土力学-知识单元一(土的组成、物理性质及分类)
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《土力学》第1章土的组成
第1章 土的组成
1.1 概述
1.1.1、土的形成
风化 剥蚀 搬运 沉积 松散堆积物 重力、 风力、 水流、 冰川等
岩石(体)
物理、化 学、生物
破碎 或分解
土体
风化
搬运 沉积
母岩 （Parent rock）
岩石破碎 化学成分改变
大小、形状和 成分都不相同 的松散颗粒集 合体（Soil）
1. 散体性 2. 多相性 3. 自然变异性
d<0.075mm
密度计法
密度计法 d<0.075mm
三、 粒度成分的表示方法
表示方法：表格法、粒径级配曲线
100 80 60 40 20 0 100 10 1 0.1 0.01 0.001
小于某粒径的土重含量 （%）
粒径（mm) (对数坐标）
工程应用 （1）计算土中各粒组的百分含量，用于粗粒 土的分类和大致评估土的工程性质； （2）评价土的均匀性及土级配的好坏，用于 建筑材料的选择。
砂类土
粒径(mm) 级配良好
0.01 0.005
0.001
0.10 0.05
1.0 0.5
10 5.0
d60
d30
d10
1.2.2 土粒的矿物成分
原生矿物 石英、长石、云母等 粘土矿物：蒙脱石、 伊利石、高岭石等 可溶盐：NaCl、 CaCO3等 无定型氧化物胶体 有机质
矿 物 质
固 体 颗 粒
次生矿物
土的结构 + 土的构造 影响
力学特性
同一土层中物质成分、 颗粒大小相近的各部分 之间的相互关系的特征
2、土的结构
分类： (1)单粒结构 (2)蜂窝结构 (3)絮状结构
*指土颗粒的大小、形状、表
1.1 概述
1.1.1、土的形成
风化 剥蚀 搬运 沉积 松散堆积物 重力、 风力、 水流、 冰川等
岩石(体)
物理、化 学、生物
破碎 或分解
土体
风化
搬运 沉积
母岩 （Parent rock）
岩石破碎 化学成分改变
大小、形状和 成分都不相同 的松散颗粒集 合体（Soil）
1. 散体性 2. 多相性 3. 自然变异性
d<0.075mm
密度计法
密度计法 d<0.075mm
三、 粒度成分的表示方法
表示方法：表格法、粒径级配曲线
100 80 60 40 20 0 100 10 1 0.1 0.01 0.001
小于某粒径的土重含量 （%）
粒径（mm) (对数坐标）
工程应用 （1）计算土中各粒组的百分含量，用于粗粒 土的分类和大致评估土的工程性质； （2）评价土的均匀性及土级配的好坏，用于 建筑材料的选择。
砂类土
粒径(mm) 级配良好
0.01 0.005
0.001
0.10 0.05
1.0 0.5
10 5.0
d60
d30
d10
1.2.2 土粒的矿物成分
原生矿物 石英、长石、云母等 粘土矿物：蒙脱石、 伊利石、高岭石等 可溶盐：NaCl、 CaCO3等 无定型氧化物胶体 有机质
矿 物 质
固 体 颗 粒
次生矿物
土的结构 + 土的构造 影响
力学特性
同一土层中物质成分、 颗粒大小相近的各部分 之间的相互关系的特征
2、土的结构
分类： (1)单粒结构 (2)蜂窝结构 (3)絮状结构
*指土颗粒的大小、形状、表
土力学复习知识点整理
土力学复习知识点整理第一章土的物理性质及其工程分类1.土: 岩石经过风化作用后在不同条件下形成的自然历史的产物。
物理风化原生矿物（量变）无粘性土风化作用化学风化次生矿物（质变）粘性土生物风化有机质2.土具有三大特点：碎散性、三相体系、自然变异性。
3.三相体系:固相（固体颗粒）、液相（土中水）、气相（气体）三部分组成。
4.固相:土的固体颗粒，构成土的骨架，其大小形状、矿物成分及组成情况是决定土物理性质的重要因素。
（1）土的矿物成分:土的固体颗粒物质分为无机矿物颗粒和有机质。
颗粒矿物成分有两大类:原生矿物、次生矿物。
原生矿物:岩浆在冷凝过程中形成的矿物，如石英、长石、云母。
次生矿物:原生矿物经化学风化作用的新的矿物，如黏土矿物。
粘土矿物的主要类型:蒙脱石、伊利石、高岭石（吸水能力逐渐变小）（2）土的粒组: 粒度:土粒的大小。
粒组:大小、性质相近的土粒合并为一组。
（3）土的颗粒级配：土中所含各颗粒的相对含量，以及土粒总重的百分数表示。
①△颗粒级配表示方法:曲线纵坐标表示小于某土粒的累计百分比，横坐标则是用对数值表示的土的粒径。
曲线平缓则表示粒径大小相差很大，颗粒不均匀，级配良好；反之，则颗粒均匀，级配不良。
②反映土颗粒级配的不均匀程度的指标:不均匀系数Cu和曲率系数Cc，用来定量说明天然土颗粒的组成情况。
公式:不均匀系数Cu= d60/d10曲率系数Cc=(d30)²/（d60×d10）d60 ——小于某粒径的土粒质量占土总质量60％的粒径，称限定粒径；d10 ——小于某粒径的土粒质量占土总质量10％的粒径，称有效粒径；d30 ——小于某粒径的土粒质量占土总质量30％的粒径，称中值粒径。
级配是否良好的判断:a.级配连续的土:Cu>5，级配良好;Cu<5级配不良。
b.级配不连续的土，级配曲线呈台阶状，同时满Cu>5和Cc=1~3两个条件时，才为级配良好;反之则级配不良。
土力学第一章
Cu愈大，表示土粒愈不均 匀。工程上把Cu＜5的土视 为级配不良的土；
2021/8/2
同时满足Cu≥5和Cc=1～3时， 定名为良好级配土
6
颗粒粒径级配曲线
纵坐标表示小于某粒径的土粒含量百分比,横坐 标表示土粒的粒径(对数坐标）
2021/8/2
7
2.土粒的矿物成分
矿物成分取决于母岩的矿物成分和风化作用
m s
m s
测定方法：通常用烘干法，亦可近似用酒
精燃烧法
2021/8/2
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m ms mw Vs Vw Va
VV
三、换算指标
质量m 气 水
土粒
体积V 1.孔隙比e和孔隙率n 孔隙比e ：土中孔隙体积与 土粒体积之比
e Vv Vs
孔隙率n ：土中孔隙体积与总体积之比，以百 分数表示
n Vv 100% V
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§1.2 土的物理性质指标
一、土的三相图
质量m
体积V
气
Vw Va Vv
mw
水
二、直接测定指标 1.土的密度ρ：单位体积土的质
量 m ms mw
V Vs VwVa
m
Vs V
ms
土粒
特殊情况下土的密度ρd, ρsat,
ρ’
实验方法：环刀法
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工程中常用重度来表示单位体积土的重力
质量极轻，粘粒互相接近，凝聚成絮状物下沉，形成孔
隙较大的絮状结构
2021/8/2
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五、土的构造
土的构造是指土体中各结构单元之间的关 系。
1.层理构造：土粒在沉积过程中,由于不同阶段沉积的
物质成分、颗粒大小或颜色不同,而沿竖向呈现出成层 特征
土力学1-土的物理性质及分类ppt课件
2.土的饱和密度ρsat
——土的孔隙中全部为水充满时的密度
m
mw
空气 水
体积
Va Vv
Vw V
sat
ms
Vv w
V
ms
土粒
Vs
3.土的有效密度（或浮密度）ρ′
——扣除浮力以后的固相质量与土的总体积之比。
ms
Vs w
V
s＞sat＞＞d＞ '
' sat 12 w
《土力学》 第1章 土的组成和物理性质
(
4 w
C
)
s 4C
w
m mw ms
水 土粒
• 单 位: 无量纲
• 一般范围：粘性土 2.70~2.75， 砂土 2.65
体积
Va Vv
Vw V
Vs
注意：
4wC =1.0 g/cm3
土粒比重在数值上等于土粒的密度
8
测定方法：比重瓶法
《土力学》 第1章 土的组成和物理性质
m0
ms
m1
m2
空瓶质量 烘干土的质量 瓶+水的质量 瓶+土+水的质量
m1+ms——瓶+水（满）的质量+干土的质量； m1+ms-m2——与土粒体积相同的水的质量。
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3. 土的含水率W
《土力学》 第1章 土的组成和物理性质
质量
ma=0 m mw
ms
体积 • 定义：土中水的质量与土粒质
量之比，用百分数表示
空气
Va Vv
• 表达式：
水
Vw V
w(%) mw m ms
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《土力学》
第1章 土的组成和物理性质
土力学_第2章(土的物理性质和工程分类)
粘性土从一种状态变到另一种状态的含水量分界点称为界限含水量。
V
阿特堡界限 (Atterberg limit)
固态
半固态
可塑态
液态
水
Vs+Vw Vs
颗 粒 ws
缩限
O
wP
塑限
wL
液限
w
• 液限和塑限的测定方法
液限（wL）的测定： 锥式液限仪（中国）； 碟式液限仪（欧美，详见 ASTM 试验 规程）。
粉土
含水量w(%)
w＜20
20 ≤w≤30
w＞30
（2） 砂土的松－密状态 指标和状态（《地基与基础》－p27）
相对密实度 （Relative Density ）
0.67＜Dr≤1.0 0.33＜Dr≤0.67 0＜Dr≤0.33
emax e Dr emax emin
密实 中密 松散
工程上原位测试判断物理状态：
粒径分布曲线（级配曲线）
100
小于某粒径的土粒质量/%
80
60
40
20
0
10
1
0.1
0.01
1E-3
粒径/mm
• 不均匀系数
Cu
d 60
d10
Cu越大，曲线越平缓，粒径分布越不均匀。
• 曲率系数
Cc
2 d 30
(d 60 d10 )
Cc<1，中间颗粒偏少，小粒径颗粒偏多。 Cc>3，中间颗粒偏多，小粒径颗粒偏少。
水
mw
Vv=e
V =e+1
Vw Sr Vv
ms=s
Vs 土粒 ms
Vs=1
w s / w wGs e e
V
阿特堡界限 (Atterberg limit)
固态
半固态
可塑态
液态
水
Vs+Vw Vs
颗 粒 ws
缩限
O
wP
塑限
wL
液限
w
• 液限和塑限的测定方法
液限（wL）的测定： 锥式液限仪（中国）； 碟式液限仪（欧美，详见 ASTM 试验 规程）。
粉土
含水量w(%)
w＜20
20 ≤w≤30
w＞30
（2） 砂土的松－密状态 指标和状态（《地基与基础》－p27）
相对密实度 （Relative Density ）
0.67＜Dr≤1.0 0.33＜Dr≤0.67 0＜Dr≤0.33
emax e Dr emax emin
密实 中密 松散
工程上原位测试判断物理状态：
粒径分布曲线（级配曲线）
100
小于某粒径的土粒质量/%
80
60
40
20
0
10
1
0.1
0.01
1E-3
粒径/mm
• 不均匀系数
Cu
d 60
d10
Cu越大，曲线越平缓，粒径分布越不均匀。
• 曲率系数
Cc
2 d 30
(d 60 d10 )
Cc<1，中间颗粒偏少，小粒径颗粒偏多。 Cc>3，中间颗粒偏多，小粒径颗粒偏少。
水
mw
Vv=e
V =e+1
Vw Sr Vv
ms=s
Vs 土粒 ms
Vs=1
w s / w wGs e e
土力学复习要点#
第一章 土的组成土是岩石风化的产物。
风化作用主要包括物理风化和化学风化。
1. 土具有三个主要特点：散体性、多相性（多样性）、自然变异性。
2. 土是由固体颗粒、水和气体组成的三相体系。
3. 粗大的土粒其形状呈块状或粒状；细小的土粒主要呈片状。
4. 土粒的大小称为粒度，通常以粒径表示；介于一定粒度范围内的土粒，称为粒组；划分粒组的分界尺寸称为界限粒径，据界限粒径200、60、2、0.075、0.005mm 把土粒分成六大粒组：漂石或块石颗粒、卵石或碎石颗粒、圆砾或角砾颗粒、砂粒、粉粒、黏粒。
5. 土中各个粒组的相对含量（土样各粒组的质量占土粒总质量的百分数）称为粒度成分或者颗粒级配。
6. 粒度成分分析常用筛分法（>0.075）和沉降分析法(<0.075).7. 粒度成分分布曲线：曲线较陡，说明粒径大小相差不多，颗粒较均匀，级配不良；曲线平缓，说明粒径大小相差悬殊，土粒不均匀，级配良好。
8. 不均匀系数,曲率系数，不均匀系数越大，表示粒度的分布范围越大，颗粒越不均匀，其级配越良好。
9. 把的土看作是均粒土，级配不良；把的土，级配良好。
10. 砾类土或砂类土同时满足和两个条件时，则为良好级配砾或良好级配砂。
11. 土中固体颗粒的矿物成分绝大部分是矿物质，或多或少含有有机质。
矿物质分为原生矿物和次生矿物，其中原生矿物主要是石英、长石和云母等，次生矿物主要是黏土矿物、可溶盐和无定形氧化物胶体。
黏土矿物主要是蒙脱石、伊利石和高岭石。
12. 一般液态土中水可视为中性、无色、无味、无臭的液体，其质量密度在4℃时为1g/cm ³ ,重力密度9.81kN/m ³。
存在于土粒矿物的晶体格架内部或是参与矿物构造中的水称为矿物内部结合水，可以把矿物内部的结合水当作矿物颗粒的一部分。
13. 存在土中的液态水可以分为结合水和自由水两大类。
土中水是成分复杂的电解质水溶液。
14. 结合水进一步可分为强结合水和弱结合水。
土力学1
搬运与沉积
Transportation and Sedimentation
根据搬运与堆积方式的不同，土可分为两类：残积土 和运积土。 残积土是指岩石风化的产物未被搬运而残留在原地的 堆积物。
残积土由于未经搬运的碰撞、磨损作用，土体颗粒一般较粗 且带棱角，空间分布无分选性、无层理构造，均质性较差。
运积土是指岩石分化后的产物经自然力的作用，搬离 生成地点后重新沉积下来的堆积物。
根据搬运力和沉积环境的不同，运积土可分为坡积土、洪积 土、冲积土、湖积土、海积土、风积土、冰积土等。
搬运与沉积
Transportation and Sedimentation
深圳地区粉砂岩残积土
坡积土
第一章 土的物理性质及分类
1.土的形成 2.土的组成 3.土的结构与构造 4.土的物理性质指标 5.土的物理状态指标 6.土的分类 7.土的压实
土的形成 Soil Formation
地质成岩作用
岩石
风化、搬运、沉积
土
风化作用 Weathering
物理风化 physical weathering
由于温度的变化、水的冻胀、波浪冲击、地震等引起的物理 力使岩体崩解、碎裂成岩块、岩屑的过程。 使岩石从比较完整的固结状态变为松散破碎状态，使岩石的 孔隙和表面积增大，逐渐变成碎块和细小的颗粒。土中的碎 石、砾石、砂等是物理风化的产物。 物理风化生成的土，其矿物成分和原来的母岩相同，颗粒之 间没有粘结作用。
孔隙率（porosity）:孔 隙的体积与土的总体积 之比 Vv n = × 100% V
比体积（specific volume） ： 三者关系： 土的总体积与固体颗粒的体 n e e= n= 积之比 1− n 1+ e V v= v = 1+ e Vs
土力学基本知识
相比例指标
土的物理性质指标 可分为两类： 一类是必须通过试验测定的，如含水量、 密度和土粒相对密度，称为直接指标； 另一类是根据直接指标换算的，如孔隙比、 孔隙率、饱和度等，称为间接指标。
室内测定的三个物理性质指标
－土的密度、土粒的相对密度、土的含水量 土的密度 有时也称土的天然密度
土的重度亦称为容重，定义为单位体积土的重量.
土粒相对密度
定义: 土粒质量与同体积4˚C时纯蒸馏水的质量的比值
s 表达式: d s 单位: 无量 Vs w1 w1 纲
ms
ma=0
Air Water Solid
Va Vw
m
mw ms
Vv V
w1 4˚C时纯蒸馏水的密度，1g/cm3
强结合水膜最大
塑态 弱结合水
流态 自由水
w
液限wL
出现自由水
Ip w l w p
吸附弱结合 水的能力
粘性土的稠度反映土中水的形态
塑性指数
粘性土四种物理状态状态：固态、半固态、可塑状 态及流动状态
界限含水率 粘性土从一种状态过渡到另一种状态，可用某一界限含水 率来区分，这种界限含水率称为稠度界限或阿太堡界限 液限（WL）——从流动状态转变为可塑状态的界限含水率， 也就是可塑状态的上限含水率；
0.075
粗粒
(mm)
细粒
粉粒
0.075
d
砾石
粗 中
砂粒
细 粗 中 细 极细
粘粒
胶粒
60
20
5
2
0.5 0.25
0.005
0.002
1.4
粒径级配
土中固体颗粒
—— 各粒组的相对含量(土样各粒组的质量占土粒总 质 量的百分数)，用质量百分数来表示
土的物理性质指标 可分为两类： 一类是必须通过试验测定的，如含水量、 密度和土粒相对密度，称为直接指标； 另一类是根据直接指标换算的，如孔隙比、 孔隙率、饱和度等，称为间接指标。
室内测定的三个物理性质指标
－土的密度、土粒的相对密度、土的含水量 土的密度 有时也称土的天然密度
土的重度亦称为容重，定义为单位体积土的重量.
土粒相对密度
定义: 土粒质量与同体积4˚C时纯蒸馏水的质量的比值
s 表达式: d s 单位: 无量 Vs w1 w1 纲
ms
ma=0
Air Water Solid
Va Vw
m
mw ms
Vv V
w1 4˚C时纯蒸馏水的密度，1g/cm3
强结合水膜最大
塑态 弱结合水
流态 自由水
w
液限wL
出现自由水
Ip w l w p
吸附弱结合 水的能力
粘性土的稠度反映土中水的形态
塑性指数
粘性土四种物理状态状态：固态、半固态、可塑状 态及流动状态
界限含水率 粘性土从一种状态过渡到另一种状态，可用某一界限含水 率来区分，这种界限含水率称为稠度界限或阿太堡界限 液限（WL）——从流动状态转变为可塑状态的界限含水率， 也就是可塑状态的上限含水率；
0.075
粗粒
(mm)
细粒
粉粒
0.075
d
砾石
粗 中
砂粒
细 粗 中 细 极细
粘粒
胶粒
60
20
5
2
0.5 0.25
0.005
0.002
1.4
粒径级配
土中固体颗粒
—— 各粒组的相对含量(土样各粒组的质量占土粒总 质 量的百分数)，用质量百分数来表示
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土力学
主讲人：徐亚利
绪论：土力学及其特点
什么是土？
土及土力学有哪些特点？
为什么要学习土力学？
土力学研究哪些内容？
土，地之生万物者也。‘二’象 地之上，地之中；‘|’物出形也。 - 《说文解字》 土地系指由地形、水文、局地气 候、岩石圈的上层、土壤和生物 有机体等相互作用组成的自然地 域综合体，是地球表层历史发展 的产物。
第一章 土的组成、物理性质及分类
§1.1 §1.2 §1.3 §1.4 §1.5 土的成因及组成 土的物理性指标 粘性土、无粘性土的物理性质 土的击实性 土的工程分类原则、类别及工程性质
第一节 土的成因及组成
土的成因影响
土的三相组成 土的物理状态 土的结构和构造
从而决定土的渗透特性；变形特性及强度特性
天然条件下，可能是多种组合，或者由一种结构过渡向另一种结构。
2、土的构造类型
层理构造：土粒在沉积过程中,由于不同阶段沉
积的物质成分、颗粒大小或颜色不同,而沿竖向 呈现出成层特征。
裂隙构造：土体被许多不连续的小裂隙所分割,
在裂隙中常充填有各种盐类的沉淀物。
第二节 土的物理性质指标
土的物理性质指标(三相间的比例 关系)。可以用来表示土的物理状态， 包括：粗粒土的松密程度和粘性土的软 硬状态，从而影响了土的力学特性。
特征粒径:
d50 : 平均粒径 d60 : 控制粒径 d10 : 有效粒径 d30 ;中值粒径
小于某粒径之土质量百分数（％）
粗细程度： 用d50 表示 不均匀程度： — Cu = d60 / d10 不均匀系数 连续程度: Cc = d302 / (d60 ×d10 )
— 曲率系数
粒径(mm)ຫໍສະໝຸດ Cu ≥5,级配不均匀，曲线的陡峭判断 1<Cc <3,级配连续
因此，对土工程性质认识的偏差可能会导致损
失巨大的事故。
土力学的重要性
3、为什么要学习土力学？
概况：长59.4m，宽23.5m，高31.0m，共65个圆筒仓。钢混筏板
基础，厚61cm，埋深3.66m。1913年完工，自重2万T。
事故：
1913年9月开始装谷物， 至10月17日共装入3万多Ｔ 谷物，但此时发生破坏： • 1小时竖向沉降达30.5cm • 24小时倾斜26°53ˊ • 西端下沉7.32m 东端上抬1.52m • 上部钢混筒仓完好无损
加拿大特朗斯康谷仓
3、为什么要学习土力学？
2653
失事后 1913.10.18
-0.61
1952.10.3 试验孔 填土 褐色粉质粘土 灰色粉质粘土 -4.27 -13.72
1952.10.5 试验孔
-12.34
原因：谷仓的地基承载力 按邻近结构物基槽开挖取 土试验结果计算。1952年 经勘察试验与计算，地基 实际承载力远小于谷仓破 坏时发生的基底压力。因 此谷仓地基因超载发生强 度破坏而滑动。
次生矿物
主要是粘土矿物，包括三种类型： 高岭石、伊里石、蒙脱石 特征：性质较不稳定，具有较强的亲水性，遇水易 膨胀的特点
粘土矿物
由硅片和铝片构成的晶胞所组合而成
2、土中水（液相）
结晶水 矿物内部的水 结合水 吸附在土颗粒表面的水
自由水 电场引力作用范围之外的水
土中冰 由自由水冻成，冻胀融陷
强结合水: •排列致密、定向性强 •密度>1g/cm3 •冰点处于零下几十度 •具有固体的的特性 •温度高于100°C时可蒸发
• 设计沉降：5.7-7.5 m • 完成时(1990年)实际沉降： 8.1 m，5cm/月 • 预测主固结需：20年 • 比设计多超填：3m
3、为什么要学习土力学？
坝 （ 美 国 ）
土坝， 高90m， 长1000m， 1975年建成 次年6月失事
Teton
上午10:30
11：00
11:30
11:57
溃口原因：堤基管涌 焦点词汇：豆腐渣工程
九江大堤决口
3、为什么要学习土力学？
位于青海省，高71 米，长265米，建
于1989年。 1993年8月7日突然 发生溃坝，瞬间冲 毁1000多户房舍， 288人丧生，上千 人受伤。 溃坝原因： 面板止水失效，下 游坝体排水不畅， 造成坝坡失稳
沟后面板砂砾石坝
结合水
弱结合水: •位于强结合水之外，电场引力作 用范围之内 •外力作用下可以移动 •不因重力而移动，有粘滞性
重力水 自由水 毛细水
在重力作用下可在土中自由 流动 存在于固气之间 在重力与表面张力作用下可 在土粒间空隙中自由移动
3、土中气体
自由气体：
与大气连通，对土的性质影响不大
封闭气体：
增加土的弹性；阻塞渗流通道
3、为什么要学习土力学？
损失
直接8000万美元， 起诉5500起，2.5 亿美元，死14人， 受灾2.5万人，60 万亩土地，32公里 铁路被冲
原因
渗透破坏：冲蚀 水力劈裂
Teton坝失事现场现状
3、为什么要学习土力学？
1998年8月7日13:10发生管涌 险情，20分钟后，在堤外迎 水面找到2处进水口。 又过20分钟，防水墙后的土 堤突然塌陷出1个洞，5 m宽 的堤顶随即全部塌陷，并很 快形成宽约62m的溃口。
便于研究和应用土的工程分类
土的压实性
一、 土的成因
土是岩石经过风化作用后，形成大小悬殊的颗粒，经 过不同的搬运方式，在不同条件下形成的自然历史的 产物。 形成过程 形成条件
影响
物理力学 性质
风蚀蘑菇
高山下的冲积锥群
黄河冲积三角洲
土的形成过程
1、因风化作用不同
物理风化
原生矿物 次生矿物
有 机 质
四、土的结构和构造
重塑土的强度 < 原状土的强度
土颗粒或粒团的 空间排列和相互联结
土的结构 + 土的构造
影响
同一土层中物质成分、 颗粒大小相近的各部分 之间的相互关系的特征
力学特性
1、土的结构
单粒结构 • 粒间作用力 • 排列形式 • 矿物成分 ---粗粒土的结构 重力，毛细力
点与点、点与面
原生矿物 示意图
比 萨 斜 塔
3、为什么要学习土力学？
苏州虎丘塔
概况：位于虎丘公园山顶，建于
宋太祖建隆二年(公元961年)。 塔高47.5m，平面呈八角形。
问题：塔身向东北方向严重倾斜，
塔顶离中心线达2.31m，底层塔 身发生不少裂缝，成为危险建筑 物。
原因：坐落于不均匀粉质粘土层，
产生不均匀沉降。
处理：在四周建造圈桩排式地下
蜂窝结构
---细砂、粉粒土的结构
• 粒间作用 力 • 排列形式 • 矿物成分
重力，表面力
蜂窝状
主要是原生矿物
蜂窝结构
絮状结构 ---细粒土的结构
絮状结构
• 形成环境 • 粒间作用力 • 排列形式 淡水中沉积
海水中沉积
• 矿物成分
表面力、胶结力 表面力、胶结力 （粒间斥力占优势）（斥力减小引力增加） 边、角与面 面与面 边、角与边 次生矿物 次生矿物
香港宝城滑坡
香 港 宝 城 滑 坡 现 场
Early 1972 滑坡前
July 1972 滑坡后
3、为什么要学习土力学？
液化：松砂地基在振动荷载作用下丧失强度变
成流动状态的一种现象
神户码头：
地震引起大面积砂 土地基液化后产生 很大的侧向变形和 沉降，大量的建筑 物倒塌或遭到严重 损伤
阪神大地震中的地基液化
1590年: 伽利略在此塔做 自由落体实验 目前：塔向南倾斜，南北两端沉 降差1.80m，塔顶离中心线已达 5.27m，倾斜5.5°
原因： 地基持力层为粉砂，下面为粉土 和粘土层，强度低，变形大。
比 萨 斜 塔
3、为什么要学习土力学？
处理措施
1838-1839：挖环形基坑卸载 1933-1935：基坑防水处理 基础环灌浆加固 1990年1月: 封闭 1992年7月：加固塔身，用压重 法和取土法进行地 基处理 目 前 : 已向游人开放。
处理：事后在下面做了七十多个支撑于基岩上的混凝土墩， 使用388个50t千斤顶以及支撑系统，才把仓体逐渐纠正过来， 但其位置比原来降低了４米。
加拿大特朗斯康谷仓
3、为什么要学习土力学？
1972年7月某日清晨，香港宝城路附近，两万立方米 残积土从山坡上下滑，巨大滑动体正好冲过一幢高 层住宅--宝城大厦，顷刻间宝城大厦被冲毁倒塌并 砸毁相邻一幢大楼一角约五层住宅。死亡６7人。 原因：山坡上残积土本身强度较低，加之雨水入渗 使其强度进一步大大降低，使得土体滑动力超过土 的强度，于是山坡土体发生滑动。
液相-水 气相-空气
• 受力后由土骨架、孔隙 介质共同承担 • 相间存在复杂的相互作用 • 孔隙流体流动
• 非均匀性 • 各向异性 • 时空变异性
天然性 自然界的产物，
存在自然变异性
土体的特点
2、土及土力学有哪些特点？
碎散性 三相性 天然性
• 渗透特性
• 变形特性
• 强度特性
物理力学 特性复杂
0.01 0.005
0.001
0.10 0.05
1.0 0.5
10 5.0
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
土的颗粒级配累积曲线
d60 d50 d30
d10
（3）、矿物成分
原生矿物
石英、长石、云母等
特征：矿物成分的性质较稳定，由其组成的土具有
无粘性、透水性较大、压缩性较低的特点。
土体的特点
2、土及土力学有哪些特点？
连续介质力学 的基本知识
描述碎散体 特性的理论
实验规律及工 程实践经验
主讲人：徐亚利
绪论：土力学及其特点
什么是土？
土及土力学有哪些特点？
为什么要学习土力学？
土力学研究哪些内容？
土，地之生万物者也。‘二’象 地之上，地之中；‘|’物出形也。 - 《说文解字》 土地系指由地形、水文、局地气 候、岩石圈的上层、土壤和生物 有机体等相互作用组成的自然地 域综合体，是地球表层历史发展 的产物。
第一章 土的组成、物理性质及分类
§1.1 §1.2 §1.3 §1.4 §1.5 土的成因及组成 土的物理性指标 粘性土、无粘性土的物理性质 土的击实性 土的工程分类原则、类别及工程性质
第一节 土的成因及组成
土的成因影响
土的三相组成 土的物理状态 土的结构和构造
从而决定土的渗透特性；变形特性及强度特性
天然条件下，可能是多种组合，或者由一种结构过渡向另一种结构。
2、土的构造类型
层理构造：土粒在沉积过程中,由于不同阶段沉
积的物质成分、颗粒大小或颜色不同,而沿竖向 呈现出成层特征。
裂隙构造：土体被许多不连续的小裂隙所分割,
在裂隙中常充填有各种盐类的沉淀物。
第二节 土的物理性质指标
土的物理性质指标(三相间的比例 关系)。可以用来表示土的物理状态， 包括：粗粒土的松密程度和粘性土的软 硬状态，从而影响了土的力学特性。
特征粒径:
d50 : 平均粒径 d60 : 控制粒径 d10 : 有效粒径 d30 ;中值粒径
小于某粒径之土质量百分数（％）
粗细程度： 用d50 表示 不均匀程度： — Cu = d60 / d10 不均匀系数 连续程度: Cc = d302 / (d60 ×d10 )
— 曲率系数
粒径(mm)ຫໍສະໝຸດ Cu ≥5,级配不均匀，曲线的陡峭判断 1<Cc <3,级配连续
因此，对土工程性质认识的偏差可能会导致损
失巨大的事故。
土力学的重要性
3、为什么要学习土力学？
概况：长59.4m，宽23.5m，高31.0m，共65个圆筒仓。钢混筏板
基础，厚61cm，埋深3.66m。1913年完工，自重2万T。
事故：
1913年9月开始装谷物， 至10月17日共装入3万多Ｔ 谷物，但此时发生破坏： • 1小时竖向沉降达30.5cm • 24小时倾斜26°53ˊ • 西端下沉7.32m 东端上抬1.52m • 上部钢混筒仓完好无损
加拿大特朗斯康谷仓
3、为什么要学习土力学？
2653
失事后 1913.10.18
-0.61
1952.10.3 试验孔 填土 褐色粉质粘土 灰色粉质粘土 -4.27 -13.72
1952.10.5 试验孔
-12.34
原因：谷仓的地基承载力 按邻近结构物基槽开挖取 土试验结果计算。1952年 经勘察试验与计算，地基 实际承载力远小于谷仓破 坏时发生的基底压力。因 此谷仓地基因超载发生强 度破坏而滑动。
次生矿物
主要是粘土矿物，包括三种类型： 高岭石、伊里石、蒙脱石 特征：性质较不稳定，具有较强的亲水性，遇水易 膨胀的特点
粘土矿物
由硅片和铝片构成的晶胞所组合而成
2、土中水（液相）
结晶水 矿物内部的水 结合水 吸附在土颗粒表面的水
自由水 电场引力作用范围之外的水
土中冰 由自由水冻成，冻胀融陷
强结合水: •排列致密、定向性强 •密度>1g/cm3 •冰点处于零下几十度 •具有固体的的特性 •温度高于100°C时可蒸发
• 设计沉降：5.7-7.5 m • 完成时(1990年)实际沉降： 8.1 m，5cm/月 • 预测主固结需：20年 • 比设计多超填：3m
3、为什么要学习土力学？
坝 （ 美 国 ）
土坝， 高90m， 长1000m， 1975年建成 次年6月失事
Teton
上午10:30
11：00
11:30
11:57
溃口原因：堤基管涌 焦点词汇：豆腐渣工程
九江大堤决口
3、为什么要学习土力学？
位于青海省，高71 米，长265米，建
于1989年。 1993年8月7日突然 发生溃坝，瞬间冲 毁1000多户房舍， 288人丧生，上千 人受伤。 溃坝原因： 面板止水失效，下 游坝体排水不畅， 造成坝坡失稳
沟后面板砂砾石坝
结合水
弱结合水: •位于强结合水之外，电场引力作 用范围之内 •外力作用下可以移动 •不因重力而移动，有粘滞性
重力水 自由水 毛细水
在重力作用下可在土中自由 流动 存在于固气之间 在重力与表面张力作用下可 在土粒间空隙中自由移动
3、土中气体
自由气体：
与大气连通，对土的性质影响不大
封闭气体：
增加土的弹性；阻塞渗流通道
3、为什么要学习土力学？
损失
直接8000万美元， 起诉5500起，2.5 亿美元，死14人， 受灾2.5万人，60 万亩土地，32公里 铁路被冲
原因
渗透破坏：冲蚀 水力劈裂
Teton坝失事现场现状
3、为什么要学习土力学？
1998年8月7日13:10发生管涌 险情，20分钟后，在堤外迎 水面找到2处进水口。 又过20分钟，防水墙后的土 堤突然塌陷出1个洞，5 m宽 的堤顶随即全部塌陷，并很 快形成宽约62m的溃口。
便于研究和应用土的工程分类
土的压实性
一、 土的成因
土是岩石经过风化作用后，形成大小悬殊的颗粒，经 过不同的搬运方式，在不同条件下形成的自然历史的 产物。 形成过程 形成条件
影响
物理力学 性质
风蚀蘑菇
高山下的冲积锥群
黄河冲积三角洲
土的形成过程
1、因风化作用不同
物理风化
原生矿物 次生矿物
有 机 质
四、土的结构和构造
重塑土的强度 < 原状土的强度
土颗粒或粒团的 空间排列和相互联结
土的结构 + 土的构造
影响
同一土层中物质成分、 颗粒大小相近的各部分 之间的相互关系的特征
力学特性
1、土的结构
单粒结构 • 粒间作用力 • 排列形式 • 矿物成分 ---粗粒土的结构 重力，毛细力
点与点、点与面
原生矿物 示意图
比 萨 斜 塔
3、为什么要学习土力学？
苏州虎丘塔
概况：位于虎丘公园山顶，建于
宋太祖建隆二年(公元961年)。 塔高47.5m，平面呈八角形。
问题：塔身向东北方向严重倾斜，
塔顶离中心线达2.31m，底层塔 身发生不少裂缝，成为危险建筑 物。
原因：坐落于不均匀粉质粘土层，
产生不均匀沉降。
处理：在四周建造圈桩排式地下
蜂窝结构
---细砂、粉粒土的结构
• 粒间作用 力 • 排列形式 • 矿物成分
重力，表面力
蜂窝状
主要是原生矿物
蜂窝结构
絮状结构 ---细粒土的结构
絮状结构
• 形成环境 • 粒间作用力 • 排列形式 淡水中沉积
海水中沉积
• 矿物成分
表面力、胶结力 表面力、胶结力 （粒间斥力占优势）（斥力减小引力增加） 边、角与面 面与面 边、角与边 次生矿物 次生矿物
香港宝城滑坡
香 港 宝 城 滑 坡 现 场
Early 1972 滑坡前
July 1972 滑坡后
3、为什么要学习土力学？
液化：松砂地基在振动荷载作用下丧失强度变
成流动状态的一种现象
神户码头：
地震引起大面积砂 土地基液化后产生 很大的侧向变形和 沉降，大量的建筑 物倒塌或遭到严重 损伤
阪神大地震中的地基液化
1590年: 伽利略在此塔做 自由落体实验 目前：塔向南倾斜，南北两端沉 降差1.80m，塔顶离中心线已达 5.27m，倾斜5.5°
原因： 地基持力层为粉砂，下面为粉土 和粘土层，强度低，变形大。
比 萨 斜 塔
3、为什么要学习土力学？
处理措施
1838-1839：挖环形基坑卸载 1933-1935：基坑防水处理 基础环灌浆加固 1990年1月: 封闭 1992年7月：加固塔身，用压重 法和取土法进行地 基处理 目 前 : 已向游人开放。
处理：事后在下面做了七十多个支撑于基岩上的混凝土墩， 使用388个50t千斤顶以及支撑系统，才把仓体逐渐纠正过来， 但其位置比原来降低了４米。
加拿大特朗斯康谷仓
3、为什么要学习土力学？
1972年7月某日清晨，香港宝城路附近，两万立方米 残积土从山坡上下滑，巨大滑动体正好冲过一幢高 层住宅--宝城大厦，顷刻间宝城大厦被冲毁倒塌并 砸毁相邻一幢大楼一角约五层住宅。死亡６7人。 原因：山坡上残积土本身强度较低，加之雨水入渗 使其强度进一步大大降低，使得土体滑动力超过土 的强度，于是山坡土体发生滑动。
液相-水 气相-空气
• 受力后由土骨架、孔隙 介质共同承担 • 相间存在复杂的相互作用 • 孔隙流体流动
• 非均匀性 • 各向异性 • 时空变异性
天然性 自然界的产物，
存在自然变异性
土体的特点
2、土及土力学有哪些特点？
碎散性 三相性 天然性
• 渗透特性
• 变形特性
• 强度特性
物理力学 特性复杂
0.01 0.005
0.001
0.10 0.05
1.0 0.5
10 5.0
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
土的颗粒级配累积曲线
d60 d50 d30
d10
（3）、矿物成分
原生矿物
石英、长石、云母等
特征：矿物成分的性质较稳定，由其组成的土具有
无粘性、透水性较大、压缩性较低的特点。
土体的特点
2、土及土力学有哪些特点？
连续介质力学 的基本知识
描述碎散体 特性的理论
实验规律及工 程实践经验