土力學完整教案04-第四講

土力學主講人：張向東遼寧省精品資源共享課《土力學》課次：第4次主要內容：土的生成；土的特性；土的三相組成。重點內容：土的三相組成。教學參考書：張向東主編.土力學.北京：人民交通出版社，2011§2.1

土的生成與特性一、土的生成第二章土的物理性質與工程分類

在地殼變動的億萬年歷史長河中，巖石和土可能交替地反復形成，周期性的集合和破碎。二、土的特性在土力學中，將土作為一種工程材料來研究。與其它材料相比，土有如下特性：

（1）散體性（壓縮性大、強度低、透水性大）；

（2）多相性（復雜性）；

（3）成層性（各向異性）；

（4）變異性（易變性）?！?.2土的三相組成不同地區(qū)的土體，其三相構成的比例是不同的；即便同一地點的土體，其三相組成也隨環(huán)境的變化而變化，如天氣的晴雨、季節(jié)的變化、溫度的高低、地下水位的升降等，都會引起土體三相比例的變化。若土中孔隙全部被水充滿時為飽和土；孔隙全部被氣體充滿時稱為干土；土中孔隙同時有水和氣體存在時為非飽和土；土體的三相比例不同，土的狀態(tài)和工程性質也不相同，甚至出現(xiàn)明顯差別；土的三相對其物理力學性質有重大影響，下面首先講土的三相組成。1．土粒的劃分在自然界中存在各種土，其顆粒有大小是不同的；由1×10-6mm的極細粘土顆粒，一直變化到幾米大小的巖石碎塊；最終反映在土的物理力學性質上出現(xiàn)明顯的差別；即便土的礦物成份相同，但當其顆粒大小不同時，土的物理性質也明顯不同。比如，當土粒變細時，可由無粘性變?yōu)橛姓承?，其抗壓強度下降，壓縮性提高。一、土的固體顆粒下面介紹幾個概念：(1)粒度：土粒的大小稱為粒度。(2)粒組：在工程上常把大小相近的土粒合并為一組，稱為粒組。顆粒間的分界線是人為確定的；對粒組的劃分，各個國家，甚至一個國家各個部門都有不同的規(guī)定；表1-1為《建筑地基基礎設計規(guī)范》（GB50007-2002）的劃分標準。表1-2為水電部（SL237-1999）的劃分標準。粒組統(tǒng)稱粒組名稱粒徑范圍mm巨粒組漂石或塊石顆粒＞200卵石或碎石顆粒200~20粗粒組圓礫或角礫顆粒粗20~10中10~5細5~2砂粒粗2~0.5中0.5~0.25細0.25~0.1極細0.1~0.075細粒組粉粒粗0.075~0.01細0.01~0.005粘粒≤0.005表1-1《建筑地基基礎設計規(guī)范》（GB50007-2002）的劃分標準

粒組統(tǒng)稱粒組名稱粒徑范圍mm巨粒組漂石或塊石顆粒＞200卵石或碎石顆粒200~60粗粒組圓礫或角礫顆粒粗60~20中20~5細5~2砂粒粗2~0.5中0.5~0.25細0.25~0.075細粒組粉粒0.075~0.005粘?！?.005表1-2水電部（SL237-1999）的劃分標準(3)粒度成份：是指土中各種不同粒組的相對含量，以干土重量的百分比表示。2.粒度成份分析法粒度成份分析的目的是：確定各粒組顆粒的相對含量；對于顆粒大于0.075mm的土，可用“篩分法”；對于顆粒小于0.075mm的土，可用“沉降分析法”。

(1)篩分法拿一套孔徑不同的標準篩，其孔徑分別為200、60、20、10、5、2、1、0.5、0.25、0.1、0.075mm，按孔徑大小自上而下迭放著，并放上底盤。篩分前，先將土樣烘干，使之松散，稱取土樣總重量；然后將土樣倒入最上面的一只篩中，經(jīng)過振動，各個篩及底盤中均留有或多或少的土樣，稱取留在各個篩孔上的土重，除以土樣總重，可得各粒組土粒的相對含量。（2）沉降分析法比重計法；移液管法。3、粒度成份表示方法（1）表格法粒組（mm）粒度成分（%）粒徑di（mm）粒徑≤di的累計百分含量（%）10～5—10—5～21.15100.02～16.0298.91～0.516.4192.90.5～0.2541.50.576.50.25～0.126.00.2535．00.1～0.0759.00.19.0

0.075—（2）累計曲線法由累計曲線可以大致判斷級配情況和均勻程度。曲線越陡，說明土粒大小相差不多，土粒較均勻，級配差；反之，曲線越平緩，表示土粒大小相差懸殊，土粒不均勻，級配良好。根據(jù)累計曲線的坡度，只能粗略了解土粒級配的好壞，但要科學的評價土顆粒級配情況，要有定量指標。首先介紹幾個概念：

①有效粒徑d10：小于某粒徑的土相對含量為10％時，相應的粒徑稱為有效粒徑。

②限制粒徑d60：小于某粒徑的土的相對含量為60％時，相應的粒徑為限制粒徑。

③不均勻系數(shù):④曲率系數(shù)(或稱級配系數(shù))：CC=⑤評價標準：當Cu

<5時，稱為均粒土，其級配不好；當Cu

>10時，稱為級配良好的土；當Cu

=5～10且Cc=1～3時，土級配良好；否則不好。土中水有不同形態(tài)：固態(tài)的冰；氣態(tài)的水蒸汽；液態(tài)的水；礦物顆粒晶格上的結晶水。

二、土中水土粒表面一般帶有負電荷，圍繞土粒形成電場，由于水分子是極性分子，在電場作用下將定向排列。土粒與水分子的吸引力稱為電分子引力（靜電引力），電分子引力隨距土粒距離而減小。1.土粒與水的相互作用在靠近土粒表面處，電分子引力最強，把水分子牢固地吸附在顆粒表面而形成吸附層（固定層）。在吸附層外，靜電引力比較小，水分子的活動性要比吸附層大一些，形成擴散層。在擴散層之外，水分子幾乎不受靜電引力作用，其排列是雜亂無章的（自由水）。吸附層和擴散層與土粒表面負電荷統(tǒng)稱為雙電層。2.

土中水的分類（1）結合水是被土顆粒表面電分子引力吸附著的一層較薄的水，即位于雙電層中的水。結合水的密度、粘度均比一般水高，冰點低于00C，最低可達零下幾十度，對土的工程性質影響極大。按電分子引力的強弱，結合水分為強結合水和弱結合水。①強結合水（吸著水）：靠近土粒表面吸附層中的水。其特征：電分子引力最大，可達1000個大氣壓；厚度為幾個水分子厚；冰點很低，最低為-78°C，不凍結；不能自由流動，在105°C時才能蒸發(fā)；性質接近固體，不能傳遞靜水壓力，具有極大的粘滯性、彈性和抗剪強度。②弱結合水（薄膜水）：處于擴散層中的水。其特征：受電分子引力較小，呈粘滯狀態(tài)，厚度稍大些；不能自由流動，不能傳遞靜水壓力；有從厚水膜向薄水膜移動的特性。

隨著與土粒表面的距離增大，電分子引力逐漸減少，弱結合水逐漸過渡為自由水。（2）自由水

電場影響范圍以外，服從重力規(guī)律的土孔隙中的水，稱為自由水。

其特征：無抗剪強度，能傳遞靜水壓力；在重力作用下在土孔隙中可由高處向低處流動；具有溶巖能力。

自由水可分為重力水和毛細水。

①重力水：地下水位線以下土孔隙中的自由水。

②毛細水：受到表面張力作用而存在于地下水位以上土孔隙中的自由水。土中孔隙中沒有被水占據(jù)的部分都是氣體，可分為自由氣體和封閉氣泡：1、自由氣體是指與大氣連通的土孔隙中的氣體。在土受壓縮時逸出，對工程無影響。這種含氣體的土稱為非飽和土。三、土中氣體

2、封閉氣泡指與大氣隔，存在于粘性土層中的氣體。