第一章 绪论, 第二章 软土的结构

土的结构形成-后沉积过程
• 2 化学作用(Chemical Processes)
胶结(Cementation): 沉淀在颗粒的表面和颗粒之间的化学物质使土颗粒产生胶结作用，这些胶结物主 要是碳酸盐（Townsend，1965）、含水和不含水的铁与铝的氧化物（Quigley，1986）、氧化镁（Loring and Nota，1968）、非晶质物质（Yong et al.，1979）或有机物等。Mitchell and Solymer（1984）的实验 显示，在新近沉积和动力击实的土中贯入阻力随时间逐渐增加，认为二氧化硅的分解与再沉淀是颗粒间 胶结的主要因素。胶结作用的时候，时间和温度也是相当重要的。即使不发生固结，慢速增加的荷载和 快速的胶结作用也会增加上覆压力，在高温环境下，胶结作用就会更加强烈。 淋滤作用(Leaching):水的流动也会带来化学物质、胶结物和微生物。海相黏性土的淋滤作用对其结构 不会产生影响。然而，离子间斥力的增加会导致重塑强度的减小。调整有机或无机的分散剂到适当浓度 的时候，也就是说，低活性就会降低重塑土的强度。重塑土强度的降低也会改变结构性丧失状态的位置。 因此，土也就会变得更加不稳定。 高活性膨胀土的重塑强度，随着淋滤作用或分散物的增加而增大，因 此，黏性土变得更加稳定。所以，当土遭到淋滤或分散物浓度增加的时候，矿物成分就决定了土处于更 加稳定或更加不稳定状态。
土的结构形成-沉积过程
3 生物环境 在土沉积期间，生物环境对土结构的形成也有很大的 影响。沉积土中可能包含有机物质，这些有机物质主要由 微动物、植物碎片和微生物形成的。由这些生物残核所产 生的腐植酸和黄腐酸，使土颗粒在这种生物环境中团聚或 分散。
土的结构形成-后沉积过程
1 物理作用(PhysicalProcesss) 随着上覆压力的增大，由于固结作用造成黏性土孔隙比的减 小和结构的增强。随着超孔压的消散，次固结逐步产生。次固结 就是指在恒定有效压力作用下，土颗粒再排列越来越趋于稳定状 态的变形特性。在地质时期，这种变形易形成致密的堆积结构。 在沉积后，由于一维压缩的作用，土颗粒自由排列。土的结 构随着外部力的改变而改变，诸如，剪切、卸载、腐蚀、胀缩等。 不断地干湿循环和冻融也会破坏脆弱的土结构而导致更致密的颗 粒排列。
应力水平 塑性 时间（流变、触变） 温度 结构稳定 性状态
材料的性质，特别是力学性质，通常与多种尺度的过 程相关联，包括从原子尺度到宏观尺度。各个尺度间强烈 的相互关联导致了材料所表现的各种行为 。所以，这些行 为的物理本质便具有多尺度性。
1.3、课程目标
一、认识研究对象（粘性土、软土）的物理 性质；
软土工程需要关注的问题： （1）稳定性； （2）变形。
1.2、连续介质理论与本构方程
软土塑性力学是一பைடு நூலகம்针对软土的固体材料力学,即讨论 软土力(或应力)、位移（应变）、时间、温度之间的关系。 力学研究的领域 ： 1、基础研究方面-连续介质力学及本构关系 2、应用方面-合理的设计方案，解决一些工程问题 3、微观性质方面-微观机理的研究 4、唯象宏观方面-试验现象和规律的获得。
1.5、参考文献
软土塑性力学
第二章 软土的结构
土颗粒(Soil Particles)
土-水-电解质系统
吸附: 粘土颗粒带负电荷, 吸附水中的阳离子。 扩散:分子的热运动使水中的阳离子有均匀扩 散的趋势。
离子浓度高，扩散双电层厚度薄； 离子化合价高，扩散双电层厚度薄；
扩散双电层结构
土颗粒之间的作用力 (Soil Particle Forces)
蒸馏水
盐水
高岭石
伊利石
蒙托石
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非稳定结构
稳定结构
粘性土的结构形成
残积土 构成要素 矿物组成 颗粒大小，形状 孔隙水化反应 环境要素 荷载 温度 水文情况
结构发生变 化 （后沉积结 构）
结构形成 （土体结构）
重塑土或击实 土 构成要素 环境要素 矿物组成 击实方式 颗粒大小，形状 击实效果 孔隙水化反应 温度 含水量 时间
物理作用 固结 风吹雨淋 冻、融 剪切、卸载、腐蚀、渗流、胀缩 荷载、温度、时间的影响
图2.2 土的结构的决定因素与形成过程（Mitchell，1993）
软土塑性力学
第一章 绪论
1.1、软土
软粘土也称软土，是软弱粘性土的简称。它形成 于第四纪晚期，属于海相、泻湖相、河谷相、湖沼 相、溺谷相、三角洲相等的粘性沉积物或河流冲积 物。多分布于沿海、河流中下游或湖泊附近地区。 常见的软弱粘性土是淤泥和淤泥质土。
软粘土粘粒含量较多，塑性指数Ip一般大于17， 属粘性土。软粘土多呈深灰、暗绿色，有臭味，含 有机质，含水量较高、一般大于40%，而淤泥也有大 于80%的情况。孔隙比一般为1.0-2.0，其中孔隙比为 1.0～1.5称为淤泥质粘土，孔隙比大于1.5时称为淤泥。
1.2、连续介质理论与本构方程
1.2、连续介质理论与本构方程
金属
混凝土
木材
石灰岩
花岗岩
Granular material
屈服强度：相应于残余应变（永久变形）为0.2%时的应力f0.2
土的三轴压缩曲线
1.2、连续介质理论与本构方程
变形的物理机制
弹性变形：颗粒排列方式未发生明显变化，材料结构未发生明显的变化。 永久变形:颗粒排列 方式发生变化，软 土结构发生明显的 变化。
土的结构形成-沉积过程
2 沉积速率 对于形成一个开放的结构来说，沉积速率是一个重要 的影响因素。沉积速率越快，所形成结构的初始孔隙比就 会越高，这是由于孔隙中的水来不及排出就被形成的组构 阻挡了，进而形成大的孔隙比。这种开放的初始组构就形 成了亚稳结构。 由于大量的沉积物和地形条件的原因，三角洲地带和 海边的黏土沉积速率相当大。此外，河流中不断流动的水 和海中的盐水之间相互作用，更进一步加速了絮凝团聚的 作用。因此，沉积速率过大的絮凝作用，就会形成非常开 放和亚稳状态的絮状结构。
1.2、连续介质理论与本构方程
连续介质力学（Continuum mechanics）：
物质并不是连续的。的在于描述宏观现象间的关系而不考虑微 观尺度上的物质结构的理论，称为连续介质理论。
本构方程(Constitutive Equations)
“本构”是指构成物体的物质本身的性质，区别于物体所受的外 力作用。 本构方程是描述物质的一定性质的方程 。
微观尺度（Micro scale）：包括规 则团粒及其内部非常小的孔隙，尺 寸大小约为几十微米。
Figure 5.3 Schematic representations of particle assemblages (Collins and McGown, 1974). (a) connectors, (b) connectors, (c) connectors, (d) irregular aggregations by connector assemblages, (e) irregular aggregations in a honeycomb, (ƒ) regular aggregation interacting with particle matrix, (g) interweaving bunches of clay, (h) interweaving bunches of clay with silt inclusions, (i) clay particle matrix, and ( j ) granular particle matrix.
土颗粒受到的力
土颗粒之间的作用力 (Soil Particle Forces)
土颗粒之间的作用力： （1）静电力-斥力：即库仑力，大小 与电荷距离的平方成反比； （2）分子力-引力：即范德华力； （3）通过离子起作用的静电力-引力； （4）颗粒间的胶结和结晶（连接）； （5）渗透斥力-斥力
无粘性土(Cohesionless soil) 粗颗粒土,砂土
堆积土 构成要素 矿物组成 颗粒大小，形状 沉 积 介 质 类 型 （ 水、空气等） 沉积介质的化学 成 成分(含有机成 分) 环境要素 流入速度 沉积速率 紊流 温度 水流 悬浮物的浓度
化学作用 淋滤作用 沉淀、胶结 风化作用 矿物转化 荷载、温度、时间的影响
初始结构 (沉积成的结 构)
二、掌握基于连续介质力学理论的土力学本 构理论； 三、以此，作为工具，结合试验、经验以及 必要的数值分析工具，具备解决实际工程 问题的能力。
1.4、课程内容
1、粘性土（软土）的结构性及主要力学特性(3) 2、弹性理论与塑性理论基础(3) 3、土的本构模型-理想弹塑性模型(2) 4、土的本构模型-极限状态理论及盖帽模型(3) 5、软土结构破损的模拟(2) 6、软土流变的模拟(2) 7、软土工程数值分析本构模型的选用与参数确定 (2)
粘性土(Cohesive soil) 粘土,粉质粘土 粉土
Structure 组成整体的各部分的搭配和安排
土的结构，组构 (Soil Structure，fabric)
土的结构(Soil Structure)
结构的多尺度性 （Fabric Scale） 宏观尺度（Mini scale）：包括裂缝、 裂隙、分层、孔洞等。 细观尺度（Mini scale）：包括 由 基本颗粒组成的团粒以及团 粒之间的较大的孔隙，尺寸为 几百微米。
我国软土分布
第四纪时期冰 期和间冰期的更迭， 引起海平面大幅度 的升降和海进、海 退，导致海岸处于 不断的变化之中。 距今6000～7000年 前，海平面上升到 相当于现代海平面 的高度，构成现代 海岸的基本轮廓， 形成了各种海岸地 貌。
软土力学特性
软土力学特性: （1）高压缩性（压缩系数>0.5MPa-1）; （2）低强度； （3）低渗透性； 时效性 （4）流变性（次压缩）； （5）触变性（高灵敏度）。
— + — 边-边 边-面
— — 面-面
土的结构(Soil Structure)
在粘土沉积过程中，悬液中粘土颗粒一面沉陷，一面做不规则布朗运 动，它们可能会出面一面相互吸引而形成粒组，也可能进一步由单粒和粒组 间引力而形成絮凝。当粘土在高含盐量的海水中沉积时，由于引力大于斥力， 容易形成絮凝结构。而在淡水中沉积则更容易形成分散结构。絮凝结构可能 是由于在盐水中粘土颗粒间表现为净引力所致；也可能是在淡水中带正电的 粘土颗粒的边角与带负电的平面间的静电吸引而形成板房式片架结构(如图 2—50(a))。粘土颗粒的结构可因环境变化间变化。比如受到干扰时片架结构 可能被破坏。当高价阳离子代换低价阳离子时，会出十离子一静电引力而形 成絮凝结构，反之用低价阳离子代换，双电层会变厚，引力将减小，而使粘 土形成分散结构。
1.2、连续介质理论与本构方程
理论、试验与实践之间 的关系
Paul Germain(1984, 巴黎）“像连续介质力学发展的如此成 熟，如果它不能够从试验结果归 纳出经验公式和引导人们有效的 思考问题，那它也只是一种很好 的理论框架而已。来源于实践的 知识能推动思维的进步，有助于 解释现象、验证模型，并促进理 论的发展，而理论的发展只能建 立在实验的基础之上。”
土中的空隙(Pore space): 土体体积变化的结构基础
Figure 5.4 Schematic representation of pore space types (Collins and McGown, 1974).
土的结构(Soil Structure)
片状粘土矿物间相互接触的基 本类型（太沙基，1963）
土的结构形成-沉积过程
1、化学环境（Chemical Enviroment） 受沉积过程中水与沉积物物理化学相互作用的控制。水的化学特性 对土的初始结构形成起重要的作用。
(a) 絮状结构 (b) 分散结构
电解液浓度和高价 阳离子盐类的增大 电解液浓度和高价 阳离子盐类的减小
电解液的PH值比 较低
图2.3 土的絮状结构和分散结构示意图