土力学第1章课件

1、土的物理性质与工程分类,第一章,对土的特点进行详细解释和定量描述,本章特点: 看起来零散,学习要点: 理清 各节间联系 各节内层次,土质学与土力学,土的形成,渗透特性 变形特性 强度特性,土的三相组成 土的物理状态 土的结构,土的工程分类,土的压实性,决定,影响,如何获得较好的土,便于研究和应用,土质学与土力学,1.1 土的三相组成 1.2 土的颗粒特征 1.3 土的三相比例指标 1.4 粘性土的界限含水量 1.5 砂土的密实度 1.6 土的工程分类,土质学与土力学,土的形成,土是岩石经过风化后在不同条件下形成的自然历史的产物,形成过程 形成条件,物理力学性质,风化,影响,1.1土的三相组成,

2、生物风化,物理风化,化学风化,量变,无粘性土,原生矿物,质变,粘性土,次生矿物,动植物的活动,有 机 质,岩石和土的粗颗粒受各种气候因素的影响产生胀缩而发生裂缝,或在运动过程中因碰撞和摩擦而破碎,母岩表面和碎散的颗粒受环境因素的作用而改变其矿物的化学成分，形成新的矿物,1.1土的三相组成,风化,1.1土的三相组成,土的三相组成,1.1土的三相组成,土中气体 气相 次要作用,固体颗粒 固相 构成土体骨架 起决定作用,土中水 液相 重要影响,原生矿物:（物理风化） 岩浆在冷凝过程中形成的矿物,次生矿物:（化学风化） 由原生矿物经过风化作用后形成的新矿物,1.土的固相,无机矿物颗粒 原生矿物 石英、

3、长石、云母等 次生矿物 主要是粘土矿物，包括三种类型 高岭石、伊里石、蒙脱石 亲水性：高岭石伊里石蒙脱石 有机质,影响土的工程性质如： 胀缩性、渗透性、强度、压缩性等,有机质: 由于微生物作用产生的腐殖质矿物及动植物残体,1.1土的三相组成,1.1土的三相组成,蒙 脱 石,粘土矿物,高岭石,伊利石,蒙脱石,2.土的液相,1.1土的三相组成,结合水 强结合水 弱结合水 自由水 毛细水 重力水,处于土颗粒表面水膜中，受到表面引力的控制不服从静水力学规律,电场引力作用范围之外的水,结合水,排列致密、定向性强 密度1g/cm3 冰点处于零下几十度 具有固体的的特性 温度高于100C时可蒸发,强结合水,

4、位于强结合水之外，电场引 力作用范围之内 外力作用下可以移动 不因重力而移动，有粘滞性,弱结合水,1.1土的三相组成,强结合水,弱结合水,重力水,毛细水,在重力作用下可在土中自由流动,存在于固气之 间 在重力与表面张力作用下 可在土粒间空隙中自由移动,1.1土的三相组成,自由水,自由水,土中毛细现象,上升高度:,分布在土粒内部相互贯通的孔隙可以看成许多形状不一、直径互异、彼此连通的毛细管,毛细升高与孔径成反比,粘土 粉土 砂土 砾石,分析对象: 水柱,1.1土的三相组成,毛细水,1.1土的三相组成,3.土的气相,自由气体：与大气连通，对土的性质 影响 不大 封闭气体：与大气不连通，增加土的弹性

5、； 阻塞渗流通道,土有三个组成部分：固相、液相和气相,小结,1. 固体颗粒,2. 土中水,3. 土中气体,无机矿物颗粒（原生 矿物、次生矿物） 有机质,结合水 (强结合水、弱结合水) 自由水 (重力水、毛细水),自由气体 封闭气体,1.1土的三相组成,1.1 土的三相组成 1.2 土的颗粒特征 1.3 土的三相比例指标 1.4 粘性土的界限含水量 1.5 砂土的密实度 1.6 土的工程分类,1. 粒径级配,颗粒大小,各粒径成分在土中占的比例,狭义的粒径级配,影响土性的主因,1.2土的颗粒特征,一、土的粒度成分,粒度 土粒的大小 粒组 按粗细进行分组，将粒径接近的归成一类 界限粒径,1.2土的颗

6、粒特征,表述方法 表格法 累计曲线法 三角坐标法,1.2土的颗粒特征,二、粒度成分的表达方法,土的粒度成分是指土中各种不同粒组的相对含量（以干土质量的百分比表示），它可用以描述土中不同粒径土粒的分布特征,累计含量百分比 直接由试验求得的结果,粒组 由相邻两个粒径的累计百分含量之差求得的结果,1.2土的颗粒特征,以列表的形式直接表达各粒组的相对含量,1.表格法,1.2土的颗粒特征,横坐标（按对数比例尺）表示某一粒径 纵坐标表示小于某一粒径的土粒的百分含量,2.累计曲线法,d60,d50,d10,d30,特征粒径: d50 : 平均粒径 d60 : 控制粒径 d10 : 有效粒径 d30 ;,不均

7、匀程度： Cu = d60 / d10,连续程度: Cc = d302 / (d60 d10 ) 曲率系数, 不均匀系数,Cu 5,级配不均匀,粗细程度： 用d50 表示,1.2土的颗粒特征,斜率: 某粒径范围内颗粒的含量 陡相应粒组质量集中 缓-相应粒组含量少 平台-相应粒组缺乏,连续程度: Cc = d302 / (d60 d10 ) 曲率系数,较大颗粒缺少,Cc 减小,较小颗粒缺少,Cc 增大,C c = 1 3, 级配连续性好,1.2土的颗粒特征,粒径级配,粒径级配累积曲线及指标的用途：,1）粒组含量用于土的分类定名；,2）不均匀系数Cu用于判定土的不均匀程度： Cu 5, 不均匀土；

8、 Cu 5, 均匀土,3）曲率系数Cc用于判定土的连续程度： C c = 1 3, 级配连续土； Cc 3 或 Cc 1,级配不连续土,4）不均匀系数Cu和曲率系数Cc用于判定土的级配优劣： 如果 Cu 5且 C c = 1 3 ， 级配 良好的土； 如果 Cu 3 或 Cc 1, 级配 不良的土,1.2土的颗粒特征,1.2土的颗粒特征,利用等边三角形内任意一点到三个边的垂直距离的总和恒等于三角形之高的原理，用以表示组成土的三个粒组的相对含量，即土中三个垂直距离可以确定一个点的位置,3.三角坐标法,1.2土的颗粒特征,三、粒度成分分析方法,确定方法 筛分法：适用于粗粒土 (0.075 mm)

9、沉降分析法：适用于细粒土 (0.075 mm),1.2土的颗粒特征,筛分法 它是利用一套孔径大小不同的 筛子，将事先称过重量的烘干 土样过筛，称留在各筛上的重 量，然后计算相应的百分数。,1.2土的颗粒特征,沉降分析法: 利用不同大小的土粒在水中的沉降速度不同来确 定小于某粒径的土粒含量,比重计,10 5.0 2.0 1.0 0.5 0.25 0.075,200g,10 16 18 24 22 38 72,小于某粒径之土质量百分数P（）,粒径(mm),P % 95 87 78 66 55 36,土的粒径级配累积曲线,沉降分析法,筛分法,1.2土的颗粒特征,1.2土的颗粒特征,四、土粒的形状,体

10、积系数,土粒体积,土粒最大粒径,Vc越小，土粒越接近于圆形。圆球状的Vc =1，立方体的Vc =0.37 棱角状的Vc更小,形状系数,分别为土粒的最大、中间、最小粒径,1.2土的颗粒特征,四、土粒的形状,形状系数,分别为土粒的最大、中间、最小粒径,土粒最大粒径,Vc越小，土粒越接近于圆形。圆球状的Vc =1，立方体的Vc =0.37 棱角状的Vc更小,1.1 土的三相组成 1.2 土的颗粒特征 1.3 土的三相比例指标 1.4 粘性土的界限含水量 1.5 砂土的密实度 1.6 土的工程分类,土的三个组成相的体积和质量上的比例关系,密实程度 干湿程度 ,特点: 指标概念简单，数量很多,要点：名称

11、、概念或定义、符号、表达式、 单位或量纲、常见值或范围、测定方法,定义,基本方法:,三相草图法,1.3土的三相比例指标,1. 土的三相图,质量,体积,1.3土的三相比例指标,三相图,已知关系五个:,共有九个参数: V Vv Vs Va V / ms m ma m,剩下三个独立变量,土的三相草图法,物性指标是比例关系: 可假设任一参数为1,对于饱和土, Va=0 剩下两个独立变量,实验室测定,其它指标,是一种简单而实用的方法,1.3土的三相比例指标,2.室内测定的三个物理性质指标,-土的密度、土粒密度、土的含水量,1、土的密度,土的容重,=g,工程上更常用, 用于计算土的自重应力,单位: kg/

12、m3 或 g/cm3,单位: kN/m3,一般范围: 1.602.20 g/cm3,定义: 土单位体积的质量,有时也称土的天然密度,表达式:,相关指标:,三相草图有助于直观理解物性指标的概念,1.3土的三相比例指标,2.室内测定的三个物理性质指标,-土的密度、土粒密度、土的含水量,测定方法：,(1) 环刀法,适用于粘性土和粉土,用容积为100cm3或200cm3的 环刀切土样，用天平称其质量而得,(2) 灌水法,适用于卵石、砾石与原状砂,现场挖试坑，将挖出的试样装入容器，称其质量， 再用塑料薄膜袋平铺于试坑内，注水入薄膜袋，直至 袋内水平与坑口齐平，注入的水量即为试坑的体积。,1、土的密度,1

13、.3土的三相比例指标,2.室内测定的三个物理性质指标,-土的密度、土粒密度、土的含水量,2、土粒密度,单位: kg/m3 或 g/cm3,一般范围:,定义:干土粒的质量ms与的其体积比值Vs之比,表达式:,土粒密度主要取决与土矿物成分,1.3土的三相比例指标,2.室内测定的三个物理性质指标,-土的密度、土粒密度、土的含水量,单位: 无量纲,相关指标:,表达式:,土粒相对密度,=1.0 g/cm3,土粒相对密度在数值上等于土粒密度,2、土粒密度,1.3土的三相比例指标,2.室内测定的三个物理性质指标,-土的密度、土粒密度、土的含水量,测定方法:,(1) 比重瓶法,通常用容积为100mL玻璃制的比

14、重瓶， 将烘干试样15g装入比重瓶，用1/1000精度 的天平称瓶加干土的质量。注入半瓶纯水后 煮沸1小时左右以排除土中气体，冷却后将 纯水注满比重瓶，再称其总质量并量测瓶内 温度。,(2) 经验法,因不同土类的土粒密度变化幅度不大，仅小数后第2位不同。若当地已进行了大量土粒比重试验，有时可采用经验值,2、土粒密度,1.3土的三相比例指标,2.室内测定的三个物理性质指标,-土的密度、土粒密度、土的含水量,3、土的含水量,一般范围: 粘土： 0%40% 砂性土：20%60%,定义:土中水的质量与土粒质量之比, 用百分数表示,表达式:,测定方法:,烘箱法：（适用于粘性土、粉土与砂土常规试验）,取代

15、表性试样，粘性土为1530g，砂性土与有机质土为50g，装入称量盒内称其质量后，放入烘箱内，在105110的恒温下烘干（对粘土、粉土不得少于8h，对砂土不得少于6h），取出烘干后土样冷却后再称质量，计算而得。,注意：其实是含水比，可达到或超过100%,1.3土的三相比例指标,表示土中孔隙含量的指标,孔隙比,孔隙率 (孔隙度),. 其它常用的物理性质指标,关系:,在某种程度上反映土的松密,砂类土：28-35% 粘性土：30-50% 有的可达60-70%,定义: 土中孔隙体积与固体颗粒 体积之比, 无量纲,表达式:,定义: 土中孔隙体积与总体 积之比, 用百分数表示,表达式:,Vs=1,Vv=e,

16、V=1+e,三相草图可用于确定物性指标之间的关系,1.3土的三相比例指标,表示土中含水程度的指标,含水量,饱和度,表达式:,定义: 土中水的体积与孔隙体积的比值,饱和度表示孔隙中充满水的程度,Sr=0 : 干土 Sr=1 : 饱和土,1.3土的三相比例指标,表示土中密度和容重的指标,天然密度,干密度,饱和密度,天然容重,干容重,浮容重,有效容重,饱和容重,单位: kg/m3 或 g/cm3,单位: kN/m3,定义: 土被完全烘干时的密度, 等于 单位体积内土粒的质量,表达式:,1.3土的三相比例指标,各种密度容重之间的大小关系：,天然密度,干密度,饱和密度,天然容重,干容重,浮容重,饱和容重

17、,1.3土的三相比例指标,常用的物理性质指标间的换算关系,要点,从物理意义上理解指标间的关系 不鼓励死记硬背 必要时利用三相草图推导,为了便于理解，可在土的三相草图上假定土粒体积Vs=1，并在图上按定义得到各个部分的体积或重力，就可换算有关指标，这种换算关系见教科书 P12 表1-6,1.3土的三相比例指标,1.3土的三相比例指标,三相指标的换算关系,小结,物理性质指标,土的三个组成相的体积和质量上的比例关系,密实程度 干湿程度 ,特点: 指标概念简单，数量很多,要点：名称、概念或定义、符号、表达式、 单位或量纲、常见值或范围、联系与区别,定义,基本方法:,三相草图法,室内测定的三个物理性质指

18、标 土的密度、土粒密度、土的含水量,三相草图有助于直观理解物性指标的概念,其它常用的物理性质指标 表示土中孔隙含量的指标 表示土中含水程度的指标 表示土中密度和容重的指标,三相草图可用于确定物性指标之间的关系,三相草图法是求取物理性质指标的简单而有效的方法,1.3土的三相比例指标,课堂作业,习题：1-1 、 1-2,课后作业,用三相草图或三相图证明表1-6中公式 下课后写上学号姓名交到讲台上,1.3土的三相比例指标,1.1 土的三相组成 1.2 土的颗粒特征 1.3 土的三相比例指标 1.4 粘性土的界限含水量 1.5 无粘性土的密实度 1.6 土的工程分类,界限含水率： 粘性土从一种状态转到

19、另一种状态的分界含水量,1.4粘性土的界限含水量,塑限p,液限l,界限含水率,流动状态,含水量,w,半固体状态,可塑状态,固体状态,缩限s,塑限p搓条法,液限L碟式液限仪、锥式液限仪,确定方法,图1.a 碟式液限仪,1.4粘性土的界限含水量,图1.b 锥式液限仪,2.塑性指数 Ip,定义：,液限与塑限的差值，去掉百分数符号，称塑性指数,物理意义,细颗粒土体处于可塑状态下，含水率变化的最大区间。即Ip大，土的可塑性就愈好,1.4粘性土的界限含水量,3.液性指数 IL,定义：,天然含水率与塑限的差值和液限与塑限的差值之比,物理意义,表示天然土所处的软硬状态,0,坚硬,0.25,0.75,1.0,I

20、L,硬塑,可塑,软塑,流塑,1.1 土的三相组成 1.2 土的颗粒特征 1.3 土的三相比例指标 1.4 粘性土的界限含水量 1.5 无粘性土的密实度 1.6 土的工程分类,emax与emin ：最大与最小孔隙比,1.5无粘性土的密实度,砂土相对密度：,砂土密实度可按相对密度划分为密实、中密、松散三类,问题是砂土的最大、最小孔隙比及天然孔隙比难于确定,2. 无粘性土密实度分类,标准贯入试验 ：用规定的锤重（63.5kg）和落距（76cm），把标准贯入器（带有刃口的对开管，外径50mm，内径35mm）打入土中，记录贯入一定深度（30cm）所需的锤击数N63.5值,10,松散,15,30,标准贯入击数N63.5,稍密