土力学教案.ppt

土力学,主讲：于林平,0-1 学科性质 0-2 学科的研究内容 0-3 学科的作用 0-4 学科的发展 0-5 学习目标与学习方法,绪论,0-1 学科性质 一、重要概念： （一）土（研究对象）：地表的岩石经强烈的风化作用侵蚀，残留于原地或经各种自然力搬运、堆积而成的松散的堆积物。 （二）地基：支撑建筑物全部重量并受其影响的那部分（岩）土体。 （三）基础：建筑物的下部结构。,绪论,绪论,二、土力学： 1、含义：是运用力学的方法和土工试验研究土在外力作用下应力、应变、强度、稳定等变化规律的学科。 研究领域不断扩大已派生出：土动力学、冻土力学、海洋土力学等； 2、与其它力学学科的关系：是力学分支（应用力学），但不同于其它力学。 3、特点：理论与实践紧密结合 涉及的内容广泛（交叉学科）,绪论,0-2 学科的研究内容 三大问题： 一、渗透变形（稳定）（破坏）问题：第二章（教材第3章） 二、变形问题：第三四章（教材第4章-第6章） 三、强度问题：第五八章（教材第7章-第10章） 其中，第一章为基础知识（教材第1章-第2章）,绪论,0-3 学科的作用 1、土木工程建设的程序：万丈高楼平地起（各类土木工程最先接触岩土） 2、地基与周围环境的作用及影响：地基的强度和稳定及周围环境的稳定直接影响建筑物的安全； 3、现代学科的发展：学科间交叉融合。,绪论,绪论,绪论,绪论,大连锦绣小区居民楼倾斜,绪论,大连锦绣小区居民楼倾斜,绪论,上海莲花河畔景苑小区居民楼倒塌,0-4 学科的发展 一、发展简史： 二、发展现状与趋势： 1、理论发展： 2、学科发展： 系统化与专门化 3、试验手段：,绪论,0-5 学习目标与学习方法 一、学习目标： 学习目标是掌握土力学的基本理论、计算方法和土工实验的基本操作技能，为土木建筑物地基基础的设计奠定基础。 二、学习方法 1、重视与其它学科的联系： 2、重视土工试验技术： 3、重视工程经验：,绪论,三、要求： 1、教材： “土力学” 建工出版社 四校合编 2、参考书： （1）“土力学” 高教出版社 李镜培 （2）“土力学” 清华大学 陈仲颐 3、考查方法： 平时+实验+期末 4、其它：,绪论, 土的成因与特点 土的结构与构造 土的组成 土的物理性质指标 土的物理状态及指标 土的压实性 土的工程分类,第一章 土的物理性质及工程分类,一、土的成因 土是地表的岩石经长期风化作用侵蚀残留原地或以各种自然力搬运在各种不同环境下堆积而成的松散堆积物。 自然界中，岩石不断风化破碎形成土，而土又不断压密硬化形成岩石。这一过程循环往复、永无止境地进行着。,1.1土的成因与特点,第四纪沉积物，由于其搬运和堆积方式的不同，可以分为残积土和运积土两大类。 其中，运积土由搬运动力不同，又分为坡积土、洪积土、冲积土、湖泊沼泽沉积土、风积土等。,1.1土的成因与特点,二、土的成因类型,三、土的特点（工程性质） 1、变形量大； 2、强度较低； 3、渗透性较强。,1.1土的成因与特点,1.2土的结构与构造,一、土的结构 土的结构：指土粒的相互排列方式和颗粒间的联结特征，是在土的形成过程中逐渐形成的。它与土的矿物成份，颗粒形状和沉积条件有关。 通常土的结构可归纳为三种基本类型：单粒结构、蜂窝结构和絮状结构。,1.2土的结构与构造,1、单粒结构：是粗粒土如碎石土、砂土的结构特征，由较粗的土颗粒在其自重作用下沉积而成。 2、蜂窝结构：较细的土粒在自重作用下沉落时，逐渐形成孔隙较大的蜂窝状结构。粉土中常见。 3、絮状结构：粘粒大都呈针状或片状，土粒极而重量极轻，多在水中悬浮下沉极为缓慢，具有胶粒特性。通常当悬浮液发生变化时，凝聚成絮状物下沉，于是形成具有很大的孔隙的絮状结构。是粘性土的结构特征。,1.2土的结构与构造,单粒结构,蜂窝结构,絮状结构,1.2土的结构与构造,二、土的构造 土的结构是指同一土层各部分之间的相互关系。 通常土的构造可为层理构造、裂隙构造等类型。,1.3 土的组成,通常，土是土颗粒、水和气体三部分组成的松散颗粒集合体，这三部分常被称为土的三相。 土颗粒主要由矿物颗粒组成，有时也含有有机质构成土的骨架。水和气体的充填在土颗粒间相互贯通的孔隙中。 当土中孔隙为水和气体共同充填时，土为三相，称为湿土或非饱和土。 特殊情况时，土为两相，称为饱和土或干土。,1.3 土的组成,一、土颗粒 1、矿物组成 （1）原生矿物：物理风化的产物。常见的原生矿物有石英、长石等，其性质较稳定。其中碎石土和砂土主要由原生矿物组成。 （2）次生矿物：化学风化的产物常见的次生矿物如粘土矿物、铁铝氧化物等。其中粘土矿物高岭石、蒙脱石和伊利石是构成粘性土的主要成分。,1.3 土的组成,2、颗粒组成 （1）粒组 所谓粒组是指相邻两分界粒径之间性质相近的土粒。在自然界中，任何一种土常由多种粒组组成。 （2）颗粒级配 所谓颗粒级配即土中各粒组的相对含量，用土粒占总质量的百分数表示。由颗粒分析试验确定。,1.3 土的组成,1.3 土的组成,(3)颗粒级配曲线: 曲线平缓，表示粒径相差悬殊，土粒不均匀，级配良好；反之，曲线较陡，表示粒径均匀，级配较差。 工程上采用不均匀系数cu或曲率系数cc进行定量分析颗粒组成。 不均匀系数：cu=d60/d10 曲率系数：cc=d302/d60d10 工程上把cu 5，且cc13的土，称为级配良好土。,1.3 土的组成,二、土中水 自然界中的土或多或少均含水，土中水可以分为两大类：结合水与自由水 1、结合水 结合水是指受电分子引力吸附于土粒表面呈薄膜状的土中水。 包括： （1）强结合水：是指紧靠土粒表面的结合水，又称吸着水。 （2）弱结合水：是指紧靠于强结合水外围的结合水膜，也称为薄膜水。,1.3土的组成,2、自由水 自由水是存在于土粒电场影响范围以外不受电场引力作用的土中水，其受重力作用。包括： （1）重力水：是在土孔隙中受重力作用能自由流动的水一般存在于地下水位以下的透水层中。 （2）毛细水：是受水与空气表面的张力作用而存在于细小孔隙中的自由水，通常存在于地下水位以上的透水层中。,1.3土的组成,三、土中气 土中气体存在于未被土中水占据的孔隙中。在组成土的三相中，土中气体对土的影响相对地居次要地位。土中气体以两种形式存在即流通气体和封闭气体。 1、流通气体：是指与大气连通的气体，常见于粗粒土中。 2、封闭气体：是指与大气隔绝的以气泡形式存在的气体，常见于粘性细粒土中。,1.4土的物理性质指标,土的性质不仅取决于三相组成本身的性质，而且也取决于三相之间数量的比例关系。 土力学中，使用各相之间在质量和体积上的比例关系作为反映土的物理性质与物理状态的指标。也称为土的三相比例指标 。,1.4土的物理性质指标,一、土的三相图 图中符号的含义如下： v土的总体积； vv土的孔隙体积； vs土颗粒的体积； vw水的体积； va气体的体积； m土的总质量； mw水的质量； ms土颗粒质量； ma气体的质量；,1.4土的物理性质指标,二、指标的定义 （一）基本指标 基本指标是指可通过试验测定的指标，也称为基本物理性质指标。 包括：土的密度（重度）、土粒的相对密度和土的含水率。,1.4土的物理性质指标,（1）土的密度（重度） 指土单位体积的质量，也称为土的天然密度，记为 公式：=m/v t/m3 或 g/cm3 重度定义： 土的重力密度，记为 公式：=w/v=g10 kn/m3 由环刀法测定。,1.4土的物理性质指标,（2）土粒相对密度 定义： 土颗粒质量和相同体积4时的纯水的质量之比，记为ds； 公式：ds=ms/vs w=s /w 由比重瓶法测定。,1.4土的物理性质指标,（3）土的含水率 指水的质量和土颗粒质量的比值，记为w; 公式：w= mw/ms100 由烘干法测定。,1.4土的物理性质指标,(二)换算指标 （4）土的孔隙比 指 土中孔隙体积与土固体颗粒体积之比，以小数表示，记为e 公式： e=vv/vs 孔隙比是土的一个重要物理性质指标，它反映土的密实度。,1.4土的物理性质指标,(5)土的孔隙率 指土中孔隙体积与总体积之比，或单位体积中孔隙的体积，用百分数表示，记为n; 公式： n=vv/v100,1.4土的物理性质指标,（6）饱和度 指土中被水充填的孔隙体积与孔隙总体积之比，记为sr 公式： sr =vw/vv 100 饱和度反映土中的孔隙被水充满的程度，当孔隙中没有水存在时sr=0；孔隙中充满水时，sr=100%。,1.4土的物理性质指标,(7)干密度 指单位体积中固体颗粒的质量，记为d 公式： d=ms/v t/m3 或 g/cm3 干重度： d10 d kn/m3 d越大，土体越密实，工程质量越好。,1.4土的物理性质指标,（8）饱和密度 指土的孔隙中充满水时的单位体积质量，记为sat 公式：sat(ms+vv w)/v 单位: t/m3 或 g/cm3 饱和重度： sat10sat kn/m3,1.4土的物理性质指标,（9）浮重度（有效重度） 指单位体积中土粒的重量扣除浮力的重量，即在地下水位以下，单位体积土的有效重量，记为 公式： =( msg-vs w g)/v 或 = sat - w kn/m3,1.4土的物理性质指标,三、指标的换算 设 vs=1 则 e= vv，v=1+vv=1 +e （1）ms =ds vs w =ds w （2）mw =w ms=w ds vs w = w ds w （3）m=ms+mw = ds w (1+w),1.4土的物理性质指标,【例1-1】 用体积为50cm3 环刀取得原状土样，称出土样的总质量为95g,烘干后为75g，经试验测得ds =2.7。求该土的天然含水率、密度（重度）、干密度（干重度）、孔隙比及饱和度各为若干？,1.4土的物理性质指标,【例题1-2】 某原状土样质量为500g，测得该土样含水率为15%，若将含水率提高到19%，问需加多少克水？,1.5土的物理状态及指标,所谓土的物理状态，对于无粘性土，即指其密度程度；对于粘性土则是指土的软硬程度，或粘性土的稠 度。,1.5土的物理状态及指标,一、无粘性土（粗粒土）的密实度 无粘性土（粗粒土）主要指碎石土、砂土，其密实度是指单位体积中固体颗粒的含量。 土颗粒含量多，土呈密实状态，强度较大；土颗粒含量少，土呈松散状态，强度则低。 可见，密实度是反映无粘性土工程性质的主要指标。,1.5土的物理状态及指标,确定无粘性土密实度可采用三种方法： （1）采用天然孔隙比（e）确定 孔隙比在三相比例指标中，是表示土的密实度的指标，以其确定无粘性土的密实度简单明了，应用方便 。,1.5土的物理状态及指标,（2）采用相对密实度(dr)确定 公式： dr=(emax e)/(emax -emin ) 式中，e 现场无粘性土的孔隙比； emax无粘性土的最大孔隙比。 emin无粘性土的最小孔隙比。 显然，dr=0时，e=emax，表示处于最疏松状态； dr=1.0时，e=emin，表示土处于最密实状态,1.5土的物理状态及指标,（3）采用现场标准贯入试验锤击数（n）确定 标准贯入试验是在现场用规定重量和落距的锤，把一标准贯入器打入土中记录贯入一定深度所需的锤击数（n）的一种原位测试方法。 根据n的大小，砂土的密实度可划分为松散、稍密、中密、密实四种状态。,1.5土的物理状态及指标,二、粘性土的稠度 粘性土（或细粒土）的稠度是指土的软硬程度或土对外力引起变形或破坏的抵抗能力。 稠度是粘性土的最主要的物理特征。,1.5土的物理状态及指标,(1)粘性土的稠度状态 固态 可塑状态 流态（液态）,1.5土的物理状态及指标,（2）粘性土的界限含水率 粘性土由一种状态转到另一种状态的分界含水率，称为界限含水率。 界限含水率：液限、塑限和缩限,1.5土的物理状态及指标,塑限：粘性土由固态进入可塑状态的界限含水率，是粘性土成为可塑状态的下限含水率。用wp 表示。 液限：粘性土由可塑状态转变为流动状态的界限含水率，是粘性土处于可塑状态的上限含水率，用wl 表示。 缩限：粘性土固态与半固态的界限含水率，称为缩限，用ws 表示；,1.5土的物理状态及指标,（3）界限含水率的测定 粘性土的界限含水率可通过相应的试验测定，其中塑限与液限可采用锥式液限仪联合测定。（缩限采用的收缩皿试验测定） 另外，塑限与液限也可分别采用滚搓法和锥式(或碟式)液限仪测定。,1.5土的物理状态及指标,（4）粘性土的塑性指数和液性指数 1）粘性土的塑性指数 液限和塑限分别是土处于可塑状态时的上限和下限含水率。 塑性指数为土的液限与塑限的差值（数值除去%号），用符号ip表示： ip= wl - wp,1.5土的物理状态及指标,2）粘性土的液性指数 土的含水率在一定的程度上可以表示土的软硬程度。 工程上采用液性指数判别粘性土的状态。,1.5土的物理状态及指标,液性指数：土的天然含水率和塑限之差值（均除去%）与塑性指数之比，用符号il表示，即： il=(w-wp) / (wl - wp ) 显然， il 越大，土质越软；反之土质越硬。,1.5土的物理状态及指标,【例1-3】甲乙两地各取粘性土样试验，测得两土样液塑限相同，分别为wl=40% ， wp =25%。但甲地土天然含水率为45%，乙地土天然含水率为20%。试求：两地土的塑性指数ip 并确定两地土处于何种状态？哪一地土作为天然地基较好？,1.5土的物理状态及指标,【例1-3】 解： 1、计算ip ： ip= wl - wp = 40 - 25 = 15 2、计算il ： 甲地： il=(w - wp) / (wl - wp ) =（45 - 25）/（40 - 25）= 1.33 乙地： il=(w - wp) / (wl - wp ) =（20 - 25）/（40 - 25）= -0.33 判断： 甲地土处于流塑状态，乙地土坚硬， 故乙地土适合作天然地基。,1.6 土的压实性,所谓土的压实性，即土体在一定的压实能量作用下，土颗粒克服粒间的阻力，产生位移，使土中的孔隙减小，密度增加的性质。 对土的压实性的研究是由室内或现场击实或碾压实验进行的。实践表明，不同种类的土其压实性质不同。,1.6 土的压实性,一、粘性土的压实性 细粒土的压实性可以在实验室或现场进行研究。 （1）击实试验 实验室中，将某一土样分成若干份，配成具有不同含水率的土样。击实后，测出压实土的含水率和干密度。 以含水率为横坐标，干密度为纵坐标，绘制含水率-干密度关系曲线，该曲线也称为击实曲线。,1.6 土的压实性,1.6 土的压实性,（2）影响粘性土压实性的因素 1）含水率的影响 2）颗粒级配的影响 3）压（击）实功能的影响,1.6 土的压实性,二、 无粘性土的压实性 试验表明，无粘性土如砂和砂砾等压实性也与含水率有关，不过不存在一个最优含水率。通常在完全干燥或者充分洒水饱和情况下容易压实到较大的干密度。,1.6 土的压实性,1.6 土的压实性,【例1-4】某一施工现场需要填土，填土坑的体积为2000m3。土方来源是从附近土丘开挖，经勘察该土的ds=2.7，含水率为15%，密度为1.94t/m3。实验测得填土的最优含水率为17%，要求填土干密度为1.76t/m3。试求： （1）应从取土场开采多少土方？ （2）碾压时应洒多少水？ （3）碾压前后土的孔隙比。,1.7土的工程分类,自然界中土的种类很多，工程性质各不相同。为了进一步研究其工程性质，需要按其主要特征对土进行工程分类。,1.7土的工程分类,一、土的工程分类依据 划分土类的主要依据： （1）土的颗粒级配 （2）土的塑性,1.7土的工程分类,二、“建筑地基基础设计规范” （gb 500072002）分类法 按其颗粒级配、塑性指数、成因等，分为岩石、碎石土、砂土、粉土、粘性土等类，以及不同区域存的各种特殊土。,1.7土的工程分类,（1）岩石 岩石是指颗粒间牢固联结、呈整体或具有节理裂隙的岩体岩石按其成因分为岩浆岩、沉积岩和变质岩。 作为建筑物地基，除应确定岩石的地质名称外，还应按其坚硬程度和完整程度分类。,1.7土的工程分类,岩石按其坚硬程度划分为: 坚硬岩、较硬岩、较软岩、软岩、极软岩。 岩石按其完整程度划分为：完整、较完整、较破碎、破碎、极破碎。,1.7土的工程分类,（2）碎石土 碎石土是指粒径大于2mm的颗粒含量的超过总质量的50%的土。 根据粒组含量及颗粒形状，碎石土可分为漂石或块石、卵石或碎石、圆砾或角砾。,1.7土的工程分类,（2）砂土 砂土是指粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重的50%且粒径大于0.075mm的颗粒超过总量的50%的土。 按粒组含量砂土可为砾砂、粗砂、中砂、细砂和粉砂。,1.7土的工程分类,（4）粉土 粉土是指塑性指数ip 小于或等于10、粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过总 量50%的土。 分为： 砂质粉土与粘质粉土,1.7土的工程分类,（5）粘性土 粘性土是指塑性指数ip大于10的土。这种土中含有相当数量的粘粒（0.005mm的颗粒）。 粘性土按塑性指数ip分为：粉质粘土和粘土。,1.7土的工程分类,（6）特殊土 系指分布在一定地理区域、有工程意义的特殊成分、状态和结构特征的土称为特殊土。 我国特殊土种类很多，如，淤泥和淤泥质土、红粘土、人工填土、膨胀土、湿陷性土。,1.7土的工程分类