chapter土力學(xué)北京交通大學(xué)實(shí)用

會(huì)計(jì)學(xué)1chapter土力學(xué)北京交通大學(xué)實(shí)用土的形成：地質(zhì)歷史的產(chǎn)物，是地球表面的整體巖石在大氣中經(jīng)受自然力和自然環(huán)境的長(zhǎng)期風(fēng)化作用形成。反向過(guò)程：土經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)的地質(zhì)年代，發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)變化，逐漸壓密、巖化，最終又可形成巖石。循環(huán)演變：巖石土巖石土……。重復(fù)進(jìn)行。地質(zhì)概念：

第四紀(jì)地質(zhì)：（1）更新世：1.3萬(wàn)年到71萬(wàn)年（2）全新世：小于0.25萬(wàn)年到1.3萬(wàn)年。新近代沉積土：有人類(lèi)文化期以來(lái)沉積的土。第1頁(yè)/共76頁(yè)2.2.1風(fēng)化作用（1）物理風(fēng)化

地質(zhì)構(gòu)造力；溫度變化；冰凍作用；碰撞作用顆粒大小發(fā)生改變，化學(xué)成分保持不變。第2頁(yè)/共76頁(yè)（2）化學(xué)風(fēng)化

水解作用；水化作用；氧化作用；溶解作用

礦物化學(xué)成分變化，形成次生礦物。正長(zhǎng)石

高磷石(水解)（3）生物風(fēng)化植物根分泌有機(jī)酸；遺體腐爛；微生物作用

動(dòng)植物或人類(lèi)活動(dòng)的影響。第3頁(yè)/共76頁(yè)小結(jié)：

（1）物理風(fēng)化（2）化學(xué)風(fēng)化（3）生物風(fēng)化需要注意：a、上述風(fēng)化作用常常是同時(shí)存在的。

b、不同地區(qū)，自然條件不同，風(fēng)化作用有主次。

c、風(fēng)化作用由地表向下逐漸減弱第4頁(yè)/共76頁(yè)2.2.2不同生成條件下土的特點(diǎn)1.殘積土概念：母巖經(jīng)風(fēng)化作用破碎成為巖屑或細(xì)小顆粒，殘留原地。特點(diǎn)：顆粒表面粗糙、多棱角、粗細(xì)不均、無(wú)層理。2.搬運(yùn)土概念：風(fēng)化所形成的土顆粒，受自然力作用，搬運(yùn)到遠(yuǎn)近不同的地點(diǎn)沉積。特點(diǎn)：顆粒經(jīng)滾動(dòng)和摩擦作用而變圓滑。受水流等自然力的分選作用而形成不同的層次，粗顆粒下沉快，細(xì)顆粒下沉慢。第5頁(yè)/共76頁(yè)搬運(yùn)土分類(lèi)：坡積土風(fēng)積土沖積土洪積土湖泊沼澤沉積土海相沉積土冰積土第6頁(yè)/共76頁(yè)2.2.3土的沉積與成巖作用成巖作用：土經(jīng)過(guò)搬運(yùn)和沉積，經(jīng)過(guò)一系列變化，最后固結(jié)成堅(jiān)硬的巖石(沉積巖)。幾種作用：壓固脫水、膠結(jié)、重結(jié)晶沉積巖。

(見(jiàn)圖2-1)第7頁(yè)/共76頁(yè)圖2-1土與巖石的相互轉(zhuǎn)化第8頁(yè)/共76頁(yè)2.3土的物質(zhì)組成第9頁(yè)/共76頁(yè)

2.3.1土中固體顆粒（土的固相）

1.粒組的劃分和顆粒級(jí)配曲線(xiàn)（1）幾個(gè)基本概念粒度:土粒的大小稱(chēng)為粒度。粒度成分：不同粒徑顆粒的相對(duì)含量。粒組：大小相近的土粒合并為組。a、粒組間的分界線(xiàn)是人為劃定的;b、劃分時(shí)應(yīng)使粒組界限與粒組性質(zhì)的變化相適應(yīng);c、按一定的比例遞減關(guān)系劃分粒組的界限值。d、表2-1給出國(guó)內(nèi)常用的粒組劃分方法。第10頁(yè)/共76頁(yè)表2-1粒組的劃分第11頁(yè)/共76頁(yè)（2）顆粒級(jí)配和顆粒分析試驗(yàn)a.篩分法：適用于粒徑大于0.075mm的粗顆粒土。圖6擺篩圖第12頁(yè)/共76頁(yè)b.密度計(jì)法：適用于粒徑小于0.075mm的細(xì)顆粒土。

斯托克斯(stokes)定理：顆粒下沉速度與顆粒直徑的平方成正比。c.綜合分析

篩分法和密度計(jì)法結(jié)合第13頁(yè)/共76頁(yè)（3）顆粒級(jí)配曲線(xiàn)用半對(duì)數(shù)紙表示顆粒級(jí)配曲線(xiàn)橫坐標(biāo)(按對(duì)數(shù)比例尺)：表示某一粒徑（d）；縱坐標(biāo)：表示小于某一粒徑的土粒百分含量（%）。由顆粒級(jí)配曲線(xiàn)可知道某一粒徑范圍的百分含量！問(wèn)題：如何判斷級(jí)配的好壞？第14頁(yè)/共76頁(yè)

兩個(gè)指標(biāo)表示大小、均勻程度及其級(jí)配情況

不均勻系數(shù)：

d60（限定粒徑）—小于該粒徑的含量占總量的60%d10（有效粒徑）—小于該粒徑的含量占總量的10%該指標(biāo)考慮了大顆粒和小顆粒含量的差異；Cu愈大，顆粒愈不均勻；第15頁(yè)/共76頁(yè)d30（連續(xù)粒徑）—小于該粒徑的含量占總量的30%

曲率系數(shù)：

該指標(biāo)考慮了中間粒徑的影響；Cc大于3，曲率變化快，土均勻；Cc小于1，曲率變化平緩，中間顆粒少；第16頁(yè)/共76頁(yè)a、級(jí)配良好土：曲線(xiàn)光滑連續(xù)，不存在平臺(tái)段，坡度平緩

滿(mǎn)足Cu>5及Cc=1-3兩個(gè)條件

（圖2-2的B土曲線(xiàn)）（4）土級(jí)配優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)圖2-2土的顆粒級(jí)配曲線(xiàn)第17頁(yè)/共76頁(yè)b、級(jí)配不良土：級(jí)配曲線(xiàn)坡度陡峭，粗細(xì)顆粒均勻；級(jí)配曲線(xiàn)存在平臺(tái)段，即存在不連續(xù)粒徑。

不能同時(shí)滿(mǎn)足Cu>5及Cc=1-3兩個(gè)條件

（圖2-2的C土和A土曲線(xiàn)）圖2-2土的顆粒級(jí)配曲線(xiàn)第18頁(yè)/共76頁(yè)圖2-2土的顆粒級(jí)配曲線(xiàn)第19頁(yè)/共76頁(yè)

例2-1：取天然土樣500g，試用篩分法測(cè)定其粒組含量。[例題2.1]粗粒部分篩分試驗(yàn)結(jié)果第20頁(yè)/共76頁(yè)圖2-3細(xì)顆粒土試驗(yàn)結(jié)果第21頁(yè)/共76頁(yè)土的礦物成分與粒組關(guān)系（圖2-4）第22頁(yè)/共76頁(yè)圖2-4土的礦物成分與粒組的關(guān)系第23頁(yè)/共76頁(yè)2.4土-水-電解質(zhì)系統(tǒng)及其相互作用

2.4.1粘粒的膠體特性

2.4.2粘土的雙電層

2.4.3粘土的觸變與陳化

第24頁(yè)/共76頁(yè)2.5土的結(jié)構(gòu)性

土的結(jié)構(gòu)性：指土的物質(zhì)組成(主要指土粒，也包括孔隙)的空間相互排列，以及土粒間的聯(lián)結(jié)特征的綜合。土結(jié)構(gòu)的影響：對(duì)土的物理力學(xué)性質(zhì)有重要的影響。土結(jié)構(gòu)的變化和意義：土的結(jié)構(gòu)在形成過(guò)程中及形成之后，當(dāng)外界條件變化時(shí)都會(huì)使土的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。第25頁(yè)/共76頁(yè)圖A砂土結(jié)構(gòu)特點(diǎn)第26頁(yè)/共76頁(yè)圖B粘土結(jié)構(gòu)特點(diǎn)第27頁(yè)/共76頁(yè)a單粒非絮凝結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)b粒組的非絮凝結(jié)構(gòu)d單粒的角-角凝絮結(jié)構(gòu)e粒組的角-面絮凝結(jié)構(gòu)f粒組的角-角絮凝結(jié)構(gòu)c單粒的角-面絮凝結(jié)構(gòu)g粒組的角-面絮凝結(jié)構(gòu)與角-角絮凝結(jié)構(gòu)第28頁(yè)/共76頁(yè)2.6土的物理性質(zhì)指標(biāo)物理模型假定模型第29頁(yè)/共76頁(yè)總質(zhì)量：m=ms+mw總體積：V=Vs+Vv=Vs+Va+Vw

符號(hào)：s—soilv—voida—airw—water圖2-25土的三相圖2.6.1土的三相草圖

可用三相草圖來(lái)描述土的三相組成定義土的物理性質(zhì)指標(biāo)。第30頁(yè)/共76頁(yè)三相草圖的意義：土的三相物質(zhì)在體積和質(zhì)量上的比例關(guān)系稱(chēng)為三相比例指標(biāo)；三相比例指標(biāo)反映了土的干燥與潮濕、疏松與緊密；評(píng)價(jià)土的工程性質(zhì)的最基本的物理性質(zhì)指標(biāo)；工程地質(zhì)勘察報(bào)告中不可缺少的基本內(nèi)容。第31頁(yè)/共76頁(yè)2.6.2三個(gè)實(shí)測(cè)物理性質(zhì)指標(biāo)

直接測(cè)定指標(biāo)（可在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)直接測(cè)定）：重度、含水量、土粒比重Gs（土粒密度s）。換算指標(biāo)：其它指標(biāo)均為換算指標(biāo)（孔隙比、飽和度）。

第32頁(yè)/共76頁(yè)

1、土的密度和重度第33頁(yè)/共76頁(yè)2、含水量第34頁(yè)/共76頁(yè)第35頁(yè)/共76頁(yè)3、土粒比重

Gs—固體顆粒質(zhì)量與同體積水(在4℃時(shí))質(zhì)量之比第36頁(yè)/共76頁(yè)表2-7土粒比重范圍第37頁(yè)/共76頁(yè)2.6.3換算的物理性質(zhì)指標(biāo)孔隙比于是可得兩者關(guān)系：孔隙率

第38頁(yè)/共76頁(yè)飽和度

一般0Sr1飽和土：Sr=1干土：Sr=0第39頁(yè)/共76頁(yè)土的飽和重度γsat土的密度與重度的關(guān)系：

土的有效重度（浮重度）

土的干重度第40頁(yè)/共76頁(yè)2.6.5

幾種常用指標(biāo)之間關(guān)系式的推導(dǎo)土的三相比例指標(biāo)之間可以互相換算：方法1：由三相圖及其定義計(jì)算，見(jiàn)教材48頁(yè)例2-3。假定V=1,或者假定Vs=1方法2：由三相圖導(dǎo)出的計(jì)算公式（見(jiàn)表2-8）。第41頁(yè)/共76頁(yè)2.7土的物理狀態(tài)指標(biāo)2.7.1粗顆粒土的密實(shí)度（砂土的密實(shí)度）用孔隙比e可評(píng)價(jià)砂土的密實(shí)度；優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：應(yīng)用方便、簡(jiǎn)單缺點(diǎn)：不能考慮顆粒大小、級(jí)配和形狀的影響所以：應(yīng)與最大孔隙比與最小孔隙比比較；建立相對(duì)密度的概念。第42頁(yè)/共76頁(yè)最小孔隙比：砂土處于最密實(shí)狀態(tài)時(shí)的孔隙比，emin

用“振擊法”測(cè)定。最大孔隙比：砂土處于最疏松狀態(tài)時(shí)的孔隙比，emax

用“松散器法”測(cè)定。相對(duì)密度：

最大孔隙比、最小孔隙比的概念：第43頁(yè)/共76頁(yè)舉例說(shuō)明建立相對(duì)密度概念的意義：結(jié)論：土樣1：密實(shí)；土樣2：不密實(shí)土類(lèi)最大孔隙比emax最小孔隙比emin實(shí)際孔隙比e土樣10.80.50.55土樣20.60.30.55問(wèn)題：哪個(gè)土樣密實(shí)？第44頁(yè)/共76頁(yè)1用Dr表示砂土密實(shí)度見(jiàn)表2-9，《鐵路工程技術(shù)規(guī)范》（P50）第45頁(yè)/共76頁(yè)

當(dāng)e=emax時(shí)，Dr=0，最松狀態(tài)；當(dāng)e＝emin時(shí)，Dr=1.0，最密狀態(tài)。優(yōu)點(diǎn)：可以把土的級(jí)配考慮進(jìn)去，理論上較為完善缺點(diǎn)：emax和emin難以準(zhǔn)確測(cè)定，給Dr的確定帶來(lái)困難。第46頁(yè)/共76頁(yè)2、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)方法

方法：63.5kg錘，升到76cm高，自由落下標(biāo)準(zhǔn)貫入器入土深度30cm，所需錘數(shù)為N63.5顯然：第47頁(yè)/共76頁(yè)規(guī)范：《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50007—2002)

表2-10，詳見(jiàn)第8章判斷標(biāo)準(zhǔn)：第48頁(yè)/共76頁(yè)2.7.2粘性土的稠度（界限含水量）Atterberg（瑞典土壤學(xué)家，1911）塑性：可塑成任何形狀而不發(fā)生裂縫，并在外力解除以后能保持已有的形狀而不恢復(fù)原狀的性質(zhì)。Plasticity。在陶瓷工業(yè)、農(nóng)業(yè)科學(xué)和土木工程中有廣泛應(yīng)用。

第49頁(yè)/共76頁(yè)土體體積隨含水量的變化：圖2-29含水量與體積的關(guān)系

第50頁(yè)/共76頁(yè)土的界限含水量（Atterberglimits）縮限：半固體狀態(tài)與固體狀態(tài)間的分界含水量。當(dāng)含水量小于該值時(shí)，體積不發(fā)生變化。Shrinkagelimit,wS。塑限：可塑狀態(tài)與半固體狀態(tài)間的分界含水量。Plasticlimit,wP。液限：流動(dòng)狀態(tài)與可塑狀態(tài)間的分界含水量。Liquidlimit,wL。第51頁(yè)/共76頁(yè)“界限含水量是土的一種固有的性質(zhì)，與含水量無(wú)關(guān)”問(wèn)題：縮限、塑限、液限是否與土樣的含水量有關(guān)？注意：塑限和液限是土力學(xué)中常用的。第52頁(yè)/共76頁(yè)液限的測(cè)定：錐式液限儀（中國(guó)）；碟式液限儀（歐美，詳見(jiàn)ASTM試驗(yàn)規(guī)程）。碟式液限儀平衡錐式液限儀

第53頁(yè)/共76頁(yè)17mm液限測(cè)定演示：第54頁(yè)/共76頁(yè)17mm液限測(cè)定演示：第55頁(yè)/共76頁(yè)液限測(cè)定演示：第56頁(yè)/共76頁(yè)第57頁(yè)/共76頁(yè)塑限的測(cè)定：

搓條法測(cè)定。3mm土條。縮限的測(cè)定：

收縮皿法測(cè)定。第58頁(yè)/共76頁(yè)討論：液限和塑限也可用光電式液塑限聯(lián)合測(cè)定儀測(cè)定；試驗(yàn)的具體程序和步驟詳見(jiàn)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》；界限含水量由重塑土測(cè)定，而現(xiàn)場(chǎng)原狀土有一定結(jié)構(gòu)性；所以，有時(shí)現(xiàn)場(chǎng)土含水量比液限大但地基未流動(dòng)。第59頁(yè)/共76頁(yè)（1）塑性指數(shù)IP概念:塑性狀態(tài)時(shí)含水量變化范圍，IP（Plasticityindex）。

常省略%；變化范圍很大（如大于200）；是粘性土區(qū)別于砂土的重要特征；反映了土與水之間物理化學(xué)作用的強(qiáng)弱。第60頁(yè)/共76頁(yè)物理意義：思考：第61頁(yè)/共76頁(yè)一個(gè)問(wèn)題：結(jié)論：不能。第62頁(yè)/共76頁(yè)舉例說(shuō)明：土類(lèi)液限wL塑限wL含水量土樣132%12%20%土樣242%24%20%結(jié)果：土樣1：可塑態(tài)；土樣2：半固態(tài)；問(wèn)題：判斷土樣物理狀態(tài)？“必須建立含水量與界限含水量的關(guān)系”第63頁(yè)/共76頁(yè)（2）液性指數(shù)IL

表2-11粘性土的稠度標(biāo)準(zhǔn)天然狀態(tài)含水量和界限含水量相對(duì)關(guān)系的指標(biāo)（Liquidityindex）。第64頁(yè)/共76頁(yè)在0到1之間。越大，表示土越軟；大于1，處于流動(dòng)狀態(tài)；小于0，處于固體狀態(tài)或半固體狀態(tài)。關(guān)于IL結(jié)論：第65頁(yè)/共76頁(yè)求證（1）求證（2）例題：證明：第66頁(yè)/共76頁(yè)[例2-5]某粘性土的天然含水量w=19.3%，液限wL=28.3%，塑限wP=16.7%。求塑性指數(shù)IP和液性指數(shù)IL，確定該土狀態(tài)。查表2-11可知該土的狀態(tài)為硬塑狀態(tài)。IL===0.224[解]：IP=wL-wP=28.3-16.7=11.6第67頁(yè)/共76頁(yè)

“土的工程分類(lèi)是勘察、設(shè)計(jì)的首要內(nèi)容”2.8土的工程分類(lèi)

分類(lèi)存在不同體系，主要有：

(1)建設(shè)部《土的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)》(GBJl4590)；

(2)建設(shè)部《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB500072002)；

(3)水利部《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL2371999)中的12884分類(lèi)法；

(4)交通部《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTJ05193)。第68頁(yè)/共76頁(yè)分類(lèi)原則和特點(diǎn)：2.8.1建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB500072002)對(duì)粗顆粒土，考慮了結(jié)構(gòu)和粒徑級(jí)配；對(duì)細(xì)顆粒土，考慮了土的塑性和成因；給出巖石的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)；將天然土分為6大類(lèi)：巖石、碎石土、砂類(lèi)土、粉