考研土力學重點1

1、緒 論l 土力學是研究土的物理性質(zhì)以及在荷載作用下土體內(nèi)部的應力變形和強度規(guī)律的一門學科。l 土力學研究對象是土l 需要研究和解決的工程中的三大類問題：l 土體穩(wěn)定或強度問題；l 土體變形問題；滲流：滲透變形與滲透穩(wěn)定。第一章 土的物理性質(zhì)指標與工程分類1-1 土的形成土是松散顆粒的堆積物，是巖石風化的產(chǎn)物（人工破碎;堆石壩的壩殼料；相當于物理風化）。土是指覆蓋在地表的沒有膠結或弱膠結的顆粒堆積物根據(jù)來源分：有機土和無機土巖石風化分為物理風化和化學風化。物理風化：巖石經(jīng)受風、霜、雨、雪的侵蝕，或受波浪的沖擊、地震等引起各種力的作用，溫度的變化、凍脹等因素使整體巖石產(chǎn)生裂隙、崩解碎裂成巖塊、巖屑

2、的過程。第一章 土的物理性質(zhì)指標與工程分類1-1 土的形成化學風化：巖體（或巖塊、巖屑）與氧氣、二氧化碳等各種氣體、水和各種水溶液等物質(zhì)相接觸，經(jīng)氧化、碳化和水化作用，使這些巖石或巖屑逐漸產(chǎn)生化學變化，分解為極細顆粒的過程。l 特征：l 物理風化：量變過程，形成的土顆粒較粗；化學風化：質(zhì)變過程，形成的土顆粒很細。對一般的土而言，通常既經(jīng)歷過物理風化，又有化學風化，只不過哪種占優(yōu)而已。土從其堆積或沉積的條件來看可分為：殘積土：巖石風化后仍留在原地的堆積物。特點：濕熱地帶，粘土，深厚，松軟，易變； 寒冷地帶，巖塊或砂，物理風化，穩(wěn)定。運積土：巖石風化后經(jīng)流水、風和冰川以及人類活動等搬運離開生成地點

3、后再沉積下來的 堆積物:又分為沖積土、風積土、冰磧土和沼澤土等。 沖積土：由水流沖積而成；顆粒分選、渾圓光滑 風積土：由風力帶動土粒經(jīng)過一段搬運距離后沉積下來的堆積物；沒有層理、細砂或粉粒；黃土 冰磧土：由冰川剝落、搬運形成的堆積物；不成層、從漂石到粘粒 沼澤土：在沼澤地的沉積物；含有機質(zhì)、壓縮性高、強度低1-2 土的組成土是固體顆粒、水和空氣的混合物，常稱土為三相系。 固相：土的顆粒、粒間膠結物； 液相：土體孔隙中的水； 氣相：孔隙中的空氣。當土骨架的孔隙全部被水占滿時，這種土稱為飽和土；當土骨架的孔隙僅含空氣時，就成為干土；一般在地下水位以上地面以下一定深度內(nèi)的土的孔隙中兼含空氣和水，此時

4、的土體屬三相系，稱為濕土。根據(jù)土的粘性分：粘性土：顆粒很細； 無粘性土：顆粒較粗，甚至很大。砂、碎石、甚至堆石（直徑幾十cm甚至1m）一、土的固相（一）成土礦物原生礦物：由物理風化生成的土粒；顆粒較粗，一般為無粘性土；石英、長石、云母等；圓形、板狀、塊狀；吸水力弱、穩(wěn)定、無塑性；砂多為石英。次生礦物：由原生礦物經(jīng)化學風化作用而形成的礦物。顆粒較細，一般為粘土礦物，形成粘性土。高嶺石、伊利石、蒙脫石；片狀、極細；吸水力強、活潑、有塑性。（二）粘土礦物的晶體結構粘土礦物：由各種硅酸鹽礦物分解形成的水鋁硅酸鹽礦物。其結構可分為晶體和非晶體，以晶體礦物為主。硅片：基本單元是硅氧四面體，底面每個氧離子為

5、2個相鄰單元的硅原子共有組成六邊形孔硅片；鋁片：鋁（鎂）氫氧（氧）八面體，每個氫氧離子為2個相鄰單元的鋁原子共有組成鋁片；（二）粘土礦物的晶體結構粘土礦物：高嶺石：長石風化產(chǎn)物，1：1型晶格，一個硅片一個鋁片一個晶層，晶層靠氫鍵連接，一個顆粒多達近百個晶層。伊利石：云母在堿性介質(zhì)中風化產(chǎn)物， 2：1型晶格，二個硅片一個鋁片一個晶層，晶層靠鉀離子連接，比較穩(wěn)定，但不如氫鍵；蒙脫石：伊利石進一步風化， 2：1型晶格，晶層沒有鉀離子連接，而是有水分子進入；（三）土粒的大小和土的級配粒組：把工程性質(zhì)相近的土粒合并為一組；某粒組的土粒含量定義為該粒組的土粒質(zhì)量與干土總質(zhì)量之比。土的級配：土中各種大小的粒

6、組中土粒的相對含量。（四）顆粒大小分析試驗測定土中各粒組顆粒質(zhì)量所占該土總質(zhì)量的百分數(shù)，確定粒徑分布范圍的試驗稱為土的顆粒大小分析試驗。常用的方法：篩分法：粒徑>0.075mm 密度計法：粒徑<0.075mm 聯(lián)合測定：既有粒徑>0.075mm，又有粒徑>0.075mm 1.篩分法利用一套孔徑由大到小的篩子，將按規(guī)定方法取得的一定質(zhì)量的干試樣放入一次疊好的篩中，置振篩機上充分振搖后，稱出留在各級篩上的土粒的質(zhì)量，按下式計算出小于某土粒粒徑的土粒含量百分數(shù)X（）式中：mi，m分別為小于某粒徑的土粒質(zhì)量及試樣總質(zhì)量2.密度計法利用不同大小的土粒在水中的沉降速度不同來確定小于

7、某粒徑的土粒含量的方法。通過密度計測定土水懸濁液的密度來確定。3.土的級配曲線（1）粒徑分布曲線（2）粒組頻率曲線粒徑分布曲線土的級配的好壞可由土中的土粒均勻程度和粒徑分布曲線的形狀來決定，而土粒的均勻程度和曲線的形狀又可用不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)來衡量。Cu小，曲線陡；Cu大，易壓密；Cc過大，臺階在d10d30間； Cc過小，臺階在d30d60間；土的級配的連續(xù)性也可用粒組頻率曲線來反映。雙峰，谷點<3，不連續(xù)；規(guī)范：純凈礫、砂，Cu>=5，且Cc=13時，級配良好，否則，不良。二、土的液相（一）吸著水由土顆粒表面電分子力吸附在土粒表面的一層水。吸著水可分為強吸著水和弱吸著水。l

8、二、土的液相l(xiāng) （一）吸著水l 大多數(shù)粘粒表面帶有凈的負電荷:l 原子替代;吸著水形成原因:土粒表面的負電荷,陽離子,氫鍵。 強吸著水性質(zhì)接近于固體，冰點很低，沸點較高，且不能傳遞壓力。 弱吸著水也稱為薄膜水，不能傳遞壓力，也不能在孔隙水中自由流動，但它可以因電場引力的作用從水膜厚的地方向水膜薄的地方轉(zhuǎn)移。由于它的存在，使土具有塑性、粘性、影響土的壓縮性和強度，并使土的透水性變小。吸著水厚度影響因素：成土礦物；陽離子濃度及化學性質(zhì)(陽離子價低,厚; 陽離子濃度高,薄)。(二）自由水離開土顆粒表面較遠，不受土顆粒電分子引力作用，且可自由移動?的水稱為自由水。（分為毛細管水和重力水）1.毛細管水土

9、中存在許多大小不同的相互連通的彎曲孔道，由于水分子與土粒分子之間的附著力和水氣界面上的表面張力，于是，將引起迫使相鄰土粒相互積緊的壓力，這個壓力稱為毛管水壓力。在潮濕的粉、細砂中孔隙水僅存在于土粒接觸點周圍，彼此是不連續(xù)的。這時，由于空襲中的氣與大氣連通，因此，孔隙中的壓力亦將小于大氣壓力。由毛管水壓力引起的摩擦阻力猶如給予砂土以某些粘聚力，以致在潮濕的砂土中能開挖一定高度的直立坑壁。但一旦砂土被水浸飽和，則彎液面消失，毛管水壓力變?yōu)榱悖@種粘聚力液就不再存在。把這種粘聚力稱為假粘聚力。2.重力水在重力或水位差作用下能在土中流動的自由水稱微重力水。具有溶解能力，能傳遞靜水和動水壓力，對土顆粒有

10、浮力作用。當它在土孔隙中流動時，對所流經(jīng)的土體施加滲流力（亦稱動水壓力、滲透力），計算中應考慮其影響。三、土的氣相存在土中的氣體分為兩種基本類型：一種是與大氣連通的氣體；另一種是與大氣不連通的以氣泡形式存在的封閉氣體。1-3 土的結構一、土粒間的相互作用當粘粒在溶液中沉淀時，粒間引力主要是范得華力（分子鍵），還有吸著水層中異性電荷引起的靜電引力。引力:范得華力總是在極性顆粒之間產(chǎn)生引力，但它是一種短程力，約隨粒間間距得六次方遞減，而與溶液的性質(zhì)無關。理性質(zhì)指標與工程分類1-3 土的結構一、土粒間的相互作用斥力:在兩個土?；ハ嗫拷诡w粒表面吸著水層相搭接時，吸著水層中的陽離子不足以平衡土粒上得

11、凈負電荷就發(fā)生粒間斥力。大小取決于溶液的性質(zhì)，并隨粒間間距得指數(shù)函數(shù)遞減。二、土的結構（一）單粒結構（二）蜂窩狀結構（三）絮狀結構 角、邊與面接觸時凈引力最大，因此絮狀結構的特征是土粒之間以角、邊與面的接觸或邊與邊的搭接形式為主。這種結構的土粒呈任意排列，具有較大的孔隙，其強度低，壓縮性高，對擾動比較敏感。1-4 土的物理性質(zhì)指標可分為兩類：一類是必須通過試驗測定的，如含水率、密度和土粒比重，稱為直接指標；另一類是根據(jù)直接指標換算的，如孔隙比、孔隙率、飽和度等，稱為間接指標。1-4 土的物理性質(zhì)指標一、試驗直接測定的物理性質(zhì)指標（一）土的密度與重度土的密度定義為單位體積土的質(zhì)量，用表示，單位為

12、Mg/m3(或g/cm3)。表達式如下：對于粘性土，土的密度常用環(huán)刀法測定。土的重度亦稱為容重，定義為單位體積土的重量，用表示，單位為kN/m3。表達式如下：式中：W土的重量，單位為kN； g重力加速度。（二）土粒比重Gs土粒比重定義為土粒的質(zhì)量（或重量）與同體積4時純水的質(zhì)量（或重量）之比（無因次），其表達式為： 式中：s土粒的密度，即土粒單位體積的質(zhì)量；（w）44時純水的密度，1g/cm3（w）44時純水的重度。土粒比重常用比重瓶法測定，事先將比重瓶注滿純水，稱瓶加水的質(zhì)量。然后把烘干土若干克裝入該空比重瓶內(nèi)，再加純水至滿，稱瓶加土加水的質(zhì)量，按下式計算土粒比重：式中：m1瓶加水的質(zhì)量；

13、m2瓶加土加水的質(zhì)量； ms烘干土的質(zhì)量。（三）土的含水率w土的含水率，曾稱為含水量，定義為土中水的質(zhì)量與土粒的質(zhì)量之比，以百分數(shù)表示，其表達式為：測定含水率常用的方法是烘干法，先稱出天然土的質(zhì)量，然后放在烘箱中，在100105常溫下烘干，稱得干土質(zhì)量，按上式可算得。二、間接換算得物理性質(zhì)指標（一）土的孔隙比e定義：土中孔隙的體積與土粒的體積之比，以小數(shù)表示，其表達式為：（二）土的孔隙率n定義：土中孔隙的體積與土的總體積之比，或單位體積內(nèi)孔隙的體積，以百分數(shù)表示，其表達式為： （三）土的飽和度Sr定義：土中孔隙水的體積與孔隙體積之比，以百分數(shù)表示，其表達式為：（四）干密度d與干重度d土的干密度

14、：單位體積內(nèi)土粒的質(zhì)量，表達式：土的干重度：單位體積內(nèi)土粒的重量，表達式為：土烘干，體積要減小，因而，土的干密度不等于烘干土的密度。土的干密度或干重度也是評定土密實程度的指標，干密度或干重度愈大表明土愈密實，反之愈疏松。（五）飽和密度sat與飽和重度sat飽和密度定義：土中孔隙完全被水充滿土處于飽和狀態(tài)時單位體積土的質(zhì)量。表達式為：在飽和狀態(tài)下，單位體積土的重量稱為飽和重度，其表達式為：六）浮密度與浮重度（有效重度） 土在水下，受到水的浮力作用，其有效重量減小，因此提出了浮重度，即有效重度的概念，其表達式為：與其相應，提出了浮密度的概念，土的浮密度是單位體積內(nèi)的土粒質(zhì)量與同體積水質(zhì)量之差，其表

15、達式為：從上述四種土的密度或重度的定義可知，同一土樣各種密度或重度在數(shù)值上有如下關系：三、物理性質(zhì)指標間的換算【例題13】某一塊試樣在天然狀態(tài)下的體積為60cm3，稱得其質(zhì)量為108g，將其烘干后稱得質(zhì)量為96.43g，根據(jù)試驗得到的土粒比重Gs為2.7，試求試樣的濕密度、干密度、飽和密度、含水率、孔隙比、孔隙率和飽和度?！窘狻浚?）已知V60cm3，m=108g，則由式（14）得 =m v=180 60=1.8g/cm3（2）已知ms=96.43g，則 mw=mms=10896.43=11.57g按式（19），于是 w= mw ms11.5796.43=12%（3）已知Gs=2.7，則 Vs

16、= ms s=96.43 2.735.7cm3 Vv=VVs=6035.724.3cm3按式（110），于是 e= Vv Vs24.3 35.7=0.68（4）按式（111） n= Vv V24.3 60=40.5（5）根據(jù)w的定義 Vw = mw w=11.57 111.57cm3 于是按式（112） St= Vw Vv=11.57 24.3481-5 無粘性土得相對密實度、 粘性土得稠度及土的壓實性一、無粘性土的相對密實度常用相對密實度Dr來衡量無粘性土的松緊程度，其定義為式中：Dr相對密實度； emax無粘性土處在最松狀態(tài)時的孔隙比； emin無粘性土處在最密狀態(tài)時的孔隙比； e0無粘性

17、土得天然孔隙比或填筑孔隙比。按式（123）可得相對密實度得使用表達式 式中：dmax無粘性土的最大干密度； dmin無粘性土的最小干密度； d無粘性土的天然干密度或填筑干密度。將風干的無粘性土試樣用漏斗法測定其最小干密度，用振擊法測定其最大干密度。在工程上，用相對密實度Dr劃分無粘性土的狀態(tài)如下： 0Dr1/3 疏松的 1/3Dr2/3 中密的 2/3Dr1 密實的二、粘性土的稠度（一）粘性土的稠度狀態(tài)稠度指粘性土的干濕程度或在某一含水率下抵抗外力作用而變形或破壞的能力，是粘性土最主要的物理狀態(tài)指標。流動、軟、可塑、硬等描述四種狀態(tài)可塑性：土在外力作用下可改變形狀但不顯著改變其體積也不開裂，外

18、力卸除厚仍能保持已有的形狀。 （二）界限含水率及其測定1.界限含水率粘性土從一種狀態(tài)過渡到另一種狀態(tài)，可用某一界限含水率來區(qū)分，這種界限含水率稱為稠度界限或阿太堡界限。液限（WL）從流動狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭伤軤顟B(tài)的界限含水率，也就是可塑狀態(tài)的上限含水率；塑限（Wp）從可塑狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榘牍腆w狀態(tài)的界限含水率，也就是可塑狀態(tài)的下限含水率；縮限（Ws）從半固體狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w狀態(tài)的界限含水率，亦即粘性土隨著含水率的減小而體積開始不變時的含水率。2.液、塑限的測定測定塑限的方法：搓滾法和液、塑限聯(lián)合測定法。測定液限的方法：碟式儀法和液、塑限聯(lián)合測定法。液、塑限聯(lián)合測定法：塑限5秒入土2mm時的含水率 10mm液限

19、 5秒入土10mm時的含水率 17mm液限 5秒入土17mm時的含水率2.液、塑限的測定測定塑限的方法：搓滾法和液、塑限聯(lián)合測定法。測定液限的方法：碟式儀法和液、塑限聯(lián)合測定法。25擊合攏長度13mm時含水率為液限。幻燈片62第一章 土的物理性質(zhì)指標與工程分類土的縮限用收縮皿法測定，把土料的含水率調(diào)制到大于土的液限，然后將試樣分層填入收縮皿中，刮平表面，烘干，測出干試樣的體積并稱量準確至0.1g后，按下式計算： 式中：ws土的縮限（） w制備時的含水率（）V1濕試樣的體積（cm3） ，V2干試樣的體積（cm3）（三）塑性指數(shù)和液性指數(shù)1.塑性指數(shù)塑性指數(shù)：液限和塑限之差的百分數(shù)值（去掉百分號）

20、。用Ip表示，取整數(shù)，即：塑性指數(shù)越高，吸著水含量可能高，土的粘粒含量越高。2.液性指數(shù)粘性土的狀態(tài)可用液性指數(shù)來判別。定義為：式中：IL液性指數(shù)，以小數(shù)表示； w土的天然含水率。液性指數(shù)表征了土的天然含水率與界限含水率之間的相對關系，表達了天然土所處的狀態(tài)。當wwp時，IL0，土處于堅硬狀態(tài)；wpwwL時，0IL1.0，土處于可塑狀態(tài)；wLw時，IL1.0，土處于流動狀態(tài)。三、土的壓實性土的壓實性：指在一定的含水率下，以人工或機械的方法，使土能夠壓實到某種密實度的性質(zhì)。填土的密實程度常以干密度表示擊實試驗 土工試驗方法標準（國家標準）輕型：d<5mm； V=947cm3, m=2.5k

21、g, 3層 25擊， 落高30.5cm重型： d<40mm； V=2104cm3, m=4.5kg, 5層 56擊， 落高47.7cm三、土的壓實性土的壓實性影響因素：（一）含水率的影響最大干密度（對于與某N），最優(yōu)含水率wop三、土的壓實性土的壓實性影響因素：（二）擊實功能的影響 1、土料的最大干密度和最優(yōu)含水率不是常數(shù)。 2、當含水率較低時擊數(shù)的影響較顯著。（三）土類和級配的影響粘粒含量高，Ip大，難壓密；級配良好，易壓密；（四）粗粒含量的影響對d>5mm粒徑的含量不超過2530時，仍可用輕型擊實，但要修正。問題： d>5mm粒徑的含量較少時是剔除好：還是修正好？或者干脆用重型？1-6 土的工程分類粗粒土按顆粒組成進行分類；粘性土按塑性指數(shù)分類。一、土的分類標準（一）巨粒土和含巨粒土的分類巨粒土和含巨粒土應按試樣中所含粒徑大于60mm的巨粒組含量來劃分。試樣中含巨粒組質(zhì)量多于總質(zhì)量的50的土稱為巨粒土；試樣中巨粒組質(zhì)量為總質(zhì)量的1550的土稱為巨?；旌贤粒辉嚇又芯蘖＝M質(zhì)量少于總質(zhì)量的15的土，可扣除巨粒，按粗粒土或細粒土的相應規(guī)定分類定名。（二）粗粒土的分類試