长安大学土力学知识点讲解

长安大学岩土工程、防灾减灾及防护工程专业基础知识点框架梳理及其解析第一章土的物理性质及工程分类本章节包括6个知识点土的形成（地质背景）、土的组成、级配、土的结构特征、土的物理状态指标、土的工程分类。其中必须掌握的知识点是2个，土的物理性质及工程分类。要求掌握土的基本物理性质指标的定义、应用及计算方法，熟悉土的工程分类。基础阶段，复习时间是从5月份至8月份，需要掌握的知识点是土的组成，土的三相比例指标，土的物理特性及其指标，地基土的分类及分类依据。在复习每一个知识点的过程中，首先要了解知识点，通过熟悉并分析理解教材内容，记忆相关的定义、分类并掌握其内涵，结合自己生活实践经验并通过相关试验操作，深刻理解把握本章内容，熟悉相应知识点，最后再通过本讲义如下内容对应的例题，从分析、解题、注意易错点到完成老师布置的作业完成相应知识点的掌握过程。本章知识点以记忆为主，要求概念明确清晰，内容要求深刻理解并掌握。【知识点1】土的形成（地质背景）在土木工程中，土是指覆盖在地表上碎散的、没有胶结或胶结很弱的颗粒堆积物。地球表面的整体岩石在大气中经受长期的风化作用而破碎后，形成形状不同、大小不一的颗粒。这些颗粒受各种自然力的作用，在各种不同的自然环境下堆积下来，就形成通常所说的土。堆积下来的土，在很长的地质年代中发生复杂的物理化学变化，逐渐压密、岩化最终又形成岩石，就是沉积岩或变质岩。因此，在自然界中，岩石不断风化破碎形成土，而土又不断压密、岩化而变成岩石。这一循环过程，永无止境地重复进行着。【知识点2】土的组成、级配自然界的土体由固相（固体颗粒）、液相（土中水）和气相（土中气体）组成，通常称为三相分散体系。1.土中的固体颗粒(简称土粒)的大小和形状、矿物成分及其组成情况是决定土的物理力学性质的重要因素。粗大土粒往往是岩石经物理风化作用形成的碎屑，或是岩石中未产生化学变化的矿物颗粒。土粒的矿物成分主要决定于母岩的成分及其所经受的风化作用。不同的矿物成分对土的性质有着不同的影响，其中以细粒组的矿物成分尤为重要。漂石、卵石、圆砾等粗大土粒都是岩石的碎屑，它们的矿物成分与母岩相同。砂粒大部分是母岩中的单矿物颗粒，如石英、长石和云母等。其中石英的抗化学风化能力强，在砂粒中尤为多见。粉粒的矿物成分是多样性的，主要是石英和MgCO3、CaCO3等难溶盐的颗粒。粘粒的矿物成分主要有粘土矿物、氧化物、氢氧化物和各种难溶盐类(如碳酸钙等)，它们都是次生矿物。粘土矿物的颗粒很微小，在电子显微镜下观察到的形状为鳞片状或片状，经X射线分析证明其内部具有层状晶体构造。粘土矿物基本上是由两种原子层(称为晶片)构成的。一种是硅氧晶片，它的基本单元是SlO四面体；另一种是铝氢氧晶片，它的基本单元是Al—OH八面体。由于晶片结合情况的不同，便形成了具有不同性质的各种粘土矿物。其中主要有蒙脱石、伊利石和高岭石三类。除粘土矿物外，粘粒组中还包括有氢氧化物和腐植质等胶态物质。在自然界中存在的土，都是由大小不同的土粒组成的。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情况，通常以土中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。表7.1提供的是最常用的土粒粒组的划分方法，表中根据界限粒径200、60、2、0.075和0.005mm把土粒分为六大粒组：漂石(块石)颗粒、卵石(碎石)颗粒、圆砾(角砾)颗粒、砂粒、粉粒及粘粒。表7.1土粒粒组的划分方法粒组名称粒径范围(mm)一般特征漂石或块石颗粒200透水性很大，无粘性，无毛细水卵石或碎石颗粒200～60圆砾或角砾颗粒粗60～20透水性大，无粘性，毛细水上升高度不超过粒径大小中20～5细5～2砂粒粗2～0.5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，随粒径变小而增大中0.5～0.25细0.25～0.1极细0.1～0.075粉粒粗0.075～0.01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，极易出现冻胀现象细0.01～0.005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2.土中的水和气，在自然条件下，土中总是含水的。土中水可以处于液态、固态或气态。土中细粒愈多，即土的分散度愈大，水对土的性质的影响也愈大。研究土中水，必须考虑到水的存在状态及其与土粒的相互作用。存在于土粒矿物的晶体格架内部或是参与矿物构造中的水称为矿物内部结合水，它只有在比较高的温度(80～680℃，随土粒的矿物成分不同而异)下才能化为气态水而与土粒分离。从土的工程性质上分析，可以把矿物内部结合水当作矿物颗粒的一部分。存在于土中的液态水可分为结合水和自由水两大类：结合水是指受电分子吸引力吸附于土粒表面的土中水；自由水又可分为毛细水、层间水和游离水三类。一般地，土中是有气体存在的。土中的气体有两种存在形式：流通型气体和密闭型气体。流通型气体在土粒间是相互贯通的，与大气直接连通；密闭型气体则滞留在土体内某一部分。前者通常存在于粗粒土体内，对土体的工程特性影响不大；后者由于释放非常困难，导致土体受载后具有高压缩性和低渗透性。岩土工程师应知道土中存在的气体对地基基础设计有很大影响。【例题】何谓土粒的颗粒级配？如何从级配曲线的陡缓判断土的工程性质？解题：天然土体中包含大小不同的颗粒，为了表示土粒的大小及组成情况，通常以土中各个粒组的相对含量来表示，称为土的颗粒级配。根据曲线的坡度和曲率可判断土的级配情况。如果曲线平缓，表示土粒大小都有，即级配良好；如果曲线较陡，则表示颗粒粒径相差不大，粒径较均匀，即级配不良。级配良好的土，较粗颗粒间的孔隙被较细的颗粒所填充，因而土的密实度较好。习题：试述土的三相组成，并分析各自对工程性质的影响。【知识点3】土的结构特征1.土的宏观结构特征包括土的成层性非均质性对于沉积土，不管是风沉积的、水沉积的还是冰川沉积的土，它们都具有成层性，或是粗粒层，或是细粒层。细粒层常夹在粗粒层内，当然也常有粗粒层夹在细粒层中。从土力学的角度，高承载力的土(或低压缩性土)常常嵌入低承载力土体内，反之亦然。这些层状土会引起如下问题：①由于软弱层而引起长期沉降。②在水平方向上层状土体厚度变化引起的不均匀沉降。③基础开挖引起沿软弱层的滑坡。因此需要强调，为了更好地设计地基基础，现场软弱层应该作仔细调查。土属非均质材料，在各个方向上的变形和强度都有差异性。土的非均质特性不仅由沉积条件变化引起，也受到应力历史的影响。土的粒径和形状变化很大，其中大多是尖棱状的土，这是由沉积条件变化引起的。而土中由纵深方向发展的裂缝，则与土的应力历史有关。土体的宏观结构中，层理、断层、透镜体和深部裂隙等的存在都很危险，因为它们的存在会导致土的高压缩性、低强度和高沉降差。2.土的微观结构特征单粒结构：粗粒土的结构是单粒结构。单粒结构的土体可作为天然地基土。蜂窝状结构：对于很细的砂土和粉土，颗粒排列很像蜜蜂筑的巢，故命名为蜂窝状结构，蜂窝状结构的土具有疏散、低强度和高压缩的特性。絮状结构，粘性土有其特殊的结构，即絮状结构，粘粒随机排列成束状或片状，构成粘粒排列的高度定向性。对于这类结构的土，由于土体中有许多的孔隙，在地基基础设计时要注意其高压缩性。习题：何谓土的结构？土的结构有几种？【知识点4】土的物理状态指标1.土的三相比例指标因为土是三相体系，不能用一个单一的指标来说明三相间量的比例关系，需要若干个指标来反映土中固体颗粒、水和空气之间的量关系。在土力学中，通常用三相草图来表示土的三相组成图7.1土的三相草图以下基本公式应熟记（1）土的重度（g）土的重度定义为土单位体积的重量，单位为（kN/m3）。其定义式为：（2）土粒比重（ds）土粒比重定义为土粒的质量与同体积纯蒸馏水在4℃时的质量之比，其定义式为：土粒的比重给出的是矿物组合体的密度，由于土中矿物成分相对比较稳定，故土的比重一般变化不大且与常见矿物的比重接近（3）土的含水量（w）土的含水量定义为土中水的质量与土粒质量之比，以百分数表示。（4）土的孔隙比（e）孔隙比e—指孔隙体积与固体颗粒实体体积之比，以小数表示，即：（5）孔隙率（n）孔隙度n一指孔隙体积与土总体积之比，用百分数表示，亦即孔隙比和孔隙度都是用以表示孔隙体积含量的概念。不难证明两者之间可以用下式互换。或土的孔隙比或孔隙度都可用来表示同一种土的松、密程度。它随土形成过程中所受的压力、粒径级配和颗粒排列的状况而变化。一般说，粗粒土的孔隙度小，细粒土的孔隙度大。例如砂类土的孔隙度一般是28—35％；粘性土的孔隙度有时可高达60—70％。这种情况下，单位体积内孔隙的体积比土颗粒的体积大很多。（6）饱和度（Sr）饱和度：土孔隙中水的体积与孔隙体积之比，以百分数表示，即：土可根据饱和度划分为稍湿、很湿与饱和三种状态，其划分标准为：稍湿Sr≤50％很湿50％≤Sr≤80%饱和Sr≥80％（7）土的常用指标的换算关系除上述指标外，工程中还遇到其他一些指标，其换算关系见表7.2。表7.2常用指标之间的换算关系指标名称换算公式常见的数值范围干重度（kN/m3）13～18饱和重度（kN/m3）18～23浮重度或有效重度8～13孔隙比砂土：0.3~0.9粘性土：0.6~1.2孔隙度砂土：25％～45％粘性土：30％～60％饱和度0～100％2土的物理状态指标土的物理状态，对于粗粒土来说，是指土的密实程度。对细粒土而言，则指土的软硬程度或称为土的稠度。(1)无粘性土（粗粒土）的密实程度无粘性土的密实度与其工程性质有着密切的关系，呈密实状态时，强度较大，可作为良好的天然地基；呈松散状态时，则是不良地基。对于同一种无粘性土，当其孔隙比小于某一限度时，处于密实状态，随着孔隙比的增大，则处于中密、稍密直到松散状态。无粘性土的这种特性，是因为它所具有的单粒结构决定的。无粘性土的相对密实度以最大孔隙比emax与天然孔隙比e之差和最大孔隙比emax与最小孔隙比emin之差的比值Dr表示，即：根据Dr值可把砂土的密实度状态划分为下列三种l≥Dr0.67密实0.67≥Dr0.33中密0.33≥Dr0松散砂土根据标准贯人试验的锤击数N分为松散、稍密、中密及密实四种密实度，其划分标准见表7.3。表7.3砂类土密实程度划分砂土密实度松散稍密中密密实N≤1010N≤1515N≤3030（2）粘性土的物理状态对于粘性土，因粘土矿物含量高、颗粒细小，其物理状态与含水量关系非常密切。同一种粘性土随其含水量的不同而分别处于固态、半固态、可塑状态及流动状态。粘性土由一种状态转到另一种状态的分界含水量，叫做界限含水量。它对粘性土的分类和工程性质的评价有重要意义。粘性土由固态转到流动状态的界限含水量分别称为缩限、塑限和液限。（1）液限wL液限定义为流动状态与塑性状态之间的界限含水量。通常用锥式液限仪或碟式液限仪来量测。（2）塑限wp随着水的减少，土样将进入半坚硬状态，此时土可搓成条状，厚度大约为3mm，在应力作用下只是变形，而不断裂。塑限定义为土样从塑性进入半坚硬状态的界限含水量。土样搓条试验可以确定出塑限。将土样放在吸水纸上，用手反复搓动，直到上述的成条要求为止。（3）缩限ws缩限即是土样从半坚硬进入坚硬状态的界限含水量；也可以定义为当水量进一步减少，但土样不进一步发生收缩的最大含水量。（4）塑性指数（IP）和液性指数（IL）塑性指数IP定义为土样的液限和塑限之差：IP=wL－wP在土样中，IP主要取决于粘粒含量，粘粒含量越高，则塑性指数越大，这就是为什么我们可以用塑性指数的大小来划分土类。另一个重要的参数就是液性指数(IL)，用它来评估原状土含水量(性状)在塑限和液限之间的变化，用如下公式计算：若液性指数IL≤0，土样呈坚硬状；若0IL≤1，土样呈塑性状，若IL1，土样呈液态(流动态)按我国的建筑规范GB50007－2002和JTJ250—98，粘性土稠度状态可按表7.4划分。表7.4粘性土的稠度状态状态坚硬硬塑可塑软塑