土力学课件第1章

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1、土力学与土质学 (第1章）,第1章 土的物理性质和工程分类,学习要求： 了解土的成因和三相组成，掌握土的物理性质和物理状态指标的定义、物理概念、计算公式和单位。要求熟练地掌握物理指标的三相换算。了解地基土的工程分类依据与准确定名。 基本内容： 1.1 土的形成与特征 1.2 土的三相组成 1.3 土的物理性质指标 1.4 土的物理状态指标 1.5 土的工程分类,1.1 土的形成与特征,1.1.1 土的形成 1.1.2 土的结构与构造 1.2.3 土的工程特性 1.2.4 土的形成与工程特性的关系,1.1.1 土的形成,“土”一词在不同的学科领域有其不同的涵义。就土木工程领域而言，土是指覆盖在地

2、表的没有胶结和弱胶结的颗粒堆积物。土与岩石的区分仅在于颗粒间胶结的强弱。 物理风化指岩石经受风、霜、雨、雪的侵蚀，温度湿度的变化、不均匀膨胀与收缩，使岩石产生裂隙，崩解为碎块。这种风化仅改变颗粒大小与形状，不改变原来矿物成分。生成的土呈松散状态，无粘性土。 化学风化指岩石碎屑与空气、水和各种水溶液相接触，经氧化、碳化和水化作用，改变原来矿物成分，形成新的矿物（次生矿物）。生成的土为细粒土，粘性土。 生物风化由动物、植物和人类对岩体的破坏称。,1.1.2 土的结构和构造,1.定义： 指土颗粒的大小、形状、表面特征，相互排列及其联结关系的综合特征。 2.分类： 单粒结构 砂层，砾石层 土的结构 蜂

3、窝结构 粉粒 絮状结构 粘粒 3.工程性质：,土的构造,1.定义：指同一土层中成分和大小都相近的颗粒或颗粒集合体相互关系的特征。 2.分类： 3.工程性质：通常分散构造的工程性质最好，裂隙状构造中，因裂隙强度低、渗透性大，工程性质差。,1.1.3 土的工程特征,土与其它连续介质的建筑材料，具有下列三个显著的工程特征： 1.压缩性高 反映材料压缩性高低的指标弹性模量E(土称变形模量),随着材料的不同而有极大的差别,例如: 钢筋 E1=21万Mpa; C20混凝土 E2=2.6万Mpa; 卵石 E3=50Mpa; 饱和细砂 E4=10Mpa. 2.强度低 为抗剪强度 ，而非抗压、抗拉强度； 3.透

4、水性大 颗粒之间有无数孔隙。,1.1.4 土的形成与工程特性的关系,由于各类土的生成条件不同，它们的工程特性往往相差悬殊，下面分别加以说明： 1.搬运、沉积条件 通常流水搬运沉积的土优于风力搬运沉积的土。 2.沉积年代 通常土的沉积年代越长，土的工程性质越好。 3.沉积的自然地理环境 自然地理环境不同所生成的土的工程性质差异也很大。,1.2 土的三相组成,土的三相组成是指土由固体颗粒、液体水和气体三部分组成。土中的固体矿物构成土的骨架,骨架之间贯穿着大量的孔隙,孔隙中充满着液体水和气体。 土体三相比例不同，土的状态和工程性质也随之各异，例如： 固体+气体（液体=0）为干土，此时粘土呈坚硬状态，

5、 砂土呈松散状态； 固体+液体+气体为湿土，此时粘土多为可塑状态； 固体+液体（气体=0）为饱和土，此时粉细砂或粉土遇强烈地震，可能产生液化，而使工程遭受破坏；粘土地基受建筑物荷载作用发生沉降需几十年才能稳定。,土的三相组成,土是由固相、液相、气相组成的三相分散系。 固相包括多种矿物成分组成土的骨架，骨架间的空隙为液相和气相填满，这些空隙是相互连通的，形成多孔介质； 液相主要是水(溶解有少量的可溶盐类)； 气相主要是空气、水蒸气，有时还有沼气等。,1.2.1 土的固体颗粒,土是岩石风化的产物。因此土粒的矿物组成将取决于成土母岩的矿物组成及其后的风化作用。成土矿物可分为两大类：,原生矿物 由岩石

6、经物理风化生成的， 颗粒成分与母岩的相同， 常见的有石英、长石和云母 颗粒较粗，多呈浑圆形状， 吸附水的能力弱，无塑性。,次生矿物 由原生矿物经化学风化生成的新矿物 它的成分成分与母岩的完全不同， 有高岭石、伊利石和蒙脱石粘土矿物 颗粒极细，且多呈片状， 性质活泼，吸附水能力强，具塑性。,水溶盐 可溶性次生矿物。常见的有岩盐、钾盐、石膏、方解石，硫酸盐类还对金属和混凝土有一定的腐蚀作用,有机质 动植物分解后的残骸，称为腐殖质。其颗粒极细，粒径小于0.1m，呈凝胶状，带有电荷，具极强的吸附性。,1.2.1 土的固体颗粒,（一）土的颗粒级配 1.土颗粒的大小直接决定土的性质； 2. 粒径颗粒直径大

7、小，界限粒径划分粒组的分界尺寸。 3. 粒组将粒径大小接近、矿物成分和性质相似的土粒归并为若干组别即称为粒组。可划分： 200 60 2 0.075 0.005mm 漂石 卵石 砾石 砂粒 粉粒 粘粒 4. 颗粒级配土粒的大小及组成情况，通常以土中各个粒组的相对含量来表示，称为土的颗粒级配。 级配的测室方法： 筛析法 （ 0.075mm)比重计法( 0.075mm),三、级配曲线,颗粒分析试验结果，绘制图的粒径级配曲线。用半对 数坐标绘制。纵坐标表示小于某粒径的土重占总土重的百分数，横坐标用对数坐标表示土的粒径。 不均匀系数定义为（Cu） 曲率系数定义为（Cc） 式中：d60限定粒径。当小于某

8、粒径的土粒质量累计百分数为 60%时，相应的粒径称为d60 。 d10有效粒径。当小于某粒径的土粒质量累计百分数为10%时，相应的粒径称为d10。 d30当小于某粒径的土粒质量累计百分数为30%时的粒径用d30表示。,级配曲线,不均匀系数C反映大小不同粒组的分布情况。C越大表示土粒大小的分布范围越大、其级配越良好，作为填方工程的土料时，则比较容易获得较大的密实度。曲率系数Cc描写累积曲线的分布范围，反映曲线的整体形状。 曲线平缓，粒径大小相差悬殊，土粒不均匀。颗粒级配可以在一定程度上反映土的某些性质。对于级配良好（ C10，且Cc=13)的土，较粗颗粒间的孔隙被较细的颗粒所填充，因而土的密实度

9、较好，相应的地基土的强度和稳定性也较好透水性和压缩性也较小，可用作堤坝或其它土建工程的填方土料。,1.2.2 土中水,土中水处于不同位置和温度条件下，可具有不同的物理状态固态、液态、气态。液态水是土中孔隙水的主要存在状态，因其受土粒表面双电层影响程度的不同可分为结合水、毛细水、重力水。后两者也称为非结合水（自由水）。,1结合水,土颗粒表面带有一定的电荷，当土粒与水相接触时，由于静电作用力，将吸引水化离子和水分子，形成双电层，在双电层影响下的水膜称为表面结合水。双电层的厚薄也反映了结合水的厚薄，结合水具有与一般自由水不同的性质，其密度较大、粘滞度高、流动性差、冰点低、比热较大、介电常数较低。这种

10、差异随距离增加而减弱。,2.自由水(非结合水),在双电层影响以外的水为自由液态水，它主要受重力作用的控制，土粒表面吸引力居次要地位，这部分水称为非结合水，它包括毛细水和重力水。 (1)毛细水 毛细水是受到水与空气交界面处表面张力作用的自由水。毛管现象是毛细管壁对水的吸力和水的表面张力共同作用的结果。 (2)重力水 重力水是存在于地下水位以下的适水土层中的地下水。它是在重力或压力差作用下运动的自由水，对土粒有浮力作用。重力水只受重力控制，不受土粒表面吸引力的影响。,1.2.3 土中气,土中的气体 成分,与大气相通 压缩性高； 与大气隔绝 降低透水性,一般空气中成分； 微生物产生可燃气体（H2S）

11、,岩石,物理风化,化学风化,土,原生矿物,次生矿物,颗粒通常是由一种或几种原生矿物所组成，它的成分成分与母岩的相同，颗粒一般较粗， 吸附水的能力弱，性质比较稳，无塑性。,化学风化仅使岩 石产生质的变化,物理风化仅使岩 石产生量的变化,原生矿物经化学风化生成的新矿物，它的成分成分与母岩的完全不同。颗粒极细，性质活泼，有较强的吸附水能力，具塑性。,土粒的粒径由粗到细逐渐变化时，土的性质相应地发生变化,土粒的大小及其组成,粘土颗粒性质,1.3 土的物理性质指标,土的三相比例指标是其物理性质的反映，但与其力学性质有内在联系，显然固相成分的比例越高，其压缩性越小，抗剪强度越大，承载力越高。,土的物理三相

12、指标确定,三相比例指标反映了土的干燥与潮湿、疏松与紧密，是评价土的工程性质的最基本的物理性质指标，也是工程地质勘察报告中不可缺少的基本内容。 三相比例指标可分为两种，一种是试验指标（基本指标）；另一种是换算指标。 反映土的松密程度的指标有：土的孔隙比e、孔隙率n；反映了土的含水程度的指标有：含水量、饱和度Sr；特定条件下土的重度有：重度、干重度d、饱和重度sat、浮重度。 三项基本指标（重度、比重ds、含水量）,（1）土的重度,定义：单位体积土的重量。 公式： =W/V 单位： kN/m3 换算公式：=g=9.81 范围： 1622,（2）土粒比重（相对密度）,定义：土粒重度与同体积4时纯水的

13、重度比值， 公式： 单位：无量纲 换算公式： 范围：,(3) 含水量,定义：土中水的重量与土粒重量之比，称为. 公式： =Ww/Ws 单位： 无， % 换算公式：,常见值：砂土 =（040)%;粘性土=（2060) 意义：表示湿度的物理指标，与土的种类，埋 藏条件及其所处的自然地理环境等有关。 测定方法：烘干法。,(4) 土的孔隙比e,定义：土中孔隙体积与土粒体积之比。 公式： e=Vv/Vs 换算公式：,范围：粘性土和粉土:(0.41.2);砂土: (0.30.9);,(5) 孔隙率n,定义：土中孔隙所占总体积之比，用百分数表示。 物理意义：表示土中孔隙大小的程度。 公式： n=Vv/V 单

14、位： % 换算公式： 范围：粘性土和粉土:(3060);砂土: (2545)。,（6）饱和度Sr,定义：土中水的体积与孔隙体积之比，用%表示。 物理意义：表示水在孔隙中充满的程度。 公式： Sr=Vw/Vv 换算公式：=g=9.81 范围： Sr =01 工程应用：饱和度可以反映土的干湿程度，砂 土根据饱和度Sr的指标值分为稍湿、很湿与饱 和三种湿度状态，其划分标准见下表：,砂土,砂土是指粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重50%、 粒径大于0.075mm的颗粒超过全重50%的土。 砂土按粒组含量分类如下表。,（7）干重度d,定义：单位体积土中固体颗粒的重量。 公式： d=Ws /V 单位： k

15、N/m3 范围： 1318 换算公式：,（8）饱和重度sat,定义：土的孔隙中全部充满水时单位体积土的重量。 公式： 单位： kN/m3 范围： 1823 换算公式：,（9）浮重度,定义：地下水位以下，土体受水的浮力作用时，扣除水的浮力后单位体积土的重量。 公式： 单位： kN/m3 范围： 813 换算公式：,几种重度之间的内在联系：,几种重度之间的内在联系,举例加深理解其指标关系：,【例题1-1】 已知土的试验指标为 g =18 KN/m3 ，rs=2.7 g/cm3 和 w=12，求 e ,Sr 和 gd 。 解：可以有两种解答。 第一种方法直接用P12表1.3中的换算公式; 第二种方法利用试验指标的定义分别求出三相物质的重力和体积,然后按定义计算. 【例题1-2】 已知饱和粘土的含水量为36%,求其空隙比和饱和度. 解：此题只给出一个条件,但同时有饱和、粘土二个可利 用的隐含条件。,1.4 土的物理状态指标,所谓土的物理状态，对于无粘性土是指土的密实度；对于粘性土是指土的软硬程度或称粘性土的稠度。 1.4.1 无粘性土（砂土）的密实度 1.4.2 粘性土的稠度,1.4.1 无粘性土的密实度,砂土的密实度对其工程性质具有重要