土力学,第一章 土的物理性质,Soil Mechanics,土的物理性质,土的形成,渗透特性 变形特性 强度特性,土的三相组成 土的物理状态 土的结构,土的工程分类,土的压实性,决定,影响,如何获得较好的土,便于研究和应用,1.1 土的形成 1.2 土的三相组成 1.3 土的结构 1.4 土的物理状态 1.5 土的工程分类 1.6 土的压实性,土的物理性质,Chapter 0 introduction,土的物理性质,1.1 土的形成,土是岩石经过风化后在不同条件下形成的自然历史的产物,搬运、沉积,形成过程 形成条件,物理力学性质,风化,影响,岩石和土的粗颗粒受各种气候等物理因素的影响产生胀缩而发生裂缝,或在运动过程中因碰撞和摩擦而破碎 是颗粒大小发生量的变化 矿物成分与母岩相同，称原生矿物 产生无黏性土,1.1 土的形成,一. 风化,物理风化 化学风化 生物活动,母岩表面和碎散的颗粒受环境因素的作用而改变其矿物的化学成分，形成新的矿物 颗粒成分发生质的变化 矿物成分与母岩不同，称次生矿物 形成十分细微的土颗粒，最主要为粘性颗粒及可溶盐类,物理风化 化学风化 生物活动,1.1 土的形成,一. 风化,包括植物、动物和土壤微生物的作用 可加剧物理和化学风化 构成土中有机质和营养物质的生物循环 导致腐殖质的形成，改变土壤的结构,1.1 土的形成,一. 风化,物理风化 化学风化 生物活动,残积土 无搬运 运积土 有搬运,1.1 土的形成,二. 搬运与沉积,风化所形成的土颗粒，受自然力的作用搬运到远近不同的地点所沉积的堆积物 坡积土：土粒粗细不同，性质不均 洪积土：有分选性，近粗远细 冲积土：浑圆度分选性明显，土层交迭 湖泊沼泽沉积土：含有机物淤泥，土性差 海相沉积物：颗粒细，表层松软，土性差 冰积土：土粒粗细变化较大，性质不均匀 风积土：颗粒均匀，层厚而不具层理,1.1 土的形成,二. 搬运与沉积,残积土 无搬运 运积土 有搬运,1.2 土的三相组成,气相,固相,液相,+,+,构成土骨架，起决定作用,重要影响,土体,次要作用,一. 固体颗粒,物理状态 力学特性,粒径级配,矿物成分,颗粒形状,1.2 土的三相组成 固体颗粒,1. 粒径级配,颗粒大小,各粒径成分在土中占的比例,粒径级配,影响土性的主因,1.2 土的三相组成 固体颗粒,颗粒大小,粒组 按粗细进行分组，将粒径接近的归成一类 界限粒径（土的分类标准 GBJ 145-90）,1.2 土的三相组成 固体颗粒,1.2 土的三相组成 固体颗粒,粒径级配,确定方法 筛分法：适用于粗粒土 (0.075 mm) 水分法：适用于细粒土 (0.075 mm),各粒组的相对含量，用质量百分数来表示,表述方法 粒径级配累积曲线,1.2 土的三相组成 固体颗粒,筛分法,用一套孔径不同的筛子，按从上至下筛孔逐渐减小放置。将事先称过质量的烘干土样过筛，称出留在各筛上的土质量，然后计算其占总土粒质量的百分数,粗粒土 (0.075 mm) 粒径级配确定方法,比重计法,利用不同大小的土粒在水中的沉降速度不同来确定小于某粒径的土粒含量,细粒土 (0.075 mm)粒径级配确定方法,10 5.0 2.0 1.0 0.5 0.25 0.075,200g,10 16 18 24 22 38 72,小于某粒径之土质量百分数P（）,粒径(mm),P % 95 87 78 66 55 36,土的粒径级配累积曲线,水分法,1.2 土的三相组成 固体颗粒,d60,d50,d10,d30,特征粒径: d50 : 平均粒径 d60 : 控制粒径 d10 : 有效粒径 d30,不均匀程度： Cu = d60 / d10,连续程度: Cc = d302 / (d60 d10 ) 曲率系数, 不均匀系数,Cu 5,级配不均匀,粗细程度： 用d50 表示,1.2 土的三相组成 固体颗粒,斜率:某粒径范围内颗粒的含量 陡相应粒组质量集中 缓-相应粒组含量少 平台-相应粒组缺乏,连续程度: Cc = d302 / (d60 d10 ) 曲率系数,较大颗粒缺少,Cc 减小,较小颗粒缺少,Cc 增大,Cc = 1 3, 级配连续性好,1.2 土的三相组成 固体颗粒,粒径级配,粒径级配累积曲线及指标的用途：,1）粒组含量用于土的分类定名；,2）不均匀系数Cu用于判定土的不均匀程度： Cu 5, 不均匀土； Cu 5, 均匀土,3）曲率系数Cc用于判定土的连续程度： C c = 1 3, 级配连续土； Cc 3 或 Cc 1,级配不连续土,4）不均匀系数Cu和曲率系数Cc用于判定土的级配优劣： 如果 Cu 5且 C c = 1 3 ， 级配 良好的土； 如果 Cu 3 或 Cc 1, 级配 不良的土。,1.2 土的三相组成 固体颗粒,2. 矿物成分,原生矿物：由岩石经过物理风化形成，其矿物成分与母岩相同，如石英、长石、云母等。 特征：矿物成分的性质较稳定，由其组成的土具有无粘性、透水性较大、压缩性较低的特点。,1.2 土的三相组成 固体颗粒,次生矿物：岩石经化学风化后所形成的新的矿物，其成分与母岩不相同，分为可溶性和非溶性两类。 非溶性主要有黏土矿物（高岭石、伊利石、蒙脱石）、倍半氧化物(Al2O3、Fe2O3)、次生二氧化硅（SiO2）。 可溶性：难溶盐、中溶盐、易溶盐。 特征：性质较不稳定，具有较强的亲水性，遇水易膨胀的特点。,无机矿物,动植物遗体及其分解物质：泥炭和腐殖质。 亲水性强，可塑性高、压缩性大、强度低。,有机质：,粘土矿物是一种复合的铝-硅盐晶体，颗粒呈片状，是由硅片和铝片构成的晶包所组叠而成，可分成高岭石、伊利石和蒙特石三种类型。,硅片 铝片,1.2 土的三相组成 固体颗粒,粘土矿物是一种复合的铝-硅盐晶体，颗粒呈片状，是由硅片和铝片构成的晶包所组叠而成，可分成高岭石、伊利石和蒙特石三种类型。,硅片 铝片,1.2 土的三相组成 固体颗粒,晶层间通过氢键联结，联结力强，晶格不能自由活动，水难以进入晶格间 能组叠很多晶层，多达百个以上，成为一个颗粒。颗粒长宽约0.3-3，厚约0.03-1。 主要特征：颗粒较粗，不容易吸水膨胀和失水收缩，或者说亲水能力差。,依硅片和铝片组叠形式的不同，可分成如下三种类型：,高岭石 蒙特石 伊利石,1.2 土的三相组成 固体颗粒,晶层间是O2-对O2-的连结，联结力很弱，水很容易进入晶层之间。 每一颗粒能组叠的晶层数较少。颗粒大小约为0.1-1 ，厚约0.001-0.01。 主要特征：颗粒细微，具有显著的吸水膨胀、失水收缩的特性，或者说亲水能力强。,1.2 土的三相组成 固体颗粒,高岭石 蒙特石 伊利石,依硅片和铝片组叠形式的不同，可分成如下三种类型：,是云母在碱性介质中风化的产物。 与蒙特石相似，由两层硅片夹一层铝片所形成的三层结构，但晶层之间有钾离子连结。 主要特征：连结强度弱于高岭石而高于蒙特石，其特征也介于两者之间。,1.2 土的三相组成 固体颗粒,高岭石 蒙特石 伊利石,依硅片和铝片组叠形式的不同，可分成如下三种类型：,土是在各种地质作用过程和生成条件下形成的，其矿物成分与粒组大小之间具有明显的内在联系，大致反应在下图中。,1.2 土的三相组成 固体颗粒,原生矿物：一般颗粒较粗，呈粒状。有圆状、浑圆状、棱角状等。 次生矿物：颗粒较细，多呈针状、片状、扁平状。 比表面积：单位质量土颗粒所拥有的总表面积。对于黏性土，其大小直接反映土颗粒与四周介质,特别是水,相互作用的强烈程度,是代表黏性土特征的一个很重要的指标。 高岭石的比表面积为：10-20m2/g,伊利石：80-l00m2/g,蒙特石：800m2/g,粗颗粒的形状,粘土颗粒的形状,1.2 土的三相组成 固体颗粒,3. 颗粒形状,结晶水 矿物内部的水只通过矿物成分影响土的性质 结合水 吸附在土颗粒表面的水 自由水 电场引力作用范围之外的水 土中冰 由自由水冻成，冻胀融陷 水蒸气 存在孔隙空气中,二. 土中水（液相）,土中水的含量明显地影响土的性质(尤其是黏性土)。土中水除了一部分以结晶水的形式吸附于固体颗粒的晶格内部外，还存在结合水和自由水。,1.2 土的三相组成 土中水,粘土矿物的带电性质 研究表明，片状粘土颗粒表面常带有电荷，净电荷通常为负电荷。,- - - - - - - - -,- - - - - - - -,+,+,+,+,粘土颗粒,水分子,阳离子,玻璃筒,玻璃皿,水位 升高,粘土粒,粘土膏,+,-,粘土的电泳和电渗现象 (列依斯, 1809),1.2 土的三相组成 土中水,结合水,吸附作用、离解作用,- 强结合水： 排列致密，密度1g/cm3 冰点处于零下几十度 完全不能移动，具有固体的特性 温度高于100C时才可蒸发 - 弱结合水： 受电场引力作用，为粘滞水膜 外力作用下可以移动 不因重力而流动，有粘滞性,粘土 颗粒,引力,d,水分子,阳离子,强结合水,弱结合水,自由水,结合水：受颗粒表面电场作用力吸引而包围在颗粒四周，不传递静水压力，不能任意流动的水,1.2 土的三相组成 土中水,强结合水,弱结合水,1.2 土的三相组成 土中水,双电层,固定层,扩散层,内电层,外电 层,厚度的变化可改变黏性土的工程性质,通过“离子交换”来实现（P18）,毛细水：由于土体孔隙的毛细作用升至自由水面以上的水。毛细水承受表面张力和重力的作用 重力水：自由水面以下的孔隙自由水，在重力作用下可在土中自由流动,自由水：不受颗粒电场引力作用的孔隙水,hc,毛细水,重力水,1.2 土的三相组成 土中水,毛管中流体的界面效应,T,dk,w,空气,固体, =湿润角,水,a,T =界面张力,Dk=毛管直径,ua-uw,ua-uw =压力差,1.2 土的三相组成 土中水,毛 细 管,hc,土中毛细水上升高度,T,2r,上升高度,r2hcw=2rTcos,毛细升高与孔径成反比,粘土 粉土 砂土 砾石,1.2 土的三相组成 土中水,水,hc,2r,T,T,则毛细压力：,2rTcos+ucr2 = 0,毛细管中的负静水压力,毛细水压力,1.2 土的三相组成 土中水,土颗粒缝隙处的弯液面,r,空气 水 固体颗粒,弯液面,在非饱和土中，孔隙中含有水和气，此时水多集中于颗粒间的缝隙处，称毛细角边水。 由于毛细张力的作用，会形成如图所示的弯液面，使毛细角边水产生负压力，颗粒则受正压力。 这是稍湿的砂土颗粒间存在假凝聚力的原因,1.2 土的三相组成 土中水,自由气体：与大气连通连通的气体 对土的性质影响不大 封闭气体：被土颗粒和水封闭的气体 阻塞渗流通道，