土力学第一章.ppt

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§1 土的物性与分类 §1.2土的三相组成
小结 土有三个组成部分：固相、液相和气相
1. 固体颗粒 2. 土中水
▪ 粒径级配 ▪ 矿物成分 ▪ 颗粒形状
结合水 (强结合水、弱结合水) 自由水 (重力水、毛细水)
3. 土中气体
自由气体
封闭气体
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第一章 土的物理性质与工程分类
33
……………
土 土与土土
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
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§1 土的物性与分类 §1.2土的三相组成 二. 土中水
毛细水
毛细现象
毛 细 管
hc
空气 l
水
固体
T ua-uw
= 湿润角 T = 界面张力 d = 毛管直径
d=2r
ua-uw = 压力差
— 曲率系数
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
土的粒径级配累积曲线
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
毛细压力
2πrTcosα+ucπr2 = 0
hc
2T cos r
• 毛细压力
uc hc
• 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 30
§1 土的物性与分类 §1.2土的三相组成
三. 土中气体
❖自由气体：与大气连通，对土的性质影响不大 ❖封闭气体：增加土的弹性；阻塞渗流通道
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
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§1 土的物性与分类 §1.2土的三相组成 二. 土中水
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
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
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§1 土的物性与分类
§1.1 土的形成 §1.2 土的三相组成 §1.3 土的物理状态 §1.4 土的结构 §1.5 土的工程分类 §1.6 土的压实性
— 曲率系数
较大颗粒缺少 Cc 减小 较小颗粒缺少 Cc 增大
土的粒径级配累积曲线
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10 0
d60
d30
d10
Cc = 1 ~ 3, 级配连续性好
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
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§1 土的物性与分类 §1.2土的三相组成 二. 土中水
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
分析对象: 水柱
πr2hcγw=2πrTcosα
上升高度:
2T cos hc r
毛细升高与孔径成反比
土中毛细现象
粘土
粉土
砂土
砾石
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§1 土的物性与分类 §1.2土的三相组成 二. 土中水
R
0.030
0.545 17
§1 土的物性与分类 §1.2土的三相组成 一. 固体颗粒
粒径级配
粒径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； 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 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
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§1 土的物性与分类
§1.2 土的三相组成
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
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§1 土的物性与分类 §1.2土的三相组成
一. 固体颗粒
粒径级配
矿物成分
颗粒形状
物理状态 力学特性
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§1 土的物性与分类 §1.2土的三相组成 一. 固体颗粒 1. 粒径级配
颗粒大小
ma=0 Air
mw m
Water
Va VwVv V
ms Solid Vs
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Baidu Nhomakorabea联系与区别
基本方法: 三相草图法
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§1 土的物性与分类 §1.3 土的物理状态 一. 物理性质指标
1. 三相草图
ma=0
m
mw
Air Water
Va
Vv
Vw
V
ms
Solid
Vs
质量
体积
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§1 土的物性与分类 §1.3 土的物理状态 一. 物理性质指标
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§1 土的物性与分类 §1.2土的三相组成 一. 固体颗粒
粒径级配
——各粒组的相对含量，用质量百分数来表示 •确定方法 筛分法：适用于粗粒土 (>0.1 mm)
水分法：适用于细粒土 (<0.1 mm)
•表述方法 粒径级配累积曲线
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§1 土的物性与分类 §1.2土的三相组成 一. 固体颗粒
200g 10 5.0 10 2.0 16 1.0 18 0.5 24 0.25 22 0.1 38
72 水分法
小于某粒径之土质量百分数P（％） 10 5.0 1.0 0.5
0.10 0.05 0.01 0.005 0.001
土的粒径级配累积曲线
100
P
90 80
%
70
60
95
50
87
40
30
78
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
其它指标
实验室测定 剩下三个独立变量
三相草图法
对于饱和土, Va=0
是一种简单而实用的方法 剩下两个独立变量
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§1 土的物性与分类 §1.3 土的物理状态 一. 物理性质指标
2.室内测定的三个物理性质指标
－土的密度、土粒的比重、土的含水量
土的密度
有时也称土的天然密度
定义: 单位体积土的质 量 表达式: m ms mw
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§1 土的物性与分类 §1.2土的三相组成 一. 固体颗粒
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
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 )
§1.3 土的物理状态
土的物理性质指标
(松密程度、干湿程度、轻重程度)
表 示
土的物理状态
粗粒土的松密程度 粘性土的软硬程度
影响
？
力学特 性
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§1 土的物性与分类 §1.3 土的物理状态 一. 物理性质指标
松密程度 干湿程度 轻重程度
土的三个组成相的体积 定义 和质量上的比例关系
特点: 指标概念简单，数量很多
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§1 土的物性与分类 §1.2土的三相组成 一. 固体颗粒
特征粒径:
d50 : 平均粒径 d60 : 控制粒径 d10 : 有效粒径 d30 : 中值粒径
粗细程度： 用d50 表示
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 )
第一章 土的物理性质与工程分类
1
§1 土的物性与分类
本章目的: 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: 各节间联系 各节内层次
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§1 土的物性与分类
土的形成 影 响
土的三相组成 土的物理状态 土的结构
土的工程分类
决定
土的压实性
渗透特性 变形特性 强度特性
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§1 土的物性与分类
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
颗粒表面粗糙
土
残积土
无搬运
残积土 强风化 弱风化
多棱角 粗细不均 无层理
质 较 好
微风化
母岩体
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
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§1 土的物性与分类 §1.1土的形成 2. 搬运与沉积
一. 风化
物理风化
岩石和土的粗颗粒受各种气候因素的 影响产生胀缩而发生裂缝,或在运动 过母程岩中表因面碰和撞碎和散摩的擦颗而粒破受碎环境因素的
作用而改变其矿物的化学成分，形成 新的矿物
量变
原生矿物
无粘性土
质变
化学风化
次生矿物
粘性土
生物循环
有机质
动植物的活动
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§1 土的物性与分类 §1.1土的形成
二. 搬运与沉积
粘性土
（细粒土） 的
的 力
土 有 关
的 的三
的
无粘性土 特
（砂性土）
（粗粒土） 点
学 特 性
工 程 问 题
生相 组
成成
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§1 土的物性与分类
✓ §1.1 土的形成 ✓ §1.2土的三相组成 ➢ §1.3土的物理状态 ? §1.4土的结构 ? §1.5土的工程分类 ? §1.6土的压实性
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§1 土的物性与分类
三相草图
ma=0
mw m
Air Water
ms
Solid
质量
Va Vw Vv V
Vs
体积
共有九个参数:
V Vv Vs Va Vw / ms m w ma m
已知关系五个:
m ms mw ma ma 0 mw wVw
V Vs Va Vw Vv Va Vw
物性指标是比例关系: 可假设任一参数为1
§1.1 土的形成 §1.2 土的三相组成 §1.3 土的物理状态 §1.4 土的结构 §1.5 土的工程分类 §1.6 土的压实性
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§1 土的物性与分类
§1.1 土的形成
形成过程 形成条件
影响
物理力学 性质
土是岩石经过风化后在不同条件下形成的自然历史的产物
岩石 地球
风化 搬运、沉积
土 地球
5
§1 土的物性与分类 §1.1土的形成
比表面积 10-20m2/g 80-100m2/g
胀缩性
小
中
渗透性
大
中
强度
大
中
压缩性
小
中
蒙脱石
小
800m2/g 大
小
小
大
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§1 土的物性与分类 §1.2土的三相组成 一. 固体颗粒
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
粘土颗粒
水分子 阳离子
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§1 土的物性与分类 §1.2土的三相组成 一. 固体颗粒
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§1 土的物性与分类 §1.2土的三相组成 一. 固体颗粒
基本单元： 铝-氢氧八面体
铝片的结构
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§1 土的物性与分类 §1.2土的三相组成 一. 固体颗粒
粘土矿物的 晶格构造
比表面积（氢：键联单结）位质量 土颗9克粒蒙所脱拥土有的的总总表面
表面高积岭石大积约与一 伊利石 粒 径个足球大场一样大 中
3. 颗粒形状 •原生矿物 圆状、浑圆状、棱角状 •次生矿物 针状、片状、扁平状
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§1 土的物性与分类 §1.2土的三相组成
二. 土中水（液相）
结晶水 结合水 自由水 土中冰
矿物内部的水 吸附在土颗粒表面的水 电场引力作用范围之外的水 由自由水冻成，冻胀融陷
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§1 土的物性与分类 §1.2土的三相组成 二. 土中水
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§1 土的物性与分类 §1.2土的三相组成 一. 固体颗粒
2. 矿物成分
原生矿物 石英、长石、云母等 次生矿物 主要是粘土矿物，包括三种类型
高岭石、伊利石、蒙脱石
粘土矿物:
由硅片和铝片构成的晶包所组合而成
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§1 土的物性与分类 §1.2土的三相组成 一. 固体颗粒
基本单元： 硅-氧四面体
硅片的结构
V Vs Vw Va
单位: kg/m3 或 g/cm3 一般范围: 1.60—2.20 相g/c关m指3 标:
土的容重
γ=ρg
单位: kN/m3
ma=0 Air
mw m
Water
Va VwVv V
ms Solid Vs
质量
体积
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
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§1 土的物性与分类 §1.3 土的物理状态 一. 物理性质指标
土粒比重
定义: 土粒的密度与4˚C时纯蒸馏水的密度的比值
表达式:
Gs
s 4wC
单位: 无量 纲
4wC 4˚C时纯蒸馏水的密度
s: 土粒的密度，单位体积土粒的质
量
s
ms Vs
土粒比重一般范围:
粘性土 2.70—2.75
砂 土 2.65
影响土性 的主因
各粒径成分 在土中占的 比例
狭义的粒径级配
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§1 土的物性与分类 §1.2土的三相组成 一. 固体颗粒
颗粒大小
•粒组 按粗细进行分组，将粒径接近的归成一类
•界限粒径
d
(mm)
0.1
粗粒
砾石
砂粒
细粒
粉粒 粘粒 胶粒
粗 中 细 粗 中 细 极细
20
60
5 2 0.5 0.25
0.05 0.005 0.002