土力学课件第一章土的物理性质和工程分类(2).ppt

绪论 土力学是力学的一个分支，是以土为研究对象的学科其主要 研究内容： 通过研究土的物理、力学、物理化学性质及微观结构，进一步 认识土和土体在荷载、水、温度等外界因素作用下的反应特性 即土的压缩性、剪切性、渗透性及动力特性 需要研究和解决的工程中的三大类问题： n 土体稳定或强度问题； n 土体变形问题； n 渗流：渗透变形与渗透稳定 2005年7月21日在广州海珠区江南大道南海珠广场深 基坑南边发生滑坡 比萨斜塔是意大利 比萨城大教堂的独 立式钟楼，位于比 萨大教堂的后面 钟楼始建于1173年， 设计为垂直建造，但 是在工程开始后不久 便由于地基不均匀和 土层松软而倾斜 比萨 (Pisa) 斜塔 该城市人口密集1850年开始抽取地下水，1891－1973年， 整个老城下沉达8.7m造成地面道路、建筑及其他建筑设施的 破坏 墨 西 哥 城 的 下 沉 土层中地下水位的下降，使有效应力增加，使地基进一 步固结沉降 圣母教堂，因地表不均匀下沉使其发生严重倾斜，并成为危房 La Conchita 滑坡 1996年发生在美国加 州的La Conchita ，因 居民已提前撤离固未造 成人员伤亡 Santa Tecla 滑坡 2001年1月13日，萨尔 瓦多发生了7.6级的强震， 震中位于Santa Miguel 西南60英里。

因此在 Santa Tecla 造成 山体 滑坡，最终导致700多人 遇难 本章主要内容 • 1.1土的生成 • 1.2土的三相组成 • 1.3土的结构、构造 • 1.4土的三相物理性质指标的测定及计算 • 1.5无粘性土的特性 • 1.6粘性土及粉土的特性 • 1.7粘性土水-土系统的工程（物理-化学）特性 • 1.8土的工程分类 第1章 土的物理性质及工程分类 1.1 土的生成 风化、搬运、堆积 岩石 土 压密、岩化 一、土的概念 土： 覆盖在地表上的碎散矿物集合体 岩石：构成地壳的基本物质，是一种或多种矿物的聚合体 统称为大自然的产物 土是岩石经过风化后在不同条件下形成的自然历史的产物 岩石风化分为物理风化、化学风化和生物风化 物理风化：岩石经受风、霜、雨、雪的侵蚀，或受波浪的冲 击、地震等引起各种力的作用，温度的变化、冻胀等因素使 整体岩石产生裂隙、崩解碎裂成岩块、岩屑的过程。

化学风化：岩体（或岩块、岩屑）与氧气、二氧化碳等各种 气体、水和各种水溶液等物质相接触，经氧化、碳化和水化 作用，使这些岩石或岩屑逐渐产生化学变化，分解为极细颗 粒的过程 特征： 物理风化：量变过程，形成的土颗粒较粗； 化学风化：质变过程，形成的土颗粒很细 对一般的土而言，通常既经历过物理风化，又有化学风 化，只不过哪种占优势而已 土从其堆积或沉积的条件来看可分为： 残积土：岩石风化后仍留在原地的堆积物 特点：湿热地带，粘土，深厚，松软，易变； 寒冷地带，岩块或砂，物理风化，稳定 运积土：岩石风化后经流水、风和冰川以及人类活动等搬运离 开生成地点后再沉积下来的堆积物又分为冲积土、风积土、 冰碛土和沼泽土等 冲积土：由水流冲积而成；颗粒分选、浑圆光滑 风积土：由风力带动土粒经过一段搬运距离后沉积下来的堆积 物；没有层理、细砂或粉粒；黄土 冰碛（qi）土：由冰川剥落、搬运形成的堆积物；不成层、从 漂石到粘粒 沼泽土：在沼泽地的沉积物；含有机质、压缩性高、强度低 气相固相液相++ 构成土骨架，起决定作用重要影响 土体 次要作用 1.2 土的三相组成 土是固体颗粒、水和空气的混合物，常称土为三相 系。

固相：土的颗粒、粒间胶结物； 液相：土体孔隙中的水； 气相：孔隙中的空气 当土骨架的孔隙全部被水占满时，这种土称为饱和土； 当土骨架的孔隙仅含空气时，就成为干土； 一般在地下水位以上地面以下一定深度内的土的孔隙中 兼含空气和水，此时的土体属三相系，称为湿土 根据土的粘性分： 粘性土：颗粒很细； 无粘性土：颗粒较粗，甚至很大砂、碎石、甚 至堆石（直径几十cm甚至1m） 不同类型的土 一、土的固相 土的固相物质包括无机矿物颗粒和有机质，是构成土 的骨架最基本的物质，称为土粒对土粒应从其矿物成 分、颗粒的大小来描述 （一）成土矿物：原生矿物，次生矿物 原生矿物是指岩浆在冷凝过程中形成的矿物，如石英 、长石、云母等 次生矿物是由原生矿物经过风化作用后形成的新矿物 ，如三氧化二铝、三氧化二铁、次生二氧化硅、粘土矿 物以及碳酸盐等 （二）土粒的大小和土的级配 粒度，粒径 粒组：把工程性质相近的土粒合并为一组；某粒组的土 粒含量定义为该粒组的土粒质量与干土总质量之比 土的级配：土中各种大小的粒组中土粒的相对含量 随着颗粒大小的不同，土的性质可以有很大的差异。

因 此，人们常常按照粒径的范围，将土粒分为若干组，粒 组之间的分界尺寸称为界限粒径表1-1是国内常用的 一种粒组划分 土 粒 粒 组 的 划 分 表1-1 粒 组 名 称 粒径范围 (mm) 一 般 特 征 漂石或块石 卵石或碎石 > 200 200~60 透水性很大，无粘性，无毛细水 粗 中 细 60~20 20~5 5~2 透水性大，无粘性，毛细水上升高度不 超过粒径大小 粗 中 细 极细 2~0.5 0.5~0.25 0.25~0.1 0.1~0.05 易透水，当混入云母等杂质时透水性减 小，而压缩性增加，无粘性，遇水不膨 胀，干燥时松散；毛细水上升高度不大 ，但随粒径变小而增大 粗 细 0.05~0.01 0.01~0.005 透水性小，湿时稍有粘性，遇水膨胀小 ，干时稍有收缩；毛细水上升高度较大 较快，极易出现冻胀现象 粘 粒 0.075mm 密度计法：粒径<0.075mm 联合测定：既有粒径0.075mm 1.筛分法 利用一套孔径由大到小的筛子，将按规定方 法取得的一定质量的干试样放入一次叠好的 筛中，置振筛机上充分振摇后，称出留在各 级筛上的土粒的质量，按下式计算出小于某 土粒粒径的土粒含量百分数X（％） 式中：mi，m－分别为小于某粒径的土粒质 量及试样总质量 10 5.0 2.0 1.0 0.5 0.25 0.1 200g 10 16 18 24 22 38 72 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 小于某粒径之土质量百分数P（％） 10 5.0 1.0 0.5 0.10 0.05 0.01 0.005 0.001 粒径(mm) P % 95 87 78 66 55 36 土的粒径级配累积曲线 水分法 粒径(mm)0.050.010.005 百分数P(%)2613.510 2.密度计法 用于分析粒径小于0.1mm（0.075mm）的土，根据粗 颗粒下沉速度快，细颗粒下沉速度慢的原理，可以把 颗粒按下沉速度进行粗细分组。

实验室常用比重计来 进行细粒土的粒径分析，称为密度计法 3.土的级配曲线 1-1 颗粒分析试验曲线 (四)颗粒分析试验曲线的主要用途 按粒径分布曲线可求得： （1）土中各粒组的土粒含量，用于粗粒土的分类和大致评 估土的工程性质； （2）某些特性粒径，用于建筑材料的选择和评价土级配的 好坏 根据某些特征粒径，可得到两个有用的指标，即不均匀系数 Cu和曲率系数Cc，它们的定义为： （1－2） (1－3) 式中：d10，d30和d60为粒径分布曲线上小于某粒径的土粒含量分 别为10％，30％和60％时所对应的粒径d10称为有效粒径； d60称为限制粒径 土的级配的好坏可由土中的土粒均匀程度和粒径分布曲线的形状 来决定，而土粒的均匀程度和曲线的形状又可用不均匀系数和曲 率系数来衡量 Cu小，曲线陡； Cu大，易压密；Cc过大，台阶在d10~d30间； Cc 过小，台阶在d30~d60间； 规范：纯净砾、砂，Cu>=5，且Cc=1~3时，级配良好，否则，不 良。

图 土的颗粒级配曲线 二、土的液相 （一）结合水 强结合水性质接近于固体，冰点很低，沸点较高， 且不能传递压力 弱结合水也称为薄膜水，不能传递压力，也不能在 孔隙水中自由流动，但它可以因电场引力的作用从水膜 厚的地方向水膜薄的地方转移由于它的存在，使土具 有塑性、粘性、影响土的压缩性和强度，并使土的透水 性变小 吸着水厚度影响因素：成土矿物；阳离子浓度及化学性 质(阳离子价低,厚; 阳离子浓度高,薄) （二）自由水 离开土颗粒表面较远，不受土颗粒电分子引力作 用，且可自由移动的水称为自由水 （分为毛细管水和重力水） 1.毛细管水 土中存在许多大小不同的相互连 通的弯曲孔道，由于水分子与土 粒分子之间的附着力和水气界面 上的表面张力，于是，将引起迫 使相邻土粒相互积紧的压力，这 个压力称为毛管水压力 2.重力水 在重力或水位差作用下能在土中流动的自由水称微重力 水 具有溶解能力，能传递静水和动水压力，对土颗粒有浮 力作用 当它在土孔隙中流动时，对所流经的土体施加渗流力（ 亦称动水压力、渗透力），计算中应考虑其影响 三、土的气相 存在土中的气体分为两种基本类型：一种是与大气连 通的气体；另一种是与大气不连通的以气泡形式存在 的封闭气体。

一、土的结构 1. 定义 土粒或土粒集合体在空间的排列和互相联结形式称为土的结构 1.3 土的结构、构造 2. 类型 (a) 单粒结构 (b) 峰窝结构 (c) 絮状结构 (1)单粒结构 如图(a)所示由颗粒大的土粒在水 或空气中下沉堆积而成粗粒土都具有单粒结 构单粒结构可以分为疏松的和紧密的疏松 单粒结构的土孔隙大，骨架不稳定，在外载作 用下容易发生错位，产生很大的变形或沉降， 因此，这种土未经处理一般不宜作为建筑物的 地基紧密单粒结构的土，由于颗粒排列紧密 ，强度高，压缩性小，在动、静载作用下都不 会发生较大的沉降，是良好的天然地基 (2)峰窝结构 如图(b)所示粒径大约在 0.02~0.002mm范围内的粉土或粘土颗粒，在水 中单个下沉时，途中碰到已沉积的土粒时，由于 土粒之间的分子引力大于土粒自重，使得土粒只 能停留在最初的接触位置不能继续下沉，这样， 一粒一粒相互吸引，最终将能形成具有很大孔隙 的蜂窝状结构 (3)絮状结构 如图(c)所示直径小于0.002mm的 极细粘粒，在水中能够长期悬浮而不下沉，如 果水中掺有某些电解质，颗粒间的排斥力能被 动削弱，运动着的土粒能够相互碰撞凝聚成絮 状的小集粒而下沉，并相继与已沉积的絮状集 粒接触，形成类似蜂窝而孔隙很大絮状结构（ 又称为二级蜂窝结构）。

以上三种结构中，密实的单粒结构工程性质最 好；蜂窝结构和絮状结构如果受到扰动，强度 就会降低，压缩性变高，难以作为天然地基 二、土的构造 1. 定义 • 同一土层中颗粒或颗粒结合体相互间的位置与充 填空间情况称为土的构造其实，这一定义与大 多书本一样仍然比较模糊，未交代结构与构造的 关系其实，土的结构着重于细微观，而构造可 以。