土力學(xué)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(fēng)化作用和水流、冰川、風(fēng)等自然力搬運(yùn)、剝蝕及堆積作用而生成的松散堆積物。一、風(fēng)化作用(weathering)1物理風(fēng)化：氣溫變化、機(jī)械破壞特征：機(jī)械破壞、成分相同。2化學(xué)風(fēng)化：巖石與水、氣、二氧化碳等化學(xué)作用。特征：化學(xué)成分改變。3生物風(fēng)化：生物活動(dòng)對(duì)巖石的破壞。特征：樹根使巖石機(jī)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(fēng)積土(Aeolian deposit)等。土的類型、土的成分、土的結(jié)構(gòu)、顆粒大小、力學(xué)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(jié)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(qiáng)學(xué)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(fēng)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(fēng)化產(chǎn)物洗刷、剝蝕，順坡向下搬運(yùn)的堆積物由粗到細(xì)分選，層理不明顯，礦物成分與下臥基巖無關(guān)，厚度逐漸變大。洪積土?xí)簳r(shí)性山洪將風(fēng)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(yuǎn)處是細(xì)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(yuǎn)處，細(xì)粒組成，周期性干旱，發(fā)生膠結(jié)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(qiáng)。四、土的沉積年代對(duì)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(xué)作用或膠結(jié)作用越強(qiáng)，土得強(qiáng)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(jí)配：土中不同大小顆粒的相對(duì)含量。備 注設(shè)問法介紹不同類型沉積土的特征。結(jié)合工程設(shè)計(jì)，介紹設(shè)計(jì)中遇到坡積土和洪積土地段時(shí)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(jì)法(d<0.1mm)圖1.2 篩子 圖1.3比重計(jì)法 篩分法：標(biāo)準(zhǔn)篩共五層，孔徑分別為2.0 1.0 0.5 0.25 0.1mm圖1.4 標(biāo)準(zhǔn)篩計(jì)算小于某粒徑

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

6、較不均勻，粒徑范圍變化大。3粒徑級(jí)配曲線的應(yīng)用d60，d10， d30分別為粒徑分布曲線縱坐標(biāo)p等于60%、10%、30%時(shí)對(duì)應(yīng)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(duì)含量的組合情況。備 注設(shè)問法討論級(jí)配曲線對(duì)土的顆粒分布均勻性進(jìn)行定性分析，引入后面的定量分析。(3) 應(yīng)用對(duì)于粗粒土常用不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc來

7、評(píng)價(jià)土的顆粒級(jí)配情況。 Cu5和Cc=13時(shí)，粒徑分布不均勻且級(jí)配良好(well-graded soil)，土易被壓實(shí)，是適合的工程填料；相反，則為不良級(jí)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(xué))§1.3 土中的水和氣體本節(jié)主要自學(xué)土中水的類型和數(shù)量對(duì)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(jié)合水和粒間孔隙水。孔隙水存在形式：冰（固態(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(jié)構(gòu)及聯(lián)結(jié)(soil structure)一、砂土的振動(dòng)密實(shí)和液化1. 松砂受振動(dòng)時(shí)土粒在振動(dòng)中調(diào)整相互位置，土的結(jié)構(gòu)趨于更加密實(shí)、穩(wěn)定。2. 顆粒較細(xì)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(jié)構(gòu)性和靈敏度1結(jié)構(gòu)性：粘性土在保持天然結(jié)構(gòu)時(shí)（原狀土）(undisturbed soil sample)的工程性質(zhì)與它的結(jié)構(gòu)破壞后（擾動(dòng)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(jié)構(gòu)性。2靈敏度(sensitivity)St：靈敏度是常用的評(píng)價(jià)粘性土結(jié)構(gòu)性對(duì)強(qiáng)度影響的指標(biāo)。定義如下：備 注結(jié)合路基填料的工程應(yīng)用講解。采用比喻的方法加深學(xué)生的理解：路基填料，希望級(jí)配良好;正如軍隊(duì)中，要求戰(zhàn)士們年齡級(jí)配均勻，以便于訓(xùn)練與戰(zhàn)斗，而不同級(jí)別軍官年齡則應(yīng)級(jí)配良好，可發(fā)揮不同年齡段人的經(jīng)驗(yàn)，閱歷和威望。結(jié)合地基處理的換填法和汶川地震講解土的結(jié)構(gòu)性越強(qiáng)，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(qiáng)度有所恢復(fù)的性質(zhì)。結(jié)構(gòu)未破壞結(jié)構(gòu)破壞結(jié)構(gòu)強(qiáng)度恢復(fù)tlgt圖1.6 粘性土的強(qiáng)度隨時(shí)間的變化曲線觸變性

10、指導(dǎo)工程實(shí)踐的實(shí)例：（1） 粘性土中打樁。（2） 堤壩、路基工程中，壓實(shí)粘性土的強(qiáng)度會(huì)在壓實(shí)結(jié)束后逐漸提高。（3） 觸變性強(qiáng)的黏土制泥漿護(hù)壁。備 注結(jié)合工程應(yīng)用講解。§1.5 土的三相含量指標(biāo)土的三相草圖圖1.7 土的三相圖由上圖可知：一、三個(gè)基本指標(biāo)1. 土的密度r(density)和容重g(unit weight)r= （g/cm3） （環(huán)刀法測(cè)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(cè)定）3. 土粒容重gs和土粒比重Gs(specific gravity of soil particle)（

11、土粒相對(duì)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(xì)講解該圖。 采用設(shè)問法，與學(xué)生互動(dòng)，介紹三個(gè)基本指標(biāo)。 含水量和含水率的區(qū)別？以上三個(gè)指標(biāo)可以由試驗(yàn)直接測(cè)定，稱為基本指標(biāo).二、導(dǎo)出指標(biāo)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(dǎo)e或n圖1.8 單元土的三相簡(jiǎn)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?jǐn)?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(xì)講解由土的三相圖變化為三相簡(jiǎn)圖的過程，推導(dǎo)孔隙比e的計(jì)算公式。課后作業(yè)：推導(dǎo)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(shí)原理）路基壓實(shí)時(shí)，一般要先通過擊實(shí)試驗(yàn)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(yàn)測(cè)得基本指標(biāo)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(biāo)。解法一：利用書中公式求解解法二：繪制三相草圖，假設(shè)Vs=1.0解法三：繪制三相草圖，假設(shè)V=1.0計(jì)算結(jié)果備 注采用設(shè)問法，比較不同含水率下密度。黑板板書，結(jié)合路基填筑及檢測(cè)的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，講解最大干密度、最優(yōu)含水率、壓實(shí)度和“橡皮土”等概念及土的壓實(shí)原理，注意啟發(fā)學(xué)生思考問題。該例題是本節(jié)所講內(nèi)容的綜合，講解時(shí)采用設(shè)問的方法啟發(fā)學(xué)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(xué)生自己完善解題過程。§1.6 土的物理狀態(tài)及其有關(guān)指標(biāo)土的物理狀態(tài)主要指：土的松、密（對(duì)無粘性土）和軟、硬（粘性土）一、無粘性土(cohesionless soi

14、l)的密實(shí)程度評(píng)價(jià)指標(biāo)：相對(duì)密實(shí)度Dr、標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)N63.5。1相對(duì)密度Dr(relative density) Dr=式中 emax、emin土的最大、最小孔隙比，相對(duì)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(shí)程度密實(shí)程度極松稍松中密密實(shí)相對(duì)密度Dr評(píng)價(jià)：相對(duì)密度的概念比較合理，但試驗(yàn)困難。2標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)63.5kg的穿心錘，以760mm的落距，將標(biāo)準(zhǔn)貫入器打入土中，記錄打入300mm所需的錘擊數(shù)。根據(jù)實(shí)測(cè)平均的N63.5值來劃分砂土的密實(shí)程度。評(píng)價(jià)：現(xiàn)場(chǎng)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(shí)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(shè)問法引出土的松、密、軟、硬狀態(tài)結(jié)合工程現(xiàn)場(chǎng)，將Dr和N63.5在工程中的應(yīng)用。設(shè)問法引導(dǎo)學(xué)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(cè)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?jǐn)?shù)的分子表示。塑性指數(shù)常作為細(xì)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(xué)生的理解：對(duì)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(xué)）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(diǎn)），如果收縮和膨脹十分強(qiáng)烈，就會(huì)引起建筑物因地基強(qiáng)度降低和不均勻變形而破壞、土坡崩裂、路面開裂、擋土結(jié)構(gòu)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(huì)由類似的表現(xiàn)。2.土的凍脹(frost heave)土中水受凍結(jié)時(shí)，使體積有不同程度

17、的膨脹，稱為凍脹。較強(qiáng)的凍脹會(huì)使地面明顯隆起，春夏溫度高，凍結(jié)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(yán)重破壞。據(jù)黑龍江地區(qū)鐵路橋梁凍害調(diào)查統(tǒng)計(jì)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(yīng)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(xì)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(qiáng)度分類根據(jù)風(fēng)化程度、節(jié)理發(fā)育程度分類分級(jí)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(xì)粒土）比砂類土更細(xì)小， IP>3 但工民建規(guī)范把粘性土限于IP>10的細(xì)粒土，而把塑性指數(shù)小于等于10的細(xì)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