导图社区 土木工程：土力学及基础工程视频82讲
本思维导图是根据清华大学张炳印土力学及基础工程视频82讲整理的部分内容。全部的重点要点在文件中已经详细标出，方便大家备考时翻阅查看，帮助大家加深记忆、提高复习效率。
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土力学
绪论
定义
土是地球表面的整体岩石在大气中经受长期的风化作用而形成了覆盖在地球表面的碎散的，没有胶结或者胶结很弱的颗粒堆积物。
形成
岩石的风化、搬运、沉积
由地质成岩作用行程岩石
分三大类
砾石料/卵石
砂
粘土
特点
碎散性
易变形，强度低
体积变化主要是空隙变化
剪切变形主要是颗粒之间的相对位移造成的
三相性
固体
受力后由土骨架、空隙介质共同承担
起决定作用
液体
存在复杂相互作用
重要作用
气体
孔隙水和孔隙气可流动
次要作用
天然性
非均匀性
各向异性
时空变异性
特性
渗透特性
强度特性
变形特性
土的物理性质和工程分类
土的形成
分化
物理分化
岩石和土的颗粒受各种气候等物理因素的影响而产生胀缩发生裂缝，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
矿物成分和母岩相同，称为原生矿物
产生无粘性土
化学分化
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为次生矿物。
形成十分细微的土颗粒，最主要为黏性颗粒及可溶盐类。
生物活动
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。
构成土中的有机物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。
沉积
残积土
母岩表面经风化作用，破碎成岩屑或细小颗粒后，未经搬运，残留在原地的堆积物。
颗粒表面粗糙
多棱角
粗细不均
无明显层理
运积土
风化所形成的土颗粒，受自然力作用，搬运至远近不同的地点所沉积的堆积物。
有层理
三相组成
构成
固相
粒径级配
粒组
细粒
d≤0.075mm
胶粒
黏粒
粉粒
为粘性土
粗粒
60mm≤d≤0.075mmx
砂粒
砾石
为无粘性土
巨粒
d＞60mm
分析方法
筛分法
适用于粗粒土
孔径不同的筛子
水分法
适用于细粒土
常采用比重计法
在水中粒径越小下降越慢
表述方法
粒径级配累计曲线
斜率代表某粒径范围内颗粒的含量
陡
相对粒组含量多
缓
相对粒组含量少
特征粒径
d50
平均粒径
d60
控制粒径
d10
有效粒径
d30
指标
土的粗细度
土的不均匀程度
不均匀系数Cu=d60/d10
Cu≥5为不均匀土
Cu＜5为均匀土
连续程度
曲率系数Cc=
Cc=1~3为连续集配
级配良好
Cu≥5且Cc=1~3
矿物成分
矿物质
原生矿物
石英、长石、云母等
次生矿物
无定型氧化物胶体
可溶盐
黏土矿物
复合的铝硅盐晶体
三种类型
高岭石
颗粒较粗
亲水能力差
蒙特石
颗粒细微
亲水能力强
伊利石
介于以上两者之间
电泳
带负电
有机质
颗粒形状
一般颗粒较粗
粒状、圆状。浑圆状、棱角状
颗粒较细
针状、片状、扁平状
液相
分类
结晶水
矿物内部的水
水作用可忽略
结合水
吸附在土颗粒表面的水
受颗粒表面电场作用吸引而包围在颗粒周围，不传递静水压力，不能任意流动
两类
强结合水
具有固体特性
弱结合水
黏土具有可塑性的原因
自由水
电场引力作用范围之外的水
毛细水
由于土体空隙的毛细作用而升至自由水面以上的水
承受表面张力和重力作用
孔隙越小上升高度越高
毛细管中水压力为负值
重力水
自由水面以下可以自由移动
气相
对土的性质影响不大
自有气体
与大气联通的气体
溶解在水中的气体
吸附在土颗粒上的气体
对土影响大的气体
封闭气体
被土颗粒和水封闭的气体
增加土的弹性
阻塞渗流通道，降低渗透性
无气为饱和土
无液体为干土
空气中有水和气为非饱和土
土的物理性质指标
土的三相的体积和质量的比例关系
三个实验
土的密度试验
土单位体积的质量
密度
重度/容重
土粒比重试验
土粒的密度与4°水密度的比值
土的含水量试验
土中水的质量与土粒质量之比
三相指标
空隙含量指标
孔隙比
土中空隙体积与固体颗粒体积之比
孔隙率/孔隙度
图中孔隙体积与总体积之比
含水程度指标
含水率
饱和度
土中水的体积与孔隙体积的比值
土体密度重度指标
天然密度
干密度
土被烘干时的体积
饱和密度
土被饱和时的密度
浮重度
静水下的有效重度
=饱和重度-水重度
土的物理状态指标
粗粒土的松密程度
密实度
单位体积的总固体颗粒含量的多少
相对密度
主要用于人工填土
原位标准贯入试验
对天然砂土层测定
粘性土的软硬程度
稠度
土的软硬程度或者对外力引起变形或者破坏的抵抗能力
液性指数
Wp为土的塑限
WL为土的液限
对重塑土合适，对原位土不合适
塑性指数
反映吸附弱结合水的能力，即黏性大大小
土的结构
土粒间的相互作用力
粗颗粒土
重力起决定性作用，非饱和土中还受到毛细作用
细颗粒土
范德华力
接触点处的分子引力
细粒土黏结在一起的主因
库仑力
颗粒表面的静电引力或者斥力
随距离衰减速度比范德华力慢
胶结力
土粒间通过胶体黏结在一起
作用力是化学键
毛细力
毛细作用行成的力
粗粒土的结构
点与点
点与面
细粒土的结构
分散结构
面与面
淡水环境
絮凝结构
边、角、面
海水环境
黏性土的结构性指标
灵敏度
原状土的无侧限抗压强度与重塑土的无侧限抗压强度的比值
一般原状土的强度比较高
触变性
含水量不变，密度不变，因重塑而强度降低，又因静置而逐步强化，强度逐渐恢复的现象
土的工程分类
巨粒土
粗粒土
细粒土
特殊土
土的压实性
室内击实试验
通过夯打、振动、碾压等，使土体变得密实，以提高土体的强度，减少土的压缩性和渗透性
击实曲线
具有峰值
最大干密度
土粒重度和水重度之和与总体积的比值
最优含水量Wp
含水量小时，颗粒表面水膜很薄，相对移动困难
含水量大时，水膜润滑作用不再明显；封闭气泡难以排除
填土施工的含水量需控制在Wp左右，正负2~3%之间
在Wp干侧
常具有絮凝结构。土质较均匀，强度较高，较脆硬，不易压密
但浸水时易产生附加沉降
在Wp湿侧
常具有分散结构。土体可塑性大，适应变形能力强
但强度较低，具有不等向性
细粒土的压实性
压实机理
颗粒碾碎（细颗粒土极少）
粒间联结力被破坏，颗粒间孔隙被压缩
土粒定向排列
击实功
对同一种土，击实功越大，最优含水率越小，对应最大干密度越大
压实度
作为填方压实密度的标准
一般要大于96%
粗粒土的压实性
不存在峰值
在完全风干或饱和状态下易于击实
潮湿状态下存在假粘聚力，加大了阻力
与细粒土不同，粗粒土在击实过程中可以自由排水
压实标准
工程中一般要大于0.75
土的渗透性和渗流问题
概述
渗流
水在土的空隙中流动的现象
渗透性
土被水穿过的特性
土的渗透性和渗透规律
水头与水力坡降
位置水头
到基准面的竖直距离，代表单位重量的液体从基准面算起所具有的位置势能
压力水头
水压力所能引起的自由水面的升高，表示单位重量液体所具有的压力势能
测管水头
测管水面到基准面的垂直距离，等于位置水头和压力水头之和，表示单位重量液体的总势能
在静止液体中各点的测管水头相等
总水头：单位重量水体所具有的能量
渗流的总水头

也称测管水头，是渗流的总驱动能，渗流总是从水头高处流向水头低处
总水头差
反映了两点间水流由于摩阻力造成的能量损失
水力坡降 i
单位渗流长度上的水头损失
土的渗透试验与达西定律
达西定律
在层流状态的渗流中，渗透速度v与水力坡降i的一次方成正比，并与土的性质有关
渗透系数k
反映土的透水性能的比例系数，其物理意义为水力坡降i＝1时的渗流速度
渗透速度v
土体试样全断面的平均渗流速度，也称假想渗流速度
适用范围
在纯砾以上的很粗的粗粒土如堆石体中，在水力坡降较大时，达西定律不再适用
对致密的粘性土，存在起始水力坡降i0
渗透系数的测定及影响因素
测定方法
室内试验
常水头试验
变水头试验
黏性土
现场试验
抽水试验
影响因素
土的性质
粒径的大小和集配
是土中孔隙直径大小的主要影响因素
因由粗颗粒形成的大孔隙可被细颗粒充填，故土体孔隙的大小一般由细颗粒所控制
是单位土体中孔隙体积的直接度量
对粘性土，影响颗粒的表面力
不同粘土矿物之间渗透系数相差极大，其渗透性大小的次序为高岭石>伊里石>蒙脱石 ；当粘土中含有可交换的钠离子越多时，其渗透性将越低
塑性指数Ip综合反映土的颗粒大小和矿物成份，常是渗透系数的参数
结构
影响孔隙系统的构成和方向性，对粘性土影响更大
在微观结构上，当孔隙比相同时，凝聚结构将比分散结构具有更大的透水性
水的性质
封闭气泡对k影响很大，可减少有效渗透面积，还可以堵塞孔隙的通道
层状地基的等效渗透系数
水平向的等效渗透系数
等效条件：总流量等于分层水流量之和
按层厚加权平均，由较大值控制
垂直等效渗透系数
等效条件：总水头损失等于分层水头损失之和
层厚倒数加权平均，由较小值控制
平面渗流和流网
平面渗流的基本方程
渗流问题的求解方法
等势线和流线的概念和特性
平面流网的绘制和应用
渗透力和渗透变形
