土力学完整教案04-第四讲

1、土 力 学主讲人：张向东主讲人：张向东辽 宁 省 精 品 资 源 共 享 课土力学土力学v 课课 次次：第：第4次次v 主要内容主要内容：土的生成；土的特性；土的三相组成。：土的生成；土的特性；土的三相组成。 v 重点内容重点内容：土的三相组成。：土的三相组成。v 教学参考书教学参考书：张向东主编：张向东主编.土力学土力学.北京：人民交通出版社，北京：人民交通出版社，20112.1 土的生成与特性土的生成与特性一、土的生成一、土的生成第二章第二章 土的物理性质与工程分类土的物理性质与工程分类 在地壳变动的亿万在地壳变动的亿万年历史长河中，岩石和年历史长河中，岩石和土可能交替地反复形成，土可能交

2、替地反复形成，周期性的集合和破碎。周期性的集合和破碎。二二、土的特性土的特性v 在土力学中，将土作为一种工程材料来研究。在土力学中，将土作为一种工程材料来研究。v 与其它材料相比，土有如下特性：与其它材料相比，土有如下特性： （1）散体性）散体性（压缩性大、强度低、透水性大）；（压缩性大、强度低、透水性大）； （2）多相性）多相性（复杂性）；（复杂性）； （3）成层性）成层性（各向异性）；（各向异性）； （4）变异性）变异性（易变性）。（易变性）。2.2 土的三相组成土的三相组成n不同地区的土体，其三相构成的比例是不同的；不同地区的土体，其三相构成的比例是不同的；n即便同一地点的土体，其三相组

3、成也随环境的变化而变化，如天气的即便同一地点的土体，其三相组成也随环境的变化而变化，如天气的晴雨、季节的变化、温度的高低、地下水位的升降等，都会引起土体晴雨、季节的变化、温度的高低、地下水位的升降等，都会引起土体三相比例的变化。三相比例的变化。v 若土中孔隙全部被水充满时为若土中孔隙全部被水充满时为饱和土饱和土；v 孔隙全部被气体充孔隙全部被气体充 满时称为满时称为干土干土；v 土中孔隙同时有水和气体存在时为土中孔隙同时有水和气体存在时为非饱和土；非饱和土；v 土体的三相比例不同，土的状态和工程性质也不相同，甚至出现明显土体的三相比例不同，土的状态和工程性质也不相同，甚至出现明显差别；差别；v

4、 土的三相对其物理力学性质有重大影响，下面首先讲土的土的三相对其物理力学性质有重大影响，下面首先讲土的三相组成三相组成。1土粒的划分土粒的划分v 在自然界中存在各种土，其颗粒有大小是不同的；在自然界中存在各种土，其颗粒有大小是不同的；v 由由110-6mm的极细粘土颗粒，一直变化到几米大小的岩的极细粘土颗粒，一直变化到几米大小的岩石碎块石碎块 ；v 最终反映在土的物理力学性质上出现明显的差别；最终反映在土的物理力学性质上出现明显的差别；v 即便土的矿物成份相同，但当其颗粒大小不同时，土的物即便土的矿物成份相同，但当其颗粒大小不同时，土的物理性质也明显不同。比如，当土粒变细时，可由理性质也明显不

5、同。比如，当土粒变细时，可由无粘性无粘性变变为为有粘性有粘性，其抗压强度下降，压缩性提高。，其抗压强度下降，压缩性提高。一、土的固体颗粒一、土的固体颗粒v下面介绍几个概念：下面介绍几个概念：(1)粒度粒度：土粒的大小称为：土粒的大小称为粒度粒度。(2)粒组粒组：在工程上常把大小相近的土粒合并为一组，称为：在工程上常把大小相近的土粒合并为一组，称为粒组粒组。u颗粒间的分界线是人为确定的；颗粒间的分界线是人为确定的；u对粒组的划分，各个国家，甚至一个国家各个部门都有不同的规定；对粒组的划分，各个国家，甚至一个国家各个部门都有不同的规定；u表表1-1为为建筑地基基础设计规范建筑地基基础设计规范（GB

6、50007-2002）的划分）的划分标准。标准。u表表1-2为水电部（为水电部（SL237-1999SL237-1999）的划分标准。的划分标准。粒组统称粒组统称粒粒 组组 名名 称称粒径范围粒径范围mm巨粒组巨粒组漂石或块石颗粒漂石或块石颗粒200卵石或碎石颗粒卵石或碎石颗粒20020粗粒组粗粒组圆砾或角砾颗粒圆砾或角砾颗粒粗粗2010中中105细细52砂粒砂粒粗粗20.5中中0.50.25细细0.250.1极细极细0.10.075细粒组细粒组粉粒粉粒粗粗0.0750.01细细0.010.005粘粒粘粒0.005表表1-1 建筑地基基础设计规范建筑地基基础设计规范（GB50007-2002）

7、的划分标准）的划分标准 粒组统称粒组统称粒粒 组组 名名 称称粒径范围粒径范围mm巨粒组巨粒组漂石或块石颗粒漂石或块石颗粒200卵石或碎石颗粒卵石或碎石颗粒20060粗粒组粗粒组圆砾或角砾颗粒圆砾或角砾颗粒粗粗6020中中205细细52砂粒砂粒粗粗20.5中中0.50.25细细0.250.075细粒组细粒组粉粒粉粒0.0750.005粘粒粘粒0.005表表1-2 水电部（水电部（SL237-1999）的划分标准）的划分标准 (3)粒度成份粒度成份：是指土中各种不同粒组的相对含量，以干土：是指土中各种不同粒组的相对含量，以干土重量的百分比表示。重量的百分比表示。2.粒度成份分析法粒度成份分析法l

8、粒度成份分析的目的是：确定各粒组颗粒的相对含量；粒度成份分析的目的是：确定各粒组颗粒的相对含量；l对于颗粒大于对于颗粒大于0.075mm 0.075mm 的土，可用的土，可用“筛分法筛分法”；l对于颗粒小于对于颗粒小于0.075mm 0.075mm 的土，可用的土，可用“沉降分析法沉降分析法”。 (1)筛分法筛分法 拿一套孔径不同的标准筛，其孔径拿一套孔径不同的标准筛，其孔径分别为分别为200200、6060、2020、1010、5 5、2 2、1 1、0.50.5、0.250.25、0.10.1、0.075mm0.075mm，按孔径大，按孔径大小自上而下迭放着，并放上底盘。小自上而下迭放着，

9、并放上底盘。u筛分前，先将土样烘干，使之松散，称取土样总重量；筛分前，先将土样烘干，使之松散，称取土样总重量；u然后将土样倒入最上面的一只筛中，经过振动，各个筛及底盘中均留有然后将土样倒入最上面的一只筛中，经过振动，各个筛及底盘中均留有或多或少的土样，称取留在各个筛孔上的土重，除以土样总重，可得各粒或多或少的土样，称取留在各个筛孔上的土重，除以土样总重，可得各粒组土粒的相对含量。组土粒的相对含量。（2）沉降分析法沉降分析法l 比重计法；比重计法；l 移液管法。移液管法。3、粒度成份表示方法、粒度成份表示方法（1）表格法）表格法粒组（粒组（mmmm）粒度成分（粒度成分（% %） 粒径粒径d di

10、 i（mmmm）粒径粒径d di i的累计百分含量（的累计百分含量（% %）10105 510105 52 21.11.15 5100.0100.02 21 16.06.02 298.998.91 10.50.516.416.41 192.992.90.50.50.250.2541.541.50.50.576.576.50.250.250.10.126.026.00.250.2535350 00.10.10.0750.0759.09.00.10.19.09.0 0.0750.075（2）累计曲线法）累计曲线法v 由累计曲线可以大致判断级配情况和均匀程度。由累计曲线可以大致判断级配情况和均匀程度

11、。v 曲线越陡，说明土粒大小相差不多，土粒较均匀，级配差；反之，曲线越平曲线越陡，说明土粒大小相差不多，土粒较均匀，级配差；反之，曲线越平缓，表示土粒大小相差悬殊，土粒不均匀，级配良好。缓，表示土粒大小相差悬殊，土粒不均匀，级配良好。v 根据累计曲线的坡度，只能粗略了解土粒级配的好坏，但要科学的评价土颗根据累计曲线的坡度，只能粗略了解土粒级配的好坏，但要科学的评价土颗粒级配情况，要有定量指标。粒级配情况，要有定量指标。v首先介绍几个概念：首先介绍几个概念： 有效粒径有效粒径d10：小于某粒径的土相对含量为小于某粒径的土相对含量为10时，相应的粒径称为有效粒径。时，相应的粒径称为有效粒径。 限制

12、粒径限制粒径d60：小于某粒径的土的相对含量为小于某粒径的土的相对含量为60时，相应的粒径为限制粒径。时，相应的粒径为限制粒径。 不均匀系数不均匀系数: 曲率系数曲率系数(或称级配系数或称级配系数)：CC =1060uddC6010230.ddd评价标准：评价标准： 当当 Cu 10时，称为级配良好的土；时，称为级配良好的土； 当当 Cu = 510且且Cc = 13时，土级配良好；否则不好。时，土级配良好；否则不好。土中水有不同形态土中水有不同形态：l 固态的冰；固态的冰；l 气态的水蒸汽；气态的水蒸汽；l 液态的水；液态的水；l 矿物颗粒晶格上的结晶水。矿物颗粒晶格上的结晶水。 二、土中水

13、二、土中水 土粒表面一般带有土粒表面一般带有负电荷，围绕土粒负电荷，围绕土粒形成电场，由于水形成电场，由于水分子是极性分子，分子是极性分子，在电场作用下将定在电场作用下将定向排列。土粒与水向排列。土粒与水分子的吸引力称为分子的吸引力称为电分子引力（静电电分子引力（静电引力），电分子引引力），电分子引力随距土粒距离而力随距土粒距离而减小。减小。1. 土粒与水的相互作用土粒与水的相互作用v 在靠近土粒表面处，在靠近土粒表面处，电分子引力最强，把电分子引力最强，把水分子牢固地吸附在水分子牢固地吸附在颗粒表面而形成颗粒表面而形成吸附吸附层（固定层）层（固定层）。v 在吸附层外，静电引在吸附层外，静电引

14、力比较小，水分子的力比较小，水分子的活动性要比吸附层大活动性要比吸附层大一些，形成一些，形成扩散层扩散层。v 在扩散层之外，水分在扩散层之外，水分子几乎不受静电引力子几乎不受静电引力作用，其排列是杂乱作用，其排列是杂乱无章的（自由水）。无章的（自由水）。v 吸附层和扩散层与土吸附层和扩散层与土粒表面负电荷统称为粒表面负电荷统称为双电层双电层。2. 土中水的分类土中水的分类重力水毛细水自由水弱结合水（薄膜水）强结合水（吸着水）结合水土中水（1）结合水）结合水u是被土颗粒表面电分子引力吸附着的一层较薄的水，即是被土颗粒表面电分子引力吸附着的一层较薄的水，即位于位于双电层双电层中的水。中的水。u结合

15、水的密度、粘度均比一般水高，冰点低于结合水的密度、粘度均比一般水高，冰点低于00C，最低，最低可达零下几十度，对土的工程性质影响极大。可达零下几十度，对土的工程性质影响极大。u按电分子引力的强弱，结合水分为按电分子引力的强弱，结合水分为强结合水强结合水和和弱结合水弱结合水。强结合水（吸着水）：强结合水（吸着水）：靠近土粒表面吸附层中的水。靠近土粒表面吸附层中的水。其特征：其特征： 电分子引力最大，可达电分子引力最大，可达1000个大气压；个大气压； 厚度为几个水分子厚；厚度为几个水分子厚； 冰点很低，最低为冰点很低，最低为-78C，不冻结；，不冻结； 不能自由流动，在不能自由流动，在105C

16、时才能蒸发；时才能蒸发； 性质接近固体，不能传递静水压力，具有极大的粘滞性、弹性和抗性质接近固体，不能传递静水压力，具有极大的粘滞性、弹性和抗剪强度。剪强度。弱结合水（薄膜水）：弱结合水（薄膜水）：处于扩散层中的水。处于扩散层中的水。其特征：其特征：p 受电分子引力较小，呈粘滞状态，厚度稍大些；受电分子引力较小，呈粘滞状态，厚度稍大些；p 不能自由流动，不能传递静水压力；不能自由流动，不能传递静水压力；p 有从厚水膜向薄水膜移动的特性。有从厚水膜向薄水膜移动的特性。 随着与土粒表面的距离增大，电分子引力逐渐减少，弱结合水逐随着与土粒表面的距离增大，电分子引力逐渐减少，弱结合水逐渐过渡为自由水。

17、渐过渡为自由水。（2）自由水）自由水 电场影响范围以外，服从重力规律的土孔隙电场影响范围以外，服从重力规律的土孔隙 中的水，中的水，称为自由水。称为自由水。 其特征：其特征：l 无抗剪强度，能传递静水压力；无抗剪强度，能传递静水压力；l 在重力作用下在土孔隙中可由高处向低处流动；在重力作用下在土孔隙中可由高处向低处流动；l 具有溶岩能力。具有溶岩能力。 自由水可分为重力水自由水可分为重力水和毛细水。和毛细水。 重力水：重力水：地下地下水位线以下土孔隙中水位线以下土孔隙中的自由水。的自由水。 毛细水：毛细水：受到受到表面张力作用而存在表面张力作用而存在于地下水位以上土孔于地下水位以上土孔隙中的自由水。隙中的自由水。 土中孔隙中没有被水占据的部分都是气体土中孔隙中没有被水占据的部分都是气体，可分为，可分为自自由气体由气体和和封闭气泡封闭气泡：1、自由气体、自由气体n 是指与大气连通的土孔隙中的气体。是指与大气连通的土孔隙中的气体。n 在土受压缩时逸出，对工程无影响。在土受压缩时逸出，对工程无影响。n 这种含气体的土称为非饱和土。这种含气体的土称为非饱和土。三、土中气体三、土中气体 2、封闭气泡、封闭气泡v 指与大气隔，存在于粘性土层中的气体。指与大气隔，存在于粘性土层中的气体。v 土中气泡多时增加了土的压缩性，但同时减少了土的渗透