土力學(xué)完整教案04-第四講

1、土 力 學(xué)主講人：張向東主講人：張向東遼 寧 省 精 品 資 源 共 享 課土力學(xué)土力學(xué)v 課課 次次：第：第4次次v 主要內(nèi)容主要內(nèi)容：土的生成；土的特性；土的三相組成。：土的生成；土的特性；土的三相組成。 v 重點(diǎn)內(nèi)容重點(diǎn)內(nèi)容：土的三相組成。：土的三相組成。v 教學(xué)參考書教學(xué)參考書：張向東主編：張向東主編.土力學(xué)土力學(xué).北京：人民交通出版社，北京：人民交通出版社，20112.1 土的生成與特性土的生成與特性一、土的生成一、土的生成第二章第二章 土的物理性質(zhì)與工程分類土的物理性質(zhì)與工程分類 在地殼變動(dòng)的億萬在地殼變動(dòng)的億萬年歷史長(zhǎng)河中，巖石和年歷史長(zhǎng)河中，巖石和土可能交替地反復(fù)形成，土可能交

2、替地反復(fù)形成，周期性的集合和破碎。周期性的集合和破碎。二二、土的特性土的特性v 在土力學(xué)中，將土作為一種工程材料來研究。在土力學(xué)中，將土作為一種工程材料來研究。v 與其它材料相比，土有如下特性：與其它材料相比，土有如下特性： （1）散體性）散體性（壓縮性大、強(qiáng)度低、透水性大）；（壓縮性大、強(qiáng)度低、透水性大）； （2）多相性）多相性（復(fù)雜性）；（復(fù)雜性）； （3）成層性）成層性（各向異性）；（各向異性）； （4）變異性）變異性（易變性）。（易變性）。2.2 土的三相組成土的三相組成n不同地區(qū)的土體，其三相構(gòu)成的比例是不同的；不同地區(qū)的土體，其三相構(gòu)成的比例是不同的；n即便同一地點(diǎn)的土體，其三相組

3、成也隨環(huán)境的變化而變化，如天氣的即便同一地點(diǎn)的土體，其三相組成也隨環(huán)境的變化而變化，如天氣的晴雨、季節(jié)的變化、溫度的高低、地下水位的升降等，都會(huì)引起土體晴雨、季節(jié)的變化、溫度的高低、地下水位的升降等，都會(huì)引起土體三相比例的變化。三相比例的變化。v 若土中孔隙全部被水充滿時(shí)為若土中孔隙全部被水充滿時(shí)為飽和土飽和土；v 孔隙全部被氣體充孔隙全部被氣體充 滿時(shí)稱為滿時(shí)稱為干土干土；v 土中孔隙同時(shí)有水和氣體存在時(shí)為土中孔隙同時(shí)有水和氣體存在時(shí)為非飽和土；非飽和土；v 土體的三相比例不同，土的狀態(tài)和工程性質(zhì)也不相同，甚至出現(xiàn)明顯土體的三相比例不同，土的狀態(tài)和工程性質(zhì)也不相同，甚至出現(xiàn)明顯差別；差別；v

4、 土的三相對(duì)其物理力學(xué)性質(zhì)有重大影響，下面首先講土的土的三相對(duì)其物理力學(xué)性質(zhì)有重大影響，下面首先講土的三相組成三相組成。1土粒的劃分土粒的劃分v 在自然界中存在各種土，其顆粒有大小是不同的；在自然界中存在各種土，其顆粒有大小是不同的；v 由由110-6mm的極細(xì)粘土顆粒，一直變化到幾米大小的巖的極細(xì)粘土顆粒，一直變化到幾米大小的巖石碎塊石碎塊 ；v 最終反映在土的物理力學(xué)性質(zhì)上出現(xiàn)明顯的差別；最終反映在土的物理力學(xué)性質(zhì)上出現(xiàn)明顯的差別；v 即便土的礦物成份相同，但當(dāng)其顆粒大小不同時(shí)，土的物即便土的礦物成份相同，但當(dāng)其顆粒大小不同時(shí)，土的物理性質(zhì)也明顯不同。比如，當(dāng)土粒變細(xì)時(shí)，可由理性質(zhì)也明顯不

5、同。比如，當(dāng)土粒變細(xì)時(shí)，可由無粘性無粘性變變?yōu)闉橛姓承杂姓承裕淇箟簭?qiáng)度下降，壓縮性提高。，其抗壓強(qiáng)度下降，壓縮性提高。一、土的固體顆粒一、土的固體顆粒v下面介紹幾個(gè)概念：下面介紹幾個(gè)概念：(1)粒度粒度：土粒的大小稱為：土粒的大小稱為粒度粒度。(2)粒組粒組：在工程上常把大小相近的土粒合并為一組，稱為：在工程上常把大小相近的土粒合并為一組，稱為粒組粒組。u顆粒間的分界線是人為確定的；顆粒間的分界線是人為確定的；u對(duì)粒組的劃分，各個(gè)國家，甚至一個(gè)國家各個(gè)部門都有不同的規(guī)定；對(duì)粒組的劃分，各個(gè)國家，甚至一個(gè)國家各個(gè)部門都有不同的規(guī)定；u表表1-1為為建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB

6、50007-2002）的劃分）的劃分標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)。u表表1-2為水電部（為水電部（SL237-1999SL237-1999）的劃分標(biāo)準(zhǔn)。的劃分標(biāo)準(zhǔn)。粒組統(tǒng)稱粒組統(tǒng)稱粒粒 組組 名名 稱稱粒徑范圍粒徑范圍mm巨粒組巨粒組漂石或塊石顆粒漂石或塊石顆粒200卵石或碎石顆粒卵石或碎石顆粒20020粗粒組粗粒組圓礫或角礫顆粒圓礫或角礫顆粒粗粗2010中中105細(xì)細(xì)52砂粒砂粒粗粗20.5中中0.50.25細(xì)細(xì)0.250.1極細(xì)極細(xì)0.10.075細(xì)粒組細(xì)粒組粉粒粉粒粗粗0.0750.01細(xì)細(xì)0.010.005粘粒粘粒0.005表表1-1 建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50007-2002）

7、的劃分標(biāo)準(zhǔn)）的劃分標(biāo)準(zhǔn) 粒組統(tǒng)稱粒組統(tǒng)稱粒粒 組組 名名 稱稱粒徑范圍粒徑范圍mm巨粒組巨粒組漂石或塊石顆粒漂石或塊石顆粒200卵石或碎石顆粒卵石或碎石顆粒20060粗粒組粗粒組圓礫或角礫顆粒圓礫或角礫顆粒粗粗6020中中205細(xì)細(xì)52砂粒砂粒粗粗20.5中中0.50.25細(xì)細(xì)0.250.075細(xì)粒組細(xì)粒組粉粒粉粒0.0750.005粘粒粘粒0.005表表1-2 水電部（水電部（SL237-1999）的劃分標(biāo)準(zhǔn)）的劃分標(biāo)準(zhǔn) (3)粒度成份粒度成份：是指土中各種不同粒組的相對(duì)含量，以干土：是指土中各種不同粒組的相對(duì)含量，以干土重量的百分比表示。重量的百分比表示。2.粒度成份分析法粒度成份分析法l

8、粒度成份分析的目的是：確定各粒組顆粒的相對(duì)含量；粒度成份分析的目的是：確定各粒組顆粒的相對(duì)含量；l對(duì)于顆粒大于對(duì)于顆粒大于0.075mm 0.075mm 的土，可用的土，可用“篩分法篩分法”；l對(duì)于顆粒小于對(duì)于顆粒小于0.075mm 0.075mm 的土，可用的土，可用“沉降分析法沉降分析法”。 (1)篩分法篩分法 拿一套孔徑不同的標(biāo)準(zhǔn)篩，其孔徑拿一套孔徑不同的標(biāo)準(zhǔn)篩，其孔徑分別為分別為200200、6060、2020、1010、5 5、2 2、1 1、0.50.5、0.250.25、0.10.1、0.075mm0.075mm，按孔徑大，按孔徑大小自上而下迭放著，并放上底盤。小自上而下迭放著，

9、并放上底盤。u篩分前，先將土樣烘干，使之松散，稱取土樣總重量；篩分前，先將土樣烘干，使之松散，稱取土樣總重量；u然后將土樣倒入最上面的一只篩中，經(jīng)過振動(dòng)，各個(gè)篩及底盤中均留有然后將土樣倒入最上面的一只篩中，經(jīng)過振動(dòng)，各個(gè)篩及底盤中均留有或多或少的土樣，稱取留在各個(gè)篩孔上的土重，除以土樣總重，可得各粒或多或少的土樣，稱取留在各個(gè)篩孔上的土重，除以土樣總重，可得各粒組土粒的相對(duì)含量。組土粒的相對(duì)含量。（2）沉降分析法沉降分析法l 比重計(jì)法；比重計(jì)法；l 移液管法。移液管法。3、粒度成份表示方法、粒度成份表示方法（1）表格法）表格法粒組（粒組（mmmm）粒度成分（粒度成分（% %） 粒徑粒徑d di

10、 i（mmmm）粒徑粒徑d di i的累計(jì)百分含量（的累計(jì)百分含量（% %）10105 510105 52 21.11.15 5100.0100.02 21 16.06.02 298.998.91 10.50.516.416.41 192.992.90.50.50.250.2541.541.50.50.576.576.50.250.250.10.126.026.00.250.2535350 00.10.10.0750.0759.09.00.10.19.09.0 0.0750.075（2）累計(jì)曲線法）累計(jì)曲線法v 由累計(jì)曲線可以大致判斷級(jí)配情況和均勻程度。由累計(jì)曲線可以大致判斷級(jí)配情況和均勻程度

11、。v 曲線越陡，說明土粒大小相差不多，土粒較均勻，級(jí)配差；反之，曲線越平曲線越陡，說明土粒大小相差不多，土粒較均勻，級(jí)配差；反之，曲線越平緩，表示土粒大小相差懸殊，土粒不均勻，級(jí)配良好。緩，表示土粒大小相差懸殊，土粒不均勻，級(jí)配良好。v 根據(jù)累計(jì)曲線的坡度，只能粗略了解土粒級(jí)配的好壞，但要科學(xué)的評(píng)價(jià)土顆根據(jù)累計(jì)曲線的坡度，只能粗略了解土粒級(jí)配的好壞，但要科學(xué)的評(píng)價(jià)土顆粒級(jí)配情況，要有定量指標(biāo)。粒級(jí)配情況，要有定量指標(biāo)。v首先介紹幾個(gè)概念：首先介紹幾個(gè)概念： 有效粒徑有效粒徑d10：小于某粒徑的土相對(duì)含量為小于某粒徑的土相對(duì)含量為10時(shí)，相應(yīng)的粒徑稱為有效粒徑。時(shí)，相應(yīng)的粒徑稱為有效粒徑。 限制

12、粒徑限制粒徑d60：小于某粒徑的土的相對(duì)含量為小于某粒徑的土的相對(duì)含量為60時(shí)，相應(yīng)的粒徑為限制粒徑。時(shí)，相應(yīng)的粒徑為限制粒徑。 不均勻系數(shù)不均勻系數(shù): 曲率系數(shù)曲率系數(shù)(或稱級(jí)配系數(shù)或稱級(jí)配系數(shù))：CC =1060uddC6010230.ddd評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)： 當(dāng)當(dāng) Cu 10時(shí)，稱為級(jí)配良好的土；時(shí)，稱為級(jí)配良好的土； 當(dāng)當(dāng) Cu = 510且且Cc = 13時(shí)，土級(jí)配良好；否則不好。時(shí)，土級(jí)配良好；否則不好。土中水有不同形態(tài)土中水有不同形態(tài)：l 固態(tài)的冰；固態(tài)的冰；l 氣態(tài)的水蒸汽；氣態(tài)的水蒸汽；l 液態(tài)的水；液態(tài)的水；l 礦物顆粒晶格上的結(jié)晶水。礦物顆粒晶格上的結(jié)晶水。 二、土中水

13、二、土中水 土粒表面一般帶有土粒表面一般帶有負(fù)電荷，圍繞土粒負(fù)電荷，圍繞土粒形成電場(chǎng)，由于水形成電場(chǎng)，由于水分子是極性分子，分子是極性分子，在電場(chǎng)作用下將定在電場(chǎng)作用下將定向排列。土粒與水向排列。土粒與水分子的吸引力稱為分子的吸引力稱為電分子引力（靜電電分子引力（靜電引力），電分子引引力），電分子引力隨距土粒距離而力隨距土粒距離而減小。減小。1. 土粒與水的相互作用土粒與水的相互作用v 在靠近土粒表面處，在靠近土粒表面處，電分子引力最強(qiáng)，把電分子引力最強(qiáng)，把水分子牢固地吸附在水分子牢固地吸附在顆粒表面而形成顆粒表面而形成吸附吸附層（固定層）層（固定層）。v 在吸附層外，靜電引在吸附層外，靜電引

14、力比較小，水分子的力比較小，水分子的活動(dòng)性要比吸附層大活動(dòng)性要比吸附層大一些，形成一些，形成擴(kuò)散層擴(kuò)散層。v 在擴(kuò)散層之外，水分在擴(kuò)散層之外，水分子幾乎不受靜電引力子幾乎不受靜電引力作用，其排列是雜亂作用，其排列是雜亂無章的（自由水）。無章的（自由水）。v 吸附層和擴(kuò)散層與土吸附層和擴(kuò)散層與土粒表面負(fù)電荷統(tǒng)稱為粒表面負(fù)電荷統(tǒng)稱為雙電層雙電層。2. 土中水的分類土中水的分類重力水毛細(xì)水自由水弱結(jié)合水（薄膜水）強(qiáng)結(jié)合水（吸著水）結(jié)合水土中水（1）結(jié)合水）結(jié)合水u是被土顆粒表面電分子引力吸附著的一層較薄的水，即是被土顆粒表面電分子引力吸附著的一層較薄的水，即位于位于雙電層雙電層中的水。中的水。u結(jié)合

15、水的密度、粘度均比一般水高，冰點(diǎn)低于結(jié)合水的密度、粘度均比一般水高，冰點(diǎn)低于00C，最低，最低可達(dá)零下幾十度，對(duì)土的工程性質(zhì)影響極大?？蛇_(dá)零下幾十度，對(duì)土的工程性質(zhì)影響極大。u按電分子引力的強(qiáng)弱，結(jié)合水分為按電分子引力的強(qiáng)弱，結(jié)合水分為強(qiáng)結(jié)合水強(qiáng)結(jié)合水和和弱結(jié)合水弱結(jié)合水。強(qiáng)結(jié)合水（吸著水）：強(qiáng)結(jié)合水（吸著水）：靠近土粒表面吸附層中的水?？拷亮１砻嫖綄又械乃?。其特征：其特征： 電分子引力最大，可達(dá)電分子引力最大，可達(dá)1000個(gè)大氣壓；個(gè)大氣壓； 厚度為幾個(gè)水分子厚；厚度為幾個(gè)水分子厚； 冰點(diǎn)很低，最低為冰點(diǎn)很低，最低為-78C，不凍結(jié)；，不凍結(jié)； 不能自由流動(dòng)，在不能自由流動(dòng)，在105C

16、時(shí)才能蒸發(fā)；時(shí)才能蒸發(fā)； 性質(zhì)接近固體，不能傳遞靜水壓力，具有極大的粘滯性、彈性和抗性質(zhì)接近固體，不能傳遞靜水壓力，具有極大的粘滯性、彈性和抗剪強(qiáng)度。剪強(qiáng)度。弱結(jié)合水（薄膜水）：弱結(jié)合水（薄膜水）：處于擴(kuò)散層中的水。處于擴(kuò)散層中的水。其特征：其特征：p 受電分子引力較小，呈粘滯狀態(tài)，厚度稍大些；受電分子引力較小，呈粘滯狀態(tài)，厚度稍大些；p 不能自由流動(dòng)，不能傳遞靜水壓力；不能自由流動(dòng)，不能傳遞靜水壓力；p 有從厚水膜向薄水膜移動(dòng)的特性。有從厚水膜向薄水膜移動(dòng)的特性。 隨著與土粒表面的距離增大，電分子引力逐漸減少，弱結(jié)合水逐隨著與土粒表面的距離增大，電分子引力逐漸減少，弱結(jié)合水逐漸過渡為自由水。

17、漸過渡為自由水。（2）自由水）自由水 電場(chǎng)影響范圍以外，服從重力規(guī)律的土孔隙電場(chǎng)影響范圍以外，服從重力規(guī)律的土孔隙 中的水，中的水，稱為自由水。稱為自由水。 其特征：其特征：l 無抗剪強(qiáng)度，能傳遞靜水壓力；無抗剪強(qiáng)度，能傳遞靜水壓力；l 在重力作用下在土孔隙中可由高處向低處流動(dòng)；在重力作用下在土孔隙中可由高處向低處流動(dòng)；l 具有溶巖能力。具有溶巖能力。 自由水可分為重力水自由水可分為重力水和毛細(xì)水。和毛細(xì)水。 重力水：重力水：地下地下水位線以下土孔隙中水位線以下土孔隙中的自由水。的自由水。 毛細(xì)水：毛細(xì)水：受到受到表面張力作用而存在表面張力作用而存在于地下水位以上土孔于地下水位以上土孔隙中的自由水。隙中的自由水。 土中孔隙中沒有被水占據(jù)的部分都是氣體土中孔隙中沒有被水占據(jù)的部分都是氣體，可分為，可分為自自由氣體由氣體和和封閉氣泡封閉氣泡：1、自由氣體、自由氣體n 是指與大氣連通的土孔隙中的氣體。是指與大氣連通的土孔隙中的氣體。n 在土受壓縮時(shí)逸出，對(duì)工程無影響。在土受壓縮時(shí)逸出，對(duì)工程無影響。n 這種含氣體的土稱為非飽和土。這種含氣體的土稱為非飽和土。三、土中氣體三、土中氣體 2、封閉氣泡、封閉氣泡v 指與大氣隔，存在于粘性土層中的氣體。指與大氣隔，存在于粘性土層中的氣體。v 土中氣泡多時(shí)增加了土的壓縮性，但同時(shí)減少了土的滲透