土力学第一章改母版

第一章土的性质及工程分类§1.1土的生成与特性§1.2土的三相组成及土的结构§1.3土的物理性质指标§1.4土的物理状态指标§1.5地基土的工程分类§1.6地基土的压实性风化、剥蚀岩石地球颗粒堆积物地球

搬运、沉积1.1土的生成风化作用：物理风化化学风化生物风化搬运与沉积：（分选作用、浑圆度）残积土，运积土运积土：坡积土；洪积土；冲积土；湖泊沼泽沉积土海相沉积物；冰蹟土；风积土气相固相液相++构成土骨架，起决定作用重要影响土体次要作用1.2土的三相组成三相比例的变化性粒径：颗粒的大小通常以直径表示。称为粒径（mm）或粒度。1.2.1土的固体颗粒－粒径级配土颗粒巨粒(>200mm)粗粒(0.075~200mm)细粒(<0.075mm)卵石或碎石颗粒(20~200mm)圆砾或角砾颗粒(2~20mm)砂(0.075~2mm)粉粒(0.005~0.075mm)粘粒(<0.005mm)1.2.1土的固体颗粒形状、大小粘土细砂粗砂碎石卵石块石粘土颗粒分析试验筛分法：粒径200~0.075mm静水沉降法（沉降分析法、水分法）：粒径<0.075mm1.2.1土的固体颗粒－颗粒级配筛分法

筛析机

1.2.1土的固体颗粒－颗粒级配分析方法1.2.1土的固体颗粒－颗粒级配1.2.1土的固体颗粒－颗粒级配粒径/mm小于某粒径的土含量/%土的粒径级配累积曲线105.02.01.00.50.250.1200g101618242238721009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数P（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径(mm)P%958778665536土的粒径级配累积曲线水分法1009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径(mm)土的粒径级配累积曲线d60d50d10d30特征粒径:斜率:某粒径范围内颗

粒的含量陡-相应粒组含量多缓-相应粒组含量少平台-相应粒组缺乏d50:平均粒径d60:控制粒径d10

:有效粒径d30土的粒径级配曲线1.2.1土的固体颗粒－颗粒级配不均匀系数：

曲率系数：小于某粒径的土粒含量占总土颗粒质量的60%时的粒径-控制粒径（d60）。小于某粒径的土粒含量占总土颗粒质量的10%时的粒径-有效粒径（d10）。1.2.1土的固体颗粒－颗粒级配不均匀系数可以反映大小不同粒组的分布情况，Cu越大表示土粒大小分布范围广。不均匀系数Cu用于判定土的不均匀程度：Cu≥5,不均匀土；Cu<5,均匀土1009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径(mm)土的粒径级配累积曲线d60d10d30曲线d60d10d30CuCcL0.330.0050.081663.98M0.0632.41R0.0300.545缺少小颗粒，Cc缺少大颗粒，CcCc=13,级配连续连续程度:用曲率系数

Cc=d302/(d60×d10)

度量,Cc=1~3为连续级配,>3或<1为不连续级配固体颗粒-矿物成分固体成分原生矿物-石英、长石、云母等次生矿物矿物质有机质无定形氧化物胶体可溶盐粘土矿物具有和原生矿物很不相同的特性对粘土性质的影响很大1.2.1土的固体颗粒－土粒成分粘土矿物是一种复合的铝-硅盐晶体，颗粒呈片状，是由硅片和铝片构成的晶包所组叠而成，可分成高岭石、伊利石和蒙特石三种类型。

硅片

铝片SiSi氧离子O2-硅离子Si4+硅-氧四面体硅片的结构硅片简图1.2.1土的固体颗粒－土粒成分粘土矿物是一种复合的铝-硅盐晶体，颗粒呈片状，是由硅片和铝片构成的晶包所组叠而成，可分成高岭石、伊利石和蒙特石三种类型。OH1-铝离子Al3+铝-氢氧八面体硅片的结构硅片简图AlAl

硅片

铝片1.2.1土的固体颗粒－土粒成分晶层间是O2-对O2-的连结，联结力很弱，水很容易进入晶层之间。每一颗粒能组叠的晶层数较少。颗粒大小约为0.1-1

，厚约0.001-0.01。主要特征：颗粒细微，具有显著的吸水膨胀、失水收缩的特性，亲水能力强。2:1的三层结构SiSiAlAlSiSiSiSiAlAlSiSi数层水分子依硅片和铝片组叠形式的不同，可分成如下三种类型：高岭石蒙特石伊利石1.2.1土的固体颗粒－土粒成分是云母在碱性介质中风化的产物。与蒙特石相似，由两层硅片夹一层铝片所形成的三层结构，但晶层之间有钾离子连结。主要特征：连结强度弱于高岭石而高于蒙特石，其特征也介于两者之间。2:1的三层结构SiSiAlAlSiSiSiSiAlAlSiSi钾离子依硅片和铝片组叠形式的不同，可分成如下三种类型：高岭石蒙特石伊利石1.2.1土的固体颗粒－土粒成分原生矿物：一般颗粒较粗，呈粒状。有圆状、浑圆状、棱角状等。次生矿物：颗粒较细，多呈针状、片状、扁平状。比表面积：单位质量土颗粒所拥有的总表面积。对于粘性土，其大小直接反映土颗粒与四周介质,特别是水,相互作用的强烈程度,是代表粘性土特征的一个很重要的指标。

高岭石的比表面积为：10-20m2/g,伊利石：80-l00m2/g,蒙特石：800m2/g粗颗粒的形状粘土颗粒的形状1.2.1土的固体颗粒－土粒形状、比表面积1.2.2土中水土中水自由水结合水强结合水弱结合水重力水毛细水结合水：受电分子吸引力作用吸附于土粒表面的土中水。自由水：存在于土粒表面电场影响范围以外的土中水。结晶水结晶水：土粒矿物内部的水。气态水固态水-强结合水：排列致密，密度>1g/cm3

冰点处于零下几十度完全不能移动，具有固体的特性温度略高于100°C时可蒸发-弱结合水：受电场引力作用，为粘滞水膜外力作用下可以移动不因重力而流动，有粘滞性粘土颗粒-----------------++++引力d水分子阳离子强结合水弱结合水自由水土中水–结合水结合水：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1.2.2土中水毛细水：由于土体孔隙的毛细作用升至自由水面以上的水。毛细水承受表面张力和重力的作用重力水：自由水面以下的孔隙自由水，在重力作用下可在土中自由流动土中水–自由水自由水：不受颗粒电场引力作用的孔隙水hc毛细水重力水1.2.2土中水生活在水面收缩膜

顶面和地面的昆虫水蜘蛛仰泳的水蜘蛛表面张力1.2.2土中水毛细管hcT2r上升高度r2hcw=2rTcos毛细升高与孔径成反比粘土粉土砂土砾石1.2.2土中水张力TTuc水hc2ruc=-hcw水压+-TT则毛细压力：2πrTcosα+ucπr2=0毛细管中的负静水压力1.2.2土中水土颗粒缝隙处的弯液面r空气水固体颗粒弯液面在非饱和土中，孔隙中含有水和气，此时水多集中于颗粒间的缝隙处，称毛细角边水。由于毛细张力的作用，会形成如图所示的弯液面，使毛细角边水产生负压力，颗粒则受正压力。这是稍湿的砂土颗粒间存在假凝聚力的原因1.2.2土中水自由气体：与大气连通连通的气体

对土的性质影响不大封闭气体：被土颗粒和水封闭的气体

其体积与压力有关。会增加土的弹性（橡皮土）；阻塞渗流通道，降低渗透性溶解在水中的气体吸附于土颗粒表面的气体1.2.3土中气体土的物理状态粗粒土的松密程度粘性土的软硬程度土的物理性质指标(松密程度、干湿程度、轻重程度)力学特性直接影响表示1.3土的物理状态土的三个组成相的体积和质量上的比例关系

表示土的三相组成部分质量、体积之间的比例关系的指标，称为土的三相比例指标。主要指标有：比重、天然密度、含水量（这三个指标需用实验室实测）和由它们三个计算得出的指标干密度、饱和密度、孔隙率、孔隙比和饱和度。1.3土的物理状态1.3.1土的三相组成的比例关系1、土的三相草图天然密度

：天然状态下，单位体积土的质量，单位为g/cm3或t/m3，即：一般粘性土ρ=1.8－2.0g/cm3；砂土ρ=1.6－2.0g/cm3。天然密度一般用“环刀法”测定。土的重度：天然状态下，单位体积土的重量，单位为KN/m3，即：=gg为重力加速度1.3.1土的三相组成的比例关系2、基本试验指标1.3.1土的三相组成的比例关系

土粒比重（土粒相对密度）：土粒密度与4℃时纯水的密度之比，一般用ds或Gs表示，无量纲。即：

土粒比重决定于土的矿物成分，同一种类的土，其比重变化幅度很小。试验室内用比重瓶测定。土的名称砂土粉土粘性土粉质粘土粘土土粒比重2.65－2.692.70－2.712.72－2.732.74－2.761.3.1土的三相组成的比例关系2、基本试验指标土的含水量：土中水的质量与土粒质量之比，一般用w表示，以百分数计，即：含水量反映土中水的含量多少，其变化范围很大。土的含水量对粘性土、粉土的影响较大，对砂土稍有影响，对碎石土没有影响。一般说来，同一类土，当其含水量增大时，强度就降低。试验室内一般用“烘干法”确定。1.3.1土的三相组成的比例关系2、基本试验指标1.3.1土的三相组成的比例关系土的孔隙比e

：是土中孔隙体积与土粒体积之比，孔隙比用小数表示。即：土的孔隙率n

：土中孔隙所占体积与总体积之比，孔隙率用百分数表示。即：1.3.1土的三相组成的比例关系3、其他指标土的饱和度Sr:

土中被水充满的孔隙体积与孔隙总体积之比，以百分率计，即：

含水率，如上1.3.1土的三相组成的比例关系3、其他指标定义：单位体积内土粒的质量或重量。表达式：干密度ρd（干容重γd）1.3.1土的三相组成的比例关系3、其他指标定义：土中孔隙完全被水充满，土处于饱和状态时单位体积土的质量或重量。表达式：饱和密度ρsat（饱和容重γsat

）1.3.1土的三相组成的比例关系3、其他指标地下水位以下，单位体积土体中土粒的质量（重量）扣除同体积水的质量（重量）后，即为单位体积土体中土粒的有效质量（重量）

浮密度（浮容重）1.3.1土的三相组成的比例关系3、其他指标1.3.1土的三相组成的比例关系3、其他指标1.3.2土的物理状态指标无粘性土的土粒之间的联结微弱，因此其工程性质主要与密实度有关；粘性土颗粒很细，比表面积大，水对其性质影响较大，因此其工程特性主要取决于稠度。A、无粘性土的密实度无粘性土的密实度指的是碎石土和砂土的疏密程度

密实度的评价方法有三种：

1、孔隙比e2、相对密度Dr3、标准贯入试验1.3.2土的物理状态指标相对密实度：砂土的密实程度并不完全取决于天然孔隙比，而很大程度上取决于土的级配情况，相对密实度同时反映了孔隙比和级配的影响，以Dr表示。最小孔隙比是最紧密状态的孔隙比。最大孔隙比是土处于最疏松状态时的孔隙比。密实中密松散Dr0.670.33Dr<0.67Dr<0.331.3.2土的物理状态指标

标准贯入试验《规范》用标准贯入试验的锤击数来划分砂土的密实度。砂土的密实度密实度密实中密稍密松散标贯击数NN>3030≥N>1515≥N>10N≤101.3.2土的物理状态指标流动状态可塑状态固体状态半固体状态刚沉积的粘土，本身不能保持其形态，极易流动外力作用可改变其形状，而不改变其体积，并在外力卸除后仍能保持已获得的形状水分蒸发，上覆沉积层厚度增加，含水率减小，体积收缩。含水率减小,丧失可塑性，在外力作用下，易于发生破裂。体积不再收缩，空气进入土体，土的颜色变淡。1.3.2土的物理状态指标B、粘性土的稠度粘性土····0wsw

pw

L固态半固态可塑状态流动状态塑限液限缩限界限含水量：同一种粘性土随其含水量的不同，而分别处于固态、半固态、可塑状态及流动状态。由一种状态转变到另一种状态的分界含水量，叫界限含水量

稠度：粘性土因含水量的不同表现出不同的稀稠、软硬状态的性质称为粘性土的稠度。1.3.2土的物理状态指标1、液限（ωL）：液态与塑态之间的分界含水量

锥式液限仪1.3.2土的物理状态指标塑限：搓条法液塑限联合测定仪2、塑限（ωP）：塑态与半固态之间的分界含水量

1.3.2土的物理状态指标3、缩限（ωs）：固态与半固态之间的分界含水量收缩皿法4、塑性指数：指液限和塑限的差值（省去%号），即土处在可塑状态的含水量变化范围，用IP表示。1.3.2土的物理状态指标4、塑性指数塑性指数、可塑性、土中粘粒含量土的名称粉质粘土粘土塑性指数10<IP<17IP>171.3.2土的物理状态指标5、液性指数：粘性土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比，用IL表示。即

又称相对稠度，表示天然含水量靠近塑限还是液限，以此表明土的软硬程度

1.3.2土的物理状态指标状态坚硬硬塑可塑软塑流塑液性指数IL≤00~0.250.25~0.750.75~1.0IL>1.0液性指数表证天然含水量与界限含水量间的相对关系，可塑状态的土的液性指数在0~1之间；液性指数大于1，处于流动状态；液性指数小于0，土处于固态或半固体状态。1.3.2土的物理状态指标土颗粒或粒团的空间排列和相互联结原状土和重塑土的强度沉积或碾压土的各向异性土的结构土体的性质土粒间的作用力粗粒土的结构细粒土的结构粘性土的结构性指标1.4土的结构1.4.1粗粒土的结构粒间作用力：重力起决定性的作用。在非饱和土中，还受到毛细力的作用排列形式：点与点单粒结构示意图1.4土的结构范德华力：接触点处的分子引力，作用范围为几个分子的距离，是细粒土粘结在一起的主因库仑力：颗粒表面的静电引力或斥力，随距离衰减的速度比范德华力慢胶结力：土粒间通过胶体连结在一起，作用力是化合键，具有较高的强度毛细力：土中毛细作用形成的力土中细颗粒，比表面积大，重量轻，重力不起重要的作用，其他粒间力起主导作用：1.4土的结构1.4.2细粒土的结构形成环境粒间作用力排列形式淡水中沉积表面力、胶结力（粒间斥力占优势)面与面天然通常不是单一结构，可能是呈多种类型的综合结构。往往先形成团粒凝聚结构海水中沉积表面力、胶结力（斥力减小引力增加)边、角与面边、角与边示意图分散结构1.4土的结构1.4.3反映粘性土结构性的指标St11-22-44-88-16>16粘性土不灵敏低灵敏中等灵敏灵敏很灵敏流动3=0相同含水量、密度ququ原状土重塑土灵敏度St：原状土的无侧限抗压强度qu和重塑土的无侧限抗压强度qu之比1.4土的结构含水量不变，密度不变，因重塑而强度降低，又因静置而逐渐强化，强度逐渐恢复的现象，称为触变性。土的触变性是土结构中联结形态发生变化引起的，是土结构随时间变化的宏观表现。目前尚没有合理的描述土触变性的方法和指标。1.4土的结构1.4.3反映粘性土结构性的指标土的组成土的状态土的结构建筑地基基础设计规范-GB50007-2002分类法水利部SL237-1999分类法目的：便于调查研究；便于分析评价；便于交流(基于共同的概念)依据：最能反映土的物理力学性质的指标要求：要有一定的逻辑性、系统性，

纲目分明，简单易记，便于运用1.5土的工程分类1、水利部SL237-1999分类法土颗粒组成及其特性塑性指标：液限、塑限、塑性指数有机质含量分类依据：1.5土的工程分类0.075mm60mm1.5土的工程分类巨粒类土：巨粒组的质量大于颗粒总质量50%的土1.5土的工程分类粗粒土：砾类土，砂类土砾类土：砾粒质量占粗粒组质量的50%以上1.5土的工程分类砂类土：砾粒质量小于或等于粗粒组质量的50%1.5土的工程分类细粒土：小于0.075mm的颗粒质量大于或等于颗粒总质量的50%漂石块石圆形及亚圆形为主棱角形为主粒径大于200mm的颗粒超过全质量50%卵石碎石圆形及亚圆形为主棱角形为主圆形及亚圆形为主棱角形为主圆砾角砾粒径大于20mm的颗

粒超过全质量50%粒径大于2mm的颗粒超过全质量50%名称颗粒形状粒组含量2、建筑场地基基础规范GB50007-20111.5土的工程分类碎石土的分类土的名称粒组含量粒径大于2mm的颗粒占全质量25-50%砾砂粗砂中砂细砂粉砂粒径大于0.5mm的颗粒超过全质量50%粒径大于0.25mm的颗粒超过全质量50%粒径大于0.075mm的颗粒超过全质量85%粒径大于0.075mm的颗粒超过全质量50%1.5土的工程分类砂土的分类粘性土：塑性指数Ip>10的土粉质粘土：10<Ip17的土粘土：Ip>17的土非活性粘土：A<0.75正常粘土A=075–1.25活性粘土A>1.25粉土：粒径大于0.075mm的颗粒含量小于全质量50%而塑性指数Ip10的土1.5土的工程分类土的压实：指通过夯打、振动、碾压等，使土体变得密实、以提高土的强度、减小土的压缩性和渗透性压实性：指土在一定压实能量作用下密度增长的特性细粒土和粗粒土击实方法的差异1.6土的压实性

试验设备：击实筒V=947cm3；击实锤w=25牛顿

试验条件：土样分层n=3层；落高d=30.5cm；

击数N=25/层

击实能量

试验方法：分三层压实；

测定击实后的w、d

注意：仅适用于细粒土；对粗粒土，可用较大尺寸的击实仪1.6土的压实性——细粒土0481216202428含水量w(%)2.01.81.61.4干密度d(g/cm3)饱和曲线dmaxwop具有峰值

最大干密度dmax

最优含水量Wop位于饱和曲线之下

粘性土透水性小，击实过程中含水量几乎不变，要想击实到饱和状态是不可能的。1.6土的压实性——细粒土对于同一种土,最优含水量和最大干密度并不恒定,而随压密功能变化，压实功能愈大,最优含水量愈小，相应的最大干密度愈高超过最优含水量后，压实功能的影响随含水量的增加逐渐减小。击实曲线均靠近于饱和曲线04812162024