土质学与土力学绪论第一二章

3、实践性强
土质学及土力学直接为岩土工程设计和施工服务。
4、综合性强
土质学及土力学主要涉及工程地质学、弹塑性力学、建筑工程施工技术等其 他学科。
5、高度依赖工程经验
由于土的物理力学性质极为复杂, 理论计算误差较大, 需要通过工程经验进 2018年10月14日 行修正。
三、土质学与土力学的发展概况及成果
1.2 土的颗粒特征
一、土粒粒组的划分
天然土中土粒的大小相差很大，因此土的性能千差万别。为了研究土的性能，需进 行粒组划分：将大小相近性能变化不大的土粒划为同一组。由于各粒组的性能易于确定， 所以可按各粒组在土中的相对含量综合确定土的性能。不同系统的粒组划分有所不同。
二、土粒组成的表示方法 土体由各粒组混合而成，则土粒大小及其分布情况可用各粒组在土中的相对 含量(各粒组干土重量百分比)表示，称为土的颗粒级配或粒度成分。 2018年10月14日 土的颗粒级配有三种表示方法：表格法、累计曲线法、三角坐标法
• 参考书： 《土质学与土力学》洪毓康编
绪
论
一、土质学及土力学的基本概念和研究对象 1、土质学及土力学
土质学是研究土物质的物理化学性质的科学。例如研究土成因及分布、土粒 的大小、形状、排列方式及其相互连接以及与地下水发生物理化学作用等。 土力学是研究土体的力学。主要研究土体的应力、应变、强度、稳定性以及 渗流规律等等。
1.3 土的三相比例指标
土的性质主要由土的三相组成及其比例关系决定。土的三相比例指标可以定量描述 土的物理性质。土的三相比例指标可以分为试验指标和换算指标两类：
一、试验指标
1、土的密度 m g / cm3 由环刀法测试 重度 g V ms 2、土粒比重Gs s 由比重瓶法测试 Vs w1 w1
土质学与土力学
哈尔滨理工大学 土木工程系
课程安排
• 授课时间： 1 ～ 11周 44 学时
• 课程性质：主干课及考试课
• 考试形式：实行累加式，平时考核占10% ，平时作业
占20%，期末考试占70%，缺席达到10课时取消期末
考试资格。 • 授课教师：王幼清 • 教材： 《土质学与土力学》袁聚云等编
二、建筑地基土的分类标准
1、按沉积年代和地质成因划分 按沉积年代划分有:老沉积土、新近沉积土。 按地质成因划分有: 残积土、坡积土、洪积土、冲积土、湖积土、海积土、 风积土、冰积土等。 2、按颗粒级配和塑性指数划分 (1)碎石土 粒径大于2mm的颗粒含量超过全重50%的土称为碎石土。 (2)砂土 粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重50%，且大于0.075mm的颗粒含量超 过全重50%的土称为砂土。 (3)粉土 I p 10 , 粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过全重50%的土称为粉土。 (4)黏性土 塑性指数 I p 10 的土称为黏性土。
土质学及土力学的研究对象都是土，主要研究土的工程性质，为解决与土有关的工 程问题提供分析方法、为工程设计提供土的计算指标。它是土木专业的技术基础课。
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2、土体
土是岩石矿物固体颗粒集合体，也称为土体。土体的物理力学性能与其生成 条件、环境条件、所处位置等密切相关。
3、土体在工程中的作用
1)传力介质——地基 2)建筑材料——堤坝、路基、路面等
四、本课程的学习方法和要求
1、理解概念，弄清原理，具体问题，具体分析。 2、切忌死记硬背。 3、按时完成作业，及时消化课堂内容。
第1章 土的物理性质及工程分类
土是由岩石风化(物理风化、化学风化、生物风化)后形成的颗粒堆积物。 岩石经过剥蚀、搬运、沉积后形成土。 不同成因类型的土具有不同的工程性质。 例如：残积土、坡积土、洪积土、冲积土、风积土等等。 土粒相互之间的孔隙中有水和空气。 土体是由颗粒（固相）、水（液相）、空气（气相）三相组成。 土颗粒大小不均匀，形状不规则及其排列、组合千变万化。 土的性质主要由土的三相组成及其比例关系决定。
(3)三角坐标法用等腰三角形的三条边表示砂粒、粉粒、黏粒粒组的坐标，以三角形内
一点的三个高分别表示土中三个粒组的含量。该法主要用于路面选料设计。
线测得。当Cu 5，Cc 1 ~ 3 时，土的级配良好。 d 60 为限定粒径。 d10 为有效粒径；
2018年10月14日
三、土的颗粒分析方法
土中各粒组的分布情况可通过试验测定。对于粒径 d 0.075 mm 的土，采用筛分法。对粒径 d 0.075 mm 时采用比重计法(沉降分析法)。其原理：根据Stokes定律， L 液体中下降的颗粒直径： d i 1.126 vi 1.126 i ti
桥墩
基础——建筑物向地基传递 荷载的下部结构。
4、工程中需解决的有关土体问题
1)地基沉降问题 2)地基的承载能力及稳定问题 3)地基渗流破坏问题 2018 年10月14日 4)路堤边坡滑移及其他问题
地基—— 受建筑物荷 载影响的部分 土体。 路堤
河滩路堤下的渗流
二、本课程的特点 1、研究对象（土）是一种极为复杂的力学介质。
塑性指数是表示黏性土可塑性大小的指标，用 可塑状态的含水率变化范围定义：I P wL wP 应用中塑性指数以不带“％”的数值表示。 三、液性指数 液性指数是表示黏性土软硬状态的指标，定义 为含水率和塑限的差值与液限和塑限的差值之比：
锥式液限仪
w wP w wP IL 2018年10月14日 IP wL wP
有关土力学的研究始于18世纪，随着土木工程的发展和土力学理论研究的不断深入， 土力学逐步与土质学相结合，较好地反映了土的工程性质。取得的主要成果如下：
1773年——法国科学家库仑发表了土的抗剪强度和土压力理论 1869年——英国科学家朗金发表了土压力理论 1900年——莫尔-库仑提出了土体抗剪强度的极限平衡理论 1920年——法国学者普朗特尔提出了地基极限承载力理论 1922年——瑞典学者费伦纽斯和比得森提出了土坡稳定分析方法 1925年——美籍奥地利人太沙基写出第一部《土力学》专著 1936年——在美国召开第一届国际土力学与基础工程学术会议此后在其他 国家陆续召开了十四届国际土力学与岩土工程会议 1957年——中国土木工程学会设立了土力学及基础工程委员会 1962年——我国召开第一届全国土力学与基础工程会议, 以后又陆续召开 了十余届全国土力学与基础工程会议 1983年——黄文熙院士出版发行了《土的工程性质》专著 1990年——朱百里、沈珠江出版发行了《计算土力学》专著 1996年——钱家欢、殷宗泽出版发行了《土工原理与计算》专著 2018年10月14日 2000年——沈珠江院士出版发行了《理论土力学》专著
比重计测点处的密度： i 则 Wsi 1000
Wsi 1 W 1000 si 1000 s w
Wsi i w p 100% 占土粒总重 百分比 s ，悬液中 di 土粒重 W Wsi i s W s w s 3 式中 s、w — — 土粒及水的密度g / cm 。
主要表现出以下特性：
a、多样性 b、局部性或地方性 d、结构性强 e、本构非线性 g、表现为剪切破坏 h、剪缩与剪胀性 c、多相介质 f、土中应力分为有效应力和孔隙水压力 i、力学性能与应力历史有关
2、以勘察和试验为基础
由于土的物理力学性质复杂多变, 对每一项工程都要进行现场勘察和土工试 验, 了解土的性质, 然后进行设计和计算。
5、土的孔隙率 n
Vv 100% V
6、土的饱和度 Sr
Vw 100% Vv
三、三相比例指标的换算关系
m ms 利用三相草图换算，取 Vs 1 并假定 w1 w ，则 Vv e，V 1 e ，由 ， Gs w w Vs w1 ws ms VsGs w1 Gs w ，mw wms wGs w ，按定义有： V e G (1 w) w G m G (1 w) w n v e s 1 s w 1 s V 1 e d V 1 e m Vv w Gs e m G mw wGs w sat s w d s s w V 1 e V 1 e 1 w Vw w w wGs S r ms 年 V10 ms (V Vv ) w ms Vv w V w s 月 w 14日 Vv e e e 2018 ' sat w V V V
2、土的液相 土中水是一种成分复杂的电解质水溶液，按土粒矿物的亲水性一般分两类： 结合水——受电荷引力作用而吸附在土粒表面的水膜。按引力的强弱又 分为强结合水(吸附层)和弱结合水(扩散层)。 自由水——电荷引力作用以外的水，包括毛细水和重力水。毛细水受重力和 表面张力控制，不能流动；重力水受重力或水压差作用能流动。 3、土的气相 土中气体分为连通气体和封闭气体两种。连通气体对土的性质影响不大，封 闭气体会增加土体的弹性，使土的工程性质复杂化。
三等分
二、无黏性土密实度划分的其他方法
１、砂土密实度按标准贯入锤击数 N 分类 ２、碎石土密实度按重型动力触探锤击数 N 63.5 分类
３、碎石土密实度按超重型动力触探锤击数 N120 分类
４、砂土密实度按天然孔隙比 e 分类
2018年10月14日
1.6 土的工程分类
一、概述
不同的工程系统采用不同的分类标准。土的分类在原则上主要考虑了以下三 个因素：(1)土的沉积历史和地质成因；(2)土的组成；(3)土的工程性质。 建筑地基土的分类如下：
1.4 黏性土的界限含水率
一、黏性土的状态与界限含水率 黏性土的状态随含水量的增大而变软:
wS wP wL
固态 半固态 可塑状态
I P wL wP
w
流动状态
1、液限 wL ——由可塑状态转到流动状态的界限含水量。 2、塑限 wP ——由半固态转到可塑状态的界限含水量。 3、缩限 wS ——体积不再缩小对应的界限含水量。 二、塑性指数
碟式液限仪
1.５无黏性土的密实度
一、 砂土的相对密度 １、相对密实度指标定义 emax e Dr emax emin 式中
emax 、emin 分别为最大和最小孔隙比，由试验测得。
２、砂土按相对密度指标分类
emin
密实 中密
e
松散
emax
密实度
密实
中密
松散
e
0.67 ~ 0.33 0.33 ~ 0 相对密度 1 ~ 0.67
2018年10月14日


3、土的含水率 w
mw 100% 由烘干法测试 ms
二、换算指标
1、土的干密度 d ms g / cm3 干重度 d d g V m Vv w 2、土的饱和密度 sat s g / cm3 饱和重度 sat sat g V m Vs w 3、土的有效密度 ' s g / cm3 有效重度 '＝ ' g V V 4、土的孔隙比 e v Vs
(1)表格法直接给出各粒组含量或小于某粒径的粒组累计含量。该法简单方便。 (2)累计曲线法用竖坐标表示小于某粒径土的百分含量，用对数横坐标表示粒径绘制土
的级配曲线。并用不均匀系数、曲率系数反映土级配情况。该法直观形象。
2 d 60 d30 不均匀系数： 曲率系数： Cu Cc d10 d10 d 60 式中 d10、d30、d60 — — 累计百分含量为10%、30%、60%的粒径，由累计曲
1.1 土的三相组成
1、土的固相 组成土粒的物质一般分两类： 原生矿物——母岩矿物,存在于粗大的土粒中,例如：砂粒、砾石、碎石等。 次生矿物——原生矿物经化学风化后生成的新矿物,存在于细粒土，例如： 黏土颗粒或称黏土矿物。常见的有:高岭石、伊利石、蒙脱石等。 2018年10月14日 土的固相中除土粒外，还有部分腐殖质矿物和有机物等。