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1、绪 论一、土力学与岩石力学的定义1定义（1）土力学利用力学的一般原理，研究土的变形特性、强度特性、渗透性（应力、应变、强度、稳定性、渗透性）及其随时间变化规律的科学。（2）岩石力学研究岩石（岩块）和岩体力学性能的理论和应用学科，是探讨岩石（岩块）和岩体对其周围物理环境力场的反应的力学分支（美国岩石力学专业委员会定义，1964年提出，1974年修订）。2研究对象（1）土力学土力学研究对象即包括未既包括常见土，也包括仅存在于局部地理环境的特殊土（红粘土、膨胀土、黄土、冻土等），其研究对象性质极为复杂。土力学的难点：在于土的性质的复杂性（生成历史、生成环境等）。（2）岩石力学岩石力学研究对象包括岩块
2、与岩体，“岩石”属于宽泛的概念。岩块=颗粒+胶结物质+孔隙（水）+微层理（节理、劈理）；岩体=岩块+弱面（层理，节理，断层）。岩石力学的难点（特殊性）：岩体与岩块的力学特性具有非常大的差异，岩体的力学特性主要受层理、节理、裂隙等弱面控制。而实际工程中面对的是岩体，因而单存针对岩块得到的研究结论无法真正解决实际工程问题。二、土力学与岩石力学的工程应用1地基与基础工程地基与基础设计的目标在于：（1）保证地基土体或岩体满足强度条件，防止发生强度破坏；（2）保证地基土体满足变形条件，防止变形过大影响适用性。因此，土力学与岩石力学的理论是建筑地基与基础设计的理论依据。2岩土边坡稳定边坡工程在道路交通建设
3、中最为常见。土力学与岩石力学的基本原理、基础理论是进行岩土边坡工程设计或治理的根本依据。例：国内露天矿边坡垂高最大已超过700米（太钢峨口铁矿720米）；新西兰某矿边坡垂高达到1000米。如此巨大的边坡在长达数十年甚至上百年的时间内保持稳定难度是很大的，这正是岩石力学研究所面临的问题。3岩土地下工程岩石地下工程：大型地下军用（导弹发射井、地下油库、地下核设施、核废料储存仓）、民用、工业设施（大型矿山）；表土地下工程：城市地下交通（地铁）、城市地下人防工程、地下停车场等。有人称“19世纪桥的世纪；20世纪高层建筑的世纪；21世纪地下工程的世纪”，可见，地下工程具有良好的发展前景。地下岩土工程（尤
4、其是城市地下工程）的建设面临着地下空间及支护结构优化设计、施工方案优化、施工技术改进、地表沉降控制等诸多问题。地下岩土工程问题的解决都必须以环境介质即岩土的工程力学性质特性为依据，必须依靠土力学与岩石力学的基础理论作为指导。三、土力学与岩石力学的发展历史1 土力学的发展历史第一阶段：土力学研究的早期（十八世纪到1925年）特点：土力学未成为真正独立的学科，但为解决实际的岩土工程问题，先后出现了许多至今仍在应用的经典土力学理论：17731776，Coulomb抗剪强度理论及土压力理论；1856，砂土渗流的Darcy定律；1857，Rankine土压力理论；1885，Bousinesq解，为地基附
5、加应力计算提供了理论依据；1922，Fellenius土坡稳定分析法；第二阶段：土力学研究的太沙基影响的时期（或古典土力学时期）(1925年至1956年)。1925年，Terzighy土力学专著的发表，标志着土力学作为独立学科出现。该阶段，太沙基还提出了著名的有效应力原理，单向固结理论等土力学基本原理，为土力学的创立作出了奠基性的贡献。第三阶段 近代土力学时期（1956年）标志：1956年，在美国召开了粘土抗剪强度学术会议。目前，电子计算机以及数值模拟计算技术的出现为土力学发展，尤其是岩土工程问题的解决提供了强大的技术手段。理论土力学、实验土力学、应用土力学、计算土力学相互促进，共同发展，正处
6、于快速发展的阶段。2 岩石力学的发展历史第一阶段 岩石力学的萌芽阶段（十九世纪末到二十世纪初）代表性理论：Heim关于原岩应力的静水压力假设；金尼克原岩应力假设。第二阶段 经验理论时期（二十世纪初到二十世纪30年代）代表性理论：普氏拱地压理论；太沙基地压理论；第三阶段 经典理论时期（二十世纪三十年代到二十世纪60年代）力学的基本原理被引入岩石力学研究，形成连续介质理论与地质力学理论两大学派。奥地利岩石力学学派：以Salzburg为代表，主张岩体稳定性研究应将工程地质与岩体弱面的力学特性研究相结合。1951年，发起举行了以岩石力学为主的第一届国际岩石力学讨论会。1956年4月，美国Corolad
7、o矿业学院率先提出“岩石力学”名城。1962年，国际岩石力学学会成立。第四阶段 现代发展时期（二十世纪60年代以后）特点：多学科知识的交叉引用以及先进的监测、实验技术手段及设备的采用，丰富研究手段，拓宽研究领域，使研究成果与工程联系更密切，可相互对比，相互促进，发展加快。第1章 土的性质及工程分类第1节 土的生成本节要求：理解土的生成过程、风化作用及不同风化作用的特点。了解按搬运方式及沉积环境进行的土的分类及各类土的大致工程性质。一、土的定义地球表面的岩石经过风化、剥蚀、搬运、沉积作用形成的沉积物，在未经压紧固结重新形成岩石之前，成松散状态，称为“土”。土力学研究的对象为：“第四系土”（地表或
8、近地表岩土工程）。深厚表土中煤矿矿井建设时，还会遇到第三系土。第三系土多呈未固结或半固结状态，性质介于土、岩之间，类似软岩。由于经历漫长地质历史时期的高压固结作用，估计性质与浅部第四系土有较大差异，目前尚很少研究。例：即将开发的鲁西南巨野矿区表土层厚度普遍超过500米，其中第三系占很大比重。二、土的形成过程及其对力学特性的影响1风化作用风化类型主要影响土的矿物成分。（1）物理风化：岩石的机械性破坏（气温变化等）特点：仅发生几何形状、尺寸的改变矿物成分无变化；（2）化学风化：岩石与环境介质的化学反应造成的破坏（大气中成分）特点：产生新的矿物（“质”变）；（3）生物风化：岩石因生物活动造成的破坏特
9、点：即包括物理风化过程，也包括化学风化过程。2搬运及沉积作用搬运、沉积作用主要影响土体的产状、构造、结构，进而影响工程性质。三、根据土的生成进行分类（安排自学）按搬运手段及沉积环境进行分类：1水力搬运沉积土（1）残积土 （2）坡积土 （3）洪积土 （4）冲积土 （5）湖沼相沉积土（6）海相沉积土2风力搬运沉积土（1）沙漠 （2）黄土3冰渍土（冰川流动搬运沉积）第2节 土的结构与构造本节要求：理解土的结构与构造的概念，掌握土的基本结构形式及其各自特点，掌握结构性及灵敏度的概念及其对土体工程性质的影响。一、土的结构土的结构：土颗粒之间的相互排列及连接方式（系从微观角度研究土而提出的概念）。1单粒结
10、构定义：粗颗粒土在沉积过程中各土颗粒靠自重下沉，形成的松散结构（主要见于粗粒土）。特点：土的工程性质与颗粒大小、颗粒级配、沉积速度、沉积时间长短有关。2蜂窝结构定义：细粒土单颗粒沉积过程中受到已沉积的颗粒吸引而不再下沉，从而形成的链环状大孔隙结构（主要见于粉粒为主要成分的土）。3絮状结构（二级蜂窝结构）定义：更细的土下沉困难，在水中长期漂浮，相互联结先形成链环状结构，链环状结构下沉过程中由相互连接，形成自重更大的二级链环，而后沉积形成的大孔隙结构（主要见于由粘粒组成的土）。特点：蜂窝结构及絮状结构的土体具有高压缩性、低渗透性及低强度的特点，具有显著的结构性。结构性：原状土未受扰动时具有一定的强
11、度，但受到扰动后，强度急剧降低，且压缩性增大的现象称为土的结构性。结构性的衡量指标：灵敏度：式中：原状土试样的无侧限单轴抗压强度；重塑土试样的无侧限单轴抗压强度；按灵敏度对饱和粘性土进行划分：低灵敏度粘性土；中等灵敏度粘性土； 高灵敏度粘性土；显然：灵敏度越高，表明重塑（扰动）后土样的强度下降越明显，其工程性质越差。触变性：饱和粘性土受扰动后强度降低，但停止扰动后，土的强度又随时间逐渐增加的性质称为土的触变性。结构性的工程应用：地基工程中，尽量维持地基土体的原状结构，减少扰动；触变性的工程应用：粘性土层中桩基施工。二、土的构造（安排自学）土的构造：是指同一土层中性质相近的土颗粒或颗粒集合体相互
12、间的特征（系从宏观角度研究土体而提出的概念）。1层理构造 2分散构造 3裂隙构造 4结核状构造第3节 土的三相组成本节要求：重点掌握矿物成分、颗粒级配对土的工程特性的影响；吸附水、薄膜水的性质及其对土的力学特性的影响。了解矿物颗粒之间的化学联接及土中气相。一、土的固相土颗粒表征土颗粒的指标两个：1矿物成分（1）原生矿物：岩浆在冷却过程中形成的矿物。常见：石英、长石、云母等特点：颗粒粗，构成粗颗粒土的主要成分（粗颗粒土一般由岩石经物理风化形成岩石碎屑组成，矿物成分与母岩与母岩相同）。（2）次生矿物：原生矿物经化学风化过程形成的矿物颗粒。常见：粘土矿物如高龄石、蒙脱石、伊利石等特点：粒细，比表面积
13、大，具有强烈的亲水性，是构成细粒土的主要成分。因此，细颗粒土，尤其是粘土矿物含量高的土，其工程特性受水影响非常显著。2颗粒组成（1）粒组：大小界于一定范围的土颗粒，矿物成分、性质通常较接近，可归分为一组，称为“粒组”（或“粒级”）。国内划分的方法：d0.005 粘粒0.005d0.075 粉粒0.075d2 砂粒2d20 圆砾（角砾）20d200 漂石（块石）根据工程需要，各粒组还可以进一步划分成若干“亚组”。（2）颗粒级配（粒径级配）：土中不同粒径的土颗粒的相对含量，用各粒组所占土的总质量的百分比表示，成为颗粒级配。（3）颗粒级配试验（安排自学）与颗粒级配曲线颗粒级配曲线：横轴：粒径（一般采
14、用对数坐标），越靠右侧粒径越小；纵轴：小于某粒径的土颗粒在土样中所占的百分比（质量）（4）级配性指标不均匀系数：；式中：、分别为粒径级配曲线上纵坐标60%、30%、10%所对应的土颗粒粒径值。其中又称为有效粒径。反映土颗粒组成的均匀程度：越大，表明土颗粒粒径差别越大，土颗粒越不均匀；越小，表明土颗粒粒径差别越小，土颗粒越均匀。思考：工程上填方土体选择越大还是越小好？大的土是否一定级配良好？曲率系数：；含义（结合曲线讲解）：反映颗粒级配曲线10%60%一段的弯曲情况。越大，表明越接近，级配曲线上10%60%段下凹越明显；越小，表明越接近，级配曲线上10%60%段上凸越明显；。显然，对于工程用土（
15、要求级配良好）而言，过大、过小均不好。通常：，级配良好；或或，级配不良。二、土中的液相水1结合水（结合示意图讲解）受土颗粒表面电场作用存在于电场范围之内的水。特点：水分子受电场作用定向排列，越靠近土颗粒表面受到的吸引力越大。（1）强结合水：受土颗粒表面电场的作用直接被吸附在土颗粒表面的一层水，又称吸着水。特点：不传递静水压力；不受重力作用；不溶解盐；蒸发温度105，冰点-78；具有强度的粘滞性、弹性及抗剪强度。（2）弱结合水：位于强结合水外围但仍处于电场范围内的水，又称为薄膜水。特点：不传递静水压力；不受重力作用；具有较强的粘滞性、弹性及抗剪强度；薄膜水较厚时可转移（从而使土具有塑性）。注：薄膜水含量在压力、温度、浸湿、干燥等外部环境条件改变时会发生变化，从而引起土的
