土力学第一章 土的物理性质

1、第一章 土的物理性质§1.1 土的生成岩浆(magma tic rock)土是地壳表层的岩石长期经受风化作用和水流、冰川、风等自然力搬运、剥蚀及堆积作用而生成的松散堆积物。一、风化作用(weathering)1物理风化：气温变化、机械破坏特征：机械破坏、成分相同。2化学风化：岩石与水、气、二氧化碳等化学作用。特征：化学成分改变。3生物风化：生物活动对岩石的破坏。特征：树根使岩石机械破坏，微生物使岩石成分改变。二、土的沉积(soil sedimentation)类型土的沉积类型：残积土(residual soil)、坡积土(slope wash)、洪积土(diluvial soil)、

2、湖沼积土、海积土(marine soil)、冰川积土、风积土(Aeolian deposit)等。土的类型、土的成分、土的结构、颗粒大小、力学性质都有很大差别。图1.1 残积土、坡积土及洪积土的形成备 注结合工程地质课程，介绍土的生成。黑板板书，介绍土的沉积类型，增强学生印象。表1.1残积土、坡积土及洪积土的形成及其特征类 型形 成特 征残积土经风化作用而残留在原地的碎屑堆积物无分选、打磨、无明显层理。坡积土在雨水、融雪将山坡高处的岩石风化产物洗刷、剥蚀，顺坡向下搬运的堆积物由粗到细分选，层理不明显，矿物成分与下卧基岩无关，厚度逐渐变大。洪积土暂时性山洪将风化产物挟带到沟谷口或平原处而成的沉积

3、物。谷口是含有泥砂的石块和粗颗粒，远处是细粒泥砂。靠近山区，颗粒较粗，地下水位低，承载力高，离山区远处，细粒组成，周期性干旱，发生胶结作用，承载力高，中间过渡段为沼泽地，承载力低。三、特殊土（special soil）沿海地区的软土(soft clay)、黄土(loess)、膨胀土(expansive soil)、冻土frozen soil)，区域性强。四、土的沉积年代对土性质的影响一般生成年代越久，上覆土层越厚，压得越密，化学作用或胶结作用越强，土得强度也越大，压缩性就越小，反之新近沉积的土质较松软，工程性质较差。 五、土的三相组成土颗粒固相水液相空气气相§1.2 土的粒径组成和矿

4、物成分一、土的粒径（grain size）组成1. 粒径(grain size):颗粒的直径2. 粒组(fraction)：大小相近的颗粒归为一组。3. 颗粒级配：土中不同大小颗粒的相对含量。备 注设问法介绍不同类型沉积土的特征。结合工程设计，介绍设计中遇到坡积土和洪积土地段时需要注意的一些问题。二、粒径分析(grain size analysis)1粒径分析方法粒径分析方法:筛分法(0.1mm<d<60mm)和比重计法(d<0.1mm)图1.2 筛子 图1.3比重计法 筛分法：标准筛共五层，孔径分别为2.0 1.0 0.5 0.25 0.1mm图1.4 标准筛计算小于某粒径

5、的土粒重占全部土重的百分数P： P=式中 Wd¾小于某粒径d的土粒重Ws¾土粒总重（=m1+m2+m3+m4+m5+m6）d<0.1mm P1=备 注土力学中标准筛与建筑材料中标准筛之间的区别？d<0.25mm P2= 以此类推d<2.0mm P5= 比重计法(自学)2粒径分布曲线(grain size distribution curve)(级配曲线)以粒径d的对数为横坐标lgd，小于某粒径的含量P为纵坐标，绘制Plgd关系曲线，即级配曲线。图1.5 三种不同土的粒径分布曲线讨论（1）级配曲线比较陡时，表明颗粒比较均匀（2）级配曲线比较平缓时，表明颗粒比

6、较不均匀，粒径范围变化大。3粒径级配曲线的应用d60，d10， d30分别为粒径分布曲线纵坐标p等于60%、10%、30%时对应的粒径。其中d10称为有效粒径(effective grain size)。（1） 不均匀系数Cu(coefficient of uniformity) Cu越大，曲线越平缓，粒径分布不均匀。（2）曲率系数Cc (coefficient of curvature) Cc= Cc反映曲线弯曲形状，表明中间粒径和较小粒径相对含量的组合情况。备 注设问法讨论级配曲线对土的颗粒分布均匀性进行定性分析，引入后面的定量分析。(3) 应用对于粗粒土常用不均匀系数Cu和曲率系数Cc来

7、评价土的颗粒级配情况。 Cu5和Cc=13时，粒径分布不均匀且级配良好(well-graded soil)，土易被压实，是适合的工程填料；相反，则为不良级配土(poorly graded soil) Cu5，粒径分布均匀，颗粒大小相差不大。 Cc<1，中间粒径颗粒偏少，较小粒径颗粒偏多。 Cc>3，中间粒径颗粒偏多，较小粒径颗粒偏少。 如曲线上出现水平线，即缺少某种中间粒径的土。三、土中矿物成分(自学)§1.3 土中的水和气体本节主要自学土中水的类型和数量对土的状态和性质有重大影响。土中水包括矿物内部结合水和粒间孔隙水。孔隙水存在形式：冰（固态水）、水汽（气态水）、液态水

8、。土中的气体主要是空气和水气。§1.4 土的结构及联结(soil structure)一、砂土的振动密实和液化1. 松砂受振动时土粒在振动中调整相互位置，土的结构趋于更加密实、稳定。2. 颗粒较细的砂土被水饱和，在突然振密而排水不畅的情况下，土粒受到孔隙水的反作用而处于悬浮状态，变成液体状，称为液化或流砂(quick of sand)。是建筑物地基破坏的主要原因。二、粘性土的结构性和灵敏度1结构性：粘性土在保持天然结构时（原状土）(undisturbed soil sample)的工程性质与它的结构破坏后（扰动土）(disturbed soil sample)的工程性质常有很大差别，

9、这就是土具有的结构性。2灵敏度(sensitivity)St：灵敏度是常用的评价粘性土结构性对强度影响的指标。定义如下：备 注结合路基填料的工程应用讲解。采用比喻的方法加深学生的理解：路基填料，希望级配良好;正如军队中，要求战士们年龄级配均匀，以便于训练与战斗，而不同级别军官年龄则应级配良好，可发挥不同年龄段人的经验，阅历和威望。结合地基处理的换填法和汶川地震讲解土的结构性越强，灵敏度越大。三、粘性土的触变性触变性(thixotropy)：含水率和密度不变，土因重塑而软化，又因静置而逐渐硬化，强度有所恢复的性质。结构未破坏结构破坏结构强度恢复tlgt图1.6 粘性土的强度随时间的变化曲线触变性

10、指导工程实践的实例：（1） 粘性土中打桩。（2） 堤坝、路基工程中，压实粘性土的强度会在压实结束后逐渐提高。（3） 触变性强的黏土制泥浆护壁。备 注结合工程应用讲解。§1.5 土的三相含量指标土的三相草图图1.7 土的三相图由上图可知：一、三个基本指标1. 土的密度r(density)和容重g(unit weight)r= （g/cm3） （环刀法测定）g= (kg/m3) g=r×g (g为重力加速度)2. 含水率w (water content) w= （烘干法测定）3. 土粒容重gs和土粒比重Gs(specific gravity of soil particle)（

11、土粒相对密度）gs= (KN/m3)Gs= （重瓶煮沸法）备 注假想将土的三相成分分开，详细讲解该图。 采用设问法，与学生互动，介绍三个基本指标。 含水量和含水率的区别？以上三个指标可以由试验直接测定，称为基本指标.二、导出指标1. 孔隙比(void ratio)和孔隙率n(porosity)e= (e=0.254.0)n= (n<1.0)用三相草图来推导e或n图1.8 单元土的三相简图e= n=e或n越大，土越松，越小则越密。2. 土的饱和度Sr(degree of saturation)饱和度越大，土越湿。饱和度用百分数或小数表示，值01。3. 土的饱和容重gsat、浮容重g、干容重

12、gd（1）土的饱和容重饱和度等于100%的饱和土的容重gsat。gsat= (kN/m3)（2）土的浮容重g (kN/m3)备 注多媒体配合黑板板书，详细讲解由土的三相图变化为三相简图的过程，推导孔隙比e的计算公式。课后作业：推导该公式（3）土的干容重gd (kN/m3)（4）不同含水率下密度的比较三、最大干容重和最优含水率（土的压实原理）路基压实时，一般要先通过击实试验得到最大干密度(maximum dry density) 和最优含水率(optimum moisture content)。四、典型例题讲解某原状土样，试验测得基本指标如下：天然密度r=1.67g/cm3，含水率w=12.9%

13、，土粒比重GS=2.67，试求其它指标。解法一：利用书中公式求解解法二：绘制三相草图，假设Vs=1.0解法三：绘制三相草图，假设V=1.0计算结果备 注采用设问法，比较不同含水率下密度。黑板板书，结合路基填筑及检测的现场经验，讲解最大干密度、最优含水率、压实度和“橡皮土”等概念及土的压实原理，注意启发学生思考问题。该例题是本节所讲内容的综合，讲解时采用设问的方法启发学生的解题思路。注意比较三种方法的难易程度。给出答案，课后学生自己完善解题过程。§1.6 土的物理状态及其有关指标土的物理状态主要指：土的松、密（对无粘性土）和软、硬（粘性土）一、无粘性土(cohesionless soi

14、l)的密实程度评价指标：相对密实度Dr、标准贯入锤击数N63.5。1相对密度Dr(relative density) Dr=式中 emax、emin土的最大、最小孔隙比，相对于最松、最密状态。e土的天然状态孔隙比。Dr=01。表1.2 铁路桥规按Dr划分砂土密实程度密实程度极松稍松中密密实相对密度Dr评价：相对密度的概念比较合理，但试验困难。2标准贯入试验63.5kg的穿心锤，以760mm的落距，将标准贯入器打入土中，记录打入300mm所需的锤击数。根据实测平均的N63.5值来划分砂土的密实程度。评价：现场操作方便，需修正。二、粘性土的稠度和可塑性1. 稠度指粘性土在不同含水率时呈现的不同软硬

15、程度。在不同含水率下，粘性土表现为不同稠度状态：干硬（固态）、半干硬（半固态）、可塑状态、液态。2. 稠度界限(consistency limit)备 注设问法引出土的松、密、软、硬状态结合工程现场，将Dr和N63.5在工程中的应用。设问法引导学生了解粘性土的不同稠度状态。图1.9 土的稠度界限（1）塑限wp(plastic limit)和液限wL(liquid limit)的测定（2）塑性指数 (plasticity index)和液性指数 (liquidity index) 塑性指数 注意：塑性指数在国外常用百分率表示，在国内用百分数的分子表示。塑性指数常作为细粒土工程分类的依据。 液性指

16、数a. 用来判别粘性土的软硬状态. 备 注采用比喻的方法加深学生的理解：对于粘性土，塑性指数是不变的，液性指数是可变化的。塑性指数如同你的姓，将你划归了哪一家就不变了。液性指数如同你的年龄，是“状态”的描述。§1.8土的膨胀、收缩及冻胀（自学）1.土的膨胀和收缩 粘性土可能吸水膨胀，也可能失水（干燥）收缩（非粘性土无此特点），如果收缩和膨胀十分强烈，就会引起建筑物因地基强度降低和不均匀变形而破坏、土坡崩裂、路面开裂、挡土结构破坏。粘性土的膨胀性和收缩性在减少，它原来承受的压力或增加外界压力的情况下也会由类似的表现。2.土的冻胀(frost heave)土中水受冻结时，使体积有不同程度

17、的膨胀，称为冻胀。较强的冻胀会使地面明显隆起，春夏温度高，冻结土融化；使土层变得稀软。冻胀和融化是不均匀的，故可能造成建筑物的严重破坏。据黑龙江地区铁路桥梁冻害调查统计资料，不少桥梁遭受冻害，冻起高度一般大于50米，有的桥墩身被拔断。§1.9 土（岩）的工程分类我国目前应用较广的分类方法是先将土（岩）分成五大类：岩石、碎石（类）土、砂（类）土、粘性土（或细粒土）、特殊土。1. 岩石 指被地质界面（如:面层、节理、破碎带等）分割的岩体的块体。（一） 根据强度分类根据风化程度、节理发育程度分类分级2. 碎石类土 粒径大于2mm的颗粒质量超过总质量50%的土。3. 砂（类）土 粒径大于2mm的颗粒质量不超过总质量50%，且粒径大于0.075mm的颗粒质量超过总质量的50%的土。4. 粉土若土的塑性指数小于或等于10，且粒径大于0.075mm的颗粒质量不超过总质量的50，则该土属于粉土。5. 粘性土（细粒土）比砂类土更细小， IP>3 但工民建规范把粘性土限于IP>10的细粒土，而把塑性指数小于等于10的细粒土称为粉土。工民建规范：粉土(IP<10) 、粉质粘土(10<IP<17) 、粘