土力學第一章 土的物理性質(zhì)

1、第一章 土的物理性質(zhì)§1.1 土的生成巖漿(magma tic rock)土是地殼表層的巖石長期經(jīng)受風化作用和水流、冰川、風等自然力搬運、剝蝕及堆積作用而生成的松散堆積物。一、風化作用(weathering)1物理風化：氣溫變化、機械破壞特征：機械破壞、成分相同。2化學風化：巖石與水、氣、二氧化碳等化學作用。特征：化學成分改變。3生物風化：生物活動對巖石的破壞。特征：樹根使巖石機械破壞，微生物使巖石成分改變。二、土的沉積(soil sedimentation)類型土的沉積類型：殘積土(residual soil)、坡積土(slope wash)、洪積土(diluvial soil)、

2、湖沼積土、海積土(marine soil)、冰川積土、風積土(Aeolian deposit)等。土的類型、土的成分、土的結構、顆粒大小、力學性質(zhì)都有很大差別。圖1.1 殘積土、坡積土及洪積土的形成備 注結合工程地質(zhì)課程，介紹土的生成。黑板板書，介紹土的沉積類型，增強學生印象。表1.1殘積土、坡積土及洪積土的形成及其特征類 型形 成特 征殘積土經(jīng)風化作用而殘留在原地的碎屑堆積物無分選、打磨、無明顯層理。坡積土在雨水、融雪將山坡高處的巖石風化產(chǎn)物洗刷、剝蝕，順坡向下搬運的堆積物由粗到細分選，層理不明顯，礦物成分與下臥基巖無關，厚度逐漸變大。洪積土暫時性山洪將風化產(chǎn)物挾帶到溝谷口或平原處而成的沉積

3、物。谷口是含有泥砂的石塊和粗顆粒，遠處是細粒泥砂。靠近山區(qū)，顆粒較粗，地下水位低，承載力高，離山區(qū)遠處，細粒組成，周期性干旱，發(fā)生膠結作用，承載力高，中間過渡段為沼澤地，承載力低。三、特殊土（special soil）沿海地區(qū)的軟土(soft clay)、黃土(loess)、膨脹土(expansive soil)、凍土frozen soil)，區(qū)域性強。四、土的沉積年代對土性質(zhì)的影響一般生成年代越久，上覆土層越厚，壓得越密，化學作用或膠結作用越強，土得強度也越大，壓縮性就越小，反之新近沉積的土質(zhì)較松軟，工程性質(zhì)較差。 五、土的三相組成土顆粒固相水液相空氣氣相§1.2 土的粒徑組成和礦

4、物成分一、土的粒徑（grain size）組成1. 粒徑(grain size):顆粒的直徑2. 粒組(fraction)：大小相近的顆粒歸為一組。3. 顆粒級配：土中不同大小顆粒的相對含量。備 注設問法介紹不同類型沉積土的特征。結合工程設計，介紹設計中遇到坡積土和洪積土地段時需要注意的一些問題。二、粒徑分析(grain size analysis)1粒徑分析方法粒徑分析方法:篩分法(0.1mm<d<60mm)和比重計法(d<0.1mm)圖1.2 篩子 圖1.3比重計法 篩分法：標準篩共五層，孔徑分別為2.0 1.0 0.5 0.25 0.1mm圖1.4 標準篩計算小于某粒徑

5、的土粒重占全部土重的百分數(shù)P： P=式中 Wd¾小于某粒徑d的土粒重Ws¾土?？傊兀?m1+m2+m3+m4+m5+m6）d<0.1mm P1=備 注土力學中標準篩與建筑材料中標準篩之間的區(qū)別？d<0.25mm P2= 以此類推d<2.0mm P5= 比重計法(自學)2粒徑分布曲線(grain size distribution curve)(級配曲線)以粒徑d的對數(shù)為橫坐標lgd，小于某粒徑的含量P為縱坐標，繪制Plgd關系曲線，即級配曲線。圖1.5 三種不同土的粒徑分布曲線討論（1）級配曲線比較陡時，表明顆粒比較均勻（2）級配曲線比較平緩時，表明顆粒比

6、較不均勻，粒徑范圍變化大。3粒徑級配曲線的應用d60，d10， d30分別為粒徑分布曲線縱坐標p等于60%、10%、30%時對應的粒徑。其中d10稱為有效粒徑(effective grain size)。（1） 不均勻系數(shù)Cu(coefficient of uniformity) Cu越大，曲線越平緩，粒徑分布不均勻。（2）曲率系數(shù)Cc (coefficient of curvature) Cc= Cc反映曲線彎曲形狀，表明中間粒徑和較小粒徑相對含量的組合情況。備 注設問法討論級配曲線對土的顆粒分布均勻性進行定性分析，引入后面的定量分析。(3) 應用對于粗粒土常用不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc來

7、評價土的顆粒級配情況。 Cu5和Cc=13時，粒徑分布不均勻且級配良好(well-graded soil)，土易被壓實，是適合的工程填料；相反，則為不良級配土(poorly graded soil) Cu5，粒徑分布均勻，顆粒大小相差不大。 Cc<1，中間粒徑顆粒偏少，較小粒徑顆粒偏多。 Cc>3，中間粒徑顆粒偏多，較小粒徑顆粒偏少。 如曲線上出現(xiàn)水平線，即缺少某種中間粒徑的土。三、土中礦物成分(自學)§1.3 土中的水和氣體本節(jié)主要自學土中水的類型和數(shù)量對土的狀態(tài)和性質(zhì)有重大影響。土中水包括礦物內(nèi)部結合水和粒間孔隙水?？紫端嬖谛问剑罕ü虘B(tài)水）、水汽（氣態(tài)水）、液態(tài)水

8、。土中的氣體主要是空氣和水氣。§1.4 土的結構及聯(lián)結(soil structure)一、砂土的振動密實和液化1. 松砂受振動時土粒在振動中調(diào)整相互位置，土的結構趨于更加密實、穩(wěn)定。2. 顆粒較細的砂土被水飽和，在突然振密而排水不暢的情況下，土粒受到孔隙水的反作用而處于懸浮狀態(tài)，變成液體狀，稱為液化或流砂(quick of sand)。是建筑物地基破壞的主要原因。二、粘性土的結構性和靈敏度1結構性：粘性土在保持天然結構時（原狀土）(undisturbed soil sample)的工程性質(zhì)與它的結構破壞后（擾動土）(disturbed soil sample)的工程性質(zhì)常有很大差別，

9、這就是土具有的結構性。2靈敏度(sensitivity)St：靈敏度是常用的評價粘性土結構性對強度影響的指標。定義如下：備 注結合路基填料的工程應用講解。采用比喻的方法加深學生的理解：路基填料，希望級配良好;正如軍隊中，要求戰(zhàn)士們年齡級配均勻，以便于訓練與戰(zhàn)斗，而不同級別軍官年齡則應級配良好，可發(fā)揮不同年齡段人的經(jīng)驗，閱歷和威望。結合地基處理的換填法和汶川地震講解土的結構性越強，靈敏度越大。三、粘性土的觸變性觸變性(thixotropy)：含水率和密度不變，土因重塑而軟化，又因靜置而逐漸硬化，強度有所恢復的性質(zhì)。結構未破壞結構破壞結構強度恢復tlgt圖1.6 粘性土的強度隨時間的變化曲線觸變性

10、指導工程實踐的實例：（1） 粘性土中打樁。（2） 堤壩、路基工程中，壓實粘性土的強度會在壓實結束后逐漸提高。（3） 觸變性強的黏土制泥漿護壁。備 注結合工程應用講解。§1.5 土的三相含量指標土的三相草圖圖1.7 土的三相圖由上圖可知：一、三個基本指標1. 土的密度r(density)和容重g(unit weight)r= （g/cm3） （環(huán)刀法測定）g= (kg/m3) g=r×g (g為重力加速度)2. 含水率w (water content) w= （烘干法測定）3. 土粒容重gs和土粒比重Gs(specific gravity of soil particle)（

11、土粒相對密度）gs= (KN/m3)Gs= （重瓶煮沸法）備 注假想將土的三相成分分開，詳細講解該圖。 采用設問法，與學生互動，介紹三個基本指標。 含水量和含水率的區(qū)別？以上三個指標可以由試驗直接測定，稱為基本指標.二、導出指標1. 孔隙比(void ratio)和孔隙率n(porosity)e= (e=0.254.0)n= (n<1.0)用三相草圖來推導e或n圖1.8 單元土的三相簡圖e= n=e或n越大，土越松，越小則越密。2. 土的飽和度Sr(degree of saturation)飽和度越大，土越濕。飽和度用百分數(shù)或小數(shù)表示，值01。3. 土的飽和容重gsat、浮容重g、干容重

12、gd（1）土的飽和容重飽和度等于100%的飽和土的容重gsat。gsat= (kN/m3)（2）土的浮容重g (kN/m3)備 注多媒體配合黑板板書，詳細講解由土的三相圖變化為三相簡圖的過程，推導孔隙比e的計算公式。課后作業(yè)：推導該公式（3）土的干容重gd (kN/m3)（4）不同含水率下密度的比較三、最大干容重和最優(yōu)含水率（土的壓實原理）路基壓實時，一般要先通過擊實試驗得到最大干密度(maximum dry density) 和最優(yōu)含水率(optimum moisture content)。四、典型例題講解某原狀土樣，試驗測得基本指標如下：天然密度r=1.67g/cm3，含水率w=12.9%

13、，土粒比重GS=2.67，試求其它指標。解法一：利用書中公式求解解法二：繪制三相草圖，假設Vs=1.0解法三：繪制三相草圖，假設V=1.0計算結果備 注采用設問法，比較不同含水率下密度。黑板板書，結合路基填筑及檢測的現(xiàn)場經(jīng)驗，講解最大干密度、最優(yōu)含水率、壓實度和“橡皮土”等概念及土的壓實原理，注意啟發(fā)學生思考問題。該例題是本節(jié)所講內(nèi)容的綜合，講解時采用設問的方法啟發(fā)學生的解題思路。注意比較三種方法的難易程度。給出答案，課后學生自己完善解題過程。§1.6 土的物理狀態(tài)及其有關指標土的物理狀態(tài)主要指：土的松、密（對無粘性土）和軟、硬（粘性土）一、無粘性土(cohesionless soi

14、l)的密實程度評價指標：相對密實度Dr、標準貫入錘擊數(shù)N63.5。1相對密度Dr(relative density) Dr=式中 emax、emin土的最大、最小孔隙比，相對于最松、最密狀態(tài)。e土的天然狀態(tài)孔隙比。Dr=01。表1.2 鐵路橋規(guī)按Dr劃分砂土密實程度密實程度極松稍松中密密實相對密度Dr評價：相對密度的概念比較合理，但試驗困難。2標準貫入試驗63.5kg的穿心錘，以760mm的落距，將標準貫入器打入土中，記錄打入300mm所需的錘擊數(shù)。根據(jù)實測平均的N63.5值來劃分砂土的密實程度。評價：現(xiàn)場操作方便，需修正。二、粘性土的稠度和可塑性1. 稠度指粘性土在不同含水率時呈現(xiàn)的不同軟硬

15、程度。在不同含水率下，粘性土表現(xiàn)為不同稠度狀態(tài)：干硬（固態(tài)）、半干硬（半固態(tài)）、可塑狀態(tài)、液態(tài)。2. 稠度界限(consistency limit)備 注設問法引出土的松、密、軟、硬狀態(tài)結合工程現(xiàn)場，將Dr和N63.5在工程中的應用。設問法引導學生了解粘性土的不同稠度狀態(tài)。圖1.9 土的稠度界限（1）塑限wp(plastic limit)和液限wL(liquid limit)的測定（2）塑性指數(shù) (plasticity index)和液性指數(shù) (liquidity index) 塑性指數(shù) 注意：塑性指數(shù)在國外常用百分率表示，在國內(nèi)用百分數(shù)的分子表示。塑性指數(shù)常作為細粒土工程分類的依據(jù)。 液性指

16、數(shù)a. 用來判別粘性土的軟硬狀態(tài). 備 注采用比喻的方法加深學生的理解：對于粘性土，塑性指數(shù)是不變的，液性指數(shù)是可變化的。塑性指數(shù)如同你的姓，將你劃歸了哪一家就不變了。液性指數(shù)如同你的年齡，是“狀態(tài)”的描述。§1.8土的膨脹、收縮及凍脹（自學）1.土的膨脹和收縮 粘性土可能吸水膨脹，也可能失水（干燥）收縮（非粘性土無此特點），如果收縮和膨脹十分強烈，就會引起建筑物因地基強度降低和不均勻變形而破壞、土坡崩裂、路面開裂、擋土結構破壞。粘性土的膨脹性和收縮性在減少，它原來承受的壓力或增加外界壓力的情況下也會由類似的表現(xiàn)。2.土的凍脹(frost heave)土中水受凍結時，使體積有不同程度

17、的膨脹，稱為凍脹。較強的凍脹會使地面明顯隆起，春夏溫度高，凍結土融化；使土層變得稀軟。凍脹和融化是不均勻的，故可能造成建筑物的嚴重破壞。據(jù)黑龍江地區(qū)鐵路橋梁凍害調(diào)查統(tǒng)計資料，不少橋梁遭受凍害，凍起高度一般大于50米，有的橋墩身被拔斷。§1.9 土（巖）的工程分類我國目前應用較廣的分類方法是先將土（巖）分成五大類：巖石、碎石（類）土、砂（類）土、粘性土（或細粒土）、特殊土。1. 巖石 指被地質(zhì)界面（如:面層、節(jié)理、破碎帶等）分割的巖體的塊體。（一） 根據(jù)強度分類根據(jù)風化程度、節(jié)理發(fā)育程度分類分級2. 碎石類土 粒徑大于2mm的顆粒質(zhì)量超過總質(zhì)量50%的土。3. 砂（類）土 粒徑大于2mm的顆粒質(zhì)量不超過總質(zhì)量50%，且粒徑大于0.075mm的顆粒質(zhì)量超過總質(zhì)量的50%的土。4. 粉土若土的塑性指數(shù)小于或等于10，且粒徑大于0.075mm的顆粒質(zhì)量不超過總質(zhì)量的50，則該土屬于粉土。5. 粘性土（細粒土）比砂類土更細小， IP>3 但工民建規(guī)范把粘性土限于IP>10的細粒土，而把塑性指數(shù)小于等于10的細粒土稱為粉土。工民建規(guī)范：粉土(IP<10) 、粉質(zhì)粘土(10<IP<17) 、粘