土力学与地基基础

土力学与地基基础第1页，共64页，2023年，2月20日，星期六绪论24土力学是研究土体的应力、变形、强度、渗流及长期稳定性的一门学科。土力学研究对象是土需要研究和解决的工程中的三大类问题：土体：稳定或强度问题土体：变形问题渗流：渗透变形与渗透稳定强度问题变形问题渗透问题第2页，共64页，2023年，2月20日，星期六强度问题示意图第3页，共64页，2023年，2月20日，星期六第4页，共64页，2023年，2月20日，星期六变形问题示意图第5页，共64页，2023年，2月20日，星期六第6页，共64页，2023年，2月20日，星期六第7页，共64页，2023年，2月20日，星期六堤基管涌发生发展过程示意图砂环管涌口粘性土砂性土渗水杂填土第8页，共64页，2023年，2月20日，星期六强度问题第7章土的抗剪强度第9章地基承载力第10章土坡和地基的稳定性变形问题第5章土的压缩性第6章地基变形渗透问题第3章土的渗透性及渗流物理性质第1章土的组成第2章土的物理性质及分类土力学主要内容第4章土中应力第8章土应力力学先导第9页，共64页，2023年，2月20日，星期六土力学的历史：人类在同生存作斗争的历史中，积累了大量的土力学知识；土力学作为一门系统的学科是以太沙基的1925年出版的《土力学》为标志；很多基本理论、试样方法在20世纪70年代前就已经形成；现代土力学在本构模型理论、计算方法、非饱和土力学有较大发展；量测技术的提高；土动力学理论、分析方法、测试手段有很大发展和提高。绪论第10页，共64页，2023年，2月20日，星期六土力学特点土力学天然的三相碎散堆积物（碎散材料）理论力学学科研究对象材料力学结构力学连续固体弹性力学流体力学连续流体质点或刚体第11页，共64页，2023年，2月20日，星期六绪论土力学课程的学习方法：注重基本概念的理解，要咬文嚼字，理解加记忆；注意基本理论学习；掌握基本的计算方法。课后复习，每章学习完要复习第12页，共64页，2023年，2月20日，星期六第1章土的组成

土是松散颗粒的堆积物，是岩石风化的产物1.1土的形成母岩物理风化化学风化生物风化原生矿物：石英、云母长石等次生矿物：粘土矿物、无定形氧化物胶体、可溶盐等散粒体结晶作用胶结作用生物化学第13页，共64页，2023年，2月20日，星期六1.1土的形成物理风化：岩石经受风、霜、雨、雪的侵蚀，或受波浪的冲击、地震等引起各种力的作用，温度的变化、冻胀等因素使整体岩石产生裂隙、崩解碎裂成岩块、岩屑的过程。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渐产生化学变化，分解为极细颗粒的过程。特征：物理风化：量变过程，形成的土颗粒较粗；化学风化：质变过程，形成的土颗粒很细。对一般的土而言，通常既经历过物理风化，又有化学风化，只不过哪种占优而已。第14页，共64页，2023年，2月20日，星期六残积土无搬运母岩表层经风化作用破碎成岩屑或细小颗粒后，未经搬运残留在原地的堆积物颗粒表面粗糙多棱角粗细不均无层理运积土有搬运风化所形成的土颗粒，受自然力的作用搬运到远近不同的地点所沉积的堆积物土第15页，共64页，2023年，2月20日，星期六运积土有搬运风：风积土重力:坡积土流水:洪积土冲积土湖泊沼泽沉积土海相沉积物冰川:冰积土土粒粗细不同，性质不均匀有分选性，近粗远细浑圆度分选性明显，土层交迭含有机物淤泥，土性差颗粒细，表层松软，土性差土粒粗细变化较大，性质不均匀颗粒均匀，层厚而不具层理第16页，共64页，2023年，2月20日，星期六1.2土的特点大量孔隙非连续介质岩石风化的产物一、土具有碎散性二、土是三相体系固相—土骨架液相—水气相—空气多相介质三、土有自然变异性土是自然界的产物，性质复杂第17页，共64页，2023年，2月20日，星期六碎散性三相性天然性力学特性复杂变形特性强度特性渗透特性第18页，共64页，2023年，2月20日，星期六1.3土的三相组成气相固相液相++构成土骨架，起决定作用重要影响土体次要作用土是固体颗粒、水和空气的混合物，常称土为三相系。土的颗粒、粒间胶结物土体孔隙中的水孔隙中的空气第19页，共64页，2023年，2月20日，星期六当土骨架的孔隙全部被水占满时，这种土称为饱和土；当土骨架的孔隙仅含空气时，就成为干土；一般在地下水位以上地面以下一定深度内的土的孔隙中兼含空气和水，此时的土体属三相系，称为湿土。根据土的粘性分：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）第20页，共64页，2023年，2月20日，星期六物理状态力学特性粒径级配矿物成分颗粒形状

1.4土中固体颗粒第21页，共64页，2023年，2月20日，星期六(1).粒径级配颗粒大小各粒径成分在土中占的比例影响土性的主因1.4土中固体颗粒第22页，共64页，2023年，2月20日，星期六①颗粒大小粒度土粒的大小，通常以粒径表示粒组

按粗细进行分组，将粒径接近的归成一类界限粒径划分粒组的分界尺寸1.4土中固体颗粒d(mm)d(mm)砾石砂粒粉粒粘粒胶粒6020.0750.0050.0020.250.5520粗中细粗中细极细粗粒细粒0.075第23页，共64页，2023年，2月20日，星期六粘土细砂粗砂碎石卵石碎石粘土第24页，共64页，2023年，2月20日，星期六粒径级配确定方法

筛分法：适用于粗粒土(>0.075mm)

水分法：适用于细粒土(<0.075mm)——各粒组的相对含量(土样各粒组的质量占土粒总质量的百分数)，用质量百分数来表示表述方法

粒径级配累积曲线1.4土中固体颗粒第25页，共64页，2023年，2月20日，星期六第26页，共64页，2023年，2月20日，星期六水分法利用不同大小的土粒在水中的沉降速度不同来确定小于某粒径的土粒含量的方法。通过密度计测定土水悬浊液的密度来确定。第27页，共64页，2023年，2月20日，星期六粒径级配累积曲线粒径级配累积曲线表示土的颗粒级配横坐标为粒径，用对数坐标表示纵坐标为小于(或大于)某粒径的土重(累计百分)含量特点：

定量指标，级配好与差的比较曲线较陡粒径相差不多，土粒较均匀，级配不良曲线平缓粒径相差悬殊，土粒不均匀，级配良好1009080706050403020100105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径(mm)第28页，共64页，2023年，2月20日，星期六105.02.01.00.50.250.10.075200g101618242238721009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数P（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径(mm)P%958778665536土的粒径级配累积曲线水分法粒径(mm)0.050.010.005百分数P(%)2613.510第29页，共64页，2023年，2月20日，星期六1009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径(mm)土的粒径级配累积曲线d60d50d10d30d60d10d30CuCc0.330.0050.063662.41特征粒径:

d10，d30和d60为粒径分布曲线上小于某粒径的土粒含量分别为10％，30％和60％时所对应的粒径d60:控制粒径d30:

中值粒径d10

:有效粒径不均匀程度：Cu=d60/d10

—不均匀系数Cu

≥5,级配不均匀第30页，共64页，2023年，2月20日，星期六1009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径(mm)土的粒径级配累积曲线d60d10d30曲线d60d10d30CuCcL0.330.0050.081663.98M0.0632.41R0.0300.545斜率:某粒径范围内颗粒的含量

陡—相应粒组质量集中

缓--相应粒组含量少

平台--相应粒组缺乏连续程度:

Cc=d302

/(d60×d10)

—曲率系数较大颗粒缺少Cc

减小较小颗粒缺少Cc

增大Cc=1~3,级配连续性好第31页，共64页，2023年，2月20日，星期六粒径级配粒径级配累积曲线及指标的用途：1）粒组含量用于土的分类定名；2）不均匀系数Cu用于判定土的不均匀程度：Cu≥5,不均匀土；Cu<5,均匀土3）曲率系数Cc用于判定土的连续程度：Cc=1~

3,级配连续土；Cc>3或

Cc<1,级配不连续土4）不均匀系数Cu和曲率系数Cc用于判定土的级配优劣：

如果

Cu≥5且

Cc=1~3，级配良好的土；

如果

Cu<5或

Cc>3或

Cc<1,级配不良的土第32页，共64页，2023年，2月20日，星期六(2).矿物成分固体颗粒矿物质有机质腐殖质原生矿物

石英、长石、云母等次生矿物粘土矿物：高岭石

伊利石

蒙脱石可溶盐：NaCl,CaCO3无定形氧化物胶体第33页，共64页，2023年，2月20日，星期六3.颗粒形状原生矿物

圆状、浑圆状、棱角状次生矿物

针状、片状、扁平状第34页，共64页，2023年，2月20日，星期六1.5土中水（液相）和土中气

广义的水：结晶水矿物内部的水石膏Ca〔SO4〕·2H2O苏打Na2〔CO3〕·10H2O土中水结合水吸附在土颗粒表面的水自由水电场引力作用范围之外的水土中冰由自由水冻成，冻胀融陷第35页，共64页，2023年，2月20日，星期六结合水吸附在土颗粒表面的水第36页，共64页，2023年，2月20日，星期六排列致密、定向性强密度>1g/cm3冰点处于零下几十度具有固体的特性温度高于100°C时可蒸发强结合水位于强结合水之外，电场引力作用范围之内外力作用下可以移动不因重力而移动，有粘滞性弱结合水第37页，共64页，2023年，2月20日，星期六

强吸着水性质接近于固体，冰点很低，沸点较高，且不能传递压力。

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，但它可以因电场引力的作用从水膜厚的地方向水膜薄的地方转移。由于它的存在，使土具有塑性、粘性、影响土的压缩性和强度，并使土的透水性变小。

吸着水厚度影响因素：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)。第38页，共64页，2023年，2月20日，星期六自由水重力水毛细水在重力或水位差作用下可在土中自由流动存在于液气之间在重力与表面张力作用下可在土粒间空隙中自由移动重力水具有溶解能力，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，对所流经的土体施加渗流力（亦称动水压力、渗透力），计算中应考虑其影响。第39页，共64页，2023年，2月20日，星期六液体表面张力

凡作用于液体表面,使液体表面积缩小的力,称为液体表面张力。它产生的原因是液体跟气体接触的表面存在一个薄层,叫做表面层,表面层里的分子比液体内部稀疏,分子间的距离比液体内部大一些,分子间的相互作用表现为引力。就象你要把弹簧拉开些，弹簧反而表现具有收缩的趋势。正是因为这种张力的存在，有些小昆虫才能无拘无束地在水面上行走自如。第40页，共64页，2023年，2月20日，星期六浸润作用

一种液体会润湿某种固体并附着在固体的表面上，这种想象叫做浸润；反之叫做不浸润。在同种物质内部相邻各部分之间的相互吸引力，这种相互吸引力是同种物质分子之间存在分子力的表现。内聚力能使物质聚集成液体或固体。特别是在与固体接触的液体附着层中，由于内聚力与附着力相对大小的不同，致使液体浸润固体或不浸润固体。

第41页，共64页，2023年，2月20日，星期六放在洁净的玻璃板上的一滴水银，能够在玻璃板上滚来滚去，而不附着在上面。把一块洁净的玻璃片进入水银里再取出来，玻璃上也不附着水银。这种现象叫做不浸润。对玻璃来说，水银是不浸润液体。放在洁净的玻璃板上的一滴水，会附着在玻璃板上形成薄层。把一块洁净的玻璃片进入水里再取出来，玻璃表面会沾上一层水。这种现象叫做浸润。对玻璃来说，水是浸润液体。第42页，共64页，2023年，2月20日，星期六第43页，共64页，2023年，2月20日，星期六=

湿润角空气固体水lT=界面张力d=

毛管直径Td=2rua-uwua-uw=压力差毛细水毛细现象毛细管hc第44页，共64页，2023年，2月20日，星期六土中毛细现象上升高度:πr2hcγw=2πrTcosα毛细水分布在土粒内部相互贯通的孔隙可以看成许多形状不一、直径互异、彼此连通的毛细管毛细升高与孔径成反比粘土粉土砂土砾石分析对象:水柱第45页，共64页，2023年，2月20日，星期六对砂土强度的影响:毛细边角水,假凝聚力毛细压力2πrTcosα+ucπr2=0毛细压力非饱和土中毛细张力影响分析对象:水膜第46页，共64页，2023年，2月20日，星期六土中气体自由气体：与大气连通，对土的性质影响不大封闭气体：增加土的弹性；阻塞渗流通道1.5土中水（液相）和土中气土中冰1.水结冰后体积膨胀，同时由于水分迁移和补给，在土层中会形成冰层或透镜体。2.固态水在土中起着暂时的胶结作用，提高土的力学强度，降低透水性。3.温度升高后，冰层解冻为液态水，使土的强度急剧降低，压缩性增大，土的性质显著恶化第47页，共64页，2023年，2月20日，星期六1.6黏土颗粒与水的相互作用黏粒的矿物成分主要是有黏土矿物和其他化学胶结物或有机质，其中黏土矿物对黏性土的工程性质影响较大粘土矿物:

由各种硅酸盐矿物分解形成的水铝硅酸盐矿物。其结构可分为晶体和非晶体，以晶体矿物为主。实际上是一种铝—硅酸盐晶体，由硅片和铝片构成的晶包所组合而成。

第48页，共64页，2023年，2月20日，星期六基本单元：硅-氧四面体硅片(硅氧晶体)的结构：基本单元是硅－氧四面体，底面每个氧离子为2个相邻单元的硅原子共有组成六边形孔硅片硅片的结构第49页，共64页，2023年，2月20日，星期六基本单元：铝-氢氧八面体铝片的结构铝片(铝氢氧硅片)：铝（镁）－氢氧（氧）八面体，每个氢氧离子为2个相邻单元的铝原子共有组成铝片第50页，共64页，2023年，2月20日，星期六高岭石：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。晶胞有较强的联结力，活动性较小，其亲水性，膨胀性和收缩性均小于伊利石和蒙脱石高岭石（氢键联结）第51页，共64页，2023年，2月20日，星期六伊利石：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，但不如氢键晶胞有较强的联结力。其结晶构造的稳定性优于蒙脱石

伊利石

第52页，共64页，2023年，2月20日，星期六蒙脱石：伊利石进一步风化，2：1型晶格，晶层没有钾离子连接，只有范德华力联结，而而且有水分子进入；连接弱。蒙脱石的晶胞活动性极大，当土中蒙脱石含量较高时，土具有较大的吸水膨胀和失水收缩的特性。蒙脱石第53页，共64页，2023年，2月20日，星期六高岭石（氢键联结）粘土矿物的晶格构造蒙脱石伊利石粒径比表面积胀缩性渗透性强度压缩性大10-20m2/g小大大小中80-100m2/g中中中中小800m2/g大小小大比表面积：单位质量土颗粒所拥有的总表面积9克蒙脱土的总表面积大约与一个足球场一样大第54页，共64页，2023年，2月20日，星期六黏土颗粒在电场作用下向阳极移动，这种现象称为电泳极性水分子与水中的阳离子(如K+,Na+等)形成水化离子，在电场作用下这类水化离子向负极移动，这种现象称为电渗电泳和电渗同时发生，统称为电动现象第55页，共64页，2023年，2月20日，星期六粘土矿物的带电性质研究表明：粘土颗粒的表面有电荷，净电荷通常为负电荷---------------------