土的物理性质市公开课获奖课件

1、绪 论土力学是研究土物理性质以及在荷载作用下土体内部应力变形和强度规律一门学科。土力学研究对象是土需要研究和处理工程中三大类问题：土体稳定或强度问题；土体变形问题；渗流：渗入变形与渗入稳定。/10/10第1页第1页强度问题示意图/10/10第2页第2页变形问题示意图/10/10第3页第3页渗入问题示意图/10/10第4页第4页土力学课程学习办法：注重基本概念理解，要咬文嚼字，理解加记忆；注意基本理论学习；掌握基本计算办法。土力学课程学习要求：课后复习，每章学习完要复习；作业独立完毕；作业按时交。/10/10第5页第5页土力学历史：人类在同生存作斗争历史中，积累了大量土力学知识；土力学作为一门系

2、统学科是以太沙基1925年出版土力学为标志；诸多基本理论、试样办法在20世纪70年代前就已经形成；当代土力学在本构模型理论、计算办法、非饱和土力学有较大发展；量测技术提升；土动力学理论、分析办法、测试手段有很大发展和提升。/10/10第6页第6页第一章 土物理性质指标 与工程分类1-1 土形成土是松散颗粒堆积物，是岩石风化产物（人工破碎;堆石坝坝壳料；相称于物理风化）。土是指覆盖在地表没有胶结或弱胶结颗粒堆积物依据起源分：有机土和无机土岩石风化分为物理风化和化学风化。物理风化：岩石经受风、霜、雨、雪侵蚀，或受波浪冲击、地震等引起各种力作用，温度改变、冻胀等原因使整体岩石产生裂隙、崩解碎裂成岩块

3、、岩屑过程。/10/10第7页第7页1-1 土形成化学风化：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步产生化学改变，分解为极细颗粒过程。特性：物理风化：量变过程，形成土颗粒较粗；化学风化：质变过程，形成土颗粒很细。对普通土而言，通常既经历过物理风化，又有化学风化，只但是哪种占优而已。/10/10第8页第8页土从其堆积或沉积条件来看可分为：残积土：岩石风化后仍留在原地堆积物。特点：湿热地带，粘土，深厚，松软，易变； 严寒地带，岩块或砂，物理风化，稳定。1-1 土形成/10/10第9页第9页运积土：岩石风化后经流水、风和

4、冰川以及人类活动等搬运离开生成地点后再沉积下来堆积物。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：由风力带动土粒通过一段搬运距离后沉积下来堆积物；没有层理、细砂或粉粒；黄土 冰碛土：由冰川剥落、搬运形成堆积物；不成层、从漂石到粘粒 沼泽土：在沼泽地沉积物；含有机质、压缩性高、强度低1-1 土形成/10/10第10页第10页1-2 土构成土是固体颗粒、水和空气混合物，常称土为三相系。 固相：土颗粒、粒间胶结物； 液相：土体孔隙中水； 气相：孔隙中空气。/10/10第11页第11页1-2 土构成当土骨架孔隙所有被水占满时，这种土称为饱和土；当土骨架

5、孔隙仅含空气时，就成为干土；普通在地下水位以上地面下列一定深度内土孔隙中兼含空气和水，此时土体属三相系，称为湿土。依据土粘性分：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）/10/10第12页第12页一、土固相（一）成土矿物原生矿物：由物理风化生成土粒；颗粒较粗，普通为无粘性土；石英、长石、云母等；圆形、板状、块状；吸水力弱、稳定、无塑性；砂多为石英。次生矿物：由原生矿物经化学风化作用而形成矿物。颗粒较细，普通为粘土矿物，形成粘性土。高岭石、伊利石、蒙脱石；片状、极细；吸水力强、活泼、有塑性。1-2 土构成/10/10第13页第13页一、土固相（

6、二）粘土矿物晶体结构粘土矿物：由各种硅酸盐矿物分解形成水铝硅酸盐矿物。其结构可分为晶体和非晶体，以晶体矿物为主。硅片：基本单元是硅氧四周体，底面每个氧离子为2个相邻单元硅原子共有构成六边形孔硅片；铝片：铝（镁）氢氧（氧）八面体，每个氢氧离子为2个相邻单元铝原子共有构成铝片；1-2 土构成/10/10第14页第14页一、土固相（二）粘土矿物晶体结构粘土矿物：高岭石：长石风化产物，1：1型晶格，一个硅片一个铝片一个晶层，晶层靠氢键连接，一个颗粒多达近百个晶层。伊利石：云母在碱性介质中风化产物， 2：1型晶格，二个硅片一个铝片一个晶层，晶层靠钾离子连接，比较稳定，但不如氢键；蒙脱石：伊利石进一步风化

7、， 2：1型晶格，晶层没有钾离子连接，而是有水分子进入；连接弱。1-2 土构成/10/10第15页第15页一、土固相（三）土粒大小和土级配粒组：把工程性质相近土粒合并为一组；某粒组土粒含量定义为该粒组土粒质量与干土总质量之比。土级配：土中各种大小粒组中土粒相对含量。1-2 土构成（四）颗粒大小分析试验测定土中各粒组颗粒质量所占该土总质量百分数，拟定粒径分布范围试验称为土颗粒大小分析试验。惯用办法：筛分法：粒径0.075mm 密度计法：粒径0.075mm，又有粒径0.075mm /10/10第16页第16页粒组统称粒组名称粒径d范围（mm） 分析办法 主 要 特 征巨 粒漂石（块石）粒 d200

8、 直接测定 透水性很大，压缩性极小，颗粒间无粘结，无毛细性。卵石（碎石）粒 60d200 粗粒砾粒 粗砾 20d60 筛分法 透水性大，压缩性小，无粘性，有一定毛细性。细砾2d20砂粒 粗砂0.5d2 中砂 0.25d0.5 细砂0.075d0.25 细粒粉粒 0.005d0.075 静水沉降原理 透水性小，压缩性中档，毛细上升高度大，微粘性。粘粒 d0.005 透水性极弱，压缩性改变大，具粘性和可塑性。1-2 土构成/10/10第17页第17页（四）颗粒大小分析试验1.筛分法利用一套孔径由大到小筛子，将按要求办法取得一定质量干试样放入一次叠好筛中，置振筛机上充足振摇后，称出留在各级筛上土粒质

9、量，按下式计算出小于某土粒粒径土粒含量百分数X（）式中：mi m分别为小于某粒径土粒质量及试样总质量1-2 土构成/10/10第18页第18页2.密度计法利用不同大小土粒在水中沉降速度不同来确定小于某粒径土粒含量方法。经过密度计测定土水悬浊液密度来确定。1-2 土构成/10/10第19页第19页3.土级配曲线（1）粒径分布曲线（2）粒组频率曲线粒径分布曲线粒组频率曲线1-2 土构成/10/10第20页第20页(五)颗粒分析试验曲线主要用途按粒径分布曲线可求得：（1）土中各粒组土粒含量，用于粗粒土分类和大体评估土工程性质；（2）一些特性粒径，用于建筑材料选择和评价土级配好坏。依据一些特性粒径，可

10、得到两个有用指标，即不均匀系数Cu和曲率系数Cc，它们定义为： （12）1-2 土构成/10/10第21页第21页 (13)式中：d10，d30和d60为粒径分布曲线上小于某粒径土粒含量分别为10，30和60时所相应粒径。d10称为有效粒径；d60称为限制粒径。1-2 土构成/10/10第22页第22页土级配好坏可由土中土粒均匀程度和粒径分布曲线形状来决定，而土粒均匀程度和曲线形状又可用不均匀系数和曲率系数来衡量。 不均匀系数Cu反应大小不同粒组分布情况。Cu越大表示土粒大小分布范围越大，其级配越良好。曲率系数Cc描写累积曲线分布范围，反应曲线整体形状。Cc过大，台阶在d10d30间； Cc过

11、小，台阶在d30d60间；1-2 土构成/10/10第23页第23页土级配连续性也可用粒组频率曲线来反应。双峰，谷点=5，且Cc=13时，级配良好，不然，不良。1-2 土构成/10/10第24页第24页二、土液相（一）吸着水由土颗粒表面电分子力吸附在土粒表面一层水。吸着水可分为强吸着水和弱吸着水。 1-2 土构成/10/10第25页第25页二、土液相（一）吸着水大多数粘粒表面带有净负电荷:原子替换;断键;氢氧离子中氢离子被离解;吸着水形成原因:土粒表面负电荷,阳离子,氢键。 1-2 土构成/10/10第26页第26页二、土液相（一）吸着水 强吸着水性质靠近于固体，冰点很低，沸点较高，且不能传递

12、压力。 弱吸着水也称为薄膜水，不能传递压力，也不能在孔隙水中自由流动，但它能够因电场引力作用从水膜厚地方向水膜薄地方转移。由于它存在，使土含有塑性、粘性、影响土压缩性和强度，并使土透水性变小。吸着水厚度影响原因：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)。1-2 土构成/10/10第27页第27页(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相互连通弯曲孔道，由水分子与土粒分子之间附着力和水气界面上表面张力，引发相邻土粒相互挤紧压力，这个压力称为毛细管水压力。1-2 土构成/

13、10/10第28页第28页在潮湿粉、细砂中孔隙水仅存在于土粒接触点周围，彼此是不连续。由毛管水压力引起摩擦阻力如同予以砂土以一些粘聚力，以致在潮湿砂土中能开挖一定高度直立坑壁。但一旦砂土被水浸饱和，则弯液面消失，毛管水压力变为零，这种粘聚力就不再存在。把这种粘聚力称为假粘聚力。1-2 土构成/10/10第29页第29页2.重力水在重力或水位差作用下能在土中流动自由水称为重力水。含有溶解能力，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，对所流经土体施加渗流力（亦称动水压力、渗入力），计算中应考虑其影响。1-2 土构成/10/10第30页第30页三、土气相存在土中气体分为两种基

14、本类型：一个是与大气连通气体；另一个是与大气不连通以气泡形式存在封闭气体。1-2 土构成/10/10第31页第31页一、土粒间互相作用当粘粒在溶液中沉淀时，粒间引力主要是范得华力（分子键），尚有吸着水层中异性电荷引起静电引力。引力:范得华力总是在极性颗粒之间产生引力，但它是一个短程力，约随粒间间距得六次方递减，而与溶液性质无关。1-3 土结构/10/10第32页第32页一、土粒间互相作用斥力:在两个土粒互相靠近，使颗粒表面吸着水层相搭接时，吸着水层中阳离子不足以平衡土粒上得净负电荷就发生粒间斥力。大小取决于溶液性质，并随粒间间距得指数函数递减。1-3 土结构/10/10第33页第33页二、土结

15、构（一）单粒结构1-3 土结构/10/10第34页第34页二、土结构（二）蜂窝状结构1-3 土结构/10/10第35页第35页二、土结构（三）絮状结构 角、边与面接触时净引力最大，因此絮状结构特性是土粒之间以角、边与面接触或边与边搭接形式为主。这种结构土粒呈任意排列，含有较大孔隙，其强度低，压缩性高，对扰动比较敏感。片堆结构1-3 土结构/10/10第36页第36页1-4 土物理性质指标可分为两类：一类是必须通过试验测定，如含水率、密度和土粒比重，称为直接指标；另一类是依据直接指标换算，如孔隙比、孔隙率、饱和度等，称为间接指标。/10/10第37页第37页1-4 土物理性质指标一、试验直接测定

16、物理性质指标（一）土密度与重度土密度定义为单位体积土质量，用表示，单位为Mg/m3(或g/cm3)。表示式下列： （1-4） 对于粘性土，土密度惯用环刀法测定。/10/10第38页第38页土重度亦称为容重，定义为单位体积土重量，用表示，单位为kN/m3。表示式下列： （1-5）式中：W土重量，单位为kN； g重力加速度。1-4 土物理性质指标/10/10第39页第39页（二）土粒比重Gs土粒比重定义为土粒质量（或重量）与同体积4时纯水质量（或重量）之比（无因次），其表示式为： （1-6） 或 （1-7）式中：s土粒密度，即土粒单位体积质量；（w）44时纯水密度，1g/cm3（w）44时纯水重度

17、。1-4 土物理性质指标/10/10第40页第40页土粒比重惯用比重瓶法测定，事先将比重瓶注满纯水，称瓶加水质量。然后把烘干土若干克装入该空比重瓶内，再加纯水至满，称瓶加土加水质量，按下式计算土粒比重： （1-8）式中：m1瓶加水质量； m2瓶加土加水质量； ms烘干土质量。1-4 土物理性质指标/10/10第41页第41页（三）土含水率w土含水率，曾称为含水量，定义为土中水质量与土粒质量之比，以百分数表示，其表示式为： （1-9）测定含水率惯用办法是烘干法，先称出天然土质量，然后放在烘箱中，在100105常温下烘干，称得干土质量，按上式可算得。1-4 土物理性质指标/10/10第42页第42

18、页二、间接换算得物理性质指标（一）土孔隙比e定义：土中孔隙体积与土粒体积之比，以小数表示，其表示式为： （1-10）（二）土孔隙率n定义：土中孔隙体积与土总体积之比，或单位体积内孔隙体积，以百分数表示，其表示式为： （1-11） 1-4 土物理性质指标/10/10第43页第43页（三）土饱和度Sr定义：土中孔隙水体积与孔隙体积之比，以百分数表示，其表示式为： （1-12）1-4 土物理性质指标/10/10第44页第44页土干重度：单位体积内土粒重量，表示式为： （1-14）土烘干，体积要减小，因而，土干密度不等于烘干土密度。土干密度或干重度也是评估土密实程度指标，干密度或干重度愈大表明土愈密实

19、，反之愈疏松。（四）干密度d与干重度d土干密度：单位体积内土粒质量，表示式： （1-13）1-4 土物理性质指标/10/10第45页第45页（五）饱和密度sat与饱和重度sat饱和密度定义：土中孔隙完全被水充斥土处于饱和状态时单位体积土质量。表示式为： （1-15）1-4 土物理性质指标/10/10第46页第46页在饱和状态下，单位体积土重量称为饱和重度，其表示式为：（1-16）1-4 土物理性质指标/10/10第47页第47页（六）浮密度与浮重度（有效重度） 土在水下，受到水浮力作用，其有效重量减小，因此提出了浮重度，即有效重度概念，其表示式为： （1-17）1-4 土物理性质指标/10/1

20、0第48页第48页与其相应，提出了浮密度概念，土浮密度是单位体积内土粒质量与同体积水质量之差，其表示式为： （1-18） 或 （1-19）从上述四种土密度或重度定义可知，同一土样各种密度或重度在数值上有下列关系：1-4 土物理性质指标/10/10第49页第49页三、物理性质指标间换算惯用土物理指标共有九个。已知其中任意三个，通过换算能够求出其余六个。（一）孔隙比与孔隙率关系设土体内土粒体积为1，则e=Vv/V可知，孔隙体积Vv为e，土体体积V为（1e），于是有： （1-20） 或 （1-21）三相示意图（a）1-4 土物理性质指标/10/10第50页第50页（二）干密度与湿密度和含水率关系设土

21、体体积V为1，则d = ms /V，土体内土粒质量ms为d，由w= mw / ms水质量mw为w d。于是，按式（14）定义可得： 或 （1-22）1-4 土物理性质指标/10/10第51页第51页（三）孔隙比与比重和干密度关系设土体内土粒体积为1，则按e=Vv/V，孔隙体积vv为e；由s ms / Vs得土粒质量ms为s。于是，按d定义可得：应用式（16）整理得： (1-23)1-4 土物理性质指标/10/10第52页第52页（四）饱和度与含水率、比重和孔隙比得关系设土体内土粒体积为1，则按e=Vv/V得体积vv=e；由s ms / Vs得土粒质量ms=s。按w= mw / ms ，水得质量

22、mw=ws，则水得体积vw= mw / w =ws/w。于是，Sr定义可得： （1-24）当土饱和时，即Sr为100，则： （1-25）式中：wsat饱和含水率。1-4 土物理性质指标/10/10第53页第53页（五）浮密度与比重和孔隙比得关系设土体内土粒体积为1，则按e=Vv/V ，孔隙体积Vv为e；由s ms / Vs得土粒质量ms为s。于是，按式（118）可得： （1-26）1-4 土物理性质指标/10/10第54页第54页【例题13】某一块试样在天然状态下体积为60cm3，称得其质量为108g，将其烘干后称得质量为96.43g，依据试验得到土粒比重Gs为2.7，试求试样湿密度、干密度、

23、饱和密度、含水率、孔隙比、孔隙率和饱和度。【解】（1）已知V60cm3，m=108g，则由式（14）得 =m v=180 60=1.8g/cm31-4 土物理性质指标/10/10第55页第55页（2）已知ms=96.43g，则 mw=mms=10896.43=11.57g按式（19），于是 w= mw ms11.5796.43=12%（3）已知Gs=2.7，则 Vs= ms s=96.43 2.735.7cm3 Vv=VVs=6035.724.3cm3按式（110），于是 e= Vv Vs24.3 35.7=0.68（4）按式（111） n= Vv V24.3 60=40.5（5）依据w定义

24、Vw = mw w=11.57 111.57cm3 于是按式（112） St= Vw Vv=11.57 24.3481-4 土物理性质指标/10/10第56页第56页1-5 无粘性土相对密实度、 粘性土稠度及土压实性一、无粘性土相对密实度惯用相对密实度Dr来衡量无粘性土松紧程度，其定义为 （1-27）式中：Dr相对密实度； emax无粘性土处于最松状态时孔隙比； emin无粘性土处于最密状态时孔隙比； e0无粘性土得天然孔隙比或填筑孔隙比。/10/10第57页第57页按式（123）可得相对密实度得使用表示式 （1-28）式中：dmax无粘性土最大干密度； dmin无粘性土最小干密度； d无粘性

25、土天然干密度或填筑干密度。将风干无粘性土试样用漏斗法测定其最小干密度，用振击法测定其最大干密度。1-5 无粘性土得相对密实度、 粘性土稠度及土压实性/10/10第58页第58页在工程上，用相对密实度Dr划分无粘性土状态下列： 0Dr1/3 疏松 1/3Dr2/3 中密 2/3Dr1 密实1-5 无粘性土得相对密实度、 粘性土稠度及土压实性/10/10第59页第59页二、粘性土稠度（一）粘性土稠度状态稠度指粘性土干湿程度或在某一含水率下抵抗外力作用而变形或破坏能力，是粘性土最主要物理状态指标。流动、软、可塑、硬等描述四种状态可塑性：土在外力作用下可改变形状但不明显改变其体积也不开裂，外力卸除厚仍

26、能保持已有形状。 1-5 无粘性土得相对密实度、 粘性土稠度及土压实性/10/10第60页第60页（二）界线含水率及其测定1.界线含水率粘性土从一个状态过渡到另一个状态，可用某一界线含水率来区别，这种界线含水率称为稠度界线或阿太堡界线。液限（WL）从流动状态转变为可塑状态界线含水率，也就是可塑状态上限含水率；塑限（Wp）从可塑状态转变为半固体状态界线含水率，也就是可塑状态下限含水率；缩限（Ws）从半固体状态转变为固体状态界线含水率，亦即粘性土伴随含水率减小而体积开始不变时含水率。1-5 无粘性土得相对密实度、 粘性土稠度及土压实性/10/10第61页第61页2.液、塑限测定测定塑限办法：搓滚法

27、和液、塑限联合测定法。测定液限办法：碟式仪法和液、塑限联合测定法。液、塑限联合测定法：塑限5秒入土2mm时含水率 10mm液限 5秒入土10mm时含水率 17mm液限 5秒入土17mm时含水率1-5 无粘性土得相对密实度、 粘性土稠度及土压实性/10/10第62页第62页2.液、塑限测定测定塑限办法：搓滚法和液、塑限联合测定法。测定液限办法：碟式仪法和液、塑限联合测定法。25击合拢长度13mm时含水率为液限。1-5 无粘性土得相对密实度、 粘性土稠度及土压实性/10/10第63页第63页土缩限用收缩皿法测定，把土料含水率调制到不小于土液限，然后将试样分层填入收缩皿中，刮平表面，烘干，测出干试样

28、体积并称量准确至0.1g后，按下式计算： （1-29）式中：ws土缩限（） w制备时含水率（）V1湿试样体积（cm3） ，V2干试样体积（cm3）1-5 无粘性土得相对密实度、 粘性土稠度及土压实性/10/10第64页第64页（三）塑性指数和液性指数1.塑性指数塑性指数：液限和塑限之差百分数值（去掉百分号）。用Ip表示，取整数，即：塑性指数越高，吸着水含量也许高，土粘粒含量越高。 1-5 无粘性土得相对密实度、 粘性土稠度及土压实性/10/10第65页第65页2.液性指数粘性土状态可用液性指数来判别。定义为： （1-31）式中：IL液性指数，以小数表示； w土天然含水率。液性指数表征了土天然含

29、水率与界线含水率之间相对关系，表示了天然土所处状态。当wwp时，IL0，土处于坚硬状态；wpwwL时，0IL1.0，土处于可塑状态；wLw时，IL1.0，土处于流动状态。1-5 无粘性土得相对密实度、 粘性土稠度及土压实性/10/10第66页第66页三、土压实性土压实性：指在一定含水率下，以人工或机械办法，使土能够压实到某种密实度性质。填土密实程度常以干密度表示击实试验 土工试验办法原则（国家原则）轻型：d5mm； V=947cm3, m=2.5kg, 3层 25击， 落高30.5cm重型： d5mm粒径含量不超出2530时，仍可用轻型击实，但要修正。问题： d5mm粒径含量较少时是剔除好：还

30、是修正好？或者干脆用重型？1-5 无粘性土得相对密实度、 粘性土稠度及土压实性/10/10第69页第69页1-6 土工程分类粗粒土按颗粒构成进行分类；粘性土按塑性指数分类。一、土分类原则（一）巨粒土和含巨粒土分类巨粒土和含巨粒土应按试样中所含粒径不小于60mm巨粒组含量来划分。试样中含巨粒组质量多于总质量50土称为巨粒土；试样中巨粒组质量为总质量1550土称为巨粒混合土；试样中巨粒组质量少于总质量15土，可扣除巨粒，按粗粒土或细粒土相应要求分类定名。/10/10第70页第70页（二）粗粒土分类试样中粒径不小于0.075mm粗粒组质量多于总质量50土称为粗粒土。粗粒土又分为砾类土和砂类土两类。试

31、样中粒径不小于2mm砾粒组质量多于总质量50土称为砾类土；试样中粒径不小于2mm砾粒组质量少于或等于总质量50土称为砂类土。1-6 土工程分类/10/10第71页第71页（三）细粒土分类试样中粒径小于0.075mm细粒组质量多于或等于总质量50土称为细粒土。细粒土应按下列要求划分：1、试样中粗粒组质量少于总质量25土称为细粒土；2、试样中粗粒组质量为总质量2550土称含粗粒细粒土；3、试样中含部分有机质土称有机质土。细粒土可按塑性图进一步细分。1-6 土工程分类/10/10第72页第72页【例题17】有A，B，C三种土，它们粒径分布曲线如图所表示。已知B土液限为38，塑限为19，C土液限为47，塑限为24。试对这三种土进行分类。1-6 土工程分类/10/10第73页第73页【解】（1）对A土进行分类：从图128曲线A查得粒径不小于60mm巨粒含量为零，而粒径不小于0.075mm粗粒含量为98，不小于50，因此A土属于粗粒土；从图中查得粒径不小于2mm砾粒含量为63，不小于50，因此A土属于砾类土；细粒含量为2，少于5，该土属砾；从图中曲线查得d10，d30和d60分别为0.32mm、1.65mm和3.55mm，因此，土不均匀系数 Cu= d60d10=3.55 0.3211.0土曲率系数 Cc=(d30