chapter土力学北京交通大学实用

会计学1chapter土力学北京交通大学实用土的形成：地质历史的产物，是地球表面的整体岩石在大气中经受自然力和自然环境的长期风化作用形成。反向过程：土经过很长的地质年代，发生复杂的物理化学变化，逐渐压密、岩化，最终又可形成岩石。循环演变：岩石土岩石土……。重复进行。地质概念：

第四纪地质：（1）更新世：1.3万年到71万年（2）全新世：小于0.25万年到1.3万年。新近代沉积土：有人类文化期以来沉积的土。第1页/共76页2.2.1风化作用（1）物理风化

地质构造力；温度变化；冰冻作用；碰撞作用颗粒大小发生改变，化学成分保持不变。第2页/共76页（2）化学风化

水解作用；水化作用；氧化作用；溶解作用

矿物化学成分变化，形成次生矿物。正长石

高磷石(水解)（3）生物风化植物根分泌有机酸；遗体腐烂；微生物作用

动植物或人类活动的影响。第3页/共76页小结：

（1）物理风化（2）化学风化（3）生物风化需要注意：a、上述风化作用常常是同时存在的。

b、不同地区，自然条件不同，风化作用有主次。

c、风化作用由地表向下逐渐减弱第4页/共76页2.2.2不同生成条件下土的特点1.残积土概念：母岩经风化作用破碎成为岩屑或细小颗粒，残留原地。特点：颗粒表面粗糙、多棱角、粗细不均、无层理。2.搬运土概念：风化所形成的土颗粒，受自然力作用，搬运到远近不同的地点沉积。特点：颗粒经滚动和摩擦作用而变圆滑。受水流等自然力的分选作用而形成不同的层次，粗颗粒下沉快，细颗粒下沉慢。第5页/共76页搬运土分类：坡积土风积土冲积土洪积土湖泊沼泽沉积土海相沉积土冰积土第6页/共76页2.2.3土的沉积与成岩作用成岩作用：土经过搬运和沉积，经过一系列变化，最后固结成坚硬的岩石(沉积岩)。几种作用：压固脱水、胶结、重结晶沉积岩。

(见图2-1)第7页/共76页图2-1土与岩石的相互转化第8页/共76页2.3土的物质组成第9页/共76页

2.3.1土中固体颗粒（土的固相）

1.粒组的划分和颗粒级配曲线（1）几个基本概念粒度:土粒的大小称为粒度。粒度成分：不同粒径颗粒的相对含量。粒组：大小相近的土粒合并为组。a、粒组间的分界线是人为划定的;b、划分时应使粒组界限与粒组性质的变化相适应;c、按一定的比例递减关系划分粒组的界限值。d、表2-1给出国内常用的粒组划分方法。第10页/共76页表2-1粒组的划分第11页/共76页（2）颗粒级配和颗粒分析试验a.筛分法：适用于粒径大于0.075mm的粗颗粒土。图6摆筛图第12页/共76页b.密度计法：适用于粒径小于0.075mm的细颗粒土。

斯托克斯(stokes)定理：颗粒下沉速度与颗粒直径的平方成正比。c.综合分析

筛分法和密度计法结合第13页/共76页（3）颗粒级配曲线用半对数纸表示颗粒级配曲线横坐标(按对数比例尺)：表示某一粒径（d）；纵坐标：表示小于某一粒径的土粒百分含量（%）。由颗粒级配曲线可知道某一粒径范围的百分含量！问题：如何判断级配的好坏？第14页/共76页

两个指标表示大小、均匀程度及其级配情况

不均匀系数：

d60（限定粒径）—小于该粒径的含量占总量的60%d10（有效粒径）—小于该粒径的含量占总量的10%该指标考虑了大颗粒和小颗粒含量的差异；Cu愈大，颗粒愈不均匀；第15页/共76页d30（连续粒径）—小于该粒径的含量占总量的30%

曲率系数：

该指标考虑了中间粒径的影响；Cc大于3，曲率变化快，土均匀；Cc小于1，曲率变化平缓，中间颗粒少；第16页/共76页a、级配良好土：曲线光滑连续，不存在平台段，坡度平缓

满足Cu>5及Cc=1-3两个条件

（图2-2的B土曲线）（4）土级配优劣的标准图2-2土的颗粒级配曲线第17页/共76页b、级配不良土：级配曲线坡度陡峭，粗细颗粒均匀；级配曲线存在平台段，即存在不连续粒径。

不能同时满足Cu>5及Cc=1-3两个条件

（图2-2的C土和A土曲线）图2-2土的颗粒级配曲线第18页/共76页图2-2土的颗粒级配曲线第19页/共76页

例2-1：取天然土样500g，试用筛分法测定其粒组含量。[例题2.1]粗粒部分筛分试验结果第20页/共76页图2-3细颗粒土试验结果第21页/共76页土的矿物成分与粒组关系（图2-4）第22页/共76页图2-4土的矿物成分与粒组的关系第23页/共76页2.4土-水-电解质系统及其相互作用

2.4.1粘粒的胶体特性

2.4.2粘土的双电层

2.4.3粘土的触变与陈化

第24页/共76页2.5土的结构性

土的结构性：指土的物质组成(主要指土粒，也包括孔隙)的空间相互排列，以及土粒间的联结特征的综合。土结构的影响：对土的物理力学性质有重要的影响。土结构的变化和意义：土的结构在形成过程中及形成之后，当外界条件变化时都会使土的结构发生变化。第25页/共76页图A砂土结构特点第26页/共76页图B粘土结构特点第27页/共76页a单粒非絮凝结构结构b粒组的非絮凝结构d单粒的角-角凝絮结构e粒组的角-面絮凝结构f粒组的角-角絮凝结构c单粒的角-面絮凝结构g粒组的角-面絮凝结构与角-角絮凝结构第28页/共76页2.6土的物理性质指标物理模型假定模型第29页/共76页总质量：m=ms+mw总体积：V=Vs+Vv=Vs+Va+Vw

符号：s—soilv—voida—airw—water图2-25土的三相图2.6.1土的三相草图

可用三相草图来描述土的三相组成定义土的物理性质指标。第30页/共76页三相草图的意义：土的三相物质在体积和质量上的比例关系称为三相比例指标；三相比例指标反映了土的干燥与潮湿、疏松与紧密；评价土的工程性质的最基本的物理性质指标；工程地质勘察报告中不可缺少的基本内容。第31页/共76页2.6.2三个实测物理性质指标

直接测定指标（可在实验室内直接测定）：重度、含水量、土粒比重Gs（土粒密度s）。换算指标：其它指标均为换算指标（孔隙比、饱和度）。

第32页/共76页

1、土的密度和重度第33页/共76页2、含水量第34页/共76页第35页/共76页3、土粒比重

Gs—固体颗粒质量与同体积水(在4℃时)质量之比第36页/共76页表2-7土粒比重范围第37页/共76页2.6.3换算的物理性质指标孔隙比于是可得两者关系：孔隙率

第38页/共76页饱和度

一般0Sr1饱和土：Sr=1干土：Sr=0第39页/共76页土的饱和重度γsat土的密度与重度的关系：

土的有效重度（浮重度）

土的干重度第40页/共76页2.6.5

几种常用指标之间关系式的推导土的三相比例指标之间可以互相换算：方法1：由三相图及其定义计算，见教材48页例2-3。假定V=1,或者假定Vs=1方法2：由三相图导出的计算公式（见表2-8）。第41页/共76页2.7土的物理状态指标2.7.1粗颗粒土的密实度（砂土的密实度）用孔隙比e可评价砂土的密实度；优缺点：优点：应用方便、简单缺点：不能考虑颗粒大小、级配和形状的影响所以：应与最大孔隙比与最小孔隙比比较；建立相对密度的概念。第42页/共76页最小孔隙比：砂土处于最密实状态时的孔隙比，emin

用“振击法”测定。最大孔隙比：砂土处于最疏松状态时的孔隙比，emax

用“松散器法”测定。相对密度：

最大孔隙比、最小孔隙比的概念：第43页/共76页举例说明建立相对密度概念的意义：结论：土样1：密实；土样2：不密实土类最大孔隙比emax最小孔隙比emin实际孔隙比e土样10.80.50.55土样20.60.30.55问题：哪个土样密实？第44页/共76页1用Dr表示砂土密实度见表2-9，《铁路工程技术规范》（P50）第45页/共76页

当e=emax时，Dr=0，最松状态；当e＝emin时，Dr=1.0，最密状态。优点：可以把土的级配考虑进去，理论上较为完善缺点：emax和emin难以准确测定，给Dr的确定带来困难。第46页/共76页2、标准贯入试验方法

方法：63.5kg锤，升到76cm高，自由落下标准贯入器入土深度30cm，所需锤数为N63.5显然：第47页/共76页规范：《建筑地基基础设计规范》(GB50007—2002)

表2-10，详见第8章判断标准：第48页/共76页2.7.2粘性土的稠度（界限含水量）Atterberg（瑞典土壤学家，1911）塑性：可塑成任何形状而不发生裂缝，并在外力解除以后能保持已有的形状而不恢复原状的性质。Plasticity。在陶瓷工业、农业科学和土木工程中有广泛应用。

第49页/共76页土体体积随含水量的变化：图2-29含水量与体积的关系

第50页/共76页土的界限含水量（Atterberglimits）缩限：半固体状态与固体状态间的分界含水量。当含水量小于该值时，体积不发生变化。Shrinkagelimit,wS。塑限：可塑状态与半固体状态间的分界含水量。Plasticlimit,wP。液限：流动状态与可塑状态间的分界含水量。Liquidlimit,wL。第51页/共76页“界限含水量是土的一种固有的性质，与含水量无关”问题：缩限、塑限、液限是否与土样的含水量有关？注意：塑限和液限是土力学中常用的。第52页/共76页液限的测定：锥式液限仪（中国）；碟式液限仪（欧美，详见ASTM试验规程）。碟式液限仪平衡锥式液限仪

第53页/共76页17mm液限测定演示：第54页/共76页17mm液限测定演示：第55页/共76页液限测定演示：第56页/共76页第57页/共76页塑限的测定：

搓条法测定。3mm土条。缩限的测定：

收缩皿法测定。第58页/共76页讨论：液限和塑限也可用光电式液塑限联合测定仪测定；试验的具体程序和步骤详见《土工试验方法标准》；界限含水量由重塑土测定，而现场原状土有一定结构性；所以，有时现场土含水量比液限大但地基未流动。第59页/共76页（1）塑性指数IP概念:塑性状态时含水量变化范围，IP（Plasticityindex）。

常省略%；变化范围很大（如大于200）；是粘性土区别于砂土的重要特征；反映了土与水之间物理化学作用的强弱。第60页/共76页物理意义：思考：第61页/共76页一个问题：结论：不能。第62页/共76页举例说明：土类液限wL塑限wL含水量土样132%12%20%土样242%24%20%结果：土样1：可塑态；土样2：半固态；问题：判断土样物理状态？“必须建立含水量与界限含水量的关系”第63页/共76页（2）液性指数IL

表2-11粘性土的稠度标准天然状态含水量和界限含水量相对关系的指标（Liquidityindex）。第64页/共76页在0到1之间。越大，表示土越软；大于1，处于流动状态；小于0，处于固体状态或半固体状态。关于IL结论：第65页/共76页求证（1）求证（2）例题：证明：第66页/共76页[例2-5]某粘性土的天然含水量w=19.3%，液限wL=28.3%，塑限wP=16.7%。求塑性指数IP和液性指数IL，确定该土状态。查表2-11可知该土的状态为硬塑状态。IL===0.224[解]：IP=wL-wP=28.3-16.7=11.6第67页/共76页

“土的工程分类是勘察、设计的首要内容”2.8土的工程分类

分类存在不同体系，主要有：

(1)建设部《土的分类标准》(GBJl4590)；

(2)建设部《建筑地基基础设计规范》(GB500072002)；

(3)水利部《土工试验规程》(SL2371999)中的12884分类法；

(4)交通部《公路土工试验规程》(JTJ05193)。第68页/共76页分类原则和特点：2.8.1建筑地基基础设计规范(GB500072002)对粗颗粒土，考虑了结构和粒径级配；对细颗粒土，考虑了土的塑性和成因；给出岩石的分类标准；将天然土分为6大类：岩石、碎石土、砂类土、粉