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土力学与基础工程学习笔记二 主主 题题 土力学与基础工程学习笔记 内内 容容 土力学与基础工程学习笔记二土力学与基础工程学习笔记二 土的物理性质土的物理性质 教学目的、要求教学目的、要求 掌握掌握土的物理性质指标及换算 理解理解土的物理状态、特征指标 了解了解土的组成和特性，地基土的工程分类。 教学内容教学内容 基本内容基本内容土的形成；土的三相组成；土的物理状态；土的结构；土的工程 分类；土的击实性和击实试验 重点重点土的物理性质指标及换算，物理状态、特征指标，地基土的工程分类 难点难点土的物理性质指标及换算 基本要求基本要求 了解土的组成和特性，土的物理性质指标及换算，土的物理状态、特征 指标，地基土的工程分类。 1.1 概述概述 1. 土的物理性质是土的基本性质，如轻重、松密、干湿、软硬等。 2. 土的物理性质和力学性质紧密相关，因此研究地基变形及稳定必予以 研究。 3. 研究物理性质内容包括土的生成与组成；土的三相单比例指标，组 成土的三相单性质，土的状态，土的压实和渗透，它的分类。 4. 研究方法分析和试验法。 1.2 土的生成土的生成 简单说，土是原岩风化、搬运、沉积的产物，经地质作用形成的。 1.2.1 地质作用的概念地质作用的概念 定义导致地壳成分变化和构造变化的作用。 分类根据能量来源不同可分为两类 即内力地质作用和外力地质作用。 土力学与基础工程学习笔记二 ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎩ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎧ 沉积岩形成岩石 沉积 搬运 风化 作用造型 地球重力位能 太阳幅射能 产生能量来源 外力地质作用 变质石作用下生成的岩浆石称 挥发性物质等变质原岩在高温高压及渗入 称为岩浆岩岩浆冷凝后生成的岩石 产生岩石 变质作用 地壳运动 岩浆活动 作用类型 元素蜕变产生热能 地球自转施转能 产生能量来源 内力地质作用 按能量来源分地质作用 . 3 .3 ;2 ; 1 . 2 2 1 . 1 . .. 4 3 2 1 . 2 2 1 . 1 B A 1.2.2 矿物与岩石的概念矿物与岩石的概念 （一）矿物 1. 定义及分类 矿物是地壳中天然生成的自然元素或化合物。 ⎩ ⎨ ⎧ ., ; 蒙胧石粘土矿物高岭石伊利石次生矿物化学风化 云母等长石石英岩浆冷凝生成原生矿物 2. 矿物外表形态 ⎩ ⎨ ⎧ 形状不规则非结晶体 形状较规则结晶体 3. 组成岩石的矿物称造岩矿物。 二 岩石 岩石是一种或多种矿物的集合体。 不同岩石特征表现为矿物成分不同、结构不同和构造不同三个方面。 岩石结构矿物颗粒结晶程度，大小和形状组合方式称为结构。 岩石构造岩石中矿物排列方式及填充方式。 1.2.3 地质年代的概念地质年代的概念 地质年代地壳发展历史与地壳动运、 沉积环境及生物演化相应的时代段 土力学与基础工程学习笔记二 落。 相对地质年代根据古生物演化和岩层形成的顺序划分成自然段。太古 代、元古代、古生代、中生代和新生代。每代分为若干纪，每纪分世和期。 新生代中最近的一个纪称为第四纪。经外力地质作用风化、搬运、沉积形成 称第四纪沉积物。 1.2.4第四纪沉积物第四纪沉积物 一残质物、坡质物和洪积物 1．残积物 原岩经风化，剥蚀而残留在外地的部分。 2. 坡积物 雨、雾水流地质作用将远处的岩石风化物。慢慢地洗刷剥蚀，顺斜坡逐渐移 动，觉积在较平缓的山坡上而形成的沉积物。 3. 洪积物 和坡积物类似，只不过它是由山洪急流引起的。 埋藏于地表下层是复杂多变的钻孔钻在不同位置会得出不同的结论。 二冲积物 河流流水的地质作用将两岸基岩及其上部覆盖的坡积、 洪积物剥蚀搬运沉积 在河流坡降平缓地带而形成的沉积物。 磨圆分选作用 1. 平原河谷冲积物 河漫滩、阶地等地貌单元。 地貌错综复杂的地质作用形成各种成因地形。 三其它沉积物 1. 海洋沉积物 ①滨海沉积物即石、圆砾、砂 ②浅海沉积物细颗粒砂土、粘性土、淤泥和生物化学沉积物。 ③陆坡和深海沉积物有机质软泥 2. 湖泊沉积物 湖边沉积物、湖心沉积物、沼泽沉积物 总之母岩风化搬运沉积地质作用形成土。 土具有成层规律。 1.3 土的组成土的组成 土由固体颗粒，土中水和气体组成。本节重点从组成物性质分析。 1.3.1 土的固体颗粒土的固体颗粒 土颗粒大小，形状，矿物成份反映土的性质 一土的颗粒大小级配 1. 级配颗粒大小搭配情况称为土的级配。 2. 粒组颗粒按大小分组称为粒组。 常用粒组划分为六大组，即漂石、卵石、圆砾、砂粒、粉粒、粘粒。 土力学与基础工程学习笔记二 土粒粒组划分 随粒径变化土的透水性、粘性、毛细水变化不同。如颗粒由大到小，则 透水性 由大→小 粘 性 由小→大 毛细水上升高度 由小→大。 3. 颗粒分析方法 ①筛分法粒径＞0.075mm 利用标准筛 ②密度计法粒径＜0.075m 4. 颗粒级配曲线 土力学与基础工程学习笔记二 为什么要选用半对数坐标 原因是粒径差别很大，有时达上百倍、上千倍以上，采用对数坐标便于表 达。 级配曲线有以下用途 ①判断级配好坏 缓级配好；陡级配差 ②了解各粒组合量，不同粒组分布； ③确定土的名称。 土粒的级配指标 不均匀系数 Cu 60 10 d Cu d （限制粒径；有效粒径。 ） 60 d 10 d 式中土粒质量累计百分数为 60的粒径 60 d 土粒质量累计百分数为 10的粒径 10 d 30 d 土粒质量累计百分数为 30的粒径 Cu＜5 均粒土级配差； Cu＞10 级配良好 实际上，单靠 Cu 还不够，还要考虑曲线的整体形状，故引进曲率系数 Cc 6010 2 30 dd d CC ⋅ 故对砾类土或砂类土，良好级配的条件，为同时满足 Cu≥5 Cc13 二土粒的矿物成分 土力学与基础工程学习笔记二 不同颗粒其矿物成分不同，如 漂石、卵石、圆砾同母岩； 砂粒单独矿物颗粒，长石、石英、云母。尤其石英。 粉粒多为石英和难溶盐颗粒。 粘粒粘土矿物和各种难溶盐。 粘土矿物两种原子层或称晶片构成一种硅氧晶片；基本单元 SiO 四面 体。另一种是铝氢氧晶片，基本单元 ALOH 八面体。 粘土矿物晶片示意图 晶片结合情况不同，形成不同的粘土矿物。 粘土矿物的晶格构造 粘土矿物颗粒很小，引入此表面积，即单位体积或单位质量颗粒的表面积 1cm立方颗粒， 表面积 6cm2 ， 比表面积 6cm-1 0.001mm立方颗粒，表面积 6104cm2, 比表面积 61046cm-1 1.3.2 土中水和气土中水和气 一土中水 土中水形态固态、液态、气态 1. 结合水指受电分子引力吸附于土粒表面的水电分子引力可达几千或几万个 大气压，使水分子和土粒粘在一起。结合水可分强结合水和弱结合水。 ①强结合水，性质接近固体；密度约 1.22.4g/cm3；冰点为-78℃，具有极大粘 滞度、弹性和抗剪强度。 ②弱结合水 它是紧靠强结合水外围形成的一层结合外膜。 不能传递静水压力， 其含量多时，土具有可塑性。 土力学与基础工程学习笔记二 矿物颗粒对水分子的静电引力作用 2. 自由水 存在于土粒表面电分子引力影响范围以外的水。 ①重力水在压力差以下运动，存在于地下水位以下透水土层中的地下水。 开挖基础必须注意 ②毛细水 由水和空气表面引力作用的自由水。存在于地下水位以上的透水土层中，可 分两类 ⎩ ⎨ ⎧ 毛细上升水 毛细悬挂水 毛细水产生毛细粘聚力 二土中气 土中气可分为与大气连通的和不连通的气体。封闭气泡度与透水性减小。淤 泥有机质含量高时，土不易压密高压缩性。 1.3.3 土的结构和构造土的结构和构造 土的结构土的结构是指土粒单元的大小、形状、相互排列及其联结等因素 形成的综合特征。 按颗粒排列不同可分为 a单粒结构按不同排列可分为疏松的紧密的； b蜂窝结构主要由粉粒组成类似蜂窝形状； c絮状结构粘粒，形状似棉絮。 土力学与基础工程学习笔记二 土的构造土层中物质成分和颗粒大都相近的，各部分之间相互关系的特 征称为土的构造。如，土的层理构造等。 1.4土的三相量比例指标土的三相量比例指标 土中三相之间相互比例不同， 土的工程性质也不同， 因此需要定量研究二相 之间的比例关系， 即土的物理性质指标的物理意义和数值大小。 工程实际中常用 三相图来表示， 如上图所示。 图中把自然界中土的三相混合分布的情况分别集中 起来 固相集中于下部， 液相居中部， 气相集中于上部， 图左边标出各相的质量， 图右边标明各相的体积，图中符号含义如下 V土的总体积，; awsv VVVVVV s w Vv土的孔隙体积， va VVV； Vs土粒体积; Va气体体积; Vw水的体积; m土的总质量，; aw mmmm s ma土中气体的质量; ms固体颗粒质量; mw水的质量。 1.4.1 室内直接测定的指标室内直接测定的指标 一土粒比重土粒相对密度 s d 11 1 ss s s m d vww ρ ρρ ⋅ 土粒质量与同体积 4℃纯水的质量比， 1w ρ纯水在 4℃时的密度， g/cm3 ，t/m3；土的比重在数值上等于土粒的密度。砂土Gs2.652.69；粉土 Gs2.702.71；粘性土Gs2.722.76 。比重瓶法测定。 二土的含水量新规程称含水率 w 100 w s m w m 水的质量 土颗粒质量 土力学与基础工程学习笔记二 土中含水的质量与土粒质量之比用烘干法测定。 试验时 s s mm w m − 湿土 ，w＜ 30硬土。 三土的密度 ρ 土单位体积的质量称为土的密度， m v ρ 土的总质量 土的总体积 粘 性 土； 砂 土； 腐 殖 土 。用环刀法测定。 3 /0 . 28 . 1cmgρ 3 /0 . 26 . 1cmgρ 3 /7 . 15 . 1cmgρ 1.4.2 换算指标换算指标 （四）土的干密度 d ρ ，饱和密度 sat ρ ，有效密度 ρ′ 1. 土的干密度是土单位体积中固体颗粒的质量，干密度是评定土体紧密程度的 标准。 s d m v ρ 土颗粒质量 土的总体积 2. 饱和密度是土孔隙体充满水时单位体积质量，称为土的饱和密度。 svw sat mv v ρ ρ 土孔隙充满水时的质量 总体积 3. 地下水位以下，单独土体积中土粒质量扣除浮力后，即为单位土体积中土粒 的有效质量，称为土的浮密度。 w satw ss mv v ρ ρρρ − ′ − 4. 重度和密度重度又称土的重力密度kN/m3 g⋅ργ g dd ⋅ργ g satsat ⋅ργ 重度单位kN/m3，常用于应力计算。 五土的孔隙比和孔隙率 1. 土的孔隙比 e 是土中孔隙体积与土粒体积之比。e＜0.6 较密实，e＞1.0 疏松 土。 v s v e v 孔隙体积 土粒体积 2. 孔隙率 v v n v 孔隙体积 土粒总体积 六饱和度 γ S 土中被水充满的孔隙体积与孔隙总体积比称饱和度用表示。 γ S 土力学与基础工程学习笔记二 100 w v v S v γ 水的体积 孔隙体积 γ S ≤50稍湿；50≤≤80 很湿；≥80饱和 γ S γ S 证明 1． 1 1 1 s w dwm ve ρρ 2． 1 d w ρ ρ 由公式 1 1 s d w s s mm m vv mm wv m m ρ ρ 3． 1 1 sw dw e ρ ρ − 由右式 1 111 sw w sasss ss mm m vmvvvv e mm vv v v ρ ρ − − − − 4． 1 sw sat de e ρ ρ 1 svws satw mvde ve ρ ρρ 5． 1 11 sswswswsw mvdvd vee ρρρρ ρ −−− ′ 6． 1 e n e 1 1 v ve n ve 7． s wd S e γ ws v vwd S ve γ 小结土的三相量比例指标系三相的比例指标，概括为 1. 质量/质量 s w m m w 1 wd m d s s s ρ 2. 质量/体积 ,,,, s s ssdsat v m ′ρρρρρρ 3．体积/体积 s v v v e ， v v n v ， v w v v S γ 土力学与基础工程学习笔记二 指标换算设 1 s v 体积 evv wssw wdwmmρ ev1 wssw wdmmmρ1 1 s v wss dmρ 气 水 土粒 1 s v ws s s v m d ρ 1 ⋅ ∴ wss dmρ v s v v v v e s w m m w ∴ wssw wdwmmρ ev1 ws wdmρ1 推导公式 ① 1 1 − ρ ρw s wd e 证右式 1 1 sw vs dwm e m vv ρ ρ ∴ 1 1 sw dw e ρ ρ − ② 1 e n e 证 1 v ve n； ve ③ s d w Sγ e 证 // wwwsww v vmwdwds veee γ S ρρρ ④ 1 d w ρ ρ 证 // 1 1 s s wsw ss m mm vm v m wv mmm mv mm ρ ⋅ ⑤ 1 sw sat de e ρ ρ 证 s 11 svwswwsw at mvdede vee ρρρρ ρ 需要说明由于研究比例指标，所以 土力学与基础工程学习笔记二 设， ，均可。 1v10v 100 s v 需要说明 以上我们讨论土的密度。在有关土力学计算中常用土的重力密度，简称重度γ。 重度γ，饱和重度 sat γ ，干重度 d γ ， 有效重度γ ′， 其单位kN/m3 g⋅ργ g 为重力加速度。 土的三相比例换算公式 1.5 无粘性土的密实度无粘性土的密实度 一 用相对密度Dγ 无粘性土的密实度，可用孔隙比e来表示，但e受多种因素的影响，如（矿 物成分级配、 粒度成分等） 并且砂土原状土样很难取得， 故常采用相对密度Dγ来 土力学与基础工程学习笔记二 判定 max maxmin r ee D ee − − 松散的 中密的 密实的 3 2 3 1 1 γ D 二 用标准贯入击数来判定 标准贯入试验是一种原位测试方法。试验方法是将质量为63 .5 kg的锤头， 提升到76 cm的高度，让锤头自由下落，打击标准贯入器，使贯入器入土深为30 crn所需的锤击数，记为N63.5，这是一种简便的测试方法。N63.5的大小，综合反 映了土的贯入阻力的大小，亦即密实度的大小。 砂土的密实度 松散 稍密 中密 密实 N ≤10 10＜N≤15 15＜N≤30 ＞30 三碎石土的野外鉴定法 根据骨架颗粒含量来排列。根据可挖性、可钻性，分为密实、中密、稍密。 1.6 粘性土的物理特征粘性土的物理特征 1.6.1 粘性土的界限含水量粘性土的界限含水量 粘性土由一种状态转到另一种状态的分界含水量叫做界限含水量。 （研究粘 性土的分类及工程性质的评价） 缩限w y 塑限 p w液限 L w w 固态 半固态 可塑状态 流动状态 液限采用锥式液限仪例定, 圆锥体76克 5秒 下沉1mm。 L w 为和国际接轨，我国新土工试验规程规定使用碟式液限仪，其操作步骤 为将制备的浓糊状的试样放在碟内，刮平表面，用切檀器在土中成檀，檀底宽 度2mm， 然后将碟子抬高10mm,使碟落， 连续25次后， 如土槽合拢长为13mm， 此时试样的含水量即为液限。 粘性土的塑限采用搓条法测得直径3mm时恰好断裂，土条的含水量就是塑 限值。 p w 我国新的土工试验规程规定用联合测定仪求液限、塑限。 采用电磁放锥对试样的含水量多次试验，在双对数座标纸上作出76克圆锥 体的入土深度与含水量的关系曲线，对应于10mm及2mm时土样的含水量分别 为该土的液限和塑限。 1.6.2 粘性土的塑性指数和液性指数粘性土的塑性指数和液性指数 塑性指数 PLp Iww−，它是综合反映影响粘性土特征的重要因素工程，工 程上按塑性指数对粘性土分类。 建筑地基基础设计规定GBJ7-89规定粘性土按塑性指数，又分为粘土、粉 质粘土。 土力学与基础工程学习笔记二 液性指数 pp L LpP wwww I wwI −− − 按软硬状态划分。 L I ≤0 坚硬 0＜≤0.25 硬塑 L I 0.25＜≤0.75 可塑 L I 0.75＜≤1.00 软塑 L I L I ＞1.00 流塑 1.6.3粘性土的灵敏度和触变性粘性土的灵敏度和触变性 灵敏度 u t u q S q ′ 式中 原状试样的无侧限抗压强度，kPa u q 重塑试样的无侧限抗压强度 ，kPa u q′ 1＜St≤2 低灵敏；2＜St≤4 中灵敏；St＞4 高灵敏。 土的灵敏度越高，结构性愈强，受扰动后降低的强度也愈多。因此，应保护 基檀，减少对结构的扰动。 触变性抗剪强度随时间恢复的胶体化学性质。 1.7 土的渗透性土的渗透性 土的渗透性是土的重要性质之一， 研究渗透无论对固结变形和渗流稳定都有 重要意义。 1.7.1 达西渗透定律达西渗透定律 1856年，法国学者达西对饱和砂土进行试验发现层流状态，渗透流量和水 头差成正比，并与试样的路径成反比。即 土力学与基础工程学习笔记二 12 hh QKA s − ⋅ ∆ Q渗透流量。cm3/S A 垂直于渗流方向试样的截面积 将水力坡降i定义为 12 hh s − ∆ ，可改写为 QKiA。 如以单位面积流过试样的流量为流速，则上式可改写为 KiV 式中K土的渗透系数cm/s 。K值反映土渗透性强弱，其值等于水力梯度为1 时的渗透速度。 渗透系数常通过以下途径测定 ①渗透试验； ②现场抽水试验。 1.8 土的分类土的分类 1.8.1 岩土工程分类岩土工程分类 1.按坚硬程度 根据其坚硬程度划分为坚硬岩、较硬岩、较软岩、软岩、极软岩等5类。 2.按风化程度 按风化程度可分为微风化、中风化和强风化。 3.按成因 根据其成因条件可分为岩浆岩、沉积岩、变质岩。 4.按软化系数 1.8.2 碎石土分类碎石土分类 根据土的粒径级配中各粒组的含量和颗粒形状进行分类定名。 1.8.3 沙土分类沙土分类 砂类土根据粒组含量不同又细分为砾砂、粗砂、中砂、细砂和粉砂五类。 1.8.4 粉土粉土 定义 粒径大于等于75 mm的颗粒含量不超过全重的50 ， 且塑性指数Ip≤10 的土。 1.8.5 粘性土粘性土 土力学与基础工程学习笔记二 定义 土的塑性指数Ip10时的土，称为粘性土。 1.按沉积年代分 2.按Ip分 粉质粘土10 17 Ip是用圆锥法测得的。 1.8.6 塑性图分类塑性图分类 1.8.7 特殊土特殊土