最新土力学教案

土力学教案

第一章 土的物理性质及分类

1.1 概述

土是由固体颗粒、水、气体三部分组成的三相体系。

土＝土粒（固相）＋水（液相）＋空气（气相）

1．固相——包括多种矿物成分组成的土的骨架。

2．液相——主要是水(溶解有少量的可溶盐类)。

3．气相——主要是空气、水蒸气，有时还有沼气等。

各相的性质及相对含量的大小直接影响土体的性质，土粒大小和形状、矿物成分及排列和联结特征是决定土的物理力学性质的重要因素。

土粒矿物成分与土粒大小有关：

粗大土粒：往往保留原生矿物，多呈块状或柱状。

细小土粒：主要是次生矿物，多呈片状。

无粘性土——当土样中巨粒（土粒粒径大于60mm ）和粗粒（60～0.075mm ）的含

量超过全重50%时属无粘性土。

土中水影响粉性土和粘性土的可塑性、胀缩性、湿陷性、冻胀性等物理特征。

1.2 土的组成

一、 固体颗粒（土粒）

⎩

⎨⎧ :有机质组成由原生矿物和次生矿物无机矿物颗粒土粒 原生矿物：由岩石经物理风化生成的颗粒，它的成分与母岩的相同，如：石英、长

石、辉石、角闪岩、云母等。

特性：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。

次生矿物：由原生矿物经化学风化生成的新矿物，它的成分与母岩的完全不同。

如：由长石风化成的高岭石、由辉石或角闪石风化成的绿泥石等。

特性：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。遇水膨胀。

粗大土粒一般是化学性质较稳定的原生矿物颗粒，有单矿物颗粒和多矿物颗粒两种形态。

细小土粒主要是次生矿物颗粒和生成过程中介入的有机物质。

二、土粒粒度分析方法

土是由大小不同的土粒组成的。土粒的大小、形状、矿物成分和级配对土的物理性质有明显影响。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。例如土的性质随着粒径的变细可由无粘性变化到有粘性。

（一）几个概念

粒度——土粒的大小称为粒度，常以粒径表示。

粒组——界于一定粒度范围内的土粒，称为粒组。

界限粒径——划分粒组的分界尺寸。

常用粒组的界限粒径：（根据国标《土的分类标准》（GBJ145-90））

200mm，60mm，2mm，0.075mm，0.005mm

200、 60、2、0.075 0.005 mm

20、50.5、0.25、0.10.01

漂石或块石、卵石或碎石、圆砾或角砾、砂砾、粉粒、粘粒。

（二）土的颗粒级配

1．土的颗粒级配（粒度成分）——土中各个粒组的相对含量(各粒组占土粒总重的百分数)。

土粒的组合情况——大大小小土粒含量的相对数量关系

2．确定各粒组相对含量的方法

（1）颗粒分析试验

①筛分法， 0.075mm ≤粒径≤60mm的粗粒组

将风干、分散的代表性土样通过一套自上而下孔径由大到小的标准筛，称出留在各个筛子上的干土重，经计算可得小于某一筛孔直径土粒的累积重量及累计百分含量。

②沉降分析法，比重计法和移液管法,粒径<0.075mm的细粒组（下沉速度）

土粒下沉速度与粒径的理论关系，用比重计法或移液管法测得颗粒级配。

上式可变换为：

沉降法假定土粒为球体颗粒，实际上土粒并不是球体颗粒，因此计算得的粒径并不是实际土粒尺寸，而是与实际土粒在液体中的相同沉降速度的理想球体的直径（称为水力当量直径）。

（2）试验成果——颗粒级配累积曲线

级配累积曲线采用半对数坐标：土粒粒径相差常在百倍、千倍以上，宜采用半对数坐标表示。

半对数坐标{

)(或称累计百分含量土质量含量（％）纵坐标－小于某粒径的）粒粒径（横坐标－对数坐标－土mm 曲线分析：

曲线较陡，则表示粒径大小相差不多，土粒较均匀；

曲线平缓，则表示粒径大小相差悬殊，土粒不均匀，即级配良好。

判别土体级配好坏的指标⎪⎪⎩

⎪⎪⎨⎧10602301060d d d C d d C c u ＝曲率系数＝不均匀系数 10d （有效粒径）——小于某粒径的土粒质量累计百分数为10％时相应的粒

径；

30d （中值粒径）——小于某粒径的土粒质量累计百分数为30％时相应的粒

径；

60d （限制粒径）——小于某粒径的土粒质量累计百分数为60％时相应的粒

径。

不均匀系数u C 反映大小不同粒组的分布情况。u C 越大表示土粒大小的分布范围越大、其级配越好，作为填方工程的土料时，则比较容易获得较大的密实度。

曲率系数c C 描写累积曲线的分布范围，反映曲线的整体形状。

一般工程上5

10>u C 的土，属级配良好。

级配连续土：曲线平滑，没有台阶；采用指标u C 即可判断级配好坏；

级配不连续：曲线呈台阶状；采用单一指标u C 难以判断级配好坏。

砾类土和砂类土当同时满足u C ≥5, c C =1~3时则为良好级配砾或良好级配砂。否则，级配不良。

级配良好：曲线平缓，粒径大小相差悬殊，土粒不均匀。颗粒级配可以在一定程度上反映土的某些性质。对于级配良好的土，较粗颗粒间的孔隙被较细的颗粒所填充，因而土的密实度较好，相应的地基土的强度和稳定性也较好．透水性和压缩性也较小，可用作堤坝或其它土建工程的填方土料。

三、土中的水和气

1．土中水{{{ ,强结合水—对土性质影响大

—弱结合水用—受重力和表面张力作—毛细水对土粒有浮力作用

—受重力作用自由流动—重力水结合水自由水 结合水——是受电分子吸引力吸附于土粒表面的土中水。

强结合水（吸着水）——紧靠土粒表面的结合水膜，牢固地结合在土粒表面，

其性质相当于固体。没有溶解盐类的能力，不能传递静水压力，只有吸

热变成蒸汽时才能移动。

弱结合水（薄膜水）——紧靠强结合水外围的结合水膜，不能传递静水压力，但较厚的弱结合水膜能向邻近较薄的水膜缓慢转移。当土中有较多弱结合水时具有一定的强塑性。弱结合水离土粒表面愈远，受到的电分子吸引力愈弱，并逐渐过渡到自由水。弱结合水的厚度，对粘性土的粘性特征及工程性质影响很大。

自由水——不受土粒表面电场影响，能传递静水压力。

重力水——存在于地下水位以下，重力水的渗流特征，是地下工程排水和防水

工程的主要控制因素，对土中的应力状态和开挖基槽、基坑以及修筑

地下构筑物有重要影响。

毛细水——存在于地下水位以上，毛细水的上升高度与土粒粒度成分有关；上

升高度和速度对于建筑物地下部分的防潮措施和地基土的浸湿、冻胀

等有影响。

2．土中气体⎩⎨⎧非封闭气体—对土的性质影响大—封闭气体

封闭气体为与大气隔绝的气体，它使土在外力作用下的弹性变形增加，透水性减小。

非封闭气体在外力作用下，连通气体排出，对土的性质影响不太。