土力学土的物理性质指标与工程分类.pptx
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1、岩土工程研究所岩土工程研究所绪绪 论论土力学是研究土的物理性质以及在荷载作用下土体内部的应力变形和强度规律的一门学科。土力学研究对象是土需要研究和解决的工程中的三大类问题:土体稳定或强度问题;土体变形问题;渗流:渗透变形与渗透稳定。岩土工程研究所岩土工程研究所绪绪 论论土力学课程的学习方法:土力学课程的学习方法:FF注重基本概念的理解,要咬文嚼字,理解加记忆;注重基本概念的理解,要咬文嚼字,理解加记忆;FF注意基本理论学习;注意基本理论学习;FF掌握基本的计算方法掌握基本的计算方法。土力学课程的学习要求土力学课程的学习要求:FF课后复习,每章学习完要复习;课后复习,每章学习完要复习;FF作业独
2、立完成;作业独立完成;FF作业按时交作业按时交。岩土工程研究所岩土工程研究所绪绪 论论土力学的历史:土力学的历史:FF人类在同生存作斗争的历史中,积累了大量的土力学知识;人类在同生存作斗争的历史中,积累了大量的土力学知识;FF土力学作为一门系统的学科是以土力学作为一门系统的学科是以太沙基太沙基的的19251925年出版的土年出版的土力学为标志;很多力学为标志;很多基本理论、试样方法基本理论、试样方法在在2020世纪世纪7070年代前就年代前就已经形成;已经形成;FF现代土力学在现代土力学在本构模型理论、计算方法、非饱和土力学本构模型理论、计算方法、非饱和土力学有较大有较大发展;量测技术的提高;
3、土动力学理论、分析方法、测试手段发展;量测技术的提高;土动力学理论、分析方法、测试手段有很大发展和提高。有很大发展和提高。岩土工程研究所岩土工程研究所第一章第一章 土的物理性质指标与工程分类土的物理性质指标与工程分类1-1 1-1 土的形成土的形成土是松散颗粒的堆积物,是岩石风化的产物(人工破碎;堆石坝的坝壳料;相当于物理风化)。土是指覆盖在地表的没有胶结或弱胶结的颗粒堆积物根据来源分:有机土和无机土岩石风化分为物理风化和化学风化。物理风化:岩石经受风、霜、雨、雪的侵蚀,或受波浪的冲击、地震等引起各种力的作用,温度的变化、冻胀等因素使整体岩石产生裂隙、崩解碎裂成岩块、岩屑的过程。岩土工程研究所
4、岩土工程研究所第一章第一章 土的物理性质指标与工程分类土的物理性质指标与工程分类1-1 1-1 土的形成土的形成化学风化:化学风化:岩体(或岩块、岩屑)与氧气、二氧化碳等各种气体、岩体(或岩块、岩屑)与氧气、二氧化碳等各种气体、水和各种水溶液等物质相接触,经氧化、碳化和水化作用,使这水和各种水溶液等物质相接触,经氧化、碳化和水化作用,使这些岩石或岩屑逐渐产生化学变化,分解为些岩石或岩屑逐渐产生化学变化,分解为极细颗粒极细颗粒的过程。的过程。特征:特征:FF物理风化:量变过程,形成的土颗粒较粗;物理风化:量变过程,形成的土颗粒较粗;FF化学风化:质变过程,形成的土颗粒很细。化学风化:质变过程,形
5、成的土颗粒很细。对一般的土而言,通常既经历过物理风化,又有化学风对一般的土而言,通常既经历过物理风化,又有化学风化,只不过哪种占优而已。化,只不过哪种占优而已。岩土工程研究所岩土工程研究所第一章第一章 土的物理性质指标与工程分类土的物理性质指标与工程分类土从其堆积或沉积的条件来看可分为:土从其堆积或沉积的条件来看可分为:残积土:岩石风化后仍留在原地的堆积物。残积土:岩石风化后仍留在原地的堆积物。特点:湿热地带,粘土,深厚,松软,易变;特点:湿热地带,粘土,深厚,松软,易变;寒冷地带,岩块或砂,物理风化,稳定。寒冷地带,岩块或砂,物理风化,稳定。岩土工程研究所岩土工程研究所第一章第一章 土的物理
6、性质指标与工程分类土的物理性质指标与工程分类运积土:岩石风化后经流水、风和冰川以及人类活动等搬运积土:岩石风化后经流水、风和冰川以及人类活动等搬运离开生成地点后再沉积下来的堆积物。又分为冲积土、运离开生成地点后再沉积下来的堆积物。又分为冲积土、风积土、冰碛土和沼泽土等。风积土、冰碛土和沼泽土等。冲积土:由水流冲积而成;冲积土:由水流冲积而成;颗粒分选、浑圆光滑颗粒分选、浑圆光滑 风积土:由风力带动土粒经过一段搬运距离后沉积下来的风积土:由风力带动土粒经过一段搬运距离后沉积下来的堆积物;堆积物;没有层理、细砂或粉粒;没有层理、细砂或粉粒;黄土黄土 冰碛土:由冰川剥落、搬运形成的堆积物;冰碛土:由
7、冰川剥落、搬运形成的堆积物;不成层、从漂不成层、从漂石到粘粒石到粘粒 沼泽土:在沼泽地的沉积物;沼泽土:在沼泽地的沉积物;含有机质、压缩性高、强度含有机质、压缩性高、强度低低岩土工程研究所岩土工程研究所1-2 1-2 土的组成土的组成第一章第一章 土的物理性质指标与工程分类土的物理性质指标与工程分类土是固体颗粒、水和空气的混合物,常称土为土是固体颗粒、水和空气的混合物,常称土为三相系三相系。固相:土的颗粒、粒间胶结物;固相:土的颗粒、粒间胶结物;液相:土体孔隙中的水;液相:土体孔隙中的水;气相:孔隙中的空气。气相:孔隙中的空气。岩土工程研究所岩土工程研究所1-2 1-2 土的组成土的组成第一章
8、第一章 土的物理性质指标与工程分类土的物理性质指标与工程分类当土骨架的孔隙全部被水占满时,这种土称为当土骨架的孔隙全部被水占满时,这种土称为饱和土饱和土;当土骨架的孔隙仅含空气时,就成为当土骨架的孔隙仅含空气时,就成为干土干土;一般在地下水位以上地面以下一定深度内的土的孔隙中兼含空气和水,一般在地下水位以上地面以下一定深度内的土的孔隙中兼含空气和水,此时的土体属三相系,称为此时的土体属三相系,称为湿土湿土。根据土的粘性分:根据土的粘性分:粘性土:颗粒很细;粘性土:颗粒很细;无粘性土:颗粒较粗,甚至很大。砂、碎石、甚至无粘性土:颗粒较粗,甚至很大。砂、碎石、甚至堆石(直径几十堆石(直径几十cmc
9、m甚至甚至11mm)岩土工程研究所岩土工程研究所第一章第一章 土的物理性质指标与工程分类土的物理性质指标与工程分类一、土的固相一、土的固相一、土的固相一、土的固相(一)成土矿物(一)成土矿物原生矿物原生矿物:由:由物理风化物理风化生成的土粒;颗粒较粗,一般为无粘性土;生成的土粒;颗粒较粗,一般为无粘性土;石英、长石、云母等;石英、长石、云母等;圆形、板状、块状圆形、板状、块状;吸水力弱、稳定、无塑吸水力弱、稳定、无塑性;砂多为石英。性;砂多为石英。次生矿物次生矿物:由原生矿物经:由原生矿物经化学风化化学风化作用而形成的矿物。颗粒较细,作用而形成的矿物。颗粒较细,一般为粘土矿物,形成粘性土。高岭
10、石、伊利石、蒙脱石;片状、一般为粘土矿物,形成粘性土。高岭石、伊利石、蒙脱石;片状、极细;吸水力强、活泼、有塑性。极细;吸水力强、活泼、有塑性。岩土工程研究所岩土工程研究所第一章第一章 土的物理性质指标与工程分类土的物理性质指标与工程分类一、土的固相一、土的固相一、土的固相一、土的固相(二)粘土矿物的晶体结构(二)粘土矿物的晶体结构粘土矿物:由各种硅酸盐矿物分解形成的粘土矿物:由各种硅酸盐矿物分解形成的水铝硅酸盐矿物水铝硅酸盐矿物。其结构可分为晶体和非晶体,以其结构可分为晶体和非晶体,以晶体矿物晶体矿物为主。为主。硅片:基本单元是硅氧四面体,底面每硅片:基本单元是硅氧四面体,底面每个氧离子为个
11、氧离子为2 2个相邻单元的硅原子共有组成个相邻单元的硅原子共有组成六边形孔硅片;六边形孔硅片;铝片:铝(镁)氢氧(氧)八面体,每铝片:铝(镁)氢氧(氧)八面体,每个氢氧离子为个氢氧离子为2 2个相邻单元的铝原子共有组个相邻单元的铝原子共有组成铝片;成铝片;岩土工程研究所岩土工程研究所第一章第一章 土的物理性质指标与工程分类土的物理性质指标与工程分类一、土的固相一、土的固相一、土的固相一、土的固相(二)粘土矿物的晶体结构(二)粘土矿物的晶体结构粘土矿物:粘土矿物:高岭石:高岭石:长石风化产物,长石风化产物,1 1:1 1型晶格,一个型晶格,一个硅片一个铝片一个晶层,晶层靠氢键连硅片一个铝片一个晶
12、层,晶层靠氢键连接,一个颗粒多达近百个晶层。接,一个颗粒多达近百个晶层。伊利石:伊利石:云母在碱性介质中风化产物,云母在碱性介质中风化产物,2 2:11型晶格,二个硅片一个铝片一个晶层,型晶格,二个硅片一个铝片一个晶层,晶层靠钾离子连接,比较稳定,但不如氢键;晶层靠钾离子连接,比较稳定,但不如氢键;蒙脱石:蒙脱石:伊利石进一步风化,伊利石进一步风化,2 2:1 1型晶格,型晶格,晶层没有钾离子连接,而是有水分子进入;晶层没有钾离子连接,而是有水分子进入;连接弱。连接弱。岩土工程研究所岩土工程研究所第一章第一章 土的物理性质指标与工程分类土的物理性质指标与工程分类一、土的固相一、土的固相一、土的
13、固相一、土的固相(三)土粒的大小和土的级配(三)土粒的大小和土的级配粒组:把工程性质相近的土粒合并为一组;某粒组的土粒含量定粒组:把工程性质相近的土粒合并为一组;某粒组的土粒含量定义为该粒组的土粒质量与干土总质量之比。义为该粒组的土粒质量与干土总质量之比。土的土的级配级配:土中各种大小的粒组中土粒的相对含量。:土中各种大小的粒组中土粒的相对含量。岩土工程研究所岩土工程研究所第一章第一章 土的物理性质指标与工程分类土的物理性质指标与工程分类(四)颗粒大小分析试验(四)颗粒大小分析试验测定土中各粒组颗粒质量所占该土总质量的百分数,确定粒径测定土中各粒组颗粒质量所占该土总质量的百分数,确定粒径分布范
14、围的试验称为土的分布范围的试验称为土的颗粒大小分析试验颗粒大小分析试验。常用的方法:筛分法:粒径常用的方法:筛分法:粒径0.0750.075mmmm 密度计法:粒径密度计法:粒径0.0750.0750.075mmmm,又有粒径又有粒径0.0750.075mmmm 岩土工程研究所岩土工程研究所第一章第一章 土的物理性质指标与工程分类土的物理性质指标与工程分类(四)颗粒大小分析试验1.筛分法利用一套孔径由大到小的筛子,将按规定方法取得的一定质量的干试样放入一次叠好的筛中,置振筛机上充分振摇后,称出留在各级筛上的土粒的质量,按下式计算出小于某土粒粒径的土粒含量百分数X()式中:mi,m分别为小于某粒
15、径的土粒质量及试样总质量岩土工程研究所岩土工程研究所第一章第一章 土的物理性质指标与工程分类土的物理性质指标与工程分类2.密度计法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的方法。通过密度计测定土水悬浊液的密度来确定。岩土工程研究所岩土工程研究所第一章第一章 土的物理性质指标与工程分类土的物理性质指标与工程分类3.土的级配曲线(1)粒径分布曲线(2)粒组频率曲线粒径分布曲线粒组频率曲线岩土工程研究所岩土工程研究所第一章第一章 土的物理性质指标与工程分类土的物理性质指标与工程分类(五五)颗粒分析试验曲线的主要用途颗粒分析试验曲线的主要用途按粒径分布曲线可求得:按粒径分布曲线
16、可求得:(11)土中各粒组的土粒含量,用于粗粒土的分类和)土中各粒组的土粒含量,用于粗粒土的分类和大致评估土的工程大致评估土的工程性质性质;(22)某些特性粒径,用于建筑材料的选择和)某些特性粒径,用于建筑材料的选择和评价土级配评价土级配的好坏。的好坏。根据某些特征粒径,可得到两个有用的指标,即根据某些特征粒径,可得到两个有用的指标,即不均匀系数不均匀系数CuCu和曲率系和曲率系数数CcCc,它们的定义为:它们的定义为:(1122)岩土工程研究所岩土工程研究所 (1 (13)3)式中:式中:dd1010,dd3030和和dd6060为粒径分布曲线上小于某粒径的土粒含量分别为粒径分布曲线上小于某
17、粒径的土粒含量分别为为1010,3030和和6060时所对应的粒径。时所对应的粒径。dd1010称为有效粒径;称为有效粒径;dd6060称为称为限制粒径限制粒径。第一章第一章 土的物理性质指标与工程分类土的物理性质指标与工程分类岩土工程研究所岩土工程研究所土的级配的好坏可由土中的土粒均匀程度和土的级配的好坏可由土中的土粒均匀程度和粒径分布曲线的形状粒径分布曲线的形状来来决定,而土粒的均匀程度和曲线的形状又可用不均匀系数和曲率系决定,而土粒的均匀程度和曲线的形状又可用不均匀系数和曲率系数来衡量。数来衡量。CuCu小,曲线陡;小,曲线陡;CuCu大,易压密;大,易压密;CcCc过大,台阶在过大,台
18、阶在d10d30d10d30间;间;CcCc过小,台阶在过小,台阶在d30d60d30d60间;间;第一章第一章 土的物理性质指标与工程分类土的物理性质指标与工程分类岩土工程研究所岩土工程研究所第一章第一章 土的物理性质指标与工程分类土的物理性质指标与工程分类土的级配的连续性也可用粒组频率曲线来反映。土的级配的连续性也可用粒组频率曲线来反映。双峰,谷点双峰,谷点3=5Cu=5,且且Cc=13Cc=13时,级配良好,否则,不时,级配良好,否则,不良。良。岩土工程研究所岩土工程研究所第一章第一章 土的物理性质指标与工程分类土的物理性质指标与工程分类二、土的液相二、土的液相(一)吸着水(一)吸着水由
19、土颗粒表面电分子力吸由土颗粒表面电分子力吸附在土粒表面的一层水。附在土粒表面的一层水。吸着水可分为吸着水可分为强吸着水强吸着水和和弱吸着水弱吸着水。岩土工程研究所岩土工程研究所第一章第一章 土的物理性质指标与工程分类土的物理性质指标与工程分类二、土的液相二、土的液相(一)吸着水(一)吸着水大多数粘粒表面带有大多数粘粒表面带有净的负电荷净的负电荷:1.1.原子替代原子替代;2.2.断键断键;3.3.氢氧离子中的氢离子被离解氢氧离子中的氢离子被离解;吸着水形成原因吸着水形成原因:土粒表面的负电土粒表面的负电荷荷,阳离子阳离子,氢键。氢键。岩土工程研究所岩土工程研究所第一章第一章 土的物理性质指标与
20、工程分类土的物理性质指标与工程分类二、土的液相二、土的液相(一)吸着水(一)吸着水 强吸着水性质强吸着水性质接近于固体,冰点很低,沸点较高,且不能传递接近于固体,冰点很低,沸点较高,且不能传递压力。压力。弱吸着水弱吸着水也称为薄膜水,不能传递压力,也不能在孔隙水中自也称为薄膜水,不能传递压力,也不能在孔隙水中自由流动,但它可以因电场引力的作用从水膜厚的地方向水膜薄的地由流动,但它可以因电场引力的作用从水膜厚的地方向水膜薄的地方转移。由于它的存在,使土具有塑性、粘性、影响土的压缩性和方转移。由于它的存在,使土具有塑性、粘性、影响土的压缩性和强度,并使土的透水性变小。强度,并使土的透水性变小。吸着
21、水厚度影响因素:吸着水厚度影响因素:成土矿物;阳离子浓度及化学性质成土矿物;阳离子浓度及化学性质(阳离子价阳离子价低低,厚厚;阳离子浓度高阳离子浓度高,薄薄)。岩土工程研究所岩土工程研究所第一章第一章 土的物理性质指标与工程分类土的物理性质指标与工程分类(二)自由水二)自由水离开土颗粒表面较远,不受土颗粒电分子引力作用,离开土颗粒表面较远,不受土颗粒电分子引力作用,且可且可自由移动自由移动?的水称为自由水。的水称为自由水。(分为(分为毛细管水和重力水毛细管水和重力水)1.1.毛细管水毛细管水土中存在许多大小不同的相互连通土中存在许多大小不同的相互连通的弯曲孔道,由于水分子与土粒分的弯曲孔道,由
22、于水分子与土粒分子之间的附着力和水气界面上的表子之间的附着力和水气界面上的表面张力,于是,面张力,于是,将引起迫使相邻土将引起迫使相邻土粒相互积紧的压力,这个压力称为粒相互积紧的压力,这个压力称为毛管水压力毛管水压力。岩土工程研究所岩土工程研究所第一章第一章 土的物理性质指标与工程分类土的物理性质指标与工程分类在潮湿的粉、细砂中孔隙水仅存在于土粒接触点周围,彼此是不连续在潮湿的粉、细砂中孔隙水仅存在于土粒接触点周围,彼此是不连续的。这时,由于空袭中的气与大气连通,因此,孔隙中的压力亦将小的。这时,由于空袭中的气与大气连通,因此,孔隙中的压力亦将小于大气压力。于大气压力。由毛管水压力引起的摩擦阻
23、力犹如给予砂土以某些粘聚力,以致在潮由毛管水压力引起的摩擦阻力犹如给予砂土以某些粘聚力,以致在潮湿的砂土中能开挖一定高度的直立坑壁。但一旦砂土被水浸饱和,则湿的砂土中能开挖一定高度的直立坑壁。但一旦砂土被水浸饱和,则弯液面消失,毛管水压力变为零,这种粘聚力液就不再存在。把这种弯液面消失,毛管水压力变为零,这种粘聚力液就不再存在。把这种粘聚力称为粘聚力称为假粘聚力假粘聚力。岩土工程研究所岩土工程研究所第一章第一章 土的物理性质指标与工程分类土的物理性质指标与工程分类2.2.重力水重力水在重力或水位差作用下能在土中流动的自由水称在重力或水位差作用下能在土中流动的自由水称微微重力水。重力水。具有溶解
24、能力,能传递静水和动水压力,对土颗粒有浮力作用。具有溶解能力,能传递静水和动水压力,对土颗粒有浮力作用。当它在土孔隙中流动时,对所流经的土体施加渗流力(亦称动水压当它在土孔隙中流动时,对所流经的土体施加渗流力(亦称动水压力、渗透力),计算中应考虑其影响。力、渗透力),计算中应考虑其影响。岩土工程研究所岩土工程研究所第一章第一章 土的物理性质指标与工程分类土的物理性质指标与工程分类三、土的气相三、土的气相存在土中的气体分为两种基本类型:一种是与大气连通的气体;存在土中的气体分为两种基本类型:一种是与大气连通的气体;另一种是与大气不连通的以气泡形式存在的封闭气体。另一种是与大气不连通的以气泡形式存
25、在的封闭气体。岩土工程研究所岩土工程研究所第一章第一章 土的物理性质指标与工程分类土的物理性质指标与工程分类一、土粒间的相互作用一、土粒间的相互作用当粘粒在溶液中沉淀时,粒间引力主要当粘粒在溶液中沉淀时,粒间引力主要是范得华力(分子键),还有吸着水层是范得华力(分子键),还有吸着水层中异性电荷引起的静电引力。中异性电荷引起的静电引力。引力引力:范得华力总是在极性颗粒之间产生引力,范得华力总是在极性颗粒之间产生引力,但它是一种短程力,约随粒间间距得六但它是一种短程力,约随粒间间距得六次方递减,而与溶液的性质无关。次方递减,而与溶液的性质无关。1-3 1-3 土的结构土的结构岩土工程研究所岩土工程
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