1、土力学全册配套最完整土力学全册配套最完整 精品课件精品课件2 土 力 学 第一章第一章 绪绪 论论 什么是土？什么是土？ 土有哪些特点？土有哪些特点？ 土力学有何特点？土力学有何特点？ 为什么要学习土力学？为什么要学习土力学？ 土力学包括哪些内容？土力学包括哪些内容？ 如何学好土力学？如何学好土力学？ 土木工程学院土木工程学院 土土是指： 是指： 地球表面的整体岩石在大气中经受长期的风化作用而地球表面的整体岩石在大气中经受长期的风化作用而 形成的、覆盖在地表上碎散的、没有胶结或胶结很弱的颗形成的、覆盖在地表上碎散的、没有胶结或胶结很弱的颗 粒堆积物。粒堆积物。 u什么是土？什么是土？ 土木工程
2、学院土木工程学院 碎散性碎散性 u土有哪些特点？土有哪些特点？ 非连续介质非连续介质 l 岩石风化岩石风化 的产物的产物 土木工程学院土木工程学院 多相介质多相介质 三相体系三相体系 受力后由土骨架、孔隙介受力后由土骨架、孔隙介 质共同承担质共同承担 存在复杂的相互作用存在复杂的相互作用 孔隙流体流动孔隙流体流动 土木工程学院土木工程学院 自然变异性自然变异性 自然界的产物自然界的产物 土木工程学院土木工程学院 碎散性碎散性 三相体系三相体系 自然变异性自然变异性 变形特性变形特性 强度特性强度特性 渗透特性渗透特性 土木工程学院土木工程学院 学科学科研究对象研究对象 理论力学理论力学质点或刚
3、体质点或刚体 材料力学材料力学单个弹性杆件（杆、轴、梁）单个弹性杆件（杆、轴、梁） 连续固体连续固体结构力学结构力学若干弹性杆件组成的杆件结构若干弹性杆件组成的杆件结构 弹性力学弹性力学弹性实体结构或板壳结构弹性实体结构或板壳结构 水力学水力学不可压缩的连续流体（水）不可压缩的连续流体（水）连续流体连续流体 土木工程学院土木工程学院 土力学属于专业基础课，它在一般基础课和专业课之间起到承 上启下的作用。 先行课程：材料力学、结构力学、弹性力学、工程地 质学、水文地质学、水力学、钢筋混凝土 后续课程：基础工程学 土力学是一门交叉学科，它所涉及的自然科学范围很广，除了 和力学领域内各邻近学科有密切
4、关系外，它还涉 及到普通地质学、土质学、物理、化学等方面的知 识领域。 u土力学与其它课程的关系 土木工程学院土木工程学院 连续介质力连续介质力 学的基本知学的基本知 识识 描述碎散体描述碎散体 特性的理论特性的理论 土木工程学院土木工程学院 u为什么要学习土力学？为什么要学习土力学？ 土木工程学院土木工程学院 土木工程学院土木工程学院 加拿大特朗斯康谷仓加拿大特朗斯康谷仓 事故：事故： 19131913年年9 9月装谷物，月装谷物，1010月月1717日日 装了装了3182231822谷物时，谷物时， 1 1小时竖向沉降达小时竖向沉降达30.5cm30.5cm 2424小时倾斜小时倾斜262
5、65353 西端下沉西端下沉7.32m7.32m 东端上抬东端上抬1.52m1.52m 上部钢混筒仓完好无损上部钢混筒仓完好无损 概况：长概况：长59.4m59.4m，宽，宽23.5m23.5m，高，高31.0m31.0m，共，共6565 个圆筒仓。钢混筏板基础，厚个圆筒仓。钢混筏板基础，厚61cm61cm，埋深，埋深 3.66m3.66m。19111911年动工，年动工，19131913年完工，自重年完工，自重 20000T20000T。 土木工程学院土木工程学院 加拿大特朗斯康谷仓加拿大特朗斯康谷仓 原因：原因： 地基土事先未进行调查，地基土事先未进行调查， 据邻近结构物基槽开挖取土据邻近
6、结构物基槽开挖取土 试验结果，计算地基承载力试验结果，计算地基承载力 应用到此谷仓。应用到此谷仓。19521952年经勘年经勘 察试验与计算，地基实际承察试验与计算，地基实际承 载力远小于谷仓破坏时发生载力远小于谷仓破坏时发生 的基底压力。因此，的基底压力。因此，谷仓地谷仓地 基因超载发生强度破坏而滑基因超载发生强度破坏而滑 动。动。 处理：处理：事后在下面做了七十多个支撑于基岩上的混凝土墩，使用事后在下面做了七十多个支撑于基岩上的混凝土墩，使用 388388个个50t50t千斤顶以及支撑系统，才把仓体逐渐纠正过来，但其千斤顶以及支撑系统，才把仓体逐渐纠正过来，但其 位置比原来降低了米。位置比
7、原来降低了米。 土木工程学院土木工程学院 土木工程学院土木工程学院 上海13层在建住宅楼整体倒塌 大楼底部 土木工程学院土木工程学院 土木工程学院土木工程学院 Early 1972 滑坡前滑坡前 June 1972 滑坡后滑坡后 土木工程学院土木工程学院 阪神大地震中地基液化 液化：松砂地基在振动荷载作用下液化：松砂地基在振动荷载作用下 丧失强度变成流动状态丧失强度变成流动状态的一种现象的一种现象 神户码头神户码头 地震引起大面积地震引起大面积 砂土地基液化后砂土地基液化后 产生很大的侧向产生很大的侧向 变形和沉降，大变形和沉降，大 量的建筑物倒塌量的建筑物倒塌 或遭到严重损伤或遭到严重损伤
8、土木工程学院土木工程学院 神户码头神户码头 沉箱式岸墙因沉箱式岸墙因 砂土地基液化砂土地基液化 失稳滑入海中失稳滑入海中 土木工程学院土木工程学院 广州地铁三号线附近居民楼倾斜广州地铁三号线附近居民楼倾斜 土木工程学院土木工程学院 土木工程学院土木工程学院 土木工程学院土木工程学院 土木工程学院土木工程学院 以上几个实例可归结为与土有关的以上几个实例可归结为与土有关的 强度问题强度问题 土木工程学院土木工程学院 比萨斜塔比萨斜塔 目前：目前：塔向南倾斜，南北两端沉降差塔向南倾斜，南北两端沉降差1.80m1.80m， 塔顶离中心线已达塔顶离中心线已达5.27m5.27m，倾斜，倾斜5.55.5
9、13601360：再复工，至再复工，至13701370年竣工，全塔共年竣工，全塔共8 8 层，高度为层，高度为55m55m 12721272：复工，经复工，经6 6年，至年，至7 7层，高层，高48m48m，再，再 停工停工 11781178：至至4 4层中，高约层中，高约29m29m，因倾斜停工，因倾斜停工 11731173：动工动工 原因原因：地基持力层为粉砂，下面为粉土和：地基持力层为粉砂，下面为粉土和 粘土层，强度较低，粘土层，强度较低，变形较大变形较大。 1590:1590: 伽利略在此塔做落体实验伽利略在此塔做落体实验 土木工程学院土木工程学院 1838-1839：挖环形基坑卸载
10、1933-1935：基坑防水处理 基础环灌浆加固 1990年1月: 封闭 1992年7月：加固塔身，用压重 法和取土法进行地 基处理 目 前: 已向游人开放。 处理措施处理措施 土木工程学院土木工程学院 虎丘塔 问题：问题：塔身向东北方向严重倾斜，塔身向东北方向严重倾斜， 塔塔顶离顶离中心线已达中心线已达2.31m2.31m，底层，底层塔身塔身 发生发生不少裂缝，成为危险不少裂缝，成为危险建筑物而建筑物而 封闭封闭。 概况：概况：位于苏州市虎丘公园山顶，落位于苏州市虎丘公园山顶，落 成于宋太祖建隆二年（公元成于宋太祖建隆二年（公元961961年）。年）。 全塔全塔7 7层，高层，高47.5m4
11、7.5m，塔的平面呈八，塔的平面呈八 角形。角形。 土木工程学院土木工程学院 处理：处理：在塔四周建造一圈桩排在塔四周建造一圈桩排 式地下式地下连续连续墙并对塔周围与塔墙并对塔周围与塔 基进行基进行钻孔注浆钻孔注浆和打设树根桩和打设树根桩 加固塔加固塔身，获得成功身，获得成功. .。 原因：坐落于不均匀粉质粘土原因：坐落于不均匀粉质粘土 层上，层上，产生产生不均匀沉降不均匀沉降。 土木工程学院土木工程学院 上海展览中心上海展览中心 地基严重下沉地基严重下沉 土木工程学院土木工程学院 墨西哥市艺术宫墨西哥市艺术宫 地基土为超高压缩地基土为超高压缩 性土，天然孔隙比性土，天然孔隙比7 7 1212
12、，天然含水量，天然含水量150150 600600，为世界罕，为世界罕 见的软弱土，层厚见的软弱土，层厚25m25m。 下沉达下沉达4m4m，旁边的道路，旁边的道路 下沉下沉2m2m。 土木工程学院土木工程学院 19861986年：开工年：开工 19901990年：人工岛完成年：人工岛完成 19941994年：机场运营年：机场运营 面积：面积：4370m4370m1250m1250m 填筑量：填筑量：18018010106 6m m3 3 平均厚度：平均厚度：33m33m 关西机场 世界最大人工岛 土木工程学院土木工程学院 设计时预测沉降：设计时预测沉降：5.75.77.5 m7.5 m 完成
13、时实际沉降：完成时实际沉降：8.1m8.1m，5cm/5cm/ 月月(1990(1990年年) ) 预测主固结完成：预测主固结完成：2020年后年后 比比 设设 计计 超超 填：填：3m3m 问题： 沉降大且有不均匀沉降 土木工程学院土木工程学院 以上几个实例可归结为以上几个实例可归结为与土有关的 变形问题变形问题 土木工程学院土木工程学院 Teton坝坝 概况：概况：土坝，高土坝，高90m90m，长，长1000m1000m，建于，建于 1972-751972-75年，年，19761976年年6 6月失事。月失事。 原因：原因： 渗透破坏水力劈裂渗透破坏水力劈裂 土木工程学院土木工程学院 19
14、761976年年6 6月月5 5日上日上 午午10:3010:30左右，左右， 下游坝面有水渗下游坝面有水渗 出并带出泥土。出并带出泥土。 土木工程学院土木工程学院 1111：0000左右 洞口不断扩 大并向坝顶 靠近，泥水 流量增加 土木工程学院土木工程学院 11:30 洞口继续向上扩大， 泥水冲蚀了坝基， 主洞的上方又出现 一渗水洞。流出的 泥水开始冲击坝趾 处的设施。 土木工程学院土木工程学院 11：50左右洞 口扩大加速，泥 水对坝基的冲蚀 更加剧烈。 土木工程学院土木工程学院 11:57 坝坡坍塌， 泥水狂泻而下 土木工程学院土木工程学院 TetonTeton坝坝 1212：0000
15、过后过后 坍塌口加宽坍塌口加宽 土木工程学院土木工程学院 土木工程学院土木工程学院 TetonTeton坝坝 失事现场目失事现场目 前的状况前的状况 土木工程学院土木工程学院 溃口原因：溃口原因：堤基管涌堤基管涌 1998年8月7日13:10发生管涌险情，20分 钟后，在堤外迎水面找到2处进水口。 又过20分钟，防水 墙后的土堤突然塌 陷出1个洞，5 m宽 的堤顶随即全部塌 陷，并很快形成一 宽约62m的溃口。 土木工程学院土木工程学院 长江堤防工程堤基管涌发生发展过程示意图长江堤防工程堤基管涌发生发展过程示意图 砂砂 环环 管管 涌涌 口口 粘性土粘性土 砂性土砂性土 渗水渗水 杂填土杂填土
16、 管涌：管涌：在渗流作用下，无粘性土体中的细小颗粒，在渗流作用下，无粘性土体中的细小颗粒， 通通 过土的孔隙，发生移动或被水流带出的现象过土的孔隙，发生移动或被水流带出的现象。 堤基管涌 土木工程学院土木工程学院 管涌 砂环 砂性土堤基管涌破坏示意图砂性土堤基管涌破坏示意图 管涌破坏 当管涌发生时，渗当管涌发生时，渗 流将导致向源侵蚀，流将导致向源侵蚀， 使堤防基础下部出使堤防基础下部出 现渗流通道现渗流通道 当水头差足够大时，当水头差足够大时， 侵蚀将加速并掏挖堤侵蚀将加速并掏挖堤 防基础。形成通道后防基础。形成通道后 极易引起溃决极易引起溃决 土木工程学院土木工程学院 以上几个实例可归结为
17、与土有关的 渗透问题 土木工程学院土木工程学院 土工结构物或地基 土 强度问题强度问题 变形问题变形问题 渗透问题渗透问题 强度特性强度特性 变形特性变形特性 渗透特性渗透特性 土力学土力学可以解决工程实践问可以解决工程实践问 题，这正是题，这正是土力学存在的价土力学存在的价 值以及学习土力学的目的。值以及学习土力学的目的。 土木工程学院土木工程学院 土力学是一门既古老、又新兴 的学科，人类很早就懂得广泛利用土 进行工程建设（我国的长城、南北大 运河）直到十八世纪中叶，人类对土 在工程建设方面的特性，尚停留在感感 性认识阶段。性认识阶段。 u土力学的发展简史 土木工程学院土木工程学院 1776
18、1776 CoulombCoulomb 强度定律，土压力理论强度定律，土压力理论 18561856 DarcyDarcy 定律定律 18571857 RankineRankine 新的土压力理论新的土压力理论 19251925 TerzaghiTerzaghi 有效应力原理及渗透固结理论有效应力原理及渗透固结理论 19361936 第一届国际土力学及基础工程会议第一届国际土力学及基础工程会议 19491949 中国土力学研究的兴起中国土力学研究的兴起 土力学成为一门独立学科的重要 标志。Terzaghi是土力学的奠基人 土木工程学院土木工程学院 基础基础 物理性质物理性质 先导 土中应土中应
19、力力 具体应用 土压力土压力 土坡稳定土坡稳定 地基承载力地基承载力 核心核心 u土力学包括哪些内容？土力学包括哪些内容？ 土木工程学院土木工程学院 基础与主线基础与主线 先 导 具体 应用 第二章第二章土的物理性质和工程分类土的物理性质和工程分类 第三章第三章土的渗透性和渗流问题土的渗透性和渗流问题 第四章第四章土体中的应力计算土体中的应力计算 第五章第五章土的压缩性土的压缩性 第七章第七章土的抗剪强度土的抗剪强度 土压力土压力 土坡稳定土坡稳定 地基承载力地基承载力 渗透特性渗透特性 变形特性变形特性 强度特性强度特性 第八、九、十章第八、九、十章 第六章第六章地基变形地基变形 土木工程学
20、院土木工程学院 u 如何学好土力学？如何学好土力学？ 注意土的基本特点注意土的基本特点 - - 通过与其它材料对比通过与其它材料对比 注重理论联系实际注重理论联系实际 - - 通过现场观察与试验通过现场观察与试验 注重正确学习方法注重正确学习方法 - - 概念，原理，方法概念，原理，方法 内容间联系内容间联系 要理解与记忆，但不能死记要理解与记忆，但不能死记 土木工程学院土木工程学院 第第2章章 土的物理性质及分类土的物理性质及分类 土的组成与土的结构构造 土的物理性质指标 土的物理状态指标 土(岩)的工程分类 主要内容 土木工程学院土木工程学院 岩石岩石 风化（风化（物理、物理、 化学化学）
21、作用）作用 破碎、化学成破碎、化学成 分改变分改变 搬运搬运 沉积沉积 松散颗粒集合松散颗粒集合 体体（土）（土） 土土 固相固相 液相液相 气相气相 土中颗粒的大小、成分及三相土中颗粒的大小、成分及三相 之间的相互作用和比例关系，之间的相互作用和比例关系， 反映出土的不同性质反映出土的不同性质 2.1 土的形成土的形成 土木工程学院土木工程学院 残积土残积土 无搬运 运积土运积土 有搬运 残积土残积土 强风化强风化 弱风化弱风化 微风化微风化 母岩体母岩体 颗粒表面粗糙颗粒表面粗糙 多棱角多棱角 粗细不均粗细不均 无层理无层理 母岩表层经风化作用破碎成岩屑或细小母岩表层经风化作用破碎成岩屑或
22、细小 颗粒后，未经搬运残留在原地的堆积物颗粒后，未经搬运残留在原地的堆积物 风化所形成的土颗粒，受自然力的作用风化所形成的土颗粒，受自然力的作用 搬运到远近不同的地点所沉积的堆积物搬运到远近不同的地点所沉积的堆积物 土木工程学院土木工程学院 风：风：风积土风积土 重力重力: : 坡积土坡积土 流水流水: : 洪积土洪积土 冲积土冲积土 湖泊沼泽沉积土湖泊沼泽沉积土 海相沉积物海相沉积物 冰川冰川: : 冰积土冰积土 土粒粗细不同，性质不均匀土粒粗细不同，性质不均匀 有分选性，近粗远细有分选性，近粗远细 浑圆度分选性明显，土层交迭浑圆度分选性明显，土层交迭 含有机物淤泥，土性差含有机物淤泥，土性
23、差 颗粒细，表层松软，土性差颗粒细，表层松软，土性差 土粒粗细变化较大，性质不均匀土粒粗细变化较大，性质不均匀 颗粒均匀，层厚而不具层理颗粒均匀，层厚而不具层理 运积土运积土 有搬运 残积土：岩石风化后仍留在原地的堆积物。 特点：湿热地带，黏土，深厚，松软，易变； 寒冷地带，岩块或砂，物理风化，稳定 土木工程学院土木工程学院 土是固体颗粒、水和空气的混合物，常称土的三相系。 固相：土的颗粒、粒间胶结物； 液相：土体孔隙中的水； 气相：孔隙中的空气。 当土骨架的孔隙全部被水占满时，这种土称为当土骨架的孔隙全部被水占满时，这种土称为饱和土饱和土； 当土骨架的孔隙仅含空气时，就成为当土骨架的孔隙仅含
24、空气时，就成为干土干土； 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含空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，称为气和水，此时的土体属三相系，称为湿土湿土。 根据土的黏性分：根据土的黏性分：黏性土黏性土 无黏性土无黏性土 2.2 土的三相组成土的三相组成 土木工程学院土木工程学院 1.土的矿物成分土的矿物成分 岩石 物理风化物理风化 化学风化化学风化 土 原生矿物原生矿物 次生矿物次生矿物 颗粒通常是由一种或几种原生矿物所 组成，它的成分与母岩的相同，颗粒 一般较粗， 吸附水的能力弱，性质比 较稳，无塑性。 化学风化仅使岩 石产生质的变化
25、物理风化仅使岩 石产生量的变化 原生矿物经化学风化生成的新矿物， 它的成分与母岩的完全不同。颗粒极 细，性质活泼，有较强的吸附水能力 ，具塑性。 土粒的粒径由粗到细逐渐变 化时，土的性质相应地发生 变化 土粒的大小 及其组成 黏土颗粒性质 n2.2.1土的固相土的固相 土木工程学院土木工程学院 原生矿物原生矿物 石英石英、长石长石、云母云母等 次生矿物次生矿物 主要是主要是黏土矿物，包括三种类型黏土矿物，包括三种类型 高岭石高岭石、伊利石伊利石、蒙脱石蒙脱石 黏土矿物黏土矿物: : 由硅片和铝片构成的晶包所组合而成由硅片和铝片构成的晶包所组合而成 2.2.1土的固相土的固相 1. 矿物成分矿物
26、成分 土木工程学院土木工程学院 硅片的结构硅片的结构 土木工程学院土木工程学院 铝片的结构铝片的结构 土木工程学院土木工程学院 黏土矿物的黏土矿物的 晶格构造晶格构造 高岭石高岭石蒙脱石蒙脱石 伊利石伊利石 粒径粒径 比表面积比表面积 胀胀 缩缩 性性 渗渗 透透 性性 强度强度 压压 缩缩 性性 大大 10-20m2/g 小小 大大 大大 小小 中中 80-100m2/g 中中 中中 中中 中中 小小 800m2/g 大大 小小 小小 大大 比表面积 ：单位质量 土颗粒所拥有的总表面 积 土木工程学院土木工程学院 颗粒大小 各粒径成分 在土中占的 比例 狭义的粒径级配 2.2.1土的固相土的
27、固相 2.土的颗粒级配土的颗粒级配 土木工程学院土木工程学院 土粒的粒组土粒的粒组 粒组粒组-界于一定粒度范围内的土粒。界于一定粒度范围内的土粒。 0.005 0.075 2.0 60 200 mm 黏粒黏粒粉粒粉粒砂粒砂粒圆砾圆砾 角砾角砾 卵石卵石 碎石碎石 漂石漂石 块石块石 分析方法分析方法 筛分法：适用于0.075mmd60mm 比重计法:适用于d0.075mm 土木工程学院土木工程学院 筛分法筛分法 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
28、X（） 式中：mi，m 分别为小于某粒径的土粒质量 及试样总质量 100 m m X i 土木工程学院土木工程学院 比重计法比重计法 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 土木工程学院土木工程学院 3. 3. 粒径级配曲线粒径级配曲线 纵坐标表示小于（大于）某粒径的土粒含量百分比,横坐标 表示土粒的粒径(对数坐标） 土木工程学院土木工程学院 颗粒级配的描述颗粒级配的描述 不均匀系数Cu：描述颗粒级 配的不均匀程度 10 60 d d C u d10、d30、d60分别为分别为小于某粒径小于某粒径 的土粒含量为的土粒含量为10%、 30%和和 60%时所对应的粒径时
29、所对应的粒径 Cu愈大，表示土粒愈不均匀。工程上把愈大，表示土粒愈不均匀。工程上把Cu5的土视为级的土视为级 配不良的土；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Cc ：描述颗粒级配 曲线整体形态 6010 2 30 dd d C c 土木工程学院土木工程学院 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 小于某粒径之土质量百分数（）小于某粒径之土质量百分数（） 10 5.0 1.0 0.5 0.10 0.05 0.01 0.005 0.001 粒径粒径(mm) 土的粒径级配累积曲线土的粒径级配累积曲线 d60d10d30 曲线 d60d10
30、d30CuCc L 0.33 0.005 0.081 66 3.98 M0.0632.41 斜率斜率: : 某粒径范围内颗粒的含量某粒径范围内颗粒的含量 陡陡相应粒组质量集中相应粒组质量集中 缓缓-相应粒组含量少相应粒组含量少 平台平台-相应粒组缺乏相应粒组缺乏 连续程度连续程度: Cc = d302 / (d60 d10 ) 曲率系数曲率系数 较大颗粒缺少较大颗粒缺少 Cc 减小减小 较小颗粒缺少较小颗粒缺少 Cc 增大增大 C c = 1 3, 级配连续性好级配连续性好 土木工程学院土木工程学院 (a) Cu10 级配良好级配良好; (c) 缺少中间粒径，级配不良。缺少中间粒径，级配不良。
31、 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，定名为时，定名为 良好级配砂或良好级配砾良好级配砂或良好级配砾 土木工程学院土木工程学院 结晶水结晶水 矿物内部的水矿物内部的水 结合水结合水 吸附在土颗粒表面的水吸附在土颗粒表面的水 自由水自由水 电场引力作用范围之外的水电场引力作用范围之外的水 土中冰土中冰 由自由水冻成，冻胀融陷由自由水冻成，冻胀融陷 2.2.22.2.2土的液相土的液相 土木工程学院土木工程学院 黏土矿物的带电性质黏土矿物的带电性质 研究表明：研究表明： 黏土颗粒的表面电荷，净电荷通常为负电荷黏土颗粒的表面电荷，净电荷通常为负电荷
32、大多数黏粒表面带不平衡的负电荷的原因: 1. 氢氧离子中的氢离子被离解; 2. 吸附作用； 3. 同晶置换（离子置换）; 4. 边缘断链 土木工程学院土木工程学院 （一）结合水 结合水形成原因:黏土颗粒表面的带电性 土木工程学院土木工程学院 结合水 排列致密、定向性强排列致密、定向性强 密度密度1g/cm3 冰点处于零下几十度冰点处于零下几十度 具有固体的的特性具有固体的的特性 温度高于温度高于100C 时可蒸发时可蒸发 强结合水强结合水 位于强结合水之外，电场引位于强结合水之外，电场引 力作用范围之内力作用范围之内 外力作用下可以移动外力作用下可以移动 不因重力而移动，有黏滞性不因重力而移动
33、，有黏滞性 弱结合水弱结合水 由土颗粒表面电分子力吸附在土粒表面的一层水。 土木工程学院土木工程学院 ( (二）自由水二）自由水 离开土颗粒表面较远，不受土颗粒电分子引力作离开土颗粒表面较远，不受土颗粒电分子引力作 用的水称为自由水。（分为毛细管水和重力水）用的水称为自由水。（分为毛细管水和重力水） 1.毛细管水 土中存在许多大小不同的相互 连通的弯曲孔道，由于水分子与土 粒分子之间的附着力和水气界面上 的表面张力，于是，将引起迫使相 邻土粒相互积紧的压力，这个压力 称为毛管水压力。 土木工程学院土木工程学院 在潮湿的粉、细砂中孔隙水仅存 在于土粒接触点周围，彼此是不连 续的。这时，由于孔隙中
34、的气与大 气连通，因此，孔隙中的压力亦将 小于大气压力。 由毛管水压力引起的摩擦阻力犹 如给予砂土以某些黏聚力，以致在 潮湿的砂土中能开挖一定高度的直 立坑壁。但一旦砂土被水浸饱和， 则弯液面消失，毛管水压力变为零 ，这种黏聚力液就不再存在。把这 种黏聚力称为假黏聚力。 土木工程学院土木工程学院 2.重力水 在重力或水位差作用下能在土中流动的自由水称重力水。 具有溶解能力，能传递静水和动水压力，对土颗粒有浮力作用 。当它在土孔隙中流动时，对所流经的土体施加渗流力（亦称 动水压力、渗透力），计算中应考虑其影响。 自由水自由水 重力水重力水 毛细水毛细水 在重力作用下可在土中自由流动在重力作用下可
35、在土中自由流动 存在于固气之间存在于固气之间 在重力与表面张力作用下在重力与表面张力作用下 可在土粒间空隙中自由移动可在土粒间空隙中自由移动 土木工程学院土木工程学院 2.2.3 2.2.3 土的气相土的气相 存在于土孔隙中未被水占据的部分存在于土孔隙中未被水占据的部分 1.非封闭气体非封闭气体 受外荷作用时被挤出土体外，对土的性质影响不大 2.封闭气体封闭气体 受外荷作用，不能逸出，被压缩或溶解于水中，压力 减小时能有所复原，对土的性质有较大的影响。 对土体的影响：对土体的影响：增大土的弹性、延缓土的压缩、减增大土的弹性、延缓土的压缩、减 小渗透性。小渗透性。 土木工程学院土木工程学院 力学
36、特性力学特性 土的结构和构造土的结构和构造 影影 响响 重塑土的强度重塑土的强度原状土的强度原状土的强度 2.3 土的结构和构造 土木工程学院土木工程学院 土粒间的作用力土粒间的作用力 重重 力力 毛细力毛细力 胶结力胶结力 颗粒表面力颗粒表面力 土颗粒的自重形成的方向向下的力土颗粒的自重形成的方向向下的力 土中毛细作用形成的力土中毛细作用形成的力 细砂、粉土细砂、粉土 土粒间的胶体物质产成的作用力土粒间的胶体物质产成的作用力 黏土黏土 黏土黏土 库库 仑仑 力力： 范德华力范德华力： 颗粒表面的静电引力或斥力颗粒表面的静电引力或斥力 颗粒接触点处的分子间引力颗粒接触点处的分子间引力 土木工程
37、学院土木工程学院 2.3.1 2.3.1 土的结构土的结构 土在生成过程中所形成的土粒排列及联接关系土在生成过程中所形成的土粒排列及联接关系 1.单粒结构单粒结构 密实状态密实状态疏松状态疏松状态 特点特点 砂类土和碎石类土的结构特征砂类土和碎石类土的结构特征 粒间作用力粒间作用力 排列形式排列形式 重力，毛细力重力，毛细力 点与点、点与面点与点、点与面 土木工程学院土木工程学院 2.蜂窝结构蜂窝结构 蜂窝结构蜂窝结构 粉粒土的结构粉粒土的结构 特点特点 粒间作用力粒间作用力 排列形式排列形式 重力，分子间引力重力，分子间引力 弓架结构弓架结构 土木工程学院土木工程学院 3.絮状结构絮状结构
38、絮状结构絮状结构 黏土的结构黏土的结构 粒间作用力粒间作用力 形成环境形成环境 表面力、胶结力表面力、胶结力 （斥力减小引力增加）（斥力减小引力增加） 表面力、胶结力表面力、胶结力 （粒间斥力占优势）（粒间斥力占优势） 淡水中沉积淡水中沉积海水中沉积海水中沉积 土木工程学院土木工程学院 絮状结构中角、边与面接触时净引力最大，因此絮状结构的 特征是土粒之间以角、边与面的接触或边与边的搭接形式为 主。这种结构的土粒呈任意排列，具有较大的孔隙，其强度 低，压缩性高，对扰动比较敏感。 天然条件下，可能是多种组合，或者由一种结构过渡向另一种结构天然条件下，可能是多种组合，或者由一种结构过渡向另一种结构
39、土木工程学院土木工程学院 2.3.2 2.3.2 土的构造土的构造 土的构造土的构造 土体中各结构单元间的相互关系特征土体中各结构单元间的相互关系特征 1.层理构造（成层性）层理构造（成层性） 土粒在沉积过程中,由于不同阶段沉积的物质成分、 颗粒大小或颜色不同,而沿竖向呈现出成层特征 2.裂隙构造（裂隙性）裂隙构造（裂隙性） 土体由于经受地质构造作用或自然淋滤、增发作 用形成许多不连续的小裂隙所分割,大大降低土体的强 度和稳定性，增大透水性 土木工程学院土木工程学院 2.4 土的三相比例指标 反映土的三相组成比例关系的指标反映土的三相组成比例关系的指标 气气 水水 土粒土粒 msmw m Vs
40、Vw V Va 质量质量m体积体积V Vv 土的三相图土的三相图 土木工程学院土木工程学院 气气 水水 土粒土粒 msmw m VsVw V Va 质量质量m 体积体积V 2. 特殊条件下土的密度及重度特殊条件下土的密度及重度 3. 描述土的孔隙体积相对含量的指标描述土的孔隙体积相对含量的指标 2.4.1 指标的定义指标的定义 1. 基本指标基本指标 w s sw ss s Vm Vm G / / %100 s w m m V m V ms d s V V V e %100 V w r V V S%100 V V n V V Vm wvs sat g satsat g g dd wsat ds
41、at dsat wsat 土木工程学院土木工程学院 WaterWater AirAir SoilSoil V Va a V Vw w V Vs s V Vv v V V m ma a=0=0 m mw w m ms s m m 质量质量体积体积 土粒比重土粒比重 s s: : 土粒的密度，单位体积土粒的质量土粒的密度，单位体积土粒的质量 s s s V m 单位单位: : 无量纲无量纲 土粒比重一般范围土粒比重一般范围: : 黏性土黏性土 2.702.702.752.75 砂砂 土土 2.652.65 C4 w C4 w s s G 4 4C C时纯蒸馏水的密度时纯蒸馏水的密度 C4 w =1
42、.0 g/cm=1.0 g/cm3 3 土粒比重在数值上等于土粒的密度土粒比重在数值上等于土粒的密度 土粒的密度与土粒的密度与4 4C C时纯蒸馏水的密度的比值时纯蒸馏水的密度的比值 表达式表达式: : 土木工程学院土木工程学院 土粒比重常用比重瓶法测定，事先将比重瓶注满纯水，称瓶 加水的质量。然后把烘干土若干克装入该空比重瓶内，再加 纯水至满，称瓶加土加水的质量，按下式计算土粒比重： 式中：m1 瓶加水的质量； m2 瓶加土加水的质量； ms 烘干土的质量。 21 mmm m G s s s 土木工程学院土木工程学院 WaterWater AirAir SoilSoil V Va a V V
43、w w V Vs s V Vv v V V m ma a=0=0 m mw w m ms s m m 质量质量体积体积 土的含水率土的含水率 %100%100(%) s s s w m mm m m w 土中水的质量与土粒质量之比土中水的质量与土粒质量之比, , 用百分数表示用百分数表示 注意注意: :其实是含水比其实是含水比, , 可达到或超过可达到或超过100100 土木工程学院土木工程学院 烘干法测定含水率烘干法测定含水率 土木工程学院土木工程学院 v表示土中密度和容重的指标表示土中密度和容重的指标 天然密度天然密度 干密度干密度 aws ws VVV mm V m 天然重度天然重度 干
44、重度干重度 V m s d g g dd WaterWater AirAir SoilSoil V Va a V Vw w V Vs s V Vv v V V m ma a=0=0 m mw w m ms s m m 质量质量体积体积 单位单位: : kg/mkg/m3 3 或或 g/cmg/cm3 3 单位单位: : kN/mkN/m3 3 对于黏性土，土的密度常用环刀法测定 土木工程学院土木工程学院 饱和密度饱和密度 V Vm vws sat g satsat 浮浮 重重 度度 wsat 有效重度有效重度 饱和容重饱和容重 各种密度容重之间的大小关系各种密度容重之间的大小关系： dsat
45、天然密度天然密度 干干 密密 度度 饱和密度饱和密度 V m V m s d V Vm vws sat Water Air Soil Va Vw Vs Vv V ma=0 mw ms m 质量质量体积体积 dsat 土木工程学院土木工程学院 v表示土中孔隙含量的指标表示土中孔隙含量的指标 孔隙比孔隙比 孔隙率孔隙率 ( (孔隙度孔隙度) ) s v V V e v描述土的孔隙体积相对含量的指标描述土的孔隙体积相对含量的指标 %100(%) V V n v 关系关系: : e e n 1 n n e 1 在某种程度上反映土的松密在某种程度上反映土的松密 砂类土：砂类土：28-35%28-35%
46、黏性土：黏性土：30-50%30-50% 有的可达有的可达60-70%60-70% 土中孔隙体积与固体颗粒体积之比土中孔隙体积与固体颗粒体积之比 WaterWater AirAir SoilSoil V Va a V Vw w V Vs s V Vv v V V 体积体积 土中孔隙体积与总体积之比土中孔隙体积与总体积之比, , 用百分数表示用百分数表示 表达式表达式: : V Vs s= = 1 1 V Vv v= e= e V=V=1+1+e e WaterWater AirAir SoilSoil 体积体积 土木工程学院土木工程学院 v表示空隙中含水程度的指标表示空隙中含水程度的指标 饱和
47、度饱和度 %100 v w r V V S WaterWater AirAir SoilSoil V Va a V Vw w V Vs s V Vv v V V m ma a=0=0 m mw w m ms s m m 质量质量体积体积 土中水的体积与孔隙体积的比值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饱和度表示孔隙中充满水的程度 S Sr r=0 : =0 : 干土干土 S Sr r=1 : =1 : 饱和土饱和土 土木工程学院土木工程学院 2.1.2 2.1.2 指标间的换算指标间的换算 气气 水水 土粒土粒 Gsw Vs1 1+1+e 质量质量m体积体积V 基本测定指
48、标：基本测定指标：Gs w Vv=e Gsw Gs（1）w e G V m ws 1 )1 ( 11e G V m wss d 推导：推导： 换算关系式：换算关系式： 1 )1 ( 1 ws d ws GG e e eG V Vm wswVs sat 1 )( e G ws wsat 1 ) 1( e e V V n V 1 e G V m V V S s WV w V w r 土木工程学院土木工程学院 例题例题2-1 2-1 n【例】某土样经试验测得体积为某土样经试验测得体积为100cm3，湿土质量为湿土质量为 187g，烘干后，干土质量为烘干后，干土质量为167g。若土粒的相对密度若土粒的
49、相对密度Gs 为为2.66，求该土样的含水量，求该土样的含水量w、密度密度、重度重度 、干重度干重度 d 、孔隙比、孔隙比e、饱和重度、饱和重度sat和有效重度和有效重度 【解】解】 %98.11 167 167187 %100 s m m 3 /87. 1 100 187 cmg V m 3 /7 .181087. 1mkNg 3 /7 .1610 100 167 mkNg dd 593. 01 87. 1 )1198. 01 (66. 2 1 )1 ( s G e %7 .53 593. 0 66. 21198. 0 e G S s r 3 /4 .2010 593. 01 593. 06
50、6. 2 1 mkN e eGs sat 3 /4 .10104 .20mkN wsat 土木工程学院土木工程学院 2.5.1 2.5.1 黏性土的黏性土的可塑性可塑性及及界限含水量界限含水量 0 固态或半固态固态或半固态可塑状态可塑状态流动状态流动状态 w 塑限塑限wP液限液限wL 2.5 黏性土的物理特征 w从小到大从小到大 液限土体由可塑状态到流动状态的界限含水量液限土体由可塑状态到流动状态的界限含水量 塑限土体由半固态转到可塑状态的界限含水量塑限土体由半固态转到可塑状态的界限含水量 黏性土的状态从硬到软黏性土的状态从硬到软 黏性土在一定含水量时，黏性土在一定含水量时， 可用外力塑成任何
