岩土工程第二讲土力学性质
岩土工程知识点总结
岩土工程知识点总结1. 引言岩土工程是土木工程领域中的重要学科，涉及土壤和岩石的力学特性、地基基础设计、地下水流动等内容。
本文将对岩土工程的一些关键知识点进行总结。
2. 土壤力学2.1 土壤分类根据颗粒大小和颗粒成分，土壤可以分为砂土、粉土、黏土和有机土等类型。
每种类型的土壤具有不同的工程特性和力学性质。
2.2 土壤物理性质土壤的物理性质包括体积重、容重、孔隙比、含水率等。
这些参数影响着土壤的稳定性和水分运移。
2.3 土壤力学参数土壤力学参数包括内摩擦角、压缩模量、剪切强度等，这些参数用于描述土壤的强度和变形特性。
不同类型的土壤具有不同的力学参数。
3. 岩石力学3.1 岩石分类岩石可以分为火成岩、沉积岩和变质岩等类型。
不同类型的岩石具有不同的物理和力学性质。
3.2 岩石物理性质岩石的物理性质包括密度、孔隙度、吸水性等。
这些参数对岩石的稳定性和工程行为有重要影响。
3.3 岩石强度岩石强度是衡量岩石抵抗外力的能力，常用指标包括抗压强度、抗拉强度和抗剪强度等。
岩石强度对岩石的工程应用具有重要意义。
4. 地基基础设计4.1 地基类型根据地基承载形式和地质条件，常见的地基类型包括浅基础和深基础。
针对不同类型的地基，需要采用不同的设计方法。
4.2 地基勘察地基勘察是地基基础设计的前提，通过采集土壤和岩石的资料，包括含水量、颗粒分析、荷载测试等，为基础设计提供依据。
4.3 地基处理地基处理是指通过加固或改良地基的方式提高地基的承载能力和稳定性。
常见的地基处理方法包括加固灌注桩、沉桩和振动加固等。
5. 地下水流动5.1 地下水概述地下水是指土壤和岩石中饱含的水体，它对岩土工程具有重要的影响。
地下水的流动性质主要受渗透系数和水头差的影响。
5.2 渗透系数渗透系数描述了岩土中水分的渗透能力，是地下水流动方程中的重要参数。
不同类型的土壤和岩石具有不同的渗透系数。
5.3 地下水压力地下水压力是指地下水对地下结构和地表的压力分布。
《岩土工程勘察规范》GB 50021-2001(2009版)学习-土的物理性质指标
《岩土工程勘察规范》GB 50021-2001（2009版）学习-土的物理性质指标1 土的组成天然状态下的土的组成（一般分为三相）（1）固相：土颗粒--构成土的骨架。
决定土的性质--大小、形状、成分、组成、排列（2）液相：水和溶解于水中物质（3）气相：空气及其他气体（1）干土=固体+气体（二相）（2）湿土=固体+液体+气体（三相）（3）饱和土=固体+液体（二相）土的三相示意图2 土的颗粒级配2.1 基本概念自然界的土通常由大小不同的土粒组成，土中各个粒组重量（或质量）的相对含量百分比称为颗粒级配，土的颗粒级配曲线可通过土的颗粒分析试验测定。
工程上将各种不同的土粒按其粒径范围，划分为若干粒组，为了表示土粒的大小及组成情况，通常以土中各个粒组的相对含量（即各粒组占土粒总量的百分数）来表示，称为土的颗粒级配。
土中各粒组的相对含量称土的粒径级配，土的粒径级配是通过土的颗粒大小分析试验确定。
土粒含量的具体含义是指一个粒组中的土粒质量与干土总质量之比，一般用百分比表示。
土的粒径级配直接影响土的性质，如土的密实度、土的透水性、土的强度、土的压缩性等。
要确定各粒组的相对含量，需要将各粒组分离开，再分别称重。
这就是工程中常用的颗粒分析方法，实验室常用的有筛分法和密度计法。
土的粒径级配指的是土中各粒组的相对含量，用占总质量的百分数来表示。
这是无黏性土的重要指标，是粗粒土的分类定名的标准。
2.2 粒径级配累积曲线工程中常用粒径级配累积曲线（颗粒大小分布曲线）直接了解土的级配情况。
曲线的横坐标为土颗粒粒径的对数，单位为mm ；纵坐标为小于某粒径土颗粒的累积含量，用百分比（％）表示。
将筛分析和比重计试验的结果绘制在以土的粒径为横坐标，小于某粒径之土质量百分数为纵坐标，得到的曲线称土的粒径级配累积曲线。
级配曲线的特点：半对数坐标{量（％）小于某粒径的土质量含纵坐标）土粒粒径（对数坐标横坐标---mm几种土的粒径分布曲线从颗粒级配曲线中可直接求得各粒组的颗粒含量及粒径分布的均匀程度，进而估测土的工程性质。
土力学-第二章土的物理性质及分类
天津城建大学土木工程学院
mw m ms 100% 100% ms ms
m Vv w s V
气
e
假设：ρw1=ρw ,Vs=1,则
ms Vs d s w d s w
Vv Vs
V n v 100% V
Sr
Vw 100% Vv
VV e
V 1 e
将粒径>2mm的质量超过50%的称为碎石土；
将粒径＞2mm的质量小于50％，而大于0.075mm的质量超过50%的称为砂土； 将大于0.075mm的质量小于50%的定为粉土或粘性土。
天津城建大学土木工程学院
2.1
概述
土力学
土的物理性质是指三相的质量与体积之间的相互比例关系及固、液 二相相互作用表现出来的性质。
【例】某土样经试验测得体积为100cm3，湿土质量为187g，
烘干后，干土质量为167g。若土粒的相对密度ds为2.66， 求该土样的含水量w、密度ρ、重度 、干重度d 、孔隙 比e、饱和重度sat和浮重度
【解】
mw 187 167 w 100% 11.98% ms 167
粘性土的物理特征
无粘性土的密实度 粉土的密实度和湿度 土的胀缩性、湿陷性和冻胀性 土的分类
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2.3
粘性土的物理特征
土力学
2.3.1 粘性土的可塑性及界限含水量
2.3.2 粘性土的物理状态指标
2.3.3 粘性土的活动度、灵敏度和触变性
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2.3.1
粘性土的可塑性及界限含水量
腐殖土ρ＝1.5～1.7g/cm3
天津城建大学土木工程学院
2.2.2
土力学第二章
Vv
Vw
V
s Gs 4C 4C Vs ( w ) w
ms
固体
Vs
体积
质量 • 单 位: 无量纲 • 一般范围：粘性土 2.70~2.75， 砂土 2.65
C =1.0 g/cm3 4 w
土粒的相对密度在数 值上等于土粒的密度
基本试验指标-土粒比重
土粒相对密度Gs测定
土粒相对密度常用比重瓶法测定。事先将比重瓶注满 纯水，称瓶加水的质量m1 。然后把质量为ms的烘干土装 入该空比重瓶内，再加纯水至满，称瓶加土加水的质量m2 。由前后质量差异，来计算土粒的体积，从而进一步计算 出土粒比重。
ma=0
空气 水
Va Vv Vw V
Байду номын сангаас
m mw ms
质量
物性指标是比 例关系: 可假设 任一参数为1
固体
Vs
体积
三个独立变量， 干土或饱和土二 个独立变量
实验室 测定
其它指标： 三相草图法计算
三相草图
2.1
土的物理性质指标
为了确定三相草图诸量中的三个直接测量
指标，通常进行三个基本的物理性质试验：
土的密度试验 土粒比重试验 土的含水量试验
或
d
1 w
（三）孔隙比与相对密度和干密度的关系 设土体内土粒的体积为1，则按e=Vv/Vs，孔隙的体积vv为e；由Gs ＝ ms / Vs/ρw得土粒的质量ms为Gs。于是，按ρd的定义可得：
ms Gs w d V 1 e
整理得：
e
Gs w
d
1
（四）饱和度与含水率、比重和孔隙比得关系 设土体内土粒的体积为1，则按e=Vv/Vs得体积vv=e；由Gs ＝ ms / Vs得土粒的质量ms=Gs。按w= mw / ms ，水的质量mw=wGs，则水 的体积vw= mw / ρw =wGs/ρw。于是，Sr定义可得：
土力学第二讲
③ 影响渗透系数的因素 A. 土的性质 a. 粒径大小与级配 b. 矿物成分 c. 孔隙比 d. 结构与构造 e. 饱和度 B. 渗流水的性质 水的流速与动力粘度有关，动力粘度越大，流速越 小，动力粘度随温度的增加而减小。因此，温度升高一般 会使土的渗透系数增加。
(4) 层状地基的等效渗透系数
H 5 10 H
1 10-2
h 5cm
h h 3 10-3 B hB 2h 50 30 h h hC 4h 1 10-2 5 10-4 B 50 10 h hB hC 35cm
(2) 达西(Darcy )定理和渗透试验
达西根据不同尺寸的圆筒、不同类型及长度的土样进
第二章 土的渗透性和渗流
1. 概述
（1）定义
渗流：水在能量差作用下在孔隙通道中流动的现象。 渗透性：土具有被水等液体透过的性质。 渗透力：流经土体的水流会对土颗粒和土体施加作用力。
（2）主要问题
① 渗流量 ② 渗透变形 ③ 渗流控制
（2） 地下水的埋藏类型
上层滞水 ：指存在于地面以下局部隔水层(如坚硬 的粘土、岩层等)上面的滞水。 潜水：指埋藏于地面以下第一个隔水层以上具有自 由水面的地下水。 承压水：指充满于两个隔水层之间的含水层中、承 受一定的静水压力的地下水。
H
饱和粘土层
砂土 A
5m
10m
4m
解1：
H 饱和粘土层 砂土
B
5m A
10m
4m
如图在A处取单位面积土柱 单位面积土柱在 A 处取产生的重量：
G A sat (10 H ) 1
承压水在A处取产生的上推力： FA w 5 1 由
G A FA
土力学第2章 (1)
e
Gs w
d
1
16
（四）饱和度与含水率、比重和孔隙比得关系 设土体内土粒的体积为1，则按e=Vv/V得体积vv=e；由ρs ＝ ms / Vs得 土粒的质量ms=ρs。按w= mw / ms ，水得质量mw=wρs，则水得体积 vw= mw / ρw =wρs/ρw。于是，Sr定义可得：
塑限（Wp）——从可塑状态转变为半固体状态的界限含水率，也就是 可塑状态的下限含水率； 缩限（Ws）——从半固体状态转变为固体状态的界限含水率，亦即粘 性土随着含水率的减小而体积开始不变时的含水率。
31
2.液、塑限的测定 测定塑限的方法：搓滚法和液、塑限联合测定法。 测定液限的方法：碟式仪法和液、塑限联合测定法。 液、塑限联合测定法： 塑限－5秒入土2mm时的含水率10mm 液限－ 5秒入土10mm时的含水率17mm 液限－ 5秒入土17mm时的含水率
I p wL wp
塑性指数越高，结合水含量可能高，土的粘粒含量越高。
工程中:用塑性指数IP作为粘性土与粉土定名的标准。
35
2.液性指数
第一章 土的物理性质指标与工程分类
IL w wp wL w p w wp Ip
粘性土的状态可用液性指数来判别。 定义为：
式中：IL——液性指数，以小数表示；
沈阳建筑大学
土力学
第2章 土的物理性质及分类
主讲教师: 王宁伟
2.1
概述
• 土是由固体、液体、气体三相所组成。三相组成部分的性 质与数量以及它们之间的相互作用，决定着土的物理力学 性质。 • 土中的孔隙体积大，土就松散；含水多，土就软弱。也就 是说土的松密和软硬程度主要取决于组成土体的三相之间 在数量上所占有的比例，因此土力学中采用三相之间在体 积和质量上的比例关系，作为反映土的物理性质的指标。
土力学_第2章(土的物理性质和工程分类)
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
土力学第二讲
2.3 二维渗流与流网
解析方法
通解：两个共轭调和函数 势函数Φ(x,z) 流函数Ψ(x,z) 等势线 流线 相互正交
特定解
适用于边界条件简单的情况
边界条件
数值方法
差分法、有限元方法，精度高，应用愈来愈广泛
试验比拟方法 （电比拟方法）
利用渗流场和电场均服从Laplace方程这一特点，按一定比例制 作模型，用电场中的等势线和流线来模拟渗流场中的等势线和流线， 以达到确定渗流场中渗流要素的目的。
对单宽dy=1，取一微小单元dx, dz
v z dz z
z
z
vx
vz
vx
v x dx x
x
vz
x
2.3 二维渗流与流网
一. 平面渗流的基本方程及求解
1. 基本方程 水头描述
连续性条件
v z vz dz z
dqe vx dz vz dx
v x vz dqo (vx dx )dz (v z dz )dx x z
Q lg(r2 / r1 ) k 2.3 h22 h12
优点：可获得现场较为可 靠的平均渗透系数 缺点：费用较高，耗时较长
2.2 土体的渗透性
4、影响渗透系数的因素
k f (土粒特性、流体特性）
粒径大小及级配 孔隙比 矿物成分 结构 饱和度（含气量） 水的动力粘滞系数
2.2 土体的渗透性
2 2 2 0 2 x z
1）势函数和流函数均满足拉普拉斯方程
2）势函数等值线和流函数等值线正交 3）当取⊿=⊿时，流网网格为曲边正方形 4）势函数和流函数为共轭调和函数，两者完备地描述了一渗流场
2.3 二维渗流与流网
边界条件
土力学知识点
土力学知识点土力学是研究土体力学性质和工程上土体力学问题的一门学科，它是土木工程和岩土工程领域的重要基础学科。
本文将介绍土力学的基本概念和几个重要的知识点。
一、土体力学性质土体力学性质是指土体在力学作用下的变化规律和力学行为特性。
了解土体力学性质有助于我们分析和解决土力学问题，保证工程的安全可靠。
1. 压缩性与压缩参数压缩性是指土体在受到外力作用下而发生体积变化的性质。
常用的压缩参数有压缩模量、压缩系数和顶部收缩等。
- 压缩模量：压缩模量是衡量土体抗压缩性能的一个重要参数，表示单位应力下土体相对应的应变。
压缩模量越大，土体的抗压缩性能越好。
- 压缩系数：压缩系数是衡量土体压缩性能的另一个参数，表示土体在应力作用下单位体积的体积变化。
压缩系数与压缩模量存在一定的关系，常用来评估土体的变形性状。
- 顶部收缩：顶部收缩是指土体在受到外部压力时，顶部产生下沉或变形的现象。
在工程中需要特别注意顶部收缩对建筑物和结构物的影响。
2. 剪切性与剪切参数剪切性是指土体在受到切割作用时的变形和破坏特性。
了解土体的剪切性有助于我们研究土体的侧向稳定性和土体力学性质。
- 剪切模量：剪切模量是衡量土体抗剪切性能的参数，表示单位剪应力下土体相对应的剪应变。
剪切模量越大，土体的抗剪切性能越好。
- 内聚力和摩擦角：内聚力和摩擦角是衡量土体抗剪切能力的两个重要参数。
内聚力表示土体颗粒间的黏结能力，摩擦角表示土体颗粒间的摩擦阻力大小。
内聚力和摩擦角的大小直接影响土体的抗剪切性能。
二、土力学应用土力学的研究成果广泛应用于土木工程和岩土工程领域，为工程设计和施工提供了理论基础和技术支持。
1. 地基工程地基工程是土力学的一个重要应用领域，主要涉及土壤基础、地基承载力、沉降和地基处理等问题。
通过研究和分析土体力学性质，可以评估地基的稳定性和承载力，指导地基的设计和处理工作。
2. 土石坝工程土石坝工程是利用土石材料堆筑成的坝体，土力学是其设计和安全评估的基础。
土质土力学土的物理性质优秀PPT
物理性质分为基本物理性质和水理性质：
土的固、液（水）、气三相在质量和体积 之间的相互比例关系称为土的基本物理性 质，主要反映在土的密实程度和干湿状况 等。
液相（水）水与固相之间的相互作用所表 现出来的性质称为土的水理性质，主要研 究土的稠度与塑性、土的膨胀性与收缩性、 土的透水性和毛细性等。
为土的天然密度（通常所说的密度 即指天然密度），相应的重度为天 然重度，以区别于其他条件下的密 度。
土的密度是实测指标，可采用环刀法、蜡封法、灌水法和灌
砂法等方法测定。 环刀法适用于细粒土，蜡封法适用于易破裂土和形状不规则
的坚硬土，灌水法和灌砂法适用于现场测定粗粒土的密度。
环刀
（3）饱和密度(重度)
[无量纲]
ms
S
Vs
质量 mass
体积 volume
土的三相图
土粒比重与土粒密度在数值上是相 等的。
一般土的土粒密度值见下表：
土名
砂土 砂质粉土 粘质粉土 粉质黏土 黏土
s(g/cm3) 2.65~2.69 2.70
2.71 2.72~2.73 2.74~2.76
土粒密度是实测指标，小于5mm的
用小数表示
A ma(0)
mw
W
m
Va Vv
Vw V
计算指标
孔隙比常用以表示土的密实 程度，并用于计算地基沉降 量。e越大，孔隙越发育，结 构越松散。 粉土按孔隙比e的分类： 密实（e<0.75）； 中密（0.75e<0.90）； 稍密（e0.90）。
ms
S
Vs
质量 mass
体积 volume
土的三相图
(1) 孔隙度（孔
隙率） n Vv 100%
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2 侧向应力
无侧向变形（侧限）条件下：
chcxcyK 0 cz
K0
1
K0——静止侧压力系数，它是土体在侧限条件下有效小 主应力σ’3与有效大主应力σ’1 之比， K0与土层的应力历史 及土的类型有关。
正常固结粘土： K0 ＝1－sin
左右
对一般地基K0 ＝0.5
3 基底压力与基底附加压力
基底（接触）压力指上部结构荷载和基础自重通过基础 传递，在基础底面 处施加于地基上的单位面积压力。 地基反向施加于基础底面上的压力称为基底反力。
基底附加应力是指基底压力扣除因基础埋深所开挖的自 重应力之后在基底处施加于地基上的单位面积压力。
pn pd
当基础尺寸不太大，荷载也较小时，可假定基底压力为 直线分布。
2）基底附加压力
基底净压力 基底压力中扣除基底标高处原有土的自重应力，才是基础底 面下真正施加于地基的压力，称为基底附加压力或基底净压 力。 对于基底压力p为均布情况
p
d
rd
二、土的渗透性
渗透：由于土体本身具有连续的孔隙，如果存在水位差 的作用，水就会透过土体孔隙而发生孔隙内的流动。
对粘性土： vk(iib)
k--土的渗透系数，cm/s，与土的 渗透性质有关的待定系数。
土的渗透系数可以通过室内渗透试验或现场抽水试验来测定。 各种土的渗透系数参考值（cm/s）
土名 致密粘土 粉质粘土 粉土、裂隙粘土 粉砂、细砂
中砂 粗砂、砾石
渗透系数k (cm/s) <10-7
10-6－10-7 10-4－10-6 10-3－10-4 10-1－10-2 102－10-1
线弹性体 卸载
加载
εp
ε
ε
e
竖向应力
cz z
地下水位以下，用有效容 重；不同土层的重量可以 叠加
cz 1 h 12h 23 h 3
pw wh3
分布规律 ▪自重应力在等容重地基中随深度呈直线分布； ▪自重应力在成层地基中呈折线分布； ▪在土层分界面处和地下水位处发生转折。
岩土工程第二讲土力学性质
土的力学性质包括：
• 一、土体中的应力 • 二、土的渗透性 • 三、土的压缩、固结与沉降 • 四、土的抗剪强度
一、土体中的应力
支承建筑物荷载的土层称为地基。 与建筑物基础底面直接接触的土层称为持力层。 将持力层下面的土层称为下卧层。
土体的应力按引起的原因分为自重应力和附加应力； 自重应力——由土体自身重量所产生的应力。 附加应力——由外荷（静的或动的）引起的土中应力。
z
+
材料力学
xz x
- zx
z
+
土力学
xz x
正应力
剪应力
拉为正 顺时针为正 压为负 逆时针为负
压为正 逆时针为正 拉为负 顺时针为负
土中应力的研究方法（研究假定）
实际
假定
Δσ
碎散体
①连续介质 （宏观平均）
非线性
②线弹性体
弹塑性 （应力较小时）
成层土
③均匀一致各向同性体
各向异性 （土层性质变化不大时）
基马式渗透仪
南55渗透仪
2 渗透力及渗透破坏类型
渗流所引起的稳定问题： （1） 土体的局部稳定问题，又称为渗透变形问题； （2） 整体稳定问题。
1）渗透力的概念
在饱和土体中水的渗流分析中，把土颗粒骨架视为不可变 形的刚体，发生渗流时，受到土粒的阻力，引起水头损失 ，同时水也对土颗粒施加渗流作用力，单位体积土骨架所 受到的渗流作用力称为渗透力(seepage force or seepage pressure)或动水压力，用J表示。
土具有被水透过的性能称为土的渗透性。
土的问题是指由于水的渗透引起土体内部应力状态的变 化或土体、地基本身的结构、强度等状态的变化，从而 影响建筑物或地基的稳定性或产生有害变形的问题。
1 土的渗流理论
一、达西渗透定律 由于土体中的孔隙一般非常微小，水在土体中流动时的 粘滞阻力很大、流速缓慢，因此，其流动状态大多属于 层流。 著名的达西(Darcy)渗透定律： 渗透速度：
（ watertight ）
w=15.6% e=0.57 γs=26.6kN/m3
w=22% wL=32% wp=23% γs=27.3kN/m3
a σz=0 b σz(upper)=γ’1h1=9.9×2=19.8kPa
σz(Down)=γ’1h1+ γw(h1+hw)=9.9×2+10×(2+1.2)=51.8kPa c σz=γ’1h1+ γw(h1+hw)+ γsat2h2
v k h ki L
或 渗流量为：qvAkiA
式中：υ--水在土中的渗透速度， cm/s。
它不是地下水的实际流速，而是 在一单位时间（sec） 内流过一单位 土截面（cm2）的水量（cm3）； i--水头梯度，即土中两点的水头差（ h1-h2）(对右图，为H1-H2)与两点间 的流线长度（L）之比；
2）渗透破坏类型
根据渗透破坏的机理将破坏形式分为流土、管涌、接 触流失和接触冲刷四种形式，称为土的渗透破坏的四种 模式。
1）基底压力
影响基底压力分 布和大小的因素
•大小 •方向 •分布
荷载条件
基础条件
•刚度 •形状 •大小 •埋深
地基条件
•土类 •密度 •土层结构等
柔性基础与刚性基础 柔性基础：刚度较小，基底压力与其上的荷载大小及分 布相同；
刚性基础：刚度较大，基底压力分布随上部荷载的大小、 基础的埋深及土的性质而异。
按土体中土骨架和土中孔隙（水、气）的应力承 担作用原理或应力传递方式可分为有效应力和孔 隙应力。 有效应力——由土骨架传递（或承担）的应力。 孔隙应力——由土中孔隙流体（水和气体）传递 的应力。
土中任意一点的应力状态用六个独立分量表示：
x y z xy yz zx
土力学中应力符号的规定
- zx
均质地基
1 (1 2) 2 2
成层地基
The stratum’s conditions and the related physical characteristics parameters of a foundation are shown in Fig below. Calculate the stress due to self-weight at a,b,c. Draw the stress distribution.