補充建工土力學(xué)課件章

第1章土的物理性質(zhì)及工程分類對土的特點進行詳細(xì)解釋和定量描述本章特點:看起來零散學(xué)習(xí)要點:

理清各節(jié)間聯(lián)系各節(jié)內(nèi)層次土是指：地球表面的完整巖石在大氣中經(jīng)受長期的風(fēng)化、剝蝕、搬運、沉積而形成的、覆蓋在地表上碎散的、沒有膠結(jié)或膠結(jié)很弱的第四紀(jì)松散堆積物。風(fēng)化巖石地球顆粒堆積物地球土的形成，什么是土？1.1概述成巖搬運、沉積生物風(fēng)化物理風(fēng)化化學(xué)風(fēng)化量變無粘性土原生礦物質(zhì)變粘性土次生礦物動植物的活動1)風(fēng)化作用有機質(zhì)巖石和土的粗顆粒受各種氣候因素的影響產(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(xué)成分，形成新的礦物地表地質(zhì)作用2)搬運與沉積殘積土無搬運運積土有搬運土質(zhì)較好殘積土強風(fēng)化弱風(fēng)化微風(fēng)化母巖體顆粒表面粗糙多棱角粗細(xì)不均無層理母巖表層經(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運積土有搬運風(fēng)力：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，層厚而不具層理敦煌雅丹國家地質(zhì)公園雅丹地貌——典型風(fēng)蝕作用地貌土的分類有哪些?土一般土特殊土無機土有機土無粘性土:如砂土,碎石土,卵石土粉土粘性土:顆粒細(xì)小:濕陷性土、膨脹土、鹽漬土、軟土等土的形成變形特性強度特性滲透特性土的三相組成土的物理狀態(tài)土的結(jié)構(gòu)土的工程分類決定影響便于研究和應(yīng)用形成過程形成條件物理力學(xué)性質(zhì)影響固相（固體顆粒)液相（土中水）氣相（土中氣）1.2土的組成氣相固相液相++構(gòu)成土骨架，起決定作用重要影響土體次要作用1.土是如何產(chǎn)生的?2.土由哪幾部分組成?思考土粒1.2.1土的固體顆粒（固相）物理狀態(tài)力學(xué)特性顆粒排列礦物成分顆粒級配一.固體顆?！?.2土的三相組成1)土粒的礦物成分原生礦物次生礦物

在物理風(fēng)化作用下，土粒保持與成土原巖相同的礦物成分。

如：長石、石英、云母顆粒

在化學(xué)風(fēng)化作用下，由于改變了成土原巖原來的礦物成分，形成了新礦物。主要是粘土礦物。如：蒙脫石、伊利石、高嶺石一.固體顆粒§1.2土的三相組成無機礦物鱗片狀層疊晶體，其基本結(jié)晶單元稱為晶片一.固體顆?！?.2土的三相組成硅片的結(jié)構(gòu)兩種晶片:硅氧晶片和鋁氫氧晶片(硅片和鋁片）鋁片的結(jié)構(gòu)一.固體顆?！?.2土的三相組成關(guān)于同像置換（同形代替）的概念粘土礦物晶片：粘土礦物的基本結(jié)晶單元。

晶胞：晶片有序排列形成的基本層組。晶胞示意圖若干個晶胞按某種聯(lián)結(jié)方式疊加穩(wěn)定性強晶胞的聯(lián)結(jié)方式水分子聯(lián)結(jié)鉀離子聯(lián)結(jié)氫鍵聯(lián)結(jié)蒙脫石伊利石高嶺石粘土礦物的晶格構(gòu)造高嶺石蒙脫石伊利石粒徑比表面積脹縮性滲透性強度壓縮性大7-30m2/g小大大小中67-100m2/g中中中中小810m2/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一.固體顆?！?.2土的三相組成2)土的顆粒級配顆粒大小各粒徑成分在土中占的比例狹義的顆粒級配影響土性的主因各粒組的質(zhì)量分?jǐn)?shù):各粒組的質(zhì)量占全部土?？傎|(zhì)量的百分比,即土中各粒組的相對含量。一.固體顆?！?.2土的三相組成粒度（徑）土粒的大小粒組

按粗細(xì)進行分組，將粒徑接近的歸成一類界限粒徑劃分粒組的分界尺寸dmm卵石圓礫砂粒粉粒粘粒2020.0050.250.5510粗

中

細(xì)粗

中

細(xì)0.075粗粒土細(xì)粒土土粒粒組的劃分（GBJ145-90)200塊石巨粒土0.1極細(xì)

細(xì)粗0.01碎石漂石角礫一.固體顆?！?.2土的三相組成顆粒級配確定方法

顆粒分析試驗

篩分法：適用于粗粒土(>0.075mm或>0.1mm)

水分法：適用于細(xì)粒土(<0.075mm或<0.1mm)——土中所含各粒組的相對含量，以土?？傊亓堪俜?jǐn)?shù)來表示表述方法

顆粒級配曲線：根據(jù)顆粒分析結(jié)果求出各粒組的含量占全部土粒重量的百分比，然后按小顆粒至大顆粒計算累積百分含量，用半對數(shù)坐標(biāo)繪制成顆粒級配累積曲線。

一.固體顆?！?.2土的三相組成105.02.01.00.50.250.1100g5g8g9g12g11g19g36g1009080706050403020100小于某粒徑之土粒質(zhì)量百分?jǐn)?shù)P（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒徑(mm)P%958778665536土的顆粒級配累積曲線水分法累積質(zhì)量百分?jǐn)?shù)粒徑(mm)0.050.010.005累積質(zhì)量百分?jǐn)?shù)P(%)2613.510一.固體顆?！?.2土的三相組成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)土的顆粒級配累積曲線d60d10d30d60d10d30CuCc0.330.0050.063662.41特征粒徑:

d60:限定粒徑d10

:有效粒徑d30

:中值粒徑不均勻程度：Cu=d60/d10—不均勻系數(shù)Cu

≥5,顆粒大小不均勻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)土的顆粒級配累積曲線d60d10d30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d60d10d30CuCc0.330.0050.063662.41d30d30CuCcCc0.030.083660.544.17顆粒級配顆粒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；3）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。4）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。5）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。2）顆粒分布情況用于大致判定土的均勻程度：

曲線平緩，粒組分布范圍廣，土顆粒不均勻；曲線較陡，粒組分布較集中，土顆粒均勻。例圖1.1顆粒級配累積曲線【例題1.1】如例圖1.1所示A、B、C為三種用不同粒徑曲線所代表的土。試求每種土中的礫石、砂粒、粉粒、粘粒粒組的含量各占多少?不均勻系數(shù)Cu及曲率系數(shù)Cc各為多少?并對各曲線所反映的土的級配特性進行分析?！窘狻?/p>

從曲線上看，曲線呈臺階狀，級配不連續(xù)，缺乏中間粒徑，雖然Cu＞5，但Cc不在1～3之間，因此不能同時滿足兩個條件，屬級配不良的土。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，凍脹融陷1.2.2土中水（液相）1.土中水的存在形態(tài)

天然土體中常含有一定數(shù)量呈液態(tài)、固態(tài)或氣態(tài)的水。一般土需研究液態(tài)水，凍土還需研究固態(tài)水的含量。土中氣態(tài)水，對土的性質(zhì)影響不大，通常不作重點研究。2.土中水的分類表面結(jié)合水

自由水

強結(jié)合水(強束縛水或吸著水)

緊附于礦物顆粒表面。

弱結(jié)合水

是在強結(jié)合水外圍形成的一層結(jié)合水膜。

重力水

重力水可以在土孔隙中自由流動

毛細(xì)水受到水和空氣交界面處表面壓力的作用，存在于地下水位以上的透水層中自由水§1.2土的三相組成二.土中水粘土礦物的帶電性質(zhì)研究表明：粘土顆粒的表面電荷，凈電荷通常為負(fù)電荷§1.2土的三相組成二.土中水結(jié)合水

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)合水二.土中水§1.2土的三相組成自由水重力水毛細(xì)水在重力作用下可在土中自由流動

存在于固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§1.2土的三相組成二.土中水土中毛細(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:

水柱毛細(xì)水上升的高度和速度取決于土的孔隙、有效粒徑、土孔隙中吸附的空氣和水的性質(zhì)等自由氣體：與大氣連通，對土的性質(zhì)影響不大在粗粒土中常可見與大氣相連通的空氣，在受力時，氣體能很快從孔隙中逸出，一般不影響土的性質(zhì)。封閉氣體：增加土的彈性；阻塞滲流通道在細(xì)粒土中，常存在與大氣不相連通的封閉氣泡，在土體受壓時，氣體體積縮小，卸荷后體積又恢復(fù)，這使土的彈性變形增大而透水性減小。1.2.3土中氣（氣相）

土有三個組成部分：固相、液相和氣相

小結(jié)1.固體顆粒2.土中水3.土中氣體礦物成分顆粒級配結(jié)合水(強結(jié)合水、弱結(jié)合水)自由水(重力水、毛細(xì)水)自由氣體封閉氣體1.2.4土的結(jié)構(gòu)構(gòu)造1.土的結(jié)構(gòu)1）概念土的結(jié)構(gòu)是指土粒相互排列的特征和粒間的聯(lián)結(jié)能力。它與土的礦物成分、顆粒形態(tài)和沉積條件有關(guān)。2）分類一般土的結(jié)構(gòu)可歸納為三種基本類型。

a)單粒結(jié)構(gòu)單粒結(jié)構(gòu)是砂、礫等粗粒土常呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)特征。

b)蜂窩結(jié)構(gòu)蜂窩結(jié)構(gòu)是粉土常呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)特征。c)絮狀結(jié)構(gòu)絮狀結(jié)構(gòu)是細(xì)小的粘粒（粒徑小于0.005mm）或膠粒常呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)特征。

（a）單粒結(jié)構(gòu)（b）蜂窩結(jié)構(gòu)（c）絮狀結(jié)構(gòu)

1）概念土的構(gòu)造是指土層不同部分之間相對位置的特征，即在同一土層中的物質(zhì)成分和顆粒大小等都相近的各部分之間的相互關(guān)系。不同成因與不同年代形成的土體其構(gòu)造也不相同。2）分類

a)成層性：即層理構(gòu)造。

b)裂隙性:裂隙破壞土的整體性。沿裂隙面的抗剪強度很低，滲透性很高，浸水以后裂隙張開，嚴(yán)重破壞土的結(jié)構(gòu)，使土的強度降低，這對工程建設(shè)是不利的。2.土的構(gòu)造1.3土的三相指標(biāo)（物理性質(zhì)指標(biāo)）土的物理狀態(tài)粗粒土的松密程度粘性土的軟硬狀態(tài)土的物理性質(zhì)指標(biāo)(三相間的比例關(guān)系)力學(xué)特性影響表示基本方法:三相草圖法三相草圖WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm質(zhì)量體積

為了研究土粒、水和空氣這三相在數(shù)量上的相互關(guān)系，我們設(shè)想把土體的各相分別集中在一起，用三相圖來直觀地表示三相物質(zhì)在體積和質(zhì)量上的相對關(guān)系?！?.3土的三相指標(biāo)1.3.1指標(biāo)的定義三相草圖WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm質(zhì)量體積已知關(guān)系五個:共有九個參數(shù):

V

Vv

Vs

Va

Vw

ms

mw

ma

m剩下三個獨立變量三相草圖法物性指標(biāo)是比例關(guān)系:可假設(shè)任一參數(shù)為1對于飽和土,Va=0剩下兩個獨立變量實驗室測定其它指標(biāo)是一種簡單而實用的方法1.室內(nèi)測定的三個物理性質(zhì)指標(biāo)（基本試驗指標(biāo)）WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm質(zhì)量體積----土的天然密度、土粒相對密度（土粒比重）、土的含水量1）土的天然密度ρ土的重度γ=ρg工程上更常用,用于計算土的自重應(yīng)力單位:

kg/m3

或g/cm3單位:

kN/m3

一般范圍:

1.60—2.20

g/cm3定義:

土單位體積的質(zhì)量表達式:相關(guān)指標(biāo):三相草圖有助于直觀理解物性指標(biāo)的概念測定方法：環(huán)刀法或蠟封法WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm質(zhì)量體積2）土粒相對密度（比重）Gs單位:

無量綱土粒比重一般范圍:

粘性土2.70—2.75砂土2.65－純水在4?C時的密度=1.0g/cm3土粒比重在數(shù)值上等于土粒的密度定義:

土粒的質(zhì)量與同體積的4?C時純水的質(zhì)量的比值表達式:測定方法：土粒比重常用比重瓶法測定。

s:

土粒的密度，單位體積土粒的質(zhì)量WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm質(zhì)量體積3）土的含水量w定義:

土中水的質(zhì)量與土粒質(zhì)量之比,

用百分?jǐn)?shù)表示注意:

含水量反映了土的濕度,表示土中所含水分多少。表達式:測定方法：含水量通常采用烘干法測定。

1）表示土中孔隙含量的指標(biāo)孔隙比e孔隙率n(孔隙度)2.計算指標(biāo)關(guān)系:在某種程度上反映土的松密砂類土：28-35%粘性土：30-50%有的可達60-70%定義:土中孔隙體積與固體顆粒體積之比,無量綱表達式:WaterAirSoilVaVwVsVvV體積定義:土中孔隙體積與總體積之比,用百分?jǐn)?shù)表示表達式:Vs=1Vv=eV=1+eWaterAirSoil體積三相草圖可用于確定物性指標(biāo)之間的關(guān)系2）表示土中含水程度的指標(biāo)含水量w飽和度SrWaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm質(zhì)量體積表達式:定義: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Sr=0:

干土Sr=1:

飽和土3）表示土中密度和重度的指標(biāo)天然密度干密度飽和密度天然重度干重度浮重度有效重度飽和重度WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm質(zhì)量體積單位:kg/m3

或g/cm3單位:kN/m3

定義:

土被完全烘干時的密度,等于單位體積內(nèi)土粒的質(zhì)量表達式:浮密度定義:

土中孔隙充滿水時的密度,等于單位體積內(nèi)土粒與水的質(zhì)量表達式:定義:

土單位體積內(nèi)土粒質(zhì)量與同體積水的質(zhì)量之差表達式:各種密度容重之間的大小關(guān)系：天然密度干密度飽和密度天然重度干重度浮重度飽和重度WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm質(zhì)量體積浮密度為計算方便，可采用簡單的填圖法。圖1.10三相草圖1.3.2指標(biāo)間的換算關(guān)系將e移至等式左端,則有三相比例指標(biāo)換算公式見教科書P15表1.2要點從物理意義上理解指標(biāo)間的關(guān)系不鼓勵死記硬背必要時利用三相草圖推導(dǎo)小結(jié)物理性質(zhì)指標(biāo)土的三個組成相的體積和質(zhì)量上的比例關(guān)系密實程度干濕程度……特點:指標(biāo)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)別定義基本方法:三相草圖法室內(nèi)測定的三個物理性質(zhì)指標(biāo)土的密度、土粒相對密度、土的含水量三相草圖有助于直觀理解物性指標(biāo)的概念其它常用的物理性質(zhì)指標(biāo)表示土中孔隙含量的指標(biāo)表示土中含水程度的指標(biāo)表示土中密度和重度的指標(biāo)三相草圖可用于確定物性指標(biāo)之間的關(guān)系三相草圖法是求取物理性質(zhì)指標(biāo)的簡單而有效的方法密實度如何衡量?單位體積中固體顆粒含量的多少優(yōu)點：簡單方便缺點：不能反映級配的影響只能用于同一種土對策1)按天然孔隙比e確定emin

=0.35emin

=0.201.4土的物理特征1.4.1無粘性土的密實度2)按相對密實度Dr確定emax:最大孔隙比；將松散的風(fēng)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emin:最小孔隙比；將松散的風(fēng)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emax與emin：最大與最小孔隙比注意：室內(nèi)測得理論上的最大與最小孔隙比有時很困難相對密實度粗粒土的密實狀態(tài)指標(biāo)

判別標(biāo)準(zhǔn)：

Dr

=1最密狀態(tài)

Dr

=0

最松狀態(tài)

Dr≤1/3松散狀態(tài)1/3<

Dr≤

2/3中密狀態(tài)

Dr>2/3

密實狀態(tài)相對密實度3)按國標(biāo)地基規(guī)范推薦的方法確定砂土:標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗的錘擊數(shù)N(見P18表1.3)碎石土:重型圓錐動力觸探試驗的錘擊數(shù)N63.5(見P19表1.4)野外鑒別法(見P19表1.5)塑限wp液限wL界限含水量粘性土的稠度反映土中水的形態(tài)固態(tài)或半固態(tài)可塑態(tài)

流態(tài)

強結(jié)合水膜最大出現(xiàn)自由水強結(jié)合水弱結(jié)合水自由水稠度狀態(tài)含水量土中水的形態(tài)w1.4.2粘性土的稠度和可塑性

使土剛好能夠轉(zhuǎn)變形態(tài)的含水量；即從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N狀態(tài)的分界含水量，這些界限稱為阿太堡界限(Atterberg,1911)。

1.粘性土的界限含水量1)液限定義：土呈流動狀態(tài)的最低含水量稱為液限，液限即為流動狀態(tài)與可塑狀態(tài)的界限含水量，也是可塑狀態(tài)的上限含水量。用符號wL表示測定方法：液限可采用碟式液限儀或錐式液限儀測定。2)塑限定義：土呈可塑狀態(tài)的最低含水量為土的塑限，它既是可塑狀態(tài)與半固態(tài)的界限含水量，也是半固態(tài)的上限含水量。用符號wp表示。測定方法：在國內(nèi)常用搓條法測定塑限。

3)縮限定義：土的縮限是指粘性土隨含水量的減少，體積開始不變時的含水量，即半固態(tài)與固態(tài)的界限含水量，用符號ws表示。

界限含水量2.粘性土的可塑性及其指標(biāo)

當(dāng)土在一定條件下，因受外力作用被塑造或搓揉成任意形狀而不產(chǎn)生裂縫,且當(dāng)外力移去后，仍能保持既得形狀的性能,稱為土的可塑性?？伤苄运苄灾笖?shù)地基規(guī)范規(guī)定用塑性指數(shù)作為粘性土劃分的標(biāo)準(zhǔn)。塑性指數(shù)表示粘性土呈可塑狀態(tài)時含水量的變化范圍。工程應(yīng)用

－－－－塑性指數(shù)與粘性土中土粒的組成、粘粒的含量及礦物成分有關(guān)。土粒越細(xì)，含量越高，則其比表面積就越大，此時粘性土中結(jié)合水含量就越高，塑性指數(shù)就會隨之增大。從礦物成分看，粘土中蒙脫石含量越多，塑性指數(shù)會急劇增大。－－－－塑性指數(shù)綜合地反映了影響粘性土的含水量、粘粒含量、礦物成分等各種因素。相對稠度問題：僅適用于重塑土對于不同的粘土，含水量相同，稠度可能不同液性指數(shù)不同的粘土，wp、wL

大小不同定義：wPwwLIL<0IL=0~1IL>1堅硬狀態(tài)可塑狀態(tài)流態(tài)0.00~0.250.25~0.750.75~1.00硬塑可塑軟塑液性指數(shù)w1.4.3粘性土的結(jié)構(gòu)性和觸變性1.粘性土的靈敏度St

定義:在體積不變的條件下，原狀土強度與擾動土強度之比。分類:低靈敏度土1<St≤2中等靈敏度土2<St

≤4高靈敏度土