1、土力学基础知识,第一节 土的物理性质及分类 11 概 述1土的定义： 土是连续，坚固的岩石在风化作用下形成的大小悬殊的颗粒，经过不同的搬运方式，在各种自然环境中生成的沉积物。2 土的三相组成： 土的物质成分包括有作为土骨架的固态矿物颗粒、孔隙中的水及其溶解物质以及气体。因此，土是由颗粒(固相)、水(液相)和气(气相)所组成的三相体系。,一 土的固体颗粒 土中的固体颗粒(简称土粒)的大小和形状、矿物成分及其组成情况是决定土的物理力学性质的重要因素。 (一) 土的颗粒级配 在自然界中存在的土，都是由大小不同的土粒组成的。 土粒的粒径由粗到细逐渐变化时，土的性质相应地发生变化，例如土的性质随着粒径的
2、变细可由无粘性变化到有粘性。 将土中各种不同粒径的土粒，按适当的粒径范围，分为若干粒组，各个粒组随着分界尺寸的不同而呈现出一定质的变化。划分粒组的分界尺寸称为界限粒径。,表2-1提供的是一种常用的土粒粒组的划分方法。表中根据界限粒径200、20、2、005和0005mm把土粒分为六大粒组：漂石块石)颗粒、卵石(碎石)颗粒、圆砾(角砾)颗粒、砂粒、粉粒及粘粒。 土粒的大小及其组成情况，通常以土中各个粒组的相对含量(各粒组占土粒总量的百 分数)来表示，称为土的颗粒级配。 颗粒分析试验：筛分法；沉重分析法,颗粒分析实验,筛分法试验是将风干、分散的代表性土样通过一套自上而下孔径由大到小的标准筛（例如6
3、0mm、20mm、0.5mm、0.25mm、 0.1mm、0.075mm ），称出留在各个筛子上的土干重，即可求得各个粒组的相对含量。,根据颗粒大小分析试验成果，可以绘制颗粒级配累积曲线由曲线的坡度可判断土的均匀程度；有效粒径；限定粒径。,利用颗粒级配累积曲线可以确定土粒的级配指标，如与的比值称为不均匀系数： 又如曲率系数用下式表示： 不均匀系数 反映大小不同粒组的分布情况，越大表示土粒大小的分布范围越大，其级配越良好，作为填方工程的土料时，则比较容易获得较大的密实度曲率系数描写的是累积曲线的分布范围，反映曲线的整体形状。 颗粒级配可在一定程度上反映土的某些性质。,沉降分析法,沉降分析法有密度
4、法（比重计法）、移液管法等。密度计法，是将一定量的土样（粒径0.075mm）放在量筒中，然后加蒸馏水，经过搅拌，使土的大小颗粒在水中均匀分布，当土粒在液体中靠自重下沉时，较大的颗粒下沉较快，而较小的颗粒下沉则较慢。让土粒沉降过程中，用密度计测出在悬液中对应于不同时间的不同悬液密度，根据密度计读数和土粒的下沉时间，就可计算出粒径小于某一粒径d（mm）的颗粒占土样的百分数。,(二)土粒的矿物成分 土粒的矿物成分主要决定于母岩的成分及其所经受的风化作用。不同的矿物成分对土的性质有着不同的影响，其中以细粒组的矿物成分尤为重要 。 1、六大粒组的矿物成分 漂石、卵石、圆砾等粗大颗粒；砂粒；粉粒；粘粒。
5、2、粘土矿物的比表面 由于粘土矿物是很细小的扁平颗粒，颗粒表面具有很强的与水相互作用的能力，表面积愈大，这种能力就愈强。粘土矿物表面积的相对大小可以用单位体积(或质量)的颗粒总表面积(称为比表面)来表示。 由于土粒大小不同而造成比表面数值上的巨大变化，必然导致土的性质的突变，所以，土粒大小对土的性质起着重要的作用。,二、土中的水和气 (一)土中水 在自然条件下，土中总是含水的。土中水可以处于液态、固态或气态。 存在于土中的液态水可分为结合水和自由水两大类： 1结合水 结合水是指受电分子吸引力吸附于土粒表面的土中水。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地粘结在一起。
6、由于土粒(矿物颗粒)表面一般带有负电荷，围绕土粒形成电场，在土粒电场范围内的水分子和水溶液中的阳离子(如Na、Ca”、A1”等)一起吸附在土粒表面。因为水分子是极性分子(氢原子端显正电荷，氧原子端显负电荷)，它被土粒表面电荷或水溶液中离子电荷的吸引而定向排列(图113)。 双电子层,(1)强结合水 强结合水是指紧靠土粒表面的结合水 (2)弱结合水 弱结合水紧靠于强结合水的外围形成一层结合水膜。 2自由水 自由水是存在于土粒表面电场影响范围以外的水。它的性质和普通水一样，能传递静水压力，冰点为0，有溶解能力。 自由水按其移动所受作用力的不同，可以分为重力水和毛细水。,(1)重力水 重力水是存在于
7、地下水位以下的透水层中的地下水，它是在重力或压力差作用下运动的自由水，对土粒有浮力作用。 (2)毛细水 毛细水是受到水与空气交界面处表面张力作用的自由水。毛细水存在于地下水位以上的透水土层中。毛细水按其与地下水面是否联系可分为毛细悬挂水(与地下水无直接联系)和毛细上升水(与地下水相连)两种。,当土孔隙中局部存在毛细水时，毛细水的弯液面和土粒接触处的表面引力反作用于土粒上，使土粒之间由于这种毛细压力而挤紧(图114)，土因而具有微弱的粘聚力，称为毛细粘聚力。 (二)土中气 土中的气体存在于土孔隙中未被水所占据的部位。 三 、土的结构和构造 土的结构是指由土粒单元的大小、形状、相互排列及其联结关系
8、等因素形成的综合特征。一般分为单粒结构、蜂窝结构和絮状结构三种基本类型。,在同一土层中的物质成分和颗粒大小等都相近的各部分之间的相互关系的特征称为土的构造，土的构造最主要特征就是成层性即层理构造。土的构造的另一特征是土的裂隙性。,土的结构,土的三相比例指标,上节介绍了土的组成，特别是土颗粒的粒组和矿物成分，是从本质方面了解土的性质的根据。但是为了对土的基本物理性质有所了解，还需要对土的三相土粒(固相)、土中水(液相)和土中气(气相)的组成情况进行数量上的研究。,土的三相比例指标：土粒比重、含水量、密度、干密度、饱和密度、有效密度、孔隙率、孔隙比、饱和度。,某饱和土体，重度=20KN/M3,土粒
9、比重Gs=2.6.求干重度。,土的物理状态指标,无粘性土的密实度与其工程性质有着密切的关系，呈密实状态时，强度较大，可作为良好的天然地基，呈松散状态时，则是不良地基。 以下介绍几种判别无粘性土的密实度的方法： 1、按天然孔隙比e判别。 2、按标准贯入击数N划分 3、碎石土密实度按重型动力触探击数划分 4、碎石土密实度的野外鉴别,标准贯入试验是一种在现场用63.5KG的穿心锤，以76cm的落距自由落下，将一定规格的带有小型取土筒的标准贯入器打入土中，记录打入30cm的锤击数（即标准贯入击数N），以此评价土的工程性质的原位试验,粘性土的物理特征,一 粘性土的界限含水量 粘性土由于其含水量的不同，而
10、分别处于固态、半固态、可塑状态及流动状态 粘性土由一种状态转到另一种状态的分界含水量，叫做界限含水量。,我国目前以联合法测定液限和塑限,二、粘性土的塑性指数和液性指数 1、塑性指数是指液限和塑限的差值(省去符号)，即土处在可塑状态的含水量变化范围。,塑性指数的大小与土中结合水的含量有关 2、液性指数是指粘性土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比。,用液性指数可表示粘性土的软硬状态，见表2-8和2-9,地基土的工程分类,一、建筑地基土的分类1、按地质成因，土可分为：残积土、坡积土、洪积土、冲积土、湖积土、海积土、淤积土、风积土和冰积土等。2、按颗粒级配和塑性指标划分 土按颗粒级配和塑性指数分为
11、碎石土、砂土、粉土和黏性土四大类。具体见表2-10,2-11, 2-12。3、其他划分方法。二、公路桥涵地基土的分类。,土中应力,概述 土体在自身重力或外部荷载的作用下均产生土中应力。 土中应力按其起因可分为自重应力和附加应力两种。自重应力是指土体在自身重力作用下产生的应力，土中附加应力是引起土体变形甚至破坏的主要原因。,22 土中自重应力,在计算土中自重应力时，假设天然地面是一个无限大的水平面，因而在任意竖直面和 水平面上均无剪应力存在。可取作用于该水平面上任一单位面积的土柱体自重计算(图22)，即： 地基中除有作用于水平面上的竖向自重应力外，在竖直面上还作用有水平向的侧向自 重应力。由于沿
12、任一水平面上均匀地无限分布，所以地基土在自重作用下只能产生竖 向变形，而不能有侧向变形和剪切形。,必须指出，只有通过土粒接触点传递的粒间应力，才能使土粒彼此挤紧，从而引起土体的变形，而且粒间应力又是影响土体强度的个重要因素，所以粒间应力又称为有效应力。因此，土中自重应力可定义为土自身有效重力在土体中引起的应力。土中竖向和侧向的自重应力一般均指有效自重应力。,地基土往往是成层的，成层土自重应力的计算公式：,自然界中的天然土层，一般形成至今已有很长的地质年代，它在自重作用下的变形早巳稳定。但对于近期沉积或堆积的土层，应考虑它在自应力作用下的变形。此外，地下水位的升降会引起土中自重应力的变化(图24
13、)。,某建筑场地天然地面以下第一层为粉质黏土，厚5m，重度为18KN/M3,Gs=2.72，w=35%；第二层为黏土层重度为19KN/M3,Gs=2.75，w=34%；地下水位在地下3m处。请计算2m、4m、6m、各深度处的土中竖向自重应力。,地下水位3m。试计算2m，4m，6m各深处的土中竖向自重应力。,2-3基底压力(接触应力),建筑物荷载通过基础传递给地基，在基础底面与地基之间便产生了接触应力。它既是基础作用于地基的基底压力，同时又是地基反用于基础的基底反力。 对于具有一定刚度以及尺寸较小的柱下单独基础和墙下条形基础等，其基底压力可近似地按直线分布的图形计算，即按下述材料力学公式进行简化
14、计算。,25 土的压缩性,一基本概念 土在压力作用下体积缩小的特性称为土的压缩性。试验研究表明，在一般压力（100600kN)作用下，土粒和水的压缩与土的总压缩量之比是很微小的，因此完全可以忽略不计，所以把土的压缩看作为土中孔隙体积的减小。此时，土粒调整位置，重行排列，互相挤紧。饱和土压缩时，随着孔隙体积的减少土中孔隙水则被排出。 在荷载作用下，透水性大的饱和无粘性土，其压缩过程在短时间内就可以结束。相反 地，粘性土的透水性低，饱和粘性土中的水分只能慢慢排出，因此其压缩稳定所需的时间要比砂土长得多。土的压缩随时间而增长的过程，称为土的固结，对于饱和粘性土来说，土的固结问题是十分重要的。,计算地
15、基沉降量时，必须取得土的压缩性指标，压缩性指标常采用室内试验或原位测试来测定他们。在一般工程中，常用不允许土样产生侧向变形(侧限条件)的室内压缩试验来测定土的压缩性指标 。 二、压缩曲线和压缩性指标 (一)压缩试验和压缩曲线,(二)土的压缩系数和压缩指数 压缩性不同的土，其 曲线的形状是不一样的。曲线愈陡，说明随着压力的增加， 土孔隙比的减小愈显著，因而土的压缩性愈高，所以，曲线上任一点的切线斜率a就表示了相应于压力p作用下土的压缩性：,土的压缩性可用图中割线 的斜率表示设割线 与横座标的夹角为 ，则，,为了便于应用和比较，通常采用压力间隔由 增加到 时所得的压缩系数 来评定土的压缩性。,(三
16、)压缩模量(侧限压缩模量) 根据 曲线，可以求算另一个压缩性指标压缩模量。它的定义是土在完全侧限条件下的竖向附加压应力与相应的应变增量之比值。土的压缩模量可根据下式计算： 亦称侧限压缩模量，以便与一般材料在无侧限条件下简单拉伸或压缩时的弹性模量相区别。,土的抗剪强度,土的抗剪强度是指土体抵抗剪切破坏的极限能力，是土的重要力学性质之一。工程中的地基承载力，挡土墙土压力、土坡稳定等问题都与土的抗剪强度直接相关。 建筑物地基在外荷载作用下将产生剪应力和剪切变形，土具有抵抗这种剪应力的能力，并随剪应力的增加而增大，当这种剪阻力达到某一极限值时，土就要发生剪切破坏，这个极限值就是土的抗剪强度。如果土体内
17、某一部分的剪应力达到土的抗剪强度，在该部分就开始出现剪切破坏，随着荷载的增加，剪切破坏的范围逐渐扩大，最终在土体中形成连续的滑动面，地基发生整体剪切破坏而丧失稳定性。,32 库伦公式和莫尔库伦强度理论 一、库伦公式 1773年CA库伦(Coulomb)根据砂土的试验，将土的抗剪强度表达为滑动面上法向总应力的函数，即,以后又提出了适合粘性土的更普遍的形式,由库伦公式可以看出，无粘性土的抗剪强度与剪切面上的法向应力成正比，其本质是由于颗粒之间的滑动摩擦以及”凹凸面间的镶嵌作用所产生的摩阻力，,其大小决定于颗粒表面的粗糙度、密实度、土颗粒的大小以及颗粒级配等因素。粘性土的抗剪强度由两部分组成：一部分
18、是摩擦力，另一部分是土粒之间的粘结力，它是由于粘性土颗粒之间的胶结作用和静电引力效应等因素引起的。,抗剪强度试验,抗剪强度的试验方法有多种，在实验室内常用的有直接剪切试验，三轴压缩试验和无侧限抗压试验，在原位测试的有十字板剪切试验，大型直接剪切试验等。本节着重介绍几种常用的试验方法。 一、直接剪切试验直接剪切仪分为应变控制式和应力控制式两种，试验时，由杠杆系统通过加压活塞和透水石对试件施加某一垂直压力，然后等速转动手轮对下盒施加水平推力，使试样在上下盒的水平接触面上产生剪切变形，直至破坏，剪应力的大小可借助与上盒接触的量力环的变形值计算 确定。在剪切过程中，随着上下盒相对剪切变形的发展，土样中
19、的抗剪强度逐渐发挥出来，直到剪应力等于土的抗剪强度时，土样剪切破坏，所以土样的抗剪强度可用剪切破坏时的剪应力来量度。,对同一种土至少取4个试样，分别在不同垂直压力下剪切破坏，一般可取垂直压力为100、200、300、400kPa，将试验结果绘制成如图37(b)所示的抗剪强度 和垂直压力之间关系，试验结果表明，对于粘性土 基本上成直线关系，该直线与横轴的夹角为内摩擦角 ，在纵轴上的截距为粘聚力c，直线方程可用库伦公式(32)表示，对于无粘性土， 之间关系则是通过原点的一条直线，可用式(3-1)表示。,为了近似模拟土体在现场受剪的排水条件，直接剪切试验可分为快剪、固结快剪和慢 剪三种方法。快剪试验
20、是在试样施加竖向压力后，立即快速施加水平剪应力使试样剪切破坏，固结快剪是允许试样在竖向压力下充分排水，待固结稳定后，再快速施加水平剪应力使试样剪切破坏。慢剪试验则是允许试样在竖向压力下排水，待固结稳定后，以缓慢的速率施加水平剪应力使试样剪切破坏。 二、三轴压缩试验 三轴压缩试验是测定土抗剪强度的种较为完善的方法。三轴压缩仪由压力室、轴向加荷系统、施加周围压力系统、孔隙水压力量测系统等组成，如图3-8所示,常规试验方法的主要步骤如下：将土切成圆柱体套在橡胶膜内，放在密封的压力室中，然后向压力室内压入水，使试件在各向受到周围压力 ，并使液压在整个试验过程中保持不变，这时试件内各向的三个主应力都相等
21、，因此不发生剪应力图39(a)。然后再通过传力杆对试 件施加竖向压力，这样，竖向主应力就大于水平向主应力，当水平向主应力保持不变，而 竖向主应力逐渐增大时，试件终于受剪而破坏图39(b)。设剪切破坏时由传力杆加在试件 上的竖向压应力为 ，则试件上的大主应力为 ，而小主应力为 ，以( )为直径可画出一个极限应力圆，如图39(c)中的圆I，用同一种土样的若干个试件 (三个以上)按以上所述方法分别进行试验，每个试件施加不同的周围压力 ，可分别得出剪切破坏时的大主应力 ，将这些结果绘成一组极限应力圆，如图39(c)中的圆I、和。,由于这些试件都剪切至破坏，根据莫尔库伦理论，作一组极限应力圆的公共切线，
22、 即为土的抗剪强度包线(图39c)，通常可近似取为一条直线，该直线与横座标的夹角即土的内摩擦角 ，直线与纵座标的截距即为土的粘聚力c,如要量测试验过程中的孔隙水压力，可以打开孔隙水压力阀，在试件上施加压力以后，由于土中孔隙水压力增加迫使零位指示器的水银面下降，为量测孔隙水压力，可用调压筒调整零位指示器的水银面始终保持原来的位置，这样，孔隙水压力表中的读数就是孔隙水压力值。如要量测试验过程中的排水量，可打开排水阀门，让试件中的水排入量水管中，根据置水管中水位的变化可算出在试验过程中试样的排水量。 对应于直接剪切试验的快剪，固结快剪和慢剪试验，三轴压缩试验按剪切前的固结程 度和剪切时的排水条件，分
23、为以下三种试验方法： (1)不固结不排水试验 试样在施加周围压力和随后施加竖向压力直至剪切破坏的整个过程中部不允许排水， 试验自始至终关闭排水阀门。,(2)固结不排水试验 试样在施加周围压力时打开排水阀门，允许排水固结，待固结稳定后关闭排水阀门， 再施加竖向压力，使试样在不排水的条件下剪切破坏。 (3)固结排水试验 试样在施加周围压力时允许排水固结，待固结稳定后，再在排水条件下施加竖向压 力至试件剪切破坏。,二、地基承载力 1、地基承载力概念 地基承载力是指地基承担荷载的能力 试验研究表明，在荷载作用下，建筑物地基的破坏通常是由于承载力不足而引起的剪切破坏，地基剪切破坏的型式可分为整体剪切破坏
24、、局部剪切破坏和冲剪破坏三种，如图4-27所示。,1、整体剪切破坏：一种在基础荷载作用下地基发生连续剪切滑动面的地基破坏模式。2、局部剪切破坏：一种在基础荷载作用下地基某一范围内发生剪切破坏区的地基破坏型式。3、冲切剪切破坏：一种在荷载作用下地基土体发生垂直剪切破坏，使基础产生较大沉降的一种地基破坏模式，也称刺入剪切破坏。,2、地基极限承载力 地基承载力是指地基剪切破坏发展即将失稳时所能承受的极限荷载，也称为地基极限荷载。他相当于地基中应力状态从剪切阶段过渡到隆起阶段时的界限荷载。3、地基承载力特征值 地基承载力特征值是指地基稳定有保证可靠度的承载能力，同时也要验算地基变形不超过允许变形值。,
