土质学与土力学第二章

2 研究土质学与土力学的意义与方法
任何结构物都必须建造在岩或土中，因而多数结构
物必然会涉及到土。
土的力学性质包括渗流性质，它直接影响到结构物
的安全和正常使用。
强度不够造成失稳破坏
强度不够造成失稳破坏

加拿大特朗斯康谷 仓地基破坏情况。 该谷仓建于1911年， 1913年秋完工，9 月装谷。10月17日 发现1小时内竖向 沉降达30.5cm，结 构物向西倾斜并在 24小时内倾倒。谷 仓西端下沉7.32m， 东端上抬1.52m， 仓身倾斜27度。
松散
骨架颗粒含量小于总重的55 ％，排列十分混乱，绝 大部分不接触
土湿度的野外鉴别
土的湿度
鉴 别 方 法
稍湿的
湿的
经过扰动的土，不易捏成团，易碎成粉末。放在 手中不湿手，但感觉冷而且觉得是湿土
经过扰动的土，能捏成各种形状。放在手中会湿 手，在土面上滴水能慢慢渗入土中
饱和的
滴水不能渗入土中，可看到孔隙中的水发亮
国外

1773年建立Mohr—Coulomb强度理论，为土压
力、地基承载力和土坡稳定分析奠定基础；


1776年Coulomb发表建立在滑动土楔基础上的土 压力理论； 1857年Rankine提出极限平衡分析基础上的土压 力理论；


1856年Darcy通过室内试验建立水的渗透理论； 1885年Boussinesq提出各向同性半无限体表面在 竖直集中力作用下的位移和应力分布理论； 1892年Flamant提出线荷载作用下位移和应力分 布理论；
手压土块可 碎散
可塑，略滑腻， 无均质感，有 有粘性 颗粒感 土质不均可见 砂粒 稍可塑，不滑 腻，粘性 弱
粉土 手压土块碎 成粉末
新近沉积粘性土的野外鉴别
沉积环境
河滩及部分山 前洪冲积扇的表 层，古河道及已 填塞的湖塘沟谷 及河道泛滥处
颜色
深而暗， 呈褐栗、 暗黄或灰 色，含有 机质较多 时呈黑色
干土状态 坚硬、用锤 才能打碎
手搓时感觉 极细的均质土 块
湿土状态 可塑，滑腻， 粘着性大
湿土手搓感觉 易搓成D<0.5mm 长条，易滚 成小土球 能搓成D≈1mm 土条，能滚 成小土球 难搓成D<2mm细 条，滚成土 球易裂
小刀切削 湿土 切面光滑 不见砂 粒 切面平整 感有砂 粒 切面粗糙
粉质粘土
完全分散
无粘着感
园砾（角砾） 砂 土 砾砂 粗砂 中砂
同上 同上 同上 基本分散
同上 同上 同上 同上
同上 同上 同上 表面偶有水印
细砂
颗粒粗细类似粗玉米面
同上
偶有轻微粘 着感
接近饱和时， 表面有水印
接近饱和时， 表面翻浆
粉砂
颗粒粗细类似细白糖
颗粒部分分散 部分轻微胶结
粘性土和粉土的野外鉴别
鉴别方法 土名 粘土
20世纪初，Prandtl根据塑性平衡原理，导出极限 承载力公式； Fellenius提出瑞典圆弧法分析土坡稳定性；



Terzaghi(1923) 建立饱和土的 有效应力原理， 标志着土力学 学科的建立。
Karl Terzaghi(1883-1963) 土力学的奠基人
创立土的有效应力原理，饱和 土的渗透固结理论 出版“理论土力学”、“工程实用 土力学”等专著。
《公路桥涵地基与基础设计规范》中土的分类

①
将公路桥涵地基的岩土分为岩石、碎石土、粉土、 黏性土和特殊岩土。 碎石土 ：粒径大于2mm的颗粒含量超过总质量 的50%的土。
②
③
④
砂土：粒径大于2mm的颗粒含量不超过总质量 的50%、粒径大于0.075mm的颗粒含量超过总质 量的50%的土。砂土又可以进一步分为砾砂、粗 砂、中砂、细砂和粉砂五类 。 粉土：塑性指数Ip小于或等于10且粒径大于 0.075mm的颗粒含量不超过总质量的50%的土。 黏性土：塑性指数Ip大于10且粒径大于0.075mm 的颗粒含量不超过总质量的50%的土。可分为粉 质黏土和黏土。
④ 粘性土的稠度：粘性土的稠度是决定该土工程性 质好坏的一个重要指标，分为坚硬、硬塑、可塑、 软塑、流塑5种。 ⑤ 含有物：土中含有非本层土成分的其它物质称为 含有物，例如：碎砖、炉碴、植物根、有机物、 贝壳、氧化铁等。有些地区有粉质粘土或粉土中 含坚硬的姜石，海滨或古池塘往往含贝壳。记录 表中应注明含有物的大小和数量。
颜色 深而暗， 呈褐栗、 暗黄或灰 色，含有 机质较多 时呈黑色
结构性
含有物
结构性能 无自身形成的粒状结合体， 差，用手扰 但可含有一定磨园度的 动原状土样， 外来钙质结核及贝壳等。 显然变软， 在城镇附近可能含有少 粉性土有振 量碎砖、瓦片等人类活 动液化现象 动的遗物。
土的野外描述 ① 颜色：土的颜色取决于组成该土的矿物成分和含 有的其它成分 ,从色在前，主色在后。黄褐色， 以褐色为主，带黄色；若土中含氧化铁，则土呈 红色或棕色；土中含有大量有机质，则土呈黑色， 表明此土层不良；土中含较多的碳酸钙、高岭土， 则土呈白色。
碎石土密实度野外鉴别方法
密实度 密实 骨架颗粒含量和排列 骨架颗粒含量大于总质量的 70％，呈交错排列，连 续接触 可挖性 锹镐挖掘困难，用 撬棍方能松动。 井壁一般较稳 定 可钻性 钻进极困难；冲击钻探时， 钻杆、吊锤跳动剧烈，孔 壁较稳定 钻进较困难；冲击钻探时， 钻杆、吊锤跳动不剧烈； 孔壁有坍塌现象
碎石土和砂土的鉴别
鉴别方法 土类 土名 碎 石 土 卵石（碎石） 观察颗粒粗细 干土状态 湿土状态 湿润时用手拍 击 表面无变化
一半以上（重量）颗粒接近 或超过干枣大小（约 20mm） 一半以上颗粒接近或超过绿 豆大小（约2mm） 四分之一以上颗粒接近或超 过绿豆大小 一半以上颗粒接近或超过小 米粒大小 一半以上颗粒接近或超过砂 糖
土的物理性质
在地基基础一课中详细讲述。
第二章
土的工程分类及野外鉴别
1、概述

土的生成和演变


土是自然的产物，它的结构千变万化，工程性质 也是千差万别，必须进行分类。 土的工程分类依据是简单的一些特征指标。 我国对土的成分、级配、液限和特殊土有通用的 基本代号。如下图。
土的名称和代号
2、土的工程分类
土质学与土力学
授课老师：曹广勇
第一章
绪论及土的物理性质
1、土质学与土力学研究内容



土质学与土力学研究的内容：把土作为研究对象， 主要研究土的工程性质和和土在荷载作用下的应 力、变形和强度问题。 土质学——地质学科的一个分支它是从土的成因 出发，研究土的物理化学性质和影响性质变化的 主要原因，根据工程特性进行科学分类。 土力学——一门研究土的学科，是岩土力学的一 个分支，研究土的物理力学性质、变形及强度规 律，以及土体稳定性的一门科学。
墨西哥市艺术宫
墨西哥国家首都墨西哥市艺术宫，是一座巨型 的具有纪念性的早期建筑。此艺术宫于1904年落成， 至今已有100余年的历史。该市处于四面环山的盆地 中，古代原是一个大湖泊。因周围火山喷发的火山 灰沉积和湖水蒸发，经漫长年代，湖水干涸形成目 前的盆地。
墨西哥市艺术宫
当地表层为人工填土与砂夹卵石硬壳层，厚度5m， 其下为超高压缩性淤泥，天然孔隙比高达7-12，天然 含水量高达150%-600%，为世界罕见的软弱土，层厚 达25m。因此，这座艺术宫严重下沉，沉降量高达4m， 临近的公路下沉2m，公路路面至艺术宫门前高差达 2m。参观者需步下9级台阶，才能从公路进入艺术宫。
粘性土的稠度的野外鉴别
土的稠度 坚硬 硬塑 可塑 软塑 流塑 鉴 别 特 征 手钻很费力，难以钻进，钻头取出土样用手捏不动，加力 土不变形，只能碎裂 手钻较费力，钻头取出土样用手捏时，要用较大的力土才 略有变形，并即碎散 钻头取出的土样，手指用力不大就能按入土中，土可捏成 各种形状 钻头取出的土样还能成形，手指按入土中毫不费力，土可 捏成各种形状 钻进很容易，钻头不易取出土样，取出的土已不能成形， 放在手中不易成块。
力学挽救斜塔

2000年初委员 会13名专家经 反复讨论，采 用了力学工作 者提出的抽土 方案，即在北 侧塔基地下20 米深处用抽土 管抽土释放应 力。
（2）苏州虎丘塔
此塔位于苏州市虎丘 公园山顶，落成于宋太祖 建隆二年（公元961年）， 距今已有1036。全塔7层， 高47.5米。平面呈八角形。 青砖砌筑。 1980年时，塔身已向 东北方向严重倾斜，塔顶 离中心线已达2.31米。底 层塔身出现不少裂缝。 宝塔倾斜为地基覆盖 层相差悬殊等原因造成。
《公路土工试验规程》中土的分类
三角分类法
3、土的野外简易鉴别
土的现场记录和建议试验方法



鉴别与描述的土样，写在记录表中。 野外鉴别土要求快速，又无仪器设备，主要凭感 觉和经验。 对碎石土和砂土的鉴别方法，利用日常熟悉的食 品如绿豆、小米、砂糖、玉米面的颗粒作为标准， 进行对比鉴别。 对粘性土和粉土的鉴别方法，根据手搓滑腻感或 砂粒感等感觉，加以区分和鉴别。
渗流造成地基破坏
地基沉降造成的破坏
（1）比萨斜塔
Pisa lean tower:

世纪著名建筑，斜塔的斜因： 是Pisa大教堂的钟楼，8层楼，高55米。 1173年9月8日破土动工，建到4层时出现倾斜。 1178年被迫停工； 1272年重新开工； 1278年又停工； 1360年再次复工； 直到1370年全塔竣工。 全塔重145MN，地基承受接触压力达500 KPa，斜塔倾 斜5.5度，塔顶离开竖直中心线距离5米多

② 密度：在野外描述时可根据钻进的速度和难易来 判别土的密实程度。同时可在钻头提起后，在钻 侧面窗口部位用刀切出一个新鲜面来观察，并用 大拇指加压的感觉来判定松密。在钻孔记录表上 注明每一层土属于密实、中密或稍密状态。 ③ 湿度：土的湿度分为干的、稍湿的、湿的与饱和 的4种。通常如地下水位埋藏深，在旱季地表土 层往往是干的；接近地下水位的粘性土或粉土因 毛细水上升，往往是湿的；在地下水位以下，一 般是饱和的。
结构性
含有物
结构性能差， 无自身形成的粒状结合体， 用手扰动原 但可含有一定磨园度的 状土样，显 外来钙质结核及贝壳等。 然变软，粉 在城镇附近可能含有少 性土有振动 量碎砖、瓦片等人类活 液化现象 动的遗物。
新近沉积粘性土的野外鉴别
沉积环境 河滩及部分山 前洪冲积扇的 表层，古河道 及已填塞的湖 塘沟谷及河道 泛滥处
⑦ 其它：碎石土与砂土应描述级配、砾石含量、最 大粒径、主要矿物成分。粘性土应描述断面形状、 孔隙大小、粗糙程度、是否有层理等。土中若有 特殊气味，如海滨有鱼腥味等，易应加以注明。 临近设施对土质的影响，如管道漏水则使粘性土 稠度变软、地下水位抬高。


为使试验资料可靠和适用，应进行正确的数据分 析和整理。整理时对试验资料中明显不合理的数 据，应通过研究，分析原因（试样是否具有代表 性、试验过程中是否出现异常情况等）或在有条 件时，进行一定的补充试验后，可决定对可疑数 据的取舍或改正。 取舍试验数据时，应根据误差分析或概率的概念， 按三倍标准差（即±3s）作为舍弃标准，即在资 料分析中应舍弃那些在（为算术平均值）范围以 外的测定值，然后重新计算整理。
中密
骨架颗粒含量等于总质量的 锹镐可挖掘；井壁 60～70％，呈交错排列， 有调块现象， 大部分接触 从井壁取出大 颗粒处，保持 凹面形状 骨架颗粒含量等于总重的55 ％～60％，排列混乱， 大部分不接触
稍密
锹可以挖掘，井壁 钻进较容易，冲击钻探时， 易坍塌，从井 钻杆稍有跳动，孔壁易坍 壁取出大颗粒 塌 后，砂土立即 坍落 锹宜挖掘，井壁极 易坍塌 钻进很容易，冲击钻探时， 钻杆无跳动，孔壁极易坍 塌


Biot建立土骨架压缩和渗透耦合理论； 黄文熙院士对我国土力学学科发展作出重要贡献； 我国的高等学校、科研院所以及一大批学者也作 出了贡献，如沈珠江院士； 新中国后，土力学在我国得到广泛传播和发展， 尤其改革开放后，在许多大工程方面取得很进展。 如葛洲坝、三峡、核电站、高速公路、地下空间 等。
土坡滑动
断层所造成的边坡滑动使民宅横向移动10m,垂直落差约6m
均质软弱地基整体下沉
学习的方法： 用土力学的理论指导土工结构物 的计算分析、设计、施工与维护，以
保证它的安全和正常使用。
3、科发展简介

பைடு நூலகம்
我国：我国古代劳动人民创造了许多工程遗产： 宫殿、水榭楼台、万里长城、大运河等仅有工程 实践经验，没有形成系统的理论。