补充建工土力学课件章

第1章土的物理性质及工程分类对土的特点进行详细解释和定量描述本章特点:看起来零散学习要点:

理清各节间联系各节内层次土是指：地球表面的完整岩石在大气中经受长期的风化、剥蚀、搬运、沉积而形成的、覆盖在地表上碎散的、没有胶结或胶结很弱的第四纪松散堆积物。风化岩石地球颗粒堆积物地球土的形成，什么是土？1.1概述成岩搬运、沉积生物风化物理风化化学风化量变无粘性土原生矿物质变粘性土次生矿物动植物的活动1)风化作用有机质岩石和土的粗颗粒受各种气候因素的影响产生胀缩而发生裂缝,或在运动过程中因碰撞和摩擦而破碎母岩表面和碎散的颗粒受环境因素的作用而改变其矿物的化学成分，形成新的矿物地表地质作用2)搬运与沉积残积土无搬运运积土有搬运土质较好残积土强风化弱风化微风化母岩体颗粒表面粗糙多棱角粗细不均无层理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运积土有搬运风力：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，层厚而不具层理敦煌雅丹国家地质公园雅丹地貌——典型风蚀作用地貌土的分类有哪些?土一般土特殊土无机土有机土无粘性土:如砂土,碎石土,卵石土粉土粘性土:颗粒细小:湿陷性土、膨胀土、盐渍土、软土等土的形成变形特性强度特性渗透特性土的三相组成土的物理状态土的结构土的工程分类决定影响便于研究和应用形成过程形成条件物理力学性质影响固相（固体颗粒)液相（土中水）气相（土中气）1.2土的组成气相固相液相++构成土骨架，起决定作用重要影响土体次要作用1.土是如何产生的?2.土由哪几部分组成?思考土粒1.2.1土的固体颗粒（固相）物理状态力学特性颗粒排列矿物成分颗粒级配一.固体颗粒§1.2土的三相组成1)土粒的矿物成分原生矿物次生矿物

在物理风化作用下，土粒保持与成土原岩相同的矿物成分。

如：长石、石英、云母颗粒

在化学风化作用下，由于改变了成土原岩原来的矿物成分，形成了新矿物。主要是粘土矿物。如：蒙脱石、伊利石、高岭石一.固体颗粒§1.2土的三相组成无机矿物鳞片状层叠晶体，其基本结晶单元称为晶片一.固体颗粒§1.2土的三相组成硅片的结构两种晶片:硅氧晶片和铝氢氧晶片(硅片和铝片）铝片的结构一.固体颗粒§1.2土的三相组成关于同像置换（同形代替）的概念粘土矿物晶片：粘土矿物的基本结晶单元。

晶胞：晶片有序排列形成的基本层组。晶胞示意图若干个晶胞按某种联结方式叠加稳定性强晶胞的联结方式水分子联结钾离子联结氢键联结蒙脱石伊利石高岭石粘土矿物的晶格构造高岭石蒙脱石伊利石粒径比表面积胀缩性渗透性强度压缩性大7-30m2/g小大大小中67-100m2/g中中中中小810m2/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一.固体颗粒§1.2土的三相组成2)土的颗粒级配颗粒大小各粒径成分在土中占的比例狭义的颗粒级配影响土性的主因各粒组的质量分数:各粒组的质量占全部土粒总质量的百分比,即土中各粒组的相对含量。一.固体颗粒§1.2土的三相组成粒度（径）土粒的大小粒组

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dmm卵石圆砾砂粒粉粒粘粒2020.0050.250.5510粗

中

细粗

中

细0.075粗粒土细粒土土粒粒组的划分（GBJ145-90)200块石巨粒土0.1极细

细粗0.01碎石漂石角砾一.固体颗粒§1.2土的三相组成颗粒级配确定方法

颗粒分析试验

筛分法：适用于粗粒土(>0.075mm或>0.1mm)

水分法：适用于细粒土(<0.075mm或<0.1mm)——土中所含各粒组的相对含量，以土粒总重量百分数来表示表述方法

颗粒级配曲线：根据颗粒分析结果求出各粒组的含量占全部土粒重量的百分比，然后按小颗粒至大颗粒计算累积百分含量，用半对数坐标绘制成颗粒级配累积曲线。

一.固体颗粒§1.2土的三相组成105.02.01.00.50.250.1100g5g8g9g12g11g19g36g1009080706050403020100小于某粒径之土粒质量百分数P（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径(mm)P%958778665536土的颗粒级配累积曲线水分法累积质量百分数粒径(mm)0.050.010.005累积质量百分数P(%)2613.510一.固体颗粒§1.2土的三相组成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)土的颗粒级配累积曲线d60d10d30d60d10d30CuCc0.330.0050.063662.41特征粒径:

d60:限定粒径d10

:有效粒径d30

:中值粒径不均匀程度：Cu=d60/d10—不均匀系数Cu

≥5,颗粒大小不均匀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)土的颗粒级配累积曲线d60d10d30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d60d10d30CuCc0.330.0050.063662.41d30d30CuCcCc0.030.083660.544.17颗粒级配颗粒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；3）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。4）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。5）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。2）颗粒分布情况用于大致判定土的均匀程度：

曲线平缓，粒组分布范围广，土颗粒不均匀；曲线较陡，粒组分布较集中，土颗粒均匀。例图1.1颗粒级配累积曲线【例题1.1】如例图1.1所示A、B、C为三种用不同粒径曲线所代表的土。试求每种土中的砾石、砂粒、粉粒、粘粒粒组的含量各占多少?不均匀系数Cu及曲率系数Cc各为多少?并对各曲线所反映的土的级配特性进行分析。【解】

从曲线上看，曲线呈台阶状，级配不连续，缺乏中间粒径，虽然Cu＞5，但Cc不在1～3之间，因此不能同时满足两个条件，属级配不良的土。结晶水矿物内部的水

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1.2.2土中水（液相）1.土中水的存在形态

天然土体中常含有一定数量呈液态、固态或气态的水。一般土需研究液态水，冻土还需研究固态水的含量。土中气态水，对土的性质影响不大，通常不作重点研究。2.土中水的分类表面结合水

自由水

强结合水(强束缚水或吸着水)

紧附于矿物颗粒表面。

弱结合水

是在强结合水外围形成的一层结合水膜。

重力水

重力水可以在土孔隙中自由流动

毛细水受到水和空气交界面处表面压力的作用，存在于地下水位以上的透水层中自由水§1.2土的三相组成二.土中水粘土矿物的带电性质研究表明：粘土颗粒的表面电荷，净电荷通常为负电荷§1.2土的三相组成二.土中水结合水

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，有粘滞性弱结合水二.土中水§1.2土的三相组成自由水重力水毛细水在重力作用下可在土中自由流动

存在于固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§1.2土的三相组成二.土中水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:

水柱毛细水上升的高度和速度取决于土的孔隙、有效粒径、土孔隙中吸附的空气和水的性质等自由气体：与大气连通，对土的性质影响不大在粗粒土中常可见与大气相连通的空气，在受力时，气体能很快从孔隙中逸出，一般不影响土的性质。封闭气体：增加土的弹性；阻塞渗流通道在细粒土中，常存在与大气不相连通的封闭气泡，在土体受压时，气体体积缩小，卸荷后体积又恢复，这使土的弹性变形增大而透水性减小。1.2.3土中气（气相）

土有三个组成部分：固相、液相和气相

小结1.固体颗粒2.土中水3.土中气体矿物成分颗粒级配结合水(强结合水、弱结合水)自由水(重力水、毛细水)自由气体封闭气体1.2.4土的结构构造1.土的结构1）概念土的结构是指土粒相互排列的特征和粒间的联结能力。它与土的矿物成分、颗粒形态和沉积条件有关。2）分类一般土的结构可归纳为三种基本类型。

a)单粒结构单粒结构是砂、砾等粗粒土常呈现的结构特征。

b)蜂窝结构蜂窝结构是粉土常呈现的结构特征。c)絮状结构絮状结构是细小的粘粒（粒径小于0.005mm）或胶粒常呈现的结构特征。

（a）单粒结构（b）蜂窝结构（c）絮状结构

1）概念土的构造是指土层不同部分之间相对位置的特征，即在同一土层中的物质成分和颗粒大小等都相近的各部分之间的相互关系。不同成因与不同年代形成的土体其构造也不相同。2）分类

a)成层性：即层理构造。

b)裂隙性:裂隙破坏土的整体性。沿裂隙面的抗剪强度很低，渗透性很高，浸水以后裂隙张开，严重破坏土的结构，使土的强度降低，这对工程建设是不利的。2.土的构造1.3土的三相指标（物理性质指标）土的物理状态粗粒土的松密程度粘性土的软硬状态土的物理性质指标(三相间的比例关系)力学特性影响表示基本方法:三相草图法三相草图WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积

为了研究土粒、水和空气这三相在数量上的相互关系，我们设想把土体的各相分别集中在一起，用三相图来直观地表示三相物质在体积和质量上的相对关系。§1.3土的三相指标1.3.1指标的定义三相草图WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积已知关系五个:共有九个参数:

V

Vv

Vs

Va

Vw

ms

mw

ma

m剩下三个独立变量三相草图法物性指标是比例关系:可假设任一参数为1对于饱和土,Va=0剩下两个独立变量实验室测定其它指标是一种简单而实用的方法1.室内测定的三个物理性质指标（基本试验指标）WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积----土的天然密度、土粒相对密度（土粒比重）、土的含水量1）土的天然密度ρ土的重度γ=ρg工程上更常用,用于计算土的自重应力单位:

kg/m3

或g/cm3单位:

kN/m3

一般范围:

1.60—2.20

g/cm3定义:

土单位体积的质量表达式:相关指标:三相草图有助于直观理解物性指标的概念测定方法：环刀法或蜡封法WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积2）土粒相对密度（比重）Gs单位:

无量纲土粒比重一般范围:

粘性土2.70—2.75砂土2.65－纯水在4˚C时的密度=1.0g/cm3土粒比重在数值上等于土粒的密度定义:

土粒的质量与同体积的4˚C时纯水的质量的比值表达式:测定方法：土粒比重常用比重瓶法测定。

s:

土粒的密度，单位体积土粒的质量WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积3）土的含水量w定义:

土中水的质量与土粒质量之比,

用百分数表示注意:

含水量反映了土的湿度,表示土中所含水分多少。表达式:测定方法：含水量通常采用烘干法测定。

1）表示土中孔隙含量的指标孔隙比e孔隙率n(孔隙度)2.计算指标关系:在某种程度上反映土的松密砂类土：28-35%粘性土：30-50%有的可达60-70%定义:土中孔隙体积与固体颗粒体积之比,无量纲表达式:WaterAirSoilVaVwVsVvV体积定义:土中孔隙体积与总体积之比,用百分数表示表达式:Vs=1Vv=eV=1+eWaterAirSoil体积三相草图可用于确定物性指标之间的关系2）表示土中含水程度的指标含水量w饱和度SrWaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积表达式:定义:土中水的体积与孔隙体积的比值饱和度表示孔隙中充满水的程度Sr=0:

干土Sr=1:

饱和土3）表示土中密度和重度的指标天然密度干密度饱和密度天然重度干重度浮重度有效重度饱和重度WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积单位:kg/m3

或g/cm3单位:kN/m3

定义:

土被完全烘干时的密度,等于单位体积内土粒的质量表达式:浮密度定义:

土中孔隙充满水时的密度,等于单位体积内土粒与水的质量表达式:定义:

土单位体积内土粒质量与同体积水的质量之差表达式:各种密度容重之间的大小关系：天然密度干密度饱和密度天然重度干重度浮重度饱和重度WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积浮密度为计算方便，可采用简单的填图法。图1.10三相草图1.3.2指标间的换算关系将e移至等式左端,则有三相比例指标换算公式见教科书P15表1.2要点从物理意义上理解指标间的关系不鼓励死记硬背必要时利用三相草图推导小结物理性质指标土的三个组成相的体积和质量上的比例关系密实程度干湿程度……特点:指标概念简单，数量很多要点：名称、概念或定义、符号、表达式、单位或量纲、常见值或范围、联系与区别定义基本方法:三相草图法室内测定的三个物理性质指标土的密度、土粒相对密度、土的含水量三相草图有助于直观理解物性指标的概念其它常用的物理性质指标表示土中孔隙含量的指标表示土中含水程度的指标表示土中密度和重度的指标三相草图可用于确定物性指标之间的关系三相草图法是求取物理性质指标的简单而有效的方法密实度如何衡量?单位体积中固体颗粒含量的多少优点：简单方便缺点：不能反映级配的影响只能用于同一种土对策1)按天然孔隙比e确定emin

=0.35emin

=0.201.4土的物理特征1.4.1无粘性土的密实度2)按相对密实度Dr确定emax:最大孔隙比；将松散的风干土样通过长颈漏斗轻轻地倒入容器，避免重力冲击，求得土的最小干密度再经换算得到最大孔隙比emin:最小孔隙比；将松散的风干土样装入金属容器内，按规定方法振动和锤击，直至密度不再提高，求得土的最大干密度再经换算得到最小孔隙比emax与emin：最大与最小孔隙比注意：室内测得理论上的最大与最小孔隙比有时很困难相对密实度粗粒土的密实状态指标

判别标准：

Dr

=1最密状态

Dr

=0

最松状态

Dr≤1/3松散状态1/3<

Dr≤

2/3中密状态

Dr>2/3

密实状态相对密实度3)按国标地基规范推荐的方法确定砂土:标准贯入试验的锤击数N(见P18表1.3)碎石土:重型圆锥动力触探试验的锤击数N63.5(见P19表1.4)野外鉴别法(见P19表1.5)塑限wp液限wL界限含水量粘性土的稠度反映土中水的形态固态或半固态可塑态

流态

强结合水膜最大出现自由水强结合水弱结合水自由水稠度状态含水量土中水的形态w1.4.2粘性土的稠度和可塑性

使土刚好能够转变形态的含水量；即从一种状态转变为另一种状态的分界含水量，这些界限称为阿太堡界限(Atterberg,1911)。

1.粘性土的界限含水量1)液限定义：土呈流动状态的最低含水量称为液限，液限即为流动状态与可塑状态的界限含水量，也是可塑状态的上限含水量。用符号wL表示测定方法：液限可采用碟式液限仪或锥式液限仪测定。2)塑限定义：土呈可塑状态的最低含水量为土的塑限，它既是可塑状态与半固态的界限含水量，也是半固态的上限含水量。用符号wp表示。测定方法：在国内常用搓条法测定塑限。

3)缩限定义：土的缩限是指粘性土随含水量的减少，体积开始不变时的含水量，即半固态与固态的界限含水量，用符号ws表示。

界限含水量2.粘性土的可塑性及其指标

当土在一定条件下，因受外力作用被塑造或搓揉成任意形状而不产生裂缝,且当外力移去后，仍能保持既得形状的性能,称为土的可塑性。可塑性塑性指数地基规范规定用塑性指数作为粘性土划分的标准。塑性指数表示粘性土呈可塑状态时含水量的变化范围。工程应用

－－－－塑性指数与粘性土中土粒的组成、粘粒的含量及矿物成分有关。土粒越细，含量越高，则其比表面积就越大，此时粘性土中结合水含量就越高，塑性指数就会随之增大。从矿物成分看，粘土中蒙脱石含量越多，塑性指数会急剧增大。－－－－塑性指数综合地反映了影响粘性土的含水量、粘粒含量、矿物成分等各种因素。相对稠度问题：仅适用于重塑土对于不同的粘土，含水量相同，稠度可能不同液性指数不同的粘土，wp、wL

大小不同定义：wPwwLIL<0IL=0~1IL>1坚硬状态可塑状态流态0.00~0.250.25~0.750.75~1.00硬塑可塑软塑液性指数w1.4.3粘性土的结构性和触变性1.粘性土的灵敏度St

定义:在体积不变的条件下，原状土强度与扰动土强度之比。分类:低灵敏度土1<St≤2中等灵敏度土2<St

≤4高灵敏度土