《土质与土力学》绪论.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,土质学与土力学,FOUNDATION SOIL SCIENCE AND SOIL MECHNICS,课程安排,授课时间：,4,11,周,44,学时,课程性质：主干课及考试课,考试形式：实行累加式，平时考核占,10%,，平时作业占,10%,，实验课占,10%,，期末考试占,70%,，缺席达到,10,课时取消期末考试资格。,2025年8月31日,绪 论,一、土质学及土力学的基本概念和研究对象,1,、土质学及土力学,土质学,是研究土物质的物理化学性质的科学。例如研究土成因及分布、土粒的大小、形状、排列方式及其相互连接以及与地下水发生物理化学作用等。,土力学,是研究土体的力学。主要研究土体的应力、应变、强度、稳定性以及渗流规律等等。,土质学及土力学的研究对象都是土，主要研究土的工程性质，为解决与土有关的工程问题提供分析方法、为工程设计提供土的计算指标。它是土木专业的技术基础课。,2,、土体,土,是岩石矿物固体颗粒集合体，也称为,土体,。土体的物理力学性能与其生成条件、环境条件、所处位置等密切相关。,3,、土体在工程中的作用,1),传力介质,地基,2),建筑材料,堤坝,、路基、路面等,4,、工程中需解决的有关土体问题,1),地基沉降问题,2),地基的承载能力及稳定问题,3),地基渗流破坏问题,4),路堤边坡滑移及其他问题,基础,建筑物向地基传递,荷载的下部结构。,地基,受建筑物荷载影响的部分土体。,桥墩,路堤,2025年8月31日,二、本课程的特点,1,、研究对象（土）是一种极为复杂的力学介质。,主要表现出以下特性：,a,、多样性,b,、局部性或地方性,c,、多相介质,d,、结构性强,e,、本构非线性,f,、土中应力分为有效应力和孔隙水压力,g,、表现为剪切破坏,h,、剪缩与剪胀性,i,、力学性能与应力历史有关,2,、以勘察和试验为基础,由于土的物理力学性质复杂多变,对每一项工程都要进行现场勘察和土工试验,了解土的性质,然后进行设计和计算。,3,、实践性强,土质学及土力学直接为岩土工程设计和施工服务。,4,、综合性强,土质学及土力学主要涉及工程地质学、弹塑性力学、建筑工程施工技术等其他学科。,5,、高度依赖工程经验,由于土的物理力学性质极为复杂,理论计算误差较大,需要通过工程经验进行修正。,2025年8月31日,四、本课程的学习方法和要求,1,、理解概念，弄清原理，具体问题，具体分析。,2,、切忌死记硬背。,3,、按时完成作业，及时消化课堂内容。,第,1,章 土的物理性质及工程分类,土是由岩石风化,(,物理风化、化学风化、生物风化,),后形成的颗粒堆积物。,岩石经过,剥蚀、搬运、沉积,后形成土。,不同成因类型的土具有不同的工程性质。,例如：,残积土、坡积土、洪积土、冲积土、风积土,等等。,土粒相互之间的孔隙中有水和空气。,土体是由颗粒（,固相,）、水（,液相,）、空气（,气相,）三相组成。,土颗粒大小不均匀，形状不规则及其排列、组合千变万化。,土的性质主要由,土的三相组成,及其比例关系决定。,1.1,土的三相组成,1,、土的固相,组成土粒的物质一般分两类：,原生矿物,母岩矿物,存在于粗大的土粒中,例如：砂粒、砾石、碎石等。,次生矿物,原生矿物经化学风化后生成的新矿物,存在于细粒土，例如：,黏土颗粒或称黏土矿物。常见的有,:,高岭石、伊利石、蒙脱石等。,土的固相中除土粒外，还有部分腐殖质矿物和有机物等。,2025年8月31日,2,、土的液相,土中水是一种成分复杂的电解质水溶液，按土粒矿物的亲水性一般分两类：,结合水,受电荷引力作用而吸附在土粒表面的水膜。按引力的强弱又,分为,强结合水,(,吸附层,),和,弱结合水,(,扩散层,),。,自由水,电荷引力作用以外的水，包括,毛细水,和,重力水,。毛细水受重力和,表面张力控制，不能流动；重力水受重力或水压差作用能流动。,3,、土的气相,土中气体分为,连通气体,和,封闭气体,两种。连通气体对土的性质影响不大，封闭气体会增加土体的弹性，使土的工程性质复杂化。,1.2,土的颗粒特征,一、土粒粒组的划分,天然土中土粒的大小相差很大，因此土的性能千差万别。为了研究土的性能，需进行粒组划分：将大小相近性能变化不大的土粒划为同一组。由于各粒组的性能易于确定，所以可按各粒组在土中的相对含量综合确定土的性能。,不同系统的粒组划分有所不同。,二、土粒组成的表示方法,土体由各粒组混合而成，则土粒大小及其分布情况可用各粒组在土中的相对含量,(,各粒组干土重量百分比,),表示，称为土的,颗粒级配,或,粒度成分,。,土的颗粒级配有三种表示方法：表格法、累计曲线法、三角坐标法,2025年8月31日,(,1),表格法,直接给出各粒组含量或小于某粒径的粒组累计含量。该法简单方便。,(2),累计曲线法,用竖坐标表示小于某粒径土的百分含量，用对数横坐标表示粒径绘制土,的级配曲线。并用,不均匀系数,、,曲率系数,反映土级配情况。该法直观形象。,不均匀系数：曲率系数：,式中 累计百分含量为,10%,、,30%,、,60%,的粒径，由累计曲,线测得。当 时，土的级配良好。,为有效粒径；为限定粒径。,(3),三角坐标法,用等腰三角形的三条边表示砂粒、粉粒、黏粒粒组的坐标，以三角形内,一点的三个高分别表示土中三个粒组的含量。该法主要用于路面选料设计。,2025年8月31日,三、土的颗粒分析方法,土中各粒组的分布情况可通过试验测定。对于粒径,的土，采用筛分法。对粒径,时采用,比重计法,(,沉降分析法,),。其原理：根据,Stokes,定律，,液体中下降的颗粒直径：,比重计测点处的密度：,则 ，悬液中 土粒重 占土粒总重 百分比,式中 土粒及水的密度 。,1.3,土的三相比例指标,土的性质主要由土的三相组成及其比例关系决定。土的三相比例指标可以定量描述土的物理性质。土的三相比例指标可以分为试验指标和换算指标两类：,一、试验指标,2025年8月31日,二、换算指标,三、三相比例指标的换算关系,利用三相草图换算，取 并假定 ，则 ，由 ，,，按定义有：,2025年8月31日,1.4,黏性土的界限含水率,一、黏性土的状态与界限含水率,黏性土的状态随含水量的增大而变软,:,固态 半固态 可塑状态 流动状态,1,、液限,由可塑状态转到流动状态的界限含水量。,2,、塑限,由半固态转到可塑状态的界限含水量。,3,、缩限,体积不再缩小对应的界限含水量。,二、塑性指数,塑性指数是表示黏性土可塑性大小的指标，用,锥式液限仪,可塑状态的含水率变化范围定义：,应用中塑性指数以不带,“,”,的数值表示。,三、液性指数,液性指数是表示黏性土软硬状态的指标，定义,为含水率和塑限的差值与液限和塑限的差值之比：,碟式液限仪,2025年8月31日,1.,无黏性土的密实度,一、砂土的相对密度,、相对密实度指标定义,式中 、分别为最大和最小孔隙比，由试验测得。,、砂土按相对密度指标分类,密实度 密实 中密 松散,相对密度,密实 中密 松散,三等分,二、无黏性土密实度划分的其他方法,、砂土密实度按标准贯入锤击数 分类,、碎石土密实度按重型动力触探锤击数 分类,、碎石土密实度按超重型动力触探锤击数 分类,、砂土密实度按天然孔隙比 分类,2025年8月31日,1.6,土的工程分类,一、概述,不同的工程系统采用不同的分类标准。土的分类在原则上主要考虑了以下三个因素：,(,1),土的沉积历史和地质成因；,(2),土的组成；,(3),土的工程性质。,建筑地基土的分类如下：,二、建筑地基土的分类标准,1,、按沉积年代和地质成因划分,按沉积年代划分有,:,老沉积土、新近沉积土,。,按地质成因划分有,:,残积土、坡积土、洪积土、冲积土、湖积土、海积土、风积土、冰积土,等。,2,、按颗粒级配和塑性指数划分,(1),碎石土,粒径大于,2mm,的颗粒含量超过全重,50%,的土称为碎石土。,(2),砂土,粒径大于,2mm,的颗粒含量不超过全重,50%,，且大于,0.075mm,的颗粒含量超过全重,50%,的土称为砂土。,(3),粉土,粒径大于,0.075mm,的颗粒含量不超过全重,50%,的土称为粉土。,(4),黏性土,塑性指数 的土称为黏性土。,第,1,章 作业：习题,1-1,、,1-2,、,1-3,、,1-4,、,1-5,2025年8月31日,第,2,章 黏性土的物理化学性质,2.1,键力的基本概念,键力是原子与原子之间或分子与分子之间的联结力。主要包括,化学键,、,分子键,、及,氢键,三种。土物质靠键力形成土体，了解键力的概念有助于认识土体的物理化学性质。,1,、化学键,化学键是原子与原子之间的联结。包括离子键、共价键、金属键。化学键也叫主键或高能键，联结力很强。土粒内部的氧原子、硅原子或铝离子靠化学键联结成牢固的矿物晶格，所以在工程中土体破坏时土粒并不会破坏，而是土粒相互之间发生滑动。,2,、分子键,分子键是分子与分子之间的联结。分子键也叫次键或低能键，联结力很弱。土体的强度主要由分子键决定。,3,、氢键,氢键是氢原子与其它带负电荷原子之间的联结。氢键的,联结力介于主键和次键之间，并具有方向性和饱和性。例如，当外部能量低于氢键的联结能，水分子相互之间会以氢键联结而使水分子定向排列，造成分子间隙增大，出现结冰冻胀现象。冰或冻土的强度由氢键决定。,2025年8月31日,2.2,黏土矿物颗粒的结晶结构,黏土矿物的,物理化学性质与其颗粒的大小及其,结晶结构有关，因此需要了解黏土矿,物颗粒的结晶结构。,1,、黏土矿物颗粒的形状,高岭石 伊利石 蒙脱石,黏土矿物颗粒一般为,鳞片状,。,直径,常见黏土矿物颗粒尺度：,厚度,比表面,10 100 800,2,、黏土矿物的晶体结构,黏土矿物的晶体结构主要由两种晶片构成：,两种晶片通过化学键联结成两种晶体细胞。,两种晶胞通过分子键和氢键形成,3,种常见黏土矿物颗粒：,高岭石，结构单元为,1:1,型晶格，若干晶胞由氢键联结成矿物颗粒。较牢固。,蒙脱石，结构单元为,2:1,型晶格，若干晶胞由分子键联结成矿物颗粒。较弱。,伊利石，结构单元为,2:1,型晶格，若干晶胞由钾离子联结成矿物颗粒。联结力介于高岭石和蒙脱石之间。,高岭石 蒙脱石 伊利石,2025年8月31日,2.3,黏土颗粒的胶体化学性质,小于,0.005mm,的黏土矿物颗粒具有胶体的化学特性，其原因是由于土粒表,面带电。带电土粒与介质相互作用表现出粘性。,一、黏土颗粒表面带电的成因,(1),边缘破键造成电荷不平衡,(2),同晶置换作用,(3),水化解离作用,(4),选择性吸附,二、双电层的概念,由于土粒表面带负电荷，能吸附水分子和一些阳离子，,形成,结合水膜,。在结合水膜内正负电荷平衡，所以也称结合,水膜为,双电层,。其中,阳离子价位高、数量多，则结合水膜厚,度减小,，反之厚度增大。,双电层,包括,强结合水,和,弱结合水。,(1),强结合水,水分子排列很紧密，厚度很薄，密度为,1.22.4,，冰点负,78,度，表现为,固态。,(2),弱结合水,水分子排列渐稀，厚度按电荷强弱分布，且占双电层大部分，密度大,于,1.0,，冰点低于,0,度，表现为由硬逐渐变软状态，当土中含水率较大双电层较厚时外表,具有滑腻性。,2025年8月31日,2.4,黏性土工程性质的利用和改良,在工程中可以利用和改良黏性土的某些特性，使之为工程服务。,一、电渗排水和电化学加固,(1),电渗排水,(2),电化学加固,二、利用离子交换改良黏土的工程性质,在土中增加阳离子含量，或以高价阳离子置换低价,阳离子，可使弱结合水膜变薄或消除，降低土的黏性，,增加土的透水性。,三、利用黏性土的胶体触变特性,(1),桩基钻孔泥浆护壁,(2),盾构或沉井减阻泥浆润滑,