土質(zhì)學與土力學 緒論第一二章

1、土質(zhì)學與土力學FOUNDATION SOIL SCIENCE AND SOIL MECHNICS 課程安排授課時間： 4 11周 44 學時課程性質(zhì)：主干課及考試課考試形式：實行累加式，平時考核占10% ，平時作業(yè)占10%，實驗課占10%，期末考試占70%，缺席達到10課時取消期末考試資格。授課教師：王幼清 教材： 土質(zhì)學與土力學袁聚云等編參考書： 土質(zhì)學與土力學洪毓康編2022年7月19日 緒 論 一、土質(zhì)學及土力學的基本概念和研究對象1、土質(zhì)學及土力學 土質(zhì)學是研究土物質(zhì)的物理化學性質(zhì)的科學。例如研究土成因及分布、土粒的大小、形狀、排列方式及其相互連接以及與地下水發(fā)生物理化學作用等。 土力

2、學是研究土體的力學。主要研究土體的應力、應變、強度、穩(wěn)定性以及滲流規(guī)律等等。 土質(zhì)學及土力學的研究對象都是土，主要研究土的工程性質(zhì)，為解決與土有關(guān)的工程問題提供分析方法、為工程設計提供土的計算指標。它是土木專業(yè)的技術(shù)基礎課。2、土體土是巖石礦物固體顆粒集合體，也稱為土體。土體的物理力學性能與其生成條件、環(huán)境條件、所處位置等密切相關(guān)。3、土體在工程中的作用 1)傳力介質(zhì)地基 2)建筑材料堤壩、路基、路面等4、工程中需解決的有關(guān)土體問題 1)地基沉降問題 2)地基的承載能力及穩(wěn)定問題 3)地基滲流破壞問題 4)路堤邊坡滑移及其他問題基礎建筑物向地基傳遞 荷載的下部結(jié)構(gòu)。 地基 受建筑物荷載影響的部

3、分土體。橋墩路堤2022年7月19日 二、本課程的特點1、研究對象（土）是一種極為復雜的力學介質(zhì)。 主要表現(xiàn)出以下特性： a、多樣性 b、局部性或地方性c、多相介質(zhì) d、結(jié)構(gòu)性強 e、本構(gòu)非線性 f、土中應力分為有效應力和孔隙水壓力 g、表現(xiàn)為剪切破壞 h、剪縮與剪脹性 i、力學性能與應力歷史有關(guān)2、以勘察和試驗為基礎 由于土的物理力學性質(zhì)復雜多變, 對每一項工程都要進行現(xiàn)場勘察和土工試驗, 了解土的性質(zhì), 然后進行設計和計算。3、實踐性強 土質(zhì)學及土力學直接為巖土工程設計和施工服務。4、綜合性強 土質(zhì)學及土力學主要涉及工程地質(zhì)學、彈塑性力學、建筑工程施工技術(shù)等其他學科。5、高度依賴工程經(jīng)驗

4、由于土的物理力學性質(zhì)極為復雜, 理論計算誤差較大, 需要通過工程經(jīng)驗進行修正。2022年7月19日 三、土質(zhì)學與土力學的發(fā)展概況及成果 有關(guān)土力學的研究始于18世紀，隨著土木工程的發(fā)展和土力學理論研究的不斷深入，土力學逐步與土質(zhì)學相結(jié)合，較好地反映了土的工程性質(zhì)。取得的主要成果如下： 1773年法國科學家?guī)靵霭l(fā)表了土的抗剪強度和土壓力理論 1869年英國科學家朗肯發(fā)表了土壓力理論 1900年莫爾-庫侖提出了土體抗剪強度的極限平衡理論 1920年法國學者普朗特爾提出了地基極限承載力理論 1922年瑞典學者費倫紐斯和比得森提出了土坡穩(wěn)定分析方法 1925年美籍奧地利人太沙基寫出第一部土力學專著 1

5、936年在美國召開第一屆國際土力學與基礎工程學術(shù)會議此后在其他 國家陸續(xù)召開了十四屆國際土力學與巖土工程會議 1957年中國土木工程學會設立了土力學及基礎工程委員會 1962年我國召開第一屆全國土力學與基礎工程會議, 以后又陸續(xù)召開 了十余屆全國土力學與基礎工程會議 1983年黃文熙院士出版發(fā)行了土的工程性質(zhì)專著 1990年朱百里、沈珠江出版發(fā)行了計算土力學專著 1996年錢家歡、殷宗澤出版發(fā)行了土工原理與計算專著 2000年沈珠江院士出版發(fā)行了理論土力學專著2022年7月19日 四、本課程的學習方法和要求 1、理解概念，弄清原理，具體問題，具體分析。 2、切忌死記硬背。 3、按時完成作業(yè)，及

6、時消化課堂內(nèi)容。第1章 土的物理性質(zhì)及工程分類 土是由巖石風化(物理風化、化學風化、生物風化)后形成的顆粒堆積物。 巖石經(jīng)過剝蝕、搬運、沉積后形成土。 不同成因類型的土具有不同的工程性質(zhì)。例如：殘積土、坡積土、洪積土、沖積土、風積土等等。 土粒相互之間的孔隙中有水和空氣。 土體是由顆粒（固相）、水（液相）、空氣（氣相）三相組成。 土顆粒大小不均勻，形狀不規(guī)則及其排列、組合千變?nèi)f化。 土的性質(zhì)主要由土的三相組成及其比例關(guān)系決定。 1.1 土的三相組成 1、土的固相 組成土粒的物質(zhì)一般分兩類： 原生礦物母巖礦物,存在于粗大的土粒中,例如：砂粒、礫石、碎石等。 次生礦物原生礦物經(jīng)化學風化后生成的新礦

7、物,存在于細粒土，例如： 黏土顆?；蚍Q黏土礦物。常見的有:高嶺石、伊利石、蒙脫石等。 土的固相中除土粒外，還有部分腐殖質(zhì)礦物和有機物等。 2022年7月19日 2、土的液相 土中水是一種成分復雜的電解質(zhì)水溶液，按土粒礦物的親水性一般分兩類： 結(jié)合水受電荷引力作用而吸附在土粒表面的水膜。按引力的強弱又 分為強結(jié)合水(吸附層)和弱結(jié)合水(擴散層)。 自由水電荷引力作用以外的水，包括毛細水和重力水。毛細水受重力和 表面張力控制，不能流動；重力水受重力或水壓差作用能流動。 3、土的氣相 土中氣體分為連通氣體和封閉氣體兩種。連通氣體對土的性質(zhì)影響不大，封閉氣體會增加土體的彈性，使土的工程性質(zhì)復雜化。 1

8、.2 土的顆粒特征一、土粒粒組的劃分 天然土中土粒的大小相差很大，因此土的性能千差萬別。為了研究土的性能，需進行粒組劃分：將大小相近性能變化不大的土粒劃為同一組。由于各粒組的性能易于確定，所以可按各粒組在土中的相對含量綜合確定土的性能。不同系統(tǒng)的粒組劃分有所不同。二、土粒組成的表示方法 土體由各粒組混合而成，則土粒大小及其分布情況可用各粒組在土中的相對含量(各粒組干土重量百分比)表示，稱為土的顆粒級配或粒度成分。 土的顆粒級配有三種表示方法：表格法、累計曲線法、三角坐標法2022年7月19日 (1)表格法直接給出各粒組含量或小于某粒徑的粒組累計含量。該法簡單方便。 (2)累計曲線法用豎坐標表示

9、小于某粒徑土的百分含量，用對數(shù)橫坐標表示粒徑繪制土 的級配曲線。并用不均勻系數(shù)、曲率系數(shù)反映土級配情況。該法直觀形象。 不均勻系數(shù)： 曲率系數(shù)： 式中 累計百分含量為10%、30%、60%的粒徑，由累計曲 線測得。當 時，土的級配良好。 為有效粒徑； 為限定粒徑。 (3)三角坐標法用等腰三角形的三條邊表示砂粒、粉粒、黏粒粒組的坐標，以三角形內(nèi) 一點的三個高分別表示土中三個粒組的含量。該法主要用于路面選料設計。2022年7月19日 三、土的顆粒分析方法 土中各粒組的分布情況可通過試驗測定。對于粒徑 的土，采用篩分法。對粒徑 時采用比重計法(沉降分析法)。其原理：根據(jù)Stokes定律， 液體中下降

10、的顆粒直徑： 比重計測點處的密度： 則 ，懸液中 土粒重 占土?？傊?百分比 式中 土粒及水的密度 。 1.3 土的三相比例指標 土的性質(zhì)主要由土的三相組成及其比例關(guān)系決定。土的三相比例指標可以定量描述土的物理性質(zhì)。土的三相比例指標可以分為試驗指標和換算指標兩類：一、試驗指標 2022年7月19日二、換算指標 三、三相比例指標的換算關(guān)系 利用三相草圖換算，取 并假定 ，則 ，由 ， ， ，按定義有： 2022年7月19日 1.4 黏性土的界限含水率一、黏性土的狀態(tài)與界限含水率 黏性土的狀態(tài)隨含水量的增大而變軟: 固態(tài) 半固態(tài) 可塑狀態(tài) 流動狀態(tài) 1、液限 由可塑狀態(tài)轉(zhuǎn)到流動狀態(tài)的界限含水量。

11、2、塑限 由半固態(tài)轉(zhuǎn)到可塑狀態(tài)的界限含水量。 3、縮限 體積不再縮小對應的界限含水量。二、塑性指數(shù) 塑性指數(shù)是表示黏性土可塑性大小的指標，用 錐式液限儀可塑狀態(tài)的含水率變化范圍定義： 應用中塑性指數(shù)以不帶“”的數(shù)值表示。三、液性指數(shù)液性指數(shù)是表示黏性土軟硬狀態(tài)的指標，定義為含水率和塑限的差值與液限和塑限的差值之比：碟式液限儀2022年7月19日 1.無黏性土的密實度一、 砂土的相對密度、相對密實度指標定義 式中 、 分別為最大和最小孔隙比，由試驗測得。、砂土按相對密度指標分類 密實度 密實 中密 松散 相對密度 密實 中密 松散 三等分 二、無黏性土密實度劃分的其他方法、砂土密實度按標準貫入錘

12、擊數(shù) 分類、碎石土密實度按重型動力觸探錘擊數(shù) 分類、碎石土密實度按超重型動力觸探錘擊數(shù) 分類、砂土密實度按天然孔隙比 分類2022年7月19日 1.6 土的工程分類一、概述不同的工程系統(tǒng)采用不同的分類標準。土的分類在原則上主要考慮了以下三個因素：(1)土的沉積歷史和地質(zhì)成因；(2)土的組成；(3)土的工程性質(zhì)。 建筑地基土的分類如下：二、建筑地基土的分類標準1、按沉積年代和地質(zhì)成因劃分 按沉積年代劃分有:老沉積土、新近沉積土。 按地質(zhì)成因劃分有: 殘積土、坡積土、洪積土、沖積土、湖積土、海積土、風積土、冰積土等。2、按顆粒級配和塑性指數(shù)劃分(1)碎石土粒徑大于2mm的顆粒含量超過全重50%的土

13、稱為碎石土。(2)砂土粒徑大于2mm的顆粒含量不超過全重50%，且大于0.075mm的顆粒含量超過全重50%的土稱為砂土。(3)粉土 , 粒徑大于0.075mm的顆粒含量不超過全重50%的土稱為粉土。(4)黏性土塑性指數(shù) 的土稱為黏性土。 第 1 章 作業(yè)：習題 1-1、1-2、1-3、1-4、1-52022年7月19日 第2章 黏性土的物理化學性質(zhì) 2.1 鍵力的基本概念 鍵力是原子與原子之間或分子與分子之間的聯(lián)結(jié)力。主要包括化學鍵、分子鍵、及氫鍵三種。土物質(zhì)靠鍵力形成土體，了解鍵力的概念有助于認識土體的物理化學性質(zhì)。 1、化學鍵 化學鍵是原子與原子之間的聯(lián)結(jié)。包括離子鍵、共價鍵、金屬鍵。化

14、學鍵也叫主鍵或高能鍵，聯(lián)結(jié)力很強。土粒內(nèi)部的氧原子、硅原子或鋁離子靠化學鍵聯(lián)結(jié)成牢固的礦物晶格，所以在工程中土體破壞時土粒并不會破壞，而是土粒相互之間發(fā)生滑動。 2、分子鍵 分子鍵是分子與分子之間的聯(lián)結(jié)。分子鍵也叫次鍵或低能鍵，聯(lián)結(jié)力很弱。土體的強度主要由分子鍵決定。 3、氫鍵 氫鍵是氫原子與其它帶負電荷原子之間的聯(lián)結(jié)。氫鍵的聯(lián)結(jié)力介于主鍵和次鍵之間，并具有方向性和飽和性。例如，當外部能量低于氫鍵的聯(lián)結(jié)能，水分子相互之間會以氫鍵聯(lián)結(jié)而使水分子定向排列，造成分子間隙增大，出現(xiàn)結(jié)冰凍脹現(xiàn)象。冰或凍土的強度由氫鍵決定。2022年7月19日2.2 黏土礦物顆粒的結(jié)晶結(jié)構(gòu) 黏土礦物的物理化學性質(zhì)與其顆粒

15、的大小及其結(jié)晶結(jié)構(gòu)有關(guān)，因此需要了解黏土礦 物顆粒的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。 1、黏土礦物顆粒的形狀 高嶺石 伊利石 蒙脫石 黏土礦物顆粒一般為鱗片狀。 直徑 常見黏土礦物顆粒尺度： 厚度 比表面 10 100 800 2、黏土礦物的晶體結(jié)構(gòu) 黏土礦物的晶體結(jié)構(gòu)主要由兩種晶片構(gòu)成： 兩種晶片通過化學鍵聯(lián)結(jié)成兩種晶體細胞。 兩種晶胞通過分子鍵和氫鍵形成3種常見黏土礦物顆粒： 高嶺石，結(jié)構(gòu)單元為1:1型晶格，若干晶胞由氫鍵聯(lián)結(jié)成礦物顆粒。較牢固。 蒙脫石，結(jié)構(gòu)單元為2:1型晶格，若干晶胞由分子鍵聯(lián)結(jié)成礦物顆粒。較弱。 伊利石，結(jié)構(gòu)單元為2:1型晶格，若干晶胞由鉀離子聯(lián)結(jié)成礦物顆粒。聯(lián)結(jié)力介于高嶺石和蒙脫石之間。

16、 高嶺石 蒙脫石 伊利石2022年7月19日 2.3 黏土顆粒的膠體化學性質(zhì) 小于0.005mm的黏土礦物顆粒具有膠體的化學特性，其原因是由于土粒表 面帶電。帶電土粒與介質(zhì)相互作用表現(xiàn)出粘性。 一、黏土顆粒表面帶電的成因 (1)邊緣破鍵造成電荷不平衡 (2)同晶置換作用 (3)水化解離作用 (4)選擇性吸附 二、雙電層的概念 由于土粒表面帶負電荷，能吸附水分子和一些陽離子， 形成結(jié)合水膜。在結(jié)合水膜內(nèi)正負電荷平衡，所以也稱結(jié)合 水膜為雙電層。其中陽離子價位高、數(shù)量多，則結(jié)合水膜厚 度減小，反之厚度增大。 雙電層包括強結(jié)合水和弱結(jié)合水。 (1)強結(jié)合水水分子排列很緊密，厚度很薄，密度為1.22.4，冰點負78度，表現(xiàn)為 固態(tài)。 (2)弱結(jié)合水水分子排列漸稀，厚度按電荷強弱分布，且占雙電層大部分，