中国海洋大学《土力学与地基》课件-第1章

中国海洋大擎土木工程系必修课程土力学环境科学与工程学院山东省海洋环境地质工程重点实验室第一章：土的物理性质与工程分类

本章提要

本章特点

学习要点强度特性土的形成过程

土的三相组成

土的物理状态

土的结构第一章：土的物理性质与工程分类风化、搬运、沉积土的组成、结构土的组成、结构和物理力学性质土·岩石和土的粗颗粒受各种气候等物理因素的影响产生胀·岩石和土的粗颗粒受各种气候等物理因素的影响产生胀程中因碰撞和摩擦而破碎/·矿物成分与母岩相同，称原

物理风化

化学风化

生物活动土的形成与风化作用·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·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·颗粒成分发生质的变化·矿物成分与母岩不同，称次生矿重Ti物·形成十分细微的土颗粒，最主要为黏性颗粒及可溶盐类

物理风化

化学风化

生物活动土的形成与风化作用·包括植物、动物和土壤微生物的作用·可加剧物理和化学风化·包括植物、动物和土壤微生物的作用·可加剧物理和化学风化x·构成土中有机质和营养物质的生物循环·导致腐殖质的形成，改变土壤的结构

生物活动土的形成与风化作用母岩表层经风化作用破碎成运残留在原地的堆积物母岩表层经风化作用破碎成运残留在原地的堆积物残积土弱风化微风化母岩体搬运与沉积颗粒表面粗糙

残积土

运积土有搬运

残积土无搬运

运积土

残积土无搬运

运积土有搬运的堆积物搬运与沉积第一章：土的物理性质与工程分类土中水土中气体固相液相气相构成土体骨架起决定作用次要作用饱和土』:土体孔隙完全被水充满非饱和土：孔隙中水和气均存在土体的三相构成颗粒形状力学特性固体颗粒三要素§1.2土的三相组成-固体颗粒l砾石砂粒粉粒黏粒胶粒(mm)粗|中|细|粗|中|细细粒土：以粉粒、黏粒和胶粒为主要组成的十.也称黏性十E¹§1.2§1.2土的三相组成-固体颗粒水分法：适用于细粒土→常采用密度计法固体颗粒-粒径级配§1.2§1.2土的三相组成-固体颗粒:固体颗粒-粒径级配筛分法粒径(mm)百分数P(%)固体颗粒-粒径级配§1.2§1.2土的三相组成-固体颗粒斜率：某粒径范围内颗粒的含量陡-相应粒组含量多缓-相应粒组含量少平台-相应粒组缺乏d平均粒径控制径d₃o:连续粒径土的粒径级配累积曲线固体颗粒-级配曲线§1.2§1.2土的三相组成-固体颗粒

壬的粗细度：用d₅₀表示

土的不均匀程度：用不

连续程度：用曲率系数固体颗粒-级配曲线§1.2§1.2土的三相组成-固体颗粒C=1~3,级配连续曲线CLMR§1.2§1.2土的三相组成-固体颗粒曲率系数C用于判定土的连续程度；C≥5且C=1~3为级配良好的士；如果C<5或C>3或C.<1为级配不白的十粒径级配曲线和指标的应用力学特性固体颗粒三要素§1.2§1.2土的三相组成-固体颗粒*原生矿物-石英、长石、云母等矿物质无定形氧化物胶体次生矿物可溶盐次生矿物黏土矿物(有机质具有和原生矿物很不相同的特性对黏土性质的影响很大固体颗粒-矿物成分§1.2土的三相组成-固体颗粒黏土矿物是一种复合的铝-硅盐晶体，颗粒呈片状，是由硅片和铝片构成的晶包所组叠而成，可分成高岭石、伊利石和蒙特石三种类型。

硅片硅离子Si

硅片硅-氧四面体硅-氧四面体硅片的结构§1.2土的三相组成-固体颗粒OH1-

硅片铝离子A

硅片

铝片铝片简图铝-氢氧八面体铝片的结构铝片简图形式的不同，可分成如下三种类型：

高岭石

蒙特石

伊利石·晶层间通过氢键联结，联结力强，晶格不能自由活动，水难以进入晶格间·能组叠很多晶层，多达百个以上，成为一个颗粒。颗粒长宽约0.3-3μ,厚胀和失水收缩，或者说亲水能力差。数层水分子形式的不同，可分成如下三种类型：

高岭石

蒙特石

伊利石

高岭石

蒙特石

伊利石·每一颗粒能组叠的晶层数较少。颗粒·主要特征：颗粒细微，具有显著的吸水膨胀、失水收缩的特性，或者说亲水能力强。依硅片和铝片组叠形式的不同，可分成如下三种类型：

高岭石

蒙特石.

伊利石·是云母在碱性介质中风化的产物。·与蒙特石相似，由两层硅片夹一层铝片所形成的三层结构，但晶层之·主要特征：连结强度弱于高岭石而高于蒙特石，其特征也介于两者之§1.2土的三相组成-固体颗粒十黏土的电泳和电渗现象十黏土粒升高黏土粒升高黏土矿物的带电性质研究表明，片状黏土颗粒表面常带有电荷，净电荷通常为负电荷黏土颗粒+玻璃皿阳离子黏土矿物的带电特性力学特性固体颗粒三要素§1.2土的三相组成-固体颗粒

次生矿物：颗粒较细，多呈针状、片

比表面积：单位质量土颗粒所拥有的总表面积。对于黏性土，其大小直接黏土颗粒的形状黏土颗粒的形状颗粒形状和比表面积结晶水矿物内部的水1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，冻胀融沉水蒸气存在孔隙空气中§1.2§1.2土的三相组成-土中水■水分子结构但在空间分布上却是不平衡的。因此，水分子是极性分子。水分子■双电层黏土颗粒+黏土颗粒+水中阳离子被吸引，极性水分子+阳离子+阳离子层，吸引的阳离子和定向排列的水分子构成外层，称为双电层。黏土颗粒周围的双电层内电层阳离子黏土颗粒水分子§1.2内电层阳离子黏土颗粒水分子吸引而包围在颗粒四周，不传递静水-强结合水：dd土中水-结合水■自由水：不受颗粒电场引力作用的孔隙水-毛细水：由于土体孔隙的毛细毛细水承受表面张力和重力的作用 中自由流动T=界面张力Dk=毛管直径(非饱和土)基质吸力毛管中流体的界面效应上升高度毛细升高与孔径成反比粉土砾石土中毛细水上升高度则毛细压力：毛细水压力在非饱和土中，孔隙中含有水和气，此时水多集中于颗粒间的缝隙处，称毛LI@III/rr由于毛细张力的作用，会形成如图所示的弯液面，使毛细角边水产生负压力，颗粒则受正压力。SS这是稍湿的砂土颗粒间存在假黏聚力的原因1土颗粒缝隙处的弯液面对土的性质影响不大其体积与压力有关。会增加土的弹性；阻塞渗流通道，降低渗透性溶解在水中的气体吸附于土颗粒表面的气体§1.2土的三相组成§1.2土的三相组成-小结固体颗粒土中水土中气体粒径级配矿物成分颗粒形状结合水:强结合水、弱结合水自由水:重力水、毛细封闭气体§1.1土的形成√粗粒土的松密程度黏性土的软硬状态粗粒土的松密程度黏性土的软硬状态>土的性质不仅决定于三相组成的性质，而且三相间量的比例关系也是很重要的影土的物理状态指标土的物理状态§1.3§1.3土的物理状态-物理性质指标

特点：指标概念简单，数量很多单位或量纲、常见值或范围、联系与区别物理性质指标§1.3土的物理状态-物理性质指标§1.3土的物理状态-物理性质指标三个独立变量(干土或饱和土二个独立变量)实验室实验室测定三相草图法计算§1.3§1.3土的物理状态-物理性质指标为了确定三相草图诸量中的三个量，通常进行三个基本的物理性质试验：土的密度试验土粒比重试验土的含水量试验基本物理性质试验亦§1.3§1.3土的物理状态-物理性质指标■土的密度p相关指标：土的重度(容重)IKKK⁰mmaa水VV用于计算土的自重应力■土粒比重G空气水VSVS³基本试验指标-土粒比重§1.3土的物理状态-物理性质指标基本试验指标-含水量水■孔隙比e:土中孔隙体积与固水mm■孔隙率(孔隙度)n:土中孔隙体砂类土：28-35%黏性土：30-50%,有的可达60-70%■可表示同一种土的松密，二者之间存在关系：可用三相草图推出§1.3§1.3土的物理状态-物理性质指标■含水量：饱和度)土中水的体积与孔mmw隙体积的比值饱和度表示孔隙中充满水xxivr水固体V水m水m■天然密度天然重度■天然密度天然重度■干密度：土被烘干时的密度，静水下的有效重度x表示土体密度和重度的指标§1.3土的物理状态-物理性质指标■天然密度■干密度 饱和密度■天然重度■干重度■饱和重度■浮重度m水VV各种密度重度间的大小关系基本指标其他常用指标水m基本指标其他常用指标水m■土的含水量w孔隙比e孔隙率n饱和度S,■饱和密度Psat干密度Pa固体V固体V九个物理性质指标§1.3§1.3土的物理状态-物理性质指标常用的物理性质指标间的换算关系：教科书P23表1-9

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天然密度p=1.67g/cm³含水量w=12.9%土粒比重Gs=2.67不N个孔隙比eN质量(g)体积(cm³)土粒比重G,=2.70mw=1.08WaterV=Vw=1.08个孔隙比e干密度Pc三相草图法应用举例-2)Pa=m.V=1.30质量(g)体积(cm³)W§1.3§1.3土的物理状态-物理性质指标土的物理性质指标定义量上的比例关系☆土粒比重单位或量纲、常见值或范围、联系与区别§1.3§1.3土的物理状态-物理状态指标土的物理性质指标土的物理性质指标(三相间的比例关系)土的物理状态粗粒土的松密程度+黏性土的软硬状态影响力学特性密实度稠度表示土的物理状态指标§1.3土的物理状态-物理状态指标§1.3土的物理状态-物理状态指标能反映级配的影响，不能比较不同级配土的密实情况，实程度不同粗粒土的密实状态§1.3土的物理状态-物理状态指标§1.3土的物理状态-物理状态指标e(最密实)(最密实)(最疏松))r§1.3§1.3土的物理状态-物理状态指标斗轻轻地倒入容器，避免重力冲击，求得土的最小孔隙比emn: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粗粒土的最大与最小孔隙比§1.3土的物理状态-物理状态指标§1.3土的物理状态-物理状态指标●粗粒土的密最松状态密实状态最密状态●相对密度指标主要用于人工填土，对天然贯入试验法测定粗粒土的相对密度图1-23标准贯入试验设备松散中密稍密密实松散中密稍密密实粗粒土的相对密度§1.3土的物理状态-物理状态指标§1.3土的物理状态-物理状态指标抵抗能力含水量较硬流动黏性土的稠度状态示意图稠度状态土中水的形态含水量稠度界限可塑状态固态或半可塑状态强结合水弱结合水强结合水膜最大IIYXXrtIt-流动状态自由水W出现相当数量自由水黏性土的稠度状态§1.3土的物理状态-物理状态指标■对于同一种黏性土，含水量可反映其稠度；含水量相同，稠度可能不同如何衡量或比较不同黏性土的软硬状态? 液性指数是表征土的含水景与分界含水量之土的稠度状态-液性指数大体上表示土的弱结合水含量大体上表示土的弱结合水含量定义→土中水形态W第一章：土的物理性质与工程分类§1.1土的形成√§1.2土的三相组成√土颗粒或粒团的空间排列和相互联结土体的土体的力学性质决定性的作用。在非饱和土中，还受到毛细力的作用排列形式：点与点点与面单粒结构示意图粗粒土的结构土中细颗粒，比表面积大，重量轻，重力不起重要的几个分子的距离，是细粒土黏结在一起的主因细土颗粒间的作用力淡水中沉积·形成环境海水中沉积·形成环境·粒间作用力·排列形式(粒间斥力占优势))面与面表面力、胶结力边、角与面边、角与边天然通常不是单一结构，可能是呈多种类型的综合结构。往往先形成团粒细粒土的结构灵敏度S原状土的无侧限抗压强度q₁和重塑土的无侧限抗压强度q₁灵敏度S原状土的无侧限抗压强度q₁和重塑土的无侧限抗压强度q₁之比)§1.4土的结构St黏性土原状土4-8原状土相同含水相同含水反映黏性土结构性的指标桩周土桩周土含水量不变，密度不变，因重塑而强度降低，又因静置而逐渐强化，强度逐渐恢复的现象，称为触变性含水量不变，密度不变，因重塑而强度降低，又因静置而逐渐强化，强度逐渐恢复的现象，称为触变性。

土的触变性是土结构中联结形态发生变化引起的，是土结构随时间变化的

自前尚没有合理的描述土触变性的方反映黏性土结构性的指标土的结构土颗粒或粒团的土的结构空间排列和相互联结粗粒土的结构细粒土的结构后大大有大成分散结构凝聚结构重力起主导作用粒间力起主导作用黏性土的重力起主导作用粒间力起主导作用第一章：土的物理性质与工程分类§1.1土的形成√§1.2土的三相组成√§1.3土的物理状态√●便于交流(基于共同的概念)分类法建筑地基基础设计规范-GB50007-2011分类法水利部SL237-1999分类法土的工程分类名称颗粒形状名称颗粒形状粒组含量漂石圆形及亚圆形为主粒径大于200mm的颗粒超过全质量50%块石棱角形为主卵石圆形及亚圆形为主粒径大于20mm的颗粒超过全质量50%碎石棱角形为主圆砾圆形及亚圆形为主粒径大于2mm的颗粒超过全质量50%角砾棱角形为主土岩石岩石粉土人工填土注意：以从上到下最先符合煮定名注意：以从上到下最先符合煮定名建筑场地基基础规范GB50007-2011土的名称粒组含量土的名称粒组含量砾砂粒径大于2mm的颗粒占全质量25-50%粗砂粒径大于0.5mm的颗粒超过全质量50%中砂粒径大于0.25mm的颗粒超过全质量50%细砂粒径大于0.075mm的颗粒超过全质量85%粉砂粒径大于0.075mm的颗粒超过全质量50%岩石粉土黏性土人工填土粉土粉土：粒径大于0.075mm的颗粒含量小于全质量50%而塑性指数Ip≤10的土岩石岩石砂土建筑场地基基础规范GB50007-2011第一章：土的物理性质与工程分类土的形成√土的三相组成√土的物理状态√土的结构土的工程分类土的压实性得密实、以提高土的强度、减小土的压缩性和渗透性压实性：指土在一定压实能量作用下密度增长的特性土的压实性干密度pa(g/干密度pa(g/cm³)

具有