1、土力學(xué)教案,主要內(nèi)容：土的生成與特性；土的三相組成；土的三相比例指標(biāo) 重點(diǎn)內(nèi)容：土的三相組成；土的三相比例指標(biāo)及其相互關(guān)系 教學(xué)方法：精講啟發(fā)式與邏輯推理式,第二章 土的物理性質(zhì)與工程分類 2.1 土的生成與特性 一、土的生成 土是由巖石經(jīng)風(fēng)化、剝蝕、搬運(yùn)、沉積等過程后的產(chǎn)物，土的來源是巖石。地球表面3080km范圍是地殼，地殼原來是堅(jiān)硬的巖石。 完整巖石 風(fēng)化和剝蝕 不同粒度的固體顆粒 搬運(yùn)和沉積 土（第四紀(jì)沉積物）成巖作用 巖石。 所以，在地殼變動(dòng)的億萬年歷史長河中，巖石和土可能交替地反復(fù)形成，周期性的破碎和集合。,二、土的特性 在土力學(xué)中，將土作為一種工程材料來研究。與其它材料相比，土有

2、如下特性： 1散體性（壓縮性大、強(qiáng)度低、透水性大）：顆粒之間無粘結(jié)或弱粘結(jié)，存在大量孔隙，可以透水、透氣。 2多相性：土往往是由固體顆粒、水和氣體組成的三相體系，三相之間質(zhì)和量的變化直接影響它的工程性質(zhì)。 3成層性：土粒在沉積過程中，不同階段沉積物成分、顆粒大小及顏色等不同，而使豎向呈現(xiàn)成層的特征。 4. 變異性：土是在自然界漫長的地質(zhì)歷史時(shí)期演化形成的多礦物組合體，性質(zhì)復(fù)雜，不均勻，且隨時(shí)間還在不斷變化。,2.2 土的三相組成 土體中由土的顆粒形成骨架，骨架之間存在孔隙，孔隙中存在著液態(tài)水和空氣。 不同地區(qū)的土體，其三相構(gòu)成的比例是不同的，即便同一地點(diǎn)的土體，其三相組成也隨環(huán)境的變化而變化。

3、如天氣的晴雨、季節(jié)的變化、溫度的高低、地下水位的升降等，都會引起土體三相比例的變化。,若土中孔隙全部被水充滿時(shí)為飽和土；孔隙全部被氣體充滿時(shí)稱為干土；土中孔隙同時(shí)有水和氣體存在時(shí)為非飽和土。 土體的三相比例不同，土的狀態(tài)和工程性質(zhì)也不相同。如：如干粘土堅(jiān)硬、強(qiáng)度大，濕粘土顯可塑性、強(qiáng)度低。 由此可見，土的三相對其物理力學(xué)性質(zhì)有重大影響，所以首先應(yīng)研究土的三相組成。 一、土的固體顆粒 1土粒的劃分在自然界中存在各種土，其顆粒有大小是不同的。由110-6mm的極細(xì)粘土顆粒，,一直變化到幾米大小的巖石碎塊 。最終反映在土的物理力學(xué)性質(zhì)上也出現(xiàn)明顯的差別。也就是說，即便土的礦物成份相同，但當(dāng)其顆粒不同

4、時(shí)，土的物理性質(zhì)也明顯不同。比如，當(dāng)土粒變細(xì)時(shí)，可由無粘性變?yōu)橛姓承?，其抗壓?qiáng)度下降，壓縮性提高。 土粒的大小稱為粒度。在工程上常把大小相近的土粒合并為一組，稱為粒組。顆粒間的分界線是人為確的定。 對粒組的劃分，各個(gè)國家，甚至一個(gè)國家各個(gè)部門都有不同的規(guī)定。,1）建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50007-2002）的劃分標(biāo)準(zhǔn)（表21）； （2）水電部（SL237-1999）的劃分標(biāo)準(zhǔn)（表22）； （3）土的分類標(biāo)準(zhǔn)（GBJ145-90）的劃分標(biāo)準(zhǔn)（表23）。,表1-1為建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50007-2002）的劃分標(biāo)準(zhǔn),表1-2為水電部（SL237-1999）的劃分標(biāo)準(zhǔn),表1-3為土的分類

5、標(biāo)準(zhǔn)（GBJ145-90）的劃分標(biāo)準(zhǔn)。,2、粒度成份及其表示方法 土的粒度成份是指土中各種不同粒組的相對 含量，以干土重量的百分比表示。它用來 描述土的各種不同粒徑土粒的分布特性。 常見的粒度成份表示方法有： （1）表格法，以列表形式直接表達(dá)各粒組的百分含量，見下表。 （2）累計(jì)曲線法（見圖21）。是一種較完善的圖示方法，通常采用對數(shù)坐標(biāo)。橫坐標(biāo)按對數(shù)坐標(biāo)表示粒徑d，縱坐標(biāo)表示小于某一粒徑的土粒的百分含量。,根據(jù)曲線的陡緩可進(jìn)行粗略分析：如曲線平緩，表示粒徑相差懸殊，土粒不均勻，即級配良好（圖2-1中a線）；反之，曲線很陡，表示粒徑均勻，級配不好（圖2-1中b線）。,根據(jù)累計(jì)曲線的坡度，只能粗

6、略了解土粒級配的好壞，但要科學(xué)的評價(jià)土顆粒級配情況，要有定量指標(biāo)。 首先介紹幾個(gè)概念： 有效粒徑d10：小于某粒徑的土相對含量為10時(shí)，相應(yīng)的粒徑稱為有效粒徑。 限制粒徑d60：小于某粒徑的土的相對含量為60時(shí)，相應(yīng)的粒徑為限制粒徑。 不均勻系數(shù):,曲率系數(shù)(或稱級配系數(shù))： 評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)Cu 10時(shí) 稱為級配良好的土； 當(dāng) Cu 510且Cc = 13時(shí)，土級配良好，否則不好。 3粒度成份分析法 粒度成份分析的目的是確定各粒組顆粒的相對含量。對于顆粒大于0.075mm的土，可用“篩分法”。對于顆粒小于0.075mm的土，可用“沉降分析法”。,下面介紹這兩種方法： （1）篩分法 拿一套孔徑不同

7、的標(biāo)準(zhǔn)篩，其孔徑分別為200、60、20、10、5、2、1、0.5、0.25、0.1、0.075mm，按孔徑大小自上而下迭放著，并放上底盤。篩分前，首先將土樣烘干，使之松散，稱取土樣總重量。然后將土樣倒入最上面的一只篩中，經(jīng)過振動(dòng)，各個(gè)篩及底盤中均留有或多或少的土樣，稱取留在各個(gè)篩孔上的土重，除以土樣總重，可得各粒組土粒的相對含量。 （2）沉降分析法，包括比重計(jì)法和移液管法?？蓞⒖加嘘P(guān)土工試驗(yàn)規(guī)程 ，留在試驗(yàn)課講解。,二、土中水 土中水有不同形態(tài)，如固態(tài)的冰、氣態(tài)的水蒸汽、液態(tài)的水，還有礦物顆粒晶格的結(jié)晶水。 水蒸汽一般對土的影響不大（包括在氣體中）。結(jié)晶水是土顆粒的組成部分，不能自由移動(dòng)，只

8、有在高溫下才能脫離晶格，對土的性質(zhì)影響也不大（包括在土顆粒中）。至于固態(tài)的冰，只有當(dāng)土中的溫度低于00C時(shí)，土中水結(jié)冰成為固態(tài)。當(dāng)土中水結(jié)冰時(shí)，發(fā)生凍脹現(xiàn)象，當(dāng)融化時(shí)又產(chǎn)生融陷現(xiàn)象，使建筑物產(chǎn)生不均勻沉降。在北方寒冷地區(qū)，“凍脹”和“融陷”對建筑物或多或少地產(chǎn)生影響，但在南方，凍結(jié)深度很小。不會產(chǎn)生影響，對土性影響最大的還是液態(tài)水。,1. 土粒與水的相互作用 土粒表面一般帶有負(fù)電荷，圍繞土粒形成電場，由于水分子是極性分子，在電場作用下將定向排列，土粒與水分子的吸引力稱為電分子引力（靜電引力），電分子引力隨距土粒距離而減小 ，,如上圖所示。在靠近土粒表面處，電分子引力最強(qiáng)，把水分子牢固地吸附在顆

9、粒表面而形成吸附層（固定層）。在吸附層外，靜電引力比較小，水分子的活動(dòng)性要比吸附層大一些，形成擴(kuò)散層。在擴(kuò)散層之外，水分子幾乎不受靜電引力作用，因此，其排列是雜亂無章的。 吸附后和擴(kuò)散層與土粒表面負(fù)電荷統(tǒng)稱為雙電層。 2.中水的分類,（1）結(jié)合水： 是被土顆粒表面電分子引力吸附著的一層較薄的水，即位于吸附層的擴(kuò)散層中的水。 結(jié)合水的密度、粘度均比一般水高，冰點(diǎn)低于00C，最低可達(dá)零下幾十度，對土的工程性質(zhì)影響極大。按電分子引力的強(qiáng)弱，結(jié)合水分為強(qiáng)結(jié)合水和弱結(jié)合水。 強(qiáng)結(jié)合水（吸著水）：靠近土粒表面吸附層中的水。 其特征： a、電分子引力最大，可達(dá)1000個(gè)大氣壓；,b、厚度為幾個(gè)水分子厚； c

10、、冰點(diǎn)很低，最低為-78C，不凍結(jié)； d、不能自由流動(dòng)，在1050C時(shí)才能蒸發(fā)； e、性質(zhì)接近固體，不能傳遞靜水壓力，具有極大的粘滯性、彈性和抗剪強(qiáng)度。 弱結(jié)合水（薄膜水）：處于擴(kuò)散層中的水。 其特征： a、受電分子引力較小，呈粘滯狀態(tài)，厚度稍大些； b、不能自由流動(dòng)，不能傳遞靜水壓力；,c、有從厚水膜向薄水膜移動(dòng)的特性。 隨著與土粒表面的距離增大，電分子引力逐漸減少，弱結(jié)合水逐漸過渡為自由水。 （2）自由水： 電場影響范圍以外，服從重力規(guī)律的土孔隙中的水，稱為自由水。 其特征： a、無抗剪強(qiáng)度，能傳遞靜水壓力； b、在重力作用下在土孔隙中可由高處向低處流動(dòng)； c、具有溶巖能力。,自由水可分為

11、重力水和毛細(xì)水。 重力水：在孔隙中只受重力作用而自由流動(dòng)的水。重力水一般只存在于地下水位以下的透水層中。 毛細(xì)水：受到表面張力作用而存在于地下水位以上的透水層中的自由水。 由于表面張力作用，地下水沿著土孔隙不規(guī)則的毛細(xì)孔上升，形成毛細(xì)上升帶。其上升高度主要取決于土顆粒的大小，粘性土中為56m。對于粒徑大于2mm的土無毛細(xì)現(xiàn)象，毛細(xì)水對公路路基的干濕狀態(tài)及凍害有重要的影響，對砂土的強(qiáng)度也有一定的影響。,三、土中氣體 土中孔隙中沒有被水占據(jù)的部分都是氣體，可分為： 1、自由氣體：是指與大氣連通的土孔隙中的氣體，在土受壓縮時(shí)逸出，對工程無影響。這種含氣體的土稱為非飽和土。 2、封閉氣泡：指與大氣隔，

12、存在于粘性土層中的氣體。 土中氣泡多時(shí)增加了土的壓縮性，但同時(shí)減少了土的滲透性，對土的工程性質(zhì)影響較大。在受到外力作用時(shí)，隨著壓力的增大，這種氣泡可被壓縮或溶解于水中；壓力減小時(shí)，氣泡可恢復(fù)原狀或重新游離出來。 在泥和泥炭土中，由于微生物的活動(dòng)和分解作用，土中產(chǎn)生一些可燃?xì)怏w(如硫化氫、甲烷等)，使土層不易在自重作用下壓密而形成高壓縮性的軟土層。,2.3 土的三相比例指標(biāo) 上節(jié)我們著重介紹了土的三相組成，既土是由固體顆粒、水和氣體組成的，本節(jié)著重研究這三者在數(shù)量上的關(guān)系。 土的三相比例指標(biāo)：土的三相在體積和重量上的關(guān)系稱為土的三相比例指標(biāo)。 為研究土的三相比例指標(biāo)，在土中任取一體積為V的土體，

13、是由固體顆粒、水和氣體組成的，假設(shè)能夠?qū)⑷叻蛛x開來，如下圖所示：,圖中：ma-土中氣體的質(zhì)量（可忽略，即ma = 0） mw-土中水的質(zhì)量 ms-土中固體顆粒的質(zhì)量 m-土的總質(zhì)量 Va-土中氣體所占體積 Vw-土中水所占體積 Vs-土中固體顆粒所占體積 Vv-土中孔隙部分體積，Vv = Vw + Va V-土的總體積，V = Vv + Vs = Va + Vw + Vs,一、試驗(yàn)指標(biāo) （一）土的密度和重度 密度：單位體積土的質(zhì)量稱為土的密度。 一般土的1.62.0gcm3 。土越密實(shí)，密度越大。 測定方法：土的密度用“環(huán)刀法”測定，將環(huán)刀放在原狀土樣上面，邊壓邊削去環(huán)刀外圍的土，直至土樣壓

14、滿環(huán)刀容積為止，稱得環(huán)刀內(nèi)土樣質(zhì)量，與環(huán)刀容積之比既為土的密度。,2. 重度：單位體積土的重力,稱為重量密度（簡稱重度）,即： （二）土的含水量 1定義：土中水的質(zhì)量與土顆粒質(zhì)量之比，稱為含水量，常用百分?jǐn)?shù)來表示，即 土的含水量反映土的干濕程度，含水量越大，土越濕越軟，地基土承載能力越低。我國沿海軟粘土含水量常接近50，高者達(dá)6070。,2. 測定方法：一般采用“烘干法”測定，取一小塊原狀土（濕土），稱取其質(zhì)量，記為m1。然后置于烘箱內(nèi)，烘箱內(nèi)溫度一般控制1001050C，烘至恒重，再稱土樣質(zhì)量，記為m2 （干土的重量）。則，土的含水量為： 式中：m1-原狀土樣的濕土質(zhì)量； m2-烘干后土樣的

15、干土質(zhì)量（即為土顆粒質(zhì)量ms）。 快速測定的方法：酒精燃烘法，紅外線法，鐵鍋炒干法。,（三）土粒相對密度（土粒比重）ds 1定義：土粒的質(zhì)量與同體積純蒸餾水在4C時(shí)質(zhì)量的比值，稱為土粒的相對密度，即 式中：s土粒的密度，即單位體積土粒的質(zhì)量（s= sg稱為土粒密度）； w4C時(shí)純蒸餾水的密度，一般取 w 1.0g/cm3。 因?yàn)閣 1.0g/cm3，故實(shí)用上，土粒相對密度在數(shù)值上即等于土粒的密度，但是一無量綱數(shù)。,2測定方法：比重瓶法測定。 土粒相對密度的變化范圍不大，細(xì)粒土（粘性土）一般為2.702.75；砂土一般為2.65左右。土中有機(jī)質(zhì)含量增加時(shí)，土粒相對密度減小。 二、換算指標(biāo) （一）

16、干密度Pd與干重度d 1.干密度Pd：土的固相質(zhì)量ms與總體積v之比，即: Pd越大，土越密實(shí)，常作為填土容實(shí)度的施工控制指標(biāo)。 2.干重度d =Pd g = 10Pd,（二）飽和密度Psat與飽和重度sat 1. 飽和密度Psat ：土中孔隙全部充滿水時(shí)，單位體積土的質(zhì)量。 2飽和重度sat = Psat g = 10 Psat （三）有效密度P（浮密度）和有效重度 （浮重度） 1有效密度：在地下水位以下，單位體積中土粒的質(zhì)量扣除同體積水的質(zhì)量后，即為單位土體積中土粒的有效質(zhì)量，稱為土的有效密度，即,2有效重度 = P g=10P（kN/m3） = sat w(w=10KN/m3) （四）土

17、的孔隙比 土中孔隙體積與顆粒體積之比，稱為孔隙比，即 e=Vv/Vs 孔隙比是表明土密實(shí)程度的一個(gè)很重要的物理指標(biāo)，建筑物的沉降量與的孔隙比有著密切的關(guān)系。天然狀態(tài)下的粘性土 1時(shí)，土是松軟的，建筑物的沉降量也大，屬高壓縮性土。 （五）孔隙率（度）n 土中孔隙體積與總體積之比，以百分?jǐn)?shù)表示，即：,（六）土的飽和度Sr 土中水的體積與孔隙體積之比，以百分?jǐn)?shù)表示，即： 土的飽和度反映土的潮濕程度。如果Sr=100%，表明土孔隙中充滿水，土是完全飽和的；Sr=0，則土是完全干燥的。通?？筛鶕?jù)飽和度的大小將砂土劃分為稍濕、很濕和飽和三種狀態(tài)： Sr50% 稍濕 50%Sr80% 很濕 Sr80% 飽和,三、指標(biāo)間的關(guān)系