《土力学》教案.ppt

1、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3080km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

2、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。

3、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110-6mm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

4、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21）； （2）水电部（SL237-1999）的划分标准（表22）； （3）土的分类标准（GBJ145-90）的划分标准（表23）。,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

5、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21）。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

6、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Cu 10时 称为级配良好的土； 当 Cu 510且Cc = 13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

7、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

8、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

9、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

10、、冰点很低，最低为-78C，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

11、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56m。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，

12、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，

13、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 + Va V-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1.62.0gcm3 。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

14、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6070。,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1001050C，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

15、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）ds 1定义：土粒的质量与同体积纯蒸馏水在4C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）； w4C时纯蒸馏水的密度，一般取 w 1.0g/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2.702.75；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）

16、干密度Pd与干重度d 1.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 =Pd g = 10Pd,（二）饱和密度Psat与饱和重度sat 1. 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 = Psat g = 10 Psat （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

17、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： Sr50% 稍湿 50%Sr80% 很湿 Sr80% 饱和,三、指标间的关系