土力學課件：土的組成、性質(zhì)和工程分類

《土力學》

土的組成、性質(zhì)和工程分類

土是松散顆粒的堆積物，是巖石風化的產(chǎn)物。是覆蓋在地表的沒有膠結(jié)或弱膠結(jié)的顆粒堆積物。天然土和人造土巖石風化分為物理風化、化學風化和生物風化。1-1

土的形成1.

概

述2

巖石風化分為物理風化、化學風化和生物風化：1.

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、巖屑的過程。2.

化學風化

：化學作用致使礦物成分發(fā)生變化。3.

生物風化

：動植物和人類活動對巖石的破壞作用。

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。1-1

土的形成2.

風化作用31-1

土的形成土是巖石經(jīng)過風化后在不同條件下形成的自然歷史的產(chǎn)物物理力學

性質(zhì)形成過程形成條件風化搬運、沉積巖石地球地球影響土4

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，此時的土體

屬三相系，稱為濕土。1-2

土的組成5土的固體顆粒(簡稱土顆?；蛲亮?的礦物成分、大小、形狀、及其組成情況是決定土的物理力學性質(zhì)的重要因素。

成土礦物

：原生礦物，次生礦物1-2

土的組成原生礦物是指巖漿在冷凝過程中形成的礦物，如石英、長石、云母等。1.土的固體顆粒61-2

土的組成1.土的固體顆粒次生礦物是由原生礦物經(jīng)過風化作用后形成的新礦物，如三氧化二鋁、三氧化二鐵、次生硅片(四面體)鋁片(八面體)蒙脫石伊利石高嶺石二氧化硅、粘土礦物以及碳酸鹽等。7

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。1-2

土的組成1.土的固體顆粒81-2

土的組成6

顆粒分析試驗：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：

篩析法

—

粒徑>0.075mm水分法

—

粒徑<0.075mm1-2

土的組成1.土的固體顆粒10

顆粒分析試驗：

篩析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(％)X

=

mi

×

100m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1-2

土的組成1.土的固體顆粒11《土工試驗方法標準》(GB/T50123-2019)粗篩孔徑為：60mm、40mm、20mm、10mm、5mm、2mm細篩孔徑為：2.0mm、1.0mm、0.5mm、0.25mm、0.1mm、0.075mm1-2

土的組成1.土的固體顆粒標準篩12

顆粒分析試驗：

密度計法利用不同大小的土粒在水中沉降速度不同來確定小于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。γave

=

Wparticle1-2

土的組成1.土的固體顆粒F

∝D213百分數(shù)P(%)2613.5101-2

土的組成10161824105.01.00.50.100.050.010.005粒徑(mm)1.土的固體顆粒105.0

2.0

1.0

0.5

0.25

0.1粒徑(mm)

0.05

0.01

0.0051009080706050403020100P%9587786655小于某粒徑之土質(zhì)

量百分數(shù)P

(％)土的粒徑級配累積曲線2238水分法200g36720.00114土的顆粒級配曲線顆粒分析試驗曲線的主要用途按粒徑分布曲線可求得：

(1)土中各粒組的土粒含量，用于粗粒土的分類和大致評估土的工程性質(zhì)；(2)某些特性粒徑，用于建筑材料的選擇和評價土級配的好壞。根據(jù)某些特征粒徑，可得到兩個有用的指標，即不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc1-2

土的組成1.土的固體顆粒15d10，d30和d60為顆粒級配曲線上小于某粒徑的土粒含量分別為10％，30％和60％時所對應的粒徑。d10稱為有效粒徑；

d60稱為限制粒徑。不均勻系數(shù)Cu

u

=

曲率系數(shù)Cc

Cc

=

d60

30101-2

土的組成1001010.10.010.001土的粒徑(mm

)1.土的固體顆粒1009080706050403020100小于某粒徑的土粒含量(%)dd16土的級配的好壞可由土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d10~d30間；Cc過小，臺階

在d30~d60間；規(guī)范：純凈礫、砂，Cu

>=5，且Cc=1~3時，級配良好，否則級配不良。C

A

B1-2

土的組成1.土的固體顆粒1001010.10.010.001土粒粒徑d

(mm)土的顆粒級配曲線1101009080706050403020100小于某粒徑的土粒含量(

%

)17

結(jié)合水：強結(jié)合水性質(zhì)接近于固體，冰點很低，沸點較高，且不能傳遞壓力。弱結(jié)合水也稱為薄膜水，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。結(jié)合水厚度影響因素：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)。1-2

土的組成2.土中水18

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)。

毛細水土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，使地下水位以上形成毛細水帶。

重力水在重力或水位差作用下能在土中流動的自由水稱為重力水。具有溶解能力，能傳遞靜水和動水壓力，對土顆粒有浮力作用。1-2

土的組成2.土中水19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。1-2

土的組成3.土中氣20

土的結(jié)構(gòu)

fabric土粒單元的大小、形狀、相互排列及其聯(lián)接關系。

土的構(gòu)造

structure同一土層中各部分之間的相互關系特征。土層在空間的賦存狀態(tài)。結(jié)構(gòu)

—

微觀；

構(gòu)造

—

宏觀土的結(jié)構(gòu)包括：單粒結(jié)構(gòu)、蜂窩結(jié)構(gòu)、絮狀結(jié)構(gòu)

土的構(gòu)造包括：分散構(gòu)造、層理構(gòu)造、裂隙構(gòu)造1-3

土的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造21細砂粘土卵石碎石粗

砂1-3

土的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造粘土1.土的結(jié)構(gòu)22土的顆粒形狀1-3

土的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造1.土的結(jié)構(gòu)231-3

土的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造1.土的結(jié)構(gòu)土的顆粒形狀241-3

土的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造1.土的結(jié)構(gòu)

單粒結(jié)構(gòu)粗粒土的代表性結(jié)構(gòu)注意沉積環(huán)境福建標準砂25

蜂窩結(jié)構(gòu)粉粒粒組土(粒徑

0.005~0.075mm)的結(jié)構(gòu)形式。由于粒間引力大于重力，土粒停留

于接觸點上，形成土鏈，孔隙較大。1-3

土的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造1.土的結(jié)構(gòu)梁燕，邢鮮麗，李同錄，徐平，劉樹林.晚更新世黃土滲透性的各向異性及其機制研究[J].巖土力學，2012,33(5):1313-1318.西安Q3黃土26

絮狀結(jié)構(gòu)極細小的土粒下沉過程中彼此吸引形成絮狀結(jié)構(gòu)。角、邊與面接觸時凈引力最大，

因此絮狀結(jié)構(gòu)的特征是土粒之間以

角、邊與面的接觸或邊與邊的搭接1-3

土的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造排列，具有較大的孔隙，其強度低，壓縮性高，對擾動比較敏感。1.土的結(jié)構(gòu)上海軟土形式為主。這種結(jié)構(gòu)的土粒呈任意27土的構(gòu)造包括：分散構(gòu)造、層理構(gòu)造、裂隙構(gòu)造、結(jié)核構(gòu)造等。層理構(gòu)造

，即土的成層性，是土最主要的構(gòu)造。土的構(gòu)造特征造成土的不均勻性。1-3

土的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造2.土的構(gòu)造28天然土由固體顆粒和土中孔隙組成，而孔隙中可填充水或空氣，因此土由三相系統(tǒng)(固、液、氣)組成。土的三相組成各部分質(zhì)量與體積之間的比例關系，隨著各種條件的變化而改變。1-4

土的三相比例指標1.定義29三相比例指標可分為兩類：

必須通過試驗測定的，如含水率、密度和土粒比重

，稱為實

測指標

；

根據(jù)實測指標換算的，如孔隙比、孔隙率、飽和度等，稱為導出指標或換算指標。1-4

土的三相比例指標30(

1)土的密度ρ與重度γ

：土的密度定義為單位體積土的質(zhì)量，用ρ表示，單位為kg/m3(或g/cm3)。表達式如下：m

ms

+

mw

+

mas

w

a1-4

土的三相比例指標1.實測指標對于粘性土，土的密度常用環(huán)刀法測定。V

V

+V

+

V==ρ31(

1)土的密度ρ與重度γ

：土的重度亦稱為容重，定義為單位體積土的重量，用γ表示，單位為kN/m3。表達式如下：W

m

×g式中：W——土的重量，單位為kN

；g——重力加速度。1-4

土的三相比例指標1.實測指標γ

===ρ

×

g

V

V32(

2)土的含水率ω：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：mw

100%ms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

100℃~110℃溫度下烘干，稱得干土質(zhì)量，按上式可算得。1-4

土的三相比例指標1.實測指標w

=

×331-4

土的三相比例指標1.實測指標烘干法34式中：ρs

——土粒的密度，即土粒單位體積的質(zhì)量；(ρw

)4℃

——4℃時純水的密度，1.0g/cm3

(γw

)4℃

——4℃時純水的重度。(

3)土粒比重Gs

：土粒質(zhì)量(或重量)與同體積4℃時純水的質(zhì)量(或重量)之比。1-4

土的三相比例指標G

=

ms

=

ρs

s

Vs

×(ρw

)4℃

(ρw

)4℃1.實測指標

m

?g

Gs

=

Vs

×

(γw

)4℃s35m1

+ms——瓶+水(滿)的質(zhì)量+干土的質(zhì)量；m1

+m-m2——與土粒體積相同的水的質(zhì)量。1-4

土的三相比例指標1.實測指標G

=

s

?G1s

2m2瓶+土+水的質(zhì)量ms烘干土的質(zhì)量m1瓶+水的質(zhì)量0空瓶質(zhì)量s

wtm

+m

?m比重瓶法mm36s

土的飽和度

S

——土中被水充滿的孔隙體積與總孔隙體積之比，用％表示rS

=

Vw

×100%v

土的孔隙比

e——土中孔隙體積與土粒體積之比。

土的孔隙率

n——土中孔隙體積與土總體積之比。1-4

土的三相比例指標2.導出指標用％表示n

=×100%用小數(shù)表示e

=

VvVsr

V37

土的飽和重度γsat(飽和密度ρsat

)——土孔隙中充滿水時單位體積的重量(質(zhì)量)γsat

=

s

Vv

w

=

s

w

=

ρsat

×

g

ρsat

=

V

土的浮重度

γ

'

——單位體積飽和土重扣除浮力γ

'=s

s

w

=s

s

w

=ρ'×g

V

V單位：kN/m3(密度：kg/m3或g/cm3)。VvW

+V

×γ

m

×g

+V

×ρ

×g

ms

+

Vv

×

ρw1-4

土的三相比例指標

土的干重度γd(干密度ρd

)——單位體積土中固體顆粒的重量(質(zhì)量)2.導出指標γd

=

V

=

V

=

ρd

×

gW

?V

×γ

m

×g

?V

×ρ

×gρd

=

Ws

ms

×

g38

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：γsat

>

γ

>

γd

>

γ

'ρsat

>

ρ

>

ρd

>

ρ'ρs

>ρsat

>ρ

>ρd

>ρ

'γs

>γsat

>γ

>γd

>γ

'1-4

土的三相比例指標2.導出指標39

三相指標的換算s

ws

v

s

w

a1-4

土的三相比例指標2.導出指標V

=V

+V

=V

+V

+

Vm

=m

+msoil

watervoid

air40(一)孔隙比與孔隙率的關系設土體內(nèi)土粒的體積為1，則由e

=

可知，孔隙的體積Vv

=e

，土體的體積V=1＋e，于是有：n

=

=

或

e

=

三相指標的換算常用的土的物理指標共有九個。已知其中任意三個，通過換算可以求出其余的六個。1-4

土的三相比例指標孔隙土粒2.導出指標11+e41e

三相指標的換算(二)干密度ρd與濕密度ρ和含水率ω的關系設土體內(nèi)土粒的體積為1，則孔隙的體積Vv

=e，土體的體積V=1＋e,土體內(nèi)土粒的質(zhì)量ms

=ρd(1+e)，由ω=mω

/ms

,水的質(zhì)量mω

=ωms

=ωρd

(1+e)

。于是，按定義可得ρ

=

=

=

ρd

(1+

w)ρ或

ρd

=

1

+

w1-4

土的三相比例指標2.導出指標42質(zhì)量ms為Gs

ρω

。于是，按ρd的定義可得：ms

Gs

ρwρd

=

=整理得：e

=

Gs

ρw

(1+

w)

?

1ρd

三相指標的換算(三)孔隙比與比重和干密度的關系設土體內(nèi)土粒的體積為1，則孔隙的體積Vv

=e；由Gs

＝ms

/(Vs

ρω)得土粒的1-4

土的三相比例指標2.導出指標V1+e43

三相指標的換算(四)飽和度與含水率、比重和孔隙比的關系設土體內(nèi)土粒的體積為1，則Vv

=e；由Gs

＝ms

/(Vs

ρω)得土粒的質(zhì)量ms

=Gs

ρω

。按ω=m

ω

/ms

，水的質(zhì)量mω

=ωGs

ρω

，則水的體積Vω

=m

ω

/

ρω=

ω

G

。于是，

(

wρs

S

=

Vw

=

|

ρw

)|

=

wGsr

V

e

ev當土飽和時，即Sr為100％，則：

e

=wsat

Gs

式中：ωsat——飽和含水率。ss1-4

土的三相比例指標2.導出指標44

三相指標的換算(五)浮密度與比重和孔隙比得關系設土體內(nèi)土粒體積為1，則孔隙的體積Vv

=e；由Gs

＝ms

/(Vs

ρw)得土粒的質(zhì)量ms為Gs

ρw

。于是，按定義可知ρ'

=

=

=

1-4

土的三相比例指標2.導出指標4546標準環(huán)刀體積為60cm3

，用環(huán)刀取天然狀態(tài)土樣，已稱得環(huán)刀內(nèi)試樣質(zhì)量為108g，將

土樣烘干后稱得質(zhì)量為96.43g，又已知土粒比重Gs為2.7，試求試樣的天然密度、干密

度、孔隙比、飽和密度、含水率、孔隙率和飽和度。【解】

(1)

已知V＝60cm3

，m=108g，則ρ=m／v=108/

60=1.8g/cm3(2)已知ms=

96.43g

，則ρd

=ms／V=

96.43/

60=1.61g/cm3(3)

mw=m

－ms=108－96.43=11.57g于是由定義

w=

mw／ms＝11.57／96.43=12%(4)

e=

Gs

/ρd-1,已知Gs=2.7，則e=2.7/1.61-1=0.68(5)

ρsat

＝(Gs+e)ρw/(1+e)=(2.7+0.68)/1.68=2.01

g/cm3(6)

n=e/(1+e)=0.68/1.68=0.40(7)

Sr=wGs/e=48%1-4

土的三相比例指標例

題某飽和土樣重0.4N

，體積為21.5

cm3。放入烘箱內(nèi)烘一段時間后取出，稱得

其重量為0.33N

，體積減小至15.7

cm3

，飽和度為75%

。試求該土樣烘烤前的

含水量

w

、孔隙比

e

及干重度γd

。471-4

土的三相比例指標例

題解：設烘一段時間后，孔隙體積為Vv2

，孔隙水所占體積為Vw2，則：烘后狀態(tài)：

S

=

Vw2

=

75%v2烘前狀態(tài)：

S

=

Vw2+

(0.4

?

0.33)

×10

?3

/

10

×

106

=

100%Vv

2

=4.8cm3

Vw2

=3.6cm3∴

Vw1

=

3.6

+

(0.4

?

0.33)

×10?3

/10

×

106

=

10.6cm3

e

=

=

0.972Vv1

=

4.8

+

(21.5

?

15.7)

=

10.6cm3

γd

=

γ

=

0.4

×

10?3

/(21.5

×

10?6

)

=

13.68kN/m3r

Vv

2

+(21.5?15.7)聯(lián)立求解得：

∴

w

=

=

36%481-4

土的三相比例指標例

題1+w1+36%r

V某土樣在天然狀態(tài)下的孔隙比

e=0.8，土粒比重

Gs=2.68，含水量ω=24%，求：(a)

天然狀態(tài)下的重度、干重度和飽和度；(b)若該土樣加水后，達到飽和狀態(tài)，計算飽和時的含水量ω及飽和重度(假定土的孔隙

比保持不變)。491-4

土的三相比例指標例

題解:

(a)

γ

=

Gsγw

(1+w)

=

2.68

×

9.81(1+0.24)

=

18.09kN

/

m3

γ

18.11

3Sr

=

=

=

80.4%(b)

wsat

=

=

=

29.85%γsat

=

Gs

+

e

?γw

=

2.68

+

0.8

×

9.81

=

18.97kN/m3501-4

土的三相比例指標例

題γd

===14.59kN/m1+e1+0.81+e1+0.81+w1+24%51干重度γd

或孔隙比e或孔隙率n優(yōu)點：

簡單方便缺點：

不能反映級配的影響只能用于同一種土如何衡量?單位體積中固體顆粒含量的多少

或

孔隙含量的多少1-5

土的物理狀態(tài)1.無黏性土性質(zhì)相對密實度emin

=

0.20emin

=

0.35密實度對策

砂土的天然孔隙比界于最大和最小孔隙比之間，故相對密度Dr=0~1；當Dr

=0時，e=emax，砂土處于最疏松狀態(tài)；當Dr

=1

時，則e=emin

，砂土處于最緊密狀態(tài)。521-5

土的物理狀態(tài)1.無黏性土性質(zhì)530＜Dr≤1/31/3＜Dr

≤2/32/3＜Dr

≤11-5

土的物理狀態(tài)

在工程上，用相對密實度Dr劃分無粘性土的狀態(tài)如下：1.無黏性土性質(zhì)松散的中密的

密實的例

題某土樣γ=14.7

kN/m3,

ω=13%,

γdmin

=12kN/m3

,

γdmax

=16.6kN/m3.試求土的密實狀態(tài)。

γd

=

,

e

=

?

154∴

Dr

=

?

=

?

=

0.278

<

(|

γs

?

1

|

?

(|γs

?

1

|e

max

?

e

min

(

γs

(

γs

1-5

土的物理狀態(tài)∴

emax

=

?

1,

emin=

?

1Dr

=

e

max

?

e

=

γd

min

)γd

) |

?

1

|?|?

1

|松散

γd

min

)γd

max

)黏性土的物理狀態(tài)變化是由于含水量的變化而引起的。黏性土由一種稠度狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N稠度狀態(tài)，相應于轉(zhuǎn)變點(臨界點)的含水量稱為界限含水量。工程上常

用的有液性界限ωL和塑性界限ωp。55

由固態(tài)轉(zhuǎn)變到可塑狀態(tài)的界限含水量，稱為塑限

由塑態(tài)轉(zhuǎn)變到流態(tài)的界限含水量，稱為液限1-5

土的物理狀態(tài)2.黏性土性質(zhì)56測定塑限的方法：

滾搓條法測定液限的方法：

碟式液限儀法液、塑限聯(lián)合測定法1-5

土的物理狀態(tài)2.黏性土性質(zhì)

塑性指數(shù)和液性指數(shù)塑性指數(shù)——表示土處于可塑狀態(tài)的含水量變化范圍，等于液限和塑限之差(去掉百分號)，用Ip表示，取整數(shù)，即：I

=w

?w塑性指數(shù)越大，土處于可塑狀態(tài)的含水量范圍越大，可塑性越強。塑性指數(shù)越大，說明結(jié)合水含量越高，即土的黏粒含量越高。所以，用塑性指數(shù)作為黏性土分類的標準。571-5

土的物理狀態(tài)2.黏性土性質(zhì)p

L

p土處于何種稠度狀態(tài)取決于土中的含水量，但是由于不同土的稠度界限是不同的，因此天然含水量不能說明土的稠度狀態(tài)。液性指數(shù)——黏性土的天然含水量和塑限的差值與塑性指數(shù)之比，記做IL

，用小數(shù)表示。

w

?

w

w

?

w

I

=

p

=

pw

?w

I式中：IL—液性指數(shù)，以小數(shù)表示；ω—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，表達了黏性土所處的狀態(tài)。581-5

土的物理狀態(tài)2.黏性土性質(zhì)L

p

pL按液性指數(shù)劃分粘性土的稠度狀態(tài)表液性指數(shù)ILI

≤00<I

≤0.250.25<I

≤0.750.75<I

≤1I

>1.00狀態(tài)堅硬硬塑可塑軟塑流塑《建筑地基基礎設計規(guī)范》

GB50007-2011根據(jù)液性指數(shù)的大小，劃分粘性土的狀態(tài)：591-5

土的物理狀態(tài)2.黏性土性質(zhì)w

?w

w

?wI

=

p

=

pL

p

pw

?w

ILLLLLL已知粘性土的顆粒重度γs

=27.5

kN/m3

，液限為40％，塑限為22％，飽和度

為98%

，孔隙比為1.15

，試確定粘性土的狀態(tài)?！窘狻客恋暮縄

=

w

?