土力学完整教案04-第四讲

土力学主讲人：张向东辽宁省精品资源共享课《土力学》课次：第4次主要内容：土的生成；土的特性；土的三相组成。重点内容：土的三相组成。教学参考书：张向东主编.土力学.北京：人民交通出版社，2011§2.1

土的生成与特性一、土的生成第二章土的物理性质与工程分类

在地壳变动的亿万年历史长河中，岩石和土可能交替地反复形成，周期性的集合和破碎。二、土的特性在土力学中，将土作为一种工程材料来研究。与其它材料相比，土有如下特性：

（1）散体性（压缩性大、强度低、透水性大）；

（2）多相性（复杂性）；

（3）成层性（各向异性）；

（4）变异性（易变性）。§2.2土的三相组成不同地区的土体，其三相构成的比例是不同的；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，都会引起土体三相比例的变化。若土中孔隙全部被水充满时为饱和土；孔隙全部被气体充满时称为干土；土中孔隙同时有水和气体存在时为非饱和土；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；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。1．土粒的划分在自然界中存在各种土，其颗粒有大小是不同的；由1×10-6mm的极细粘土颗粒，一直变化到几米大小的岩石碎块；最终反映在土的物理力学性质上出现明显的差别；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，可由无粘性变为有粘性，其抗压强度下降，压缩性提高。一、土的固体颗粒下面介绍几个概念：(1)粒度：土粒的大小称为粒度。(2)粒组：在工程上常把大小相近的土粒合并为一组，称为粒组。颗粒间的分界线是人为确定的；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；表1-1为《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）的划分标准。表1-2为水电部（SL237-1999）的划分标准。粒组统称粒组名称粒径范围mm巨粒组漂石或块石颗粒＞200卵石或碎石颗粒200~20粗粒组圆砾或角砾颗粒粗20~10中10~5细5~2砂粒粗2~0.5中0.5~0.25细0.25~0.1极细0.1~0.075细粒组粉粒粗0.075~0.01细0.01~0.005粘粒≤0.005表1-1《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）的划分标准

粒组统称粒组名称粒径范围mm巨粒组漂石或块石颗粒＞200卵石或碎石颗粒200~60粗粒组圆砾或角砾颗粒粗60~20中20~5细5~2砂粒粗2~0.5中0.5~0.25细0.25~0.075细粒组粉粒0.075~0.005粘粒≤0.005表1-2水电部（SL237-1999）的划分标准(3)粒度成份：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。2.粒度成份分析法粒度成份分析的目的是：确定各粒组颗粒的相对含量；对于颗粒大于0.075mm的土，可用“筛分法”；对于颗粒小于0.075mm的土，可用“沉降分析法”。

(1)筛分法拿一套孔径不同的标准筛，其孔径分别为200、60、20、10、5、2、1、0.5、0.25、0.1、0.075mm，按孔径大小自上而下迭放着，并放上底盘。筛分前，先将土样烘干，使之松散，称取土样总重量；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，可得各粒组土粒的相对含量。（2）沉降分析法比重计法；移液管法。3、粒度成份表示方法（1）表格法粒组（mm）粒度成分（%）粒径di（mm）粒径≤di的累计百分含量（%）10～5—10—5～21.15100.02～16.0298.91～0.516.4192.90.5～0.2541.50.576.50.25～0.126.00.2535．00.1～0.0759.00.19.0

0.075—（2）累计曲线法由累计曲线可以大致判断级配情况和均匀程度。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。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。首先介绍几个概念：

①有效粒径d10：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。

②限制粒径d60：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。

③不均匀系数:④曲率系数(或称级配系数)：CC=⑤评价标准：当Cu

<5时，称为均粒土，其级配不好；当Cu

>10时，称为级配良好的土；当Cu

=5～10且Cc=1～3时，土级配良好；否则不好。土中水有不同形态：固态的冰；气态的水蒸汽；液态的水；矿物颗粒晶格上的结晶水。

二、土中水土粒表面一般带有负电荷，围绕土粒形成电场，由于水分子是极性分子，在电场作用下将定向排列。土粒与水分子的吸引力称为电分子引力（静电引力），电分子引力随距土粒距离而减小。1.土粒与水的相互作用在靠近土粒表面处，电分子引力最强，把水分子牢固地吸附在颗粒表面而形成吸附层（固定层）。在吸附层外，静电引力比较小，水分子的活动性要比吸附层大一些，形成扩散层。在扩散层之外，水分子几乎不受静电引力作用，其排列是杂乱无章的（自由水）。吸附层和扩散层与土粒表面负电荷统称为双电层。2.

土中水的分类（1）结合水是被土颗粒表面电分子引力吸附着的一层较薄的水，即位于双电层中的水。结合水的密度、粘度均比一般水高，冰点低于00C，最低可达零下几十度，对土的工程性质影响极大。按电分子引力的强弱，结合水分为强结合水和弱结合水。①强结合水（吸着水）：靠近土粒表面吸附层中的水。其特征：电分子引力最大，可达1000个大气压；厚度为几个水分子厚；冰点很低，最低为-78°C，不冻结；不能自由流动，在105°C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、弹性和抗剪强度。②弱结合水（薄膜水）：处于扩散层中的水。其特征：受电分子引力较小，呈粘滞状态，厚度稍大些；不能自由流动，不能传递静水压力；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，弱结合水逐渐过渡为自由水。（2）自由水

电场影响范围以外，服从重力规律的土孔隙中的水，称为自由水。

其特征：无抗剪强度，能传递静水压力；在重力作用下在土孔隙中可由高处向低处流动；具有溶岩能力。

自由水可分为重力水和毛细水。

①重力水：地下水位线以下土孔隙中的自由水。

②毛细水：受到表面张力作用而存在于地下水位以上土孔隙中的自由水。土中孔隙中没有被水占据的部分都是气体，可分为自由气体和封闭气泡：1、自由气体是指与大气连通的土孔隙中的气体。在土受压缩时逸出，对工程无影响。这种含气体的土称为非饱和土。三、土中气体

2、封闭气泡指与大气隔，存在于粘性土层中的气体。