 e、本构非线性 f、土中应力分为有效应力和孔隙水压力 g、表现为剪切破坏 h、剪缩与剪胀性 i、力学性能与应力历史有关 2、以勘察和试验为基础 由于土的物理力学性质复杂多变, 对每一项工程都要进行现场勘察和土工试验，取
4、得土的设计计算指标，然后进行设计和计算。 3、实践性强 土质学及土力学直接为岩土工程设计和施工服务。 4、综合性强 土质学及土力学主要涉及工程地质学、弹塑性力学、建筑工程施工技术等其他学科。 5、高度依赖工程经验 由于土的物理力学性质极为复杂, 理论计算误差较大, 需要通过工程经验进行修正。,2019年2月25日,三、土质学与土力学的发展概况及成果 有关土力学的研究始于18世纪，随着土木工程的发展和土力学理论研究的不断深入，土力学逐步与土质学相结合，较好地反映了土的工程性质。取得的主要成果如下： 1773年法国科学家库仑发表了土的抗剪强度和土压力理论 1869年英国科学家朗肯发表了土压力理论
5、1900年莫尔-库仑提出了土体抗剪强度的极限平衡理论 1920年法国学者普朗特尔提出了地基极限承载力理论 1922年瑞典学者费伦纽斯和比得森提出了土坡稳定分析方法 1925年美籍奥地利人太沙基写出第一部土力学专著 1936年在美国召开第一届国际土力学与基础工程学术会议此后在其他 国家陆续召开了十四届国际土力学与岩土工程会议 1957年中国土木工程学会设立了土力学及基础工程委员会 1962年我国召开第一届全国土力学与基础工程会议, 以后又陆续召开 了十余届全国土力学与基础工程会议 1983年黄文熙院士出版发行了土的工程性质专著 1990年朱百里、沈珠江出版发行了计算土力学专著 1996年钱家欢、
6、殷宗泽出版发行了土工原理与计算专著 2000年沈珠江院士出版发行了理论土力学专著,2019年2月25日,四、本课程的学习方法和要求 1、理解概念，弄清原理，具体问题，具体分析。 2、切忌死记硬背。 3、按时完成作业，及时消化课堂内容。 第1章 土的物理性质及工程分类 土是由岩石风化(物理风化、化学风化、生物风化)后形成的颗粒堆积物。 岩石经过剥蚀、搬运、沉积后形成土。 不同成因类型的土具有不同的工程性质。 例如：残积土、坡积土、洪积土、冲积土、风积土等等。 土粒相互之间的孔隙中有水和空气。 土体是由颗粒（固相）、水（液相）、空气（气相）三相组成。 土颗粒大小不均匀，形状不规则及其排列、组合千变
7、万化。 土的性质主要由土的三相组成及其比例关系决定。 1.1 土的三相组成 1、土的固相 组成土粒的物质一般分两类： 原生矿物母岩矿物,存在于粗大的土粒中,例如：砂粒、砾石、碎石等。 次生矿物原生矿物经化学风化后生成的新矿物,存在于细粒土，例如： 黏土颗粒或称黏土矿物。常见的有:高岭石、伊利石、蒙脱石等。 土的固相中除土粒外，还有部分腐殖质矿物和有机物等。,2019年2月25日,2、土的液相 土中水是一种成分复杂的电解质水溶液，按土粒矿物的亲水性一般分两类： 结合水受电荷引力作用而吸附在土粒表面的水膜。按引力的强弱又 分为强结合水(吸附层)和弱结合水(扩散层)。 自由水电荷引力作用以外的水，包
8、括毛细水和重力水。毛细水受重力和 表面张力控制，不能流动；重力水受重力或水压差作用能流动。 3、土的气相 土中气体分为连通气体和封闭气体两种。连通气体对土的性质影响不大，封闭气体会增加土体的弹性，使土的工程性质复杂化。 1.2 土的颗粒特征 一、土粒粒组的划分 天然土中土粒的大小相差很大，因此土的性能千差万别。为了研究土的性能，需进行粒组划分：将大小相近性能变化不大的土粒划为同一组。由于各粒组的性能易于确定，所以可按各粒组在土中的相对含量综合确定土的性能。不同系统的粒组划分有所不同。 二、土粒组成的表示方法 土体由各粒组混合而成，则土粒大小及其分布情况可用各粒组在土中的相对含量(各粒组干土重量
9、百分比)表示，称为土的颗粒级配或粒度成分。 土的颗粒级配有三种表示方法：表格法、累计曲线法、三角坐标法,2019年2月25日,(1)表格法直接给出各粒组含量或小于某粒径的粒组累计含量。该法简单方便。 (2)累计曲线法用竖坐标表示小于某粒径土的百分含量，用对数横坐标表示粒径绘制土 的级配曲线。并用不均匀系数、曲率系数反映土级配情况。该法直观形象。 不均匀系数： 曲率系数： 式中 累计百分含量为10%、30%、60%的粒径，由累计曲 线测得。当 时，土的级配良好。 为有效粒径； 为限定粒径。 (3)三角坐标法用等腰三角形的三条边表示砂粒、粉粒、黏粒粒组的坐标，以三角形内 一点的三个高分别表示土中三
10、个粒组的含量。该法主要用于路面选料设计。,2019年2月25日,三、土的颗粒分析方法 土中各粒组的分布情况可通过试验测定。对于粒径 的土，采用筛分法。对粒径 时采用比重计法(沉降分析法)。其原理：根据Stokes定律， 液体中下降的颗粒直径： 比重计测点处的密度： 则 ，悬液中 土粒重 占土粒总重 百分比 式中 土粒及水的密度 。 1.3 土的三相比例指标 土的性质主要由土的三相组成及其比例关系决定。土的三相比例指标可以定量描述土的物理性质。土的三相比例指标可以分为试验指标和换算指标两类： 一、试验指标,2019年2月25日,二、换算指标 三、三相比例指标的换算关系 利用三相草图换算，取 并假
11、定 ，则 ，由 ， ， ，按定义有：,2019年2月25日,1.4 黏性土的界限含水率 一、黏性土的状态与界限含水率 黏性土的状态随含水率的增大而变软: 固态 半固态 可塑状态 流动状态 1、液限 由可塑状态转到流动状态的界限含水率。 2、塑限 由半固态转到可塑状态的界限含水率。 3、缩限 体积不再缩小对应的界限含水率。 二、塑性指数 塑性指数是表示黏性土可塑性大小的指标，用 锥式液限仪 可塑状态的含水率变化范围定义： 应用中塑性指数以不带“”的数值表示。 三、液性指数 液性指数是表示黏性土软硬状态的指标，定义 为含水率和塑限的差值与液限和塑限的差值之比： 碟式液限仪,2019年2月25日,1
12、.无黏性土的密实度 一、 砂土的相对密度 、相对密实度指标定义 式中 、 分别为最大和最小孔隙比，由试验测得。 、砂土按相对密度指标分类 密实度 密实 中密 松散 相对密度 密实 中密 松散 三等分 二、无黏性土密实度划分的其他方法 、砂土密实度按标准贯入锤击数 分类 、碎石土密实度按重型动力触探锤击数 分类 、碎石土密实度按超重型动力触探锤击数 分类 、砂土密实度按天然孔隙比 分类,2019年2月25日,1.6 土的工程分类 一、概述 不同的工程系统采用不同的分类标准。土的分类在原则上主要考虑了以下三个因素：(1)土的沉积历史和地质成因；(2)土的组成；(3)土的工程性质。 建筑地基土的分类
13、如下： 二、建筑地基土的分类标准 1、按沉积年代和地质成因划分 按沉积年代划分有:老沉积土、新近沉积土。 按地质成因划分有: 残积土、坡积土、洪积土、冲积土、湖积土、海积土、风积土、冰积土等。 2、按颗粒级配和塑性指数划分 (1)碎石土 粒径大于2mm的颗粒含量超过全重50%的土称为碎石土。 (2)砂土 粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重50%，且大于0.075mm的颗粒含量超过全重50%的土称为砂土。 (3)粉土 , 粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过全重50%的土称为粉土。 (4)黏性土 塑性指数 的土称为黏性土。 第 1 章 作业：习题 1-1、1-2、1-3、1-4、1-5,201
14、9年2月25日,第2章 黏性土的物理化学性质 2.1 键力的基本概念 键力是原子与原子之间或分子与分子之间的联结力。主要包括化学键、分子键、及氢键三种。土物质靠键力形成土体，了解键力的概念有助于认识土体的物理化学性质。 1、化学键 化学键是原子与原子之间的联结。包括离子键、共价键、金属键。化学键也叫主键或高能键，联结力很强。土粒内部的氧原子、硅原子或铝离子靠化学键联结成牢固的矿物晶格，所以在工程中土体破坏时土粒并不会破坏，而是土粒相互之间发生滑动。 2、分子键 分子键是分子与分子之间的联结。分子键也叫次键或低能键，联结力很弱。土体的强度主要由分子键决定。 3、氢键 氢键是氢原子与其它带负电荷原
15、子之间的联结。氢键的联结力介于主键和次键之间，并具有方向性和饱和性。例如，当外部能量低于氢键的联结能，水分子相互之间会以氢键联结而使水分子定向排列，造成分子间隙增大，出现结冰冻胀现象。冰或冻土的强度由氢键决定。,2019年2月25日,2.2 黏土矿物颗粒的结晶结构 黏土矿物的物理化学性质与其颗粒的大小及其结晶结构有关，因此需要了解黏土矿 物颗粒的结晶结构。 1、黏土矿物颗粒的形状 高岭石 伊利石 蒙脱石 黏土矿物颗粒一般为鳞片状。 直径 常见黏土矿物颗粒尺度： 厚度 比表面 10 100 800 2、黏土矿物的晶体结构 黏土矿物的晶体结构主要由两种晶片构成： 两种晶片通过化学键联结成两种晶体细胞。 两种晶胞通过分子键和氢键形成3种常见黏土矿物颗粒： 高岭石，结构单元为1:1型晶格，若干晶胞由氢键联结成矿物颗粒。较牢固。 蒙脱石，结构单元为2:1型晶格，若干晶胞由分子键联结成矿物颗粒。较弱。 伊利石，结构单元为2:1型晶格，若干晶胞由钾离子联结成矿物颗粒。联结力介于高岭石和蒙脱石之间。 高岭石 蒙脱石 伊利石
