中國(guó)海洋大學(xué)《土力學(xué)與地基》課件-第1章

中國(guó)海洋大擎土木工程系必修課程土力學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院山東省海洋環(huán)境地質(zhì)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室第一章：土的物理性質(zhì)與工程分類

本章提要

本章特點(diǎn)

學(xué)習(xí)要點(diǎn)強(qiáng)度特性土的形成過程

土的三相組成

土的物理狀態(tài)

土的結(jié)構(gòu)第一章：土的物理性質(zhì)與工程分類風(fēng)化、搬運(yùn)、沉積土的組成、結(jié)構(gòu)土的組成、結(jié)構(gòu)和物理力學(xué)性質(zhì)土·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·巖石和土的粗顆粒受各種氣候等物理因素的影響產(chǎn)生脹程中因碰撞和摩擦而破碎/·礦物成分與母巖相同，稱原

物理風(fēng)化

化學(xué)風(fēng)化

生物活動(dòng)土的形成與風(fēng)化作用·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·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·顆粒成分發(fā)生質(zhì)的變化·礦物成分與母巖不同，稱次生礦重Ti物·形成十分細(xì)微的土顆粒，最主要為黏性顆粒及可溶鹽類

物理風(fēng)化

化學(xué)風(fēng)化

生物活動(dòng)土的形成與風(fēng)化作用·包括植物、動(dòng)物和土壤微生物的作用·可加劇物理和化學(xué)風(fēng)化·包括植物、動(dòng)物和土壤微生物的作用·可加劇物理和化學(xué)風(fēng)化x·構(gòu)成土中有機(jī)質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的生物循環(huán)·導(dǎo)致腐殖質(zhì)的形成，改變土壤的結(jié)構(gòu)

生物活動(dòng)土的形成與風(fēng)化作用母巖表層經(jīng)風(fēng)化作用破碎成運(yùn)殘留在原地的堆積物母巖表層經(jīng)風(fēng)化作用破碎成運(yùn)殘留在原地的堆積物殘積土弱風(fēng)化微風(fēng)化母巖體搬運(yùn)與沉積顆粒表面粗糙

殘積土

運(yùn)積土有搬運(yùn)

殘積土無搬運(yùn)

運(yùn)積土

殘積土無搬運(yùn)

運(yùn)積土有搬運(yùn)的堆積物搬運(yùn)與沉積第一章：土的物理性質(zhì)與工程分類土中水土中氣體固相液相氣相構(gòu)成土體骨架起決定作用次要作用飽和土』:土體孔隙完全被水充滿非飽和土：孔隙中水和氣均存在土體的三相構(gòu)成顆粒形狀力學(xué)特性固體顆粒三要素§1.2土的三相組成-固體顆粒l礫石砂粒粉粒黏粒膠粒(mm)粗|中|細(xì)|粗|中|細(xì)細(xì)粒土：以粉粒、黏粒和膠粒為主要組成的十.也稱黏性十E1§1.2§1.2土的三相組成-固體顆粒水分法：適用于細(xì)粒土→常采用密度計(jì)法固體顆粒-粒徑級(jí)配§1.2§1.2土的三相組成-固體顆粒:固體顆粒-粒徑級(jí)配篩分法粒徑(mm)百分?jǐn)?shù)P(%)固體顆粒-粒徑級(jí)配§1.2§1.2土的三相組成-固體顆粒斜率：某粒徑范圍內(nèi)顆粒的含量陡-相應(yīng)粒組含量多緩-相應(yīng)粒組含量少平臺(tái)-相應(yīng)粒組缺乏d平均粒徑控制徑d?o:連續(xù)粒徑土的粒徑級(jí)配累積曲線固體顆粒-級(jí)配曲線§1.2§1.2土的三相組成-固體顆粒

壬的粗細(xì)度：用d??表示

土的不均勻程度：用不

連續(xù)程度：用曲率系數(shù)固體顆粒-級(jí)配曲線§1.2§1.2土的三相組成-固體顆粒C=1~3,級(jí)配連續(xù)曲線CLMR§1.2§1.2土的三相組成-固體顆粒曲率系數(shù)C用于判定土的連續(xù)程度；C≥5且C=1~3為級(jí)配良好的士；如果C<5或C>3或C.<1為級(jí)配不白的十粒徑級(jí)配曲線和指標(biāo)的應(yīng)用力學(xué)特性固體顆粒三要素§1.2§1.2土的三相組成-固體顆粒*原生礦物-石英、長(zhǎng)石、云母等礦物質(zhì)無定形氧化物膠體次生礦物可溶鹽次生礦物黏土礦物(有機(jī)質(zhì)具有和原生礦物很不相同的特性對(duì)黏土性質(zhì)的影響很大固體顆粒-礦物成分§1.2土的三相組成-固體顆粒黏土礦物是一種復(fù)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。

硅片硅離子Si

硅片硅-氧四面體硅-氧四面體硅片的結(jié)構(gòu)§1.2土的三相組成-固體顆粒OH1-

硅片鋁離子A

硅片

鋁片鋁片簡(jiǎn)圖鋁-氫氧八面體鋁片的結(jié)構(gòu)鋁片簡(jiǎn)圖形式的不同，可分成如下三種類型：

高嶺石

蒙特石

伊利石·晶層間通過氫鍵聯(lián)結(jié)，聯(lián)結(jié)力強(qiáng)，晶格不能自由活動(dòng)，水難以進(jìn)入晶格間·能組疊很多晶層，多達(dá)百個(gè)以上，成為一個(gè)顆粒。顆粒長(zhǎng)寬約0.3-3μ,厚脹和失水收縮，或者說親水能力差。數(shù)層水分子形式的不同，可分成如下三種類型：

高嶺石

蒙特石

伊利石

高嶺石

蒙特石

伊利石·每一顆粒能組疊的晶層數(shù)較少。顆粒·主要特征：顆粒細(xì)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(qiáng)。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·是云母在堿性介質(zhì)中風(fēng)化的產(chǎn)物?！づc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·主要特征：連結(jié)強(qiáng)度弱于高嶺石而高于蒙特石，其特征也介于兩者之§1.2土的三相組成-固體顆粒十黏土的電泳和電滲現(xiàn)象十黏土粒升高黏土粒升高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(fù)電荷黏土顆粒+玻璃皿陽(yáng)離子黏土礦物的帶電特性力學(xué)特性固體顆粒三要素§1.2土的三相組成-固體顆粒

次生礦物：顆粒較細(xì)，多呈針狀、片

比表面積：?jiǎn)挝毁|(zhì)量土顆粒所擁有的總表面積。對(duì)于黏性土，其大小直接黏土顆粒的形狀黏土顆粒的形狀顆粒形狀和比表面積結(jié)晶水礦物內(nèi)部的水1結(jié)合水吸附在土顆粒表面的水自由水電場(chǎng)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§1.2土的三相組成-土中水■水分子結(jié)構(gòu)但在空間分布上卻是不平衡的。因此，水分子是極性分子。水分子■雙電層黏土顆粒+黏土顆粒+水中陽(yáng)離子被吸引，極性水分子+陽(yáng)離子+陽(yáng)離子層，吸引的陽(yáng)離子和定向排列的水分子構(gòu)成外層，稱為雙電層。黏土顆粒周圍的雙電層內(nèi)電層陽(yáng)離子黏土顆粒水分子§1.2內(nèi)電層陽(yáng)離子黏土顆粒水分子吸引而包圍在顆粒四周，不傳遞靜水-強(qiáng)結(jié)合水：dd土中水-結(jié)合水■自由水：不受顆粒電場(chǎng)引力作用的孔隙水-毛細(xì)水：由于土體孔隙的毛細(xì)毛細(xì)水承受表面張力和重力的作用 中自由流動(dòng)T=界面張力Dk=毛管直徑(非飽和土)基質(zhì)吸力毛管中流體的界面效應(yīng)上升高度毛細(xì)升高與孔徑成反比粉土礫石土中毛細(xì)水上升高度則毛細(xì)壓力：毛細(xì)水壓力在非飽和土中，孔隙中含有水和氣，此時(shí)水多集中于顆粒間的縫隙處，稱毛LI@III/rr由于毛細(xì)張力的作用，會(huì)形成如圖所示的彎液面，使毛細(xì)角邊水產(chǎn)生負(fù)壓力，顆粒則受正壓力。SS這是稍濕的砂土顆粒間存在假黏聚力的原因1土顆?？p隙處的彎液面對(duì)土的性質(zhì)影響不大其體積與壓力有關(guān)。會(huì)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§1.2土的三相組成-小結(jié)固體顆粒土中水土中氣體粒徑級(jí)配礦物成分顆粒形狀結(jié)合水:強(qiáng)結(jié)合水、弱結(jié)合水自由水:重力水、毛細(xì)封閉氣體§1.1土的形成√粗粒土的松密程度黏性土的軟硬狀態(tài)粗粒土的松密程度黏性土的軟硬狀態(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)系也是很重要的影土的物理狀態(tài)指標(biāo)土的物理狀態(tài)§1.3§1.3土的物理狀態(tài)-物理性質(zhì)指標(biāo)

特點(diǎn)：指標(biāo)概念簡(jiǎn)單，數(shù)量很多單位或量綱、常見值或范圍、聯(lián)系與區(qū)別物理性質(zhì)指標(biāo)§1.3土的物理狀態(tài)-物理性質(zhì)指標(biāo)§1.3土的物理狀態(tài)-物理性質(zhì)指標(biāo)三個(gè)獨(dú)立變量(干土或飽和土二個(gè)獨(dú)立變量)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)室測(cè)定三相草圖法計(jì)算§1.3§1.3土的物理狀態(tài)-物理性質(zhì)指標(biāo)為了確定三相草圖諸量中的三個(gè)量，通常進(jìn)行三個(gè)基本的物理性質(zhì)試驗(yàn)：土的密度試驗(yàn)土粒比重試驗(yàn)土的含水量試驗(yàn)基本物理性質(zhì)試驗(yàn)亦§1.3§1.3土的物理狀態(tài)-物理性質(zhì)指標(biāo)■土的密度p相關(guān)指標(biāo)：土的重度(容重)IKKK?mmaa水VV用于計(jì)算土的自重應(yīng)力■土粒比重G空氣水VSVS3基本試驗(yàn)指標(biāo)-土粒比重§1.3土的物理狀態(tài)-物理性質(zhì)指標(biāo)基本試驗(yàn)指標(biāo)-含水量水■孔隙比e:土中孔隙體積與固水mm■孔隙率(孔隙度)n:土中孔隙體砂類土：28-35%黏性土：30-50%,有的可達(dá)60-70%■可表示同一種土的松密，二者之間存在關(guān)系：可用三相草圖推出§1.3§1.3土的物理狀態(tài)-物理性質(zhì)指標(biāo)■含水量：飽和度)土中水的體積與孔mmw隙體積的比值飽和度表示孔隙中充滿水xxivr水固體V水m水m■天然密度天然重度■天然密度天然重度■干密度：土被烘干時(shí)的密度，靜水下的有效重度x表示土體密度和重度的指標(biāo)§1.3土的物理狀態(tài)-物理性質(zhì)指標(biāo)■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m水VV各種密度重度間的大小關(guān)系基本指標(biāo)其他常用指標(biāo)水m基本指標(biāo)其他常用指標(biāo)水m■土的含水量w孔隙比e孔隙率n飽和度S,■飽和密度Psat干密度Pa固體V固體V九個(gè)物理性質(zhì)指標(biāo)§1.3§1.3土的物理狀態(tài)-物理性質(zhì)指標(biāo)常用的物理性質(zhì)指標(biāo)間的換算關(guān)系：教科書P23表1-9

從物理意義上理解指標(biāo)間的關(guān)系

不鼓勵(lì)死記硬背

必要時(shí)利用三相草圖推導(dǎo)天然密度p=1.67g/cm3含水量w=12.9%土粒比重Gs=2.67不N個(gè)孔隙比eN質(zhì)量(g)體積(cm3)土粒比重G,=2.70mw=1.08WaterV=Vw=1.08個(gè)孔隙比e干密度Pc三相草圖法應(yīng)用舉例-2)Pa=m.V=1.30質(zhì)量(g)體積(cm3)W§1.3§1.3土的物理狀態(tài)-物理性質(zhì)指標(biāo)土的物理性質(zhì)指標(biāo)定義量上的比例關(guān)系☆土粒比重單位或量綱、常見值或范圍、聯(lián)系與區(qū)別§1.3§1.3土的物理狀態(tài)-物理狀態(tài)指標(biāo)土的物理性質(zhì)指標(biāo)土的物理性質(zhì)指標(biāo)(三相間的比例關(guān)系)土的物理狀態(tài)粗粒土的松密程度+黏性土的軟硬狀態(tài)影響力學(xué)特性密實(shí)度稠度表示土的物理狀態(tài)指標(biāo)§1.3土的物理狀態(tài)-物理狀態(tài)指標(biāo)§1.3土的物理狀態(tài)-物理狀態(tài)指標(biāo)能反映級(jí)配的影響，不能比較不同級(jí)配土的密實(shí)情況，實(shí)程度不同粗粒土的密實(shí)狀態(tài)§1.3土的物理狀態(tài)-物理狀態(tài)指標(biāo)§1.3土的物理狀態(tài)-物理狀態(tài)指標(biāo)e(最密實(shí))(最密實(shí))(最疏松))r§1.3§1.3土的物理狀態(tài)-物理狀態(tài)指標(biāo)斗輕輕地倒入容器，避免重力沖擊，求得土的最小孔隙比emn: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(dòng)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(biāo)§1.3土的物理狀態(tài)-物理狀態(tài)指標(biāo)●粗粒土的密最松狀態(tài)密實(shí)狀態(tài)最密狀態(tài)●相對(duì)密度指標(biāo)主要用于人工填土，對(duì)天然貫入試驗(yàn)法測(cè)定粗粒土的相對(duì)密度圖1-23標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)設(shè)備松散中密稍密密實(shí)松散中密稍密密實(shí)粗粒土的相對(duì)密度§1.3土的物理狀態(tài)-物理狀態(tài)指標(biāo)§1.3土的物理狀態(tài)-物理狀態(tài)指標(biāo)抵抗能力含水量較硬流動(dòng)黏性土的稠度狀態(tài)示意圖稠度狀態(tài)土中水的形態(tài)含水量稠度界限可塑狀態(tài)固態(tài)或半可塑狀態(tài)強(qiáng)結(jié)合水弱結(jié)合水強(qiáng)結(jié)合水膜最大IIYXXrtIt-流動(dòng)狀態(tài)自由水W出現(xiàn)相當(dāng)數(shù)量自由水黏性土的稠度狀態(tài)§1.3土的物理狀態(tài)-物理狀態(tài)指標(biāo)■對(duì)于同一種黏性土，含水量可反映其稠度；含水量相同，稠度可能不同如何衡量或比較不同黏性土的軟硬狀態(tài)? 液性指數(shù)是表征土的含水景與分界含水量之土的稠度狀態(tài)-液性指數(shù)大體上表示土的弱結(jié)合水含量大體上表示土的弱結(jié)合水含量定義→土中水形態(tài)W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√土顆粒或粒團(tuán)的空間排列和相互聯(lián)結(jié)土體的土體的力學(xué)性質(zhì)決定性的作用。在非飽和土中，還受到毛細(xì)力的作用排列形式：點(diǎn)與點(diǎn)點(diǎn)與面單粒結(jié)構(gòu)示意圖粗粒土的結(jié)構(gòu)土中細(xì)顆粒，比表面積大，重量輕，重力不起重要的幾個(gè)分子的距離，是細(xì)粒土黏結(jié)在一起的主因細(xì)土顆粒間的作用力淡水中沉積·形成環(huán)境海水中沉積·形成環(huán)境·粒間作用力·排列形式(粒間斥力占優(yōu)勢(shì)))面與面表面力、膠結(jié)力邊、角與面邊、角與邊天然通常不是單一結(jié)構(gòu)，可能是呈多種類型的綜合結(jié)構(gòu)。往往先形成團(tuán)粒細(xì)粒土的結(jié)構(gòu)靈敏度S原狀土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度q?和重塑土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度q?靈敏度S原狀土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度q?和重塑土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度q?之比)§1.4土的結(jié)構(gòu)St黏性土原狀土4-8原狀土相同含水相同含水反映黏性土結(jié)構(gòu)性的指標(biāo)樁周土樁周土含水量不變，密度不變，因重塑而強(qiáng)度降低，又因靜置而逐漸強(qiáng)化，強(qiáng)度逐漸恢復(fù)的現(xiàn)象，稱為觸變性含水量不變，密度不變，因重塑而強(qiáng)度降低，又因靜置而逐漸強(qiáng)化，強(qiáng)度逐漸恢復(fù)的現(xiàn)象，稱為觸變性。

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(shí)間變化的

自前尚沒有合理的描述土觸變性的方反映黏性土結(jié)構(gòu)性的指標(biāo)土的結(jié)構(gòu)土顆?；蛄F(tuán)的土的結(jié)構(gòu)空間排列和相互聯(lián)結(jié)粗粒土的結(jié)構(gòu)細(xì)粒土的結(jié)構(gòu)后大大有大成分散結(jié)構(gòu)凝聚結(jié)構(gòu)重力起主導(dǎo)作用粒間力起主導(dǎo)作用黏性土的重力起主導(dǎo)作用粒間力起主導(dǎo)作用第一章：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)√●便于交流(基于共同的概念)分類法建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范-GB50007-2011分類法水利部SL237-1999分類法土的工程分類名稱顆粒形狀名稱顆粒形狀粒組含量漂石圓形及亞圓形為主粒徑大于200mm的顆粒超過全質(zhì)量50%塊石棱角形為主卵石圓形及亞圓形為主粒徑大于20mm的顆粒超過全質(zhì)量50%碎石棱角形為主圓礫圓形及亞圓形為主粒徑大于2mm的顆粒超過全質(zhì)量50%角礫棱角形為主土巖石巖石粉土人工填土注意：以從上到下最先符合煮定名注意：以從上到下最先符合煮定名建筑場(chǎng)地基基礎(chǔ)規(guī)范GB50007-2011土的名稱粒組含量土的名稱粒組含量礫砂粒徑大于2mm的顆粒占全質(zhì)量25-50%粗砂粒徑大于0.5mm的顆粒超過全質(zhì)量50%中砂粒徑大于0.25mm的顆粒超過全質(zhì)量50%細(xì)砂粒徑大于0.075mm的顆粒超過全質(zhì)量85%粉砂粒徑大于0.075mm的顆粒超過全質(zhì)量50%巖石粉土黏性土人工填土粉土粉土：粒徑大于0.075mm的顆粒含量小于全質(zhì)量50%而塑性指數(shù)Ip≤10的土巖石巖石砂土建筑場(chǎng)地基基礎(chǔ)規(guī)范GB50007-2011第一章：土的物理性質(zhì)與工程分類土的形成√土的三相組成√土的物理狀態(tài)√土的結(jié)構(gòu)土的工程分類土的壓實(shí)性得密實(shí)、以提高土的強(qiáng)度、減小土的壓縮性和滲透性壓實(shí)性：指土在一定壓實(shí)能量作用下密度增長(zhǎng)的特性土的壓實(shí)性干密度pa(g/干密度pa(g/cm3)

具有