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1、 土质学与土力学土质学与土力学绪论土质学与土力学的概念v土质学是一门研究土的组成、化学-物理-力学性质，以及它们之间的相互关系的学科 v土力学是一门研究土体渗流、压缩和强度三个主要课题的学科 土质学与土力学的研究对象v研究对象：土 土的性状变化很大，土力学理论依靠较多的简化假设，因此在处理工程中的土力学问题时，不能单凭数学和力学的方法，我们同时需要室内和野外的测试手段，实地观察和经验判断。土质学与土力学学习的基本要求 v了解土的基本物理力学性质、掌握若干主要土工实验的基本原理和一般方法v了解土体在承受荷载后或改变其周围环境后的性能、变化规律v掌握一般水工建筑物设计中有关土力学内容的计算方法。土
2、质学与土力学的学习方法v学习土质学与土力学，必须特别注意认识土的特点多样性易变性v土质学与土力学密切结合专业和实践的一门课程，学习中不但要着重于基本概念的理解，掌握计算方法而且要学会初步解决实际问题的能力。土质学与土力学与其他课程的关系v土质学与土力学属于技术基础课，它在一般基础课和专业课之间起到承上启下的作用。v先行课程：材料力学、结构力学、弹性理论初步、工程地质学与水文地质学、水力学v后续课程：水工结构、地基及基础v土质学与土力学是一门边缘学科，它所设计的自然科学范围很广，除了和力学领域内各邻近学科有密切关系外，它还涉及到普通地质学、物理、化学等方面的知识领域。土质学与土力学的发展简史 v
3、土质学与土力学是一门既古老、又新兴的学科，人类很早就懂得广泛利用土进行工程建设（我国的长城、南北大运河）直到十八世纪中叶，人类对土在工程建设方面的特性，尚停留在感性认识阶段感性认识阶段。土质学与土力学的发展简史v十八世纪产业革命后，提出了大量与土力学有关的问题和不少成功的经验，特别是一些工程事故的教训，迫切促使人们去寻求理论的解释，并要求永通过实践检验的理论来直到以后的工程实践。v筑城学（欧洲）墙后土压力问题v铁路、公路、水利工程 土坡稳定问题v半经验分析阶段半经验分析阶段土质学与土力学的发展简史v二十世纪，随着土建规模的扩大，促使人们全面地系统地对土的力学性质作理论和实践研究，科学技术不断发
4、展，世界不少国家分分成立专门土力学研究机构，重点研究。v十八世纪二十年代，著名的土力学家太沙基的土力学专著土力学问世，标志着土力学作为一门独立的较系统而完整的学科，自1936年以来，已召开了十一届国际土力学和基础工程学术会议。v近四十年来，由于尖端科学、生产发展的需要，土力学的研究领域又有了明显的扩大v土动力学、冻土力学、海洋土力学、月球土力学v同时岩石力学也已与土力学分离而单独称为一门学科。第一章 土的物质组成和结构构造 第一节 土的概况 土的概念：在土木工程领域，土是指覆盖在地表的没有胶结和弱胶结的颗粒堆积物，土与岩石的区分仅在于颗粒胶结的强弱，所以，有时也会遇到难以区分的情况。土的来源
5、v土根据来源可分为 无机土：岩石风化 天然土 土是岩石风化的产物 有机土：腐殖土，由植物完全或部分分解的堆积物具有高压缩性、低强度，为不良建筑物地基v风化：物理风化：温度 应力 岩石开裂 水的冻胀 裂缝张开 岩石开裂 波浪冲击 地震 风 沙砾冲击 岩石破裂 化学风化：岩石与空气、水和各种溶液相接触经 氧化 炭化 作用 分解成细小的颗粒 致使岩石的矿物成分发生变化 水化 在自然界，物理风化和化学风化是同时或交替进行的，所以任何一种天然土通常既是物理风化的产物，又是化学风化的产物。土的种类v残积土：岩石风化后仍然留在原地的堆积物。残积土的厚度和风化程度主要取决于气候条件和暴露时间，其明显特征是颗粒
6、多为角粒，且母岩种类对残积土的性质有显著影响。(优良母岩、质地不良母岩)。v运积土：经流水、风和冰川等动力搬运离开产地的堆积物。分为 河流运积土 风积土 冰川沉积土 沼泽土（腐植土）河流沉积土 水冲积形成的，上游颗粒粗，下游颗粒细，故：上游：强透水，引起渗漏和渗透变形问题。下游：地基土的高压缩性和低强度引起的基础沉降和稳定问题，同时要考虑渗透变形问题。风积土v黄土v典型特点：湿陷性，所谓湿陷性指黄土未浸水时，含水率低，一般10%左右，仍能维持陡壁或承受较大的建筑物荷载，可一旦湿水，其胶结强度会迅速降低，会在自重或建筑物荷载下剧烈下沉，黄土的这种性质称为湿陷性。冰川沉积土 v未经水流搬运，直接从
7、冰层中搁置下来的冰碛土。v其特点是：不成层，性质一般不均匀，可作为土石坝的不透水材料，而化学胶结的冰碛土具有很高的密实性，常常是极好的建筑物地基。v冰水冲积土：由冰川融化水搬运、堆积在冰层外围的冲积土，具有与河流冲积土类似的性质，是优良的透水材料和混凝土骨料。第二节 土的三相组成v土是由固体颗粒和颗粒之间的孔隙所组成，而孔隙中通常存在着水和空气两种物质，因此，土是固体颗粒、水、空气组成的混合物，常称为土的三相系。v根据研究组成土的三个部分固相、液相和气相所占用的比例不同对土的工程性质有着很大的影响。v固相：土粒、粒间胶结物、有机质 骨架v液相：水及其溶解物v气相：空气及其他气体v饱和土：土骨架
8、孔隙全部被水占满时。v干土：土骨架的孔隙仅含空气v湿土：地下水位以上，地面以下一定深度内兼含空气和水，属三相系，称为湿土。一、土的固相 v（一）成土矿物v（二）土粒的粒组v（三）土粒的分析方法v（四）土粒的级配v（一）成土矿物（一）成土矿物v 土是岩石风化的产物，土粒的矿物成分取决于成土母岩的矿物成分风化后的风化作用，一般可分为两类：v原生矿物：石英、长石、云母；岩石物理风化生成的土粒，土粒较粗，多呈浑圆状、块状或板状，吸附水的能力较弱，性质稳定，无塑性。v次生矿物：化学风化的产物，性质与母岩完全不同，一般为粘土矿物。成土矿物 砂粒v一般由石英构成，其次是长石、云母。粘粒v包含由次生矿物构成的
9、极细土粒，粘粒含量增加，土的透水性减小，可塑性和压缩性增高。v土粒的粒组 v天然土由无数大小不同的土粒组成，逐个研究它们的大小是不可能的，统称是将工程性质相近的土粒合并成一组称为粒组。v漂石粒v卵石粒 v砾 粒v砂 粒v粉 粒v粘 粒v胶 粒v巨粒组 d60mmv粗粒组 60mm0.075mmv细粒组 d0.075mmv（三）土粒的分析方法 v土的性质取决于各不同粒组的相对含量。为了确定各粒组的相对含量，必须用试验方法（颗分试验）将各粒组区分开来，最常用的颗分试验方法有筛分法和比重计法两种。v筛分法：适用于粒径大于0.075mm的土 v利用一套孔径由大到小的筛子，将事先称过质量的干试样放入筛中
10、，经过充分震摇后，把留在各级筛上的土粒分别称量，算出小于某粒径的土粒含量，用以确定土中各粒组的土粒含量 v筛分法：适用于粒径大于0.075mm的土v比重计法：适用于粒径小于0.075mm的土 v比重计法是利用不同大小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。v将一定质量土浸入水中搅拌成悬液，搅拌停止后，土粒便开始下沉，悬液的浓度随之发生变化。利用特制的密度计，在不同时刻测悬液浓度的变化。即可换算出相应的粒径及小于该粒径的土粒质量，绘出级配曲线。v比重计法：适用于粒径小于0.075mm的土v颗粒分析试验曲线 v试验结果可绘制在半对数纸上v纵坐标：小于某粒径的土粒含量v横坐标：使用对数
11、尺度表示土的粒径，可以把粒径相差上千倍的粗粒都表示出来，尤其能把占总重量少，但对土的性质可能有总要影响的颗粒部分清楚地表达出来 v颗粒分析试验曲线v颗粒分析试验曲线v土粒的级配级配的概念 v土的级配 指土中各粒组的相对含量，用土粒总重的百分数表示 v正常级配：土的颗粒大小分布是连续的，曲线坡度是渐变的 v不连续级配：土中缺乏某些粒径的土粒，曲线出现水平段 v级配良好：粒径分布曲线形状平缓，土粒大小分布范围广，土粒大小不均匀 v级配不良：粒径分布曲线形状较陡，土粒大小分布范围窄，土粒均匀 v土粒的级配级配的概念 v为了判别土粒级配是否良好，常用不均匀系数Cu和曲率系数Cc两个指标来描述粒径曲线的
12、坡度和形状。v土粒的级配颗分曲线分析v土的粒径范围窄，分布曲线陡，d10和d60靠近，土的不均匀系数小，表示土粒均匀 v土的粒径范围宽，分布曲线缓，d10和d60相距远，土的不均匀系数大，表示土粒不匀vCu大 不均匀 有细粒土填空 压密度大 vCu小 均匀 无细粒土填空 压密度小v土粒的级配颗分曲线分析v对于级配不连续的情况，有时Cu虽然大，但渗透稳定性一样不好，故Cu虽大，但并不表明土粒级配良好，还要用Cc来衡量，Cu和Cc描述了级配曲线整体特征，可描述土级配的好坏。Cc大Cc小台阶分布在台阶分布在v土粒的级配颗分曲线分析v级配的好坏由土粒的均匀程度和粒径分布曲线的形状去定。同时满足，级配良
13、好 规范规定：v二、土的液相 v土的液相是水及各离子的溶液，其含量及性质明显地影响土，尤其是粘性土的性质，如增加水平，可使土地状态由坚硬变为可塑，甚至成为流动状态的土浆。v土中水可分为下列各类：结晶水、结合水、自由水v结晶水：土粒矿物内部的水 v存在矿物结晶中的水，只有在高温（大于105）下，才能使之从矿物中析出，故可将它视作矿物本身的一部分。结合水：与土粒表面结合的水v结合水是指附着在土粒表面呈薄膜状的水，受土粒表面引力作用而不服从静水力学规律，其冰点低于零度。它比普通水有较大的粘滞性，较小的能动性和不同的密度。v粘土矿物颗粒具有较强的与水相互作用的能力，称之为亲水性。这种亲水性的土粒表面常
14、常带有负电荷，电荷的大小与土粒表面积大小有关。常用比表面积来表示电荷对土粒性能的影响。v比表面积大 电荷作用能力强v结合水：强结合水v土粒表面的负电荷吸引着周围极化了的水分子，靠近土粒表面的地方引力最大，土粒周围的水分子和离子被吸引在土粒表面附近，排列十分紧密，失去常见水的某些特性，通常把靠近土颗粒表面的一层水称为强结合水。v吸着水：弱结合水v土粒表面的引力随离开土粒表面的距离增大而迅速降低，距土粒表面稍远的地方，水分子虽仍为定向排列，但不如强吸着水那么紧密和严格，因此这层水有可能由水膜较厚处缓慢地迁移到另一土粒上去，这种运动与重力无关。这层水不能传递静水压力，称之为弱结合水。v结合水与土的物
15、理力学性质v土粒为弱结合水分隔时，由于土粒相互受到土粒表面引力的作用，因而在土颗粒间表现一定的联接强度。弱吸着水越薄，土粒间距越小，引力越高，这时联接性就越强，土粒就越不易发生移动。反之弱结合水越厚，引力降低，联接性间拖，就越易于移动。弱吸着水厚度的变化，会使土的物理力学性质发生改变。v结合水示意图v自由水（毛细管水、重力水）v自由水指土粒表面引力作用范围意外的水，与普通水一样，受重力支配，能传递静水压力并具有融解作用。v自由水毛细管水细水通道自由水上升毛细管水重力表面张力v毛细管水上升高度的影响因素v孔隙大小和形状v 粒径尺寸v 水的表面张力v毛细管水假凝聚力毛细管压力沙坑倒塌负孔隙水压力
16、可使土粒相互挤紧，可使无粘性土也象有粘聚力似得。由毛细管压力所造成无粘性土间的连接力，称之为假粘聚力。v重力水 v重力水是在重力和水位差作用下能在土中流动的自由水。它是土中其它类型水的来源。重力水具有融解能力，能传递静水和动水压力，并对土粒起浮力作用。v应当指出，水是土的一个重要组成部分。根据实用观点，一般认为它不承受剪力，但能承受压力和一定的吸力；同时，说的压缩性很小，在通常所遇到的压力范围内，它的压缩量可以忽略不计 v三、土的气相 与大气相通无影响，易挤出与大气不相通（空气、水气、天然气）压力作用下可压缩或融解 封闭气体对土的性质有较大影响，导致渗透性减小，弹性增大，拖延土的压缩和膨胀变形
17、随时间的发展过程。第三节 土的结构和构造v土的结构概念v土的结构是指土粒相互排列及粒间联结能力，土的结构是在成土过程中逐渐形成的，它与矿物成份、颗粒形状、沉积条件相关。v 土的结构土粒间的相互作用外力内力荷 载重力场化学键分子键土颗粒平衡v 土的结构土粒间的相互作用v在组成土的颗粒中，大多数粘土颗粒是呈片状或针状的，有非常大的比表面积，在一定条件下粒间作用力与其重力相比将占优势，从而影响到细粒土在沉积过程中的组构和性状。v 土的结构土粒间的相互作用范得华力转动相吸短程力v 土的结构土粒间的相互作用v在两个土粒相互靠近时，使颗粒表面吸着水层相互搭接，吸着水层中的阳离子不足以平衡土粒上的净负电荷就
18、发生粒间斥力。其大小取决于溶液的性质，并随粒间间距的指数函数递减。v 土的结构土粒间的相互作用v 土的结构土粒间的相互作用v当溶液中阳离子浓度高（吸着水薄）时，只有在粒间间距较小时，才会产生粒间斥力。v当溶液中阳离子浓度低（吸着水厚）时，则较大的粒间间距就产生了粒间斥力，而且相同粒间间距斥力也较大。v 土的结构土粒间的相互作用v粒间间距较小时，不管溶液中的阳离子浓度如何，粒间力总是净引力。随着粒间间距的增加，溶液中的阳离子浓度高时，粒间力还是净引力；当阳离子浓度低时，粒间力就成为净斥力。v土的结构类型v单粒结构 v蜂窝结构 v絮状结构 v单粒结构v特点：土粒间存在点与点的接触，随着它的形成条件
19、的不同，可形成密实的或者疏松的状态。v单粒结构疏松状态v疏松状态：在荷载作用下，特别是在震动荷载作用下会使土粒移向更稳定的位置而更加密实，同时产生较大的变形 v单粒结构密实状态v密实状态：比较稳定，力学性质好，粗砂土如砂土、砾石等土类的结构特征 v蜂窝结构 土粒下沉过程中，接触点 引力大于下沉土粒重量形 成链环状单元，很多这样 的链环状单元联接起来，便形成孔隙较大的蜂窝状 结构，蜂窝状结构常在粉 土、粘土类中遇到 v絮状结构 微小的粘粒，重量极轻，靠其自重 在水中下沉，极为缓慢，土粒表面 常带有同号电荷，因而悬浮在水中 作分子热运动，不能相互碰撞结成 粒团下沉。在悬液介质发生变化时，土表面的
20、弱吸着水厚度减薄，运动着的粘粒 相互聚合，以面对边或者面对角的 接触，并凝结成絮状物下沉。v絮状结构特点 孔隙很大，强度低、压缩性高、对扰动 比较敏感，土粒间 的联接强度会由于 压密和胶结作用而 逐渐得到加强。v絮状结构特点粒团任意排列粒团内的土粒任意排列 土体完全各向同性 粒团任意排列粒团内的土粒定向排列 土体主体各向同性 v絮状结构特点粒团定向排列粒团内的土粒任意排列 土体主体各向异性 粒团定向排列粒团内的土粒定向排列 土体完全各向异性 土的构造土的构造 土的构造是指土体中各结构单元之间土的构造是指土体中各结构单元之间的关系。主要特征是土的成层性和裂隙性的关系。主要特征是土的成层性和裂隙性,即层理构造和裂隙构造，二者都造成了土即层理构造和裂隙构造，二者都造成了土的不均匀性的不均匀性 1.1.层理构造：层理构造：土粒在沉积过程中土粒在沉积过程中,由于由于不同阶段不同阶段沉积沉积的物质成分、颗粒大小或颜色不同的物质成分、颗粒大小或颜色不同,而沿而沿竖向竖向呈现出成呈现出成层特征层特征 2.2.裂隙构造：裂隙构造：土体被许多不连续的小裂隙所土体被许多不连续的小裂隙所分割分割,在在裂隙中常充填有各种盐类的沉淀物裂隙中常充填有各种盐类的沉淀物