土質(zhì)學(xué)與土力學(xué)：緒論、土的物理性質(zhì)及工程分類、黏性土的物理化學(xué)性質(zhì)

土質(zhì)學(xué)與土力學(xué)FOUNDATIONSOILSCIENCEANDSOILMECHNICS

課程安排授課時(shí)間：4～11周44學(xué)時(shí)課程性質(zhì)：主干課及考試課考試形式：實(shí)行累加式，平時(shí)考核占10%，平時(shí)作業(yè)占10%，實(shí)驗(yàn)課占10%，期末考試占70%，缺席達(dá)到10課時(shí)取消期末考試資格。授課教師：教材：《土質(zhì)學(xué)與土力學(xué)》袁聚云等編參考書：《土質(zhì)學(xué)與土力學(xué)》洪毓康編2024年5月9日緒論

一、土質(zhì)學(xué)及土力學(xué)的基本概念和研究對(duì)象1、土質(zhì)學(xué)及土力學(xué)

土質(zhì)學(xué)是研究土物質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)的科學(xué)。例如研究土成因及分布、土粒的大小、形狀、排列方式及其相互連接以及與地下水發(fā)生物理化學(xué)作用等。

土力學(xué)是研究土體的力學(xué)。主要研究土體的應(yīng)力、應(yīng)變、強(qiáng)度、穩(wěn)定性以及滲流規(guī)律等等。土質(zhì)學(xué)及土力學(xué)的研究對(duì)象都是土，主要研究土的工程性質(zhì)，為解決與土有關(guān)的工程問題提供分析方法、為工程設(shè)計(jì)提供土的計(jì)算指標(biāo)。它是土木專業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)課。2、土體

土是巖石礦物固體顆粒集合體，也稱為土體。土體的物理力學(xué)性能與其生成條件、環(huán)境條件、所處位置等密切相關(guān)。3、土體在工程中的作用1)傳力介質(zhì)——地基2)建筑材料——堤壩、路基、路面等4、工程中需解決的有關(guān)土體問題1)地基沉降問題2)地基的承載能力及穩(wěn)定問題3)地基滲流破壞問題4)路堤邊坡滑移及其他問題基礎(chǔ)——建筑物向地基傳遞荷載的下部結(jié)構(gòu)。地基——受建筑物荷載影響的部分土體。橋墩路堤2024年5月9日

二、本課程的特點(diǎn)1、研究對(duì)象（土）是一種極為復(fù)雜的力學(xué)介質(zhì)。主要表現(xiàn)出以下特性：

a、多樣性b、局部性或地方性c、多相介質(zhì)

d、結(jié)構(gòu)性強(qiáng)e、本構(gòu)非線性f、土中應(yīng)力分為有效應(yīng)力和孔隙水壓力

g、表現(xiàn)為剪切破壞h、剪縮與剪脹性i、力學(xué)性能與應(yīng)力歷史有關(guān)2、以勘察和試驗(yàn)為基礎(chǔ)由于土的物理力學(xué)性質(zhì)復(fù)雜多變,對(duì)每一項(xiàng)工程都要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘察和土工試驗(yàn),了解土的性質(zhì),然后進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算。3、實(shí)踐性強(qiáng)土質(zhì)學(xué)及土力學(xué)直接為巖土工程設(shè)計(jì)和施工服務(wù)。4、綜合性強(qiáng)土質(zhì)學(xué)及土力學(xué)主要涉及工程地質(zhì)學(xué)、彈塑性力學(xué)、建筑工程施工技術(shù)等其他學(xué)科。5、高度依賴工程經(jīng)驗(yàn)由于土的物理力學(xué)性質(zhì)極為復(fù)雜,理論計(jì)算誤差較大,需要通過工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行修正。2024年5月9日

三、土質(zhì)學(xué)與土力學(xué)的發(fā)展概況及成果

有關(guān)土力學(xué)的研究始于18世紀(jì)，隨著土木工程的發(fā)展和土力學(xué)理論研究的不斷深入，土力學(xué)逐步與土質(zhì)學(xué)相結(jié)合，較好地反映了土的工程性質(zhì)。取得的主要成果如下：1773年——法國(guó)科學(xué)家?guī)靵霭l(fā)表了土的抗剪強(qiáng)度和土壓力理論1869年——英國(guó)科學(xué)家朗肯發(fā)表了土壓力理論1900年——莫爾-庫(kù)侖提出了土體抗剪強(qiáng)度的極限平衡理論1920年——法國(guó)學(xué)者普朗特爾提出了地基極限承載力理論1922年——瑞典學(xué)者費(fèi)倫紐斯和比得森提出了土坡穩(wěn)定分析方法1925年——美籍奧地利人太沙基寫出第一部《土力學(xué)》專著1936年——在美國(guó)召開第一屆國(guó)際土力學(xué)與基礎(chǔ)工程學(xué)術(shù)會(huì)議此后在其他國(guó)家陸續(xù)召開了十四屆國(guó)際土力學(xué)與巖土工程會(huì)議1957年——中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)設(shè)立了土力學(xué)及基礎(chǔ)工程委員會(huì)1962年——我國(guó)召開第一屆全國(guó)土力學(xué)與基礎(chǔ)工程會(huì)議,以后又陸續(xù)召開了十余屆全國(guó)土力學(xué)與基礎(chǔ)工程會(huì)議1983年——黃文熙院士出版發(fā)行了《土的工程性質(zhì)》專著1990年——朱百里、沈珠江出版發(fā)行了《計(jì)算土力學(xué)》專著1996年——錢家歡、殷宗澤出版發(fā)行了《土工原理與計(jì)算》專著2000年——沈珠江院士出版發(fā)行了《理論土力學(xué)》專著2024年5月9日四、本課程的學(xué)習(xí)方法和要求1、理解概念，弄清原理，具體問題，具體分析。2、切忌死記硬背。3、按時(shí)完成作業(yè)，及時(shí)消化課堂內(nèi)容。第1章土的物理性質(zhì)及工程分類土是由巖石風(fēng)化(物理風(fēng)化、化學(xué)風(fēng)化、生物風(fēng)化)后形成的顆粒堆積物。巖石經(jīng)過剝蝕、搬運(yùn)、沉積后形成土。不同成因類型的土具有不同的工程性質(zhì)。例如：殘積土、坡積土、洪積土、沖積土、風(fēng)積土等等。土粒相互之間的孔隙中有水和空氣。土體是由顆粒（固相）、水（液相）、空氣（氣相）三相組成。土顆粒大小不均勻，形狀不規(guī)則及其排列、組合千變?nèi)f化。土的性質(zhì)主要由土的三相組成及其比例關(guān)系決定。1.1土的三相組成1、土的固相組成土粒的物質(zhì)一般分兩類：

原生礦物——母巖礦物,存在于粗大的土粒中,例如：砂粒、礫石、碎石等。

次生礦物——原生礦物經(jīng)化學(xué)風(fēng)化后生成的新礦物,存在于細(xì)粒土，例如：黏土顆?；蚍Q黏土礦物。常見的有:高嶺石、伊利石、蒙脫石等。土的固相中除土粒外，還有部分腐殖質(zhì)礦物和有機(jī)物等。2024年5月9日

2、土的液相土中水是一種成分復(fù)雜的電解質(zhì)水溶液，按土粒礦物的親水性一般分兩類：

結(jié)合水——受電荷引力作用而吸附在土粒表面的水膜。按引力的強(qiáng)弱又

分為強(qiáng)結(jié)合水(吸附層)和弱結(jié)合水(擴(kuò)散層)。

自由水——電荷引力作用以外的水，包括毛細(xì)水和重力水。毛細(xì)水受重力和表面張力控制，不能流動(dòng)；重力水受重力或水壓差作用能流動(dòng)。3、土的氣相土中氣體分為連通氣體和封閉氣體兩種。連通氣體對(duì)土的性質(zhì)影響不大，封閉氣體會(huì)增加土體的彈性，使土的工程性質(zhì)復(fù)雜化。1.2土的顆粒特征一、土粒粒組的劃分

天然土中土粒的大小相差很大，因此土的性能千差萬別。為了研究土的性能，需進(jìn)行粒組劃分：將大小相近性能變化不大的土粒劃為同一組。由于各粒組的性能易于確定，所以可按各粒組在土中的相對(duì)含量綜合確定土的性能。不同系統(tǒng)的粒組劃分有所不同。二、土粒組成的表示方法土體由各粒組混合而成，則土粒大小及其分布情況可用各粒組在土中的相對(duì)含量(各粒組干土重量百分比)表示，稱為土的顆粒級(jí)配或粒度成分。土的顆粒級(jí)配有三種表示方法：表格法、累計(jì)曲線法、三角坐標(biāo)法2024年5月9日

(1)表格法直接給出各粒組含量或小于某粒徑的粒組累計(jì)含量。該法簡(jiǎn)單方便。

(2)累計(jì)曲線法用豎坐標(biāo)表示小于某粒徑土的百分含量，用對(duì)數(shù)橫坐標(biāo)表示粒徑繪制土的級(jí)配曲線。并用不均勻系數(shù)、曲率系數(shù)反映土級(jí)配情況。該法直觀形象。

不均勻系數(shù)：曲率系數(shù)：

式中累計(jì)百分含量為10%、30%、60%的粒徑，由累計(jì)曲線測(cè)得。當(dāng)時(shí)，土的級(jí)配良好。為有效粒徑；為限定粒徑。

(3)三角坐標(biāo)法用等腰三角形的三條邊表示砂粒、粉粒、黏粒粒組的坐標(biāo)，以三角形內(nèi)一點(diǎn)的三個(gè)高分別表示土中三個(gè)粒組的含量。該法主要用于路面選料設(shè)計(jì)。2024年5月9日

三、土的顆粒分析方法土中各粒組的分布情況可通過試驗(yàn)測(cè)定。對(duì)于粒徑的土，采用篩分法。對(duì)粒徑

時(shí)采用比重計(jì)法(沉降分析法)。其原理：根據(jù)Stokes定律，

液體中下降的顆粒直徑：比重計(jì)測(cè)點(diǎn)處的密度：

則，懸液中土粒重占土?？傊匕俜直?/p>

式中土粒及水的密度。1.3土的三相比例指標(biāo)土的性質(zhì)主要由土的三相組成及其比例關(guān)系決定。土的三相比例指標(biāo)可以定量描述土的物理性質(zhì)。土的三相比例指標(biāo)可以分為試驗(yàn)指標(biāo)和換算指標(biāo)兩類：一、試驗(yàn)指標(biāo)

2024年5月9日二、換算指標(biāo)

三、三相比例指標(biāo)的換算關(guān)系利用三相草圖換算，取并假定，則，由，，，按定義有：

2024年5月9日

1.4黏性土的界限含水率一、黏性土的狀態(tài)與界限含水率黏性土的狀態(tài)隨含水量的增大而變軟:固態(tài)半固態(tài)可塑狀態(tài)流動(dòng)狀態(tài)1、液限

——由可塑狀態(tài)轉(zhuǎn)到流動(dòng)狀態(tài)的界限含水量。2、塑限

——由半固態(tài)轉(zhuǎn)到可塑狀態(tài)的界限含水量。3、縮限

——體積不再縮小對(duì)應(yīng)的界限含水量。二、塑性指數(shù)塑性指數(shù)是表示黏性土可塑性大小的指標(biāo)，用錐式液限儀可塑狀態(tài)的含水率變化范圍定義：應(yīng)用中塑性指數(shù)以不帶“％”的數(shù)值表示。三、液性指數(shù)液性指數(shù)是表示黏性土軟硬狀態(tài)的指標(biāo)，定義為含水率和塑限的差值與液限和塑限的差值之比：

碟式液限儀2024年5月9日

1.５無黏性土的密實(shí)度一、砂土的相對(duì)密度１、相對(duì)密實(shí)度指標(biāo)定義

式中、分別為最大和最小孔隙比，由試驗(yàn)測(cè)得。２、砂土按相對(duì)密度指標(biāo)分類

密實(shí)度密實(shí)中密松散

相對(duì)密度

密實(shí)中密松散三等分

二、無黏性土密實(shí)度劃分的其他方法１、砂土密實(shí)度按標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)分類２、碎石土密實(shí)度按重型動(dòng)力觸探錘擊數(shù)分類３、碎石土密實(shí)度按超重型動(dòng)力觸探錘擊數(shù)分類４、砂土密實(shí)度按天然孔隙比分類

2024年5月9日

1.6土的工程分類一、概述不同的工程系統(tǒng)采用不同的分類標(biāo)準(zhǔn)。土的分類在原則上主要考慮了以下三個(gè)因素：(1)土的沉積歷史和地質(zhì)成因；(2)土的組成；(3)土的工程性質(zhì)。建筑地基土的分類如下：二、建筑地基土的分類標(biāo)準(zhǔn)1、按沉積年代和地質(zhì)成因劃分按沉積年代劃分有:老沉積土、新近沉積土。

按地質(zhì)成因劃分有:

殘積土、坡積土、洪積土、沖積土、湖積土、海積土、風(fēng)積土、冰積土等。2、按顆粒級(jí)配和塑性指數(shù)劃分(1)碎石土粒徑大于2mm的顆粒含量超過全重50%的土稱為碎石土。(2)砂土粒徑大于2mm的顆粒含量不超過全重50%，且大于0.075mm的顆粒含量超過全重50%的土稱為砂土。(3)粉土

,粒徑大于0.075mm的顆粒含量不超過全重50%的土稱為粉土。(4)黏性土塑性指數(shù)的土稱為黏性土。

第1章作業(yè)：習(xí)題1-1、1-2、1-3、1-4、1-52024年5月9日

第2章黏性土的物理化學(xué)性質(zhì)

2.1鍵力的基本概念鍵力是原子與原子之間或分子與分子之間的聯(lián)結(jié)力。主要包括化學(xué)鍵、分子鍵、及氫鍵三種。土物質(zhì)靠鍵力形成土體，了解鍵力的概念有助于認(rèn)識(shí)土體的物理化學(xué)性質(zhì)。1、化學(xué)鍵化學(xué)鍵是原子與原子之間的聯(lián)結(jié)。包括離子鍵、共價(jià)鍵、金屬鍵?；瘜W(xué)鍵也叫主鍵或高能鍵，聯(lián)結(jié)力很強(qiáng)。土粒內(nèi)部的氧原子、硅原子或鋁離子靠化學(xué)鍵聯(lián)結(jié)成牢固的礦物晶格，所以在工程中土體破壞時(shí)土粒并不會(huì)破壞，而是土粒相互之間發(fā)生滑動(dòng)。2、分子鍵

分子鍵是分子與分子之間的聯(lián)結(jié)。分子鍵也叫次鍵或低能鍵，聯(lián)結(jié)力很弱。土體的強(qiáng)度主要由分子鍵決定。3、氫鍵

氫鍵是氫原子與其它帶負(fù)電荷原子之間的聯(lián)結(jié)。氫鍵的聯(lián)結(jié)力介于主鍵和次鍵之間，并具有方向性和飽和性。例如，當(dāng)外部能量低于氫鍵的聯(lián)結(jié)能，水分子相互之間會(huì)以氫鍵聯(lián)結(jié)而使水分子定向排列，造成分子間隙增大，出現(xiàn)結(jié)冰凍脹現(xiàn)象。冰或凍土的強(qiáng)度由氫鍵決定。2024年5月9日2.2黏土礦物顆粒的結(jié)晶結(jié)構(gòu)黏土礦物的物理化學(xué)性質(zhì)與其顆粒的大小及其結(jié)晶結(jié)構(gòu)有關(guān)，因此需要了解黏土礦物顆粒的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。1、黏土礦物顆粒的形狀

高嶺石伊利石蒙脫石

黏土礦物顆粒一般為鱗片狀。直徑常見黏土礦物顆粒尺度：

厚度

比表面101008002、黏土礦物的晶體結(jié)構(gòu)黏土礦物的晶體結(jié)構(gòu)主要由兩種晶片構(gòu)成：

兩種晶片通過化學(xué)鍵聯(lián)結(jié)成兩種晶體細(xì)胞。兩種晶胞通過分子鍵和氫鍵形成3種常見黏土礦物顆粒：

高嶺石，結(jié)構(gòu)單元為1:1型晶格，若干晶胞由氫鍵聯(lián)結(jié)成礦物顆粒。較牢固。

蒙脫石，結(jié)構(gòu)單元為2:1型晶格，若干晶胞由分子鍵聯(lián)結(jié)成礦物顆粒。較弱。

伊利石，結(jié)構(gòu)單元為2:1型晶格，若干晶胞由鉀離子聯(lián)結(jié)成礦物顆粒。聯(lián)結(jié)力介于高嶺石和蒙脫石之間。

高嶺石蒙脫石伊利石2024年5月9日

2.3黏土顆