chapter土力学北京交通大学实用PPT课件

1、土的形成：地质历史的产物，是地球表面的整体岩石在大气中经受自然力和自然环境的长期风化作用形成。反向过程：土经过很长的地质年代，发生复杂的物理化学变化，逐渐压密、岩化，最终又可形成岩石。循环演变：岩石土岩石土。重复进行。地质概念： 第四纪地质：（第四纪地质：（1 1）更新世：）更新世：1.31.3万年到万年到7171万年万年 （2 2）全新世：小于）全新世：小于0.250.25万年到万年到1.31.3万万年。年。 新近代沉积土：有人类文化期以来沉积的土。新近代沉积土：有人类文化期以来沉积的土。第1页/共76页2.2.1 风化作用（1）物理风化 地质构造力；温度变化；冰冻作用；碰撞作用颗粒大小发生

2、改变，化学成分保持不变。第2页/共76页（2）化学风化 水解作用；水化作用；氧化作用；溶解作用 矿物化学成分变化，形成次生矿物。 正长石 高磷石(水解 )（3）生物风化 植物根分泌有机酸；遗体腐烂；微生物作用 动植物或人类活动的影响。第3页/共76页小结： （1）物理风化 （2）化学风化 （3）生物风化需要注意：a、上述风化作用常常是同时存在的。 b、不同地区，自然条件不同，风化作用有主次。 c、风化作用由地表向下逐渐减弱第4页/共76页2.2.2 不同生成条件下土的特点1. 残积土概念：母岩经风化作用破碎成为岩屑或细小颗粒，残留原地。特点：颗粒表面粗糙、多棱角、粗细不均、无层理。2. 搬运土

3、概念：风化所形成的土颗粒，受自然力作用，搬运到远近不同的地点沉积。特点：颗粒经滚动和摩擦作用而变圆滑。 受水流等自然力的分选作用而形成不同的层次，粗颗粒下沉快，细颗粒下沉慢。第5页/共76页搬运土分类： 坡积土 风积土 冲积土 洪积土 湖泊沼泽沉积土 海相沉积土 冰积土 第6页/共76页2.2.3 土的沉积与成岩作用成岩作用：土经过搬运和沉积，经过一系列变化，最后固结成坚硬的岩石(沉积岩)。几种作用：压固脱水、胶结、重结晶沉积岩。 (见图2-1) 第7页/共76页图2-1 土与岩石的相互转化第8页/共76页2.3 2.3 土的物质组成土的物质组成()土 三相体混合物土颗粒(土固体骨架)孔隙水孔

4、隙气第9页/共76页 2.3.1 土中固体颗粒（土的固相） 1. 1. 粒组的划分和颗粒级配曲线（1 1）几个基本概念粒度粒度: :土粒的大小称为粒度。土粒的大小称为粒度。粒度成分：不同粒径颗粒的相对含量。粒度成分：不同粒径颗粒的相对含量。粒组：大小相近的土粒合并为组。粒组：大小相近的土粒合并为组。a a、粒组间的分界线是人为划定的; ;b b、划分时应使粒组界限与粒组性质的变化相适应; ;c c、按一定的比例递减关系划分粒组的界限值。d d、表2-12-1给出国内常用的粒组划分方法。第10页/共76页表表2-1 2-1 粒组的划分粒组的划分第11页/共76页（2 2）颗粒级配和颗粒分析试验a

5、. 筛分法：适用于粒径大于筛分法：适用于粒径大于0.075mm的粗颗粒土。的粗颗粒土。图图6 摆筛图摆筛图第12页/共76页b. 密度计法：适用于粒径小于密度计法：适用于粒径小于0.075mm的细颗粒土。的细颗粒土。 斯托克斯斯托克斯(stokes)(stokes)定理：颗粒下沉速度与颗粒直径的平方成定理：颗粒下沉速度与颗粒直径的平方成正比。正比。 c. 综合分析综合分析 筛分法和密度计法结合筛分法和密度计法结合第13页/共76页（3）颗粒级配曲线 用半对数纸表示颗粒级配曲线横坐标(按对数比例尺)：表示某一粒径（d）；纵坐标：表示小于某一粒径的土粒百分含量（%）。由颗粒级配曲线可知道某一粒径范

6、围的百分含量！问题：如何判断级配的好坏？第14页/共76页 两个指标表示大小、均匀程度及其级配情况 不均匀系数： d d6060（限定粒径）（限定粒径）小于该粒径的含量占总量的小于该粒径的含量占总量的60%60% d d1010（有效粒径）（有效粒径）小于该粒径的含量占总量的小于该粒径的含量占总量的10%10%6010udCdq该指标考虑了大颗粒和小颗粒含量该指标考虑了大颗粒和小颗粒含量的差异；的差异；qCuCu愈大，颗粒愈不均匀；愈大，颗粒愈不均匀；第15页/共76页d d3030（连续粒径）（连续粒径）小于该粒径的含量占总量的小于该粒径的含量占总量的30%30%2306010cdCdd 曲

7、率系数： q该指标考虑了中间粒径的影响；该指标考虑了中间粒径的影响；qCcCc大于大于3 3，曲率变化快，土均匀；，曲率变化快，土均匀；qCcCc小于小于1 1，曲率变化平缓，中间颗粒少；，曲率变化平缓，中间颗粒少；第16页/共76页a、级配良好土：曲线光滑连续，不存在平台段，坡度平缓 满足Cu5及Cc=1-3两个条件 （图2-2的B土曲线）（4）土级配优劣的标准图2-2 土的颗粒级配曲线第17页/共76页b、级配不良土：级配曲线坡度陡峭，粗细颗粒均匀； 级配曲线存在平台段，即存在不连续粒径。 不能同时满足Cu5及Cc=1-3两个条件 （图2-2的C土和A土曲线）图2-2 土的颗粒级配曲线第1

8、8页/共76页图图2-2 2-2 土的颗粒级配曲线土的颗粒级配曲线第19页/共76页 例例2-12-1：取天然土样：取天然土样500g500g，试用筛分法测定其粒组含量。，试用筛分法测定其粒组含量。 例题2.1 2.1 粗粒部分筛分试验结果 筛孔直径(mm) 10 5 2.0 1.0 0.5 0.25 0.15 0.075 0.075 各层筛子上土粒质量(g) 25 40 45 60 55 95 50 25 105 各层筛子上土粒含量(%) 5 8 9 12 11 19 10 5 21 小于各层筛孔直径的土粒含量(%) 95 87 78 66 55 36 26 21 21 各粒组土粒质量(g)

9、 65 45 115 95 75 105 各粒组的相对含量(%) 13 9 23 19 15 21 粒组名称 中砾 细砾 粗砂 中砂 细砂 细粒组 第20页/共76页图2-3 细颗粒土试验结果第21页/共76页土的矿物成分与粒组关系（图土的矿物成分与粒组关系（图2-4）土无机矿物有机矿物-腐殖质,颗粒很小,与水作用大原生矿物次生矿物-物理风化产物,颗粒一般较粗高岭石蒙脱石,化学风化产伊石物利颗粒较细第22页/共76页图2-4 土的矿物成分与粒组的关系第23页/共76页2.4 土土-水水-电解质系统及其相互作用电解质系统及其相互作用 2.4.1 粘粒的胶体特性粘粒的胶体特性 2.4.2 粘土的双

10、电层粘土的双电层 2.4.3 粘土的触变与陈化粘土的触变与陈化第24页/共76页2.52.5土的结构性 土的结构性：指土的物质组成(主要指土粒，也包括孔隙)的空间相互排列，以及土粒间的联结特征的综合。土结构的影响：对土的物理力学性质有重要的影响。土结构的变化和意义：土的结构在形成过程中及形成之后，当外界条件变化时都会使土的结构发生变化。第25页/共76页图A 砂土结构特点第26页/共76页图图B B 粘土结构特点粘土结构特点第27页/共76页a 单粒非絮凝结构结构b 粒组的非絮凝结构d 单粒的角-角凝絮结构e 粒组的角-面絮凝结构f 粒组的角-角絮凝结构c 单粒的角-面絮凝结构g 粒组的角-面

11、絮凝结构与角-角絮凝结构第28页/共76页2.6 2.6 土的物理性质指标土的物理性质指标物理模型 假定模型第29页/共76页总质量：m=ms+mw总体积：V=Vs+Vv=Vs+Va+Vw 符号： ssoil vvoid aair wwater图2-25 土的三相图2.6.1土的三相草图 可用三相草图来描述土的三相组成 定义土的物理性质指标。第30页/共76页三相草图的意义：土的三相物质在体积和质量上的比例关系称为三相比例指标；三相比例指标反映了土的干燥与潮湿、疏松与紧密；评价土的工程性质的最基本的物理性质指标；工程地质勘察报告中不可缺少的基本内容。 第31页/共76页2.6.2 三个实测物理

12、性质指标三个实测物理性质指标q 直接测定指标（可在实验室内直接测定）： 重度、含水量、土粒比重Gs（土粒密度 s）。q 换算指标：其它指标均为换算指标（孔隙比、饱和度）。 第32页/共76页 1 1、土的密度和重度3/(/)MW gkg mVV密度：测定方法:环刀法3(/)WkN mV重力密度(重度):g显然:3一般土的重度为16-22kN/m第33页/共76页2 2、含水量含水量100%WWSSWMwWM测定方法:烘干法第34页/共76页第35页/共76页3 3、土粒比重土粒比重 Gs固体颗粒质量与同体积水(在4时)质量之比SssswwmGV土粒比重的变化范围见表2-7:测定方法 比重瓶煮沸

13、法第36页/共76页表2-7 土粒比重范围结论：土粒比重变化不大！第37页/共76页2.6.3 换算的物理性质指标孔隙比vsVeV100%vVnV于是可得两者关系：于是可得两者关系：孔隙率孔隙率 11vvvvsvVVVnVeVVVVnV第38页/共76页wrvVSV饱和度饱和度一般一般 0 0S Sr r1 1饱和土：饱和土：S Sr r=1 1干土：干土：S Sr r=0 0 第39页/共76页土的饱和重度satsatSvwsatWVVsatwsdWV土的密度与重度的关系：g土的有效重度（浮重度）土的有效重度（浮重度） 土的干重度土的干重度第40页/共76页2.6.5 几种常用指标之间关系式

14、的推导土的三相比例指标之间可以互相换算：方法1： 由三相图及其定义计算，见教材48页例2-3。 假定V=1, 或者假定Vs=1 方法2： 由三相图导出的计算公式（见表2-8 ）。 第41页/共76页2.7 土的物理状态指标2.7.1 粗颗粒土的密实度（砂土的密实度）粗颗粒土的密实度（砂土的密实度）q用孔隙比用孔隙比e e可评价砂土的密实度；可评价砂土的密实度；q优缺点：优缺点：优点：应用方便、简单优点：应用方便、简单缺点：不能考虑颗粒大小、级配和形状的影响缺点：不能考虑颗粒大小、级配和形状的影响q所以：所以：应与最大孔隙比与最小孔隙比比较；应与最大孔隙比与最小孔隙比比较；建立相对密度的概念。建

15、立相对密度的概念。第42页/共76页最小孔隙比：砂土处于最密实状态时的孔隙比，emin 用“振击法”测定。最大孔隙比：砂土处于最疏松状态时的孔隙比，emax 用“松散器法”测定。相对密度： maxmaxminreeDee最大孔隙比、最小孔隙比的概念：最大孔隙比、最小孔隙比的概念：第43页/共76页举例说明建立相对密度概念的意义：结论：土样1：密实；土样2：不密实土类最大孔隙比emax最小孔隙比emin实际孔隙比e土样5土样5问题：问题： 哪个土样密实哪个土样密实？第44页/共76页0.671rD密实0.330.67rD中密00.33rD松散1 1 用用D

16、rDr表示砂土密实度表示砂土密实度见表2-9，铁路工程技术规范（P50） 第45页/共76页 当e=emax时，Dr=0，最松状态； 当eemin时，Dr=1.0，最密状态。 优点：可以把土的级配考虑进去，理论上较为完善 缺点：emax和emin难以准确测定，给Dr的确定带来困难。 第46页/共76页2 2、标准贯入试验方法标准贯入试验方法 方法：63.5kg锤，升到76cm高，自由落下标准贯入器入土深度30cm，所需锤数为N63.563.5N显然，土层的密实程度与密切相关。显然：第47页/共76页规范：建筑地基基础设计规范(GB500072002) 表2-10 ，详见第8章63.510N松散

17、63.51015N稍密63.51530N中密63.530N密实判断标准：第48页/共76页2.7.2 粘性土的稠度（界限含水量）（界限含水量）AtterbergAtterberg（瑞典土壤学家，（瑞典土壤学家，19111911）塑性塑性：可塑成任何形状而不发生裂缝，并在外力解除以可塑成任何形状而不发生裂缝，并在外力解除以后能保持已有的形状而不恢复原状的性质。后能保持已有的形状而不恢复原状的性质。PlasticityPlasticity。在陶瓷工业、农业科学和土木工程中有广泛应用。在陶瓷工业、农业科学和土木工程中有广泛应用。 第49页/共76页土体体积随含水量的变化：图图2-29 含水量与体积的

18、关系含水量与体积的关系 第50页/共76页土的界限含水量（土的界限含水量（Atterberg limitsAtterberg limits） 缩限：半固体状态与固体状态间的分界含水量。当含水量小于该值时，体积不发生变化。Shrinkage limit, wS。 塑限：可塑状态与半固体状态间的分界含水量。Plastic limit, wP。 液限：流动状态与可塑状态间的分界含水量。Liquid limit, wL。第51页/共76页“界限含水量是土的一种固有的性质，与含水量无关”问题：缩限、塑限、液限是否与土样的含水量有关？注意：塑限和液限是土力学中常用的。第52页/共76页液限的测定： 锥式液

19、限仪（中国）； 碟式液限仪（欧美，详见ASTM试验规程）。碟式液限仪碟式液限仪 平衡锥式液限平衡锥式液限仪仪 第53页/共76页1 7 mm液限测定演示：第54页/共76页1 7 mm液限测定演示：第55页/共76页液限测定演示：第56页/共76页第57页/共76页塑限的测定： 搓条法测定。3mm土条。缩限的测定： 收缩皿法测定。第58页/共76页讨论：液限和塑限也可用光电式液塑限联合测定仪测定；试验的具体程序和步骤详见土工试验方法标准；界限含水量由重塑土测定，而现场原状土有一定结构性；所以，有时现场土含水量比液限大但地基未流动。第59页/共76页（1 1）塑性指数）塑性指数I IP P概念:

20、塑性状态时含水量变化范围，IP（Plasticity index）。PLPIWW 常省略常省略 %； 变化范围很大（如大于变化范围很大（如大于200）；）； 是粘性土区别于砂土的重要特征；是粘性土区别于砂土的重要特征；反映了土与水之间物理化学作用的强弱。反映了土与水之间物理化学作用的强弱。第60页/共76页P土颗粒愈细，比表面积增加,I 增加P,粘粒含量愈多，亲水性矿物含量增加 I 增大物理意义：物理意义：为什么对于砂土颗粒，即使磨成极细颗粒也不具有塑性？思考：第61页/共76页仅仅知道土样含水量，能否判断土的物理状态？（液态、固态还是半固态？）一个问题：一个问题：结论：不能。第62页/共76

21、页举例说明：土类液限wL塑限wL含水量土样132%12%20%土样242%24%20%结果：土样1：可塑态；土样2：半固态；问题：问题： 判断土样物理状态判断土样物理状态？“必须建立含水量与界限含水量的关系必须建立含水量与界限含水量的关系”第63页/共76页（2 2）液性指数）液性指数IL 表2-11 粘性土的稠度标准PLLPWWIWW液性指数 IL0 0 IL0.25 0.25 IL0.75 0.751 状态 坚硬 硬 塑 可 塑 软 塑 流 塑 天然状态含水量和界限含水量相对关系的指标（Liquidity index）。第64页/共76页在0到1之间。越大，表示土越软； 大于1，处于流动状

22、态； 小于0，处于固体状态或半固体状态。关于IL结论：结论：第65页/共76页求证（1）1dw求证（2）srG wSe例题：(1)1(1)(1)(1)swssdWWWwWWwVwVwVwV证明：第66页/共76页例2-5 某粘性土的天然含水量w=19.3%，液限wL=28.3%，塑限wP=16.7%。求塑性指数IP和液性指数IL，确定该土状态。查表2-11可知该土的状态为硬塑状态。19.3-16.711.6IL= = =0.224PPwwI解：IP=wL-wP=28.3-16.7=11.6第67页/共76页 “土的工程分类是勘察、设计的首要内容”2.8 土的工程分类 分类存在不同体系，主要有： (1) 建设部土的分类标准(GBJl4590)； (2) 建设部建筑地基基础设计规范(GB500072002)； (3) 水利部土工试验规程(SL2371999)中的12884分类法； (4) 交通部公路土工试验规程(JTJ05193)。第68页/共76页分类原则和特点：2.8.1 建筑地基基础设计规范建筑地基基础设计规范 (GB50007 2002)l对粗颗粒土，考虑了结构和粒径级配；l对细颗粒土，考虑了土的塑性和成因；l给出岩石的分类标准；l将天然土分为6大类：岩石、