[工学]第1章土力学.ppt

第一章 土的物理性质与工程分类,教 师：张永波,研究方向：1.水资源与水环境,2.水工结构（岩土工程方向）,第一章 土的物理性质与工程分类,内容提要：土的成因类型、物质组成、结构类型、物理性质及工程分类。,第一节 土的形成及成因类型,一、土的形成 地球表层的整体岩石，在大气中经长期的风化作用后形成形状不同、大小不一的颗粒，这些颗粒在不同的自然环境条件下堆积（或经搬动沉积），即形成了通常所说的土。因此，可以说土是松散颗粒的堆积物。,第一节 土的形成及成因类型,岩石的风化一般可分为物理风化和化学风化两个过程。 （1）物理风化：指岩石经受风、霜、雨、雪的侵蚀，或受波浪的冲击、地震等引起各种力的作用，温度的变化、冻胀等因素使整体岩石产生裂隙、崩解碎裂成岩块、岩屑的过程。 （2）化学风化：指岩体（或岩块、岩屑）与氧气、二氧化碳等各种气体、水和各种水溶液等物质相接触，经氧化、碳化和水化作用，使这些岩石或岩屑逐渐产生化学变化，分解为极细颗粒的过程。,第一节 土的形成及成因类型,二、土的成因类型 土按成因可分为残积土和运积土两大类。 1. 残积土：残积土是指岩石经风化后仍留在原地未经搬 运的堆积物（如坡积物、风化壳）。残积土的明显特征是， 颗粒多为角粒，且母岩的类型对残积土的性质有显著影响。 母岩质地优良，由物理风化生成的残积土，通常是坚固和稳 定的；母岩质地不良或经严重化学风化的残积土，则大多松 软，性质易变。 2. 运积土：运积土是指岩石风化后经流水、风和冰川以 及人类活动等动力搬运离开生成地点后再沉积下来的堆积物。,第一节 土的形成及成因类型,由于搬运的动力不同，运积土又分为冲积土、风积土、 冰碛土和沼泽土。 （1）冲积土：指降雨形成的地表径流流经地表时，冲刷、 带动或搬运土料，经过一段搬运距离后在较平缓的地带沉积下 来的土层。其主要类型有山区河谷冲积土、山前平原冲积土、 平原河谷冲积土、三角洲冲积土、洪积土等。 （2）风积土：由风力带动土料经过一段搬运距离后沉积下 来的堆积物称为风积土。 （3）冰碛土：由冰川剥落、搬运形成的堆积物称为冰川沉 积土。 （4）沼泽土：在沼泽地的沉积物称为沼泽土。,第二节 土的物质组成,一、土的三相组成 土是地壳表层母岩经受强烈风化（包括物理的、化学的 和生物的风化作用）的产物，是各种矿物颗粒（土粒）的集合 体。在天然状态下，土由固体颗粒、液体和气体三相所组成。 土的三相组成部分的相互作用和它们在数量上的比例关系， 将决定土的物理力学性质。,第二节 土的物质组成,二、土的矿物成分 原生矿物（由母岩经物理风化生成，如石英、 长石、云母） 土的矿 物成分 粘土矿物 次生矿物（由原生矿物经化学风化生成） 氧化物胶体 可溶岩 土的矿物成分不同，其物理力学性质差异很大。,第二节 土的物质组成,三、土的粒度成份 所谓土的粒度成份是指土颗粒的大小及其相对含量。 1.粒径与粒组: 颗粒的大小通常以粒径表示。工程上按粒 径大小分组，称为粒组，即某一级粒径的变化范围。随着颗粒 大小不同，土可以具有很不相同的性质。,第二节 土的物质组成,2. 土粒的相对含量及粒径级配: 土中各粒组 的相对含量，用土粒总重的百分数表示，称为土 的粒径级配。其表达式为： 式中： X -某粒组的重量百分数（）; -干试样中某粒组的重量（g）; W-干试样土的总重量（g）。 在自然界，土常是由多种粒组所组成的混合 物, 土的性质取决于各不同粒组的相对含量。,第二节 土的物质组成,3.粒径级配分析方法 （1）筛分法（粒径0.075mm）。 如图1-3，利用一套孔径大小不同的 筛子，将事先称过重量的烘干土样 过筛，称留在各筛上的土重，然后 计算相应的百分数。 （2）比重计法（粒径0.075mm）。将少量细 粒土放入水中，大小不同的土粒在水中下沉的速 度各不相同，大粒下沉快小粒下沉慢，利用比重 计测定不同时间土粒和水混合悬液的密度，则可 计算出某一粒径的土粒对总土粒重的百分数。,第二节 土的物质组成,4. 粒径级配累积曲线 土的粒径级 配分析成果，工 程上常以粒径级 配累积曲线表示 （图1-4 ）。曲 线的纵坐标为小 于某粒径的累积 含量百分数，横 坐标则用对数尺 度表示土的粒径。,第二节 土的物质组成,从土粒径级配累积曲线可以看出： （1）粒组范围及各粒组含量； （2）判断土粒级配的好坏。粒径分布曲线的 坡度愈缓，土粒大小愈不均匀（图1-5中A 曲线）； 曲线愈陡，土粒大 小均匀（图1-5中B曲 线）；粒径曲线出现 水平段，土粒大小不 连续，出现缺粒段 （图1-5中C曲线）。,第二节 土的物质组成,5土的粒径级配判别 判别指标：为了判别土的级配好坏，常用不 均匀系数Cu和曲率系数Cc两个指标来描述。其表 达式为： 式中： d60、d10、d30-分别为粒径曲线纵坐标上小 于某粒径含量60、10、30时所对应的粒径。 d10称为有效粒径；d60称为控制粒径。,第二节 土的物质组成,判定标准：（1）不均匀系数Cu反映曲线的坡 度，表明土粒大小的不均匀程度。Cu值愈大，表 明粒径分布曲线的坡度愈缓，土粒大小愈不均匀； Cu值愈小，表明曲线愈陡，土粒大小均匀。工程 上常按经验把Cu5的土 称非匀粒土。 （2）曲率系数Cc反映粒径曲线的形状，当 Cc=1-3时表明土粒大小的连续性较好，或土粒大 小之间有一定的变化规律；当Cu5时表明 土粒大小不连续，出现缺段。,第二节 土的物质组成,6.土按粒径级配分类：在工程上，对土粒级 配是否良好的判定规定如下： 级配良好的土；同时满足Cu5及Cc=1-3条 件，土粒大小连续，且粒径之间有一定的变化规 律。 级配不良的土：不能同时满足Cu5及 Cc=1-3两个条件，土粒大小较均匀，或虽然较不 均匀，但土粒大小不连续。,第二节 土的物质组成,四、土的液相 土的液相是水及各种离子的溶液，其含量及 性质明显影响土的性质。土中水可分为结晶水、 结合水、自由水等类型： 结晶水（土粒矿物内部的水） 强结合水 土中水 结合水（与土壤表面结合的水） 弱结合水 自由水（液态水） 毛细水 重力水,第二节 土的物质组成,1.结晶水 存在于矿物结晶中的水，只在高温（105） 下，才能使之从矿物中析出，对土的工程性质影 响不大。 2. 结合水 粘土颗粒在水介质中表现出带电的特性，在 其四周形成电场。水分子是极性分子，正负电荷 分布在分子两端。在电场范围内，水中的阳离子 和极性水分子被吸附在颗粒的四周，定向排列 （如图1-7）。受颗粒表面电场作用力吸引而包围 在颗粒四周，不传递静水压力，不能任意流动的 水，称结合水。,第二节 土的物质组成,第二节 土的物质组成,结合水又划分为强结合水和弱结合水。 （1）强结合水：紧靠于颗粒表面的水分子， 所受电场的作用大，几乎完全固定排列，丧失液 体的特性而接近于固体，完全不能流动，称为强 结合水。 （2）弱结合水：距土粒表面稍远的地方，水 分子虽仍较为定向排列，但不如强结合水那么紧 密而是一种粘滞水膜，受力时能由水膜较厚处转 移到水膜较薄处，称弱结合水。,第二节 土的物质组成,3.自由水 不受颗粒电场引力作用的水称自由水。自由 水受重力支配，能传递静水压力，并具有溶解性。 （1）毛细管水。土中存在着很多大小不同的 孔隙，这些孔隙又连成细小的通道（毛细管）。 由于水和空气分界处弯液面上产生表面张力作 用，土中自由水从地下水 位通过土的细小通道逐渐 上升，形成毛细管水（如 图1-8）。毛细管水上升高 度和速度决定于土的孔隙 大小和形状、粒径尺寸和 水的表面张力。,第二节 土的物质组成,（2）重力水。自由水面以下，土颗粒电分子 引力范围以外的水，仅在本身重力作用下运动， 称为重力水。 水的含量及性质明显影响土的性质。,第二节 土的物质组成,五、土的气相 土中气体可划分为与大气相通的气体（自由 气体）、与大气不相通的气体（密闭气体）。 自由气体对土的力学性质无大影响。密闭气 体的体积与压力有关，压力增加，则体积缩小； 压力减小，则体积胀大。因此，密闭气体的存在 增加了土的弹性，同时可阻塞土中的渗流通道， 减小土的渗透性。,第三节 土的结构,土的结构指土粒的相互排列及粒间的联接能 力，它与土的矿物成分、颗粒形状和沉积条件有 关。土的结构有三种基本类型：,第三节 土的结构,1.单粒结构 在沉积过程中，较粗的矿物颗粒在其自重作 用下沉落，每个土粒都为已经下沉稳定的颗粒所 支承，各土粒互相依靠重叠，土粒间存在点与点 的接触，称单粒结构（图1-12）。又分二种结构： (1) 松散结构。系棱角状、片状和表面粗糙的 颗粒和大小均匀的浑圆颗粒，迅速堆积时形成的 结构。 (2)紧密结构。系级配良好、形状浑圆而表面 光滑的颗粒，缓慢堆积时形成的结构。,第三节 土的结构,2.蜂窝状结构 较细的土粒在自重作用下沉落时，碰到别的 正在下沉，或已沉稳的土粒，由于粒细而轻，粒 间接触点处的引力大于下沉土粒重量，土粒被吸 引着不再改成它们的相对位置，逐渐形成链环状 单元。很多链环联接起来，便形成孔隙较大的蜂 窝状结构（图1-13）。主要为粉土、粉质粘土的 典型结构。,第三节 土的结构,3.絮凝结构 微小的粘粒在自重作用下沉落时，由于土粒 尺寸极小，多具有胶粒特性，土粒表面带有同号 电荷，因而悬浮于水中作分 子热运动，运动着的粘粒互 相聚合，以面对边或面对角 的接触，并凝聚成絮状物下 沉，形成具有很大孔隙的絮 凝结构（图1-14）。主要为 粘土的典型结构。,第四节 土的物理性质指标,土是固、液、气三相体系，土的工程性能不仅决定于三相组成的性质，而且三相之间量的比例关系也是一个很重要的影响因素。土力学中使用各相之间在体积上和重量上的比例关系，作为反映土的物理性质的指标。,第四节 土的物理性质指标,一 、土的三相草图 为了帮助理解，可绘制土的三相草图，如下所示。 土的物理性质指标很多，其 中有三个基本指标是要用土样作 不同的试验测定的（称直接测定 指标），其余指标则可根据三项 基本指标换算得出（称换算指 标）。,第四节 土的物理性质指标,二、 直接测定指标 1. 土的密度和重度（容重） (1)土的密度: 土的密度定义为土单位体积的质量， 其表达式为： = M /V 式中： -土体的密度（ ）； M-土体质量（g）; V-土体体积（ ）。 测定土的密度的实验室方法采用环刀法和蜡封法。,第四节 土的物理性质指标,(2)土的重度（容重）:土的容重定义为单位体积土 的重量，其表达式为： = W / V 式中： W-土体的重量（N）。 土的容重和密度的关系为：,第四节 土的物理性质指标,2. 土的比重 土粒比重定义为土粒的质量与同体积纯水在4时 的质量之比。即： 式中： w-温度为4时，纯水的密度（ ）. 土粒的比重常用比重法测定。 3. 土的含水量（率） 土中水的质量（重量）与土粒的质量（重量）之 比称为土的含水量。即： 土的含水量通常用烘干法测定。,第四节 土的物理性质指标,三、 换算指标 1.孔隙比和孔隙率 (1)孔隙比: 土中孔隙总体积与土中固体颗粒总体 积的比值。即： 工程中常用孔隙比评价同一种土在天然状态下的 松密程度。同一土类的孔隙比愈大，说明土愈松；孔 隙比愈小，说明土愈实。 根据三个直接测定指标计算孔隙比的方法如下： 设Vs = 1 则,第四节 土的物理性质指标,(2)孔隙率:土中孔隙总体积与土总体积的比值为 土的孔隙率。即： n = Vv/ V 孔隙率和孔隙比的关系为： 设Vs = 1 则,第四节 土的物理性质指标,2.土的饱和度 土孔隙中所含水体积与孔隙体积的比值。即： Sr=VW / VV 饱和度是表示土中含水程度的一个重要指标。根据饱 和度砂类土划分为三种类型：,Sr50% 稍湿的 砂类土 50%80% 饱和的 根据三个直接测定指标计算饱和度的方法如下： 设VS = 1 则,第四节 土的物理性质指标,3. 不同状态下土的密度和容重 (1)湿密度与湿容重: 土以三相状态存在时的密度和容重称为湿密度（天然）和湿容重（天然）。其计算公式和测试方法同前。 (2)饱和密度和容重: 当土中孔隙完全被水充满时的密度和容重。其计算公式为：,第四节 土的物理性质指标,(3)干密度和干容重: 当土中不存在水时的密度和容重。其计算公式为： (4)浮密度和浮容重: 静水下的土体受水的浮力作用，其有效密度（容重）等于土的饱和密度（容重）减去水的容重（密度），称浮密度（或浮容重）。其计算公式为：,第四节 土的物理性质指标,4. 常用物理性质指标换算公式,同一种土的各种密度（容重）在数值上的关系为：,第五节 土的物理状态指标,所谓土的物理状态，对于砂土是指土的密实程度，对于粘性土则是指土的软硬程度（或称土的稠度）。 一砂土的密实状态及指标 1. 砂土的密实状态 天然条件下砂土可处于从密实到疏松的不同状态，这与土粒的大小、形状、沉积条件和存在历史有关。 砂土的密实状态对其工程性质影响很大。砂土愈密实，结构就愈稳定，压缩变形小，强度也大，是良好的地基；疏松的砂，结构不稳定，对工程建筑不利。,第五节 土的物理状态指标,2. 砂土的相对密度 工程上常用砂土的相对密度来反映砂土的密实程度。其计算公式为： 式中： -砂土的相对密度； -砂土天然状态的孔隙比； -砂土在最疏松状态时的孔隙比； -砂土在最密实状态时的孔隙比。 根据经验，用相对密度判定砂土的密实程度标准为： Dr1/ 3 疏松 1/ 3Dr2/ 3 中密 Dr2/ 3 密实,第五节 土的物理状态指标,实验室测定 、 的方法可参考有关规范。由于实验室测定 、 的误差较大，所以工程部门也常用原位测试方法（标贯）来判定砂土的密实程度。,第五节 土的物理状态指标,二、粘性土的稠度状态及指标 1. 粘性土的稠度状态 含水量变化时，可使粘性土具有不同的状态（图 1-17） 。含水量很低时，以强结合水形式存在，呈固态或半固态；当含水量增加时，土粒周围除强结合水外还有弱结合水，弱结合水呈粘滞状态，受力时可变形，能从水膜较厚处向邻近薄处移动，呈塑态；当含水量继续增加，土中水主要由自由水存在，土粒间被自由水所隔开呈流态。 固态 半固态 朔 态 流 缩 朔 液 限 限 限 （s） （p） （L）,第五节 土的物理状态指标,第五节 土的物理状态指标,2. 稠度界限 土从某种状态进入另一种状态的分界含水量称为土的特征含水量，或称稠度界限。土从塑性状态转变为流动状态时的含水量，称为液限（ ）；土从半固体态转变为塑性状态时的含水量称为塑限（ ）。 在实验室中，液限采用锥式液限仪测定，塑限采用搓条法测定。实测的塑限和液限是一种近似的分界含水量。 3. 塑性指数 塑性指数是衡量粘性土可塑性大小的指标，其表达式 为： 塑性指数愈大，说明土中粘粒含量愈多,粘粒矿物亲水性愈强，水化膜愈厚，可塑性愈高。,第五节 土的物理状态指标,4. 液性指数 工程中采用液性指数来判定粘土所处的稠度状态。即： 工程上按液性指数将粘性土划分为五种状态: IL0 坚硬 0IL0。25 硬朔 025IL0.75 可朔 075IL1 软朔 IL1 流朔 由于L和P 是由扰动土样确定的指标，所以用上述标准判定扰动土的软硬程度是合适的，但对原样土偏保守。,第六节 土的击实性,一 土的击实性 填土用在很多工程建设中，如地基、路基、土堤和土坝等中。进行填土时，经常采用夯打、振动或辗压等方法，使土击实，以提高土的强度，减小压缩性和渗透性，保证地基和土工建筑物的稳定。 研究在击实功的作用下，土的密度变化特性，就是土的击实性。研究目的：研究如何用最小的功把土击实到所要求的密度。,第六节 土的击实性,二、击实实验 击实实验有轻型（适用于粒径小于5mm的土）和 重型（适用于粒径小于40mm的土）两种类型，实验仪 器 如图122。实验室中，将某一土样分成67 份，每 份和以不同的水量，得到各种 不同含水量的土样。将每份土 样装入击实仪中，用完全相同 的方法加以击实（层数、锤重、 锤高、击数）。击实后，测定 土的含水量和干密度。以含水 量为横坐标，干密度为纵坐标， 绘制含水量一干密度曲线。,第六节 土的击实性,三、土的击实特性 1. 粘性土的击实特性 粘性土的击实曲线如图123所示。从图可 看出：击实曲线出现一个峰值， 这说明只有当含水量为某一值 （称最优含水量）时，土才能 被击实至最密（称最大干密度） 状态。土的变密实质上就是由 于土受击实时孔隙减小所致。 当含水量很小时，颗粒表面的水膜很薄，要使颗 粒相互移动需克服很大的粒间阻力，需消耗很大 的能量；,第六节 土的击实性,随含水量增加，水膜加厚，粒间阻力减小，颗粒容易移动；当含水量超过最优含水量后，这时土中空气基本为封闭型式的，土中水和气的孔隙压力又对击实力起抵消作用。因此在填土施工时应将土料含水量控制在最优含水量左右。,第六节 土的击实性,2. 非粘性土的击实特性 非粘性土的击实曲线如图125所示（P28）。从图看 出，非粘性土的击实性也与含水量有关，不过不存在一 个最优含水量，一般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。潮湿状态下，由 于毛细压力增加了粒间 阻力，压实干密度显著 降低。所以在压实砂砾 时要充分洒水使土料饱 和。,第六节 土的击实性,四、影响土的击实特性的因素 1. 击实功的影响 （1）从图124可以看出：增大击实功，可使土的最优含水量变小，最大干密度变大。但干密度的增大不与击实功增大成正比，故企图单纯增大击实功以提高干密度是不经济的。,第六节 土的击实性,（2）图124右上侧的一根曲线是饱和曲线，即 将不同含水量所对应的土体击实到饱和状（Sr=100%） 时的含水量一干密度曲线。从图可见，饱和曲线与击 实曲线不相交，这是因为在任何含水量下，土都不会 被击实到完全饱和状态，亦即击实后土内总留存一定 量的封闭气体。故土是非饱和的。 2. 土类和级配的影响 如图2-5-5（P24），粗粒含量多、级配较好的土，其最大干密度大而最优含水量小。 3. 土的含水量的影响。分析同前。 4. 粗粒含量的影响,第七节 土的工程分类,当前，国内外关于土的命名和分类尚不统一。各部门对土的某些工程性质的重视程度和要求不完全相同，制定分类标准的着眼点不同，制定的标准不同。本课程主要介绍水利部门和建筑部门的规范。,第七节 土的工程分类,一. 土的分类标准（GBJ14590）分类法 首先根据土中有机质（未完全分解的动植物残骸） 的含量，划分为有机土（土的全部或大部分为有机质）、 有机质土（含少量有机质）、无机土（不含有机质）。 无机土可根据各粒组的相对含量划分为巨粒土、含巨 粒土、粗粒土和细粒土。 （一）巨粒土和含巨粒土的分类 试样中含巨粒组（粒径60mm）质量占总质量的 50%以上，称为巨粒土；试样中含巨粒组质量占总质 量的1550%，称为含巨粒土。,第七节 土的工程分类,漂石 巨粒土 （漂石粒含量50%） （巨粒含量75%） 卵石 （卵石含量50%） 混合土漂石 巨粒土 混合巨粒土 （漂石粒含量50%） （50%巨粒含量75% ) 混合土卵石 （卵石含量50%