1、绪论基本概念土力学：利用力学的一般原理，研究土的物理、化学和力学性质及土体在荷载、水、温度等外界因素作用下工程性状的应用科学。土：岩石经过风化、剥蚀、搬运、沉积而成的散粒的集合体。地基：支承基础的土体或者岩石基础：将结构承受的各种作用传递到地区上的结构组成成分持力层：埋置基础，直接支承基础的土层下卧层：在吃力层下方软弱下卧层：软弱下卧层的强度远远小于吃力层的强度基础工程：地基与基础是建筑物的根本，是地基与基础的统称地基与基础设计必须满足的条件：强度条件（按承载力极限状态设计）：作用在地基上的荷载效应不得超过地基容许承载力或地基承载力的特征值。变形条件：基础沉降不得超过地基变形容许值。土的性质及
2、工程分类土的三相组成，如下图：气相固相液相土的三相数量比例决定土的物理性质及状态。土的性质土的渗透性土的散粒性土的压缩性土的强度弱土与土木工程的关系 工程材料工程介质地基基础土的固相固体颗粒构成土的骨架，其大小和形状、矿物成分及其组成情况是决定土物理力学性质的重要因素。土的矿物成分次生矿物：原生矿物经过风化中后而形成的矿物（例如粘土矿物）原生矿物：岩浆在冷凝过程中形成的矿物，如石英、长石等粘土矿物主要分为蒙脱石、伊利石和高岭石三种主要类型蒙脱石的晶体是由很多互相平行的晶层构成，每个晶层都是由顶、底的硅氧四面体和中间的铝氧八面体层构成(图 1-2a)，其化学分子式为 Al2O34SiO2nH2O
3、。相邻两晶层间以负电荷的氧原子层相对，同性相斥，连结力极弱，有较强的活动性，遇水很不稳定，晶层间可吸收无定量的水分子。晶层间的距离随吸入水分子的量而发生变化，吸入的水量越大，则晶层之间的距离越大，这就是蒙脱石吸水膨胀的性能。当晶层间距离增大至失去连结力时，蒙脱石颗粒可分离成更细小的土粒，最小者近于 0.001mm，因此含有蒙脱石矿物的粘粒具有较强的亲水性，较大的膨胀与收缩性。高岭石的晶体也是由互相平行的晶层构成，每个晶层由一个硅氧四面体和一个铝氧八面体层构成(图 1-2b)，其化学分子式为 Al2O32SiO22H2O。晶层顶底不对称，相邻两晶层以氧离子与氢氧离子相对，为氢键连结，其连结力很强
4、，致使晶格不能自由活动，水分子不易进入晶层之间，是遇水较为稳定的矿物，故其颗粒较大，一般不小于 0.002mm，主要呈粗粘粒，少数可为粉粒，所以其亲水性较弱，胀缩性均较小。伊利石的晶体与蒙脱石相似，每个晶层也是由顶、底硅氧四面体和中间铝氧八面体层构成(图 1-2c)，相邻晶层间也能吸收不定量的水分子。但是硅氧四面体中的 Si+4可以被Fe+3、Al +3 取代，从而产生过多的负电荷，为了补偿晶层中正电荷的不足，在晶层之间常出现一价正离子(主要是 K+)，由于一价正离子在晶层间起一定的连结作用，而且平衡钾一般是不可交换的，故伊利石晶层间的连结力介于蒙脱石与高岭石之间，其颗粒大小与特性也介于两者之
5、间。数 层 水 分 子SiAlSiSiAlSi AlSiAlSi-OH-2 SiAlSiSiK+AlSi蒙脱石 高岭石 伊利石a b c图 1-2 粘土矿物结构示意图三大类粘土矿物中，高岭石晶层之间连结牢固，水不能自由渗入，故其亲水性差，可塑性低，胀缩性弱；蒙脱石则反之，晶胞之间连结微弱，活动自由，亲水性强，胀缩性亦强；伊利石的性质介于二者之间，这说明各种不同类型的粘土矿物由于其结晶构造不同，其工程性质的差异较大土粒粒组粒度：土粒的大小粒组：工程上常把大小、性质相近的土粒合并为一组界限粒径：划分粒组的分界尺寸土粒粒组的划分如下表粒组统称 粒组名称粒径 d 范围（mm ）分析方法 主 要 特 征
6、漂石（块石）粒 d200 直接测定巨 粒卵石（碎石）粒 605 的土称为级配良好的非均粒土。曲率系数是土的限制粒径(d 30)的平方与有效粒径(d 10)和限制粒径(d 60)乘积的比值，即为：60123dCc工程中常采用 Cc值来说明累积曲线的弯曲情况或斜率是否连续，累积曲线斜率很大，即急倾斜状， 表明某一粒组含量过于集中，其它粒组含量相对较少。 经验表明， 当级配连续时，C c=13；当 Cc3 时，均表示级配曲线不连续，这种土一般认为是级配不良的土。式中 d10小于某粒径的土粒质量站土总质量 10%的粒径，称有效粒径D30小于某粒径的土粒质量站土总质量 30%的粒径，称中值粒径d60小于
7、某粒径的土粒质量站土总质量 60%的粒径，称限定粒径土中水和气一、土中水的存在形态土中水按存在形态分有液态水、固态水和气态水（又称矿物内部结晶水或者内部结合水） 。(一)矿物成分水矿物成分水存在于矿物结晶格架的内部又称矿物内部结合水。按其与结晶格架结合的牢固程度不同，又分为结构水、结晶水和沸石水。结构水是以 H+和 OH-离子的形式存在于矿物结晶格架的固定位置上，粘土矿物中铝氧八面体中的 OH-就是结构水。结晶水是水以分子形式和一定的数量存在于矿物结晶格架的固定位置上，如石膏(CaSO 42H2O)中的 H2O就是结晶水。沸石水是水以分子形式不定量地存在于矿物相邻晶层之间，如蒙脱石的晶层之间就
8、存在这种水。在常温条件下，矿物成分水不能以分子形式析出，属于固体部分，它们对土的性质影响不明显。只有在高温条件下，则可能从原来矿物中析出，并形成新矿物，此时，土的性质也随之发生变化。(二) 孔隙中的水孔隙中的水即存在于土粒间孔隙中的水，可分为结合水、液态水、气态水和固态水。气态水是土中气体的一部分；固态水有成为内部结晶水或内部结合水。土中液态水分为结合水和自由水两大类。黏土粒表面带有负电荷，结合水是指受电分子吸引力作用吸附于土粒表面成薄膜状的水。这种电分子吸引力高达几千到几万个大气压，使水分子和土粒表面牢固的黏结在一起。它又可以细分为强结合水和弱结合水（如右图） ，强结合水紧靠土粒表面，其性质
9、接近于固体。黏土值含强结合水时，呈固体状态，磨碎后呈粉末状态；砂土的强结合水很少，仅含强结合水时呈散粒状。在强结合水外围的结合水膜成为弱结合水。弱结合水在强结合水以外，电场作用范围以内，它也受颗粒表面电荷所吸引而定向排列于颗粒四周，但电场作用力原理颗粒而减弱。自由水是存在于土粒表面电场影响范围以外的土中水。毛细水概念：受到水与空气交界处表面张力的作用、存在于地下水位以上的透水层中自由水。碎石土：无毛细水上升现象砂土：上升高度2m二、土中气体土中气体主要为空气与水气，一般与大气连通，处于动平衡状态，对土的性质影响不大。少数情况下土中存在封闭气体时对土的性质有一定的影响，主要表现在透水不畅，加固土
10、时不易使土压实等。另外封闭气体的突然逸出可造成意外的沉陷。总之，土中气体对土性质的影响不如固体颗粒与土孔隙中的水。土的结构和构造土的结构是指土颗粒或集合体的大小和形状、表面特征、排列性质以及他们之间的链接特征，而构造指土层的层理、裂隙和大孔隙等宏观特征。土的结构一般分为单粒结构、蜂窝结构及絮凝结构三种基本类型。单粒结构是由粗大土粒在水或空气中下沉而形成，可也是疏松的，也可以是紧密的蜂窝结构是主要由粉粒（0.0050.075mm）组成的土的结构形式。絮 凝 结 构 ： 主 要 以 粘 粒 为 主 的 絮 凝 体 为 结 构 的 基 本 单 元 体 ， 少 量 粗 粒 分 布 于 其中 ， 絮 凝
11、 体 集 粒 内 粘 土 矿 物 多 呈 边 面 、 边 边 和 少 量 面 面 的 排 列 方 式 ， 孔隙 连 通 性 好 ， 粘 土 矿 物 的 定 向 性 差 ， 性 质 较 均 匀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，如含水率、密度和土粒比重，称为基本指标；V土的体积土中气体所占的体积s土中气体所占的体积a（1） 、土的天然密度 土单位体积的质量成为土的密度（单位为 g/ 或 ）3cm3/tV天然状态下土的密度变化范围很大，一般为 。土的密度一般采用“环3/2.61cg刀法”测定。（2） 、土的含水量 土中的水的质量与土粒质量之比（用百分数表示）成为土的含水量，即：
12、%10swm含水量是标志湿土的一个重要指标。含水量越小，土越干；反之，土很湿或饱和。一般来说，同一类土，当其含水量增大时，其强度就降低。土的含水量一般采用“烘干法”测定。（3） 、土粒相对密度 sd土的固体颗粒质量与同体积 4时纯水的质量之比，成为土粒相对密度，即： 1wssVm土粒相对密度可在实验室采用“比重瓶法”测定。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。反映土单位体积质量（或重力）的指标（1） 、土的干密度 d土单位体积中固体颗粒部分的质量，称为的的干密度，即： Vmvd（2） 、土的饱和密度 sat土孔隙中充满水时的单位体积质量，称为土的饱和密度，即：
13、wvssat（3） 、土的有效密度（或浮密度） 在地下水位以下，单位体积中土粒的质量扣除同体积水的质量后，即为单位土体积中土粒的有效质量，称为土的有效密度 ，即：Vmws以上三种密度还对应着土的三种重度指标。重度就是的土的重力密度，土的重度指标包括土的湿重度 、干重度 、饱和重度 、有效重度ggd gsatst，各重度指标单位为 。g 3/kN反映土的孔隙特征、含水程度的指标（1） 、土的空隙比 e土中孔隙体积与土粒体积之比称为土的孔隙比 e，即：svVe（2） 、土的孔隙率 n土中孔隙的体积与土的总体积之比，或单位体积内孔隙的体积，以百分数表示，即 %10nv土的空隙比和孔隙率都是反映土体密实程度的重要物理性质指标。在一般情况下，e和 n 愈大，土愈疏松；反之，土愈密实。一般来说，e1.0 的土是疏松的，压缩性高。（3） 、土的饱和度 Sr土中孔隙水的体积与孔隙体积之比，以百分数表示，即： %10vwrVS土的饱和程度反映了土中孔隙被水充满的程度。
