2019土力学_冯老师_第二章_土的三相组成2
土力学 (2)ppt课件
gg
g：重力加速度，取10m/s2。
• 单位：kN/m3
• 在计算土的应力时，将采用重度g 指标。
• 土的四个密度：、 d 、 sat 、 ’ ，与之相对应 四个重度指标： g 、 g d 、 g sat 、 g ’。
sa t d'
gsa t ggdg'
28
3. 反映土的孔隙特征、含水程度的指标
小结
22
第二章 土的物理性质及分类
§ 2.1 土的三相比例指标 § 2.2 粘性土的物理特性 § 2.3 无粘性土的密实度 § 2.4 土的分类
23
2.1.1 土的三相比例关系图
2.1 土的三相比例指标
ma=0
m
mw
Air Water
ms
Soil
质量
Va
Vv
Vw
V
Vs
体积
24
2.1.2 指标的定义 1. 三个基本的三相比例指标
1.2.2 土粒的矿物成分 1. 矿物成分分类 原生矿物 （物理风化）
次生矿物 （化学风化）
高岭石
石英 长石 云母
9克蒙脱土的总表面积大约与一 个足球场一样大
粗粒土
性质稳定
高岭石 伊利石 蒙脱石
伊利石
细粒土
性质不稳定 亲水性
蒙脱石
13
2. 粘土矿物的结晶结构 （1）粘土矿物单元
铝片的结构
硅片的结构
80 70 60 50
• 曲率系数
40
30
Cc
d2 30
d10 d60
20
10 0
d60
d30 d10
10 5.0 1.0 0. 5 0.10 0.0 5 0.01 0.005 0.001
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
土质土力学02土的物质组成和结构
d10——mm
Cu、Cc是国际通用的指标，根据不均 匀系数、曲率系数进行土的级配分类：
当Cu5且1Cc3时，为级配良好的土， 即为非均粒土，表明土中各粒组的含 量相差不大，大小颗粒混杂，累计曲 线平缓；
若不能同时满足上述两个条件，则为 级配不良的土，即均粒土，颗粒大小 较均匀，累计曲线的中段显得陡直。
土类名称 漂石(块石)土 卵石(碎石)土
优点：可以清楚地说明各粒组的含量 缺点：大量土样进行对比时较困难
粒组（mm）
10-5 5-2 2-1 1-0.5 0.5-0.25 0.25-0.10 0.10-0.05 0.05-0.01 0.01-0.005 0.005-0.002 0.002
土样1 -
3.1 60. 14.4 405 26.0 9.0
累积含量百分比是指小于（或大于）某粒径的 所有土颗粒占全部土颗粒的质量百分比。
优点：便于多个土样的粒度成分对比； 缺点：当土样数量很多时，较烦乱，不易分辨。
累积百分含量xd（%）
d50
120 100
80 60 40 20
0
0.001
d10
粒度成分曲线 d50
d60 d60
系列1 系列2 系列3
-
粒度成分(以质量%计) 土样2 25.0 20.0 12.3 8.0 8.2 4.9 4.6 8.1 4.2 5.2 1.5
土样3 -
8.0 14.4 37.6 11.1 18.9 10.0
(2) 累计曲线法（粒径分布曲线图） 以粒径为横坐标，以小于某一粒径的累计百分 含量为纵坐标，建立直角坐标系，将试验结果 数据投到该坐标系中，得到两者之间的关系曲 线（累计曲线）。一般横坐标（粒径）采用对 数的形式，因此累计曲线为半对数曲线。
土力学 知识点
第一章1.土的组成：土是由固体颗粒及其颗粒间孔隙中的水和气体组成。
2.土的三相组成：固体颗粒,液态水,气体.3.粒组:工程上将土颗粒按其大小分为若干粒经范围,每一区段范围为一组。
4.粒径级配曲线陡表示粒径大小相差不多，土粒均匀；曲线缓表示粒径大小相差悬殊，土粒不均匀，称为土的级配良好。
5.C u称土的不均匀系数○1工程上把C u ≤5的土看成均粒土，属级配不良；C u>5时称为不均颗粒; C u>10的土级配良好○2当级配良好时, C u=1~3;因此当C u＜1或C u>3时,均表示级配线不连续，这种土一般认为是级配不良的土。
6.土的物理性指标可分两类：○1是必须通过试验测定的，如含水量,密度和土粒相对密度;○2是根据试验测定的指标换算的,如孔隙比,孔隙率和饱和度等。
7.砂土的松密程度还可以用土体相对密度来评价8.Dr=e max−ee max−emine max——最大孔隙比e min——最小孔隙比e——天然孔隙比9.砂土按土体相对密度分类：0＜D r≤0.33 疏松0.33＜D r≤0.66 中密0.66＜D r≤1 密实10.流态：含有大量自由水塑态：含水较固态为大，大量弱结合水和部分自由水固态：○1（半固体状）大量强结合水，部分弱结合水○2（固体状）强结合水11.黏性土的液性指数（相对稠度）：天然含水量与塑限的差值和液限与塑限差值之比，其大小能反映土的软硬程度I L=ω−ωP ωL−ωP注：ω——天然含水量；ωL——液限含水量ωP——塑限含水量12.塑性指数：I P=ωL−ωP13.塑性指数表示黏性土具有可塑性的含水量变化范围，塑性指数数值越大，意味着黏性土处于可塑态的含水量变化范围越大。
14.s t=q uq0S t——黏性土的灵敏度q u——原状土的无侧限抗压强度q0——与原状土密度，含水量相同，结构完全破坏的重塑土的无侧限抗压强度①灵敏度（St）反映黏性土结构性的强弱②灵敏度越高的土，其结构性越高，受扰动后土的强度降低就越多15.三相比例指标16.用质量63.5kg重锤，76cm落距自由下落，计入贯入器贯入土层30cm的锤击数，称为标准贯入数N63.5第二章（土的应力）1.基底压力的分布与基础的大小、刚度、形状、埋深、地基土的性质及作用在基础上荷载的大小和分布等因素有关2.基底压力的简化计算:中心荷载下的基底压力：P=F+GA（G=r G Ad; r G=20）偏心荷载下的基底压力：{Pmax=F+GA+MWPmin=F+GA−MW（将W=16b²l;e=MF+G带入）e<b/6(梯形分布)；e=b/6（三角形分布）；e>b/6（P min<0）3.基底附加压力：作用在基础面的压力与基础底面处原来的土中自重应力之差：P0=P-γ0d4、发生向上渗流时，孔隙水压力增加了r w△h有效应力减少了r w△h；向下渗流时，反之5、矩形荷载下的地基附加应力：n=lb ，m =zb（l为长边，b为短边，z为深度）第三章（土的压缩变形）1、室内侧线压缩试验（固结试验）（实验仪器：压缩仪）是研究土的压缩性的最基本方法2、由于金属环刀和刚性护环的限制，土样在压力作用下只可能发生竖向压缩，而无侧向变形3、压缩性指标（简答题）（1）压缩系数a=e1−e2p2−p1（曲线越陡，随着压力的增加，孔隙比的减小越显著，压缩性越高）（2）压缩指数Cc=（e1-e2）log P1P2（值越大压缩性越高）（3）压缩模量Es=σzεz =1+e1a（侧线压缩模量）（越小土的压缩性越高）4、测定土的压缩性指标，除从室内压缩试验测定外，还可以通过现场原位测试取得5、土的变形模量是指土体在无侧限条件下的应力与应变的比值，用E0表示6、沉降计算方法：弹性理论方法、分层法总和法、应力面积法7、单向压缩层总和法：此深度称为沉降计算深度Zn，按应力比法确定，即在沉降计算深度处，一般土σz=0.2σc;若该深度下有高压缩性土，应继续向下计算至σz=0.1σc深度处8、如果将其与目前土层所受的自重压力P1相比较，天然土层按其固结状态可分为正常固结土、超固结土和欠固结土第四章1.达西定律：是指水在土中的渗透速度与水头梯度成正比，即v=kI q=kIA式中v—渗透速度（m/s）I—水头梯度，即沿着水流方向单位长度上的水头差，a、b两点的水头梯度I=（H1-H2）/l k—渗透系数（m/s）q—渗透流量（m3/s）,即单位时间内流过面积A的水量。
第2章 土的物质组成及土水相互作用
第2章土的物质组成及土水相互作用2.1 概述土是自然界中性质最为复杂多变的物质。
土的物质成分起源于岩石的风化（物理风化和化学风化）。
地壳表层的坚硬岩石，在长期的风化、剥蚀等外力作用下，破碎成大小不等的颗粒，这些颗粒在各种形式的外力作用下，被搬运到适当的环境里沉积下来，就形成了土。
初期形成的土是松散的，颗粒之间没有任何联系。
随着沉积物逐渐增厚，产生上覆土层压力，使得较早沉积的颗粒排列渐趋稳定，颗粒之间由于长期的接触产生了一些胶结，加之沉积区气候干湿循环、冷热交替的持续影响，最终形成了具有某种结构连结的地质体（工程地质学中称为土体），并通常以成层的形式（土层）广泛覆盖于前第四纪坚硬的岩层（岩体）之上。
天然形成的土通常由固体颗粒、液体水和气体三个部分（俗称三相）组成。
固体颗粒是土的最主要物质成分，由许多大小不等、形态各异的矿物颗粒按照各种不同的排列方式组合在一起，构成土的骨架，亦称土粒。
天然土体中土粒的粒径分布范围极广，不同土粒的矿物成分和化学成分也不一样，其差别主要由形成土的母岩成分及搬运过程中所遭受的地质引力所控制。
土是松散沉积物，土粒间存在孔隙，通常由液体的水溶液和气体充填。
天然土体孔隙中的水并非纯水，其中溶解有多种类型和数量不等的离子或化合物（电解质）。
若将土中水作为纯净的水看待，根据土粒对极性水分子吸引力的大小，则吸附在土粒表面的水有结合水和非结合水之分。
对于非饱和土而言，孔隙中的气体通常为空气。
土的上述三个基本组成部分不是彼此孤立地、机械地混合在一起，而是相互联系、相互作用，共同形成土的基本特性。
特别是细小的土粒具有较大的表面能量，它们与土中水相互作用，由此产生一系列表面物理化学现象，直接影响着土性质的形成和变化。
土的结构这一术语主要用于从微观的尺度描述土粒的排列组合和粒间连结，而土的构造则从宏观上反映了不同土层（包括夹层）的空间组合特征。
土的成分和结构共同决定了土的工程性质。
本章关于土的物质组成、土水相互作用和土的结构构造的阐述，构成了土质学的主要研究内容。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
结合水大，具有较高的粘滞
颗粒
度、抗剪强度，仍不能传递
静水压力。当含量较多时，
使土具有一定的可塑性。
引力 - - - - - - - -
强结合水 弱结合水 自由水
密度>1.0~1.7g/cm3 冰点-20～30℃
d
（3）自由水
①重力水：地下水位以下，在 土中流动的水，受重力作用， 对土粒有浮力作用。
可燃气体：由微生物的分解作用而形成，常存在于
淤泥和泥炭等有机土中。 ★土中含有更多的CO2，较少的O2，
较多的N2，地下工程施工时应注意O2的补给。
第四节 土粒与水的相互作用
过量抽取地下水会引
起地面沉降
土中水多会发生泥石流
武汉中心，2019.11.11
土粒与水的相互作用
•
粘土的电泳和电渗现象
土颗粒表面负电荷围绕土粒形成电场，在电场作 用范围内的水分子和水溶液中的阳离子吸附于土粒 表面，呈不同程度的定向排列。
粘土颗粒
水分子 阳离子
离土粒越近，电分子力越大， 从而形成紧密吸附于土粒表 面的固定层（强结合水）和 在固定层外围的扩散层(弱结 合水)，固定层和扩散层中所 含的阳离子与土颗粒表面的 负电荷的电位相反，故称为 反离子，固定层和扩散层合 称为反离子层。反离子层与 土粒表面的负电荷一起构成 双电层。
毛细水
②毛细水：地下水位以上由于 水和空气分界处弯液面上产生 的表面张力作用，土中自由水 从地下水位通过土的细小通道 逐渐上升，形成毛细水。它不 仅受重力作用而且还受到表面 张力的支配。
hc
重力水
土中水 – 自由水
r 弯液面
●由于毛细张力的作用，形成上升 毛细水、悬挂毛细水、孔角毛细 水。
这是稍湿的砂土颗粒间存在假凝
聚力的原因。
在工程中，毛细水的上升高度和
速度对建筑物地下部分的防潮措 施和地基土的浸湿、冻胀有重要 影响。
存在于直径0.002-0.5mm
1.3.3 土中气体
自由气体：与大气连通的气体对土的性质影响不大 封闭气体：被土颗粒和水封闭的气体其体积与压力
有关。在外力作用下，封闭气体易溶解于水，外力 卸除后又会重新释放出来，使得土的弹性增加；阻 塞渗流通道，降低渗透性
分散构造
裂隙构造
小结
土有三个组成部分：固相、液相和气相
1. 固体颗粒 2. 土中水 3. 土中气体
▪ 粒径级配 ▪ 矿物成分 ▪ 颗粒形状
结合水 (强结合水、弱结合水) 自由水 (重力水、毛细水)
自由气体 封闭气体
4.土的结构： 5.土的构造：
▪单粒结构 ▪蜂窝结构（粒径 0.075~0.005mm） ▪絮状结构（粒径 <0.005）
表面的土中水。
（1）强结合水：没有溶解盐类 的能力，不能传递静水压力， 牢固地吸附于土粒表面，其性 质接近于固体具有极大的粘滞 度、弹性和抗剪强度。
密度>1.2~2.4g/cm3
冰点-76℃
引力 - - - - - - - -
强结合水 弱结合水 自由水
阳离子 水分子
d
（2）弱结合水：厚度较强
粘土
阳离子 水分子
毛细水：受到水与空气交界面处表面张力作用的自 由水，存在于地下水位以上的透水层中。
固态水：矿物晶体内的结合水（结晶水），矿物的一部分，呈固态。
气态水：土中气的一部分
1.固态水（结晶水）
存在于矿物结晶中的水，只有在高温（>105 ℃） 下，才能从矿物中吸出，故可把它视作矿物本身的一 部分。
2.结合水（强结合水、弱结合水）粘土 受电分子吸引力吸附于土粒 颗粒
土 的
微观结构 （结构）
水的性质
孔隙特征
结
构
宏观结构（构造）：表征土的层理、裂隙及大孔隙等宏 观特征。
1.土的结构 基本类型：
单粒结构； 蜂窝结构（粒径0.075~0.005mm）； 絮状结构（粒径<0.005mm）。
单粒结构
蜂窝结构
絮状结构
结核构造和裂隙构造。
思考：如果增加 膨胀用什么离子？
★工程实践中用三价及二价离子（Mg2+Ca2+ Fe3+ Al3+ ）处理
粘土，使扩散层中高价阳离子度增加，扩散层变薄，从而增加 了土的强度与稳定性，减少了膨胀性。
第五节 土的结构
• 土的结构指的是组成土粒的大小、形状、 表面特征、土粒的排列情况和土粒间的连 结关系。
• 土的结构决定土的许多重要的物理力学性 质，尤其是对土粒间的连结与土粒的排列 方式更为重要。
几种连结类型
• 1）结合水连结：粘性土为主 • 2）毛细水连结：粉土和砂土 • 3）胶结连结：水溶盐类，盐渍土、黄土 • 4）冰连结：冻土
土的结构和构造
集合体特征：土粒单元大小、矿物成分、
形状、相互排列及其关联关系
层理构造 分散构造 裂隙构造
★扩散层水膜的厚度对粘性土的工程性质影响很大，扩散层厚 度大，土的塑性就大，膨胀与收缩性也大。
★双电层厚度与矿物本身和外界条件有关：
①蒙脱石颗粒厚度小，形成的扩散层相对厚度大于高岭石
②水溶液中的阳离子的原子价位越高，它与土粒之间的的静电
引力愈强，平衡土粒表面负电荷所需阳离子数量愈少，扩散层
愈薄 ③外部温度升高，双电层厚度就增大
土力学
冯晓腊教授、总经理 崔德山 副教授
第二章 土的三相组成
第三节 土中水和气体
土中气体 （气相）
固体矿物颗粒 （固相）
土中水 （液相）
土中水
液态水
结合水 自由水
强结合水：紧靠土颗粒表面 弱结合水：紧靠强结合水外围
由于电分子引力作 用而紧密吸附于土 粒表面的水
重力水：能形成水压力并能在土中流动的水，位 于地下水位以下
+
-
(列依斯, 1809)
粘土粒
玻璃筒
水位 升高
粘土矿物的带电性质：
实验表明，片状粘土颗粒表 面常带有负电荷。
粘土
玻璃皿
为什么片状粘土颗粒带有不 平衡负电荷：
粘土颗粒
①离解作用
水分子
②吸附作用 ③同晶置换
阳离子
④边缘断裂
粘土颗粒的带电性
双电层的概念
土颗粒表面：负电荷；水分子：极性分子H+、OH-; 水 溶液中带阳离子：Na＋，Ca＋等。