清华大学土力学课件

《土力学》教案•课次：第1次•主要内容：绪论；地质作用；矿物与岩石；第四系沉积物•重点内容：土与土力学的基本概念；外力地质作用；第四系沉积物•教学方法：精讲启发式绪论一、土力学的研究对象•土力学是一门研究土的学科，主要解决工程中的土的性质、强度及稳定性问题。•在工程建设中，土往往做为不同对象来研究。如在土层上修建房屋、桥梁、道路、铁路时，土是用来支撑上部建筑传来的荷载，这时土被用作地基；路堤、土坝等土工构筑物，土又成为建筑材料；地铁、隧道、涵洞等地下工程，土又是地下结构物周围的介质或环境。•土分布在地壳的表面，其工程性质相差极大。因此，进行工程建设时，必须结合土的实际工程性质进行设计。•土力学研究的对象是分散土，它与岩石、土壤既有联系又有区别。土的主要特征是分散性、复杂性和易变性，其性质将随外界环境（如温度、湿度）的变化而发生显著的变化。•岩石与土是有差别的，岩石中虽然有孔隙和裂隙，但可近似看成是连续介质。岩石主要是岩石力学（或隧道力学）的研究对象。•土壤属农业学科，是土壤学研究的对象。土壤的主要特征是具有肥力，能够提供植物生长过程中所需要的养料。人类对土壤的认识和利用比土要丰富的多，土壤学的发展也比土力学要早得多。•但应该指出，学科之间都是相互交叉，相互渗透的，岩石力学、土壤学与土力学是密切联系的，土力学在发展过程中，也利用了许多岩石力学和土壤学的成就。二、土力学的研究内容•基本概念(1)土：是岩石经过物理、化学、生物等风化作用的产物，是由矿物颗粒组成的集合体。(2)土的三相组成：固体颗粒（土粒）水和气体(3)土力学：是研究土的物理力学性质、变形及强度规律，以及土体稳定性的一门科学。•土力学是岩土力学的一个分支。2．土力学的研究内容(1)土的物理、力学、物理化学性质；(2)宏观与微观结构；(3)土的压缩性；(4)强度特性；(5)渗透性；(6)动力特性等。•为各类土木工程的稳定和安全提供科学的对策。三、土力学发展概况（自学）四、本学科与土木工程专业的关系•在土木工程设计与施工中，将会遇到大量的与土有关的工程技术问题。(1)在铁路或道路的路基工程中，土是修筑路堤的基本材料，同时它又是支承路堤的地基。路堤的临界高度和边坡的取值都与土的抗剪强度指标及土体的稳定性有关；(2)在路基工程中，土作为建筑材料要求用碾压法将土压实，以保证路堤的强度和稳定性。因此需要研究土的压实性，包括土的压实机理、压实方法及压实指标的评价等。(3)挡土墙设计的主要外荷载-土压力的取用，需借助于土压力理论计算。(4)随着我国高速公路、高速铁路的大量修建，对路基的沉降计算与控制提出了更高的要求，而解决沉降问题需要对土的压缩特性进行深人的研究。(5)软土地基的加固技术，需要对软土进行大量的试验研究和现场监测。(6)在路面工程中，土基的冻胀与翻浆在我国北方地区是非常突出的问题，防治冻害的有效措施是以土力学的原理为基础的。(7)稳定土是比较经济的基层材料，他是根据土的物理化学性质提出的一种土质改良措施；道路一般在车辆的重复荷载作用下工作，因此需要研究土在重复荷载作用下的变形特性。(8)在建筑物、桥梁等工程中，地基与基础是建筑物的根基，又属于地下隐蔽工程，经济、合理的基础工程设计需要依靠土力学基本理论的支持。(9)桥梁、房屋结构的抗震设计，需要研究土的动力特性。由此可见，土力学这门学科与土木工程专业课的学习和今后的技术工作有着十分密切的关系。学习这门课程是为了更好地学好专业课，也是为了今后更好地解决有关土的工程技术问题奠定坚实的基础。第一章工程地质§1.1概述•从上面分析可以看出，工程地质与道桥工程的关系极为密切，因为各种道路和桥梁都是建在地球表面上的，都要与土打交道。建筑场地的工程地质条件直接影响道桥的设计方案、施工与工程投资。因此，首先讲一些有关土质学方面的内容。一、地质作用1．内力地质作用：由地球自转产生的旋转能引起，如岩浆活动、地壳运动、变质作用等。2．外力地质作用：由太阳辐射能和地球重力位能引起，如风化、剥蚀、搬运、沉积作用等。二、风化作用1．物理风化：由于地表岩石温度变化产生温度应力和裂隙水的冻胀以及盐类结晶膨胀而使岩石被碎崩解为碎块或岩屑，其化学成份尚未发生变化，这种过程称为物理风化作用。•当气温升高时，岩石膨胀产生压应力，当气温降低时，岩石收缩产生拉应力，二者频繁交替，使岩石表层产生众多裂隙最终崩解。另一方面水冻胀时产生体积膨胀或盐类结晶膨胀加速了岩石崩解过程。土中的碎石，砾石、砂等粗颗粒便是岩石物理风化的产物。2．化学风化作用：在水、大气以及有机体的化学作用或生物化学作用下而使岩石的化学成份发生水化、氧化、还原、碳酸化溶解等过程，称为化学风化。•化学风化作用不仅破坏了岩石的结构，而且使化学成份改变，形成新的矿物。粘土颗粒便是岩石经化学风化后的产物。3．生物风化作用：是指生物活动过程中对岩石产生的破坏作用。如树根生长时施加周围岩石的压力可超过岩石的强度，使岩石产生裂纹而破坏。活动在地表浅层的动物如老鼠、蚯蚓等也可使岩石被碎成土。开山、挖隧道等作用产生的土等。三、剥蚀•风化后的岩石产物在冰川、风、水和重力作用下，从母岩分离的现象称为剥蚀。四、搬运•岩石碎块或岩屑从母岩分离后到达新的平衡位置，称为搬运。1．搬运方式（1）风；（2）流水；（3）冰川；（4）雪崩；（5）自然起伏地形形成高差，在自重作用下由高处向低处；（6）人工填运。2．伴随现象（1）磨园；（2）进一步的破碎或开裂，这是由于相互碰撞、磨擦或冰冻作用的结果；（3）分选现象：在搬运过程中，存在着分选现象，同一粒组范围的颗粒集聚在同一地区，大颗粒的岩石碎块搬运距离一般较近，而细小的碎粒可被搬运到较远的地方沉积下来。五、沉积•岩石碎块和岩屑经搬运后在某地带堆积下来，称为沉积。§1.2矿物与岩石一、主要造岩矿物1．矿物：是地壳中具有一定化学成份和物理性质的自然元素或化合物，是组成岩石细胞。目前已发现的矿物有三千多种，但常见的造岩矿物仅三十多种。2.矿物种类（1）原生矿物：由岩浆冷凝而成，如石英、长石、角闪石，辉石、云母等。（2）次生矿物，由原生矿物风化产生，如长石风化产生高岭石、角闪石风化产生绿泥石等。二、岩石1、岩石的类型（1）按成因：①岩桨岩（火成岩）：地壳下面融岩浆侵入地壳或喷出地面冷凝结晶后而形成的岩石；②沉积岩：岩石经风化、剥蚀、搬运至低洼处而沉积，在常温常压下，受到压紧，化学物的胶结、再结晶或硬结等成岩作用而形成的岩石。沉积岩石分布广泛，约占地球表面的75％。③变质岩：在高温高压下，或化学性活泼的物质作用下，使原来岩石的结构、构造甚至矿物成份改变而形成的一种新的岩石，称为变质岩。（2）按坚固性：①硬质岩石：饱和单轴极限抗压强度Sb≥30MPa②软质岩石：饱和单轴极限抗压强度Sb30MPa（3）按风化程度：①微风化岩石；②中等风化岩石；③强风化岩石。2、岩石的性质（1）强度大；（2）压缩性低（3）透水性差。•是良好的天然地基。§1.3第四纪沉积物（层）•第四纪沉积物（土）：地表岩石经风化、剥蚀、搬运，沉积下来的年代不长，未经压紧，并呈松散状态的沉积物。建筑场地一般涉及的都是第四纪沉积物。•第四纪沉积物分以下几种类型：一、残积物：岩石风化剥蚀后的产物仍残留在原地未被搬运，这种沉积物称为残积物，如下图所示。•在残积物和基岩之间，通常存在一个风化带。残积物与强风化带之间并无明显区别，二者的界线实际上很难区分。残积物与风化层的主要区别在于：残积物是经风化剥蚀和水流将细小的颗粒带走后残留下来的较粗颗粒的堆积物。而风化带虽经风化，但未经剥蚀和搬运。•残积物特征：（1）颗粒不可能磨圆或分选，多为棱角状粗颗粒土;（2）没有层里构造（因没有经过搬运和沉积）；（3）其矿物成份与下卧基岩一致，这是鉴定残积物的主要依据。（4）孔隙度大，均质性差，作为建筑物地基易发生不均匀沉降。二、坡积物：高处风化、剥蚀后的岩石产物，在自重、风或流水作用下，顺山坡向下移动，最后沉积在较平缓的山坡上而形成的沉积物。坡积物特征：（1）一般分布在坡腰或坡角下；（2）有不同程度的磨圆或分选现象；（3）土质不均匀，厚度变化大，在斜坡上厚度较薄，而在山坡下部较厚；（4）由于一般堆积在倾斜的山坡上，常易发生滑动；在这类地基上修建建筑物易产生滑坡。•三、洪积物：•由于暴雨或融雪形成的临时性洪水，具有极强的搬运能力，将携带大量泥砂和石块，最后堆积在山谷的出口或山前平原而形成的沉积物。•洪积物的堆积面积大小不一，从几平方米到数十平方公里，在许多大山与平原交界处，各条沟的洪积物不断发展，相连成片可形成洪积平原。•洪积物特征：（1）具有磨圆分选现象，离山越远，颗粒越细；（2）分布范围多为扇形；如右图所示（3）由于山洪是周期性发生的，每次大小不尽相同，堆积下来的物质也不一样。因此，洪积物常呈不规则的交替层理构造，并且有夹层，尖夹等产状。（4）作为建筑物的地基，一般认为是较理想的。尤其离山前较近的洪积物，具有较高的强度，是良好的天然地基。离山较远的地区，洪积物颗粒较细，成分均匀，地下水位较深，也属于良好的地基。但有时在上述两地段的中间地带，常因地下水溢出地表而形成沼泽地，作为地基时应慎重。四、冲击物：是河流流水将两岸岩石及上部覆盖物剥蚀后，搬运沉积在河流坡降平缓地带形成的沉积物。冲击物在地表分布很广，主要类型有：1、平原河谷冲击物（见下图）（1）河床沉积物；（2）河慢滩沉积物；（3）河流阶地沉积物；（4）古河道沉积物。2、山区河谷冲击物：山区河流速度大，多为漂石、卵石与圆砾，厚度一般10～15m3、山前平原冲击物：山前平原冲击物具有分带性，近山一带为粗粒物质组成，向平原低地逐渐变为砂土和粘土。4、三角洲沉积物：在河流入海或入湖口处，所搬运的大量细小颗粒土沉积下来，形成面积宽广，厚度较大（百米以上）的三角洲沉积物，一般以砂、粉质粘土和粉土为主。这些物质经过河流的长途搬运后，一般具有良好的分选性和颗粒磨圆度，斜层理也较发育。在三角洲地带，地下水位很高，水系密布，该区域内沉积物形成饱和砂土及软粘土，承载能力很低，压缩性很高，作为建筑物地基应特别慎重。•五、海相沉积物•海洋按海水深度不同划分为四个区域，滨海地区是指涨潮时淹没、落潮时落出的地带；浅海地区称为大陆架，水深0～200m，宽度100～200km；陆坡地区水深200～1000m，宽度200～300km；当水深超过1000m时，为深海地区。不同地区的沉积物不同。（1）滨海沉积物：主要由卵石、圆砾和砂等组成，具有基本水平或缓倾斜的层理构造，其强度较高，在砂层中常有波浪作用留下的痕迹。（2）浅海沉积物：主要由细颗粒砂土，粘性土和淤泥组成，具有层理构造，含水量大，强度低，压缩性大。（3）陆坡和深海沉积物：主要是有机淤泥。六、湖泊沉积物1、湖相沉积物•湖浪冲蚀湖岸而形成的碎屑物质在湖内或湖心沉积下来而形成湖相沉积物。•在靠近湖岸地段沉积下来的多是粗颗粒的卵石、圆砾和砂土。远岸或湖心沉积下来的则是细砂或粘土，因此，近岸地区土的强度较高，而湖心最差。2、沼泽沉积物•湖泊逐渐淤塞和陆地沼泽化，将演变成沼泽而形成沼泽沉积物（沼泽土），主要由半腐烂的植物残体（活炭）组成，含水量极高，可达百分之百，压缩性很大，承载力极低，不宜作为建筑物的天然地基。七、冰川沉积物八、风积物作业：补充题－第四系沉积物的类型有哪些？《土力学》教案•主要内容：土的生成与特性；土的三相组成；土的三相比例指标•重点内容：土的三相组成；土的三相比例指标及其相互关系•教学方法：精讲启发式与逻辑推理式第二章土的物理性质与工程分类§2.1土的生成与特性一、土的生成•土是由岩石经风化、剥蚀、搬运、沉积等过程后的产物，土的来源是岩石。地球表面30～80km范围是地壳，地壳原来是坚硬的岩石。完整岩石风化和剥蚀不同粒度的固体颗粒搬运和沉积土（第四纪沉积物）成岩作用岩石。•所以，在地壳变动的亿万年历史长河中，岩石和土可能交替地反复形成，周期性的破碎和集合。二、土的特性•在土力学中，将土作为一种工程材料来研究。与其它材料相比，土有如下特性：1．散体性（压缩性大、强度