大三上土力學(xué)

1、東南大學(xué)土木工程土 力 學(xué)第 1 章主講教師童小東1第1章土的物理性質(zhì)及分類第1節(jié)第2節(jié)第3節(jié)第4節(jié)第5節(jié)第6節(jié)第7節(jié)第8節(jié)概述土的組成（） 土的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造土的基本物理指標(biāo)（）無(wú)黏性土的密實(shí)度（） 黏性土的物理特性（） 土的分類土的壓實(shí)特性（）2第1節(jié)概述 土體是巖體風(fēng)化（Weathering）的產(chǎn)物。物理風(fēng)化：巖體發(fā)生量的變化(Physical Weathering)化學(xué)風(fēng)化(Chemical Weathering )生物風(fēng)化(Biological Weathering)巖體發(fā)生質(zhì)的變化3風(fēng)化作用1-1概述殘積土（Residual Soil）運(yùn)積土（Transported Soil）風(fēng)成沉積

2、土水成沉積土冰川沉積土土土是三相體（飽和土中的孔隙均被水所充填，所以飽和土為二相體）。固相（Solid Phase）:土粒液相（Liquid Phase） :水氣相（Gaseous Phase） :氣土41-1概述不同大小土粒含量的相對(duì)數(shù)量關(guān)系可以作為土的分類依據(jù)。無(wú)黏性土(Non-cohesive Soil) ：粒徑>0.075mm的土粒含量超過(guò)全重的50%粉性土(Silty Soil)黏性土(Cohesive Soil)土粒徑>0.075 mm的土粒含量不超過(guò)全重的50%5第2節(jié)土的組成（*）一、土中的固體顆粒（土粒）1.土粒粒組及級(jí)配 按土粒粒徑（d）大小將土粒分組，稱為粒組

3、(Fraction)。劃分粒組的分界界限粒徑。稱為巨粒：>60mm粗粒：0.07560mm細(xì)粒：0.075mm土的粒組61-2土的組成一、土中的固體顆粒土粒的大小及其組成情況，通常以土中土粒各個(gè)粒組的相對(duì)含量（各粒組占土?？偭康陌俜?jǐn)?shù)）來(lái)表示，稱為土的顆粒級(jí)配(Gradation of Grain)。土的顆粒級(jí)配可由土的顆粒大小分析試驗(yàn)(Grain Size Analysis Test)（簡(jiǎn)稱顆分試驗(yàn)）測(cè)定。d>0.075mm篩析法（篩分法）d<0.075mm水中沉降法7顆分試驗(yàn)1-2土的組成一、土中的固體顆粒篩析法試驗(yàn)裝置81-2土的組成一、土中的固體顆粒水中沉降法試驗(yàn)裝置

4、91-2土的組成一、土中的固體顆粒根據(jù)顆粒大小分析試驗(yàn)結(jié)果，可以繪制顆粒級(jí)配曲線（橫坐標(biāo)為粒徑，用對(duì)數(shù)坐標(biāo)表示；縱坐標(biāo)為小于某粒徑的土重含量，用常數(shù)坐標(biāo)表示）。101-2土的組成一、土中的固體顆粒土的顆粒級(jí)配曲線顆粒級(jí)配曲線的坡度可以大致反映土的均勻程度。曲線陡，表示粒徑大小相差不多，土粒比較均勻；曲線緩，表示粒徑大小相差懸殊，土粒不均勻。111-2土的組成一、土中的固體顆粒幾個(gè)特殊粒徑：d60，d30，d10限制粒徑d60 (Constrained Grain Size)，中值粒徑d30和有效粒徑(Effective Grain Size)d10。1009080706050403020100

5、d60d30d1012粒徑，mm小于某粒徑的土重含量，%105.01.00.50.100.050.010.0050.0011-2土的組成一、土中的固體顆粒土粒的顆粒級(jí)配指標(biāo)：不均勻系數(shù)(Coefficient of Uniformity)曲率系數(shù)(Coefficient of Curvature)131-2土的組成一、土中的固體顆粒Cu反映不同粒組顆粒的分布情況。 Cu越大，表示土顆粒大小的分布范圍越大，其級(jí)配良好。在一般情況下，對(duì)級(jí)配連續(xù)的土<5，均粒土，為級(jí)配不良Cu5，級(jí)配良好141-2土的組成一、土中的固體顆粒1009080706050403020100d60d30d10d30粒

6、徑，mm15小于某粒徑之土質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，%105.01.00.50.100.050.010.0050.0011-2土的組成一、土中的固體顆粒對(duì)級(jí)配不連續(xù)的土，單獨(dú)用Cu難以準(zhǔn)確確定土的級(jí)配情況，需同時(shí)參考Cc。Cc描寫(xiě)顆粒級(jí)配曲線的分布范圍，反映曲線的整體形狀。Cu5級(jí)配良好Cc=13161-2土的組成一、土中的固體顆粒2.土的礦物成分礦物成分對(duì)土的性質(zhì)有著重要影響。土的固體顆粒物質(zhì)分為無(wú)機(jī)礦物顆粒和有機(jī)質(zhì)。1）無(wú)機(jī)礦物顆粒原生礦物(Original Mineral)次生礦物(Secondary Mineral)土顆粒的礦物成分171-2土的組成一、土中的固體顆粒原生礦物：包括石英、長(zhǎng)石和云母等

7、。為巖石物理風(fēng)化的產(chǎn)物，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定或較為穩(wěn)定。次生礦物：為原生礦物化學(xué)風(fēng)化的產(chǎn)物。181-2土的組成一、土中的固體顆粒次生礦物主要是黏土礦物(Clay Mineral)。硅氧四面體硅氧晶片鋁氫氧八面體鋁氫氧晶片由于晶片結(jié)合的情況不同，便形成了具有不同性質(zhì)的各種黏土礦物，主要有蒙脫石、伊利石和高嶺石。19的基本單元黏土礦物結(jié)構(gòu)1-2土的組成一、土中的固體顆粒高嶺石：親水性差伊利石：親水性中等蒙脫石：親水性強(qiáng)（吸水膨脹、脫水收縮）2）有機(jī)質(zhì)有機(jī)質(zhì)可吸收大量的水。因此當(dāng)土中含有較多的有機(jī)質(zhì)時(shí)，會(huì)造成土的強(qiáng)度和抵抗變形的能力降低。201-2土的組成二、土中的水和氣二、土中的水和氣1.土中水水對(duì)土體的

8、工程性質(zhì)影響巨大。受電吸引力作用吸附于土顆粒表面的水強(qiáng)結(jié)合水結(jié)合水(Bound Water)弱結(jié)合水土中水重力水(Gravitational )自由水(Free Water)存在于土顆粒表面電場(chǎng)影響范圍以外的水毛細(xì)水(Capillary )211-2土的組成二、土中的水和氣2.土中氣土孔隙中未被水所占據(jù)的部位由氣體充填。土中的氣體若與大氣相通，則對(duì)土的力學(xué)性質(zhì)影響不大;若與大氣隔絕：使土的壓縮性提高，透水性減小。22第3節(jié)土的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造土的結(jié)構(gòu)是指由土粒單元的大小、形狀、相互排列及其聯(lián)結(jié)關(guān)系等因素形成的綜合特征。緊密單粒結(jié)構(gòu)：d>0.075mm疏松蜂窩結(jié)構(gòu)：d=0.0050.075mm

9、絮狀結(jié)構(gòu)：d<0.005mm分散結(jié)構(gòu)：d<0.005mm23土的結(jié)構(gòu)1-3土的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造單粒結(jié)構(gòu)密實(shí)狀態(tài)疏松狀態(tài)241-3土的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造蜂窩結(jié)構(gòu)251-3土的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造絮狀結(jié)構(gòu)261-3土的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造分散結(jié)構(gòu)271-3土的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造土的構(gòu)造是土層在空間的賦存狀態(tài)。土的構(gòu)造的最主要特征就是其成層性，即層理構(gòu)造。28第4節(jié)土的基本物理指標(biāo)（*）一、土的三相比例指標(biāo)土的三相比例指標(biāo)定量反映了土的三相的組成情況，有助于理解土的基本物理性質(zhì)。土是三相體。29氣1-4土的基本物理指標(biāo)一、土的三相比例指標(biāo)質(zhì)量體積土的三相示意圖30mtmwma0msVsVwVaVvVt氣1-4土的基本物理指標(biāo)一、

10、土的三相比例指標(biāo)為了對(duì)土的基本物理性質(zhì)有所了解，需要對(duì)土的三相的組成情況進(jìn)行定量研究。表示土的三相組成比例關(guān)系的指標(biāo)，稱為土的三相比例指標(biāo)，包括孔隙比e、孔隙率n 、含水率w和飽和度Sr。311-4土的基本物理指標(biāo)一、土的三相比例指標(biāo) 土的孔隙比e(VoidRatio)：土中孔隙體積與土粒體積之比?？梢杂脕?lái)評(píng)價(jià)天然土層的密實(shí)程度。土的孔隙率n(Porosity)：土中孔隙體積與土體總體積之比。321-4土的基本物理指標(biāo)一、土的三相比例指標(biāo) 土的含水率w(Water質(zhì)量與土粒質(zhì)量之比。Content)：土中水的在試驗(yàn)室一般用“烘干法”測(cè)定(105)。一般來(lái)說(shuō)，同一類土，當(dāng)含水率增大時(shí)，其強(qiáng)度就降

11、低。331-4土的基本物理指標(biāo)一、土的三相比例指標(biāo) 土的飽和度Sr(DegreeofSaturation)：土中被水充滿的孔隙體積與孔隙總體積之比。341-4二、土的質(zhì)量-體積關(guān)系指標(biāo)土的基本物理指標(biāo)二、土的質(zhì)量-體積關(guān)系指標(biāo)土的質(zhì)量-體積關(guān)系指標(biāo)包括密度r與重度g、土粒比重Gs。351-4二、土的質(zhì)量-體積關(guān)系指標(biāo)土的基本物理指標(biāo) 土的密度r(Density)：土體積的質(zhì)量。在試驗(yàn)室一般用“環(huán)刀法”測(cè)定。土的重度g(UnitWeight)：土體積的重量。天然密度干密度 飽和密度有效密度天然重度(Natural )干重度(Dry )飽和重度(Saturated ) 有效重度(Effective

12、 )36土的密度g = r gr = mtVt1-4二、土的質(zhì)量-體積關(guān)系指標(biāo)土的基本物理指標(biāo) 土粒比重Gs(Specific Gravity of SoilGrain)：土粒質(zhì)量與同體積的4時(shí)純水的質(zhì)量之比。371-4二、土的質(zhì)量-體積關(guān)系指標(biāo)土的基本物理指標(biāo)土粒比重在數(shù)值上等于土粒密度，但無(wú)量綱。在試驗(yàn)室用“比重瓶法”測(cè)定，一般土粒（無(wú)機(jī)礦物顆粒）比重的變化幅度不大（2.62.8）。381-4二、土的質(zhì)量-體積關(guān)系指標(biāo)土的基本物理指標(biāo)指標(biāo)的換算令Vs=1，則Vv=e，Vt=1+e質(zhì)量體積39mt= (1+w) Gsrwmw= wGsrwma=0ms=GsrwVs=1Vv=eVt=1+e氣第

13、5節(jié)無(wú)黏性土的密實(shí)度（*）無(wú)黏性土：一般是指由原生礦物組成，顆粒較粗的土。 無(wú)黏性土的密實(shí)度（Compactness）與其工程性質(zhì)有著密切的關(guān)系。呈密實(shí)狀態(tài)時(shí)，為良好地基；呈疏松狀態(tài)時(shí)，為不良地基。401-5無(wú)黏性土的密實(shí)度無(wú)黏性土的相對(duì)密實(shí)度(RelativeDensity)Dr：無(wú)黏性土的最大孔隙比與天然孔隙比之差和最大孔隙比與最小孔隙比之差的比值。相對(duì)密實(shí)度的值介于01之間，值越大，表示越密實(shí)。41D =emax - ere- emaxmin1-5無(wú)黏性土的密實(shí)度 無(wú)黏性土的最小孔隙比（ MinimumVoidRatio）emin：處于最緊密狀態(tài)的孔隙比。在試驗(yàn)室可用“振擊法”測(cè)定。um

14、無(wú)黏性土的最大孔隙比（VoidRatio）emax：處于最疏松狀態(tài)的孔隙比。在試驗(yàn)室可用“漏斗法”或“量筒法”測(cè)定。421-5無(wú)黏性土的密實(shí)度43第6節(jié)黏性土的物理特性（*）黏性土：一般是指由次生礦物組成、顆粒較細(xì)，具有可塑性的土。隨著黏性土含水率的增大，土體的強(qiáng)度和抵抗變形的能力會(huì)逐漸降低。441-6黏性土的物理特性一、黏性土的界限含水率一、黏性土的界限含水率(AtterbergLimits)同一種黏性土隨著含水率的不同，可分別處于固體狀態(tài)、半固體狀態(tài)、可塑狀態(tài)和狀態(tài)。黏性土由一種狀態(tài)轉(zhuǎn)到另一種狀態(tài)的分界含水率，稱為界限含水率。451-6黏性土的物理特性一、黏性土的界限含水率劃分四種土體狀態(tài)

15、的界限含水率分別為縮限(Shrinkage Limit)、塑限(Plastic Limit)和液限(Liquid Limit)。縮限wS塑限wP液限wL0w固態(tài)半固態(tài)可塑狀態(tài)狀態(tài)461-6黏性土的物理特性一、黏性土的界限含水率錐式液限儀液限：碟式液限儀塑限：搓條法液限橫坐標(biāo)：土樣含水率液塑限測(cè)定儀塑限縱坐標(biāo)：圓錐入土深度47液限儀1-6黏性土的物理特性一、黏性土的界限含水率圓錐入土深度與含水率的關(guān)系481-6黏性土的物理特性一、黏性土的界限含水率錐式液限儀491-6黏性土的物理特性一、黏性土的界限含水率碟式液限儀501-6黏性土的物理特性一、黏性土的界限含水率 wP和wL均是由擾動(dòng)土樣確定的指

16、標(biāo)，土的天然結(jié)構(gòu)已經(jīng)被破壞。通常當(dāng)原狀土的天然含水率等于wL時(shí)，原狀土并不處于狀態(tài)，但若其天然結(jié)構(gòu)一經(jīng)破壞，土即呈現(xiàn)出狀態(tài)。511-6黏性土的物理特性二、黏性土的可塑性指標(biāo)二、黏性土的可塑性指標(biāo)塑性指數(shù)(PlasticityIndex)IP 為液限和塑限的差值，表示土處于可塑狀態(tài)的含水率變化范圍。 IP=wL-wP塑性指數(shù)在一定程度上綜合反映了影響?zhàn)ば酝撂卣鞯母鞣N重要因素(土的顆粒組成，土的礦物成分以及土中水的離子成分和濃度等)。在工程上常按塑性指數(shù)對(duì)黏性土進(jìn)行分類。521-6黏性土的物理特性二、黏性土的可塑性指標(biāo)液性指數(shù)(LiquidityIndex)IL 為黏性土的天然含水率和塑限的差值與

17、塑性指數(shù)的比值。液性指數(shù)可以表示黏性土所處的軟硬狀態(tài)。液性指數(shù)的值越大，表示土質(zhì)越軟。531-6黏性土的物理特性三、黏性土的結(jié)構(gòu)性和觸變性三、黏性土的結(jié)構(gòu)性和觸變性土的結(jié)構(gòu)性是指天然土的結(jié)構(gòu)受到外界擾動(dòng)影響而變化的特性。土的結(jié)構(gòu)性對(duì)強(qiáng)度的影響，一般用靈敏度來(lái)衡量。 土的靈敏度(Degree of Sensitivity)：原狀土的強(qiáng)度與同一土經(jīng)重塑（含水率不變，土的結(jié)構(gòu)被徹底破壞）后的強(qiáng)度之比。= quSq¢tu541-6黏性土的物理特性三、黏性土的結(jié)構(gòu)性和觸變性土的靈敏度越高，其結(jié)構(gòu)性越強(qiáng)，受擾動(dòng)后土的強(qiáng)度降低就越顯著。施工中要盡量減少對(duì)土結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)。551-6黏性土的物理特性三、

18、黏性土的結(jié)構(gòu)性和觸變性 土的觸變性(Thixotropy)：黏性土的結(jié)構(gòu)遭到破壞，其強(qiáng)度就會(huì)降低，但隨著時(shí)間發(fā)展土體的強(qiáng)度會(huì)逐漸恢復(fù)，這種膠體化學(xué)性質(zhì)稱為土的觸變性。56第7節(jié)土的分類 土的統(tǒng)一分類系統(tǒng)（Unified SoilClassification System，USCS）:按照土粒的大小（粒徑）以及不同粒組所占的比例（顆粒級(jí)配）進(jìn)行分類；若為黏性土，還要考慮因含水率不同而引起的對(duì)變形抵抗能力不同的影響。571-7土的分類按土顆粒粒徑（d）大小將土顆粒分組，稱為粒組。巨粒：>60mm粗粒：0.07560mm細(xì)粒：0.075mm土的粒組581-7土的分類細(xì)粒土按塑性圖（IPwL）分

19、類。土的液限采用質(zhì)量為76g、錐角為30°的液限儀測(cè)定。塑性圖59第8節(jié)土的壓實(shí)特性（*） 土的壓實(shí)性：土體在荷載作用下密度增加的性狀。一、擊實(shí)試驗(yàn)（Compaction test）輕型擊實(shí)試驗(yàn)重型擊實(shí)試驗(yàn)60擊實(shí)擊實(shí)試驗(yàn)1-8土的壓實(shí)特性一、擊實(shí)試驗(yàn)由一組（通常為5個(gè)）不同含水率的同一種土樣分別進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果可繪制一條擊實(shí)曲線（ rdw）。0wopw61rdrdmax1-8土的壓實(shí)特性一、擊實(shí)試驗(yàn) 土的壓實(shí)系數(shù)(Coefficient of compaction)土的壓實(shí)系數(shù)lc：工地壓實(shí)時(shí)要求達(dá)到的干密度rd與室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)所得到的最大干密度rdmax之比。lc = rd/

20、 rdmax621-8土的壓實(shí)特性三、影響壓實(shí)效果的因素二、土的壓實(shí)機(jī)理P18。三、影響壓實(shí)效果的因素大量工程實(shí)踐和試驗(yàn)研究表明，土的壓實(shí)效果的主要因素是：土的含水率、擊實(shí)功能、土的種類及其級(jí)配等。631-8土的壓實(shí)特性三、影響壓實(shí)效果的因素1.含水率對(duì)黏性土，當(dāng)擊實(shí)功能和條件相同時(shí)，土的含水率過(guò)大或過(guò)小，土體都不易壓實(shí)，只有把土的含水率調(diào)整到某一適宜值時(shí)，才能收到最佳的壓實(shí)效果。在一定擊實(shí)功能的條件下，土最易于被壓實(shí)，并能達(dá)到最大密度時(shí)的含水率， 稱為最優(yōu)含水率wop（Optimum watercontent），相應(yīng)的干密度則稱為最大干密度rdmax（um dry density）。641-8土的壓實(shí)特