土力学-第一章

1东南大学土木工程土土力力学学第1章主讲教师童小东2第1章土的物理性质及分类第1节概述第2节土的组成（＊）第3节土的结构和构造第4节土的基本物理指标（＊）第5节无黏性土的密实度（＊）第6节黏性土的物理特性（＊）第7节土的分类第8节土的压实特性（＊）3风化作用物理风化：岩体发生量的变化(PhysicalWeathering)化学风化(ChemicalWeathering)生物风化(BiologicalWeathering)岩体发生质的变化第1节概述※土体是岩体风化（Weathering）的产物。4※土是三相体（饱和土中的孔隙均被水所充填，所以饱和土为二相体）。土液相（LiquidPhase）:水气相（GaseousPhase）:气固相（SolidPhase）:土粒土残积土（ResidualSoil）运积土（TransportedSoil）风成沉积土水成沉积土冰川沉积土1-1概述5※不同大小土粒含量的相对数量关系可以作为土的分类依据。土粉性土(SiltySoil)无黏性土(Non-cohesiveSoil)：粒径0.075mm的土粒含量超过全重的50%黏性土(CohesiveSoil)粒径0.075mm的土粒含量不超过全重的50%1-1概述6第2节土的组成（*）1.土粒粒组及级配※按土粒粒径（d）大小将土粒分组，称为粒组(Fraction)。划分粒组的分界尺寸称为界限粒径。巨粒：60mm粗粒：0.075~60mm细粒：≤0.075mm土的粒组一、土中的固体颗粒（土粒）7※土粒的大小及其组成情况，通常以土中土粒各个粒组的相对含量（各粒组占土粒总量的百分数）来表示，称为土的颗粒级配(GradationofGrain)。※土的颗粒级配可由土的颗粒大小分析试验(GrainSizeAnalysisTest)（简称颗分试验）测定。筛分法（筛析法）水中沉降法d0.075mmd0.075mm颗分试验1-2土的组成一、土中的固体颗粒8筛分法试验装置1-2土的组成一、土中的固体颗粒9水中沉降法试验装置1-2土的组成一、土中的固体颗粒10根据颗粒大小分析试验结果，可以绘制颗粒级配曲线（横坐标为粒径，用对数坐标表示；纵坐标为小于某粒径的土重含量，用常数坐标表示）。1-2土的组成一、土中的固体颗粒111-2土的组成一、土中的固体颗粒颗粒级配曲线的坡度可以大致反映土的均匀程度。曲线陡，表示粒径大小相差不多，土粒比较均匀；曲线缓，表示粒径大小相差悬殊，土粒不均匀。小于某粒径的土重含量，%级配良好级配不良土的颗粒级配曲线粒径，mm121-2土的组成※几个特殊粒径：d60，d30，d10限制粒径d60(ConstrainedGrainSize)，中值粒径d30和有效粒径(EffectiveGrainSize)d10。1009080706050403020100小于某粒径的土重含量，%105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径，mmd30d10d60一、土中的固体颗粒13※土粒的颗粒级配指标：1060uddC=曲率系数(CoefficientofCurvature)6010230c)(dddC×=不均匀系数(CoefficientofUniformity)1-2土的组成一、土中的固体颗粒14Cu反映不同粒组颗粒的分布情况。Cu越大，表示土颗粒大小的分布范围越大，其级配良好。在一般情况下，对级配连续的土Cu5，均粒土，为级配不良≥5，级配良好1-2土的组成一、土中的固体颗粒15对级配不连续的土，如何评价其级配？1009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数，%105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径，mmd10d30d60d301-2土的组成一、土中的固体颗粒16Cu≥5Cc=1~3对级配不连续的土，单独用Cu难以准确确定土的级配情况，需同时参考Cc。Cc描写颗粒级配曲线的分布范围，反映曲线的整体形状。级配良好1-2土的组成一、土中的固体颗粒172.土的矿物成分矿物成分对土的性质有着重要影响。土的固体颗粒物质分为无机矿物颗粒和有机质。土颗粒的矿物成分原生矿物(OriginalMineral)次生矿物(SecondaryMineral)1）无机矿物颗粒1-2土的组成一、土中的固体颗粒18原生矿物：包括石英、长石和云母等。为岩石物理风化的产物，化学性质稳定或较为稳定。次生矿物：为原生矿物化学风化的产物。1-2土的组成一、土中的固体颗粒19次生矿物主要是黏土矿物(ClayMineral)。硅氧四面体硅氧晶片铝氢氧八面体铝氢氧晶片的基本单元黏土矿物结构由于晶片结合的情况不同，便形成了具有不同性质的各种黏土矿物，主要有蒙脱石、伊利石和高岭石。1-2土的组成一、土中的固体颗粒20高岭石：亲水性差伊利石：亲水性中等蒙脱石：亲水性强（吸水膨胀、脱水收缩）2）有机质有机质可吸收大量的水。因此当土中含有较多的有机质时，会造成土的强度和抵抗变形的能力降低。1-2土的组成一、土中的固体颗粒21土中水结合水(BoundWater)自由水(FreeWater)强结合水弱结合水重力水(Gravitational~)毛细水(Capillary~)1.土中水水对土体的工程性质影响巨大。二、土中的水和气1-2土的组成二、土中的水和气受电分子吸引力作用吸附于土颗粒表面的水存在于土颗粒表面电场影响范围以外的水222.土中气土孔隙中未被水所占据的部位由气体充填。土中的气体若与大气相通，则对土的力学性质影响不大;若与大气隔绝：使土的压缩性提高，透水性减小。1-2土的组成二、土中的水和气23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。土的结构絮状结构：d0.005mm蜂窝结构：d=0.005~0.075mm单粒结构：d0.075mm分散结构：d0.005mm紧密疏松第3节土的结构和构造24密实状态疏松状态1-3土的结构和构造单粒结构25蜂窝结构1-3土的结构和构造26絮状结构1-3土的结构和构造27分散结构1-3土的结构和构造28土的构造是土层在空间的赋存状态。土的构造的最主要特征就是其成层性，即层理构造。1-3土的结构和构造29第4节土的基本物理指标（*）※土的三相比例指标定量反映了土的三相的组成情况，有助于理解土的基本物理性质。※土是三相体。土粒水气一、土的三相比例指标30mtma≈0mwms质量VtVaVwVsVv体积土颗粒水气土的三相示意图1-4土的基本物理指标一、土的三相比例指标31为了对土的基本物理性质有所了解，需要对土的三相的组成情况进行定量研究。表示土的三相组成比例关系的指标，称为土的三相比例指标，包括孔隙比e、孔隙率n、含水率w和饱和度Sr。1-4土的基本物理指标一、土的三相比例指标32※土的孔隙比e(VoidRatio)：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。※土的孔隙率n(Porosity)：土中孔隙体积与土体总体积之比。svVVe=vt100%VnV=×1-4土的基本物理指标一、土的三相比例指标33※土的含水率w(WaterContent)：土中水的质量与土粒质量之比。在试验室一般用“烘干法”测定(105℃)。一般来说，同一类土，当含水率增大时，其强度就降低。%100sw×=mmw1-4土的基本物理指标一、土的三相比例指标34※土的饱和度Sr(DegreeofSaturation)：土中被水充满的孔隙体积与孔隙总体积之比。%100vwr×=VVS1-4土的基本物理指标一、土的三相比例指标35土的质量-体积关系指标包括密度ρ与重度γ、土粒比重Gs。二、土的质量-体积关系指标1-4土的基本物理指标二、土的质量-体积关系指标36※土的密度ρ(Density)：土单位体积的质量。在试验室一般用“环刀法”测定。※土的重度γ(UnitWeight)：土单位体积的重量。土的密度干密度饱和密度有效密度天然密度干重度(Dry~)饱和重度(Saturated~)有效重度(Effective~)天然重度(Natural~)1-4土的基本物理指标二、土的质量-体积关系指标ttmVρ=gγρ=37※土粒比重Gs(SpecificGravityofSoilGrain)：土粒质量与同体积的4℃时纯水的质量之比。ssssssρρρρ===1-4土的基本物理指标二、土的质量-体积关系指标38土粒比重在数值上等于土粒密度，但无量纲。在试验室用“比重瓶法”测定，一般土粒（无机矿物颗粒）比重的变化幅度不大（2.6~2.8）。1-4土的基本物理指标二、土的质量-体积关系指标39土颗粒水气mt=(1+w)Gsρwma=0mw=wGsρwms=GsρwVt=1+eVs=1Vv=e质量体积令Vs=1，则Vv=e，Vt=1+e指标的换算1-4土的基本物理指标二、土的质量-体积关系指标40第5节无黏性土的密实度（*）※无黏性土：一般是指由原生矿物组成，颗粒较粗的土。※无黏性土的密实度（Compactness）与其工程性质有着密切的关系。呈密实状态时，为良好地基；呈疏松状态时，为不良地基。41无黏性土的相对密实度(RelativeDensity)Dr：无黏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。minmaxmaxreeeeD−−=相对密实度的值介于0~1之间，值越大，表示越密实。1-5无黏性土的密实度42※无黏性土的最小孔隙比（MinimumVoidRatio）emin：处于最紧密状态的孔隙比。在试验室可用“振击法”测定。※无黏性土的最大孔隙比（MaximumVoidRatio）emax：处于最疏松状态的孔隙比。在试验室可用“漏斗法”或“量筒法”测定。1-5无黏性土的密实度43松散中密密实03/13/13/23/21rrr≥≥≥DDD1-5无黏性土的密实度44第6节黏性土的物理特性（*）※黏性土：一般是指由次生矿物组成、颗粒较细，具有可塑性的土。※随着黏性土含水率的增大，土体的强度和抵抗变形的能力会逐渐降低。45一、黏性土的界限含水率(AtterbergLimits)同一种黏性土随着含水率的不同，可分别处于固态、半固态、可塑状态和流动状态。黏性土由一种状态转到另一种状态的分界含水率，称为界限含水率。1-6黏性土的物理特性一、黏性土的界限含水率46固态半固态可塑状态流动状态划分四种土体状态的界限含水率分别为缩限(ShrinkageLimit)、塑限(PlasticLimit)和液限(LiquidLimit)。缩限wS塑限wP液限wL0w1-6黏性土的物理特性一、黏性土的界限含水率47液限仪锥式液限仪碟式液限仪塑限：搓条法液限塑限液限：液塑限联合测定仪横坐标：土样含水率纵坐标：圆锥入土深度1-6黏性土的物理特性一、黏性土的界限含水率48圆锥入土深度与含水率的关系1-6黏性土的物理特性一、黏性土的界限含水率49锥式液限仪1-6黏性土的物理特性一、黏性土的界限含水率50碟式液限仪1-6黏性土的物理特性一、黏性土的界限含水率51※wP和wL均是由扰动土样确定的指标，土的天然结构已经被破坏。通常当原状土的天然含水率等于wL时，原状土并不处于流动状态，但天然结构一经破坏，土即呈现出流动状态。1-6黏性土的物理特性一、黏性土的界限含水率52二、黏性土的可塑性指标塑性指数(PlasticityIndex)IP为液限和塑限的差值，表示土处于可塑状态的含水率变化范围。塑性指数在一定程度上综合反映了影响黏性土特征的各种重要因素(土的颗粒组成，土的矿物成分以及土中水的离子成分和浓度等)。在工程上常按塑性指数对黏性土进行分类。1-6黏性土的物理特性二、黏性土的可塑性指标IP=wL-wP53液性指数(LiquidityIndex)IL为黏性土的天然含水率和塑限的差值与塑性指数的比值。PPPLPLI−=−−=液性指数可以表示黏性土所处的软硬状态。液性指数的值越大，表示土质越软。1-6黏性土的物理特性二、黏性土的可塑性指标54三、黏性土的结构