清華土力學 第一章 土的物理性質(zhì)與工程分類

張丙印《土力學1》之第一章土的物理性質(zhì)與工程分類

清華大學土木水利學院 巖土工程研究所本章提要本章特點學習要點第一章：土的物理性質(zhì)與工程分類對土的特點進行詳細解釋對土的組成和狀態(tài)進行定量描述

內(nèi)容瑣碎、零散理清各節(jié)間聯(lián)系理清各節(jié)內(nèi)層次注意物理概念的把握第一章：本章概要

滲透特性變形特性強度特性土的三相組成土的物理狀態(tài)土的結(jié)構(gòu)土的形成過程土的工程分類：便于研究和應用土的壓實性：如何獲得較好的土決定第一章：本章概要

作業(yè)1-1

1-21-3

1-51-61-4（假定兩種土的活性指數(shù)相同）1-8

1-9

1-101-12第一章：本章概要

第一章：土的物理性質(zhì)與工程分類§1.1土的形成§1.2土的三相組成§1.3土的物理狀態(tài)§1.4土的結(jié)構(gòu)§1.5土的工程分類§1.6土的壓實性土的形成土巖石風化、搬運、沉積地質(zhì)成巖作用土的組成、結(jié)構(gòu)和物理力學性質(zhì)過程、條件§1.1土的形成土的形成與風化作用物理風化化學風化生物活動巖石和土的粗顆粒受各種氣候等物理因素的影響產(chǎn)生脹縮而發(fā)生裂縫,或在運動過程中因碰撞和摩擦而破碎是顆粒大小發(fā)生量的變化礦物成分與母巖相同，稱

原生礦物產(chǎn)生無黏性土§1.1土的形成母巖表面和碎散的顆粒受環(huán)境因素的作用而改變其礦物的化學成分，形成新的礦物顆粒成分發(fā)生質(zhì)的變化礦物成分與母巖不同，稱

次生礦物形成十分細微的土顆粒，最主要為黏性顆粒及可溶鹽類土的形成與風化作用物理風化化學風化生物活動§1.1土的形成包括植物、動物和土壤微生物的作用可加劇物理和化學風化構(gòu)成土中有機質(zhì)和營養(yǎng)物質(zhì)的生物循環(huán)導致腐殖質(zhì)的形成，改變土壤的結(jié)構(gòu)土的形成與風化作用物理風化化學風化生物活動§1.1土的形成殘積土

無搬運運積土

有搬運搬運與沉積母巖表層經(jīng)風化作用破碎成巖屑或細小顆粒后，未經(jīng)搬運殘留在原地的堆積物殘積土強風化弱風化微風化母巖體顆粒表面粗糙多棱角粗細不均無明顯層理§1.1土的形成搬運與沉積殘積土

無搬運運積土

有搬運風化所形成的土顆粒，受自然力的作用搬運到遠近不同的地點所沉積的堆積物坡積土：土粒粗細不同，性質(zhì)不均洪積土：有分選性，近粗遠細沖積土：渾圓度分選性明顯，土層交迭湖泊沼澤沉積土：含有機物淤泥，土性差海相沉積物：顆粒細，表層松軟，土性差冰積土：土粒粗細變化較大，性質(zhì)不均勻風積土：顆粒均勻，層厚而不具層理§1.1土的形成第一章：土的物理性質(zhì)與工程分類§1.1土的形成

§1.2土的三相組成§1.3土的物理狀態(tài)§1.4土的結(jié)構(gòu)§1.5土的工程分類§1.6土的壓實性土中氣體氣相次要作用固體顆粒固相構(gòu)成土體骨架

起決定作用土中水液相重要影響土體的三相構(gòu)成飽和土：土體孔隙完全被水充滿干土：土體孔隙完全被氣充滿非飽和土：孔隙中水和氣均存在§1.2土的三相組成固體

顆粒粒徑級配礦物成分顆粒形狀土的物理狀態(tài)力學特性固體顆粒三要素§1.2土的三相組成–固體顆粒

固體顆粒-顆粒大小粒組：按粗細進行分組，將粒徑接近的歸成一類界限粒徑d(mm)礫石砂粒粉粒黏粒膠粒6020.0750.0050.0020.250.5520粗

中

細粗

中

細0.075粗粒細粒粗粒土：以礫石和砂粒為主要組成的土，也稱無黏性土細粒土：以粉粒、黏粒和膠粒為主要組成的土，也稱黏性土巨粒60§1.2土的三相組成–固體顆粒

固體顆粒-粒徑級配粒徑級配：各粒組的相對含量，用質(zhì)量百分

數(shù)來表示

分析方法：篩分法：適用于粗粒土孔徑大小不同的篩子

水分法：適用于細粒土常采用比重計法表述方法:

粒徑級配累積曲線§1.2土的三相組成–固體顆粒

固體顆粒-粒徑級配篩分法適合

于粗粒徑（d>0.075mm）密度計法適合于細粒徑（d<0.075mm）§1.2土的三相組成–固體顆粒

固體顆粒-粒徑級配孔徑105.02.01.00.50.250.075200g土篩余0101618242246641009080706050403020100小于某粒徑之土質(zhì)量百分數(shù)P（％）105.01.00.50.100.050.01粒徑

(mm)P100958778665532土的粒徑級配累積曲線水分法粒徑(mm)0.050.010.005P(%)2613.510篩分法§1.2土的三相組成–固體顆粒

土的粒徑級配累積曲線固體顆粒–

級配曲線斜率:

某粒徑范圍內(nèi)顆

粒的含量

陡-相應粒組含量多

緩-相應粒組含量少

平臺-相應粒組缺乏1009080706050403020100小于某粒徑之土質(zhì)量百分數(shù)（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒徑(mm)d60d50d30d10§1.2土的三相組成–固體顆粒

固體顆粒–

級配曲線土的粗細度：用d50

表示土的不均勻程度：

不均勻系數(shù)Cu=d60/d10Cu

5為不均勻土，反之稱為均勻土連續(xù)程度:

曲率系數(shù)

Cc=1~3為連續(xù)級配，反之為不連續(xù)級配§1.2土的三相組成–固體顆粒

土的粒徑級配累積曲線1009080706050403020100小于某粒徑之土質(zhì)量百分數(shù)（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒徑(mm)d60d50d30d101009080706050403020100小于某粒徑之土質(zhì)量百分數(shù)（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒徑(mm)土的粒徑級配累積曲線d60d10d30曲線d60d10d30CuCcL0.330.0050.081663.98M0.0632.41R0.0300.545Cc=13,級配連續(xù)缺少小顆粒，Cc缺少大顆粒，Cc固體顆粒–曲率系數(shù)舉例§1.2土的三相組成–固體顆粒

粒組含量用于土的分類定名；不均勻系數(shù)Cu用于判定土的不均勻程度：

Cu

5為不均勻土；Cu

5為均勻土

曲率系數(shù)Cc用于判定土的連續(xù)程度：

Cc=1~3為級配連續(xù)土；Cc>3或Cc<1為級配不連續(xù)土不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc用于判定土的級配優(yōu)劣：

Cu

5且Cc=1~3為級配良好的土；如果Cu<5或Cc>3

或Cc<1為

級配不良的土粒徑級配曲線和指標的應用§1.2土的三相組成–固體顆粒

固體顆粒-礦物成分固體成分原生礦物：石英、長石、云母等次生礦物礦物質(zhì)有機質(zhì)無定形氧化物膠體可溶鹽黏土礦物具有和原生礦物很不相同的特性對黏土性質(zhì)的影響很大§1.2土的三相組成–固體顆粒

黏土礦物黏土礦物是一種復合的鋁-硅鹽晶體，顆粒呈片狀，是由硅片和鋁片構(gòu)成的晶包所組疊而成，可分成高嶺石、伊利石和蒙特石三種類型。

硅片

鋁片SiSi氧離子O2-硅離子Si4+硅-氧四面體硅片的結(jié)構(gòu)硅片簡圖§1.2土的三相組成–固體顆粒

黏土礦物黏土礦物是一種復合的鋁-硅鹽晶體，顆粒呈片狀，是由硅片和鋁片構(gòu)成的晶包所組疊而成，可分成高嶺石、伊利石和蒙特石三種類型。OH1-鋁離子Al3+鋁-氫氧八面體鋁片的結(jié)構(gòu)鋁片簡圖AlAl

硅片

鋁片§1.2土的三相組成–固體顆粒

晶層間通過氫鍵聯(lián)結(jié)，聯(lián)結(jié)力強，晶格不能自由活動，水難以進入晶格間能組疊很多晶層，多達百個以上，成為一個顆粒。顆粒長寬約0.3-3，厚約0.03-1主要特征：顆粒較粗，不容易吸水膨脹和失水收縮，或者說親水能力差黏土礦物依硅片和鋁片組疊形式的不同，可分成如下三種類型：高嶺石蒙特石伊利石SiSiAlAlSiSiAlAlSiSiAlAl高嶺石微粒1:1的兩層結(jié)構(gòu)§1.2土的三相組成–固體顆粒

晶層間是O2-對O2-的連結(jié)，聯(lián)結(jié)力很弱，水很容易進入晶層之間每一顆粒能組疊的晶層數(shù)較少。顆粒大小約為0.1-1，厚約0.001-0.01主要特征：顆粒細微，具有顯著的吸水膨脹、失水收縮的特性，或者說親水能力強2:1的三層結(jié)構(gòu)SiSiAlAlSiSiSiSiAlAlSiSi數(shù)層水分子依硅片和鋁片組疊形式的不同，可分成如下三種類型：高嶺石蒙特石伊利石黏土礦物§1.2土的三相組成–固體顆粒

是云母在堿性介質(zhì)中風化的產(chǎn)物與蒙特石相似，由兩層硅片夾一層鋁片所形成的三層結(jié)構(gòu)，但晶層之間有鉀離子連結(jié)主要特征：連結(jié)強度弱于高嶺石而高于蒙特石，其特征也介于兩者之間2:1的三層結(jié)構(gòu)SiSiAlAlSiSiSiSiAlAlSiSi鉀離子依硅片和鋁片組疊形式的不同，可分成如下三種類型：高嶺石蒙特石伊利石黏土礦物§1.2土的三相組成–固體顆粒

黏土礦物的帶電性質(zhì)研究表明，片狀黏土顆粒表面常帶有電荷，凈電荷通常為負電荷----------------------++++黏土顆粒水分子陽離子黏土礦物的帶電特性玻璃筒玻璃皿水位升高黏土粒黏土膏+-黏土的電泳和電滲現(xiàn)象(列依斯,1809)§1.2土的三相組成–固體顆粒

顆粒形狀和比表面積原生礦物：一般顆粒較粗，呈粒狀。有圓狀、渾圓狀、棱角狀等。次生礦物：顆粒較細，多呈針狀、片狀、扁平狀。比表面積：單位質(zhì)量土顆粒所擁有的總表面積。對于黏性土，其大小直接反映土顆粒與四周介質(zhì),特別是水,相互作用的強烈程度,是代表黏性土特征的一個很重要的指標。

高嶺石的比表面積為：10-20m2/g,伊利石：80-l00m2/g,蒙特石：800m2/g粗顆粒的形狀黏土顆粒的形狀§1.2土的三相組成–固體顆粒

土中水結(jié)晶水礦物內(nèi)部的水結(jié)合水吸附在土顆粒表面的水自由水電場引力作用范圍之外的水

土中冰由自由水凍成，凍脹融沉

水蒸氣存在孔隙空氣中§1.2土的三相組成–土中水黏土顆粒周圍的雙電層§1.2土的三相組成–土中水水分子的結(jié)構(gòu)：O2–H+H+0.096nm104.5=1.84德拜水分子的正負電荷總體是平衡的，但在空間分布上卻是不平衡的。因此，水分子是極性分子雙電層：----------------------++++黏土顆粒水分子陽離子黏土顆粒表面帶負電，形成電場。水中陽離子被吸引，極性水分子發(fā)生定向排列顆粒表面的負電荷構(gòu)成電場的內(nèi)層，吸引的陽離子和定向排列的水分子構(gòu)成外層，稱為雙電層強結(jié)合水排列致密，密度>1g/cm3

冰點處于零下幾十度完全不能移動，具有固體的特性溫度略高于100C時可蒸發(fā)弱結(jié)合水

受電場引力作用，為黏滯水膜外力作用下可以移動不因重力而流動，有黏滯性

是黏性土表現(xiàn)出可塑性的原因黏土顆粒-----------------++++引力d水分子陽離子強結(jié)合水弱結(jié)合水自由水土中水–

結(jié)合水結(jié)合水：受顆粒表面電場作用力吸引而包圍在顆粒四周，不傳遞靜水壓力，不能任意流動的水§1.2土的三相組成–土中水毛細水：由于土體孔隙的毛細作用升至自由水面以上的水。毛細水承受表面張力和重力的作用重力水：自由水面以下的孔隙自由水，在重力作用下可在土中自由流動土中水–

自由水自由水：不受顆粒電場引力作用的孔隙水hc毛細水重力水§1.2土的三相組成–土中水生活在水面收縮膜

頂面和地面的昆蟲收縮膜內(nèi)壓>外壓液體1液體2界面張力界面張力水黽

§1.2土的三相組成–土中水毛管中的界面效應Tdkw空氣固體=濕潤角水T=界面張力dk=毛管直徑ua-uwua-uw=壓力差毛細吸水現(xiàn)象澳洲蜥蜴錄像§1.2土的三相組成–土中水毛細管hc土中毛細水上升高度T2r上升高度r2hcw=2rTcos毛細升高與孔徑成反比黏土粉土砂土礫石§1.2土的三相組成–土中水張力TTuc水hc2ruc=-hcw水壓+-TT則毛細壓力：2πrTcosα+ucπr2=0毛細管中的負靜水壓力毛細水壓力§1.2土的三相組成–土中水土顆粒縫隙處的彎液面r彎液面在非飽和土中，孔隙中含有水和氣，此時水多集中于顆粒間的縫隙處，稱毛細角邊水。由于毛細張力的作用，會形成如圖所示的彎液面，使毛細角邊水產(chǎn)生負壓力，顆粒則受正壓力。這是稍濕的砂土顆粒間存在假凝聚力的原因§1.2土的三相組成–土中水氣相-土中氣自由氣體：與大氣連通的氣體對土的性質(zhì)影響不大封閉氣體：被土顆粒和水封閉的氣體

其體積與壓力有關(guān)。會增加土的彈性；阻塞滲流通道，降低滲透性溶解在水中的氣體吸附于土顆粒表面的氣體§1.2土的三相組成–土中氣土體有三個組成部分：固相、液相和氣相

小結(jié)固體顆粒土中水土中氣體粒徑級配礦物成分顆粒形狀結(jié)合水：強結(jié)合水、弱結(jié)合水自由水：重力水、毛細水自由氣體封閉氣體§1.2土的三相組成–小結(jié)第一章：土的物理性質(zhì)與工程分類§1.1土的形成

§1.2土的三相組成§1.3土的物理狀態(tài)§1.4土的結(jié)構(gòu)§1.5土的工程分類§1.6土的壓實性土的物理狀態(tài)土的物理狀態(tài)指標粗粒土的松密程度黏性土的軟硬狀態(tài)土的物理性質(zhì)指標(三相間的比例關(guān)系)§1.3土的物理狀態(tài)土的性質(zhì)不僅決定于三相組成的性質(zhì)，而且三相間量的比例關(guān)系也是很重要的影響因素表示物理性質(zhì)指標土的三個組成相的體積和質(zhì)量上的比例關(guān)系土的物理性質(zhì)指標特點:

指標概念簡單，數(shù)量很多

要點：名稱、概念或定義、符號、表達式、

單位或量綱、常見值或范圍、聯(lián)系與區(qū)別

基本方法:定義三相草圖法§1.3土的物理狀態(tài)–物理性質(zhì)指標

空氣Air三相草圖水Water固體Solidma=0mwmsm質(zhì)量VaVwVsVvV體積§1.3土的物理狀態(tài)–物理性質(zhì)指標

三相草圖九個物理量:

VVvVsVaVw

msmwmam物性指標是比例關(guān)系:可假設任一參數(shù)為1物理量關(guān)系:空氣水固體ma=0mwmsm質(zhì)量VaVwVsVvV體積三個獨立變量，干土或飽和土二個獨立變量其它指標：三相草圖法計算實驗室測定§1.3土的物理狀態(tài)–物理性質(zhì)指標

基本物理性質(zhì)試驗為了確定三相草圖諸量中的三個量，通常進行三個基本的物理性質(zhì)試驗：土的密度試驗土粒比重試驗土的含水量試驗§1.3土的物理狀態(tài)–物理性質(zhì)指標

定義：土單位體積的質(zhì)量表達式：單位:kg/m3

或g/cm3一般范圍:1.60~2.20g/cm3土的密度空氣水固體ma=0mwmsm質(zhì)量VaVwVsVvV體積相關(guān)指標:土的重度

=

g單位:kN/m3

工程上更常用,用于計算土的

自重應力基本試驗指標-土的密度§1.3土的物理狀態(tài)–物理性質(zhì)指標

定義：土粒的密度與4?C時

純蒸餾水密度的比值表達式：單位:無量綱一般范圍：黏性土2.70~2.75，砂土2.65土粒比重Gs基本試驗指標-土粒比重=1.0g/cm3土粒比重在數(shù)值上等于土粒的密度空氣水固體ma=0mwmsm質(zhì)量VaVwVsVvV體積§1.3土的物理狀態(tài)–物理性質(zhì)指標

定義：土粒的密度與4?C時

純蒸餾水密度的比值表達式：單位:無量綱一般范圍：黏性土2.70~2.75，砂土2.65土粒比重Gs基本試驗指標-土粒比重=1.0g/cm3土粒比重在數(shù)值上等于土粒的密度空氣水固體ma=0mwmsm質(zhì)量VaVwVsVvV體積§1.3土的物理狀態(tài)–物理性質(zhì)指標

基本試驗指標-含水量定義：土中水的質(zhì)量與土粒質(zhì)

量之比，用百分數(shù)表示表達式：單位:無量綱一般范圍：變化范圍大注意:其實是含水比,可達到或超過100％土的含水量W空氣水固體ma=0mwmsm質(zhì)量VaVwVsVvV體積§1.3土的物理狀態(tài)–物理性質(zhì)指標

可表示同一種土的松密，二者之間存在關(guān)系：表示土中孔隙含量的指標砂類土：28-35%黏性土：30-50%，有的可達60-70%孔隙比e：土中孔隙體積與固體顆粒體積之比,為無量綱孔隙率(孔隙度)n：土中孔隙體積與總體積之比,用百分數(shù)表示可用三相草圖推出空氣水固體ma=0mwmsm質(zhì)量VaVwVsVvV體積§1.3土的物理狀態(tài)–物理性質(zhì)指標

表示土中含水程度的指標對干土：Sr=0對飽和土：Sr=1含水量：飽和度：土中水的體積與孔隙體積的比值飽和度表示孔隙中充滿水的程度：空氣水固體ma=0mwmsm質(zhì)量VaVwVsVvV體積§1.3土的物理狀態(tài)–物理性質(zhì)指標

表示土體密度和重度的指標干密度：土被烘干時的密度，

干重度：天然密度

天然重度飽和密度：土被飽和時的密度，

飽和重度：浮重度：靜水下的有效重度浮密度空氣水固體ma=0mwmsm質(zhì)量VaVwVsVvV體積§1.3土的物理狀態(tài)–物理性質(zhì)指標

各種密度重度間的大小關(guān)系天然密度干密度飽和密度天然重度干重度飽和重度浮重度§1.3土的物理狀態(tài)–物理性質(zhì)指標

常用的物理性質(zhì)指標間的換算關(guān)系：教科書P23表1-9小結(jié)從物理意義上理解指標間的關(guān)系不鼓勵死記硬背必要時利用三相草圖推導學習要點：§1.3土的物理狀態(tài)–物理性質(zhì)指標

小結(jié)土的三個組成相的體積和質(zhì)量上的比例關(guān)系定義三相草圖法室內(nèi)測定三個基本物理性質(zhì)指標：土的密度土粒比重土的含水量其它物理性質(zhì)指標孔隙含量含水程度密度和重度特點:指標概念簡單，數(shù)量很多要點：名稱、概念或定義、符號、表達式、

單位或量綱、常見值或范圍、聯(lián)系與區(qū)別土的物理性質(zhì)指標§1.3土的物理狀態(tài)–物理性質(zhì)指標

土的物理狀態(tài)指標土的物理狀態(tài)粗粒土的松密程度黏性土的軟硬狀態(tài)土的物理性質(zhì)指標(三相間的比例關(guān)系)表示影響力學特性密實度稠度§1.3土的物理狀態(tài)–物理狀態(tài)指標

粗粒土的密實狀態(tài)

密實度：通常指單位體積中固體顆粒含量的多少簡單方便，但只能用于同一種土，不能反映級配的影響

物理性質(zhì)指標：孔隙比e（孔隙率n）

干重度d

相對密度：emax與emin：最大與最小孔隙比§1.3土的物理狀態(tài)–物理狀態(tài)指標

最大孔隙比emax:

將松散的風干土樣通過長頸漏斗輕輕地倒入容器，避免重力沖擊，求得土的最小干密度再經(jīng)換算得到最大孔隙比最小孔隙比emin

:將松散的風干土樣裝入金屬容器內(nèi)，按規(guī)定方法振動和錘擊，直至密度不再提高，求得土的最大干密度再經(jīng)換算得到最小孔隙比理論上的最大與最小孔隙比在室內(nèi)的測定有時很困難粗粒土的最大與最小孔隙比§1.3土的物理狀態(tài)–物理狀態(tài)指標

相對密度粗粒土的相對密度粗粒土的密實度標準

Dr=0 最松狀態(tài)

Dr1/3 疏松狀態(tài)1/3<Dr2/3 中密狀態(tài)

Dr>2/3 密實狀態(tài)

Dr=1 最密狀態(tài)相對密度指標主要用于人工填土，對天然砂土層采用原位標準貫入試驗法測定§1.3土的物理狀態(tài)–物理狀態(tài)指標

黏性土最主要的物理狀態(tài)特征是它的稠度。稠度是指土的軟硬程度或土對外力引起變形或破壞的抵抗能力稠度狀態(tài)與含水量有關(guān)黏性土含水量較硬變軟流動黏性土的稠度狀態(tài)§1.3土的物理狀態(tài)–物理狀態(tài)指標

塑限wp液限wL黏性土的稠度反映土中水的形態(tài)固態(tài)或半固態(tài)可塑狀態(tài)流動狀態(tài)強結(jié)合水弱結(jié)合水自由水w土顆粒強結(jié)合水弱結(jié)合水土顆粒強結(jié)合水土顆粒自由水弱結(jié)合水強結(jié)合水強結(jié)合水膜最大出現(xiàn)相當數(shù)量自由水黏性土的稠度狀態(tài)稠度界限稠度狀態(tài)含水量土中水的形態(tài)示意圖§1.3土的物理狀態(tài)–物理狀態(tài)指標

液性指數(shù)：wpwwl

IL0堅硬(半固態(tài))0<IL0.25 硬塑0.25<IL

0.75 可塑0.75<IL

1 軟塑

IL>1 流塑土的稠度狀態(tài)–液性指數(shù)不同的黏土，wp、wL

大小不同。對于不同的黏土，含水量相同，稠度可能不同液性指數(shù)是表征土的含水量與分界含水量之間相對關(guān)系的指標。對重塑土較為合適?！?.3土的物理狀態(tài)–物理狀態(tài)指標

塑性指數(shù)問題：反映的是全部土顆粒吸附結(jié)和合的能力，不能充分反映黏土礦物表面活性的高低活性指數(shù)：粒徑小于0.002mm顆粒的質(zhì)量占總土總質(zhì)量的百分比A<0.75 非活性黏土A=075–1.25 正常黏土A>1.25 活性黏土定義：大體上表示土的弱結(jié)合水含量反映吸附結(jié)合水的能力，即黏性大小大致反映黏土顆粒含量常作為細粒土工程分類的依據(jù)§1.3土的物理狀態(tài)–物理狀態(tài)指標

粗粒土的密實狀態(tài)指標:

相對密度Dr

細粒土的稠度狀態(tài)指標:

液性指數(shù)IL定義判別標準界限含水量

wP、wL土中水形態(tài)塑性指數(shù)Ip

吸附結(jié)合水的能力定義判別標準小結(jié)§1.3土的物理狀態(tài)–物理狀態(tài)指標

第一章：土的物理性質(zhì)與工程分類§1.1土的形成

§1.2土的三相組成§1.3土的物理狀態(tài)§1.4土的結(jié)構(gòu)§1.5土的工程分類§1.6土的壓實性土的結(jié)構(gòu)土顆?；蛄F的空間排列和相互聯(lián)結(jié)原狀土和重塑土的強度沉積或碾壓土的各向異性土的結(jié)構(gòu)土體的性質(zhì)土粒間的作用力粗粒土的結(jié)構(gòu)細粒土的結(jié)構(gòu)黏性土的結(jié)構(gòu)性指標§1.4土的結(jié)構(gòu)

第一章：土的物理性質(zhì)與工程分類§1.1土的形成

§1.2土的三相組成§1.3土的物理狀態(tài)§1.4土的結(jié)構(gòu)§1.5土的工程分類§1.6土的壓實性土的結(jié)構(gòu)土顆?；蛄F的空間排列和相互聯(lián)結(jié)原狀土和重塑土的強度沉積或碾壓土的各向異性土的結(jié)構(gòu)土體的性質(zhì)土粒間的作用力粗粒土的結(jié)構(gòu)細粒土的結(jié)構(gòu)黏性土的結(jié)構(gòu)性指標§1.4土的結(jié)構(gòu)

粗粒土的結(jié)構(gòu)粒間作用力：重力起決定性的作用。在非飽和土中，還受到毛細力的作用排列形式：點與點

點與面單粒結(jié)構(gòu)示意圖§1.4土的結(jié)構(gòu)

細土顆粒間的作用力范德華力：接觸點處的分子引力，作用范圍為幾個分子的距離，是細粒土黏結(jié)在一起的主因庫侖力：顆粒表面的靜電引力或斥力，隨距離衰減的速度比范德華力慢膠結(jié)力：土粒間通過膠體連結(jié)在一起，作用力是化合鍵，具有較高的強度毛細力：土中毛細作用形成的力土中細顆粒，比表面積大，重量輕，重力不起重要的作用，其他粒間力起主導作用：§1.4土的結(jié)構(gòu)

細粒土的結(jié)構(gòu)形成環(huán)境粒間作用力排列形式淡水中沉積表面力、膠結(jié)力（粒間斥力占優(yōu)勢)面與面絮凝結(jié)構(gòu)海水中沉積表面力、膠結(jié)力（斥力減小引力增加)邊、角與面邊、角與邊示意圖分散結(jié)構(gòu)§1.4土的結(jié)構(gòu)

反映黏性土結(jié)構(gòu)性的指標靈敏度觸變性St11-22-44-88-16>16黏性土不靈敏低靈敏中等靈敏靈敏很靈敏流動3=0相同含水量、密度qu1qu2原狀土重塑土靈敏度St：原狀土的無側(cè)限抗壓強度qu1和重塑土的無側(cè)限抗壓強度qu1之比§1.4土的結(jié)構(gòu)

含水量不變，密度不變，因重塑而強度降低，又因靜置而逐漸強化，強度逐漸恢復的現(xiàn)象，稱為觸變性。反映黏性土結(jié)構(gòu)性的指標土的觸變性是土結(jié)構(gòu)中聯(lián)結(jié)形態(tài)發(fā)生變化引起的，是土結(jié)構(gòu)隨時間變化的宏觀表現(xiàn)目前尚沒有合理的描述土觸變性的方法和指標靈敏度觸變性§1.4土的結(jié)構(gòu)

土的結(jié)構(gòu)土顆?；蛄F的空間排列和相互聯(lián)結(jié)粗粒土的結(jié)構(gòu)單粒結(jié)構(gòu)重力起主導作用粒間力起主導作用黏性土的結(jié)構(gòu)性指標細粒土的結(jié)構(gòu)分散結(jié)構(gòu)絮凝結(jié)構(gòu)小結(jié)§1.4土的結(jié)構(gòu)

第一章：土的物理性質(zhì)與工程分類§1.1土的形成

§1.2土的三相組成§1.3土的物理狀態(tài)§1.4土的結(jié)構(gòu)§1.5土的工程分類§1.6土的壓實性土的組成土的狀態(tài)土的結(jié)構(gòu)《建筑地基基礎設計規(guī)范》GB50007-2011分類法水利部《土工試驗規(guī)程》SL237-1999分類法土的工程分類目的：便于調(diào)查研究；便于分析評價；便于交流(基于共同的概念)依據(jù)：最能反映土的物理力學性質(zhì)的指標要求：要有一定的邏輯性、系統(tǒng)性，

綱目分明，簡單易記，便于運用§1.5土的工程分類巖石碎石土砂土粉土黏性土人工填土土漂石塊石圓形及亞圓形為主棱角形為主粒徑大于200mm的顆粒超過全質(zhì)量50%卵石碎石圓形及亞圓形為主棱角形為主圓形及亞圓形為主棱角形為主圓礫角礫粒徑大于20mm的顆

粒超過全質(zhì)量50%粒徑大于2mm的顆粒超過全質(zhì)量50%名稱顆粒形狀粒組含量建筑地基基礎規(guī)范GB50007-2011§1.5土的工程分類土的名稱粒組含量粒徑大于2mm的顆粒占全質(zhì)量25-50%礫砂粗砂中砂細砂粉砂粒徑大于0.5mm的顆粒超過全質(zhì)量50%粒徑大于0.25mm的顆粒超過全質(zhì)量50%粒徑大于0.075mm的顆粒超過全質(zhì)量85%粒徑大于0.075mm的顆粒超過全質(zhì)量50%建筑地基基礎規(guī)范GB50007-2011巖石碎石土砂土粉土黏性土人工填土土§1.5土的工程分類土黏性土：塑性指數(shù)Ip>10的土粉質(zhì)黏土：10<Ip17的土黏土：Ip>17的土非活性黏土：A<0.75正常黏土A=075–1.25活性黏土A>1.25粉土：粒徑大于0.075mm的顆粒含量小于全質(zhì)量50%而塑性指數(shù)Ip10的土建筑地基基礎規(guī)范GB50007-2011巖石碎石土砂土粉土黏性土人工填土土§1.5土的工程分類水利部SL237-1999分類法土顆粒組成及其特性塑性指標：液限、塑限、塑性指數(shù)有機質(zhì)含量土的分類巨粒土和含巨粒土粗粒土：礫類土、砂類土細粒土：根據(jù)塑性圖分類特殊土：黃土、膨脹土、紅黏土分類依據(jù)：§1.5土的工程分類第一章：土的物理性質(zhì)與工程分類§1.1土的形成

§1.2土的三相組成§1.3土的物理狀態(tài)§1.4土的結(jié)構(gòu)§1.5土的工程分類§1.6土的壓實性土的壓實性室內(nèi)擊實試驗細粒土的壓實性粗粒土的壓實性§1.6土的壓實性土的壓實：指通過夯打、振動、碾壓等，使土體變得密實、以提高土的強度、減小土的壓縮性和滲透性壓實性：指土在一定壓實能量作用下密度增長的特性研究擊實性的目的：

以最小的能量消耗獲得最大的壓實密度擊實方法：室內(nèi)擊實試驗現(xiàn)場試驗:夯打、振動、碾壓土的壓實性§1.6土的壓實性-室內(nèi)擊實試驗室內(nèi)輕型標準擊實試驗

試驗設備：擊實筒V=947.4cm3；擊實錘w=25牛頓

試驗條件：土樣分層n=3層；落高d=30.5cm；

擊數(shù)N=25/層

擊實能量

試驗方法：對w=cosnst的土，分三層壓實；

測定擊實后的w、，算定d注意：僅適用于細粒土；對粗粒土，可用較大尺寸的擊實儀土§1.6土的壓實性-室內(nèi)擊實試驗0481216202428含水率w(%)2.01.81.61.4干密度d(g/cm3)飽和曲線dmaxwop細粒土的壓實性-擊實曲線

具有峰值最大干密度dmax最優(yōu)含水量Wop位于飽和曲線之下

黏性土透水性小，擊實過程中含水量幾乎不變，要想擊實到飽和狀態(tài)是不可能的Sr=1§1.6土的壓實性-細粒土的壓實性

含水量Wop：顆粒表面水膜很薄，相對移動困難

含水量=Wop：水膜潤滑作用效果最佳，孔隙氣尚

沒有形成封閉氣泡，易排出

含水量>Wop：水膜潤滑作用不再明顯增加；封閉

氣泡難以排出；水的相對含量增加壓實機理壓實與含水量細粒土的壓實性-壓實機理

顆粒破碎（細粒土較少）粒間聯(lián)結(jié)力被破壞，顆粒間孔隙被壓縮土粒定向排列§1.6土的壓實性-細粒土的壓實性細粒土的壓實性-壓實功能

對于同一種土,最優(yōu)含水量和最大干密度并不恒定,而隨壓密功能變化，壓實功能愈大,最優(yōu)含水量愈小，相應的最大干密度愈高超過最優(yōu)含水量后，壓實功能的影響隨含水量的增加逐漸減小。擊實曲線均靠近于飽和曲線0481216202428含水量w(%)1.91.71.51.3干密度d(g/cm3)飽和曲線N=36N=29N=25N=18§1.6土的壓實性-細粒土的壓實性細粒土的壓實標準

填土施工時應將土料含水量控制在Wop左右，以期用較小的能量獲得最好的密度：在Wop的干側(cè)：常具有凝聚結(jié)構(gòu)。土質(zhì)比較均勻，強度較高，較脆硬，不易壓密。但浸水時易產(chǎn)生附加沉降在Wop的濕側(cè)：常具有分散結(jié)構(gòu)。土體可塑性大，適應變形的能力強。但強度較低，具有不等向性在設計土料時應根據(jù)填土的要求和當?shù)赝亮系奶烊缓?，選定合適的含水量，一般要求為：§1.6土的壓實性-細粒土的壓實性Ⅰ、Ⅱ級土石壩Dc>98~100%III級以下土石壩Dc>96~98%細粒土的壓實標準

工程上常采用壓實度Dc，作為填方壓實密度控制的標準：§1.6土的壓實性-細粒土的壓實性粗粒土的壓實性

擊實曲線

壓實標準：常用相對密度控制Dr>0.75不存在最優(yōu)含水量，在完全風干或飽和狀態(tài)下易于擊實。在潮濕狀態(tài)下，存在假凝聚力，加大了阻力同細粒土不同，粗粒土在擊實過程中可以自由排水粗砂w=4~5%，中砂w=7%時，干密度最小

，

含水量w干密度粗砂中砂§1.6土的壓實性–粗粒土的壓實性小結(jié)室內(nèi)擊實試驗細粒土的壓實性粗粒土的壓實性擊實曲線最優(yōu)含水量最大干密度壓實功能壓實標準擊實曲線壓實標準§1.6土的壓實性第一章：土的物理性質(zhì)與工程分類§1.1土的形成§1.2土的三相組成§1.3土的物理狀態(tài)§1.4土的結(jié)構(gòu)§1.5土的工程分類§1.6土的壓實性

本章作業(yè)§1.1土的形成–總結(jié)土的形成土巖石風化、搬運、沉積地質(zhì)成巖作用土的組成、結(jié)構(gòu)和物理力學性質(zhì)過程、條件土體有三個組成部分：固相、液相和氣相固體顆粒土中水土中氣體粒徑級配礦物成分顆粒形狀結(jié)合水：強結(jié)合水、弱結(jié)合水自由水：重力水、毛細水自由氣體封閉氣體§1.2土的三相組成–總結(jié)土的三相組成土的三個組成相的體積和質(zhì)量上的比例關(guān)系定義三相草圖法室內(nèi)測定三個基本物理性質(zhì)指標：土的密度土粒比重土的含水量其它物理性質(zhì)指標孔隙含量含水程度密度和重度土的物理性質(zhì)指標§1.3土的物理狀態(tài)–總結(jié)

物理性質(zhì)指標粗粒土的密實狀態(tài)指標:

相對密度Dr

細粒土的稠度狀態(tài)指標:

液性指數(shù)IL定義判別標準界限含水量

wP、wL土中水形態(tài)塑性指數(shù)Ip

吸附結(jié)合水的能力定義判別標準物理狀態(tài)指標§1.3土的物理狀態(tài)–總結(jié)

土的結(jié)構(gòu)土顆粒或粒團的空間排列和相互聯(lián)結(jié)粗粒土的結(jié)構(gòu)單粒結(jié)構(gòu)重力起主導作用粒間力起主導作用黏性土的結(jié)構(gòu)性指標細粒土的結(jié)構(gòu)分散結(jié)構(gòu)絮凝結(jié)構(gòu)§1.4土的結(jié)構(gòu)–總結(jié)

土的結(jié)構(gòu)土的組成土的狀態(tài)土的結(jié)構(gòu)建筑地基基礎設計規(guī)范-GB50007-2011分類法水利部SL237-1999分類法土的工程分類目的：便于調(diào)查研究；便于分析評價；便于交流(基于共同的概念)依據(jù)：最能反映土的物理力學性質(zhì)的指標§1.5土的工程分類–總結(jié)室內(nèi)擊實試驗細粒土的壓實性粗粒土的壓實性擊實曲線最優(yōu)含水量最大干密度壓實功能壓實標準擊實曲線壓實標準§1.6土的壓實性–總結(jié)土的壓實性

清華大學土木水利學院 巖土工程研究所張丙印《土力學1》之課程緒論土力學及其特點什么是土？土及土力學有哪些特點？為什么要學習土力學？土力學包括哪些內(nèi)容？如何學好土力學？課程緒論：土力學及其特點一般概念中的土土，地之生萬物者也?！蟮刂希刂校弧畖’物出形也。-《說文解字》土字包括：地上植物部分、表土層、植物地下部分和底土層四個層次。緒論：什么是土？

管仲：“地者，萬物之本原，諸生之根苑也”“普天之下，莫非王土”－權(quán)力與財富的象征幾大古文明中人類起源的傳說：不約而同地認為人是上帝（神）用土創(chuàng)造的中國傳統(tǒng)文化中的五行：金木水火土土與人類緒論：什么是土？

大氣圈水圈巖石圈生物圈風化物土壤圈地下水土壤在自然界的位置地球地殼部分：巖土地球半徑：6370km巖土工程：33km-10km其中土（風化巖石）涉及地球表面深度一般<1km緒論：什么是土？

土及其形成土巖石風化、搬運、沉積地質(zhì)成巖作用土是地球表面的整體巖石在大氣中經(jīng)受長期的風化作用而形成的、覆蓋在地表上碎散的、沒有膠結(jié)或膠結(jié)很弱的顆粒堆積物緒論：什么是土？

高山下的沖積錐群風蝕蘑菇土的形成過程黃河沖積三角洲輸運礫石料卵石砂粘土（人工破碎）工程與土力學中的土緒論：什么是土？

什么是土？土及土力學有哪些特點？為什么要學習土力學？土力學包括哪些內(nèi)容？如何學好土力學？課程緒論：土力學及其特點土體的特點一般固體：液體：土體（散粒）：可保持固定的形狀不具有特定的形狀具有一定但不固定的形狀緒論：什么土及土力學有哪些特點？巖石風化或破碎的產(chǎn)物，是非連續(xù)體受力以后易變形，強度低體積變化主要是孔隙變化剪切變形主要由顆粒相對

位移引起固相-土骨架液相-水氣相-空氣受力后由土骨架、孔隙

介質(zhì)共同承擔

相間存在復雜的相互作用孔隙水和孔隙氣可流動自然界的產(chǎn)物，存在自然變異性非均勻性各向異性時空變異性土體的特點碎散性三相性天然性緒論：什么土及土力學有哪些特點？滲透特性變形特性強度特性碎散性三相性天然性物理力學特性復雜土體的特點緒論：什么土及土力學有哪些特點？學科研究對象理論力學質(zhì)點或剛體理想物體材料力學單個彈性桿件（桿、軸、梁）連續(xù)固體結(jié)構(gòu)力學若干彈性桿件組成的桿件結(jié)構(gòu)彈性力學彈性實體結(jié)構(gòu)或板殼結(jié)構(gòu)水力學不可壓縮的連續(xù)流體（水）連續(xù)流體土力學天然的三相碎散堆積物碎散材料土力學與其他學科的比較緒論：什么土及土力學有哪些特點？土力學的特點

土力學研究土的滲透、變形和強度特性以及與此有關(guān)的工程問題連續(xù)介質(zhì)力學的基本知識實驗規(guī)律及工程實踐經(jīng)驗緒論：什么土及土力學有哪些特點？土力學發(fā)展的歷史1773-1776Coulomb，強度理論，土壓力理論1856Darcy：達西滲流定律1857Rankine：朗肯土壓力理論1920Prandtl：普朗特極限力承載公式1921-1925Terzaghi，有效應力原理及固結(jié)理論，出版《土力學》

土力學成為一門獨立學科的標志1936第一屆國際土力學及基礎工程會議1960’s后現(xiàn)代土力學萌芽時期古典時期現(xiàn)代緒論：什么土及土力學有哪些特點？什么是土？土及土力學有哪些特點？為什么要學習土力學？土力學包括哪些內(nèi)容？如何學好土力學？課程緒論：土力學及其特點土是工程中應用最廣泛的建筑材料土地是工程建設的基礎和環(huán)境土的性質(zhì)十分復雜土力學的重要性對土工程性質(zhì)認識的偏差可能會導致?lián)p失巨大的事故?。?！緒論：為什么要學習土力學？

加拿大特朗斯康谷倉事故：9月開始裝谷物，至10月17日共裝入3萬多Ｔ谷物時發(fā)生破壞：1小時豎向沉降30.5cm24小時傾斜26°53ˊ西端下沉7.32m東端上抬1.52m上部鋼混筒倉完好無損概況：共65個圓筒倉。1913年完工，自重2萬T。緒論：為什么要學習土力學？

加拿大特朗斯康谷倉原因：地基承載力按鄰近結(jié)構(gòu)物的試驗結(jié)果計算。事后經(jīng)核實，地基實際承載力遠小于谷倉破壞時的基底壓力。谷倉地基因超載發(fā)生強度破壞而滑動??！2653失事后1913.10.181952.10.5

試驗孔填土褐色粉質(zhì)粘土灰色粉質(zhì)粘土-13.72-4.271952.10.3試驗孔緒論：為什么要學習土力學？

上?！皹谴啻唷?/p>

事件：

2009年6月27日清晨，上海蓮花南路西側(cè)“蓮花河畔景苑”小區(qū)一棟在建13層住宅樓整體倒塌，造成1名工人死亡，無人受傷（幸運：尚未交付使用）驚奇：上部結(jié)構(gòu)整體完整，尤其是“山寨牌”玻璃一塊未碎緒論：為什么要學習土力學？

專家認定的原因：緊貼7號樓北側(cè)，在短期內(nèi)堆土過高，最高處達10米左右；與此同時，緊鄰大樓南側(cè)的地下車庫基坑開挖4.6米，大樓兩側(cè)的“壓力差”使土體產(chǎn)生水平位移，水平力超過了樁基的抗側(cè)能力，導致房屋傾倒覆上?！皹谴啻唷?/p>

緒論：為什么要學習土力學？

上?！皹谴啻唷?/p>

“樓脆脆”被網(wǎng)友戲稱“第9大建筑奇跡”（1）中國驚世大發(fā)現(xiàn)，環(huán)保拆樓法：十米堆土拆樓法?。?）給我一堆黃土我能推到一棟大樓?。?）專家快幫幫我，我家邊上正在造13層樓。估計比這

土堆重，我現(xiàn)在都不敢住了。（4）1樓：比薩塔斜了幾百年了，咋還不倒呀？

2樓：因為旁邊沒有“10米土堆”??！緒論：為什么要學習土力學？

死亡：69197人失蹤：18341人合計：87538人直接經(jīng)濟損失：8451億元，約三分之一由15000個左右的滑坡、崩塌和泥石流造成汶川大地震緒論：為什么要學習土力學？

緒論：為什么要學習土力學？

水利部劉寧總工：堰塞湖處置的成功，凝聚著清華人的心血和智慧，這是對水利事業(yè)的巨大支持，是對災區(qū)人民的巨大支持緒論：為什么要學習土力學？

萬亨大廈基坑倒塌某大廈位于北京東二環(huán)，是一22層框剪結(jié)構(gòu)商業(yè)辦公樓，坑壁附近有：地鐵線路、高層塔樓、多層居民樓等基礎埋深17.72m，采用復合土釘墻支護2003年4月23日晚至24日晨倒塌由于當時正值“非典”緊張時期，倒塌后，有關(guān)部門要求立即填滿基坑，附近樓房清空，損失上億元基坑倒

塌錄像緒論：為什么要學習土力學？

日本泥石流室外試驗時間：1971年11月9-11日地點：神奈川縣川崎市生9日15:00開始人工降雨11日15:00降雨量達500mm，陡坡中泥土突然以20-30m/s流出，斜坡崩塌，泥石流產(chǎn)生緒論：為什么要學習土力學？

關(guān)東壤土：

風化花崗巖上火山灰堆積層現(xiàn)場泥石流實驗布置和錄像滑坡事故現(xiàn)場錄像緒論：為什么要學習土力學？

日本泥石流室外試驗時間：1971年11月9-11日地點：神奈川縣川崎市生9日15:00開始人工降雨11日15:00降雨量達500mm，陡坡中泥土突然以20-30m/s流出，斜坡崩塌，泥石流產(chǎn)生緒論：為什么要學習土力學？

關(guān)東壤土：

風化花崗巖上火山灰堆積層現(xiàn)場泥石流實驗布置和錄像滑坡事故現(xiàn)場錄像緒論：為什么要學習土力學？

泥石流推倒28米外的護欄，一直沖到55米外的水池中央，造成31人被埋，15人不幸遇難，11人受傷死者當中：

實驗人員1人

參觀者10人

報社記者1人

電視采訪人員3人事故傷亡情況緒論：為什么要學習土力學？

可歸結(jié)為與土有關(guān)的強度問題加拿大特朗斯康谷倉地基失穩(wěn)上海“樓脆脆”汶川地震中的滑坡萬亨大廈基坑倒塌泥石流室外試驗事故案例總結(jié)（一）緒論：為什么要學習土力學？

比薩斜塔1173年：動工1360年：再復工，至1370年竣工，

全塔共8層，高度為55m1272年：復工，經(jīng)6年，至7層，

高48m，再停工1178年：至4層中，高約29m，

因傾斜停工緒論：為什么要學習土力學？

目前：塔向南傾斜，南北兩端沉降差1.80m，塔頂離中心線已達5.27m，傾斜5.5°原因：地基持力層為粉砂，下面為粉土和粘土層，強度低，變形大比薩斜塔1590年:伽利略在此塔做

自由落體實驗緒論：為什么要學習土力學？

1838-1839：挖環(huán)形基坑卸載1933-1935：基坑防水處理基礎環(huán)灌漿加固1990年1月:封閉1992年7月：加固塔身，用壓重法和取土法進行地基處理目前:已向游人開放。