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绪论24土力学需要研究和解决的工程中的三大类问题:土体:稳定或强度问题土体:变形问题渗流:渗透变形与渗透稳定强度问题变形问题渗透问题土力学作为一门系统的学科是以太沙基的1925年出版的《土力学》为标志。第1章土的组成土是松散颗粒的堆积物,是岩石风化的产物1.1土的形成母岩物理风化化学风化生物风化原生矿物:石英、云母长石等次生矿物:粘土矿物、无定形氧化物胶体、可溶盐等散粒体结晶作用胶结作用生物化学1.1土的形成物理风化: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。化学风化: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。1.2土的特点大量孔隙非连续介质岩石风化的产物一、土具有碎散性二、土是三相体系•固相—土骨架•液相—水•气相—空气多相介质三、土有自然变异性土是自然界的产物,性质复杂1.3土的三相组成气相固相液相++构成土骨架,起决定作用重要影响土体次要作用土是固体颗粒、水和空气的混合物,常称土为三相系。土的颗粒、粒间胶结物土体孔隙中的水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。根据土的粘性分:粘性土:颗粒很细;无粘性土:颗粒较粗,甚至很大。砂、碎石、甚至堆石(直径几十cm甚至1m)①颗粒大小•粒度土粒的大小,通常以粒径表示•粒组按粗细进行分组,将粒径接近的归成一类•界限粒径划分粒组的分界尺寸1.4土中固体颗粒d(mm)d(mm)砾石砂粒粉粒粘粒胶粒6020.0750.0050.0020.250.5520粗中细粗中细极细粗粒细粒0.075粒径级配•确定方法筛分法:适用于粗粒土(0.075mm)水分法:适用于细粒土(0.075mm)——各粒组的相对含量(土样各粒组的质量占土粒总质量的百分数),用质量百分数来表示•表述方法粒径级配累积曲线1.4土中固体颗粒粒径级配累积曲线粒径级配累积曲线表示土的颗粒级配横坐标为粒径,用对数坐标表示纵坐标为小于(或大于)某粒径的土重(累计百分)含量特点:定量指标,级配好与差的比较曲线较陡粒径相差不多,土粒较均匀,级配不良曲线平缓粒径相差悬殊,土粒不均匀,级配良好1009080706050403020100105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径(mm)1.5土中水(液相)和土中气广义的水:结晶水矿物内部的水石膏Ca〔SO4〕·2H2O苏打Na2〔CO3〕·10H2O土中水结合水吸附在土颗粒表面的水自由水电场引力作用范围之外的水土中冰由自由水冻成,冻胀融陷自由水重力水毛细水在重力或水位差作用下可在土中自由流动•存在于液气之间•在重力与表面张力作用下可在土粒间空隙中自由移动结合水强结合水弱结合水1.6黏土颗粒与水的相互作用粘土矿物:由各种硅酸盐矿物分解形成的水铝硅酸盐矿物。其结构可分为晶体和非晶体,以晶体矿物为主。实际上是一种铝—硅酸盐晶体,由硅片和铝片构成的晶包所组合而成。硅片(硅氧晶体)的结构:基本单元是硅-氧四面体铝片(铝氢氧硅片):铝(镁)-氢氧(氧)八面体高岭石(氢键联结)粘土矿物的晶格构造蒙脱石伊利石粒径胀缩性渗透性强度压缩性大小大大小中中中中中小大小小大1.7土的结构土的结构单粒结构蜂窝状结构絮状结构第2章土的物理性质及分类2.1土的三相比例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,如含水量、密度和土粒相对密度,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。室内测定的三个物理性质指标WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积-土的密度、土粒的相对密度、土的含水量土的密度awswsVVVmmVm单位:kg/m3或g/cm3定义:单位体积土的质量有时也称土的天然密度表达式:土的密度常用环刀法测定土的重度单位:kN/m3WmggVV土的重度亦称为容重,定义为单位体积土的重量.WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积土粒相对密度s土粒的密度,单位体积土粒的质量sssmV单位:无量纲1w11sssswwmdV4˚C时纯蒸馏水的密度,1g/cm3土粒相对密度在数值上等于土粒的密度定义:土粒质量与同体积4˚C时纯蒸馏水的质量的比值表达式:土粒相对密度(也称为土粒比重)常用比重瓶法测定WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积土的含水量ssswmmmmm(%)w定义:土中水的质量与土粒质量之比用百分数表示注意:其实是含水比,可达到或超过100%表达式: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100℃~105℃常温下烘干,称得干土质量,按上式可算得天然密度干密度awswsVVVmmVm天然重度干重度VmsdggddWaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积单位:kg/m3或g/cm3单位:kN/m3定义:土单位体积中固体颗粒部分的质量表达式:表示土的密度和容重的指标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。饱和密度VVmvwssatgsatsat浮重度wsat有效重度饱和重度表示土的密度和容重的指标定义:土孔隙中充满水时的单位体积质量式中ρw为水的密度,近似等于1g/cm3WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积浮密度swsm-ρVρ=V定义:在地下水位以下,土单位体积中土粒的质量与同体积水的质量之差各种密度与重度之间的大小关系satddsat天然密度干密度饱和密度Vm天然重度干重度VmsdggddVVmvwssatgsatsat浮重度wsat饱和重度浮密度swsm-ρVρ=V单位:kg/m3或g/cm3单位:kN/m3表示土中孔隙含量的指标孔隙比孔隙率(孔隙度)svVVeVV(%)nv关系:e1enn1ne某种程度上反映土的松密定义:土中孔隙体积与固体颗粒体积之比,无量纲表达式:WaterAirSolidVaVwVsVvV体积定义:土中孔隙体积与总体积之比,用百分数表示表达式:Vs=1Vv=eV=1+eWaterAirSolid体积饱和度vwrVVSWaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积表达式:定义: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Sr=0:干土Sr=1:饱和土常用的土的物理指标共有九个土的密度土粒相对密度土的含水量干密度饱和密度浮密度孔隙比孔隙率饱和度【例题】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相对密度ds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V=60cm3,m=108g,得ρ=m/v=108/60=1.8g/cm3(2)已知ms=96.43g,则mw=m-ms=108-96.43=11.57g于是w=mw/ms=11.57/96.43=12%(3)已知ds=2.7,则Vs=ms/ρs=96.43/2.7=35.7cm3Vv=V-Vs=60-35.7=24.3cm3于是e=Vv/Vs=24.3/35.7=0.68(4)n=Vv/V=24.3/60=40.5%(5)根据ρw的定义Vw=mw/ρw=11.57/1=11.57cm3于是St=Vw/Vv=11.57/24.3=48%粘性土的软硬状态也称稠度状态稠度状态与含水量有关2.3黏性土的物理特征塑限wp液限wL稠度界限粘性土的稠度反映土中水的形态固态半固态塑态流态强结合水膜最大出现自由水强结合水弱结合水自由水稠度状态含水量wplpIww吸附弱结合水的能力塑性指数缩限WS粘性土四种物理状态状态:固态、半固态、可塑状态及流动状态界限含水率粘性土从一种状态过渡到另一种状态,可用某一界限含水率来区分,这种界限含水率称为稠度界限或阿太堡界限液限(WL)——从流动状态转变为可塑状态的界限含水率,也就是可塑状态的上限含水率;塑限(Wp)——从可塑状态转变为半固体状态的界限含水率,也就是可塑状态的下限含水率;缩限(Ws)——从半固体状态转变为固体状态的界限含水率,亦即粘性土随着含水率的减小而体积开始不变时的含水率。第3章土的渗透性及渗流3.1土的渗透性水在土中的渗流是由水头差或水力梯度引起的。水头的定义为:式中:h为总水头,v为流速,u水压(kPa),z为基准面高程水在土中渗流时,速度很慢,由速度引起的水头项可以忽略。gvuzhw22wuhz3.2渗透试验与达西定律3.2.1达西定律(渗透定律)vki在层流状态的渗流中,渗透速度v与水力坡降i的一次方成正比,并与土的性质有关。k:反映土的透水性能的比例系数,称为渗透系数单位:mm/s,cm/s,m/s,m/day适用条件:层流(线性流)岩土工程中的绝大多数渗流问题,包括砂土或一般粘土,均属层流范围(1)粗粒土:①砾石类土中的渗流常不符合达西定律②砂土中渗透速度vcr=0.3-0.5cm/sivoi0两种特例:(2)粘性土:致密的粘土ii0,v=k(i-i0)ivovcr(1)mvkim3.2.2渗透系数的测定及影响因素室内试验测定方法野外试验测定方法常水头试验法变水头试验法井孔抽水试验井孔注水试验1.测定方法适用透水性较大的砂性土适适用透水性较小的粘性土H1H2H3HΔhk1k2k3xzq1xq3xq2xL1122不透水层(1)水平渗流条件:mhiiLxmxqqmHH层状地基的等效渗透系数等效渗透系数:qx=vxH=kxiHΣqmx=ΣkmimHmxmmmm1kHkHHkH层状地基的等效渗透系数(2)竖直渗流H1H2H3HΔhk1k2k3xzv承压水条件:mvvmhhmHH等效渗透系数:mmmvHhkzkvHhmzmvHvHkkmmmmhvkHmzmH11kHkzmmHkHk算例day/m100k,m0.1Hday/m1k,m0.1Hday/m01.0k,m0.1H332211按层厚加权平均,由较大值控制倒数按层厚加权平均,由较小值控制day/m67.33HHkkiixday/m03.0kHHkiiz3.4渗透力与渗透变形一渗透力的性质物理意义:单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力,它是体积力j=γwi大小:方向:与i方向一致(均质土与渗流方向一致)作用对象:土骨架渗透力与浮力有何区别?基本类型二.渗透变形(渗透破坏)流土管涌土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏形成条件防治措施1.流土流土在向上的渗透作用下,表层局部土体颗粒同时发生悬浮移动的现象粘性土k1k2砂性土k2坝体渗流crii0JW原因:iicr:土体处于稳定状态i=icr:土体处于临界状态iicr:土体发生流土破坏在渗流作用下,一定级配的无粘性土中的细小颗粒,通过较大颗粒所形成的孔隙发生移动,最终在土中形成与地表贯通的管道。2.管涌管涌原因:内因——有足够多的粗颗粒形成大于细粒径的孔隙通道外因——渗透力足够大管涌管涌破坏流土与管涌的比较流土土体局部范围的颗粒同时发生移动管涌
本文标题:土力学基本知识
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