土力学基础知识课件.ppt

1、土与土力学基本知识土与土力学基本知识 1.1 土的成因 1.2 土的组成 1.3 土的物理性质指标 1.4 1.4 土的物理状态指标土的物理状态指标 1.5 1.5 土的压缩性土的压缩性主要内容1.6 土的抗剪性能土的抗剪性能1.1 土的成因大块岩石大块岩石风化（风化（物理、化物理、化学、生物学、生物）作用）作用岩石破碎岩石破碎 化学成分改变化学成分改变搬运作用搬运作用沉积作用沉积作用大小、形状和成大小、形状和成分都不相同的松分都不相同的松散颗粒集合体散颗粒集合体（土）（土）土土固相固相液相液相气相气相土中颗粒的大小、成分及三相之间土中颗粒的大小、成分及三相之间的相互作用和比例关系，反映出土的

2、相互作用和比例关系，反映出土的不同性质的不同性质 一、土的生成一、土的生成 二、土的结构土的结构土的结构指土生成过程中所形成的土粒的空间排列及其连接形式。指土生成过程中所形成的土粒的空间排列及其连接形式。与组成土的颗粒大小、颗粒形状、矿物成分和沉积条件有关。与组成土的颗粒大小、颗粒形状、矿物成分和沉积条件有关。1.单粒结构：单粒结构：d0.075mmd0.075mm，粗矿物颗粒在水或空气中在自重作，粗矿物颗粒在水或空气中在自重作用下沉落形成的用下沉落形成的单粒结构单粒结构，其特点是土粒间存在点与点的接触。，其特点是土粒间存在点与点的接触。根据形成条件不同，可分为根据形成条件不同，可分为密实状态

3、密实状态和和疏松状态疏松状态。密实状态密实状态疏松状态疏松状态2.蜂窝结构：蜂窝结构：d=0.005d=0.0050.075mm0.075mm的粉粒，颗粒间点与点接触，的粉粒，颗粒间点与点接触，由于彼此之间引力大于重力，接触后，不再继续下沉，形成由于彼此之间引力大于重力，接触后，不再继续下沉，形成链环单位链环单位,很多链环联结起来，形成孔隙较大的蜂窝状结构。很多链环联结起来，形成孔隙较大的蜂窝状结构。3.絮状结构：絮状结构：d0.005mmd0.005mm，细微粘粒大都呈针状或片状，质量，细微粘粒大都呈针状或片状，质量极轻，在水中处于悬浮状态。极轻，在水中处于悬浮状态。蜂窝结构蜂窝结构絮状结构

4、絮状结构1.2 土的组成(p88)一、土的固相一、土的固相土颗粒土颗粒 土粒的大小、相关矿物成分以及大小搭配情况对土土粒的大小、相关矿物成分以及大小搭配情况对土的物理力学性质有明显影响的物理力学性质有明显影响1.粒组的划分粒组的划分粒组：粒组：粒径大小在一定范围内的土粒，其矿物成分及性质粒径大小在一定范围内的土粒，其矿物成分及性质都比较接近，划分为一个粒组。划分粒组的分界尺寸称为都比较接近，划分为一个粒组。划分粒组的分界尺寸称为界限粒径界限粒径。土土固相固相土颗粒：矿物、有机质土颗粒：矿物、有机质液相液相土中水：水及其溶解物土中水：水及其溶解物气相气相土中气：空气和其他气体土中气：空气和其他气

5、体2.2.土的颗粒级配土的颗粒级配 工程上将各种不同的土粒按其粒径范围，划分工程上将各种不同的土粒按其粒径范围，划分为若干粒组，为了表示土粒的大小及组成情况，通为若干粒组，为了表示土粒的大小及组成情况，通常以常以土中各个粒组的相对含量土中各个粒组的相对含量（即（即各粒组占土粒总各粒组占土粒总量的百分数量的百分数）来表示，称为）来表示，称为土的颗粒级配。土的颗粒级配。试验方法试验方法筛分法：适用于适用于0.075mmd60mm比重计法比重计法:适用于适用于d0.075mm筛分法筛分法用一套孔径不同的筛子，按从上用一套孔径不同的筛子，按从上至下筛孔逐渐减小放置。将事先至下筛孔逐渐减小放置。将事先称

6、过质量的烘干土样过筛，称出称过质量的烘干土样过筛，称出留在各筛上的土质量，然后计算留在各筛上的土质量，然后计算其占总土粒质量的百分数。其占总土粒质量的百分数。目前我国采用的标准筛的最小孔目前我国采用的标准筛的最小孔径为径为0.075mm0.075mm（或（或0.1mm0.1mm）。）。比重计比重计法法利用不同大小的土粒在水中的沉降速度不同来确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定小于某粒径的土粒含量颗粒级配曲线颗粒级配曲线 纵坐标表示小于某粒径的土粒含量百分比纵坐标表示小于某粒径的土粒含量百分比,横坐标表示土粒的粒径横坐标表示土粒的粒径(用对数坐标表示）用对数坐标表

7、示）曲线陡，表示粒径大小相差不多，土颗粒比较均匀，级配不良；曲线陡，表示粒径大小相差不多，土颗粒比较均匀，级配不良；曲线缓，表示粒径大小相差悬殊，土颗粒不均匀，级配良好。曲线缓，表示粒径大小相差悬殊，土颗粒不均匀，级配良好。颗粒级配的判别颗粒级配的判别 不均匀系数不均匀系数Cu描述颗粒级描述颗粒级配的不均匀程度，表明大配的不均匀程度，表明大小不同粒组的分布情况小不同粒组的分布情况 1060ddCud10 有效粒径，小于某粒径的土粒含量占总质量的有效粒径，小于某粒径的土粒含量占总质量的10%时相应的粒径时相应的粒径d60限定粒径，小于某粒径的土粒含量占总质量的限定粒径，小于某粒径的土粒含量占总质

8、量的60%时相应的粒径时相应的粒径d30小于某粒径的土粒含量占总质量的小于某粒径的土粒含量占总质量的30%时相应的粒径时相应的粒径Cu愈大，表示土粒愈不均愈大，表示土粒愈不均匀。工程上把匀。工程上把Cu5的土视的土视为级配不良的土；为级配不良的土；Cu10的土视为级配良好的土的土视为级配良好的土 曲率系数曲率系数Cc描述颗粒级配曲描述颗粒级配曲线整体形状，表明某粒组是线整体形状，表明某粒组是否缺失情况否缺失情况6010230dddCc对于砾类土或砂类土，同时满对于砾类土或砂类土，同时满足足Cu5和和Cc=13时，为良好时，为良好级配级配1.3 土的物理性质指标(p88)一、土的三相图 气气水水

9、土粒土粒msmwmVsVwVVa质量质量m体积体积V二、直接测定指标二、直接测定指标 1.土的密度土的密度：单位体积土的质量。实验室可用单位体积土的质量。实验室可用环刀法环刀法测定。测定。awswsVVVmmVm工程中常用工程中常用重度重度 来表示单位体积土的重力。来表示单位体积土的重力。g重力加速度，近似取重力加速度，近似取10m/s2 Vv2.土粒相对密度土粒相对密度Gs（土粒比（土粒比重）：重）：土粒质量与同体积的土粒质量与同体积的4时纯水的质量之比。实验时纯水的质量之比。实验室可用室可用比重瓶法比重瓶法测定。测定。ssssVmG土粒相对密度变化范围不大：细粒土（粘性土）一般土粒相对密度

10、变化范围不大：细粒土（粘性土）一般2.702.75；砂土一般为；砂土一般为2.65左右。土中有机质含量增加，土粒相左右。土中有机质含量增加，土粒相对密度减小。对密度减小。气气水水土粒土粒msmwmVsVwVVa质量质量m体积体积V气气水水土粒土粒msmwmVsVwVVa质量质量m体积体积V3.土的含水量土的含水量：土中水的质土中水的质量与土粒质量之比，以百分量与土粒质量之比，以百分数表示。数表示。%100%100sssmmmmm土的含水量是标志土含水程度的一个重要物理指标。天然土土的含水量是标志土含水程度的一个重要物理指标。天然土层含水量变化范围较大，与土的种类、埋藏条件及其所处的层含水量变化

11、范围较大，与土的种类、埋藏条件及其所处的自然地理环境等有关。一般来说，同一类土，当含水量增大自然地理环境等有关。一般来说，同一类土，当含水量增大时，其强度就降低。时，其强度就降低。实验室可用实验室可用烘干法烘干法，亦可近似用，亦可近似用酒精燃烧法。酒精燃烧法。三、换算指标三、换算指标 气气水水土粒土粒msmwmVsVwVVVa质量质量m体积体积V1.孔隙比孔隙比e和孔隙率和孔隙率n孔隙比孔隙比e ：土中孔隙体积与土粒体积之比。可以用来评土中孔隙体积与土粒体积之比。可以用来评价天然土层的密实程度。价天然土层的密实程度。svVVe孔隙率孔隙率n ：土中孔隙体积与总体积之比，以百分数表示。土中孔隙体

12、积与总体积之比，以百分数表示。%100VVnv2.土的饱和度土的饱和度Sr：土中孔隙水的体积与孔隙总体积之比，土中孔隙水的体积与孔隙总体积之比，以百分数表示。以百分数表示。饱和度描述土中孔隙被水充满的程度。饱和度描述土中孔隙被水充满的程度。干土：干土：Sr=0,饱和土：饱和土：Sr=100%。砂土：砂土：根据饱和度分为三种状态根据饱和度分为三种状态:%100vrVVS Sr50%稍湿稍湿 50Sr80%很湿很湿 Sr80%饱和饱和3.不同状态下土的密度和重度不同状态下土的密度和重度饱和密度饱和密度sat ：土体中孔隙完全被水充满时的土的密度。：土体中孔隙完全被水充满时的土的密度。VVmvssa

13、t浮密度浮密度 ：土单位体积内土粒质量与同体积水的质量之差。：土单位体积内土粒质量与同体积水的质量之差。VVmss气气水水土粒土粒msmwmVsVwVVVa质量质量m体积体积V干密度干密度d ：单位体积中固体颗粒部分的质量。：单位体积中固体颗粒部分的质量。Vmsd土的三相比例指标中的土的三相比例指标中的质量质量密度指标密度指标共有共有4个个(kg/m3)：土的密度土的密度 饱和密度饱和密度sat干密度干密度d浮密度浮密度相应的相应的重度指标重度指标也有也有4个个(kN/m3)3)：土的重度土的重度 饱和重度饱和重度 sat干重度干重度 d浮重度浮重度 1.4 土的物理状态指标 一、无粘性土一、

14、无粘性土 土的密实度土的密实度指单位体积土中固体颗粒的含量。根据土颗粒含指单位体积土中固体颗粒的含量。根据土颗粒含量的多少，天然状态下的量的多少，天然状态下的砂土砂土、碎石土碎石土等处于从紧密到松散的不等处于从紧密到松散的不同物理状态。无粘性土的密实度与其工程性质有着密切关系。同物理状态。无粘性土的密实度与其工程性质有着密切关系。1.孔隙比孔隙比e孔隙比孔隙比e可以用来表示砂土的密实度。对于同一种土，当孔隙可以用来表示砂土的密实度。对于同一种土，当孔隙比小于某一限度时，处于密实状态。孔隙比愈大，土愈松散。比小于某一限度时，处于密实状态。孔隙比愈大，土愈松散。2.相对密实度相对密实度Dr：无粘性

15、土的最大孔隙比与天然孔隙比之差和无粘性土的最大孔隙比与天然孔隙比之差和最大孔隙比与最小孔隙比之差的比值。最大孔隙比与最小孔隙比之差的比值。minmaxmaxeeeeDr砂土在天然状砂土在天然状态下孔隙比态下孔隙比砂土在最密实状砂土在最密实状态时的孔隙比态时的孔隙比砂土在最松散状态砂土在最松散状态时的孔隙比时的孔隙比 主要物理状态是密实度相对密实度的值介于相对密实度的值介于0 01 1之间，值越大，表示越密实。之间，值越大，表示越密实。当当Dr=0=0时，时，e=emax，表示土处于最疏松状态，表示土处于最疏松状态;当当Dr=1.0时，时，e=emin，表示土体处于最密实状态。，表示土体处于最密

16、实状态。3.按动力触探确定无粘性土的密实度按动力触探确定无粘性土的密实度Dr1/3疏松状态疏松状态1/3Dr2/3中密状态中密状态2/3Dr 1密实状态密实状态 天然砂土的密实度，可按原位标准贯入试验的锤击数天然砂土的密实度，可按原位标准贯入试验的锤击数N进进行评定。天然碎石土的密实度，可按原位重型圆锥动力触探行评定。天然碎石土的密实度，可按原位重型圆锥动力触探的锤击数的锤击数N63.5进行评定进行评定(GB50007-2002)。密实度密实度按按N N评定砂石密实度评定砂石密实度 按按N63.5评定碎石土密实度评定碎石土密实度 松散松散稍密稍密中密中密密实密实N10N63.5510N155N

17、63.51015N3010N63.520N30N63.520 二、粘性土二、粘性土稠度稠度是指土的软硬程度或土受外力作用所引起变形或破坏的是指土的软硬程度或土受外力作用所引起变形或破坏的抵抗能力抵抗能力,是粘性土最主要的物理状态特征。是粘性土最主要的物理状态特征。0固态固态可塑状态可塑状态流动状态流动状态(%)塑限塑限P液限液限L粘性土由某一种状态转变到另一状态的分界含水量称为土的粘性土由某一种状态转变到另一状态的分界含水量称为土的界限含水量界限含水量。液限、塑限测定根据液限、塑限测定根据土工试验规程土工试验规程(SL237-007-1999)规定，规定，采用采用液塑限联合测定仪液塑限联合测定

18、仪进行测定。进行测定。缩限缩限s半固态半固态 主要物理状态是稠度（软硬程度）1.界限含水量界限含水量液塑限联合测定仪液塑限联合测定仪(锥式仪法测定液限试验锥式仪法测定液限试验)下沉深度为下沉深度为17mm所对应的含水量为所对应的含水量为液限液限;下沉深度为下沉深度为2mm处所对应的含水量为处所对应的含水量为塑限。塑限。2.塑性指数塑性指数塑性指数塑性指数IP是液限和塑限的差值是液限和塑限的差值(省去省去%)，即土处在可塑状态的，即土处在可塑状态的含水量变化范围。含水量变化范围。说明：说明：塑性指数的大小取决于土颗粒吸附结合水的能力塑性指数的大小取决于土颗粒吸附结合水的能力,即与土即与土中粘粒含

19、量有关。粘粒含量越多中粘粒含量有关。粘粒含量越多,塑性指数就越高塑性指数就越高,可塑性越强。可塑性越强。说明：说明：液性指数表征土的天然含水量与界限含水量间的相对关系。液性指数表征土的天然含水量与界限含水量间的相对关系。当当IL0时时,P,土处于坚硬状态土处于坚硬状态;当当IL1时时,L,土处于流动土处于流动状态。根据状态。根据IL值可以直接判定土的软硬状态。值可以直接判定土的软硬状态。（例）（例）PLpI液性指数液性指数IL是粘性是粘性土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比 PPLII状态状态液性指数液性指数坚硬坚硬硬塑硬塑可塑可塑软塑软塑流塑流塑I

20、L00IL0.250.25IL0.750.75IL1IL13.液性指数液性指数4.4.粘性土的灵敏度和触变性粘性土的灵敏度和触变性土的灵敏度：土的灵敏度：原状土的强度与同一土经重塑（含水量不变，土原状土的强度与同一土经重塑（含水量不变，土的结构被彻底破坏）后的强度之比。的结构被彻底破坏）后的强度之比。土的触变性：土的触变性：粘性土受扰动后，土的强度会降低，但静置一粘性土受扰动后，土的强度会降低，但静置一段时间后，土的强度又会逐渐增长，称为土的触变性。段时间后，土的强度又会逐渐增长，称为土的触变性。S St t 越大，土的灵敏度越高，其结构性越强，受扰动后土的强越大，土的灵敏度越高，其结构性越强

21、，受扰动后土的强度降低就越多。施工中要尽量减少对土结构的扰动。度降低就越多。施工中要尽量减少对土结构的扰动。0qqSut原状土无侧限抗压强度原状土无侧限抗压强度KPaKPa重塑土无侧限抗压强度重塑土无侧限抗压强度KPaKPa根据灵敏度将粘性土分类：根据灵敏度将粘性土分类：低灵敏度土低灵敏度土 1St2中灵敏度土中灵敏度土 24 1.5 1.5 土的压缩性土的压缩性（P91-92）一、基本概念一、基本概念（一）压缩性（一）压缩性2.2.土体压缩变形的原因：土体压缩变形的原因：土颗粒本身的压缩土颗粒本身的压缩土中水和气体的压缩土中水和气体的压缩孔隙中水和气体的排出孔隙中水和气体的排出占总压缩量的占

22、总压缩量的1/400不到，不到，忽略不计忽略不计压缩量的主要组成部分压缩量的主要组成部分3.3.压缩机理：压缩机理：土的压缩被认为只是由于土的压缩被认为只是由于孔隙体积减小孔隙体积减小的结果。的结果。无粘性土无粘性土粘性土粘性土透水性好，透水性好，水易于排出水易于排出压缩稳定很快完成压缩稳定很快完成透水性差，透水性差，水不易排出水不易排出压缩稳定需要很长一段时间压缩稳定需要很长一段时间1.1.土的压缩性：土的压缩性：指土在压力作用下体积缩小的特性。指土在压力作用下体积缩小的特性。概述n土的强度土的强度：通常是指：通常是指土的抗剪强度土的抗剪强度，而不是土的抗压强度或，而不是土的抗压强度或抗拉强

23、度。抗拉强度。n土的抗剪强度土的抗剪强度：指土对：指土对剪切破坏剪切破坏的极限抵抗能力。的极限抵抗能力。应用应用：土的抗剪强度对地基承载力、挡土墙土压力和土坡稳定：土的抗剪强度对地基承载力、挡土墙土压力和土坡稳定分析等问题产生直接影响。分析等问题产生直接影响。路堤、挡土墙、基础失稳示意图路堤、挡土墙、基础失稳示意图1.6 土的抗剪性能土的抗剪性能n土的剪切破坏土的剪切破坏：地基受荷载作用后，土中各点同时产生法向：地基受荷载作用后，土中各点同时产生法向应力和剪应力，其中法向应力将对土体施加约束力，这是有利应力和剪应力，其中法向应力将对土体施加约束力，这是有利的因素；而剪应力可使土体发生剪切，这是

24、不利的因素。若地的因素；而剪应力可使土体发生剪切，这是不利的因素。若地基中某点的剪应力超过该点的抗剪强度，则此点的土将沿着剪基中某点的剪应力超过该点的抗剪强度，则此点的土将沿着剪应力作用方向产生相对滑动，此时称应力作用方向产生相对滑动，此时称该该点点发生剪切破坏发生剪切破坏。土的抗剪强度 一、库仑定律一、库仑定律(1776(1776年年)库仑定律库仑定律17761776年，库仑根据年，库仑根据砂土砂土剪切试验剪切试验 f=tan 砂土砂土后来，根据后来，根据粘性土粘性土剪切试验剪切试验 f=c+tan 粘土粘土c 库仑定律库仑定律：土的抗剪强土的抗剪强度是剪切面上的法向总度是剪切面上的法向总应

25、力应力 的线性函数，也的线性函数，也称称土的抗剪强度定律土的抗剪强度定律。tanftan cf c:土的粘聚力土的粘聚力:土的内摩擦角土的内摩擦角 f f砂土砂土粘性土和粉土粘性土和粉土c c和和 称为称为抗剪强度指标抗剪强度指标二、土体抗剪强度的影响因素二、土体抗剪强度的影响因素 库伦公式表明，土体的抗剪强度主要是由两部分所组成的，库伦公式表明，土体的抗剪强度主要是由两部分所组成的，即内摩擦力即内摩擦力tg和粘聚力和粘聚力c c。（一）土的抗剪强度的构成（一）土的抗剪强度的构成1.1.摩擦力摩擦力tgn滑动摩擦力：剪切面土粒间表面的粗糙所产生的摩擦力滑动摩擦力：剪切面土粒间表面的粗糙所产生的

26、摩擦力 n咬合摩擦力：土粒间互相嵌入、咬合所产生的咬合力咬合摩擦力：土粒间互相嵌入、咬合所产生的咬合力 2.2.粘聚力粘聚力 c c 各种物理化学作用力，包括库伦力各种物理化学作用力，包括库伦力(静电力静电力)、范德华力、胶结、范德华力、胶结作用等等。一般观点认为，无粘性土不具有粘聚力。作用等等。一般观点认为，无粘性土不具有粘聚力。（二）抗剪强度影响因素（二）抗剪强度影响因素1.1.摩擦力：摩擦力：剪切面上的法向总应力、土的密度、土的颗粒级配、剪切面上的法向总应力、土的密度、土的颗粒级配、土颗粒形状以及表面粗糙程度、矿物成分等。土颗粒形状以及表面粗糙程度、矿物成分等。2.2.粘聚力：粘聚力：颗

27、粒间距离、土粒比表面积、粒径、胶结程度、含水颗粒间距离、土粒比表面积、粒径、胶结程度、含水量、土的结构等。量、土的结构等。3.3.孔隙水压力的影响：孔隙水压力的影响：只有有效应力才能产生土的内摩擦强度。只有有效应力才能产生土的内摩擦强度。三、莫尔三、莫尔-库伦强度理论（库伦强度理论（19101910）理论分析和实践都证明，莫尔理论对土比较合适。莫尔理论分析和实践都证明，莫尔理论对土比较合适。莫尔（Mohr,1910Mohr,1910）提出：材料的破坏为）提出：材料的破坏为剪切破坏剪切破坏，当任一平面上当任一平面上的的剪应力剪应力等于材料的等于材料的抗剪强度抗剪强度时该点就发生破坏，破坏面上的时

28、该点就发生破坏，破坏面上的剪应力剪应力f是是该面上法向应力该面上法向应力 的函数，即的函数，即)(ff 此函数在此函数在f-坐标中是一条坐标中是一条曲线曲线，称为，称为莫尔包线莫尔包线（抗剪强（抗剪强度包线）。度包线）。一般土在应力水平不很高的情况下，莫尔破坏包线一般土在应力水平不很高的情况下，莫尔破坏包线近似于近似于一条一条直线直线，该直线的方程就是库伦公式表示的方程。，该直线的方程就是库伦公式表示的方程。cf 莫尔包线莫尔包线莫尔包线表示：莫尔包线表示：材料在不同应力材料在不同应力作用下达到极限作用下达到极限状态时，滑动面状态时，滑动面上法向应力上法向应力 与剪与剪应力应力 f f 的关系。的关系。)(ff f=c+tan