土力学

外力地质作用
地质作用
地 质 构 造
地质构造： 在漫长的地质历史发展过程中，地壳在内、外力地质作用 下，不断运动演变，所造成的地层形态统称为地质构造。 褶皱构造 断裂构造
地壳水平运动过程
1、4—砂岩；2—页岩；3、5—石灰岩
褶 皱 构 造
地壳中层状岩层在水平运动的作用下，使原始的水平产状的岩层弯曲起来，形成
透水性很大，压缩性极小， 颗粒间无粘结，无毛细性。
粗粒
砾 粒 砂 粒
粗砾 细砾 粗砂 中砂 细砂
筛
透水性大，压缩性小，无粘 性，有一定毛细性。
分
法
细粒
粉粒 粘粒
静水 沉降 原理
透水性小，压缩性中等，毛 细上升高度大，微粘性。 透水性极弱，压缩性变化大， 具粘性和可塑性。
颗粒级配累积曲线——土粒质量累计百分
土粒粒组的划分
粒组统 称 巨 粒 粒组名称 粒径d范围（mm） 分析 方法 直接 测定 主 要 特 征
漂石（块石）粒 卵石（碎石）粒
d>200 60<d≤200 20<d≤60 2<d≤20 0.5<d≤2 0.25<d≤0.5 0.075<d≤0.25 0.005<d≤0.075 d≤0.005
第一章 土的物理性质及分类
工程地质概述 土的生成 土的组成 土的三相比例指标 无粘性土的密实度 粘性土的物理特征 土的渗透性 地基土（岩）的分类
土 一词在不同的学科领域有其不同
的涵义。就土木工程领域而言，土 是指覆盖在地表的没有胶结和弱胶 结的颗粒堆积物。土与岩石的区分 仅在于颗粒间胶结的强弱。
矿物与岩石
层流 地下水在土中孔隙或微小裂隙中以不大的速度
连续渗透
地下水在岩石的裂隙或空洞中流动，速度较大
紊流
达西定律
v ki
V---水在土中的渗透速度，
cm/s,单位时间内流过一单位土 截面的水量
H1 H 2 i i---水力梯度， L
K---土的渗透系数，cm/s
用于粘土的达西定律
v k i i1
曲率系数Cc:
不均匀系数Cu反映大小不同粒组的分布情况。Cu 越大表示土粒大小的分布范围越大，其级配越良 好。曲率系数Cc描写累积曲线的分布范围，反映 曲线的整体形状。
颗粒级配的测定
200g
筛分法（适用于砾石类和砂 类土，d>0.075mm） 水分法（适用于粉土和粘性 土，d<0.075mm）（虹吸比 重瓶法、移液管法、比重计 法）
造岩矿物：
石英 方解石
正长石 斜长石 角闪石 辉石等
矿物的硬度等级
硬度等级 矿物名称 野外简易鉴定方法
1
2 3
滑石
石膏 方解石
用软铅笔划时留下条痕，用指甲容易刻划
用指甲可刻划 用黄钢板刻划可留下条痕，用小刀很容易刻划
4
5 6 7 8 9 10
萤石
磷灰石 正长石 石英 黄玉 刚玉 金刚石
小刀可刻划
用削铅笔刀刻划时刻留下明显痕迹，能刻划玻璃 小刀可勉强留下看得见的划痕，能刻划玻璃 用小刀不能刻划 能割开玻璃，难于刻划石英 能刻划石英 能刻划石英
饱和土中竖向渗流时的孔隙水压力和有效应力 孔隙水压力 ' 有效应力 图中： 总应力
水力梯度、渗透深度和渗流力分别为：
Leabharlann Baidu
i h/L
通过上图可得：
ki
GD wi
' 'L w h ( ' w h / L)L ( ' wi)L ( ' GD )L
当土中渗流的水力梯度小于临界梯度时，虽不致诱发流砂现象，但土 中细小颗粒仍有可能穿过粗颗粒之间的孔隙被渗流挟带而去，时间长了， 在土层中将形成管状空洞，使土体强度降低，压缩性增大，称为“管涌”。
土的组成

土是由固相，液相，气相组 成的三相分散系。
固相——包括多种矿物成分 组成土的骨架，骨架间的空 隙为液相和气相填满，这些 空隙是相互连通的形成多孔 介质。 液相——主要是水(溶解有少 量的可溶盐类)。
' i1 表示曲线b在i轴上的截距
地下水在渗流过程中受到土骨架的阻力，相应地，水对土骨架的反作用力，
称为渗流力，它是一种体积力，用 G D 表示。
饱和土体中的渗流力计算 (a) 渗流力示意图 (b) 假想水柱隔离体 设想沿地下水流方向取出一个土柱体，其中F为假想土柱体横断面积，两端截 面中点A1和A2的总水头分别为H1和H2。
数为10%时，相应的粒径称为有效粒径d10。小 于某粒径的土粒质量累计百分数为30%时的粒 径用d30表示。当小于某粒径的土粒质量累计百 分数为60%时，该粒径称为限定粒径d60。
利用颗粒级配累积曲线可以确定土粒的级配指标， 如d60与d10的比值Cu称 不均匀系数:
d 60 Cu d10
2 d30 Cc d10 d60
2 1.0 0.5 0.25 0.15 0.075
10 16 18 24 22 38 72
水分法
P % 95 87 78 66 55 36
曲线平缓，粒径大小相差悬殊，土粒不均匀。对于 级配良好的土，土的密实度较好，地基土的强度和 稳定性较好，透水性和压缩性较小。
级配良好
二、土的液相
土中水处于不同位置 和温度条件下，可具 有不同的物理状态— 固态，液态、气态。 液态水是土中孔隙水 的主要存在状态，可 分为结合水，毛细水， 重力水。 水的类型 结合水 非 结 合 水 毛 细 水 重 力 水 主要作用力 物理化学力 表面张力 重力
褶皱。褶皱的基本单元，即岩层的一个弯曲称为褶曲，它的基本形式只有两种，即背斜
和向斜。
背斜与向斜示意图
自然中的褶皱
断 裂 构 造
断裂构造
（岩体受力断裂使原有的连续完整性遭受破坏）
节理
（沿断裂面两侧的岩层发生位移 或仅有微小错动）
断层
（发生了相对位移）
自然中的节理
断层类型
自然中的断层
地 形 和
地 貌
重力
(一)结合水
特点: 1.土颗粒表面带有一定的电荷，由于静电作用
力，形成双电层，双电层的厚薄也反映了结合水 的厚薄。 2. 密度较大，粘滞度高，流动性差，冰点低， 比热较大，介电常数较低。这种差异随距离增加 而减弱。
地下水化学成分
地下水的腐蚀性
各种类型地下水埋藏示意图 1—上层滞水；2—潜水；3—承压水
水文循环示意图
内陆与海岸地下水的区别
陆地 透水层 淡水 含水层 不透水层
Impermeable Zone
海洋
海水
内陆地下水
海岸地下水
土的渗透性
土的渗透性：一般是指水流通过土中孔隙难易
程度的性质。
地下水运动的两种形式：
地形指的是地表形态的外都特征，如高低起伏、坡度大小和
空间分布等。但是，如果研究地形形成的地质原因和年代。及其
在漫长的地质历史中不断演化的过程和将来的发展趋势，那么， 这种从地质学和地理学观点考察的地表形态就叫做地貌。
山地 地貌 丘陵
平原
山地：山地是地壳上升运动或岩浆活动等复杂演变过程形成的，它 同时又受到流水及其它外力的剥蚀作用，于是呈现现今山区那种崎 岖不平、复杂多变的地貌。
物理分化
岩石
化学分化
土
土粒的粒径由粗到细逐渐变化 时，土的性质相应地发生变化
化学风化仅使岩 石产生质的变化
次生矿物 原生矿物经化学风化生成的新矿物，它 的成分成分与母岩的完全不同。颗粒极 细，性质活泼，有较强的吸附水能力， 具塑性。
粘土颗粒性质
土的颗粒级配
土是由大小不同的土粒组成的。土粒的粒径由粗 到细逐渐变化时，土的性质相应地发生变化。
有机质
动植物分解后的残骸， 分解彻底的称为腐殖 质/腐殖质的颗粒极细， 粒径小于0.1μm，呈凝 胶状，带有电荷，具 有极强的吸附性。
颗粒通常是由一种或几种原生矿物所组 成，它的成分成分与母岩的相同，颗粒 一般较粗，吸附水的能力弱，性质比较 稳，无塑性。
物理风化仅使岩 石产生量的变化 原生矿物 土粒的大小 及其组成
式中： h 1 H1 z1
h 2 H2 z2
又因为 cos (z1 z 2 ) / L
T -G D w
式中：
H1 H 2 wi L
或
T 10i (kN/m3 )
i (H1 H 2 ) / L
竖向渗流与流砂现象
以有效应力原理说明土体中竖向渗流力的效应：
岩石 三大类岩石的代表： 岩浆岩
沉积岩 变质岩
岩浆岩
沉积岩
变质岩
地质年代的概念
地质年代: 是指地壳发展历史与地壳运动、沉
积环境及生物演化相应的时代段落。
相对地质年代（太古代、元古 代、中生代和新生代） 地质年代
绝对地质年代
第四纪沉积物（层）
残积土：是残留在原地未被搬运曲那一部分
原岩风化剥蚀后的产物，而另一部分则被风 和降水所带走。
气相——主要是空气，水蒸 气，有时还有沼气等。
一：土的固相
土是岩石风化的产物。因此土粒的矿物组成将取决于成土母 岩的矿物组成及其后的风化作用。成土矿物可分为两大类。
原生矿物
由岩石经物理风化生成的 颗粒通常是由一种或几种 原生矿物所组成，它的成 成分与母岩的相同，常见 的有石英，长石和云母。 颗粒一般较粗，多呈浑圆 形，块状或板状。 吸附水的能力弱，性质比 较稳，无塑性。
i cr ' / w
此时土中有效应力消失，土粒悬浮，砂土因抗剪强度丧失而“液化”，这种现象 称为流砂。流砂出现时的水力梯度 称为临界水力梯度或临危梯度，对一般土类， icr
在0.8和1.2之间。 icr
基坑流砂现象
减少或消除基坑内外地下水的水头差
防治流砂的原则
增长渗流路径
在向上渗流出口处地表用透水材料覆盖压重以平衡渗流力
坡积土：是雨雪水流的地质作用将高处岩
石风化产物缓慢地洗刷剥蚀、顺着斜坡向 下逐惭移动、沉积在较平缓的山坡上而形 成的沉积物。
3．洪积土 由暴雨或大量融雪骤然集聚而成的暂时性山洪急流， 具有很大的剥蚀和搬运能力。
它冲刷地表，挟带着大量碎屑物质堆积于山谷冲沟出口或 山前倾斜平原而形成洪积物。 由相邻沟谷口的洪积扇组成洪积扇群。如果逐渐扩大以至 连接起来， 则形成洪积冲积平原的地貌单元。 洪积物常呈现不规则交错的层理构造，如具有夹层、尖灭 或透镜体等产状。
次生矿物
由原生矿物经化学风化生成 的新矿物，它的成分成分与 母岩的完全不同。次 矿物主要是粘土矿物，即高 岭石，伊利石和蒙脱石。 颗粒极细，且多呈片状。 性质活泼，有较强的吸附水 能力（尤其是由蒙脱石组成 的颗粒），具塑性。
水溶盐
可溶性次生矿物。最 常见的有岩盐，钾盐， 石膏，方解石，硫酸 盐类还对金属和混凝 土有一定的腐蚀作用
丘陵：丘陵是山地经过外力地质作用长期剥蚀切割而成的外貌低矮平 缓的起伏地形。
平原：平原是高度变化微小，表面平坦或者只有轻微波状起伏的地区。
水 文 地 质 条 件
地下水：存在于地面下土和岩石的孔隙、裂隙或溶洞中的水叫做地下水。
上层滞水 地下水的埋藏条件 地下水位及其动态变化 潜水 承压水
建筑场地水文地质条件
其中
' sat w
式中+号及-号分别属于向下和向上渗流的情况
当B水位持续提高，直至水力梯度增加到使有效应力减少为零的某一数值
i i cr 相应地 G D G Dcr
' ( ' w i cr )L ( ' G Dcr )L 0
因此得
G Dcr w i cr '
界限粒径——划分粒组的分界尺寸。
土的颗粒级配——土中各粒组的相对百分含量， 通常用各粒组占土粒总质量（干土质量）的百分 数表示，也称为土的粒度成分。 粗粒土指以砾石和砂粒为主的土，又称为无粘性 土。 细粒土指以粉粒、粘粒和胶粒为主的土，又称为 粘性土。
土按颗粒级配的分类
《岩土工程勘察规范》中的分类法： 粒径＞ 2mm的质量超过50%的称为碎石土 粒径＞2mm的质量小于50％而＞ 0.075mm 的质量超过50%的称为砂土 粒径＞ 0.075mm的质量小于50%的定为粉 土或粘性土 碎石土、砂土和粉土又称为无粘性土
冲积物：是河流流水的地质作用将两岸基
岩及其上部覆盖的坡积、洪积物质剥蚀后 搬运、沉积在河流坡降平缓地带形成的沉 积物。
平原河谷冲积物
山区河谷冲积物
土的生成
地质作用：导致地壳成分变化和构造变化的作用
岩浆活动 内力地质作用 地壳运动 变质作用 地质作用 气温变化、雨雪、 山洪、河流、湖泊、 海洋、冰川、风、 生物等
wh A1和A2处土柱静水压力分别为：1F, w h 2 F
土柱同体积水柱的重量在渗流方向的分力为： w LFcos 土柱中水受到土骨架的总阻力：TLF （其中T为单位体积土对渗透水的阻力） 根据渗透方向的静力平衡条件得：
w h1F - w h 2 F w LFcos T LF 0