1、岩土力学全册配套完整岩土力学全册配套完整 教学课件教学课件 土力学土力学 Soil Mechanics and Foundation Engineering 目 录 1、绪论、绪论 2 2、土的物理性质及工程分类、土的物理性质及工程分类 3 3、土中应力计算、土中应力计算 4 4、土的压缩性和地基沉降计算、土的压缩性和地基沉降计算 5 5、土的抗剪强度、土的抗剪强度 6 6、土压力和土坡稳定、土压力和土坡稳定 7 7、浅基础设计、浅基础设计 8 8、桩基础和深基础、桩基础和深基础 1、绪论绪论 1.1 土力学、地基及基础的定义土力学、地基及基础的定义 1.2 本课程的特点和学习要求本课程的特点
2、和学习要求 1.3 本学科发展概况本学科发展概况 1.4 与土力学有关的工程问题与土力学有关的工程问题 1.1 土力学、地基及基础概念土力学、地基及基础概念 土力学土力学工程力学的一个分支，用于工程力学的一个分支，用于 研究土体的应力、变形、强度、渗流和长期研究土体的应力、变形、强度、渗流和长期 稳定性的一门学科。稳定性的一门学科。 地地 基基 种种 类类 天然地基天然地基 未经人工处理就可满足设计要求的地基。未经人工处理就可满足设计要求的地基。 人工地基人工地基 地层承载力不能满足设计要求，需进行加固地层承载力不能满足设计要求，需进行加固 处理的地基。处理的地基。 基基 础础 种种 类类 浅
3、基础浅基础 埋深埋深35m, ,只需挖槽、排水等普通施工程只需挖槽、排水等普通施工程 序即可建造的基础。序即可建造的基础。 深基础深基础 借助于特殊施工方法建造的基础。如桩基、借助于特殊施工方法建造的基础。如桩基、 墩基、沉井和地下连续墙。墩基、沉井和地下连续墙。 地基与基础设计的基本条件地基与基础设计的基本条件 作用于地基上的荷载效应不得超过地基容作用于地基上的荷载效应不得超过地基容 许承载力值。许承载力值。 基础沉降不得超过地基变形容许值。基础沉降不得超过地基变形容许值。 具有足够防止失稳破坏的安全储备。具有足够防止失稳破坏的安全储备。 1.2 本课程的特点和学习要求本课程的特点和学习要求
4、 本课程是土木工程专业的一门主干专业课程，涉及本课程是土木工程专业的一门主干专业课程，涉及 地质学、结构设计和施工等几个学科领域。地质学、结构设计和施工等几个学科领域。 1.相关知识：材料力学、结构力学、弹性力学、建筑相关知识：材料力学、结构力学、弹性力学、建筑 材料、建筑结构、工程地质材料、建筑结构、工程地质 2.研究对象：各向异性土体研究对象：各向异性土体 3.研究重点：土的变形、强度、稳定性研究重点：土的变形、强度、稳定性 1.3 本学科发展概况本学科发展概况 1.3 本学科发展概况本学科发展概况 本学科研究领域本学科研究领域 20世纪世纪60年代年代70年代年代 区域性土分布和特性 地
5、基处理技术 水利、铁道和 矿井等工程建 设 70年代年代80年代年代 基础工程、围护体系的稳定 和变形 复合地基新技术的开发和应用 地基基础施工质量检测及 岩土工程测试技术 建筑工程、市 政工程和交通 工程建设 90年代后年代后 岩土工程计算机分析 岩土工程可靠度分析 环境岩土工程 城市地铁、越 江越海地下隧 道、超高层建 筑超深基础及 特大桥超深基 坑工程建设等 特殊岩土工程问题 随着工程地质勘察、室内及现场土工试验、地基处理、 新设备、新材料、新工艺、新测试技术等研究和应用进展 以及有关基础工程各种设计与施工、质量检测的规范规程 日臻完善，为我国基础工程设计与施工做到技术先进、经 济合理、
6、确保质量提供了理论与实践依据。 近年来近年来 1 1.4 与土力学有关的工程问题与土力学有关的工程问题 1 1、土三个方面的应用土三个方面的应用 建筑物地基建筑物地基 土作为构筑物的环境土作为构筑物的环境 土工建筑材料土工建筑材料 土土 建筑建筑 桥梁桥梁 地铁隧道地铁隧道 边坡边坡 道路道路 大坝大坝 2、与土有关的工程与土有关的工程 迪拜大厦迪拜大厦 阿联酋迪拜正兴 建一幢全球最高 的“迪拜大厦”， 楼高至少至少690米， 预计于2008年完 工。迪拜大厦不 仅是全球最高建 筑物，也将是最 高的人工塔。 北引桥 主桥 航道桥 苏通长江公路大桥苏通长江公路大桥 南京地铁火车站基坑施工现场南京
7、地铁火车站基坑施工现场 原基础原基础 Old foundation 基础托换基础托换 UNDERPINING 新基础新基础 New foundation 盾构隧道盾构隧道 Shield tunnel 楼房楼房 building 地基基础的重要性地基基础的重要性 地基与基础是建筑物的根基，又属于隐蔽工 程，它的勘察、设计和施工质量直接关系到建筑 物的安危! 绪论 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 日装了日装了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
8、26265353 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。个圆筒仓。 钢混筏板基础，厚钢混筏板基础，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。 加拿大特朗斯康谷仓 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
9、个50T50T千斤顶以及支撑系统，把仓体逐渐纠正过来，其千斤顶以及支撑系统，把仓体逐渐纠正过来，其 位置比原来降低了米。位置比原来降低了米。 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据邻近结构物基槽开挖取 土试验结果，计算地基承土试验结果，计算地基承 载力应用到此谷仓。载力应用到此谷仓。19521952 年经勘察试验与计算，地年经勘察试验与计算，地 基实际承载力小于破坏时基实际承载力小于破坏时 的基底压力。因此，的基底压力。因此， 谷仓地基因超载发生强度谷仓地基因超载发生强度 破坏而滑动破坏而滑动。 2653 失事后 1913.10.18 1952.1
10、0.5 试验孔 填土 褐色粉质粘土 灰色粉质粘土 -0.61 -12.34 -13.72 -4.27 1952.10.3 试验孔 香港宝城滑坡 19721972年年7 7月某日清晨，香港宝城路附月某日清晨，香港宝城路附 近，两万立方米残积土从山坡上下近，两万立方米残积土从山坡上下 滑，巨大滑动体正好冲过一幢高层滑，巨大滑动体正好冲过一幢高层 住宅住宅-宝城大厦，顷刻间宝城大厦宝城大厦，顷刻间宝城大厦 被冲毁倒塌并砸毁相邻一幢大楼一被冲毁倒塌并砸毁相邻一幢大楼一 角约五层住宅。角约五层住宅。死亡死亡7 7人。人。 原因：原因： 山坡上残积土本身强度较低，加之雨水入渗使其强度进一步大山坡上残积土本
11、身强度较低，加之雨水入渗使其强度进一步大 大降低，使得大降低，使得 土体滑动力超过土的强度，于是山坡土体发生滑动。土体滑动力超过土的强度，于是山坡土体发生滑动。 香港香港1900年建市，年建市，1977年成立土力工程署年成立土力工程署 1972 Po Shan 滑坡滑坡 ( 20,000 m3)(67 死、死、20 伤伤) Early 1972 滑坡前滑坡前 July 1972 滑坡后滑坡后 基坑崩塌 阪神大地震中地基液化 神户码头：神户码头： 地震引起大面积砂地震引起大面积砂 土地基液化后产生土地基液化后产生 很大的侧向变形和很大的侧向变形和 沉降，大量的建筑沉降，大量的建筑 物倒塌或遭到严
12、重物倒塌或遭到严重 损伤损伤 液化：松砂地基在振动荷载作液化：松砂地基在振动荷载作 用下用下丧失强度变成流动状态丧失强度变成流动状态的的 一种现象一种现象 阪神大地震中地基液化 神户码头：神户码头： 沉箱式岸墙因砂土地基液沉箱式岸墙因砂土地基液 化失稳滑入海中化失稳滑入海中 与土有关的工程问题与土有关的工程问题-b b、变形问题变形问题 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 13601360：再复工，至再复工，至13701370年竣工，全塔共年竣工，全塔共8
13、 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，下面为粉土和粘土地基持力层为粉砂，下面为粉土和粘土 层，模量较低，层，模量较低，变形较大变形较大。 1590:1590: 伽利伽利 略在此塔做略在此塔做 落体实验落体实验 比萨斜塔 18381838- -18391839：挖环形基坑卸载挖环形基坑卸载 19331933- -19351935：基坑防水处理基坑防水
14、处理 基础环灌浆加固基础环灌浆加固 19901990年年1 1月月: : 封闭封闭 19921992年年7 7月：月：加固塔身，用压重加固塔身，用压重 法和取土法进行地法和取土法进行地 基处理基处理 目目 前前: : 已向游人开放。已向游人开放。 处理措施 虎丘塔 问题：问题：塔身向东北方向严重倾斜，塔塔身向东北方向严重倾斜，塔 顶离中心线已达顶离中心线已达2.31m2.31m，底层，底层 塔身发生不少裂缝，成为危险塔身发生不少裂缝，成为危险 建筑物而封闭。建筑物而封闭。 概况：概况：位于苏州市虎丘公园山顶，落成位于苏州市虎丘公园山顶，落成 于宋太祖建隆二年（公元于宋太祖建隆二年（公元9619
15、61年）。全年）。全 塔塔7 7层，高层，高47.5m47.5m，塔的平面呈八角形。，塔的平面呈八角形。 原因：原因：坐落于不均匀粉质粘土层上，坐落于不均匀粉质粘土层上， 产生产生不均匀沉降不均匀沉降。 处理：处理：在塔四周建造一圈桩排式地下在塔四周建造一圈桩排式地下 连续墙并对塔周围与塔基进行连续墙并对塔周围与塔基进行 钻孔注浆和打设树根桩加固塔钻孔注浆和打设树根桩加固塔 身，效果良好。身，效果良好。 关西国际机场 世界最大人工岛 19861986年：年：开工开工 19901990年：年：人工岛完成人工岛完成 19941994年：年：机场运营机场运营 面积：面积：4370m4370m1250
16、m1250m 填筑量：填筑量：18018010106 6m m3 3 平均厚度：平均厚度：33m33m 设计时预测沉降：设计时预测沉降：5.75.7- -7.5 m7.5 m 完成时实际沉降：完成时实际沉降：8.1 m8.1 m，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 比设计超填：比设计超填： 3m3m 问题： 沉降大且有 不均匀沉降 Teton坝坝 概况：概况： 土坝，高土坝，高90m90m，长，长1000m1000m，建于，建于 19721972- -7575年，年，19761976年年6 6月失事月失事 损失：损失： 直接直
17、接80008000万美元，起万美元，起 诉诉55005500起，起，2.52.5亿美元，亿美元， 死死1414人，受灾人，受灾2.52.5万人，万人， 6060万亩土地，万亩土地，3232公里公里 铁路铁路 原因：原因： 渗透破坏水力劈裂渗透破坏水力劈裂 与土有关的工程问题与土有关的工程问题-c c、渗透问题 Teton坝坝 1976年6月5 日上午10:30 左右，下游坝 面有水渗出并 带出泥土。 Teton坝坝 1111：0000左右 洞口不断扩 大并向坝顶 靠近，泥水 流量增加 Teton坝坝 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
18、冲击坝趾 处的设施。 11：50左右 洞口扩大加速， 泥水对坝基的冲 蚀更加剧烈。 Teton坝坝 11:57 坝坡坍塌， 泥水狂泻而下 Teton坝坝 12：00过后 坍塌口加宽 Teton坝坝 洪水扫过下游 谷底，附近所 有设施被彻底 摧毁 Teton坝坝 失事现场目 前的状况 Teton坝坝 九江大堤决口 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。 长江堤防工程堤基管涌发生发展过程示意图长
19、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 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， 通过土的孔隙，发生移动或被水流带出的现象。通过土的孔隙，发生移动或被水流带出的现象。 堤基管涌 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，当管涌发生时， 渗流将导致向源渗流将导致向源 侵蚀，使堤防基侵蚀，使堤防基 础下部出现渗流础下部出现渗流 通道通道 当水头差足够大时，当水头差足够大时， 侵蚀将加速并掏挖侵蚀将加速并掏挖 堤防基础。形成通堤防
20、基础。形成通 道后极易引起溃决道后极易引起溃决 第一章第一章 土的物理性质指标与工土的物理性质指标与工 程分类程分类 1 1- -1 1 土的形成土的形成 土是松散颗粒的堆积物，是岩石风化的产物（人工破碎;堆石坝的坝 壳料；相当于物理风化）。 土是指覆盖在地表的没有胶结或弱胶结的颗粒堆积物 岩石风化分为物理风化和化学风化。 物理风化：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、冻胀等因素使整体岩石产生 裂隙、崩解碎裂成岩块、岩屑的过程。 第一章第一章 土的物理性质指标与工土的物理性质指标与工 程分类程分类 1 1- -1 1 土的形成土的形成 化学风化：
21、岩体（或岩块、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，分解为极细颗粒的过程。 特征： 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。 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。 第一章第一章 土的物理性质指标与工土的物理性质指标与工 程分类程分类 土从其堆积或沉积的条件来看可分为： 沼泽土 冰碛土 风积土 河流冲积土 运积土 残积土 土 残积土：岩石风化后仍留在原地的堆积物。 特点：湿热地带，粘土，深厚，松软，易变； 寒冷地带，岩块或砂，物理风化，
22、稳定。 )(沼泽土有机土 冰碛土 风积土 冲积土 运积土 残积土 无机土 土 第一章第一章 土的物理性质指标与工土的物理性质指标与工 程分类程分类 运积土：岩石风化后经流水、风和冰川以及人类活动等 搬运离开生成地点后再沉积下来的堆积物。又分为冲积土、 风积土、冰碛土和沼泽土等。 冲积土：由水流冲积而成；颗粒分选、浑圆光滑 风积土：由风力带动土粒经过一段搬运距离后沉积下来的堆 积物；没有层理、细砂或粉粒；黄土 冰碛土：由冰川剥落、搬运形成的堆积物；不成层、从漂石 到粘粒 沼泽土：在沼泽地的沉积物；含有机质、压缩性高、强度低 第一章第一章 土的物理性质指标与工土的物理性质指标与工 程分类程分类 1
23、 1- -2 2 土的组成土的组成 第一章第一章 土的物理性质指标与工土的物理性质指标与工 程分类程分类 土是固体颗粒、水和空气的混合物，常称土为三相系。 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。 1 1- -2 2 土的组成土的组成 第一章第一章 土的物理性质指标与工土的物理性质指标与工 程分类程分类 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； 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。 第一章第一章 土的物理性质指标与工土的物理性质指标与工 程分类程分类 一、
24、土的固相一、土的固相 第一章第一章 土的物理性质指标与工土的物理性质指标与工 程分类程分类 一、土的固相一、土的固相 （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。 次生矿物：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、蒙脱石；片状、 极细；吸水力强、活泼、有塑性。 第一章第一章 土的物理性质指标与工土的物理性质指标与工 程分类程分类 一、土的固相一、土的固相 （二）粘土矿物的晶体结构 粘土矿物：由各种硅酸盐矿物分解形成的 水铝硅酸盐矿物，
25、属次生矿物。 其结构可分为晶体和非晶体，以晶体矿物 为主。 硅片：基本单元是硅氧四面体，由1个居 中的硅原子和4个在角点的氧原子组成，组 成底面具有六边形孔硅片； 铝片：铝（镁）氢氧（氧）八面体，每 个氢氧离子为2个相邻单元的铝原子共有组 成铝片（一个居中的铝原子和6个角点的氢 氧离子）； 第一章第一章 土的物理性质指标与工土的物理性质指标与工 程分类程分类 一、土的固相一、土的固相 （二）粘土矿物的晶体结构 粘土矿物： 高岭石：长石风化产物，1：1型晶格，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。 伊利石：云母在碱性介质中风化产物， 2：1型 晶格，二个硅片一个铝
26、片一个晶层，晶层 靠钾离子连接，比较稳定，但不如氢键； 蒙脱石：伊利石进一步风化， 2：1型晶格，晶 层没有钾离子连接，而是有水分子进入；连接 弱。 次生矿物次生矿物 蒙脱石蒙脱石 伊利石伊利石 高岭石高岭石 高 岭 石高 岭 石 伊 利 石伊 利 石 蒙 脱 石 高岭石高岭石 （氢键联结）（氢键联结） 粘土矿物的粘土矿物的 晶格构造晶格构造 蒙脱石蒙脱石 伊利石伊利石 粒粒 径径 比表面积比表面积 胀胀 缩缩 性性 渗渗 透透 性性 强强 度度 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
27、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 9克蒙脱土的总表面积大约与一个足球场一样大 第一章第一章 土的物理性质指标与工土的物理性质指标与工 程分类程分类 一、土的固相一、土的固相 （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；某粒组的土粒含量定 义为该粒组的土粒质量与干土总质量之比。 60 土的级配：土中各种大小的粒组中土粒的相对含量。 第一章第一章 土的物理性质指标与工土的物理性质指标与工 程分类程分类 （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，确定粒径分 布范围的试验称为土的颗粒大小分析试验。 常用的方法： （1）筛分法
28、：粒径0.075mm；试验时将风干、分散的代表性土 样通过一套孔径不同的标准筛(例如20、2、0.5、0.25、0.1、 0.075mm)，称出留在各个筛子上的土重，即可求得各个粒组的相 对含量。 （2）密度计法：粒径0.075mm，又有粒径0.075mm 第一章第一章 土的物理性质指标与工土的物理性质指标与工 程分类程分类 （四）颗粒大小分析试验 1.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
29、 总质量。 实例：实例：教材P9。 100 m m X i 筛分法（筛分法（d0.075mm的土）的土） 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 2.密度计法 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 土粒含量的方法。 通过密度计测定土水悬浊液的密度来确定。 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 3.土的级配曲线 （1）粒径分布曲线 （2）粒组频率曲线 粒径分布曲线 粒组频率曲线 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 (五)颗粒分析试验曲线的主要用途 按粒径分布曲线可求得： （1）土中各粒组
30、的土粒含量，用于粗粒土的分类和大致评估土的工程 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，即不均匀系数Cu和曲率系 数Cc，它们的定义为： （12） 10 60 d d Cu (13) 式中：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。 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 6010 2 30 dd d Cc 土的级配的好坏可由土中的土粒均匀程度和粒径分布曲线的形状来 决定，而土粒的均匀程度和曲线的形状又
31、可用不均匀系数和曲率系 数来衡量。 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； 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 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 土的级配的连续性也可用粒组频率曲线来反映。双峰，谷点=5，且Cc=13时，级配良好，否则，不 良。 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 实例 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 粒径级配 粒径级配累积曲线及指标的用途粒径级配累积曲线及指标的用途： 1）粒组含量用
32、于土的分类定名粒组含量用于土的分类定名； 2）不均匀系数不均匀系数Cu用于判定土的不均匀程度：用于判定土的不均匀程度： Cu 5, 不均匀土不均匀土； Cu 3 或 Cc 1,级配不连续土级配不连续土 4）不均匀系数不均匀系数Cu和和曲率系数曲率系数Cc用于判定土的级配优劣：用于判定土的级配优劣： 如果如果 Cu 5且且 C c = 1 3 ， 级配级配 良好的土良好的土； 如果如果 Cu 3 或或 Cc 0.075mm） 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 二、土的结构 （二）蜂窝状结构 (0.075-0.005mm) 第一章第一章 土的物理性质指标与工程分类
33、土的物理性质指标与工程分类 二、土的结构 （三）絮状结构 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。 片堆结构 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 1 1- -4 4 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。 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 1
34、 1- -4 4 土的物理性质指标土的物理性质指标 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kg/m3(或 g/cm3)。 表达式如下： （1-4） 对于粘性土，土的密度常用环刀法测定。 aws aws VVV mmm V m 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 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： （1-5） 式中：W土的重量，单位为kN； g重力加速度。 g V gm V W 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 （二）土
35、粒比重Gs 土粒比重定义为土粒的质量（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： （1-6） 或 （1-7） 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/cm3 （w）44时纯水的重度。 4 s 4wws s s V m G 4ws s s V gm G 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 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 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
36、： （1-8） 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 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 （三）土的含水率w 土的含水率，曾称为含水量，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： （1-9） 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，按上式可算得。 %100 s w m m 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 二、间接换算得物理性质指标 （一）土的孔隙比e 定义：土中孔隙的体积与
37、土粒的体积之比，以小数表示，其表达式为： （1-10） （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： （1-11） s v V V e %100 V V n v 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 （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： （1-12） %100 v w r V V S 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 土的干重度：单位体积内土粒的重量，表达式为： （1-14） 土烘干，体积要减小，因而，土的干密度不
38、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。 g V gm V W d ss d （四）干密度d与干重度d 土的干密度：单位体积内土粒的质量，表达式： （1-13） V ms d 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 （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： （1-15） V Vm wvs sat 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：
39、（1-16） g V gVgm V VW sat wvswvs sat 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）浮密度与浮重度（有效重度） 土在水下，受到水的浮力作用，其有效重量减小，因此提出了浮重度， 即有效重度的概念，其表达式为： （1-17） g V gVgm V VW wsswss 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 与其相应，提出了浮密度的概念，土的浮密度是单位体积内的土粒 质量与同体积水质量之差，其表达式为： （1-18） 或 （1-19） 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
40、系： dsat dsat wsat V Vm wss 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 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： （1-20） 或 （1-21） e e V V n v 1 n n e 1 孔隙 e 1+e 土粒 1 三相示意图（a） 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 （二）干密度与湿密度和含水率的关系 设土体的体积V为1，
41、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。于是，按式（14）的定义可得： 或 （1-22） )1 ( 1 w w V m d dd w d 1 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 （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： 应用式（16）整理得： (1-23) eV m ss d 1 1 d ws G e 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 （四）饱和度与含水率、
42、比重和孔隙比得关系 设土体内土粒的体积为1，则按e=Vv/V得体积vv=e；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： （1-24） 当土饱和时，即Sr为100，则： （1-25） 式中：wsat饱和含水率。 e wG e w V V S sw s v w r ssatG we 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 （五）浮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。于是，按式（118）可得： （1-26） e G eV Vm wswswss 1 1 1 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 【例题13】某一块试样在天然状态下的体积为60cm3，称得其质量 为108g，将其烘干后称得质量为96.43g，根据试验得到的土粒比重Gs 为2.7，试求试样的湿密度、干密度、饱和密度、含水率、孔隙比、孔 隙率和饱和度。 【解】（1）已知V60cm3，m=108g，则由式（14）得 =m v=180 60=1.8g/cm3 第一章第一章 土的物理性质
