土力学第一章 土的物理性质

第一章 土的物理性质§1.1 土的生成岩浆(magma tic rock))()(soil rock 土岩石风化作用冷却−−−→−−−→− 土是地壳表层的岩石长期经受风化作用和水流、冰川、风等自然力搬运、剥蚀及堆积作用而生成的松散堆积物。

一、风化作用(weathering)1物理风化：气温变化、机械破坏特征：机械破坏、成分相同。

2化学风化：岩石与水、气、二氧化碳等化学作用。

特征：化学成分改变。

3生物风化：生物活动对岩石的破坏。

特征：树根使岩石机械破坏，微生物使岩石成分改变。

二、土的沉积(soil sedimentation)类型土的沉积类型：残积土(residual soil)、坡积土(slope wash)、洪积土(diluvial soil)、湖沼积土、海积土(marine soil)、冰川积土、风积土(Aeolian deposit)等。

土的类型、土的成分、土的结构、颗粒大小、力学性质都有很大差别。

图1.1 残积土、坡积土及洪积土的形成备 注结合《工程地质》课程，介绍土的生成。

黑板板书，介绍土的沉积类型，增强学生印象。

三、特殊土（special soil）沿海地区的软土(soft clay)、黄土(loess)、膨胀土(expansive soil)、冻土frozen soil)，区域性强。

四、土的沉积年代对土性质的影响一般生成年代越久，上覆土层越厚，压得越密，化学作用或胶结作用越强，土得强度也越大，压缩性就越小，反之新近沉积的土质较松软，工程性质较差。

五、土的三相组成土颗粒←固相水←液相空气←气相§1.2 土的粒径组成和矿物成分一、土的粒径（grain size）组成1. 粒径(grain size):颗粒的直径2. 粒组(fraction)：大小相近的颗粒归为一组。

3. 颗粒级配：土中不同大小颗粒的相对含量。

备注设问法介绍不同类型沉积土的特征。

结合工程设计，介绍设计中遇到坡积土和洪积土地段时需要注意的一些问题。

二、粒径分析(grain size analysis)1．粒径分析方法粒径分析方法:筛分法(0.1mm<d<60mm)和比重计法(d<0.1mm)图1.2 筛子图1.3比重计法①筛分法：标准筛共五层，孔径分别为2.0 1.0 0.5 0.25 0.1mm盖底盘2m12m3m4m5m6m图1.4 标准筛计算小于某式中W d土粒重W s −土粒总重（=m 1+m 2+m 3+m 4+m 5+m 6） d<0.1mm P 1=%1006⨯sW m备 注土力学中标准筛与建筑材料中标准筛之间的区别？d<0.以此类推d<2.0mm P 5=5432++++SW mm m m m② 比重计法(自学)2．粒径分布曲线(grain sizedistribution curve)(级配曲线)以粒径d 的对数为横坐标lgd ，小于某粒径的含量P 为纵坐标，绘制P~lgd 关系曲线，即级配曲线。

图1.5 三种不同土的粒径分布曲线讨论（1）级配曲线比较陡时，表明颗粒比较均匀（2）级配曲线比较平缓时，表明颗粒比较不均匀，粒径范围变化大。

3．粒径级配曲线的应用d 60，d 10， d 30——分别为粒径分布曲线纵坐标p 等于60%、10%、30%时对应的粒径。

其中d 10称为有效粒径(effective grain size)。

（1） 不均匀系数C u (coefficient of uniformity)1060d d C u =C u 越大，曲线越平缓，粒径分布不均匀。

（2）曲率系数C c (coefficient of curvature)C c =6010230d d d ⋅C c 反映曲线弯曲形状，表明中间粒径和较小粒径相对含量的组合情况。

备 注设问法讨论级配曲线对土的颗粒分布均匀性进行定性分析，引入后面的定量分析。

(3) 应用对于粗粒土常用不均匀系数C u 和曲率系数C c 来评价土的颗粒级配情况。

① C u ≧5和C c =1~3时，粒径分布不均匀且级配良好(well-graded soil)，土易被压实，是适合的工程填料；相反，则为不良级配土(poorly –graded soil)② C u ＜5，粒径分布均匀，颗粒大小相差不大。

③ C c <1，中间粒径颗粒偏少，较小粒径颗粒偏多。

④ C c >3，中间粒径颗粒偏多，较小粒径颗粒偏少。

⑤ 如曲线上出现水平线，即缺少某种中间粒径的土。

三、土中矿物成分(自学)§1.3 土中的水和气体本节主要自学土中水的类型和数量对土的状态和性质有重大影响。

土中水包括矿物内部结合水和粒间孔隙水。

孔隙水存在形式：冰（固态水）、水汽（气态水）、液态水。

土中的气体主要是空气和水气。

§1.4 土的结构及联结(soil structure)一、砂土的振动密实和液化1. 松砂受振动时土粒在振动中调整相互位置，土的结构趋于更加密实、稳定。

2. 颗粒较细的砂土被水饱和，在突然振密而排水不畅的情况下，土粒受到孔隙水的反作用而处于悬浮状态，变成液体状，称为液化或流砂(quick of sand)。

是建筑物地基破坏的主要原因。

二、粘性土的结构性和灵敏度1结构性：粘性土在保持天然结构时（原状土）(undisturbed soil sample)的工程性质与它的结构破坏后（扰动土）(disturbed soil sample)的工程性质常有很大差别，这就是土具有的结构性。

2灵敏度(sensitivity)S t ：灵敏度是常用的评价粘性土结构性对强度影响的指标。

定义如下：'((uut q q S 或不排水抗剪强度）侧限抗压强度重塑土（扰动土）的无或不排水抗剪强度）度原状土的无侧限抗压强备 注结合路基填料的工程应用讲解。

采用比喻的方法加深学生的理解：路基填料，希望级配良好;正如军队中，要求战士们年龄级配均匀，以便于训练与战斗，而不同级别军官年龄则应级配良好，可发挥不同年龄段人的经验，阅历和威望。

结合地基处理的换填法和汶川地震讲解土的结构性越强，灵敏度越大。

三、粘性土的触变性触变性(thixotropy)：含水率和密度不变，土因重塑而软化，又因静置而逐渐硬化，强度有所恢复的性质。

图1.6 粘性土的强度随时间的变化曲线触变性指导工程实践的实例：（1）粘性土中打桩。

（2）堤坝、路基工程中，压实粘性土的强度会在压实结束后逐渐提高。

（3）触变性强的黏土制泥浆护壁。

备注结合工程应用讲解。

§1.5 土的三相含量指标土的三相草图图1.7 土的三相图由上图可知：W s a W s W W W W W W +≈++=V s a W s V V V V V V +=++=一、三个基本指标1. 土的密度ρ(density)和容重γ(unit weight)ρ=V体积质量M（g/cm 3） （环刀法测定）γ=V体积重量W(kg/m 3) γ=ρ⋅g (g 为重力加速度) 2. 含水率w (watercontent)ω==s WWM M 土粒质量土中水的质量ω （烘干法测定）3. 土粒容重γs 和土粒比重G s (specific gravity of soil particle)（土粒相对密度）γs =ssV W =土粒体积土粒重量(KN/m 3) G s =C W︒水的重同体积土粒重量4 （重瓶煮沸法）备 注假想将土的三相成分分开，详细讲解该图。

采用设问法，与学生互动，介绍三个基本指标。

含水量和含水率的区别？以上三个指标可以由试验直接测定，称为基本指标.二、导出指标1. 孔隙比(void ratio)和孔隙率n (porosity)e =svV V =土粒体积孔隙体积 (e =0.25~4.0)n =VV v=土体积孔隙体积=%100⨯+sv vV V V (n <1.0) 用三相草图来推导e 或n图1.8 单元土的三相简图e =1)1(-+⋅γωγs n =e e e V V V e V V s s s v +=⋅+⋅=1e 或n 越大，土越松，越小则越密。

2. 土的饱和度S r (degree of saturation)eG V V S sV w r ω==饱和度越大，土越湿。

饱和度用百分数或小数表示，值0~1。

3. 土的饱和容重γsat 、浮容重γ’、干容重γd（1）土的饱和容重饱和度等于100%的饱和土的容重γsat 。

γsat =ee V W ws +⋅+=1γγ (kN/m 3)（2）土的浮容重γ’ews w sat +-=-=1'γγγγγ (kN/m 3)备 注多媒体配合黑板板书，详细讲解由土的三相图变化为三相简图的过程，推导孔隙比e 的计算公式。

课后作业：推导该公式（3）土的干容重γdγγ=+==1eV W s s d (kN/m 3)（4）不同含水率下密度的比较ρρρρ'>>>d sat三、最大干容重和最优含水率（土的压实原理）路基压实时，一般要先通过击实试验得到最大干密度(maximum dry density) 和最优含水率(optimum moisturecontent)。

四、典型例题讲解某原状土样，试验测得基本指标如下：天然密度ρ=1.67g/cm 3，含水率w =12.9%，土粒比重G S =2.67，试求其它指标。

解法一：利用书中公式求解解法二：绘制三相草图，假设V s =1.0 解法三：绘制三相草图，假设V =1.0计算结果333/k 3.9' ,/k 8.14,/k 3.19 ,43.0 %,4.44 ,8.0mN m N m N S n e d sat r ======γγγ备 注采用设问法，比较不同含水率下密度。

黑板板书，结合路基填筑及检测的现场经验，讲解最大干密度、最优含水率、压实度和“橡皮土”等概念及土的压实原理，注意启发学生思考问题。

该例题是本节所讲内容的综合，讲解时采用设问的方法启发学生的解题思路。

注意比较三种方法的难易程度。

给出答案，课后学生自己完善解题过程。

§1.6 土的物理状态及其有关指标土的物理状态主要指：土的松、密（对无粘性土）和0.1=s V0.1=V软、硬（粘性土） 一、无粘性土(cohesionless soil)的密实程度评价指标：相对密实度D r 、标准贯入锤击数N 63.5。

1．相对密度D r (relative density)D r =m inm ax m ax e e ee --式中 e max 、e min —土的最大、最小孔隙比，相对于最松、最密状态。

e —土的天然状态孔隙比。

D r =0~1。