土力学第一章 - 思维导图

绪论

研究对象

工程上的土体（广义的是岩土体）

地基承载角色

(1）沉降量(沉降过大，不均匀沉降)；是否滑动

材料角色

(2)作为土石坝、路堤等填筑材料或其他工程的材料，即材料角色;颗粒粗细（粒径）的选择等

工程环境角色

(3）洞室围岩、边坡是否稳定等稳定等，作为各类地下工程的环境和人们生产生活的环境，例如市政工程，房屋地下室、地铁等许多地下洞室、基坑以土体为其环境，工业与生活固体废弃物填埋(堆积）场是人们生产生活的环境，公路、铁路、厂房、住宅区等旁侧的山坡是其环境等，即工程环境角色。

主题基本理论

土体抗剪强度理论

土体压缩与固结理论

土体渗流理论

有效应力是基础

基本课题

土体强度与稳定问题

谷仓地基因超载而发生强度破坏而滑动

香港宝城滑坡：山坡上残积土本身强度较低，加之雨水入渗使其强度进一步大大降低，使得土体滑动力超过土的强度，于是山坡土体发生滑动。

神户地震：液化:砂土地基在振动荷载作用下丧失强度变成流动状态的—种现象

土体变形问题（沉降、不均匀沉降）

比萨斜塔：地基持力层为粉砂，下面为粉土和粘土层，强度较低，变形较大。

虎丘塔坐溶于不均匀粉质粘土层上,产生不均匀沉降。

关西机场：沉降大且不均匀沉降

渗流问题，渗流对土体稳定和变形的影响，以及渗流量问题

管消:在渗流作用下，土体中的细土颗粒在粗土粒形成的孔隙通道中发生移动并被水流带出的现象。

土力学课程结构

土

概念

地球表面的整块岩石在大气中经受长期的风化作用形成的、覆盖在地表上碎散的、没有胶结或胶结很弱的颗粒堆积物

特点

岩石风化后的产物

碎散性

非连续介质

一、受力以后易变形

二、体积变化主要是孔隙变化

三、剪切变形主要由颗粒相对位移引起

四、强度低

固相——土骨架液相——水气相——空气

三相体系

多相介质

受力后由土骨架、孔隙介质共同承担

起决定作用

存在复杂的相互作用

重要作用

孔隙流体流动

次要作用

自然界的产物

自然变异性

非均匀性

各向异性

结构性

时空变异性

土力学的特点

研究对象

天然的三相碎散堆积物

碎散材料

第一章土的物理性质指标与工程分类

土的形成过程

土

形成过程

地球表面的整块岩石在大气中经受长期的风化作用形成的、覆盖在地表上碎散的、没有胶结或胶结很弱的颗粒堆积物

松散颗粒的堆积物

岩石风化的产物

是指覆盖在地表的没有胶结或弱胶结的颗粒堆积物

来源

有机土和无机土

1什么叫土？土是松散颗粒的堆积物。 2土是怎样形成的？地球表层的整体岩石在大气中经受长期风化作用后形成形状不同，大小不一的颗粒，这些颗粒在不同的自然环境条件下堆积（或经搬运沉积），即形成了通常所说的土。 3粗粒土和细粒土的组成有何不同？粗粒土中粒径大于0.075㎜的粗粒组质量多于总质量50%，细粒土中粒径小于0.075㎜的细粒组质量多于或等于总质量50%。

岩石风化

特征

物理风化：量变过程，形成的土颗粒较粗

化学风化：质变过程，形成的土颗粒很细

对一般的土而言，通常既经历过物理风化，又经历化学风化，只不过哪种占优而已。

物理风化

物理风化：岩石经受风、霜、雨、雪的侵蚀，或受波浪的冲击、地震等各种外力的作用以及温度变化引起胀缩碎裂等因素使整体岩石产生裂隙、崩解碎裂成岩块、岩屑的过程。

物理风化只改变颗粒的大小和形状，不改变岩石的矿物成分

化学风化

化学风化：岩体（或岩块、岩屑）与氧气、二氧化碳等各种气体和各种水溶液等物质相接触，经氧化、碳化和水化作用，使这些岩石或岩屑逐渐产生化学变化，分解为极细颗粒的过程。

化学风化不但改变颗粒的大小和形状，也改变岩石的矿物成分

土从其堆积的条件可分为

残积土：岩石风化后仍留在原地未经搬运的堆积物

特点:湿热地带-粘土，化学风化，深厚，松软，易变;

颗粒表面粗糙多棱角粗细不均无明显层理

寒冷地带-岩块或砂，物理风化，稳定;颗粒多为角粒且母岩的种类对其性质有显著影响。

运积土：岩石风化后，经流水、风和冰川以及人类活动等动力搬运，离开生成地点后再沉积下来的堆积物

冲积土

降雨形成的地表径流流经地表时，冲刷、带动或搬运土粒,经过一定距离后在较平缓地带沉积下来的土层。

特点:有一定程度的颗粒分选和不均匀性。

风积土

由风力带动土粒经过一段搬运距离后沉积下来的堆积物。

特点:颗粒沿风向有一定程度的颗粒分选，没有明显的层理，颗粒以带角的细砂粒和粉粒为主，同一地区颗粒较均匀。

冰川沉积土

由冰川剥落、搬运形成的堆积物

冰碛土:几乎未经流水搬运直接从冰层中搁置下来的土。

冰碛土的特点:不成层;颗粒粒径的变化范围很大，从漂石到粘粒;粗颗粒的形状是次圆或次棱角的，有时还有磨光面。

冰水冲积土:由冰川融化水搬运、堆积在冰层外围的冲积土。

冰水冲积土的特点:与河流冲积土具有类似的性质，常由砾石、砂和粉砂组成。

沼泽土：在沼泽地的沉积物

腐植土：植物充分腐化的土

泥炭土：未完全腐化还保留有植物残余物的土

特点：通常呈海绵状，干密度很小，含水率极高，土质十分疏松，压缩性高，强度低，灵敏度高

土体

固、液、气相、组成的多项体系

土是固体颗粒、水和气体的混合物，常称土为三相系

固相：土的颗粒、粒间胶结物和有机质—构成土体骨架起决定作用

液相：土体孔隙中的水—重要影响

气体：孔隙中的气体—次要作用

土体分类

三项体系——固液气相——湿土/非饱和土/天然土体

一般在地下水位以上地面地面以下一定深度内的土的孔隙中兼含气体和水，此时的土体属三相性，称为湿土

二项体系

固液相——饱和土体

当土骨架的孔隙全部被水占满时，这种土称为饱和土

固气相——干土

当土骨架的孔隙仅含气体时称为干土

一项体系——固相——冻土

根据土的粘性分类

颗粒很细——塑性

颗粒较粗，甚至很大，颗粒之间的粘结力很弱或无粘结。砂、碎石、甚至堆石（直径几十cm甚至1cm）-无塑性

土的固相

粘土矿物的晶体结构

粘土矿物：由各种硅酸盐矿物分解形成的水铝硅酸盐矿物。其结构可分为晶体和非晶体（以晶体矿物为主）

晶体：指原子、离子在空间有规律的排列，不同的几何排列形式称为晶体结构，组成晶体的最小的单元称为晶胞。

粘土矿物的基本结构单元：硅—氧四面体、铝氢氧八面体

硅片：基本单元是硅—氧四面体，底面每个氧离子为2个相邻单元的硅原子共有组成六边形孔硅片

铝片：基本单元是铝（镁）—氢（氧）八面体，每个氢氧离子为2个相邻单元的铝原子共有组成铝片

同像置换（同型替代）:矿物形成过程中，硅氧四面体或铝氢氧八面体中心的硅、铝原子被其它原子如铁、镁等置换，其结构形式不变，但其物理化学性质将发生变化，形成不同的矿物。同像置换只能发生在粘土矿物生成期间，而不是随时可以置换。

例子

高岭石：长石风化产物，1：1型晶格，一个硅片+一个铝片=一个晶胞, 晶胞，晶胞靠氢键连接。由高岭石组成的颗粒有时能多达近百个晶胞。

伊利石

云母在碱性介质中风化的产物，2：1型晶格，2个硅片+一个铝片=一个晶胞，晶胞间靠钾离子连接，比较稳定，但不如氢键

蒙脱石

伊利石进一步分化，2：1晶格，2个硅片+一个铝片=一个晶胞，晶胞间没有钾离子连接，连接弱。水分子和水化阳离子极易进入胞间使其间距扩大

决定土的物理力学性质的主要因素

固体成分

矿物成分及组成

原生矿物：

常见的有石英、长石、云母、角闪石、辉石

浑圆形、板状，块状

次生矿物

无定形氧化物胶体

可溶盐

粘土矿物

常见的粘土矿物由高岭石、伊利石和蒙脱石

有机质

未分解的动植物残体

半分解的泥炭

全分解的腐殖质

土粒的大小和土的级配

粒组

按粗细进行分组，将粒径接近的归成一类

某粒组的土粒含量

该粒组的土粒质量与干土总质量之比

土的级配

土中各种大小的粒组的相对含量，即土中各种颗粒所占比例

颗粒大小分析试验

测定土中各粒组颗粒质量所占该土总质量的百分数，确定粒径分布范围的试验称为土的颗粒大小分析试验。

常用的方法:

颗粒级配:指各粒组的相对含量，用质量百分数表示分析方法:

·筛分法:适用于粗粒土（0.075mm≤d≤60mm）→孔径大小不同的筛子

·水分法:适用于细粒土(d<0.075mm)→常采用密度计法

表述方法:表格法、颗粒累计级配曲线

筛分法

利用一套孔径由大到小的筛子，将按规定方法取得的一定质量的干试样放入一次叠好的筛中，置振筛机上充分振摇后，称出留在各级筛上的土粒的质量，按下式计算出小于某土粒粒径的土粒含量百分数X（ %）。

密度计法(比重法)

表述方法

颗粒累计级配曲线

累积曲线—粒径分布曲线

( 1)土中各粒组的土粒含量，用于粗粒土的分类和大致评估土的工程性质;

根据两个指标，判别级配好坏→定量

(2）某些特征粒径，用于建筑材料的选择和根据陡、缓评价土级配的好坏。

根据曲线坡度陡、缓，判别级配好坏→定性

陡—粒组含量多—土粒粒径相差越悬殊，土粒越不均匀=级配越好

概要

Cu越大，曲线越缓

d10与d60相距远，土颗粒粒径分布范围宽;

土体不均匀:容易压实、孔隙率较低、渗透性低。

缺少小颗粒,c↑ 缺少大颗粒,c↓

Cc的大小:判断粒径分布曲线是否连续,即是否出现平台。

分布曲线—粒组频率曲线

粒组频率曲线

·若土的粒组频率曲线呈单峰(如图1-8中曲线a),则土的级配是连续的;

·若粒粗频率曲线呈双峰(如图1-8中曲线b、c)，则土的级配既有可能是连续的，也有可能是不连续的。

·连续与否则取决于双峰之间谷点对应粒组的土粒含量，当大于3%时,是连续的(b曲线);否则，是不连续的(c曲线)。

·谷点对应粒组含量为0，则缺乏中间粒径的土。

1、土的颗粒级配曲线横、纵坐标分别代表什么 2、土的颗粒级配曲线上面的一点表示什么意思 3、级配良好与否可以用于土的何种工程性质判断

土

土的液相

吸着水

强吸着水

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略高于100°c时可蒸发

弱吸着水

受电场引力作用，为粘滞膜外力作用下可以移动不因重力而流动，有粘滞性

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

自由水

不受颗粒电场引力作用的孔隙水

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

具有溶解能力，能传递静水和动水压力，对土颗粒有浮力作用。

土的气相

分类

自由气体

封闭气体

对土工程性质的影响

自由气体

对土性质影响不大—受外荷作用时被挤出气体外

封闭气体

对土的性质有较大影响

增加土的弹性，降低渗透性，堵塞渗流通道

土的结构

所形成土粒的空间排列及其联结形式，与组成土的颗粒大小，颗粒形状，矿物成分和沉积条件有关

单粒结构

粗矿物颗粒在水中或空气中在自重作用下沉落形成的单粒结构，其特点是土粒间存在点与点的接触。颗粒间基本没有电作用力。根据形成条件不同分为疏松状态和密实状态

蜂窝结构

颗粒间点与点接触，由于彼此之间引力大于重力，接触后，不再继续下沉，形成链环单位，很多链环粘结起来，形成孔隙较大的蜂窝状结构

絮状结构

细微粘粒大都呈针状或片状,质量极轻,在水中处于悬浮状态。当悬液介质发生变化时,土粒表面的弱结合水厚度减薄，粘粒互相接近，凝聚成絮状物下沉,形成孔隙较大的絮状结构。强度低，压缩性高。

土的物理性质指标

反映形成土的固体颗粒、孔隙中的水和气体三相

土的密度试验p 土粒比重试验Gs 土的含水率试验w

物性指标是比例关系:可假设任一参数为1

子主题

土的密度

土的容重

工程上更常用，用于计算岩体的自重应力

土粒的比重Gs

土颗粒的质量与4°c时同体积纯蒸馏水质量的比值

土的含水率W

土中水的质量与土粒质量之比

测定方法

烘干法:用烘箱在温度105-110°C下烘8小时以上,或酒精灯烘至土样恒重。

粗粒土的含水量可用铁锅炒等。

粘性土的粘性、塑性、稠度状态

概念

土的粘性:指士颗粒粘结在一起的性质，粒间的相互作用明显。

粘性是粘性土的基本结构性特征。

由以下作用产生:

(1）结合水连结作用 (2)胶结作用 (3）毛细水及冰的连结作用

土的塑性；粘性土在一定含水范围内，在外力作用下可以揉塑成任意形状，外力除去后仍然保持形状不变的性质

无粘性土没有粘性，没有塑性

粘性土（软硬程度）稠度状态

粘性土最主要的物理状态特征是它的稠度。

稠度是指土的软硬程度或土对外力引起变形或破坏的抵抗能力。

粘性土的稠度状态常用流动、软、可塑、硬等描述。

不同的粘性土，其wp、wL大小不同;

不同的粘性土，即使含水量相同，其稠度也可能不同。

测定方法

塑性指数

大致反映粘土颗粒含量（塑性）

塑性指数lp:用作粘性土的分类指标

I, >17

粘土

10<Ip≤17

粉质粘土

3<I,<10

粉土

I p≤3

砂土

液性指数

反映土的稠度（软硬）状态

无粘性土（密实程度）

无粘性土:其松密程度对土的物理状态、力学性与工程特性影响较大。

密实程度越大，则强度越高、压缩性越小,工程特性越好。

描述无粘性土密实程度的指标:

孔隙比e（孔隙率n)

干密度pd

只能用于同一种土，不能反映级配的影响

最大孔隙比emax:将松散的风干土样通过长颈漏斗轻轻地倒入容器,避免重力冲击，求得土的最小于密度再经换算得到最大孔隙比。（漏斗法)

最小孔隙比emin:将松散的风干土样装入金属容器内，按规定方法振动和锤击，直至密度不再提高，求得土的最大干密度，再经换算得到最小孔隙比。(振击法)

粗粒土密实标准

土的击实特性

概念

在建造路堤、土坝等时，常需要填土。为增强土的密实度,降低其透水性和压缩性,常采用分层压实的办法来加以处理。

土的压实

土的压实:指通过夯打、振动、碾压等，使土体变得密实、以提高土的强度、减小土的压缩性和渗透性。

研究击实性的目的

以最小的能量消耗获得最大的压实密度

击实方法

室内击实试验

现场试验

夯打、振动、碾压

主题

土的工程分类

依据

土的组成

土的状态

土的结构

分类体系

建筑工程系统分类体系

侧重把土作为地基和环境，把研究对象为原状土

工程材料系统分类体系

侧重把土作为建筑材料用于路堤、土坝和填土地基工程。研究对象为扰动土

主题