高等土力学-基本概念与原理

高等土力学第一章：基本概念与原理土力学的基本概念土力学：利用力学的一般原理,研究土的物理,化学和力学性质及土体在荷载,水,温度等外界因素作用下的工程性质,包括土的应力,变形,强度,稳定和土与结构物相互作用等规律的一个力学分支。土力学的发展简史土力学是一门既古老、又新兴的学科，人类很早就懂得广泛利用土进行工程建设（我国的长城、南北大运河）直到十八世纪中叶，人类对土在工程建设方面的特性，尚停留在感性认识阶段。土力学的发展简史十八世纪产业革命后，提出了大量与土力学有关的问题和不少成功的经验，特别是一些工程事故的教训，迫切促使人们去寻求理论的解释，并要求永通过实践检验的理论来直到以后的工程实践。筑城学（欧洲）墙后土压力问题铁路、公路、水利工程土坡稳定问题半经验分析阶段土力学的发展简史二十世纪，随着土建规模的扩大，促使人们全面地系统地对土的力学性质作理论和实践研究，科学技术不断发展，世界不少国家分分成立专门土力学研究机构，重点研究。十八世纪二十年代，著名的土力学家太沙基的土力学专著《土力学》问世，标志着土力学作为一门独立的较系统而完整的学科，自1936年以来，已召开了十一届国际土力学和基础工程学术会议。近四十年来，由于尖端科学、生产发展的需要，土力学的研究领域又有了明显的扩大土动力学、冻土力学、海洋土力学、月球土力学同时岩石力学也已与土力学分离而单独称为一门学科。1.1土体的基本特征上部结构、基础、地基示意图研究对象：土

土的性状变化很大，土力学理论依靠较多的简化假设，因此在处理工程中的土力学问题时，不能单凭数学和力学的方法，我们同时需要室内和野外的测试手段，实地观察和经验判断。土的概念：在土木工程领域，土是指覆盖在地表的没有胶结和弱胶结的颗粒堆积物，土与岩石的区分仅在于颗粒胶结的强弱，所以，有时也会遇到难以区分的情况。

土的来源土根据来源可分为无机土：岩石风化天然土土是岩石风化的产物有机土：腐殖土，由植物完全或部分分解的堆积物具有高压缩性、低强度，为不良建筑物地基风化：物理风化：温度应力岩石开裂水的冻胀裂缝张开岩石开裂波浪冲击地震风沙砾冲击岩石破裂化学风化：岩石与空气、水和各种溶液相接触经氧化炭化作用分解成细小的颗粒致使岩石的矿物成分发生变化水化在自然界，物理风化和化学风化是同时或交替进行的，所以任何一种天然土通常既是物理风化的产物，又是化学风化的产物。土的种类残积土：岩石风化后仍然留在原地的堆积物。残积土的厚度和风化程度主要取决于气候条件和暴露时间，其明显特征是颗粒多为角粒，且母岩种类对残积土的性质有显著影响。(优良母岩、质地不良母岩)运积土：经流水、风和冰川等动力搬运离开产地的堆积物。可分为河流运积土风积土冰川沉积土沼泽土（腐植土）河流沉积土土水冲积形成成的，上游游颗粒粗，，下游颗粒粒细，故：：上游：强透透水，引起起渗漏和渗渗透变形问问题下游：地基基土的高压压缩性和低低强度引起起的基础沉沉降和稳定定问题，同同时要考虑虑渗透变形形问题风积土黄土典型特点：：湿陷性，，所谓湿陷陷性指黄土土未浸水时时，含水率率低，一般般10%左右，仍能能维持陡壁壁或承受较较大的建筑筑物荷载，，可一旦湿湿水，其胶胶结强度会会迅速降低低，会在自自重或建筑筑物荷载下下剧烈下沉沉，黄土的的这种性质质称为湿陷陷性。冰川沉积土土未经水流搬搬运，直接接从冰层中中搁置下来来的冰碛土土。其特点是：：不成层，，性质一般般不均匀，，可作为土土石坝的不不透水材料料，而化学学胶结的冰冰碛土具有有很高的密密实性，常常常是极好好的建筑物物地基。冰水冲积土土：由冰川川融化水搬搬运、堆积积在冰层外外围的冲积积土，具有有与河流冲冲积土类似似的性质，，是优良的的透水材料料和混凝土土骨料风积土（黄黄土高原风风成学说））雅丹地貌（（风蚀作用用形成）物理风化物理风化风的作用水的作用化学风化化学风化天然地质体体土的物理力学性性质随母岩岩种类,形成过程等不同而不同同；土的物理力力学性质随随环境条件件(温度,湿度,水分,压力等)不同而不同同。人工土体：：人为控制制土的结构构与组成天然土体：：自然形成成土体与结构构不确定性：：土的物理力学性性质随母岩岩种类,形成过程等不同而不同同；不均匀性：：具有明显显的空间变变异性；易变性：土土的物理力力学性质随随环境条件件(温度,湿度,水分,压力等)不同而不同同；多相性：由由固相、液液相、气相相组成。固体矿物颗颗粒（固相）土中气体（气相）土中水（液相）土的组成土的固体颗颗粒是土的的三相组成成中的主体体，是决定定土的工程程性质的主主要成分。。土体与岩体体连续性：土土体看成为为连续介质质，岩石常常认为是不不连续介质质；渗透性：土土体一般无无明显的方方向性，岩岩石具有明明显的方向向性；破坏机理：：土体内部部对土颗粒粒的约束较较弱，岩石石内部的胶胶结能力较较强，一般般沿不连续续面发生破破坏。土体的材料料性质土体作为结结构材料与与力学介质质，具有多相性、易碎性、变异性，土的力学学性质取决决于地质成因、物质组成、结构特征。影响因素多多，影响因因素之间的的相互作用用，根据土土的组成与与结构进行行完全的定定量分析是是困难的，，需要借助助工程经验验、实验等等手段进行行分析。1.2土的结构与与组成土的固体颗颗粒非粘土矿物物颗粒：土中的原原生矿物以以石英为主主，含有少少量长石、、云母等。。粘土矿物颗颗粒：次生生矿物的主主要组成部部分，最常常见的是高岭石、伊利石、蒙脱石，基本单元元为硅氧四四面体、铝铝氢氧八面面体。粘粒粉粒砂粒圆粒碎石块石0.0050.075260200巨粒粗粒细粒粒组的概念念：工程上上将大小，，性质相近近的土粒合合并为一组组，称粒组组，其分界界尺寸称界界限粒径。。土粒粒度与与粒组砂粒硅氧四面体体硅硅氧晶片铝氢氧八面面体铝铝氢氧晶晶片沿平面展布布晶胞（结构构单元）片状粘土矿矿物相互叠合1：1型2：1型组合蒙脱石伊利石高岭石矿物类型结构类型晶胞厚度(A)比表面积(m2/g)高岭石1：17.210~20伊利石2：11080~100蒙脱石2：114800主要粘土矿矿物的性质质土颗粒与孔孔隙水液态水结合水自由水强结合水弱结合水不能传递静静水压力重力水毛细水能传递静水水压力结合水：指由电分子子引力吸附附于土粒表表面成薄膜膜状的水。。根据受电电场作用力力的大小及及离颗粒表表面远近，，又可以分分成强结合水和弱结合水两类。※强结合水：：紧靠于颗粒粒表面、所所受电场的的作用力很很大、几乎乎完全固定定排列、丧丧失液体的的特性而接接近于固体体，冰点远远低于0℃，密度比自自由水的大大，在案105℃以上时才可可被蒸发；；※弱结合水：：紧靠强结合合水的外围围形成的结结合水膜，，所受的电电场作用力力随着与颗颗粒距离增增大而减弱弱。是一种种粘滞水膜膜，可因电电场引力从从一个土粒粒周围转移移到另一个个土粒周围围。即弱结结合水膜能能发生变形形，但不因因重力作用用而流动。。弱结合水水的存在是是粘性土在在某一含水水量范围内内表现出可可塑性的原原因。结合水示意意图土颗粒自由水弱结合水强结合水结合水存于孔隙中粘粒表面的的扩散双电电层负电荷颗粒表面扩散层固定层土的微观结结构特征结构形式粗粒土：单粒结构、蜂窝结构松散状态密实状态粉土：蜂窝结构粘性土：絮状结构颗粒级配不均匀系数数d60—限定粒径d10—有效粒径d30—中值粒径曲率系数级配评定孔隙分布土的孔隙结结构——不同大小的的孔隙所占占比例的分分布情况d：孔隙直径径；p(d)：大于d的孔隙体积积百分含量量；V：大于d的孔隙体积积；Vz：总孔隙体体积。孔径分布曲曲线1.3连续介质力力学原理基本假定连续性假定定——土体为连续续介质。物质点无孔孔隙地分布布于物体所所占的空间间物体在变形形过程中仍仍保持连续续性均匀性假定定——物体内各点点的物理力力学性质相相同。各向同性假假定——材料性质与与方向无关关小变形假定定——物体在外力力作用下产产生的变形形很小，不