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土力学 教案课次 第1次主要内容 绪论 地质作用 矿物与岩石 第四系沉积物重点内容 土与土力学的基本概念 外力地质作用 第四系沉积物教学方法 精讲启发式 绪论一 土力学的研究对象土力学是一门研究土的学科 主要解决工程中的土的性质 强度及稳定性问题 在工程建设中 土往往做为不同对象来研究 如在土层上修建房屋 桥梁 道路 铁路时 土是用来支撑上部建筑传来的荷载 这时土被用作地基 路堤 土坝等土工构筑物 土又成为建筑材料 地铁 隧道 涵洞等地下工程 土又是地下结构物周围的介质或环境 土分布在地壳的表面 其工程性质相差极大 因此 进行工程建设时 必须结合土的实际工程性质进行设计 土力学研究的对象是分散土 它与岩石 土壤既有联系又有区别 土的主要特征是分散性 复杂性和易变性 其性质将随外界环境 如温度 湿度 的变化而发生显著的变化 岩石与土是有差别的 岩石中虽然有孔隙和裂隙 但可近似看成是连续介质 岩石主要是岩石力学 或隧道力学 的研究对象 土壤属农业学科 是土壤学研究的对象 土壤的主要特征是具有肥力 能够提供植物生长过程中所需要的养料 人类对土壤的认识和利用比土要丰富的多 土壤学的发展也比土力学要早得多 但应该指出 学科之间都是相互交叉 相互渗透的 岩石力学 土壤学与土力学是密切联系的 土力学在发展过程中 也利用了许多岩石力学和土壤学的成就 二 土力学的研究内容基本概念 1 土 是岩石经过物理 化学 生物等风化作用的产物 是由矿物颗粒组成的集合体 2 土的三相组成 固体颗粒 土粒 水和气体 3 土力学 是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 土力学是岩土力学的一个分支 2 土力学的研究内容 1 土的物理 力学 物理化学性质 2 宏观与微观结构 3 土的压缩性 4 强度特性 5 渗透性 6 动力特性等 为各类土木工程的稳定和安全提供科学的对策 三 土力学发展概况 自学 四 本学科与土木工程专业的关系在土木工程设计与施工中 将会遇到大量的与土有关的工程技术问题 1 在铁路或道路的路基工程中 土是修筑路堤的基本材料 同时它又是支承路堤的地基 路堤的临界高度和边坡的取值都与土的抗剪强度指标及土体的稳定性有关 2 在路基工程中 土作为建筑材料要求用碾压法将土压实 以保证路堤的强度和稳定性 因此需要研究土的压实性 包括土的压实机理 压实方法及压实指标的评价等 3 挡土墙设计的主要外荷载 土压力的取用 需借助于土压力理论计算 4 随着我国高速公路 高速铁路的大量修建 对路基的沉降计算与控制提出了更高的要求 而解决沉降问题需要对土的压缩特性进行深人的研究 5 软土地基的加固技术 需要对软土进行大量的试验研究和现场监测 6 在路面工程中 土基的冻胀与翻浆在我国北方地区是非常突出的问题 防治冻害的有效措施是以土力学的原理为基础的 7 稳定土是比较经济的基层材料 他是根据土的物理化学性质提出的一种土质改良措施 道路一般在车辆的重复荷载作用下工作 因此需要研究土在重复荷载作用下的变形特性 8 在建筑物 桥梁等工程中 地基与基础是建筑物的根基 又属于地下隐蔽工程 经济 合理的基础工程设计需要依靠土力学基本理论的支持 9 桥梁 房屋结构的抗震设计 需要研究土的动力特性 由此可见 土力学这门学科与土木工程专业课的学习和今后的技术工作有着十分密切的关系 学习这门课程是为了更好地学好专业课 也是为了今后更好地解决有关土的工程技术问题奠定坚实的基础 第一章工程地质 1 1概述从上面分析可以看出 工程地质与道桥工程的关系极为密切 因为各种道路和桥梁都是建在地球表面上的 都要与土打交道 建筑场地的工程地质条件直接影响道桥的设计方案 施工与工程投资 因此 首先讲一些有关土质学方面的内容 一 地质作用1 内力地质作用 由地球自转产生的旋转能引起 如岩浆活动 地壳运动 变质作用等 2 外力地质作用 由太阳辐射能和地球重力位能引起 如风化 剥蚀 搬运 沉积作用等 二 风化作用1 物理风化 由于地表岩石温度变化产生温度应力和裂隙水的冻胀以及盐类结晶膨胀而使岩石被碎崩解为碎块或岩屑 其化学成份尚未发生变化 这种过程称为物理风化作用 当气温升高时 岩石膨胀产生压应力 当气温降低时 岩石收缩产生拉应力 二者频繁交替 使岩石表层产生众多裂隙最终崩解 另一方面水冻胀时产生体积膨胀或盐类结晶膨胀加速了岩石崩解过程 土中的碎石 砾石 砂等粗颗粒便是岩石物理风化的产物 2 化学风化作用 在水 大气以及有机体的化学作用或生物化学作用下而使岩石的化学成份发生水化 氧化 还原 碳酸化溶解等过程 称为化学风化 化学风化作用不仅破坏了岩石的结构 而且使化学成份改变 形成新的矿物 粘土颗粒便是岩石经化学风化后的产物 3 生物风化作用 是指生物活动过程中对岩石产生的破坏作用 如树根生长时施加周围岩石的压力可超过岩石的强度 使岩石产生裂纹而破坏 活动在地表浅层的动物如老鼠 蚯蚓等也可使岩石被碎成土 开山 挖隧道等作用产生的土等 三 剥蚀风化后的岩石产物在冰川 风 水和重力作用下 从母岩分离的现象称为剥蚀 四 搬运岩石碎块或岩屑从母岩分离后到达新的平衡位置 称为搬运 1 搬运方式 1 风 2 流水 3 冰川 4 雪崩 5 自然起伏地形形成高差 在自重作用下由高处向低处 6 人工填运 2 伴随现象 1 磨园 2 进一步的破碎或开裂 这是由于相互碰撞 磨擦或冰冻作用的结果 3 分选现象 在搬运过程中 存在着分选现象 同一粒组范围的颗粒集聚在同一地区 大颗粒的岩石碎块搬运距离一般较近 而细小的碎粒可被搬运到较远的地方沉积下来 五 沉积岩石碎块和岩屑经搬运后在某地带堆积下来 称为沉积 1 2矿物与岩石一 主要造岩矿物1 矿物 是地壳中具有一定化学成份和物理性质的自然元素或化合物 是组成岩石细胞 目前已发现的矿物有三千多种 但常见的造岩矿物仅三十多种 2 矿物种类 1 原生矿物 由岩浆冷凝而成 如石英 长石 角闪石 辉石 云母等 2 次生矿物 由原生矿物风化产生 如长石风化产生高岭石 角闪石风化产生绿泥石等 二 岩石1 岩石的类型 1 按成因 岩桨岩 火成岩 地壳下面融岩浆侵入地壳或喷出地面冷凝结晶后而形成的岩石 沉积岩 岩石经风化 剥蚀 搬运至低洼处而沉积 在常温常压下 受到压紧 化学物的胶结 再结晶或硬结等成岩作用而形成的岩石 沉积岩石分布广泛 约占地球表面的75 变质岩 在高温高压下 或化学性活泼的物质作用下 使原来岩石的结构 构造甚至矿物成份改变而形成的一种新的岩石 称为变质岩 2 按坚固性 硬质岩石 饱和单轴极限抗压强度Sb 30MPa 软质岩石 饱和单轴极限抗压强度Sb 30MPa 3 按风化程度 微风化岩石 中等风化岩石 强风化岩石 2 岩石的性质 1 强度大 2 压缩性低 3 透水性差 是良好的天然地基 1 3第四纪沉积物 层 第四纪沉积物 土 地表岩石经风化 剥蚀 搬运 沉积下来的年代不长 未经压紧 并呈松散状态的沉积物 建筑场地一般涉及的都是第四纪沉积物 第四纪沉积物分以下几种类型 一 残积物 岩石风化剥蚀后的产物仍残留在原地未被搬运 这种沉积物称为残积物 如下图所示 在残积物和基岩之间 通常存在一个风化带 残积物与强风化带之间并无明显区别 二者的界线实际上很难区分 残积物与风化层的主要区别在于 残积物是经风化剥蚀和水流将细小的颗粒带走后残留下来的较粗颗粒的堆积物 而风化带虽经风化 但未经剥蚀和搬运 残积物特征 1 颗粒不可能磨圆或分选 多为棱角状粗颗粒土 2 没有层里构造 因没有经过搬运和沉积 3 其矿物成份与下卧基岩一致 这是鉴定残积物的主要依据 4 孔隙度大 均质性差 作为建筑物地基易发生不均匀沉降 二 坡积物 高处风化 剥蚀后的岩石产物 在自重 风或流水作用下 顺山坡向下移动 最后沉积在较平缓的山坡上而形成的沉积物 坡积物特征 1 一般分布在坡腰或坡角下 2 有不同程度的磨圆或分选现象 3 土质不均匀 厚度变化大 在斜坡上厚度较薄 而在山坡下部较厚 4 由于一般堆积在倾斜的山坡上 常易发生滑动 在这类地基上修建建筑物易产生滑坡 三 洪积物 由于暴雨或融雪形成的临时性洪水 具有极强的搬运能力 将携带大量泥砂和石块 最后堆积在山谷的出口或山前平原而形成的沉积物 洪积物的堆积面积大小不一 从几平方米到数十平方公里 在许多大山与平原交界处 各条沟的洪积物不断发展 相连成片可形成洪积平原 洪积物特征 1 具有磨圆分选现象 离山越远 颗粒越细 2 分布范围多为扇形 如右图所示 3 由于山洪是周期性发生的 每次大小不尽相同 堆积下来的物质也不一样 因此 洪积物常呈不规则的交替层理构造 并且有夹层 尖夹等产状 4 作为建筑物的地基 一般认为是较理想的 尤其离山前较近的洪积物 具有较高的强度 是良好的天然地基 离山较远的地区 洪积物颗粒较细 成分均匀 地下水位较深 也属于良好的地基 但有时在上述两地段的中间地带 常因地下水溢出地表而形成沼泽地 作为地基时应慎重 四 冲击物 是河流流水将两岸岩石及上部覆盖物剥蚀后 搬运沉积在河流坡降平缓地带形成的沉积物 冲击物在地表分布很广 主要类型有 1 平原河谷冲击物 见下图 1 河床沉积物 2 河慢滩沉积物 3 河流阶地沉积物 4 古河道沉积物 2 山区河谷冲击物 山区河流速度大 多为漂石 卵石与圆砾 厚度一般10 15m3 山前平原冲击物 山前平原冲击物具有分带性 近山一带为粗粒物质组成 向平原低地逐渐变为砂土和粘土 4 三角洲沉积物 在河流入海或入湖口处 所搬运的大量细小颗粒土沉积下来 形成面积宽广 厚度较大 百米以上 的三角洲沉积物 一般以砂 粉质粘土和粉土为主 这些物质经过河流的长途搬运后 一般具有良好的分选性和颗粒磨圆度 斜层理也较发育 在三角洲地带 地下水位很高 水系密布 该区域内沉积物形成饱和砂土及软粘土 承载能力很低 压缩性很高 作为建筑物地基应特别慎重 五 海相沉积物海洋按海水深度不同划分为四个区域 滨海地区是指涨潮时淹没 落潮时落出的地带 浅海地区称为大陆架 水深0 200m 宽度100 200km 陆坡地区水深200 1000m 宽度200 300km 当水深超过1000m时 为深海地区 不同地区的沉积物不同 1 滨海沉积物 主要由卵石 圆砾和砂等组成 具有基本水平或缓倾斜的层理构造 其强度较高 在砂层中常有波浪作用留下的痕迹 2 浅海沉积物 主要由细颗粒砂土 粘性土和淤泥组成 具有层理构造 含水量大 强度低 压缩性大 3 陆坡和深海沉积物 主要是有机淤泥 六 湖泊沉积物1 湖相沉积物湖浪冲蚀湖岸而形成的碎屑物质在湖内或湖心沉积下来而形成湖相沉积物 在靠近湖岸地段沉积下来的多是粗颗粒的卵石 圆砾和砂土 远岸或湖心沉积下来的则是细砂或粘土 因此 近岸地区土的强度较高 而湖心最差 2 沼泽沉积物湖泊逐渐淤塞和陆地沼泽化 将演变成沼泽而形成沼泽沉积物 沼泽土 主要由半腐烂的植物残体 活炭 组成 含水量极高 可达百分之百 压缩性很大 承载力极低 不宜作为建筑物的天然地基 七 冰川沉积物八 风积物 作业 补充题 第四系沉积物的类型有哪些 土力学 教案 主要内容 土的生成与特性 土的三相组成 土的三相比例指标重点内容 土的三相组成 土的三相比例指标及其相互关系教学方法 精讲启发式与逻辑推理式 第二章土的物理性质与工程分类 2 1土的生成与特性一 土的生成土是由岩石经风化 剥蚀 搬运 沉积等过程后的产物 土的来源是岩石 地球表面30 80km范围是地壳 地壳原来是坚硬的岩石 完整岩石风化和剥蚀不同粒度的固体颗粒搬运和沉积土 第四纪沉积物 成岩作用岩石 所以 在地壳变动的亿万年历史长河中 岩石和土可能交替地反复形成 周期性的破碎和集合 二 土的特性在土力学中 将土作为一种工程材料来研究 与其它材料相比 土有如下特性 1 散体性 压缩性大 强度低 透水性大 颗粒之间无粘结或弱粘结 存在大量孔隙 可以透水 透气 2 多相性 土往往是由固体颗粒 水和气体组成的三相体系 三相之间质和量的变化直接影响它的工程性质 3 成层性 土粒在沉积过程中 不同阶段沉积物成分 颗粒大小及颜色等不同 而使竖向呈现成层的特征 4 变异性 土是在自然界漫长的地质历史时期演化形成的多矿物组合体 性质复杂 不均匀 且随时间还在不断变化 2 2土的三相组成土体中由土的颗粒形成骨架 骨架之间存在孔隙 孔隙中存在着液态水和空气 不同地区的土体 其三相构成的比例是不同的 即便同一地点的土体 其三相组成也随环境的变化而变化 如天气的晴雨 季节的变化 温度的高低 地下水位的升降等 都会引起土体三相比例的变化 若土中孔隙全部被水充满时为饱和土 孔隙全部被气体充满时称为干土 土中孔隙同时有水和气体存在时为非饱和土 土体的三相比例不同 土的状态和工程性质也不相同 如 如干粘土坚硬 强度大 湿粘土显可塑性 强度低 由此可见 土的三相对其物理力学性质有重大影响 所以首先应研究土的三相组成 一 土的固体颗粒1 土粒的划分在自然界中存在各种土 其颗粒有大小是不同的 由1 10 6mm的极细粘土颗粒 一直变化到几米大小的岩石碎块 最终反映在土的物理力学性质上也出现明显的差别 也就是说 即便土的矿物成份相同 但当其颗粒不同时 土的物理性质也明显不同 比如 当土粒变细时 可由无粘性变为有粘性 其抗压强度下降 压缩性提高 土粒的大小称为粒度 在工程上常把大小相近的土粒合并为一组 称为粒组 颗粒间的分界线是人为确的定 对粒组的划分 各个国家 甚至一个国家各个部门都有不同的规定 1 建筑地基基础设计规范 GB50007 2002 的划分标准 表2 1 2 水电部 SL237 1999 的划分标准 表2 2 3 土的分类标准 GBJ145 90 的划分标准 表2 3 表1 1为 建筑地基基础设计规范 GB50007 2002 的划分标准 表1 2为水电部 SL237 1999 的划分标准 表1 3为 土的分类标准 GBJ145 90 的划分标准 2 粒度成份及其表示方法土的粒度成份是指土中各种不同粒组的相对含量 以干土重量的百分比表示 它用来描述土的各种不同粒径土粒的分布特性 常见的粒度成份表示方法有 1 表格法 以列表形式直接表达各粒组的百分含量 见下表 2 累计曲线法 见图2 1 是一种较完善的图示方法 通常采用对数坐标 横坐标按对数坐标表示粒径d 纵坐标表示小于某一粒径的土粒的百分含量 根据曲线的陡缓可进行粗略分析 如曲线平缓 表示粒径相差悬殊 土粒不均匀 即级配良好 图2 1中a线 反之 曲线很陡 表示粒径均匀 级配不好 图2 1中b线 根据累计曲线的坡度 只能粗略了解土粒级配的好坏 但要科学的评价土颗粒级配情况 要有定量指标 首先介绍几个概念 有效粒径d10 小于某粒径的土相对含量为10 时 相应的粒径称为有效粒径 限制粒径d60 小于某粒径的土的相对含量为60 时 相应的粒径为限制粒径 不均匀系数 曲率系数 或称级配系数 评价标准 当Cu10时称为级配良好的土 当Cu 5 10且Cc 1 3时 土级配良好 否则不好 3 粒度成份分析法粒度成份分析的目的是确定各粒组颗粒的相对含量 对于颗粒大于0 075mm的土 可用 筛分法 对于颗粒小于0 075mm的土 可用 沉降分析法 下面介绍这两种方法 1 筛分法拿一套孔径不同的标准筛 其孔径分别为200 60 20 10 5 2 1 0 5 0 25 0 1 0 075mm 按孔径大小自上而下迭放着 并放上底盘 筛分前 首先将土样烘干 使之松散 称取土样总重量 然后将土样倒入最上面的一只筛中 经过振动 各个筛及底盘中均留有或多或少的土样 称取留在各个筛孔上的土重 除以土样总重 可得各粒组土粒的相对含量 2 沉降分析法 包括比重计法和移液管法 可参考有关 土工试验规程 留在试验课讲解 二 土中水土中水有不同形态 如固态的冰 气态的水蒸汽 液态的水 还有矿物颗粒晶格的结晶水 水蒸汽一般对土的影响不大 包括在气体中 结晶水是土颗粒的组成部分 不能自由移动 只有在高温下才能脱离晶格 对土的性质影响也不大 包括在土颗粒中 至于固态的冰 只有当土中的温度低于00C时 土中水结冰成为固态 当土中水结冰时 发生冻胀现象 当融化时又产生融陷现象 使建筑物产生不均匀沉降 在北方寒冷地区 冻胀 和 融陷 对建筑物或多或少地产生影响 但在南方 冻结深度很小 不会产生影响 对土性影响最大的还是液态水 1 土粒与水的相互作用土粒表面一般带有负电荷 围绕土粒形成电场 由于水分子是极性分子 在电场作用下将定向排列 土粒与水分子的吸引力称为电分子引力 静电引力 电分子引力随距土粒距离而减小 如上图所示 在靠近土粒表面处 电分子引力最强 把水分子牢固地吸附在颗粒表面而形成吸附层 固定层 在吸附层外 静电引力比较小 水分子的活动性要比吸附层大一些 形成扩散层 在扩散层之外 水分子几乎不受静电引力作用 因此 其排列是杂乱无章的 吸附后和扩散层与土粒表面负电荷统称为双电层 2 中水的分类 1 结合水 是被土颗粒表面电分子引力吸附着的一层较薄的水 即位于吸附层的扩散层中的水 结合水的密度 粘度均比一般水高 冰点低于00C 最低可达零下几十度 对土的工程性质影响极大 按电分子引力的强弱 结合水分为强结合水和弱结合水 强结合水 吸着水 靠近土粒表面吸附层中的水 其特征 a 电分子引力最大 可达1000个大气压 b 厚度为几个水分子厚 c 冰点很低 最低为 78 C 不冻结 d 不能自由流动 在1050C时才能蒸发 e 性质接近固体 不能传递静水压力 具有极大的粘滞性 弹性和抗剪强度 弱结合水 薄膜水 处于扩散层中的水 其特征 a 受电分子引力较小 呈粘滞状态 厚度稍大些 b 不能自由流动 不能传递静水压力 c 有从厚水膜向薄水膜移动的特性 随着与土粒表面的距离增大 电分子引力逐渐减少 弱结合水逐渐过渡为自由水 2 自由水 电场影响范围以外 服从重力规律的土孔隙中的水 称为自由水 其特征 a 无抗剪强度 能传递静水压力 b 在重力作用下在土孔隙中可由高处向低处流动 c 具有溶岩能力 自由水可分为重力水和毛细水 重力水 在孔隙中只受重力作用而自由流动的水 重力水一般只存在于地下水位以下的透水层中 毛细水 受到表面张力作用而存在于地下水位以上的透水层中的自由水 由于表面张力作用 地下水沿着土孔隙不规则的毛细孔上升 形成毛细上升带 其上升高度主要取决于土颗粒的大小 粘性土中为5 6m 对于粒径大于2mm的土无毛细现象 毛细水对公路路基的干湿状态及冻害有重要的影响 对砂土的强度也有一定的影响 三 土中气体土中孔隙中没有被水占据的部分都是气体 可分为 1 自由气体 是指与大气连通的土孔隙中的气体 在土受压缩时逸出 对工程无影响 这种含气体的土称为非饱和土 2 封闭气泡 指与大气隔 存在于粘性土层中的气体 土中气泡多时增加了土的压缩性 但同时减少了土的渗透性 对土的工程性质影响较大 在受到外力作用时 随着压力的增大 这种气泡可被压缩或溶解于水中 压力减小时 气泡可恢复原状或重新游离出来 在泥和泥炭土中 由于微生物的活动和分解作用 土中产生一些可燃气体 如硫化氢 甲烷等 使土层不易在自重作用下压密而形成高压缩性的软土层 2 3土的三相比例指标上节我们着重介绍了土的三相组成 既土是由固体颗粒 水和气体组成的 本节着重研究这三者在数量上的关系 土的三相比例指标 土的三相在体积和重量上的关系称为土的三相比例指标 为研究土的三相比例指标 在土中任取一体积为V的土体 是由固体颗粒 水和气体组成的 假设能够将三者分离开来 如下图所示 图中 ma 土中气体的质量 可忽略 即ma 0 mw 土中水的质量ms 土中固体颗粒的质量m 土的总质量Va 土中气体所占体积Vw 土中水所占体积Vs 土中固体颗粒所占体积Vv 土中孔隙部分体积 Vv Vw VaV 土的总体积 V Vv Vs Va Vw Vs 一 试验指标 一 土的密度和重度密度 单位体积土的质量称为土的密度 一般土的1 6 2 0g cm3 土越密实 密度越大 测定方法 土的密度用 环刀法 测定 将环刀放在原状土样上面 边压边削去环刀外围的土 直至土样压满环刀容积为止 称得环刀内土样质量 与环刀容积之比既为土的密度 2 重度 单位体积土的重力 称为重量密度 简称重度 即 二 土的含水量 1 定义 土中水的质量与土颗粒质量之比 称为含水量 常用百分数来表示 即土的含水量反映土的干湿程度 含水量越大 土越湿越软 地基土承载能力越低 我国沿海软粘土含水量常接近50 高者达60 70 2 测定方法 一般采用 烘干法 测定 取一小块原状土 湿土 称取其质量 记为m1 然后置于烘箱内 烘箱内温度一般控制100 1050C 烘至恒重 再称土样质量 记为m2 干土的重量 则 土的含水量为 式中 m1 原状土样的湿土质量 m2 烘干后土样的干土质量 即为土颗粒质量ms 快速测定 的方法 酒精燃烘法 红外线法 铁锅炒干法 三 土粒相对密度 土粒比重 ds1 定义 土粒的质量与同体积纯蒸馏水在4 C时质量的比值 称为土粒的相对密度 即式中 s 土粒的密度 即单位体积土粒的质量 s sg称为土粒密度 w 4 C时纯蒸馏水的密度 一般取 w1 0g cm3 因为 w 1 0g cm3 故实用上 土粒相对密度在数值上即等于土粒的密度 但是一无量纲数 2 测定方法 比重瓶法测定 土粒相对密度的变化范围不大 细粒土 粘性土 一般为2 70 2 75 砂土一般为2 65左右 土中有机质含量增加时 土粒相对密度减小 二 换算指标 一 干密度Pd与干重度 d1 干密度Pd 土的固相质量ms与总体积v之比 即 Pd越大 土越密实 常作为填土容实度的施工控制指标 2 干重度 d Pdg 10Pd 二 饱和密度Psat与饱和重度 sat1 饱和密度Psat 土中孔隙全部充满水时 单位体积土的质量 2 饱和重度 sat Psatg 10Psat 三 有效密度P 浮密度 和有效重度 浮重度 1 有效密度 在地下水位以下 单位体积中土粒的质量扣除同体积水的质量后 即为单位土体积中土粒的有效质量 称为土的有效密度 即 2 有效重度 P g 10P kN m3 sat w w 10KN m3 四 土的孔隙比 土中孔隙体积与颗粒体积之比 称为孔隙比 即e Vv Vs孔隙比是表明土密实程度的一个很重要的物理指标 建筑物的沉降量与的孔隙比有着密切的关系 天然状态下的粘性土 1时 土是松软的 建筑物的沉降量也大 属高压缩性土 五 孔隙率 度 n土中孔隙体积与总体积之比 以百分数表示 即 六 土的饱和度Sr土中水的体积与孔隙体积之比 以百分数表示 即 土的饱和度反映土的潮湿程度 如果Sr 100 表明土孔隙中充满水 土是完全饱和的 Sr 0 则土是完全干燥的 通常可根据饱和度的大小将砂土划分为稍湿 很湿和饱和三种状态 Sr 50 稍湿50 Sr 80 很湿Sr 80 饱和 三 指标间的关系上面我们讲了试验指标和换算指标 其中试验指标有三个 它们是土的密度 土粒比重和含水量 这三个试验指标必须通过试验才能确定 土的密度用 环刀法 测定 土粒比重用 比重瓶法 测定 含水量用 烘干法 测定 在测定出这三个基本指标后 其余换算指标可根据这三个试验指标算出来 下面我们着重介绍一下换算指标与试验指标间的关系 设土粒体积Vs 1 则根据孔隙比定义得 Vv Vse eV 1 e根据相对密度定义得 根据含水量定义得 根据体积和质量关系 根据上图 可由指标的定义得到下述计算公式 即 作业 P29 第1题 第2题 第5题 土力学 教案 课次 第3次主要内容 土的物理特性指标 土的结构与构造 土的工程分类重点内容 黏性土的物理特性指标 土的工程分类教学方法 精讲启发式 2 4土的物理特性指标一 粘性土的物理特性指标粘性土 是指具有可塑状态性质的土 它们在外力的作用下 可塑成任何形状而不开裂 当外力去掉后 仍可保持原形状不变 土的这种性质称为可塑性 一 粘性土的界线含水量含水量的大小对粘性土的工程性质要产生极大的影响 随着含水量的增加 粘性土的强度要降低 压缩性要提高 粘性土随着含水量的增加 将由固态 半固态 可塑状态 流动状态 如下图所示 流动状态 当粘土中水较多 土粒完全被水隔开时 土成泥浆状 可流动 这时土的抗剪强度极低 可塑状态 在外力作用下可塑成任何形状而不发生裂缝 当外力移去后能保持既得形状 不回弹也不坍塌 粘性土的这种特性称为可塑性 相应的状态为可塑状态 此时土有很小的抗剪强度 半固态 当含水量继续减少时 土体因水份减少而发生体积收缩 称为半固态 固态 当含水量进一步减少 但其体积不再收缩时 粘土处于固态 处于半固态和固态的粘性土 具有较大的抗剪强度 在外力作用下不再有可塑性 而是呈脆性 界线含水量 粘性土的一种状态转入另一种状态时的分界含水量称为界线含水量 土由流动状态变成可塑状态的界限含水量称为液限 用WL表示 土由可塑状态变化到半固态的界限含称为塑限 用WP表示 由半固态到固态的界限含水量称为缩限 用WS表示 塑限WP和液限WL在国际上称为阿太堡界限 来源于土壤学 后来应用于土木工程 处于固态的土 基本上只含强结合水 处于半固态的土 含强结合水及部分弱结合水 处于塑性状态的粘性土含有结合水和少部分自由水 处于流动状态的粘性土含有大量的自由水 二 界限含水量的测定方法1 液限WL的测定我国用锥式液限仪来测定 如下图所示 将调成浓糊状的试样装满盛土杯 刮平杯口面 手握手柄将园锥体轻放于试样之上 使其在自重作用下缓慢下沉 如经过15s圆锥沉入深度恰好为10mm时 该试祥的含水量即为液限wL值 若锥体入土深度大于10mm 说明土样的含水量高于液限 若锥体入土深度小于10mm 说明土样的含水量低于液限 需重新调配试样 直到合格为止 对于合格的试样 利用烘干法测定其含水量 即为液限wL 在欧美等国家多采用碟式液限仪 2 塑限WP的测定用 搓条法 测定 将调配好的试样 用手先搓成直径小于10mm的小园球 然后用手撑放在毛玻璃板上搓成小土条 若土条搓至直径为3mm时正好断裂或出现较多裂缝 这时土样的含水量就是塑限 若土条搓至直径3mm时仍未断裂 说明试样含水量高于塑限 如土条过早断裂 说明土样含水量低于塑限 在这种情况下 都需重新调配试样直到合格为止 然后 将合格的试样称取15g 用 烘干法 测定含水量 即得塑限 P 3 液塑限联合测定法 公路系统 用锥式液限仪进行试验时 圆锥的入土深度与土样的含水量有关 试验表明 二者在双对数坐标上为直线关系 如下图所示 试验时 调配成三种含水量不同的试样 分别用锥式液限仪来测定入土深度 这样便在双对数座标上得到三个点 通过这三点 画一条直线 相应于入土深度10mm时的含水量为液限 L 相应于入土深度为2mm时的含水量为塑限 P 三 塑性指数与液性指数1 塑性指数 液限 L与塑限 P的差值 即IP L P习惯用不带 的数值表示 塑性指数的大小 反映了土处于可塑状态的含水量变化范围 IP值越大 土处于可塑状态的含水量范围也越大 而土处于可塑状态时 土中水是结合水和小部分自由水 因此 IP的大小与土中结合水的含量有明显的关系 也就是与土颗粒大小有关 土粒越细 粘粒越多 其比表面积越大 结合水含量越高 IP值也就越大 此外 塑性指数的大小也与矿物成份和土中水的化学成份有关 可看成是土的一个综合性指标 对于塑性指数相似的粘性土 一般均表现出相似的物理力学性质 因此 常用塑性指数作为粘性土分类的标准 此外 塑性指数的大小也与矿物成份和土中水的化学成份有关 可看成是土的一个综合性指标 对于塑性指数相似的粘性土 一般均表现出相似的物理力学性质 因此 常用塑性指数作为粘性土分类的标准 2 液性指数 稠度 式中 土的天然含水量 由上式可见 当 L时 IL 1 土处于流动状态 由此可见 液性指数IL的大小反映了粘性土的软硬程度 IL越大 土越软 根据液性指数IL的大小 建筑地基基础设计规范 将粘性土划分为五种软硬状态 划分标准见下表 四 粘性土的灵敏度和触变性天然状态下的粘性土 由于地质历史作用常具有一定的结构性 当土体受到外力扰动作用 其结构遭受破坏时 土的强度降低 压缩性增高 工程上常用灵敏度St来衡量粘性土结构性对强度的影响 粘性土的软硬状态 1 灵敏度Si qu qu式中 qu 原状土无侧限抗压强度 kPa qu 重塑土无侧限抗压强度 kPa 土的灵敏度愈高 其结构性愈强 受扰动后土的强度降低就愈明显 因此 在基础工程施工中必须注意保护基槽 尽量减少对土结构的扰动 2 粘性土的触变性 粘性土受扰动时强度降低 而静止时土的强度又重新增长的性质 称为土的触变性 土的触变性对桩基础很有利 打预制桩时 桩周围土受震结构破坏 强度降低 使桩容易打入 当打桩停止后 土的部分强度又恢复 使桩的承载力又提高了 五 土的最优含水量1 定义修建公路 有一半以上的路段为填方路段 人工填土作为路基必须处理 一般采用压路机碾压法 对于建筑工程 当人工填土作为建筑物地基时 也必须处理 一般利用人工夯实的方法进行分层夯实 以提高填土的强度 增加密实度和降低透水性 降低压缩量 对于过干的土进行夯打时 由于土中水主要是强结合水 土粒周围的水膜很薄 颗粒间具有很大的分子吸引力 阻止颗粒间的移动 击实比较困难 当含水量继续增加时 土中含强结合水及弱结合水 水膜变厚 土粒间联结力减弱而使土粒便于移动 击实效果较好 当水含量继续增大时 土中出现了自由水 击实时 孔隙中过多的水分不易立即排出 势必阻止土粒间的靠扰 产生软弹现象 俗称橡皮土 击实效果反而下降 所以 要使土的击实效果最好 含水量必定有一个最佳值 即最优含水量 最优含水量 在一定夯击或压实能量下 填土达到最大干密度时 相应的含水量为最优含水量 2 最优含水量 0P的测定用击实仪测定 如下图所示 图中击锤重24 5N 锤底直径50mm 落距460mm 击实筒的容积为1000cm3 内装土样 导筒起导向作用 将土样放 松手后击锤在自重作用下下落 可将土样击实 试验时 对同一种土 配成若干份含水量不同的试样 对每一份先取1 3倒入击实筒内 进行击实 对于砂土一般20击 粘土30击 然后再取1 3倒入击实筒 再进行击实 最后将另外1 3倒入击实筒 进行击实 也就是分三层夯实 达到规定击数后 测定土样的含水量和干密度 含水量一般用烘干法测定 而土样的干密度可按下式计算 即 式中 m 击实筒的土样质量 g A0 击实筒内面积 cm2 h 击实后试样高度 cm 含水量 用烘干法测定 根据对不同含水量试样进行试验的结果 绘制击实曲线 即含水量与干密度关系的曲线 如下图所示 曲线处于峰值的含水量就是最优含水量 0P 相应的干密度为 dmax 从击实曲线可以看出 当填土中的含水量低于最优含水量时 随着含水量的增加 干密度也随之加大 表明击实效果逐步提高 当含水量高于最优含水量后 随着含水量的增加 击实效果反而下降 因此 用人工填土作为地基时 首先应调整其含水量为最优含水量 然后再夯实或碾压 才能获得最高的密实度 3 最优含水量经验值 0p p 2有时 在缺少击实仪条件下 可根据测得的塑限估计最优含水量 二 无粘性土的密实度对于砂 卵石 砾石等无粘性土 属单粒结构 最主要的物理特性指标就是密实度 表明密实度的方法有三种 1 用孔隙比e作为划分密实度的标准 e值越小 土越密实 以相对密度Dr作为划分密实度的标准相对密度 式中 e 天然孔隙比 emax 最疏松状态下的孔隙比 即最大孔隙比 emin 最密实状态下的孔隙比 即最小孔隙比 Dr 0 1 Dr值越大 土越密实 则 1 0 67密实的0 67 0 33中密的0 33 0松散的 3 用标准贯入试验捶击数N63 5作为划分密实度的标准标准贯入试验是一种现场原位测试方法 是将标准贯入器打入土中一定距离 30cm 所需落锤次数 标贯击数 记为N63 5 该值反映了土的密实度的大小 该值越大 土越密实 见下表 砂土和碎石土密实度的划分 2 5土的结构与构造一 土的结构1 土粒间的连结关系 1 接触连结 是指颗粒之间的直接接触 接触点上的连结强度主要来源于外加压力所带来的有效接触压力 这种连结方式在碎石土 砂土 粉土中或近代沉积土中普遍存在 2 胶结连结 是指颗粒之间存在着许多胶结物质 将颗粒胶结连结在一起 一般其连结较为牢固 胶结物质 般有粘土质 可溶盐和无定形铁 铝 硅质等 3 结合水连结 是指通过结合水膜而将相邻土粒连结起来的形式 又叫水胶连结 这种连结在一般粘性土中普遍存在 4 冰连结 是指含冰土的暂时性连结 融化后即失去这种连结 2 土的结构类型 1 单粒结构 a 为舒松状态 b 为密实状态 2 蜂窝结构主要由粉粒 粒径为0 005mm 0 075mm 组成的结构形式 在水中因自重作用而下沉 碰到别的正在下沉或已沉积的土粒 由于土粒间的分子引力大于下沉土粒的重力 则下沉土粒被吸引 不再下沉 逐渐形成链环状单元 很多这样的链环联结起来 便形成较大孔隙的蜂窝结构 3 絮状结构絮状结构又称絮凝结构 细微的粘粒 粒径小于0 005mm 大都呈针状或片状 形成絮状结构 蜂窝结构和絮状结构的土 其土粒间的联结强度会由于压密和胶结作用而逐渐得到加强 这种强度称为结构强度 二 土的构造1 层状构造土层由不同的颜色或不同的粒径的土组成层理 一层层互相平行 反映不同年代不同搬运条件形成的土层2 分散构造是指颗粒在其搬运和沉积过程中 经过分选的卵石 砾石 砂等因沉积厚度较大而不显层理的一种构造 结核状构造在细粒土中混有粗颗粒或各种结核 如含礓石的粉质黏土 含砾石的冰则黏土等 均属结核状构造 裂隙构造裂隙构造是因土体被各种成因形成的不连续的小裂隙切割而形成的 在裂隙中常充填有各种盐类的沉淀物 不少坚硬和硬塑状态的粘性土具有此种构造 如图l所示 裂隙将破坏土的整体性 增大透水性 对工程不利 2 6土的工程分类土是自然地质历史的产物 它的成份 结构和性质是是千变万化的 其工程性质也是千差万别的 因此 有必要对土进行科学的分类 即把工程性质近似的土划分为一类 人们在长期的生产实践中 已提出过不少分类系统 如 地质分类 土壤分类 粒径分类 结构分类等 每一种分类系统 反映了土某些方面的特征 在工程实践中需要的是适合于工程用途的工程分类方法 既按土的主要工程特性进行分类 下面主要介绍 建筑地基基础设计规范 的分类法和 公路桥涵地基与基础设计规范 分类法 一 建筑地基基础设计规范 分类法1 岩石岩石是指颗粒间牢固粘结 呈整体或具有节理裂隙的岩体 1 按岩石的坚硬程度 分为坚硬岩 较硬岩 较软岩 软岩 极软岩 岩石坚硬程度的划分 2 按岩石的风化程度 分为未风化 微风化 中风化 强风化和全风化 3 按岩石的完整程度 分为完整 较完整 较破碎 破碎 极破碎2 碎石土是指粒径大于2mm的颗粒含量超过全重50 的土 岩石的完整程度 2 碎石土是指粒径大于2mm的颗粒含量超过全重50 的土 根据粒组含量及颗粒形状可分为漂石或块石 卵石或碎石 圆砾或角砾 碎石土的分类 3 砂土是指粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重50 而粒径大于0 075mm的颗粒含量超过全重50 的土 根据粒组含量分为砾砂 粗砂 中砂 细砂和粉砂 砂土的分类 4 粉土是指粒径大于0 075mm的颗粒含量不超过全重50 且塑性指数IP10的土 5 粘性土粘性土是指塑性指数Ip大于10的土 根据塑性指数Ip可分为粉质粘土 10 Ip 17 和粘土 Ip 17 6 人工填土人工填土是指由于人类活动而形成的堆积物 1 根据其物质组成和成因 可分为素填土 杂填土和冲填土三类 素填土 由碎石 砂土 粉土 粘性土等组成的填土 不含杂质或含杂质很少 杂填土 含有大量建筑垃圾 工业废料或生活垃圾等杂物的填土 冲填土 由水力冲填泥砂形成的填土 2 按堆填时间 分为老填土和新填土 老填土 堆填时间超过10年的粘土或超过5年的粉土 新填土 堆填时间小于10年的粘土或小于5年的粉土 7 特殊性土 1 淤泥和淤泥质土淤泥 天然含水量 L 天然孔隙比e 1 5的粘性土称为淤泥 淤泥质土 天然含水量 L 天然孔隙比1 0 e 1 5的粘性土称为淤泥质土 2 红粘土和次生红粘土红粘土 液限 L 50 裂隙发育 具有明显收缩性的棕红 褐黄等色的高塑性粘土称为红粘土 一般分布于北纬33度以南地区 次生红粘土 经搬运但仍保留红粘土特征 且液限 L 45 的土 称为次生红粘土 3 黄土 是一种含大量碳酸盐类 且常能以肉眼观察到大孔隙的黄色粉状土 天然黄土在未受水浸湿时 一般强度较高 压缩性较低 但当其受水浸湿后 因黄土自身大孔隙结构的特征 压缩性剧增使结构受到破坏 土层突然显著下沉 同时强度也随之迅速下降 这类黄土统称为湿陷性黄土 4 膨胀土 是指土中含有大量的亲水性粘土矿物成分 如蒙脱石 伊利石等 在环境温度及湿度变化影响下 可产生强烈胀缩变形的土 由于膨胀土通常强度较高 压缩性较低 易被误认为是良好的地基 但遇水后 就呈现出较大的吸水膨胀和失水收缩的能力 往往导致建筑物和地坪开裂 变形而破坏 5 多年冻土 是指冻结状态在自然界连续保持3年或3年以上的土 当自然条件改变时 它将产生冻胀 融陷 热融滑塌等特殊不良地质现象 6 盐渍土 是指易溶盐含量大于0 5 且具有吸湿 松胀等特性的土 由于可溶盐遇水溶解 可能导致土体产生湿陷 膨胀以及有害的毛细水上升 使建筑物遭受破坏 二 细粒土按塑性图分类 自学 三 公路桥涵地基与基础设计规范 分类法1 碎石土的分类与 建筑地基基础设计规范 完全相同 参见表 2 砂土的分类名称和标准见表 3 粘性土的分类名称和标准见表 砂土分类 粘性土分类 作业 P29 第3题 第4题 土力学 教案课次 第4次主要内容 土的毛细性 土的渗透性 土在冻结过程中的水分迁移与集聚重点内容 土的毛细现象及其危害 达西定律 冻土现象及其对工程的危害教学方法 精讲启发式 第三章土中水的运动规律土中水并非处于静止不变的状态 而是在不停的运动着 土中水的运动原因和形式很多 主要有 1 在重力作用下 地下水的渗流 土的渗透性问题 2 土在附加应力作用下孔隙水的挤出 土的固结问题 3 由于表面张力作用产生的水份移动 土的毛细现象 4 在电分子引力作用下 结合水的移动 冻结时土中水的迁移 5 由于孔隙水溶液中离子浓度的差别产生的渗附现象等 地下水的运动影响工程的设计方案 施工方法 施工工期 工程投资以及工程长期使用 而且 若对地下水处理不当 还可能产生工程事故 因此 在工程建设中 必须对地下水进行研究 本章重点研究土中水的运动规律及其对土性质的影响 3 1土的毛细性一 土的毛细现象1 定义 是指土中水在表面张力作用下 沿着细的孔隙向上或其它方向移动的现象 这种细微孔隙中的水被称为毛细水 对工程产生一定的影响 2 影响 1 毛细水上升引起路基冻害 2 对于房屋建筑 毛细水上升会引起地下室过分潮湿 需解决防潮问题 下面主要介绍毛细现象中的几个概念 二 毛细水带土层是由于毛细现象所润湿的范围称为毛细水带 可分如下三种1 正常毛细水带 又称毛细饱和带 它位于毛细水带的下部 与地下潜水相连通 这部分毛细水主要是由潜水面直接上升而形成的 毛细水几乎充满了全部孔隙 该水带会随着地下水位的升降而作相应的移动 2 毛细网状水带它位于毛细水带的中部 当地下水位急剧下降时 它也随着急速下降 这时在较细的毛细孔隙中有一部分毛细水来不及移动 仍残留在孔隙中 而在较粗的孔隙中因毛细水下降 孔隙中留下气泡 这样使毛细水呈网状分布 3 毛细悬挂水带它位于毛细水带的上部 这一带的毛细水是由地表水渗入而形成的 水悬挂在土颗粒之间 当地表有水补给时 毛细悬挂水在重力作用下向下移动 上述三个毛细带不一定同时存在 这取决于当地的水文地质条件 如地下水位很高时 可能只有正常毛细水带 而没有毛细悬挂水带和毛细网状水带 反之 当地下水位较低时 则可能同时出现3个毛细水带 三 毛细水上升高度1 理论计算公式假设一根直径为d的毛细管插入水中 可以看到水会沿毛细管上升 其上升最大高度为 式中 水的表面张力 见P32表2 1 d 毛细管直径 m w 水的重度 取10kN m3 从上式可以看出 毛细水上升高度与毛细管直径成反比 毛细管直径越细时 毛细水上升高度越大 2 经验公式在天然土层中 毛细水的上升高度是不能简单地直接采用上面的公式的 这是因为土中的孔隙是不规则的 与园柱状的毛细管根本不同 使得天然土层中的毛细现象比毛细管的情况要复杂得多 例如 假定粘土颗粒直径为d 0 0005mm的圆球 那么这种均粒土堆积起来的孔隙直径d 1 10 5cm 代入上式可得毛细水上升高度为dmax 300m 这是根本不可能的 实际上毛细水上升不过数米而已 海森 A Hazen 提出了下面的经验公式 式中 h0 毛细水实际上升高度 m e 土的孔隙比 d10 土的有效粒径 C 系数 一般C 1 5 10 5m2 无粘性土毛细水上升高度的大致范围见表2 2 土中的毛细水上升高度 由上表可见 砾类与粗砂 毛细水上升高度很小 细砂和粉土 不仅毛细水高度大 而且上升速度也快 即毛细现象严重 但对于粘性土 由于结合水膜的存在 将减小土中孔隙的有效直径 使毛细水在上升时受到很大阻力 故上升速度很慢 四 毛细压力 自学 3 2土的渗透性土孔隙中的自由水在位势差作用下发生运动的现象 称为土的渗透性 渗透性是土的重要工程性质之一 与土的强度 变形问题一样 也是土力学中主要研究课题之一 一 渗流的基本规律 一 层流渗透定律 达西定律 1 基本概念 1 流线 水点的运动轨迹称为流线 2 层流 如果流线互不相交 则水的运动称为层流 3 紊流 如果流线相交 水中发生局部旋涡 则称为紊流 一般土 粘性土及砂土等 的孔隙较小 水在土体流动过程中流速十分缓慢 因此多数情况下其流动状态属于层流 2 达西定律法国学者达西 H Darcy 于1856年通过砂土的渗透试验 发现了地下水的运动规律 称为达西定律 试验装置下图所示 L 试样长 砂土 A 截面积 h 水位差 t 时间 s Q 试验开始t秒钟后盛水容器所接水量 cm3 则每秒钟渗透量达西发现 q与A h成正比 与L成反比 则写成 则渗透速度 单位时间通过单位面积的水量 式中 渗透速度 m s i 水力坡降 水头梯度 K 渗透系数 由于达西定律只适用于层流的情况 故一般只适用于中砂 细砂 粉砂等 在粘土中 土颗粒周围存在着结合水 结合水因受到电分子引力的作用而呈现粘滞性 因此 粘土中自由水的渗流受到结合水的粘滞作用产生很大的阻力 只有克服结合水的抗拉强度后才能开始渗流 我们将克服此抗拉强度所需要的水头梯度 称为粘土的起始水头梯度ib 这样在粘土中 达西定律为 V k i ib 式中 ib 起始水头梯度 起始水力坡降 砾类土和巨粒土中 只有在小的水力坡降下 渗透速度与水力坡降才呈线性关系 而在较大的水力坡降下 水在土中的流动进入紊流状态 呈非线性关系 此时达西定律不能适用 如上图 c 所示 需建立紊流情况下的公式关系 3 渗透系数 自学 4 影响水渗透性的因素 1 土的粒度成份及矿物成份土颗粒越大 越浑园 越均匀 级配越差时 渗透性越大 反之 渗透性越小 例如 砂土中含有较多粘土及粘土颗粒时 其渗透系数就大大降低 2 土的矿物成份关于土的矿物成份对无粘