土質(zhì)學(xué)與土力學(xué) 緒論第一二章

1、土質(zhì)學(xué)與土力學(xué)FOUNDATION SOIL SCIENCE AND SOIL MECHNICS 課程安排授課時間： 4 11周 44 學(xué)時課程性質(zhì)：主干課及考試課考試形式：實行累加式，平時考核占10% ，平時作業(yè)占10%，實驗課占10%，期末考試占70%，缺席達(dá)到10課時取消期末考試資格。授課教師：王幼清 教材： 土質(zhì)學(xué)與土力學(xué)袁聚云等編參考書： 土質(zhì)學(xué)與土力學(xué)洪毓康編2022年7月19日 緒 論 一、土質(zhì)學(xué)及土力學(xué)的基本概念和研究對象1、土質(zhì)學(xué)及土力學(xué) 土質(zhì)學(xué)是研究土物質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)的科學(xué)。例如研究土成因及分布、土粒的大小、形狀、排列方式及其相互連接以及與地下水發(fā)生物理化學(xué)作用等。 土力

2、學(xué)是研究土體的力學(xué)。主要研究土體的應(yīng)力、應(yīng)變、強度、穩(wěn)定性以及滲流規(guī)律等等。 土質(zhì)學(xué)及土力學(xué)的研究對象都是土，主要研究土的工程性質(zhì)，為解決與土有關(guān)的工程問題提供分析方法、為工程設(shè)計提供土的計算指標(biāo)。它是土木專業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)課。2、土體土是巖石礦物固體顆粒集合體，也稱為土體。土體的物理力學(xué)性能與其生成條件、環(huán)境條件、所處位置等密切相關(guān)。3、土體在工程中的作用 1)傳力介質(zhì)地基 2)建筑材料堤壩、路基、路面等4、工程中需解決的有關(guān)土體問題 1)地基沉降問題 2)地基的承載能力及穩(wěn)定問題 3)地基滲流破壞問題 4)路堤邊坡滑移及其他問題基礎(chǔ)建筑物向地基傳遞 荷載的下部結(jié)構(gòu)。 地基 受建筑物荷載影響的部

3、分土體。橋墩路堤2022年7月19日 二、本課程的特點1、研究對象（土）是一種極為復(fù)雜的力學(xué)介質(zhì)。 主要表現(xiàn)出以下特性： a、多樣性 b、局部性或地方性c、多相介質(zhì) d、結(jié)構(gòu)性強 e、本構(gòu)非線性 f、土中應(yīng)力分為有效應(yīng)力和孔隙水壓力 g、表現(xiàn)為剪切破壞 h、剪縮與剪脹性 i、力學(xué)性能與應(yīng)力歷史有關(guān)2、以勘察和試驗為基礎(chǔ) 由于土的物理力學(xué)性質(zhì)復(fù)雜多變, 對每一項工程都要進(jìn)行現(xiàn)場勘察和土工試驗, 了解土的性質(zhì), 然后進(jìn)行設(shè)計和計算。3、實踐性強 土質(zhì)學(xué)及土力學(xué)直接為巖土工程設(shè)計和施工服務(wù)。4、綜合性強 土質(zhì)學(xué)及土力學(xué)主要涉及工程地質(zhì)學(xué)、彈塑性力學(xué)、建筑工程施工技術(shù)等其他學(xué)科。5、高度依賴工程經(jīng)驗

4、由于土的物理力學(xué)性質(zhì)極為復(fù)雜, 理論計算誤差較大, 需要通過工程經(jīng)驗進(jìn)行修正。2022年7月19日 三、土質(zhì)學(xué)與土力學(xué)的發(fā)展概況及成果 有關(guān)土力學(xué)的研究始于18世紀(jì)，隨著土木工程的發(fā)展和土力學(xué)理論研究的不斷深入，土力學(xué)逐步與土質(zhì)學(xué)相結(jié)合，較好地反映了土的工程性質(zhì)。取得的主要成果如下： 1773年法國科學(xué)家?guī)靵霭l(fā)表了土的抗剪強度和土壓力理論 1869年英國科學(xué)家朗肯發(fā)表了土壓力理論 1900年莫爾-庫侖提出了土體抗剪強度的極限平衡理論 1920年法國學(xué)者普朗特爾提出了地基極限承載力理論 1922年瑞典學(xué)者費倫紐斯和比得森提出了土坡穩(wěn)定分析方法 1925年美籍奧地利人太沙基寫出第一部土力學(xué)專著 1

5、936年在美國召開第一屆國際土力學(xué)與基礎(chǔ)工程學(xué)術(shù)會議此后在其他 國家陸續(xù)召開了十四屆國際土力學(xué)與巖土工程會議 1957年中國土木工程學(xué)會設(shè)立了土力學(xué)及基礎(chǔ)工程委員會 1962年我國召開第一屆全國土力學(xué)與基礎(chǔ)工程會議, 以后又陸續(xù)召開 了十余屆全國土力學(xué)與基礎(chǔ)工程會議 1983年黃文熙院士出版發(fā)行了土的工程性質(zhì)專著 1990年朱百里、沈珠江出版發(fā)行了計算土力學(xué)專著 1996年錢家歡、殷宗澤出版發(fā)行了土工原理與計算專著 2000年沈珠江院士出版發(fā)行了理論土力學(xué)專著2022年7月19日 四、本課程的學(xué)習(xí)方法和要求 1、理解概念，弄清原理，具體問題，具體分析。 2、切忌死記硬背。 3、按時完成作業(yè)，及

6、時消化課堂內(nèi)容。第1章 土的物理性質(zhì)及工程分類 土是由巖石風(fēng)化(物理風(fēng)化、化學(xué)風(fēng)化、生物風(fēng)化)后形成的顆粒堆積物。 巖石經(jīng)過剝蝕、搬運、沉積后形成土。 不同成因類型的土具有不同的工程性質(zhì)。例如：殘積土、坡積土、洪積土、沖積土、風(fēng)積土等等。 土粒相互之間的孔隙中有水和空氣。 土體是由顆粒（固相）、水（液相）、空氣（氣相）三相組成。 土顆粒大小不均勻，形狀不規(guī)則及其排列、組合千變?nèi)f化。 土的性質(zhì)主要由土的三相組成及其比例關(guān)系決定。 1.1 土的三相組成 1、土的固相 組成土粒的物質(zhì)一般分兩類： 原生礦物母巖礦物,存在于粗大的土粒中,例如：砂粒、礫石、碎石等。 次生礦物原生礦物經(jīng)化學(xué)風(fēng)化后生成的新礦

7、物,存在于細(xì)粒土，例如： 黏土顆?；蚍Q黏土礦物。常見的有:高嶺石、伊利石、蒙脫石等。 土的固相中除土粒外，還有部分腐殖質(zhì)礦物和有機物等。 2022年7月19日 2、土的液相 土中水是一種成分復(fù)雜的電解質(zhì)水溶液，按土粒礦物的親水性一般分兩類： 結(jié)合水受電荷引力作用而吸附在土粒表面的水膜。按引力的強弱又 分為強結(jié)合水(吸附層)和弱結(jié)合水(擴散層)。 自由水電荷引力作用以外的水，包括毛細(xì)水和重力水。毛細(xì)水受重力和 表面張力控制，不能流動；重力水受重力或水壓差作用能流動。 3、土的氣相 土中氣體分為連通氣體和封閉氣體兩種。連通氣體對土的性質(zhì)影響不大，封閉氣體會增加土體的彈性，使土的工程性質(zhì)復(fù)雜化。 1

8、.2 土的顆粒特征一、土粒粒組的劃分 天然土中土粒的大小相差很大，因此土的性能千差萬別。為了研究土的性能，需進(jìn)行粒組劃分：將大小相近性能變化不大的土粒劃為同一組。由于各粒組的性能易于確定，所以可按各粒組在土中的相對含量綜合確定土的性能。不同系統(tǒng)的粒組劃分有所不同。二、土粒組成的表示方法 土體由各粒組混合而成，則土粒大小及其分布情況可用各粒組在土中的相對含量(各粒組干土重量百分比)表示，稱為土的顆粒級配或粒度成分。 土的顆粒級配有三種表示方法：表格法、累計曲線法、三角坐標(biāo)法2022年7月19日 (1)表格法直接給出各粒組含量或小于某粒徑的粒組累計含量。該法簡單方便。 (2)累計曲線法用豎坐標(biāo)表示

9、小于某粒徑土的百分含量，用對數(shù)橫坐標(biāo)表示粒徑繪制土 的級配曲線。并用不均勻系數(shù)、曲率系數(shù)反映土級配情況。該法直觀形象。 不均勻系數(shù)： 曲率系數(shù)： 式中 累計百分含量為10%、30%、60%的粒徑，由累計曲 線測得。當(dāng) 時，土的級配良好。 為有效粒徑； 為限定粒徑。 (3)三角坐標(biāo)法用等腰三角形的三條邊表示砂粒、粉粒、黏粒粒組的坐標(biāo)，以三角形內(nèi) 一點的三個高分別表示土中三個粒組的含量。該法主要用于路面選料設(shè)計。2022年7月19日 三、土的顆粒分析方法 土中各粒組的分布情況可通過試驗測定。對于粒徑 的土，采用篩分法。對粒徑 時采用比重計法(沉降分析法)。其原理：根據(jù)Stokes定律， 液體中下降

10、的顆粒直徑： 比重計測點處的密度： 則 ，懸液中 土粒重 占土?？傊?百分比 式中 土粒及水的密度 。 1.3 土的三相比例指標(biāo) 土的性質(zhì)主要由土的三相組成及其比例關(guān)系決定。土的三相比例指標(biāo)可以定量描述土的物理性質(zhì)。土的三相比例指標(biāo)可以分為試驗指標(biāo)和換算指標(biāo)兩類：一、試驗指標(biāo) 2022年7月19日二、換算指標(biāo) 三、三相比例指標(biāo)的換算關(guān)系 利用三相草圖換算，取 并假定 ，則 ，由 ， ， ，按定義有： 2022年7月19日 1.4 黏性土的界限含水率一、黏性土的狀態(tài)與界限含水率 黏性土的狀態(tài)隨含水量的增大而變軟: 固態(tài) 半固態(tài) 可塑狀態(tài) 流動狀態(tài) 1、液限 由可塑狀態(tài)轉(zhuǎn)到流動狀態(tài)的界限含水量。

11、2、塑限 由半固態(tài)轉(zhuǎn)到可塑狀態(tài)的界限含水量。 3、縮限 體積不再縮小對應(yīng)的界限含水量。二、塑性指數(shù) 塑性指數(shù)是表示黏性土可塑性大小的指標(biāo)，用 錐式液限儀可塑狀態(tài)的含水率變化范圍定義： 應(yīng)用中塑性指數(shù)以不帶“”的數(shù)值表示。三、液性指數(shù)液性指數(shù)是表示黏性土軟硬狀態(tài)的指標(biāo)，定義為含水率和塑限的差值與液限和塑限的差值之比：碟式液限儀2022年7月19日 1.無黏性土的密實度一、 砂土的相對密度、相對密實度指標(biāo)定義 式中 、 分別為最大和最小孔隙比，由試驗測得。、砂土按相對密度指標(biāo)分類 密實度 密實 中密 松散 相對密度 密實 中密 松散 三等分 二、無黏性土密實度劃分的其他方法、砂土密實度按標(biāo)準(zhǔn)貫入錘

12、擊數(shù) 分類、碎石土密實度按重型動力觸探錘擊數(shù) 分類、碎石土密實度按超重型動力觸探錘擊數(shù) 分類、砂土密實度按天然孔隙比 分類2022年7月19日 1.6 土的工程分類一、概述不同的工程系統(tǒng)采用不同的分類標(biāo)準(zhǔn)。土的分類在原則上主要考慮了以下三個因素：(1)土的沉積歷史和地質(zhì)成因；(2)土的組成；(3)土的工程性質(zhì)。 建筑地基土的分類如下：二、建筑地基土的分類標(biāo)準(zhǔn)1、按沉積年代和地質(zhì)成因劃分 按沉積年代劃分有:老沉積土、新近沉積土。 按地質(zhì)成因劃分有: 殘積土、坡積土、洪積土、沖積土、湖積土、海積土、風(fēng)積土、冰積土等。2、按顆粒級配和塑性指數(shù)劃分(1)碎石土粒徑大于2mm的顆粒含量超過全重50%的土

13、稱為碎石土。(2)砂土粒徑大于2mm的顆粒含量不超過全重50%，且大于0.075mm的顆粒含量超過全重50%的土稱為砂土。(3)粉土 , 粒徑大于0.075mm的顆粒含量不超過全重50%的土稱為粉土。(4)黏性土塑性指數(shù) 的土稱為黏性土。 第 1 章 作業(yè)：習(xí)題 1-1、1-2、1-3、1-4、1-52022年7月19日 第2章 黏性土的物理化學(xué)性質(zhì) 2.1 鍵力的基本概念 鍵力是原子與原子之間或分子與分子之間的聯(lián)結(jié)力。主要包括化學(xué)鍵、分子鍵、及氫鍵三種。土物質(zhì)靠鍵力形成土體，了解鍵力的概念有助于認(rèn)識土體的物理化學(xué)性質(zhì)。 1、化學(xué)鍵 化學(xué)鍵是原子與原子之間的聯(lián)結(jié)。包括離子鍵、共價鍵、金屬鍵?；?/p>

14、學(xué)鍵也叫主鍵或高能鍵，聯(lián)結(jié)力很強。土粒內(nèi)部的氧原子、硅原子或鋁離子靠化學(xué)鍵聯(lián)結(jié)成牢固的礦物晶格，所以在工程中土體破壞時土粒并不會破壞，而是土粒相互之間發(fā)生滑動。 2、分子鍵 分子鍵是分子與分子之間的聯(lián)結(jié)。分子鍵也叫次鍵或低能鍵，聯(lián)結(jié)力很弱。土體的強度主要由分子鍵決定。 3、氫鍵 氫鍵是氫原子與其它帶負(fù)電荷原子之間的聯(lián)結(jié)。氫鍵的聯(lián)結(jié)力介于主鍵和次鍵之間，并具有方向性和飽和性。例如，當(dāng)外部能量低于氫鍵的聯(lián)結(jié)能，水分子相互之間會以氫鍵聯(lián)結(jié)而使水分子定向排列，造成分子間隙增大，出現(xiàn)結(jié)冰凍脹現(xiàn)象。冰或凍土的強度由氫鍵決定。2022年7月19日2.2 黏土礦物顆粒的結(jié)晶結(jié)構(gòu) 黏土礦物的物理化學(xué)性質(zhì)與其顆粒

15、的大小及其結(jié)晶結(jié)構(gòu)有關(guān)，因此需要了解黏土礦 物顆粒的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。 1、黏土礦物顆粒的形狀 高嶺石 伊利石 蒙脫石 黏土礦物顆粒一般為鱗片狀。 直徑 常見黏土礦物顆粒尺度： 厚度 比表面 10 100 800 2、黏土礦物的晶體結(jié)構(gòu) 黏土礦物的晶體結(jié)構(gòu)主要由兩種晶片構(gòu)成： 兩種晶片通過化學(xué)鍵聯(lián)結(jié)成兩種晶體細(xì)胞。 兩種晶胞通過分子鍵和氫鍵形成3種常見黏土礦物顆粒： 高嶺石，結(jié)構(gòu)單元為1:1型晶格，若干晶胞由氫鍵聯(lián)結(jié)成礦物顆粒。較牢固。 蒙脫石，結(jié)構(gòu)單元為2:1型晶格，若干晶胞由分子鍵聯(lián)結(jié)成礦物顆粒。較弱。 伊利石，結(jié)構(gòu)單元為2:1型晶格，若干晶胞由鉀離子聯(lián)結(jié)成礦物顆粒。聯(lián)結(jié)力介于高嶺石和蒙脫石之間。

16、 高嶺石 蒙脫石 伊利石2022年7月19日 2.3 黏土顆粒的膠體化學(xué)性質(zhì) 小于0.005mm的黏土礦物顆粒具有膠體的化學(xué)特性，其原因是由于土粒表 面帶電。帶電土粒與介質(zhì)相互作用表現(xiàn)出粘性。 一、黏土顆粒表面帶電的成因 (1)邊緣破鍵造成電荷不平衡 (2)同晶置換作用 (3)水化解離作用 (4)選擇性吸附 二、雙電層的概念 由于土粒表面帶負(fù)電荷，能吸附水分子和一些陽離子， 形成結(jié)合水膜。在結(jié)合水膜內(nèi)正負(fù)電荷平衡，所以也稱結(jié)合 水膜為雙電層。其中陽離子價位高、數(shù)量多，則結(jié)合水膜厚 度減小，反之厚度增大。 雙電層包括強結(jié)合水和弱結(jié)合水。 (1)強結(jié)合水水分子排列很緊密，厚度很薄，密度為1.22.4，冰點負(fù)78度，表現(xiàn)為 固態(tài)。 (2)弱結(jié)合水水分子排列漸稀，厚度按電荷強弱分布，且占雙電層大部分，