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1、土与土力学基本知识,1.1 土的成因1.2 土的组成1.3 土的物理性质指标1.4 土的物理状态指标 1.5 土的压缩性,主要内容,1.6 土的抗剪性能,1.1 土的成因,大块岩石,风化（物理、化学、生物）作用,岩石破碎 化学成分改变,搬运作用沉积作用,大小、形状和成分都不相同的松散颗粒集合体（土）,土,固相,液相,气相,土中颗粒的大小、成分及三相之间的相互作用和比例关系，反映出土的不同性质,一、土的生成,二、土的结构,土的结构指土生成过程中所形成的土粒的空间排列及其连接形式。与组成土的颗粒大小、颗粒形状、矿物成分和沉积条件有关。,1.单粒结构：d0.075mm，粗矿物颗粒在水或空气中在自重作
2、用下沉落形成的单粒结构，其特点是土粒间存在点与点的接触。根据形成条件不同，可分为密实状态和疏松状态。,2.蜂窝结构：d=0.0050.075mm的粉粒，颗粒间点与点接触，由于彼此之间引力大于重力，接触后，不再继续下沉，形成链环单位,很多链环联结起来，形成孔隙较大的蜂窝状结构。,3.絮状结构：d0.005mm，细微粘粒大都呈针状或片状，质量极轻，在水中处于悬浮状态。,1.2 土的组成(p88),一、土的固相土颗粒,土粒的大小、相关矿物成分以及大小搭配情况对土的物理力学性质有明显影响,1.粒组的划分,粒组：粒径大小在一定范围内的土粒，其矿物成分及性质都比较接近，划分为一个粒组。划分粒组的分界尺寸称
3、为界限粒径。,土,固相土颗粒：矿物、有机质,液相土中水：水及其溶解物,气相土中气：空气和其他气体,2.土的颗粒级配,工程上将各种不同的土粒按其粒径范围，划分为若干粒组，为了表示土粒的大小及组成情况，通常以土中各个粒组的相对含量（即各粒组占土粒总量的百分数）来表示，称为土的颗粒级配。,试验方法,筛分法：适用于0.075mmd60mm,比重计法:适用于d0.075mm,筛分法,用一套孔径不同的筛子，按从上至下筛孔逐渐减小放置。将事先称过质量的烘干土样过筛，称出留在各筛上的土质量，然后计算其占总土粒质量的百分数。目前我国采用的标准筛的最小孔径为0.075mm（或0.1mm）。,比重计法,利用不同大小
4、的土粒在水中的沉降速度不同来确定小于某粒径的土粒含量,颗粒级配曲线,纵坐标表示小于某粒径的土粒含量百分比,横坐标表示土粒的粒径(用对数坐标表示）,曲线陡，表示粒径大小相差不多，土颗粒比较均匀，级配不良；曲线缓，表示粒径大小相差悬殊，土颗粒不均匀，级配良好。,颗粒级配的判别,不均匀系数Cu描述颗粒级配的不均匀程度，表明大小不同粒组的分布情况,d10 有效粒径，小于某粒径的土粒含量占总质量的10%时相应的粒径d60限定粒径，小于某粒径的土粒含量占总质量的60%时相应的粒径d30小于某粒径的土粒含量占总质量的30%时相应的粒径,Cu愈大，表示土粒愈不均匀。工程上把Cu5的土视为级配不良的土；Cu10
5、的土视为级配良好的土,曲率系数Cc描述颗粒级配曲线整体形状，表明某粒组是否缺失情况,对于砾类土或砂类土，同时满足Cu5和Cc=13时，为良好级配,1.3 土的物理性质指标(p88),一、土的三相图,质量m,体积V,二、直接测定指标,1.土的密度：单位体积土的质量。实验室可用环刀法测定。,工程中常用重度 来表示单位体积土的重力。,重力加速度，近似取10m/s2,2.土粒相对密度Gs（土粒比重）：土粒质量与同体积的4时纯水的质量之比。实验室可用比重瓶法测定。,土粒相对密度变化范围不大：细粒土（粘性土）一般2.702.75；砂土一般为2.65左右。土中有机质含量增加，土粒相对密度减小。,3.土的含水
6、量：土中水的质量与土粒质量之比，以百分数表示。,土的含水量是标志土含水程度的一个重要物理指标。天然土层含水量变化范围较大，与土的种类、埋藏条件及其所处的自然地理环境等有关。一般来说，同一类土，当含水量增大时，其强度就降低。,实验室可用烘干法，亦可近似用酒精燃烧法。,三、换算指标,1.孔隙比e和孔隙率n,孔隙比e：土中孔隙体积与土粒体积之比。可以用来评价天然土层的密实程度。,孔隙率n：土中孔隙体积与总体积之比，以百分数表示。,2.土的饱和度Sr：土中孔隙水的体积与孔隙总体积之比，以百分数表示。,饱和度描述土中孔隙被水充满的程度。干土：Sr=0,饱和土：Sr=100%。砂土：根据饱和度分为三种状态
7、:,Sr50%稍湿 50Sr80%很湿 Sr80%饱和,3.不同状态下土的密度和重度,饱和密度sat：土体中孔隙完全被水充满时的土的密度。,浮密度：土单位体积内土粒质量与同体积水的质量之差。,干密度d：单位体积中固体颗粒部分的质量。,土的三相比例指标中的质量密度指标共有4个(kg/m3)：土的密度 饱和密度sat干密度d浮密度,相应的重度指标也有4个(kN/m3)：土的重度饱和重度sat干重度d浮重度,1.4 土的物理状态指标,一、无粘性土,土的密实度指单位体积土中固体颗粒的含量。根据土颗粒含量的多少，天然状态下的砂土、碎石土等处于从紧密到松散的不同物理状态。无粘性土的密实度与其工程性质有着密
8、切关系。,1.孔隙比e,孔隙比e可以用来表示砂土的密实度。对于同一种土，当孔隙比小于某一限度时，处于密实状态。孔隙比愈大，土愈松散。,2.相对密实度Dr：无粘性土的最大孔隙比与天然孔隙比之差和最大孔隙比与最小孔隙比之差的比值。,砂土在天然状态下孔隙比,砂土在最密实状态时的孔隙比,砂土在最松散状态时的孔隙比,主要物理状态是密实度,相对密实度的值介于01之间，值越大，表示越密实。当Dr=0时，e=emax，表示土处于最疏松状态;当Dr=1.0时，e=emin，表示土体处于最密实状态。,3.按动力触探确定无粘性土的密实度,Dr1/3,疏松状态,1/3Dr2/3,中密状态,2/3Dr 1,密实状态,天
9、然砂土的密实度，可按原位标准贯入试验的锤击数N进行评定。天然碎石土的密实度，可按原位重型圆锥动力触探的锤击数N63.5进行评定(GB50007-2002)。,二、粘性土,稠度是指土的软硬程度或土受外力作用所引起变形或破坏的抵抗能力,是粘性土最主要的物理状态特征。,0,固态,可塑状态,流动状态,(%),塑限P,液限L,粘性土由某一种状态转变到另一状态的分界含水量称为土的界限含水量。,液限、塑限测定根据土工试验规程(SL237-007-1999)规定，采用液塑限联合测定仪进行测定。,缩限s,半固态,主要物理状态是稠度（软硬程度）,1.界限含水量,液塑限联合测定仪(锥式仪法测定液限试验),下沉深度为
10、17mm所对应的含水量为液限;下沉深度为2mm处所对应的含水量为塑限。,2.塑性指数,塑性指数IP是液限和塑限的差值(省去%)，即土处在可塑状态的含水量变化范围。,说明：塑性指数的大小取决于土颗粒吸附结合水的能力,即与土中粘粒含量有关。粘粒含量越多,塑性指数就越高,可塑性越强。,说明：液性指数表征土的天然含水量与界限含水量间的相对关系。当IL0时,P,土处于坚硬状态;当IL1时,L,土处于流动状态。根据IL值可以直接判定土的软硬状态。（例）,液性指数IL是粘性土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比,3.液性指数,4.粘性土的灵敏度和触变性土的灵敏度：原状土的强度与同一土经重塑（含水量不变，土
11、的结构被彻底破坏）后的强度之比。,土的触变性：粘性土受扰动后，土的强度会降低，但静置一段时间后，土的强度又会逐渐增长，称为土的触变性。,St 越大，土的灵敏度越高，其结构性越强，受扰动后土的强度降低就越多。施工中要尽量减少对土结构的扰动。,原状土无侧限抗压强度KPa,重塑土无侧限抗压强度KPa,根据灵敏度将粘性土分类：,低灵敏度土 1St2,中灵敏度土 2 St4,高灵敏度土 St4,1.5 土的压缩性（P91-92）,一、基本概念（一）压缩性,2.土体压缩变形的原因：土颗粒本身的压缩土中水和气体的压缩孔隙中水和气体的排出,占总压缩量的1/400不到，忽略不计,压缩量的主要组成部分,3.压缩机
12、理：土的压缩被认为只是由于孔隙体积减小的结果。,透水性好，水易于排出,压缩稳定很快完成,透水性差，水不易排出,压缩稳定需要很长一段时间,1.土的压缩性：指土在压力作用下体积缩小的特性。,概述,土的强度：通常是指土的抗剪强度，而不是土的抗压强度或抗拉强度。土的抗剪强度：指土对剪切破坏的极限抵抗能力。应用：土的抗剪强度对地基承载力、挡土墙土压力和土坡稳定分析等问题产生直接影响。,路堤、挡土墙、基础失稳示意图,1.6 土的抗剪性能,土的剪切破坏：地基受荷载作用后，土中各点同时产生法向应力和剪应力，其中法向应力将对土体施加约束力，这是有利的因素；而剪应力可使土体发生剪切，这是不利的因素。若地基中某点的
13、剪应力超过该点的抗剪强度，则此点的土将沿着剪应力作用方向产生相对滑动，此时称该点发生剪切破坏。,土的抗剪强度,一、库仑定律(1776年),库仑定律,1776年，库仑根据砂土剪切试验,f=tan,砂土,后来，根据粘性土剪切试验,f=c+tan,粘土,c,库仑定律：土的抗剪强度是剪切面上的法向总应力 的线性函数，也称土的抗剪强度定律。,c:土的粘聚力:土的内摩擦角,砂土,粘性土和粉土,c和称为抗剪强度指标,二、土体抗剪强度的影响因素,库伦公式表明，土体的抗剪强度主要是由两部分所组成的，即内摩擦力tg和粘聚力c。（一）土的抗剪强度的构成1.摩擦力tg滑动摩擦力：剪切面土粒间表面的粗糙所产生的摩擦力
14、咬合摩擦力：土粒间互相嵌入、咬合所产生的咬合力 2.粘聚力 c 各种物理化学作用力，包括库伦力(静电力)、范德华力、胶结作用等等。一般观点认为，无粘性土不具有粘聚力。（二）抗剪强度影响因素1.摩擦力：剪切面上的法向总应力、土的密度、土的颗粒级配、土颗粒形状以及表面粗糙程度、矿物成分等。2.粘聚力：颗粒间距离、土粒比表面积、粒径、胶结程度、含水量、土的结构等。3.孔隙水压力的影响：只有有效应力才能产生土的内摩擦强度。,三、莫尔-库伦强度理论（1910）,理论分析和实践都证明，莫尔理论对土比较合适。莫尔（Mohr,1910）提出：材料的破坏为剪切破坏，当任一平面上的剪应力等于材料的抗剪强度时该点就发生破坏，破坏面上的剪应力f是该面上法向应力 的函数，即,此函数在f-坐标中是一条曲线，称为莫尔包线（抗剪强度包线）。一般土在应力水平不很高的情况下，莫尔破坏包线近似于一条直线，该直线的方程就是库伦公式表示的方程。,莫尔包线,莫尔包线表示：材料在不同应力作用下达到极限状态时，滑动面上法向应力与剪应力f 的关系。,f=c+tan,
