土力学第1章

单位: kg/m3 或 g/cm3
测定方法：环刀法或蜡封法
ma=0 Air
mw m
Water
ms Soil
Va VwVv V
Vs
一般范围: 1.60—2.20 g/cm3
质量
体积
相关指标:
土的容重 γ=ρg
单位: kN/m3
三相草图有助于直观 理解物性指标的概念
工程上更常用, 用于计算土的自重应力
35
分析对象: 水柱
πr2hcγw=2πrTcosα
• 上升高度:
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
土中毛细现象
hc
=
2T cosα rγ ω
粘土 粉土
毛细升高与孔径成反比
砂土 砾石
毛细压力
2πrTcosα+ucπr2 = 0 • 假定α= 0, 毛细压力 uc = −γωhc
Air Water
ms
Soil
质量
Va Vw Vv V
Vs
体积
共有九个参数:
V Vv Vs Va Vω / ms m ω ma m
已知关系五个: m = ms + mω + ma ma ≈ 0 mω = ρωVω
V = Vs + Va + Vω Vv = Va + Vω
物性指标是比例关系: 可假设任一参数为1
3.土中气
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 土的性质与工程分类
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
1 土的性质及工程分类
1.1概述
土的形成，什么是土？
风化
岩石
搬运、沉积 颗粒堆积物
地球
成岩
地球
土是指：地球表面的整体岩石在大气中经受长期的风 化作用而形成的、覆盖在地表上碎散的、没有胶结 或胶结很弱的颗粒堆积物。
小 大 大 小
伊利石
中 80-100m2/g
中 中 中 中
蒙脱石
小 800m2/g
大 小 小 大
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
9
10
2. 土粒粒组和颗粒级配
颗粒大小
影响土性 的主因
各粒径成分 在土中占的 比例
狭义的颗粒级配
•粒度 土粒的大小
•粒组 按粗细进行分组，将粒径接近的归成一类
强结合水(强束缚水或吸着水)
表面结合水
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
自由水
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
19
20
结合水
强结合水
• 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
弱结合水
• 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
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
21
22
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
是地壳完整岩石经受强烈风化、剥蚀、搬运、 沉积形成的第四纪松散堆积物。
1
2
地表地质作用 1)风化作用
物理风化 量变
质变
化学风化
原生矿物 次生矿物
生物风化
有机质
无粘性土 粘性土
动植物的活动
2) 搬运与沉积
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
残积土
残积土
无搬运
强风化 弱风化 微风化
粒径(mm)
曲线 d60 d10 d30 Cu Cc
L
0.081
3.98
M 0.33 0.005 0.063 66 2.41
R
0.030
0.545
15
16
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；P23
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。
颗粒级配
——土中所含各粒组的相对含量，以土粒总重量百分数来表示
•确定方法 颗粒分析试验
•
筛分法：适用于粗粒土 (>0.075 mm)
水分法：适用于细粒土 (<0.075mm)
•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。
其它指标
实验室测定
三相草图法
是一种简单而实用的方法
剩下三个独立变量 对于饱和土, Va=0 剩下两个独立变量
1.室内测定的三个物理性质指标（基本试验指标）
----土的天然密度、土粒比重（土粒相对密度）、土的含水量
1）土的天然密度
定义: 土单位体积的质量
表达式:
ρ= m = V
ms + mw Vs + Vw + Va
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。
27
28
※粗粒土的结构
• 示意图
单粒结构
• 粒间作用力 重力，毛细力 • 排列形式 点与点、点与面 • 矿物成分 原生矿物
※细粒土的结构
• 示意图
• 形成环境 • 粒间作用力 • 排列形式 • 矿物成分
片堆结构 (分散结构)
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。
1.3 土的物理性质指标
土的物理性质指标百度文库
(三相间的比例关系)
表 示
土的物理状态
粗粒土的松密程度 影响 粘性土的软硬状态
25
26
1.2.3 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
a)单粒结构
（b）蜂窝结构
（c）絮状结构
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。
颗粒表面粗糙 多棱角 粗细不均
土 质 较
母岩体
无层理
好
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
3
4
运积土
有搬运
重力: 坡积土 土粒粗细不同，性质不均匀
洪积土 有分选性，近粗远细
流水:
冲积土 浑圆度分选性明显，土层交迭 湖泊沼泽沉积土 含有机物淤泥，土性差
海相沉积物 颗粒细，表层松软，土性差
相比例关系的物理量称为土的三相比例指标。
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
(重量)上的相对关系 。
三相草图
ma=0
质量 m
mw
Air Water
Va
Vv
Vw
V 体积
ms
Soil
Vs
33
34
三相草图
ma=0
mw m
• 非饱和土中毛细张力影响
分析对象: 水膜
对砂土强度的影响:毛细边角 水, 假凝聚力
23
24
干的砂土与饱和砂土是没有粘聚力的。而潮的 砂土中砂粒间有水将它们连接起来,水气表面毛 细力将砂粒“粘接”在一起。形成“假粘聚力”。
将湿手插入干砂,拔出手后,手上会“粘”许 多砂粒;在河(海)砂滩的干燥部分和水下部分, 们无法竖直挖洞;而在潮湿部分,我们可以垂直 挖个小竖井而不垮,这就源于“假粘聚力”。
力学特性
31
32
密实程度 干湿程度
……
定义
土的三个组成相的体积 和质量上的比例关系
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
基本方法: 三相草图法
1.3.1 指标的定义
土的三相组成物质在数量上的关系和相互作用决定土的物理力学性质。
在工程上用某些物理量来说明土的物理性质和物理状态。我们把表示土中三
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。
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
2.土中水的分类
200g 10 5.0 10 2.0 16 1.0 18 0.5 24 0.25 22 0.1 38
72 水分法
100 土的颗粒级配累积曲线
P
90 80
% 95
70 60 50
87 78
40 30 20
66
10 0
55
36
粒径(mm)
粒径(mm) 0.05 0.01 0.005 百分数P(%) 26 13.5 10
在工程中是否级配良好就一定“好”,这要看具 体情况比如作一般填料,希望级配良好;而用于反滤 料,希望每层土料级配均匀。
正如在军队中,要求战士们年龄级配均匀,以于 训练与战斗,而不同级别军官年龄则应级配良好可 发挥不同年龄段人的经验,阅历和威望。同样,望学 生级配均匀,教师级配良好。
17
18
1.2.2 土中水和气（液相和气相）
冰川: 冰积土 土粒粗细变化较大，性质不均匀
风：风积土 颗粒均匀，层厚而不具层理
1.2 土的三相组成及土的结构
土体
固相 + 液相 + 气相
构成土骨架，起决定作用
重要影响
次要作用
5
6
1.2.1 土的固体颗粒（固相）
颗粒级配
矿物成分
颗粒形状
物理状态 力学特性
1. 矿物成分
原生矿物 物理风化作用下，土粒保持与成
36
2）土粒比重
定义: 土粒的密度与4˚C时纯水的密度的比值
表达式:
ds
=
ρs ρ 4°C
w
单位: 无量纲
ρ4w°C 4˚C时纯水的密度 ρ w1
13
14
小于某粒径之土质量百分数（％） 10 5.0 1.0 0.5 0.10 0.05 0.01 0.005 0.001
小于某粒径之土质量百分数（％） 10 5.0 1.0 0.5 0.10 0.05 0.01 0.005 0.001
特征粒径:
d50 : 平均粒径 d60 : 限定粒径 d10 : 有效粒径 d30 :中值粒径 粗细程度： 用d50 表示
•界限粒径 划分粒组的分界尺寸
土粒粒组的划分（GBJ145-90)
巨粒土
粗粒土
细粒土
块石 卵石 砾石 砂粒 粉粒 粘粒
d
粗 中 细粗 中 细
mm
200
60 20
5
2
0.5
0.25
0.075
0.005
（0.002）
11
12
小于某粒径之土粒质量百分数P（％） 10 5.0 1.0 0.5
0.10 0.05 0.01 0.005 0.001
片架结构 (凝聚结构)
淡水中沉积
海水中沉积
表面力、胶结力 （粒间斥力占优势）
面与面
次生矿物
表面力、胶结力 （斥力减小引力增加）
边、角与面 边、角与边
次生矿物
天然条件下，可能是多种组合，或者由一种结构过渡向另一种结构。
29
30
1.2.3 土的结构和构造
2.土的构造
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。
土原岩相同的矿物成分。 如：长石、石英、云母颗粒
次生矿物 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
粘土矿物:
由硅片和铝片构成的晶胞所组合而成
7
8
粘土矿物的 晶格构造
粒径 比表面积 胀缩性 渗透性 强度 压缩性
高岭石
大 10-20m2/g
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
土的颗粒级配累积曲线
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10 0
d60
d30
d10
C c = 1 ~ 3, 级配连续性好
不均匀程度：
Cu = d60 / d10
— 不均匀系数
Cu ≥5,级配不均匀
连续程度:
Cc = d302 / (d60 ×d10 )
— 曲率系数
土的颗粒级配累积曲线
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10 0
d60 d50 d30
d10
粒径(mm)
d60 d10 d30 Cu Cc
0.33 0.005 0.063 66 2.41
3）曲率系数Cc用于判定土的连续程度： C c = 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 C c = 1 ~ 3 ， 级配 良好的土； 如果 Cu < 5 或 Cc > 3 或 Cc < 1，级配 不良的土。