土力學(xué)與地基基礎(chǔ)

土力學(xué)與地基基礎(chǔ)第1頁，共64頁，2023年，2月20日，星期六緒論24土力學(xué)是研究土體的應(yīng)力、變形、強度、滲流及長期穩(wěn)定性的一門學(xué)科。土力學(xué)研究對象是土需要研究和解決的工程中的三大類問題：土體：穩(wěn)定或強度問題土體：變形問題滲流：滲透變形與滲透穩(wěn)定強度問題變形問題滲透問題第2頁，共64頁，2023年，2月20日，星期六強度問題示意圖第3頁，共64頁，2023年，2月20日，星期六第4頁，共64頁，2023年，2月20日，星期六變形問題示意圖第5頁，共64頁，2023年，2月20日，星期六第6頁，共64頁，2023年，2月20日，星期六第7頁，共64頁，2023年，2月20日，星期六堤基管涌發(fā)生發(fā)展過程示意圖砂環(huán)管涌口粘性土砂性土滲水雜填土第8頁，共64頁，2023年，2月20日，星期六強度問題第7章土的抗剪強度第9章地基承載力第10章土坡和地基的穩(wěn)定性變形問題第5章土的壓縮性第6章地基變形滲透問題第3章土的滲透性及滲流物理性質(zhì)第1章土的組成第2章土的物理性質(zhì)及分類土力學(xué)主要內(nèi)容第4章土中應(yīng)力第8章土應(yīng)力力學(xué)先導(dǎo)第9頁，共64頁，2023年，2月20日，星期六土力學(xué)的歷史：人類在同生存作斗爭的歷史中，積累了大量的土力學(xué)知識；土力學(xué)作為一門系統(tǒng)的學(xué)科是以太沙基的1925年出版的《土力學(xué)》為標(biāo)志；很多基本理論、試樣方法在20世紀(jì)70年代前就已經(jīng)形成；現(xiàn)代土力學(xué)在本構(gòu)模型理論、計算方法、非飽和土力學(xué)有較大發(fā)展；量測技術(shù)的提高；土動力學(xué)理論、分析方法、測試手段有很大發(fā)展和提高。緒論第10頁，共64頁，2023年，2月20日，星期六土力學(xué)特點土力學(xué)天然的三相碎散堆積物（碎散材料）理論力學(xué)學(xué)科研究對象材料力學(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)連續(xù)固體彈性力學(xué)流體力學(xué)連續(xù)流體質(zhì)點或剛體第11頁，共64頁，2023年，2月20日，星期六緒論土力學(xué)課程的學(xué)習(xí)方法：注重基本概念的理解，要咬文嚼字，理解加記憶；注意基本理論學(xué)習(xí)；掌握基本的計算方法。課后復(fù)習(xí)，每章學(xué)習(xí)完要復(fù)習(xí)第12頁，共64頁，2023年，2月20日，星期六第1章土的組成

土是松散顆粒的堆積物，是巖石風(fēng)化的產(chǎn)物1.1土的形成母巖物理風(fēng)化化學(xué)風(fēng)化生物風(fēng)化原生礦物：石英、云母長石等次生礦物：粘土礦物、無定形氧化物膠體、可溶鹽等散粒體結(jié)晶作用膠結(jié)作用生物化學(xué)第13頁，共64頁，2023年，2月20日，星期六1.1土的形成物理風(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、巖屑的過程?；瘜W(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)顆粒的過程。特征：物理風(fēng)化：量變過程，形成的土顆粒較粗；化學(xué)風(fēng)化：質(zhì)變過程，形成的土顆粒很細(xì)。對一般的土而言，通常既經(jīng)歷過物理風(fēng)化，又有化學(xué)風(fēng)化，只不過哪種占優(yōu)而已。第14頁，共64頁，2023年，2月20日，星期六殘積土無搬運母巖表層經(jīng)風(fēng)化作用破碎成巖屑或細(xì)小顆粒后，未經(jīng)搬運殘留在原地的堆積物顆粒表面粗糙多棱角粗細(xì)不均無層理運積土有搬運風(fēng)化所形成的土顆粒，受自然力的作用搬運到遠(yuǎn)近不同的地點所沉積的堆積物土第15頁，共64頁，2023年，2月20日，星期六運積土有搬運風(fēng)：風(fēng)積土重力:坡積土流水:洪積土沖積土湖泊沼澤沉積土海相沉積物冰川:冰積土土粒粗細(xì)不同，性質(zhì)不均勻有分選性，近粗遠(yuǎn)細(xì)渾圓度分選性明顯，土層交迭含有機物淤泥，土性差顆粒細(xì)，表層松軟，土性差土粒粗細(xì)變化較大，性質(zhì)不均勻顆粒均勻，層厚而不具層理第16頁，共64頁，2023年，2月20日，星期六1.2土的特點大量孔隙非連續(xù)介質(zhì)巖石風(fēng)化的產(chǎn)物一、土具有碎散性二、土是三相體系固相—土骨架液相—水氣相—空氣多相介質(zhì)三、土有自然變異性土是自然界的產(chǎn)物，性質(zhì)復(fù)雜第17頁，共64頁，2023年，2月20日，星期六碎散性三相性天然性力學(xué)特性復(fù)雜變形特性強度特性滲透特性第18頁，共64頁，2023年，2月20日，星期六1.3土的三相組成氣相固相液相++構(gòu)成土骨架，起決定作用重要影響土體次要作用土是固體顆粒、水和空氣的混合物，常稱土為三相系。土的顆粒、粒間膠結(jié)物土體孔隙中的水孔隙中的空氣第19頁，共64頁，2023年，2月20日，星期六當(dāng)土骨架的孔隙全部被水占滿時，這種土稱為飽和土；當(dāng)土骨架的孔隙僅含空氣時，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，此時的土體屬三相系，稱為濕土。根據(jù)土的粘性分：粘性土：顆粒很細(xì)； 無粘性土：顆粒較粗，甚至很大。砂、碎石、甚至堆石（直徑幾十cm甚至1m）第20頁，共64頁，2023年，2月20日，星期六物理狀態(tài)力學(xué)特性粒徑級配礦物成分顆粒形狀

1.4土中固體顆粒第21頁，共64頁，2023年，2月20日，星期六(1).粒徑級配顆粒大小各粒徑成分在土中占的比例影響土性的主因1.4土中固體顆粒第22頁，共64頁，2023年，2月20日，星期六①顆粒大小粒度土粒的大小，通常以粒徑表示粒組

按粗細(xì)進(jìn)行分組，將粒徑接近的歸成一類界限粒徑劃分粒組的分界尺寸1.4土中固體顆粒d(mm)d(mm)礫石砂粒粉粒粘粒膠粒6020.0750.0050.0020.250.5520粗中細(xì)粗中細(xì)極細(xì)粗粒細(xì)粒0.075第23頁，共64頁，2023年，2月20日，星期六粘土細(xì)砂粗砂碎石卵石碎石粘土第24頁，共64頁，2023年，2月20日，星期六粒徑級配確定方法

篩分法：適用于粗粒土(>0.075mm)

水分法：適用于細(xì)粒土(<0.075mm)——各粒組的相對含量(土樣各粒組的質(zhì)量占土?？傎|(zhì)量的百分?jǐn)?shù))，用質(zhì)量百分?jǐn)?shù)來表示表述方法

粒徑級配累積曲線1.4土中固體顆粒第25頁，共64頁，2023年，2月20日，星期六第26頁，共64頁，2023年，2月20日，星期六水分法利用不同大小的土粒在水中的沉降速度不同來確定小于某粒徑的土粒含量的方法。通過密度計測定土水懸濁液的密度來確定。第27頁，共64頁，2023年，2月20日，星期六粒徑級配累積曲線粒徑級配累積曲線表示土的顆粒級配橫坐標(biāo)為粒徑，用對數(shù)坐標(biāo)表示縱坐標(biāo)為小于(或大于)某粒徑的土重(累計百分)含量特點：

定量指標(biāo)，級配好與差的比較曲線較陡粒徑相差不多，土粒較均勻，級配不良曲線平緩粒徑相差懸殊，土粒不均勻，級配良好1009080706050403020100105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒徑(mm)第28頁，共64頁，2023年，2月20日，星期六105.02.01.00.50.250.10.075200g101618242238721009080706050403020100小于某粒徑之土質(zhì)量百分?jǐn)?shù)P（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒徑(mm)P%958778665536土的粒徑級配累積曲線水分法粒徑(mm)0.050.010.005百分?jǐn)?shù)P(%)2613.510第29頁，共64頁，2023年，2月20日，星期六1009080706050403020100小于某粒徑之土質(zhì)量百分?jǐn)?shù)（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒徑(mm)土的粒徑級配累積曲線d60d50d10d30d60d10d30CuCc0.330.0050.063662.41特征粒徑:

d10，d30和d60為粒徑分布曲線上小于某粒徑的土粒含量分別為10％，30％和60％時所對應(yīng)的粒徑d60:控制粒徑d30:

中值粒徑d10

:有效粒徑不均勻程度：Cu=d60/d10

—不均勻系數(shù)Cu

≥5,級配不均勻第30頁，共64頁，2023年，2月20日，星期六1009080706050403020100小于某粒徑之土質(zhì)量百分?jǐn)?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d60d10d30CuCcL0.330.0050.081663.98M0.0632.41R0.0300.545斜率:某粒徑范圍內(nèi)顆粒的含量

陡—相應(yīng)粒組質(zhì)量集中

緩--相應(yīng)粒組含量少

平臺--相應(yīng)粒組缺乏連續(xù)程度:

Cc=d302

/(d60×d10)

—曲率系數(shù)較大顆粒缺少Cc

減小較小顆粒缺少Cc

增大Cc=1~3,級配連續(xù)性好第31頁，共64頁，2023年，2月20日，星期六粒徑級配粒徑級配累積曲線及指標(biāo)的用途：1）粒組含量用于土的分類定名；2）不均勻系數(shù)Cu用于判定土的不均勻程度：Cu≥5,不均勻土；Cu<5,均勻土3）曲率系數(shù)Cc用于判定土的連續(xù)程度：Cc=1~

3,級配連續(xù)土；Cc>3或

Cc<1,級配不連續(xù)土4）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：

如果

Cu≥5且

Cc=1~3，級配良好的土；

如果

Cu<5或

Cc>3或

Cc<1,級配不良的土第32頁，共64頁，2023年，2月20日，星期六(2).礦物成分固體顆粒礦物質(zhì)有機質(zhì)腐殖質(zhì)原生礦物

石英、長石、云母等次生礦物粘土礦物：高嶺石

伊利石

蒙脫石可溶鹽：NaCl,CaCO3無定形氧化物膠體第33頁，共64頁，2023年，2月20日，星期六3.顆粒形狀原生礦物

圓狀、渾圓狀、棱角狀次生礦物

針狀、片狀、扁平狀第34頁，共64頁，2023年，2月20日，星期六1.5土中水（液相）和土中氣

廣義的水：結(jié)晶水礦物內(nèi)部的水石膏Ca〔SO4〕·2H2O蘇打Na2〔CO3〕·10H2O土中水結(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，凍脹融陷第35頁，共64頁，2023年，2月20日，星期六結(jié)合水吸附在土顆粒表面的水第36頁，共64頁，2023年，2月20日，星期六排列致密、定向性強密度>1g/cm3冰點處于零下幾十度具有固體的特性溫度高于100°C時可蒸發(fā)強結(jié)合水位于強結(jié)合水之外，電場引力作用范圍之內(nèi)外力作用下可以移動不因重力而移動，有粘滯性弱結(jié)合水第37頁，共64頁，2023年，2月20日，星期六

強吸著水性質(zhì)接近于固體，冰點很低，沸點較高，且不能傳遞壓力。

弱吸著水也稱為薄膜水，不能傳遞壓力，也不能在孔隙水中自由流動，但它可以因電場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度，并使土的透水性變小。

吸著水厚度影響因素：成土礦物；陽離子濃度及化學(xué)性質(zhì)(陽離子價低,厚;陽離子濃度高,薄)。第38頁，共64頁，2023年，2月20日，星期六自由水重力水毛細(xì)水在重力或水位差作用下可在土中自由流動存在于液氣之間在重力與表面張力作用下可在土粒間空隙中自由移動重力水具有溶解能力，能傳遞靜水和動水壓力，對土顆粒有浮力作用。當(dāng)它在土孔隙中流動時，對所流經(jīng)的土體施加滲流力（亦稱動水壓力、滲透力），計算中應(yīng)考慮其影響。第39頁，共64頁，2023年，2月20日，星期六液體表面張力

凡作用于液體表面,使液體表面積縮小的力,稱為液體表面張力。它產(chǎn)生的原因是液體跟氣體接觸的表面存在一個薄層,叫做表面層,表面層里的分子比液體內(nèi)部稀疏,分子間的距離比液體內(nèi)部大一些,分子間的相互作用表現(xiàn)為引力。就象你要把彈簧拉開些，彈簧反而表現(xiàn)具有收縮的趨勢。正是因為這種張力的存在，有些小昆蟲才能無拘無束地在水面上行走自如。第40頁，共64頁，2023年，2月20日，星期六浸潤作用

一種液體會潤濕某種固體并附著在固體的表面上，這種想象叫做浸潤；反之叫做不浸潤。在同種物質(zhì)內(nèi)部相鄰各部分之間的相互吸引力，這種相互吸引力是同種物質(zhì)分子之間存在分子力的表現(xiàn)。內(nèi)聚力能使物質(zhì)聚集成液體或固體。特別是在與固體接觸的液體附著層中，由于內(nèi)聚力與附著力相對大小的不同，致使液體浸潤固體或不浸潤固體。

第41頁，共64頁，2023年，2月20日，星期六放在潔凈的玻璃板上的一滴水銀，能夠在玻璃板上滾來滾去，而不附著在上面。把一塊潔凈的玻璃片進(jìn)入水銀里再取出來，玻璃上也不附著水銀。這種現(xiàn)象叫做不浸潤。對玻璃來說，水銀是不浸潤液體。放在潔凈的玻璃板上的一滴水，會附著在玻璃板上形成薄層。把一塊潔凈的玻璃片進(jìn)入水里再取出來，玻璃表面會沾上一層水。這種現(xiàn)象叫做浸潤。對玻璃來說，水是浸潤液體。第42頁，共64頁，2023年，2月20日，星期六第43頁，共64頁，2023年，2月20日，星期六=

濕潤角空氣固體水lT=界面張力d=

毛管直徑Td=2rua-uwua-uw=壓力差毛細(xì)水毛細(xì)現(xiàn)象毛細(xì)管hc第44頁，共64頁，2023年，2月20日，星期六土中毛細(xì)現(xiàn)象上升高度:πr2hcγw=2πrTcosα毛細(xì)水分布在土粒內(nèi)部相互貫通的孔隙可以看成許多形狀不一、直徑互異、彼此連通的毛細(xì)管毛細(xì)升高與孔徑成反比粘土粉土砂土礫石分析對象:水柱第45頁，共64頁，2023年，2月20日，星期六對砂土強度的影響:毛細(xì)邊角水,假凝聚力毛細(xì)壓力2πrTcosα+ucπr2=0毛細(xì)壓力非飽和土中毛細(xì)張力影響分析對象:水膜第46頁，共64頁，2023年，2月20日，星期六土中氣體自由氣體：與大氣連通，對土的性質(zhì)影響不大封閉氣體：增加土的彈性；阻塞滲流通道1.5土中水（液相）和土中氣土中冰1.水結(jié)冰后體積膨脹，同時由于水分遷移和補給，在土層中會形成冰層或透鏡體。2.固態(tài)水在土中起著暫時的膠結(jié)作用，提高土的力學(xué)強度，降低透水性。3.溫度升高后，冰層解凍為液態(tài)水，使土的強度急劇降低，壓縮性增大，土的性質(zhì)顯著惡化第47頁，共64頁，2023年，2月20日，星期六1.6黏土顆粒與水的相互作用黏粒的礦物成分主要是有黏土礦物和其他化學(xué)膠結(jié)物或有機質(zhì)，其中黏土礦物對黏性土的工程性質(zhì)影響較大粘土礦物:

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。實際上是一種鋁—硅酸鹽晶體，由硅片和鋁片構(gòu)成的晶包所組合而成。

第48頁，共64頁，2023年，2月20日，星期六基本單元：硅-氧四面體硅片(硅氧晶體)的結(jié)構(gòu)：基本單元是硅－氧四面體，底面每個氧離子為2個相鄰單元的硅原子共有組成六邊形孔硅片硅片的結(jié)構(gòu)第49頁，共64頁，2023年，2月20日，星期六基本單元：鋁-氫氧八面體鋁片的結(jié)構(gòu)鋁片(鋁氫氧硅片)：鋁（鎂）－氫氧（氧）八面體，每個氫氧離子為2個相鄰單元的鋁原子共有組成鋁片第50頁，共64頁，2023年，2月20日，星期六高嶺石：長石風(fēng)化產(chǎn)物，1：1型晶格，一個硅片＋一個鋁片＝一個晶層，晶層靠氫鍵連接，一個顆粒多達(dá)近百個晶層。晶胞有較強的聯(lián)結(jié)力，活動性較小，其親水性，膨脹性和收縮性均小于伊利石和蒙脫石高嶺石（氫鍵聯(lián)結(jié)）第51頁，共64頁，2023年，2月20日，星期六伊利石：云母在堿性介質(zhì)中風(fēng)化產(chǎn)物，2：1型晶格，二個硅片＋一個鋁片＝一個晶層，晶層靠鉀離子連接，比較穩(wěn)定，但不如氫鍵晶胞有較強的聯(lián)結(jié)力。其結(jié)晶構(gòu)造的穩(wěn)定性優(yōu)于蒙脫石

伊利石

第52頁，共64頁，2023年，2月20日，星期六蒙脫石：伊利石進(jìn)一步風(fēng)化，2：1型晶格，晶層沒有鉀離子連接，只有范德華力聯(lián)結(jié)，而而且有水分子進(jìn)入；連接弱。蒙脫石的晶胞活動性極大，當(dāng)土中蒙脫石含量較高時，土具有較大的吸水膨脹和失水收縮的特性。蒙脫石第53頁，共64頁，2023年，2月20日，星期六高嶺石（氫鍵聯(lián)結(jié)）粘土礦物的晶格構(gòu)造蒙脫石伊利石粒徑比表面積脹縮性滲透性強度壓縮性大10-20m2/g小大大小中80-100m2/g中中中中小800m2/g大小小大比表面積：單位質(zhì)量土顆粒所擁有的總表面積9克蒙脫土的總表面積大約與一個足球場一樣大第54頁，共64頁，2023年，2月20日，星期六黏土顆粒在電場作用下向陽極移動，這種現(xiàn)象稱為電泳極性水分子與水中的陽離子(如K+,Na+等)形成水化離子，在電場作用下這類水化離子向負(fù)極移動，這種現(xiàn)象稱為電滲電泳和電滲同時發(fā)生，統(tǒng)稱為電動現(xiàn)象第55頁，共64頁，2023年，2月20日，星期六粘土礦物的帶電性質(zhì)研究表明：粘土顆粒的表面有電荷，凈電荷通常為負(fù)電荷---------------------