考研土力學(xué)重點(diǎn)1

1、緒 論l 土力學(xué)是研究土的物理性質(zhì)以及在荷載作用下土體內(nèi)部的應(yīng)力變形和強(qiáng)度規(guī)律的一門(mén)學(xué)科。l 土力學(xué)研究對(duì)象是土l 需要研究和解決的工程中的三大類(lèi)問(wèn)題：l 土體穩(wěn)定或強(qiáng)度問(wèn)題；l 土體變形問(wèn)題；滲流：滲透變形與滲透穩(wěn)定。第一章 土的物理性質(zhì)指標(biāo)與工程分類(lèi)1-1 土的形成土是松散顆粒的堆積物，是巖石風(fēng)化的產(chǎn)物（人工破碎;堆石壩的壩殼料；相當(dāng)于物理風(fēng)化）。土是指覆蓋在地表的沒(méi)有膠結(jié)或弱膠結(jié)的顆粒堆積物根據(jù)來(lái)源分：有機(jī)土和無(wú)機(jī)土巖石風(fēng)化分為物理風(fēng)化和化學(xué)風(fēng)化。物理風(fēng)化：巖石經(jīng)受風(fēng)、霜、雨、雪的侵蝕，或受波浪的沖擊、地震等引起各種力的作用，溫度的變化、凍脹等因素使整體巖石產(chǎn)生裂隙、崩解碎裂成巖塊、巖屑

2、的過(guò)程。第一章 土的物理性質(zhì)指標(biāo)與工程分類(lèi)1-1 土的形成化學(xué)風(fēng)化：巖體（或巖塊、巖屑）與氧氣、二氧化碳等各種氣體、水和各種水溶液等物質(zhì)相接觸，經(jīng)氧化、碳化和水化作用，使這些巖石或巖屑逐漸產(chǎn)生化學(xué)變化，分解為極細(xì)顆粒的過(guò)程。l 特征：l 物理風(fēng)化：量變過(guò)程，形成的土顆粒較粗；化學(xué)風(fēng)化：質(zhì)變過(guò)程，形成的土顆粒很細(xì)。對(duì)一般的土而言，通常既經(jīng)歷過(guò)物理風(fēng)化，又有化學(xué)風(fēng)化，只不過(guò)哪種占優(yōu)而已。土從其堆積或沉積的條件來(lái)看可分為：殘積土：巖石風(fēng)化后仍留在原地的堆積物。特點(diǎn)：濕熱地帶，粘土，深厚，松軟，易變； 寒冷地帶，巖塊或砂，物理風(fēng)化，穩(wěn)定。運(yùn)積土：巖石風(fēng)化后經(jīng)流水、風(fēng)和冰川以及人類(lèi)活動(dòng)等搬運(yùn)離開(kāi)生成地點(diǎn)

3、后再沉積下來(lái)的 堆積物:又分為沖積土、風(fēng)積土、冰磧土和沼澤土等。 沖積土：由水流沖積而成；顆粒分選、渾圓光滑 風(fēng)積土：由風(fēng)力帶動(dòng)土粒經(jīng)過(guò)一段搬運(yùn)距離后沉積下來(lái)的堆積物；沒(méi)有層理、細(xì)砂或粉粒；黃土 冰磧土：由冰川剝落、搬運(yùn)形成的堆積物；不成層、從漂石到粘粒 沼澤土：在沼澤地的沉積物；含有機(jī)質(zhì)、壓縮性高、強(qiáng)度低1-2 土的組成土是固體顆粒、水和空氣的混合物，常稱(chēng)土為三相系。 固相：土的顆粒、粒間膠結(jié)物； 液相：土體孔隙中的水； 氣相：孔隙中的空氣。當(dāng)土骨架的孔隙全部被水占滿(mǎn)時(shí)，這種土稱(chēng)為飽和土；當(dāng)土骨架的孔隙僅含空氣時(shí)，就成為干土；一般在地下水位以上地面以下一定深度內(nèi)的土的孔隙中兼含空氣和水，此時(shí)

4、的土體屬三相系，稱(chēng)為濕土。根據(jù)土的粘性分：粘性土：顆粒很細(xì)； 無(wú)粘性土：顆粒較粗，甚至很大。砂、碎石、甚至堆石（直徑幾十cm甚至1m）一、土的固相（一）成土礦物原生礦物：由物理風(fēng)化生成的土粒；顆粒較粗，一般為無(wú)粘性土；石英、長(zhǎng)石、云母等；圓形、板狀、塊狀；吸水力弱、穩(wěn)定、無(wú)塑性；砂多為石英。次生礦物：由原生礦物經(jīng)化學(xué)風(fēng)化作用而形成的礦物。顆粒較細(xì)，一般為粘土礦物，形成粘性土。高嶺石、伊利石、蒙脫石；片狀、極細(xì)；吸水力強(qiáng)、活潑、有塑性。（二）粘土礦物的晶體結(jié)構(gòu)粘土礦物：由各種硅酸鹽礦物分解形成的水鋁硅酸鹽礦物。其結(jié)構(gòu)可分為晶體和非晶體，以晶體礦物為主。硅片：基本單元是硅氧四面體，底面每個(gè)氧離子為

5、2個(gè)相鄰單元的硅原子共有組成六邊形孔硅片；鋁片：鋁（鎂）氫氧（氧）八面體，每個(gè)氫氧離子為2個(gè)相鄰單元的鋁原子共有組成鋁片；（二）粘土礦物的晶體結(jié)構(gòu)粘土礦物：高嶺石：長(zhǎng)石風(fēng)化產(chǎn)物，1：1型晶格，一個(gè)硅片一個(gè)鋁片一個(gè)晶層，晶層靠氫鍵連接，一個(gè)顆粒多達(dá)近百個(gè)晶層。伊利石：云母在堿性介質(zhì)中風(fēng)化產(chǎn)物， 2：1型晶格，二個(gè)硅片一個(gè)鋁片一個(gè)晶層，晶層靠鉀離子連接，比較穩(wěn)定，但不如氫鍵；蒙脫石：伊利石進(jìn)一步風(fēng)化， 2：1型晶格，晶層沒(méi)有鉀離子連接，而是有水分子進(jìn)入；（三）土粒的大小和土的級(jí)配粒組：把工程性質(zhì)相近的土粒合并為一組；某粒組的土粒含量定義為該粒組的土粒質(zhì)量與干土總質(zhì)量之比。土的級(jí)配：土中各種大小的粒

6、組中土粒的相對(duì)含量。（四）顆粒大小分析試驗(yàn)測(cè)定土中各粒組顆粒質(zhì)量所占該土總質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)，確定粒徑分布范圍的試驗(yàn)稱(chēng)為土的顆粒大小分析試驗(yàn)。常用的方法：篩分法：粒徑0.075mm 密度計(jì)法：粒徑0.075mm，又有粒徑0.075mm 1.篩分法利用一套孔徑由大到小的篩子，將按規(guī)定方法取得的一定質(zhì)量的干試樣放入一次疊好的篩中，置振篩機(jī)上充分振搖后，稱(chēng)出留在各級(jí)篩上的土粒的質(zhì)量，按下式計(jì)算出小于某土粒粒徑的土粒含量百分?jǐn)?shù)X（）式中：mi，m分別為小于某粒徑的土粒質(zhì)量及試樣總質(zhì)量2.密度計(jì)法利用不同大小的土粒在水中的沉降速度不同來(lái)確定小于某粒徑的土粒含量的方法。通過(guò)密度計(jì)測(cè)定土水懸濁液的密度來(lái)確定。3.

7、土的級(jí)配曲線(xiàn)（1）粒徑分布曲線(xiàn)（2）粒組頻率曲線(xiàn)粒徑分布曲線(xiàn)土的級(jí)配的好壞可由土中的土粒均勻程度和粒徑分布曲線(xiàn)的形狀來(lái)決定，而土粒的均勻程度和曲線(xiàn)的形狀又可用不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)來(lái)衡量。Cu小，曲線(xiàn)陡；Cu大，易壓密；Cc過(guò)大，臺(tái)階在d10d30間； Cc過(guò)小，臺(tái)階在d30d60間；土的級(jí)配的連續(xù)性也可用粒組頻率曲線(xiàn)來(lái)反映。雙峰，谷點(diǎn)=5，且Cc=13時(shí)，級(jí)配良好，否則，不良。二、土的液相（一）吸著水由土顆粒表面電分子力吸附在土粒表面的一層水。吸著水可分為強(qiáng)吸著水和弱吸著水。l 二、土的液相l(xiāng) （一）吸著水l 大多數(shù)粘粒表面帶有凈的負(fù)電荷:l 原子替代;吸著水形成原因:土粒表面的負(fù)電荷,陽(yáng)離子

8、,氫鍵。 強(qiáng)吸著水性質(zhì)接近于固體，冰點(diǎn)很低，沸點(diǎn)較高，且不能傳遞壓力。 弱吸著水也稱(chēng)為薄膜水，不能傳遞壓力，也不能在孔隙水中自由流動(dòng)，但它可以因電場(chǎng)引力的作用從水膜厚的地方向水膜薄的地方轉(zhuǎn)移。由于它的存在，使土具有塑性、粘性、影響土的壓縮性和強(qiáng)度，并使土的透水性變小。吸著水厚度影響因素：成土礦物；陽(yáng)離子濃度及化學(xué)性質(zhì)(陽(yáng)離子價(jià)低,厚; 陽(yáng)離子濃度高,薄)。(二）自由水離開(kāi)土顆粒表面較遠(yuǎn)，不受土顆粒電分子引力作用，且可自由移動(dòng)?的水稱(chēng)為自由水。（分為毛細(xì)管水和重力水）1.毛細(xì)管水土中存在許多大小不同的相互連通的彎曲孔道，由于水分子與土粒分子之間的附著力和水氣界面上的表面張力，于是，將引起迫使相鄰

9、土粒相互積緊的壓力，這個(gè)壓力稱(chēng)為毛管水壓力。在潮濕的粉、細(xì)砂中孔隙水僅存在于土粒接觸點(diǎn)周?chē)舜耸遣贿B續(xù)的。這時(shí)，由于空襲中的氣與大氣連通，因此，孔隙中的壓力亦將小于大氣壓力。由毛管水壓力引起的摩擦阻力猶如給予砂土以某些粘聚力，以致在潮濕的砂土中能開(kāi)挖一定高度的直立坑壁。但一旦砂土被水浸飽和，則彎液面消失，毛管水壓力變?yōu)榱?，這種粘聚力液就不再存在。把這種粘聚力稱(chēng)為假粘聚力。2.重力水在重力或水位差作用下能在土中流動(dòng)的自由水稱(chēng)微重力水。具有溶解能力，能傳遞靜水和動(dòng)水壓力，對(duì)土顆粒有浮力作用。當(dāng)它在土孔隙中流動(dòng)時(shí)，對(duì)所流經(jīng)的土體施加滲流力（亦稱(chēng)動(dòng)水壓力、滲透力），計(jì)算中應(yīng)考慮其影響。三、土的氣相存

10、在土中的氣體分為兩種基本類(lèi)型：一種是與大氣連通的氣體；另一種是與大氣不連通的以氣泡形式存在的封閉氣體。1-3 土的結(jié)構(gòu)一、土粒間的相互作用當(dāng)粘粒在溶液中沉淀時(shí)，粒間引力主要是范得華力（分子鍵），還有吸著水層中異性電荷引起的靜電引力。引力:范得華力總是在極性顆粒之間產(chǎn)生引力，但它是一種短程力，約隨粒間間距得六次方遞減，而與溶液的性質(zhì)無(wú)關(guān)。理性質(zhì)指標(biāo)與工程分類(lèi)1-3 土的結(jié)構(gòu)一、土粒間的相互作用斥力:在兩個(gè)土?；ハ嗫拷诡w粒表面吸著水層相搭接時(shí)，吸著水層中的陽(yáng)離子不足以平衡土粒上得凈負(fù)電荷就發(fā)生粒間斥力。大小取決于溶液的性質(zhì)，并隨粒間間距得指數(shù)函數(shù)遞減。二、土的結(jié)構(gòu)（一）單粒結(jié)構(gòu)（二）蜂窩狀結(jié)構(gòu)

11、（三）絮狀結(jié)構(gòu) 角、邊與面接觸時(shí)凈引力最大，因此絮狀結(jié)構(gòu)的特征是土粒之間以角、邊與面的接觸或邊與邊的搭接形式為主。這種結(jié)構(gòu)的土粒呈任意排列，具有較大的孔隙，其強(qiáng)度低，壓縮性高，對(duì)擾動(dòng)比較敏感。1-4 土的物理性質(zhì)指標(biāo)可分為兩類(lèi)：一類(lèi)是必須通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定的，如含水率、密度和土粒比重，稱(chēng)為直接指標(biāo)；另一類(lèi)是根據(jù)直接指標(biāo)換算的，如孔隙比、孔隙率、飽和度等，稱(chēng)為間接指標(biāo)。1-4 土的物理性質(zhì)指標(biāo)一、試驗(yàn)直接測(cè)定的物理性質(zhì)指標(biāo)（一）土的密度與重度土的密度定義為單位體積土的質(zhì)量，用表示，單位為Mg/m3(或g/cm3)。表達(dá)式如下：對(duì)于粘性土，土的密度常用環(huán)刀法測(cè)定。土的重度亦稱(chēng)為容重，定義為單位體積土的重

12、量，用表示，單位為kN/m3。表達(dá)式如下：式中：W土的重量，單位為kN； g重力加速度。（二）土粒比重Gs土粒比重定義為土粒的質(zhì)量（或重量）與同體積4時(shí)純水的質(zhì)量（或重量）之比（無(wú)因次），其表達(dá)式為： 式中：s土粒的密度，即土粒單位體積的質(zhì)量；（w）44時(shí)純水的密度，1g/cm3（w）44時(shí)純水的重度。土粒比重常用比重瓶法測(cè)定，事先將比重瓶注滿(mǎn)純水，稱(chēng)瓶加水的質(zhì)量。然后把烘干土若干克裝入該空比重瓶?jī)?nèi)，再加純水至滿(mǎn)，稱(chēng)瓶加土加水的質(zhì)量，按下式計(jì)算土粒比重：式中：m1瓶加水的質(zhì)量； m2瓶加土加水的質(zhì)量； ms烘干土的質(zhì)量。（三）土的含水率w土的含水率，曾稱(chēng)為含水量，定義為土中水的質(zhì)量與土粒的質(zhì)量

13、之比，以百分?jǐn)?shù)表示，其表達(dá)式為：測(cè)定含水率常用的方法是烘干法，先稱(chēng)出天然土的質(zhì)量，然后放在烘箱中，在100105常溫下烘干，稱(chēng)得干土質(zhì)量，按上式可算得。二、間接換算得物理性質(zhì)指標(biāo)（一）土的孔隙比e定義：土中孔隙的體積與土粒的體積之比，以小數(shù)表示，其表達(dá)式為：（二）土的孔隙率n定義：土中孔隙的體積與土的總體積之比，或單位體積內(nèi)孔隙的體積，以百分?jǐn)?shù)表示，其表達(dá)式為： （三）土的飽和度Sr定義：土中孔隙水的體積與孔隙體積之比，以百分?jǐn)?shù)表示，其表達(dá)式為：（四）干密度d與干重度d土的干密度：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)土粒的質(zhì)量，表達(dá)式：土的干重度：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)土粒的重量，表達(dá)式為：土烘干，體積要減小，因而，土的干密度不等

14、于烘干土的密度。土的干密度或干重度也是評(píng)定土密實(shí)程度的指標(biāo)，干密度或干重度愈大表明土愈密實(shí)，反之愈疏松。（五）飽和密度sat與飽和重度sat飽和密度定義：土中孔隙完全被水充滿(mǎn)土處于飽和狀態(tài)時(shí)單位體積土的質(zhì)量。表達(dá)式為：在飽和狀態(tài)下，單位體積土的重量稱(chēng)為飽和重度，其表達(dá)式為：六）浮密度與浮重度（有效重度） 土在水下，受到水的浮力作用，其有效重量減小，因此提出了浮重度，即有效重度的概念，其表達(dá)式為：與其相應(yīng)，提出了浮密度的概念，土的浮密度是單位體積內(nèi)的土粒質(zhì)量與同體積水質(zhì)量之差，其表達(dá)式為：從上述四種土的密度或重度的定義可知，同一土樣各種密度或重度在數(shù)值上有如下關(guān)系：三、物理性質(zhì)指標(biāo)間的換算【例題

15、13】某一塊試樣在天然狀態(tài)下的體積為60cm3，稱(chēng)得其質(zhì)量為108g，將其烘干后稱(chēng)得質(zhì)量為96.43g，根據(jù)試驗(yàn)得到的土粒比重Gs為2.7，試求試樣的濕密度、干密度、飽和密度、含水率、孔隙比、孔隙率和飽和度?！窘狻浚?）已知V60cm3，m=108g，則由式（14）得 =m v=180 60=1.8g/cm3（2）已知ms=96.43g，則 mw=mms=10896.43=11.57g按式（19），于是 w= mw ms11.5796.43=12%（3）已知Gs=2.7，則 Vs= ms s=96.43 2.735.7cm3 Vv=VVs=6035.724.3cm3按式（110），于是 e=

16、Vv Vs24.3 35.7=0.68（4）按式（111） n= Vv V24.3 60=40.5（5）根據(jù)w的定義 Vw = mw w=11.57 111.57cm3 于是按式（112） St= Vw Vv=11.57 24.3481-5 無(wú)粘性土得相對(duì)密實(shí)度、 粘性土得稠度及土的壓實(shí)性一、無(wú)粘性土的相對(duì)密實(shí)度常用相對(duì)密實(shí)度Dr來(lái)衡量無(wú)粘性土的松緊程度，其定義為式中：Dr相對(duì)密實(shí)度； emax無(wú)粘性土處在最松狀態(tài)時(shí)的孔隙比； emin無(wú)粘性土處在最密狀態(tài)時(shí)的孔隙比； e0無(wú)粘性土得天然孔隙比或填筑孔隙比。按式（123）可得相對(duì)密實(shí)度得使用表達(dá)式 式中：dmax無(wú)粘性土的最大干密度； dmin

17、無(wú)粘性土的最小干密度； d無(wú)粘性土的天然干密度或填筑干密度。將風(fēng)干的無(wú)粘性土試樣用漏斗法測(cè)定其最小干密度，用振擊法測(cè)定其最大干密度。在工程上，用相對(duì)密實(shí)度Dr劃分無(wú)粘性土的狀態(tài)如下： 0Dr1/3 疏松的 1/3Dr2/3 中密的 2/3Dr1 密實(shí)的二、粘性土的稠度（一）粘性土的稠度狀態(tài)稠度指粘性土的干濕程度或在某一含水率下抵抗外力作用而變形或破壞的能力，是粘性土最主要的物理狀態(tài)指標(biāo)。流動(dòng)、軟、可塑、硬等描述四種狀態(tài)可塑性：土在外力作用下可改變形狀但不顯著改變其體積也不開(kāi)裂，外力卸除厚仍能保持已有的形狀。 （二）界限含水率及其測(cè)定1.界限含水率粘性土從一種狀態(tài)過(guò)渡到另一種狀態(tài)，可用某一界限含

18、水率來(lái)區(qū)分，這種界限含水率稱(chēng)為稠度界限或阿太堡界限。液限（WL）從流動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭伤軤顟B(tài)的界限含水率，也就是可塑狀態(tài)的上限含水率；塑限（Wp）從可塑狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榘牍腆w狀態(tài)的界限含水率，也就是可塑狀態(tài)的下限含水率；縮限（Ws）從半固體狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w狀態(tài)的界限含水率，亦即粘性土隨著含水率的減小而體積開(kāi)始不變時(shí)的含水率。2.液、塑限的測(cè)定測(cè)定塑限的方法：搓滾法和液、塑限聯(lián)合測(cè)定法。測(cè)定液限的方法：碟式儀法和液、塑限聯(lián)合測(cè)定法。液、塑限聯(lián)合測(cè)定法：塑限5秒入土2mm時(shí)的含水率 10mm液限 5秒入土10mm時(shí)的含水率 17mm液限 5秒入土17mm時(shí)的含水率2.液、塑限的測(cè)定測(cè)定塑限的方法：搓滾法和液、

19、塑限聯(lián)合測(cè)定法。測(cè)定液限的方法：碟式儀法和液、塑限聯(lián)合測(cè)定法。25擊合攏長(zhǎng)度13mm時(shí)含水率為液限?；脽羝?2第一章 土的物理性質(zhì)指標(biāo)與工程分類(lèi)土的縮限用收縮皿法測(cè)定，把土料的含水率調(diào)制到大于土的液限，然后將試樣分層填入收縮皿中，刮平表面，烘干，測(cè)出干試樣的體積并稱(chēng)量準(zhǔn)確至0.1g后，按下式計(jì)算： 式中：ws土的縮限（） w制備時(shí)的含水率（）V1濕試樣的體積（cm3） ，V2干試樣的體積（cm3）（三）塑性指數(shù)和液性指數(shù)1.塑性指數(shù)塑性指數(shù)：液限和塑限之差的百分?jǐn)?shù)值（去掉百分號(hào)）。用Ip表示，取整數(shù)，即：塑性指數(shù)越高，吸著水含量可能高，土的粘粒含量越高。2.液性指數(shù)粘性土的狀態(tài)可用液性指數(shù)來(lái)判

20、別。定義為：式中：IL液性指數(shù)，以小數(shù)表示； w土的天然含水率。液性指數(shù)表征了土的天然含水率與界限含水率之間的相對(duì)關(guān)系，表達(dá)了天然土所處的狀態(tài)。當(dāng)wwp時(shí)，IL0，土處于堅(jiān)硬狀態(tài)；wpwwL時(shí)，0IL1.0，土處于可塑狀態(tài)；wLw時(shí)，IL1.0，土處于流動(dòng)狀態(tài)。三、土的壓實(shí)性土的壓實(shí)性：指在一定的含水率下，以人工或機(jī)械的方法，使土能夠壓實(shí)到某種密實(shí)度的性質(zhì)。填土的密實(shí)程度常以干密度表示擊實(shí)試驗(yàn) 土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)（國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)）輕型：d5mm； V=947cm3, m=2.5kg, 3層 25擊， 落高30.5cm重型： d5mm粒徑的含量不超過(guò)2530時(shí)，仍可用輕型擊實(shí)，但要修正。問(wèn)題： d5mm粒徑的含量較少時(shí)是剔除好：還是修正好？或者干脆用重型？1-6 土的工程分類(lèi)粗粒土按顆粒組成進(jìn)行分類(lèi)；粘性土按塑性指數(shù)分類(lèi)。一、土的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)（一）巨粒土和含巨粒土的分類(lèi)巨粒土和含巨粒土應(yīng)按試樣中所含粒徑大于60mm的巨粒組含量來(lái)劃分。試樣中含巨粒組質(zhì)量多于總質(zhì)量的50的土稱(chēng)為巨粒土；試樣中巨粒組質(zhì)量為總質(zhì)量的1550的土稱(chēng)為巨粒混合土；試樣中巨粒組質(zhì)量少于總質(zhì)量的15的土，可扣除巨粒，按粗粒土或細(xì)粒土的相應(yīng)規(guī)定分類(lèi)定名。（二）粗粒土的分類(lèi)試樣中粒徑大于0.075mm的粗粒組