土力学-2-土的性质及工程分类课件.pptx

1、土土的定义：的定义：土是连续，坚固的岩石在风化作用下形成的大土是连续，坚固的岩石在风化作用下形成的大小悬殊的颗粒，经过不同的搬运方式，在各种自然环境中小悬殊的颗粒，经过不同的搬运方式，在各种自然环境中生成的沉积物。生成的沉积物。物理风化物理风化：岩石经受风、霜、雨、雪的侵蚀，或受波浪的：岩石经受风、霜、雨、雪的侵蚀，或受波浪的冲击、地震等引起各种力的作用，温度的变化、冻胀等因冲击、地震等引起各种力的作用，温度的变化、冻胀等因素使整体岩石产生裂隙、崩解碎裂成岩块、岩屑的过程。素使整体岩石产生裂隙、崩解碎裂成岩块、岩屑的过程。化学风化化学风化：岩体（或岩块、岩屑）与氧气、二氧化碳等各：岩体（或岩块

2、、岩屑）与氧气、二氧化碳等各种气体、水和各种水溶液等物质相接触，经氧化、碳化和种气体、水和各种水溶液等物质相接触，经氧化、碳化和水化作用，使这些岩石或岩屑逐渐产生化学变化，分解为水化作用，使这些岩石或岩屑逐渐产生化学变化，分解为极细颗粒极细颗粒的过程。的过程。2.1 概述概述特征：物理风化：量变过程，形成的土颗粒较粗；物理风化：量变过程，形成的土颗粒较粗；化学风化：质变过程，形成的土颗粒很细。化学风化：质变过程，形成的土颗粒很细。对一般的土而言，通常既经历过物理风化，又有化对一般的土而言，通常既经历过物理风化，又有化学风化，只不过哪种占优而已。学风化，只不过哪种占优而已。土的三相组成：土的三相

3、组成：土的物质土的物质成分包括有作为土骨架的固态成分包括有作为土骨架的固态矿物颗粒、孔隙中的水及其溶矿物颗粒、孔隙中的水及其溶解物质以及气体。因此，土是解物质以及气体。因此，土是由颗粒由颗粒(固相固相)、水、水(液相液相)和气和气(气相气相)所组成的三相体系。所组成的三相体系。当土骨架的孔隙全部被水占满时，这种土称为饱和土；当土骨架的孔隙全部被水占满时，这种土称为饱和土；当土骨架的孔隙仅含空气时，就成为干土；当土骨架的孔隙仅含空气时，就成为干土；一般在地下水位以上地面以下一定深度内的土的孔隙中兼一般在地下水位以上地面以下一定深度内的土的孔隙中兼含空气和水，此时的土体属三相系，称为湿土。含空气和

4、水，此时的土体属三相系，称为湿土。根据土的粘性分：粘性土：颗粒很细；根据土的粘性分：粘性土：颗粒很细；无粘性土：颗粒较粗，甚至很大。砂、碎无粘性土：颗粒较粗，甚至很大。砂、碎石、甚至堆石（直径几十石、甚至堆石（直径几十cm甚至甚至1m）2.2 土的三相组成及土的结构土的三相组成及土的结构一、土的固相一、土的固相（一）成土矿物（一）成土矿物原生矿物：由物理风化生成的土粒；颗粒较粗，一般为无：由物理风化生成的土粒；颗粒较粗，一般为无粘性土；石英、长石、云母等；圆形、板状、块状；吸水粘性土；石英、长石、云母等；圆形、板状、块状；吸水力弱、稳定、无塑性；砂多为石英。力弱、稳定、无塑性；砂多为石英。次生

5、矿物：由原生矿物经化学风化作用而形成的矿物。颗：由原生矿物经化学风化作用而形成的矿物。颗粒较细，一般为粘土矿物，形成粘性土。高岭石、伊利石、粒较细，一般为粘土矿物，形成粘性土。高岭石、伊利石、蒙脱石；片状、极细；吸水力强、活泼、有塑性蒙脱石；片状、极细；吸水力强、活泼、有塑性。（二）粘土矿物的晶体结构（二）粘土矿物的晶体结构粘土矿物：是一种复合的铝粘土矿物：是一种复合的铝-硅酸盐晶体，颗粒成片状，是硅酸盐晶体，颗粒成片状，是由硅片和铝片构成的晶胞所组叠而成。由硅片和铝片构成的晶胞所组叠而成。硅片：基本单元是硅氧四面体，底面每个氧离子为硅片：基本单元是硅氧四面体，底面每个氧离子为2个相个相邻单元

6、的硅原子共有组成六边形硅片；邻单元的硅原子共有组成六边形硅片；铝片：铝（镁）氢氧（氧）八面体，每个氢氧离子铝片：铝（镁）氢氧（氧）八面体，每个氢氧离子为为2个相邻单元的铝原子共有组成铝片；个相邻单元的铝原子共有组成铝片；蒙脱石：伊利石进一步风化，蒙脱石：伊利石进一步风化，2：1型晶型晶格，二个硅片一个铝片一个晶层，格，二个硅片一个铝片一个晶层，晶层没有钾离子连接，而是有水分子进晶层没有钾离子连接，而是有水分子进入；连接弱。入；连接弱。伊利石：云母在碱性介质中风化产物，伊利石：云母在碱性介质中风化产物，2：1型晶格，晶层靠钾离子连接，比较型晶格，晶层靠钾离子连接，比较稳定，但不如氢键；稳定，但不

7、如氢键；高岭石：长石风化产物，高岭石：长石风化产物，1：1型晶格，型晶格，一个硅片一个铝片一个晶层，晶层一个硅片一个铝片一个晶层，晶层靠氢键连接，一个颗粒多达近百个晶层。靠氢键连接，一个颗粒多达近百个晶层。（三）土粒的大小和土的级配（三）土粒的大小和土的级配粒组：把工程性质相近的土粒合并为一组。：把工程性质相近的土粒合并为一组。土土粒粒粒粒组组的的划划分分 粒 组 名 称 粒径范围 一 般 特 征 漂石、块石颗粒 200 卵石、碎石颗粒 20020 透水性很大，无粘性，无毛细水 圆砾、角砾颗粒 粗 中 细 2010 105 52 透水性很大，无粘性，毛细水上升高度不超 过粒径大小 砂 粒 粗

8、中 细 极细 20.5 0.50.25 0.250.1 0.10.05 易透水，当混入云母等杂质时透水性减小，而压缩性增加；无粘性，遇水不膨胀，干燥时松散，毛细水上升高度不大，随粒径变小而增大 粉 粒 粗 细 0.050.01 0.010.005 透水性小，湿时稍有粘性，遇水膨胀小，干时稍有收缩，毛细水上升高度较大较快，极易出现冻胀现象 粘 粒 0.005 透水性很小，湿时有粘性、可塑性，遇水膨胀大，干时收缩显著，毛细水上升高度大，但速度较慢 粘土（四）颗粒大小分析试验（四）颗粒大小分析试验 测定土中各粒组颗粒质量所占该土总质量的百分数，确测定土中各粒组颗粒质量所占该土总质量的百分数，确定粒径

9、分布范围的试验称为土的颗粒大小分析试验。定粒径分布范围的试验称为土的颗粒大小分析试验。筛分法：粒径筛分法：粒径0.075mm 密度计法：粒径密度计法：粒径0.075mm，又有粒径，又有粒径0.075mm 土的级配：土中各种大小的粒组中土粒的相对含量。：土中各种大小的粒组中土粒的相对含量。100mmXi1.筛分法 利用一套孔径由大到小的筛子，将按规定方法取得的一定质量的干试样放入一次叠好的筛中，置振筛机上充分振摇后，称出留在各级筛上的土粒的质量，按下式计算出小于某土粒粒径的土粒含量百分数X（）式中：mi，m分别为小于某粒径的土粒质量及试样总质量 2.密度计法 利用不同大小的土粒在水中的沉降速度不

10、同来确定小于某粒径的土粒含量的方法。通过密度计测定土水悬浊液的密度来确定。(五五)颗粒分析试验曲线的主要用途颗粒分析试验曲线的主要用途按粒径分布曲线可求得：按粒径分布曲线可求得：（1）土中各粒组的土粒含量，用于粗粒土的分类和大）土中各粒组的土粒含量，用于粗粒土的分类和大致评估土的工程性质；致评估土的工程性质；（2）某些特性粒径，用于建筑材料的选择和评价土级）某些特性粒径，用于建筑材料的选择和评价土级配的好坏。配的好坏。根据某些特征粒径，可得到两个有用的指标，即不均根据某些特征粒径，可得到两个有用的指标，即不均匀系数匀系数Cu和曲率系数和曲率系数Cc。1060ddCu6010230dddCc式中

11、：d10，d30和d60为粒径分布曲线上小于某粒径的土粒含量分别为10，30和60时所对应的粒径。d10称为有效粒径；d60称为限制粒径；d30称中值粒径。Cu小，曲线陡；Cu大，易压密；Cc过大，台阶在d10d30间；Cc过小，台阶在d30d60间；规范：Cu=5，且Cc=13时，级配良好，否则，不良。不均匀系数不均匀系数C反映大小不同粒组的分布情况。反映大小不同粒组的分布情况。C越大越大表示土粒大小的分布范围越大、其级配越良好，作为填方表示土粒大小的分布范围越大、其级配越良好，作为填方工程的土料时，则比较容易获得较大的密实度。曲率系数工程的土料时，则比较容易获得较大的密实度。曲率系数Cc描

12、写累积曲线的分布范围，反映曲线的整体形状。描写累积曲线的分布范围，反映曲线的整体形状。级配良好二、土的液相二、土的液相 土中水处于不同位置和温度条件下，可具有不同的物理状态固态、液态、气态。液态水液态水是土中孔隙水的主要存在状态，因其受土粒表面双电层影响程度的不同可分为结合水、毛细水、重力水结合水、毛细水、重力水。后两者也称为非结合水非结合水（自自由水由水）。水 的 类 型 主 要 作 用 力 结 合 水 物 理 化 学 力 毛 细 水 表 面 张 力 和 重 力 非 结 合 水 重 力 水 重 力 1结合水 土颗粒表面带有一定的电荷，当土粒与水相接触时，由于静电作用力，将吸引水化离子和水分子

13、，形成双电层，在双电层影响下的水膜称为表面结合水。双电层的厚薄也反映了结合水的厚薄，结合水具有与一般自由水不同的性质，其密度较大、粘滞度高、流动性差、冰点低、比热较大。这种差异随距离增加而减弱。2.自由水(非结合水)在双电层影响以外的水为自由液态水，它主要受重力作用的控制，土粒表面吸引力居次要地位，这部分水称为非结合水，它包括毛细水毛细水和重力水重力水。(1)毛细水 毛细水是受到水与空气交界面处表面张力作用的自由水。(2)重力水 它是在重力或压力差作用下运动的自由水，对土粒有浮力作用。重力水只受重力控制，不受土粒表面吸引力的影响。三、土中气三、土中气n土中的气体土中的气体与大气相通 压缩性高；

14、与大气隔绝 降低透水性四、土的结构和构造四、土的结构和构造 土的结构是指由土粒单元的大小、形状、相互排土的结构是指由土粒单元的大小、形状、相互排列及其联结关系等因素形成的综合特征。一般分为列及其联结关系等因素形成的综合特征。一般分为单粒结构单粒结构、蜂窝结构蜂窝结构和和絮状结构絮状结构三种基本类型。三种基本类型。在同一土层中的物质成分和颗粒大小等都相近的在同一土层中的物质成分和颗粒大小等都相近的各部分之间的相互关系的特征称为各部分之间的相互关系的特征称为土的构造土的构造。土的构造最主要特征就是成层性即土的构造最主要特征就是成层性即层理构造层理构造。土。土的构造的另一特征是土的裂隙性。的构造的另

15、一特征是土的裂隙性。2.3 土的物理性质指标土的物理性质指标 可分为两类：一类是必须通过试验测定的，如含水率、密度和土粒比重，称为直接指标；另一类是根据直接指标换算的，如孔隙比、孔隙率、饱和度等，称为间接指标。一、试验直接测定的物理性质指标（一）土的密度与重度土的密度定义为单位体积土的质量，用表示，单位为g/cm3表达式如下：对于粘性土，土的密度常用环刀法测定。awsawsVVVmmmVm 土的重度亦称为容重，定义为单位体积土的重量，用表示，单位为kN/m3。表达式如下：式中：W土的重量，单位为kN；g重力加速度。gVgmVW一般土1820 砂土16203/mkN3/mkN（二）土粒相对密度d

16、s土粒相对密度定义为土粒的质量（或重量）与同体积4时纯水的质量（或重量）之比（无因次），其表达式为：式中：s土粒的密度，即土粒单位体积的质量；（w）44时纯水的密度，1g/cm34s4wwsssVmd 土粒相对密度取绝于土的矿物成分。粘性土270275，砂土265左右。（三）土的含水量w土的含水量，定义为土中水的质量与土粒的质量之比，以百分数表示，其表达式为：%100swmm含水量是标志土的湿度的一个重要物理指标。含水量大湿软测定含水率常用的方法是烘干法，先称出天然土的质量，然后放在烘箱中，在100105常温下烘干，称得干土质量，按前式可算得。二、间接换算得物理性质指标（一）土的孔隙比e定义：

17、土中孔隙的体积与土粒的体积之比，以小数表示，其表达式为：（二）土的孔隙率n定义：土中孔隙的体积与土的总体积之比，或单位体积内孔隙的体积，以百分数表示，其表达式为：svVVe%100VVnv（三）土的饱和度Sr定义：土中孔隙水的体积与孔隙体积之比，以百分数表示，其表达式为：%100vwrVVS描述土体中孔隙被水充满的程度。干土为0；湿土为100%。土的干重度：单位体积内土粒的重量，表达式为：土烘干，体积要减小，因而，土的干密度不等于烘干土的密度。土的干密度或干重度也是评定土密实程度的指标，干密度或干重度愈大表明土愈密实，反之愈疏松。gVgmVWdssd（四）干密度d与干重度d土的干密度：单位体积

18、内土粒的质量，表达式：Vmsd（五）饱和密度sat与饱和重度sat 饱和密度定义：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。表达式为：VVmwvssat第一章第一章 土的物理性质指标与工程分类土的物理性质指标与工程分类 在饱和状态下，单位体积土的重量称为饱和重度，其表达式为：gVgVgmVVWsatwvswvssat第一章第一章 土的物理性质指标与工程分类土的物理性质指标与工程分类（六）有效密度与有效重度 土在水下，受到水的浮力作用，其有效重量减小，因此提出了有效重度的概念，其表达式为：gVgVgmVVWwsswss 与其相应，提出了有效密度的概念，土的有效密度是单位体积内的土粒质

19、量与同体积水质量之差，其表达式：或 从上述四种土的密度或重度的定义可知，同一土样各种密度或重度在数值上有如下关系：dsatdsatwsatVVmwss 三、物理性质指标间的换算 常用的土的物理指标共有九个。已知其中任意三个，通过换算可以求出其余的六个。（一）孔隙比与孔隙率的关系 设土体内土粒的体积为1，则e=Vv/V可知，孔隙的体积Vv为e，土体的体积V为（1e），于是有：或 eeVVnv1nne1 孔隙 e 1+e 土粒 1 三相示意图（二）干密度与湿密度和含水量的关系 设土体的体积V为1，则d=ms/V，土体内土粒的质量ms为d，由w=mw/ms水的质量mw为w d。)1(1wwVmddd

20、wd1（三）孔隙比与比重和干密度的关系 设土体内土粒的体积为1，则按e=Vv/V，孔隙的体积vv为e；由s ms/Vs得土粒的质量ms为s。于是，按d的定义可得：eVmssd1（四）饱和度与含水率、比重和孔隙比得关系 由s ms/Vs得土粒的质量ms=s。按w=mw/ms，水得质量mw=ws，则水得体积vw=mw/w=ws/w。于是，Sr定义可得：ewdewVVSswsvwr（五）有效密度与比重和孔隙比得关系 设土体内土粒体积为1，则按e=Vv/V，孔隙的体积Vv为e；由s ms/Vs得土粒的质量ms为s。edeVVmwswswss111【例题2.1】一块原状土样，经试验测得土的天然密度为1.

21、67t/m3，含水量为12.9%，土粒相对密度ds为2.7。求土样孔隙比、孔隙率和饱和度。%43805.067.2129.0ewdewVVSswsvwr805.0167.1)129.1(67.21)1(wswde%6.44805.01805.01eeVVnv2、无粘性土的相对密实度常用相对密实度Dr来衡量无粘性土的松紧程度，其定义为 式中：Dr相对密实度；emax无粘性土处在最松状态时的孔隙比；emin无粘性土处在最密状态时的孔隙比；e0无粘性土得天然孔隙比或填筑孔隙比。minmax0maxeeeeDr 2.4 无粘性土的密实度无粘性土的密实度1、孔隙比 优点：判别简便 缺点：不能考虑级配的因

22、素在工程上，用相对密实度Dr划分无粘性土的状态如下：0Dr1/3 疏松的 1/3Dr2/3 中密的 2/3Dr1 密实的 将风干的无粘性土试样用漏斗法测定其最小干密度，用振击法测定其最大干密度。3、标准贯入试验的锤击数N 松散 稍密 中密 密实4、野外鉴别法 碎石土 根据可挖性 可钻性 2.5 粘性土的物理特性粘性土的物理特性1、粘性土的界限含水量 粘性土从一种状态转变为另一种状态的分界含水量称为界限含水量。四种状态：固态 半固态 可塑状态 流动状态粘性土就是指具有可塑状态性质的土。可塑性：土在外力作用下，可塑成任何形状而不发裂，当外力卸除后仍能保持已有的形状。含水量对粘性土的工程性质有着极大

23、的影响。含水量对粘性土的工程性质有着极大的影响。液限（WL）从流动状态转变为可塑状态的界限含水量塑限（Wp）从可塑状态转变为半固体状态的界限含水量缩限（Ws）从半固体状态转变为固体状态的界限含水量，即粘性土随着含水量的减小而体积开始不变时的含水量。2.液、塑限的测定测定塑限的方法：搓滚法和液、塑限联合测定法。测定液限的方法：碟式仪法和液、塑限联合测定法。液、塑限联合测定法：塑限5秒入土2mm时的含水量 液限 5秒入土10mm时的含水量联合测定仪蝶式仪3、塑性指数和液性指数 1.塑性指数 塑性指数：液限和塑限之差的百分数值（去掉百分号）。用Ip表示，取整数，即：塑性指数越高，吸着水含量可能高，土

24、的粘粒含量越高。pLpwwI 2.液性指数 粘性土的状态可用液性指数来判别。定义为：式中：IL液性指数，以小数表示；w土的天然含水量。pppLpLIwwwwwwI 液性指数表征了土的天然含水量与界限含水量之间的相对关系，表达了天然土所处的状态。wLw时，IL1.0，土处于流动状态。wwp时，IL0，土处于坚硬状态；wpw wL时，0IL1.0，土处于可塑状态；2.6 土的渗透及渗流土的渗透及渗流 渗透：由于土体本身具有连续的孔隙，如果存在水位差的作用，水就会透过土体孔隙而发生孔隙内的流动。土具有被水透过的性能称为土的渗透性。土的问题是指由于水的渗透引起土体内部应力状态的变化或土体、地基本身的结

25、构、强度等状态的变化，从而影响建筑物或地基的稳定性或产生有害变形的问题。1、达西渗透定律 由于土体中的孔隙一般非常微小，水在土体中流动时的粘滞阻力很大、流速缓慢，因此，其流动状态大多属于层流。著名的达西(Darcy)渗透定律：kiLhkv渗透速度：或 渗流量为：对粘性土：kiAvAq)(biikv 渗透系数的大小是直接衡量土的透水性强弱的一个重要的力学性质指标。一、实验室内测定渗透系数常水头试验和变水头试验。常水头法是在整个试验过程中，水头保持不变。常水头法适用于透水性强的无粘性土。土的渗透系数：2、渗透系数的测定AhtQlk kiAvAqkilhkv一、如果土是各向同性的kx等于ky，则上式

26、就是著名的拉普拉斯（Laplace）方程，它是描述稳定渗流的基本方程式。二、流网及其特征就渗流问题来说，一组曲线称为等势线，在任一条等势线上各点的总水头是相等的；另一组曲线称为流线，它们代表渗流的方向。等势线和流线交织在一起形成的网格叫流网。02222yhxh、二维渗流及流网流网的确定方法流网的确定方法对于各向同性的渗透介质，流网具有下列特征：（1）流线与等势线彼此正交；（2）每个网格的长宽比为常数；（3）相邻等势线间的水头损失相等；（4）各流槽的渗流量相等。流网的绘制流网的绘制（1）按一定比例绘出结构物和土层的剖面图；（2）判定边界条件：透水面为等势线，不透水面为流线；（3）先试绘若干条流线

27、；（4）绘制等势线。4、流网的应用 （1）测管水头 根据流网特征可知，任意两相邻等势间的水头损失，从而算出相邻两条等势线之间的水头损失。1nHNHhH 上、下游水位差，也就是水从上游到下游的总水头损失；N 等势线间隔数；n 等势线数；（2）孔隙水压力 渗流场中各点的孔隙水压力，等于该点以上测压管中的水柱高度乘以水的重度。wuahu（）水力坡降 流网中任意网格的平均水力坡降为lhil 为该网格处流线的平均长度；由以上公式可知，流网中网格越密处，其水力坡降越大。（）渗流流速 各点的水力坡降已知后，渗流流速可以由达西定律求出。（）渗流量 流网中任意两相邻流线间的单宽流量是相等的。slhkskiAvq

28、1hkqqqqLQ 总单宽流量总渗流量【例题2.2】图2.32为一板桩打入透水土层后形成的流网。已知透水土层深18m，渗透系数 ，板桩打入土层表面以下9m，板桩前后水深如图所示。试求（1）图中所示各点的孔隙水压力；（2）地基的单宽渗流量。解:根据流网可知，每一等势线间隔的水头降落1m 列表计算各点的孔隙水压力 测管水头=位置水头+压力水头smmk/1054位位置置位置水头位置水头z（m）测管水头测管水头h（m）压力水头压力水头hu（m）孔隙水压力孔隙水压力u（kN/m3）a272700b1827988.2c92314137.2d181919.8e191900（2）地基的单宽渗流量 hkMqMq

29、qsmqsmkM/102010514/10542777渗流所引起的稳定问题：（1）土体的局部稳定问题，又称为渗透变形问题；（2）整体稳定问题。一、渗流力的概念水在土体中流动时，将会引起水头的损失。这种水头损失是由于水在土体孔隙中流动时，力图拖曳土粒而消耗能量的结果。渗流力：渗透水流施于单位土体内土粒上的拖曳力，也称渗透力、动水压力。5、渗流所引起的稳定问题验证渗流力存在的流土试验：当容器B提升到一定高度，容器A与容器B内水位差达到一定值时，可以看到砂面出现沸腾那样的景象，这种现象称为流土或浮冲、砂沸。渗流力的大小与水力梯度成正比，其作用方向与渗流（或流向）方向一致，是一种体积力。ijw二、渗透

30、变形（一）渗透变形的形式渗透变形可分为：流土和管涌两种基本形式。流土：在渗流作用下局部土体表面隆起，或土粒群同时起动而流失的现象。它主要发生在地基或土坝下游渗流溢出处。管涌：在渗流作用下土体中的细土粒在粗土粒形成的孔隙通道中发生移动并被带出的现象。它主要发生在砂砾土中。流砂和管涌的区别：流砂：一般发生在土体表面渗流逸出处，不发生于土体内部。管涌：即可以发生在渗流的逸出处，也可能发生于土体的内部，一般对于不均匀系数大于10的土才会发生。（二）土的临界水力梯度 土体抵抗渗透破坏的能力，称为抗渗强度。通常以濒临渗透破坏时的水力梯度表示，一般称为临界水力梯度或抗渗梯度。1wsatwcri 土的有效重度一般在8-12kN/m3，而水的重度一般取10kN/m3，因此 可近似取1。cri流土一般发生在渗流逸出处，根据逸出梯度ie：ie icr 流土设计时要保证：ie 17粉质粘土：10Ip17试样中粒径小于0.075mm的细粒组质量多于或等于总质量的50的土称为细粒土。细粒土可按塑性图进一步细分。