岩土力学课件--第一章土的物理性质(双语).ppt

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1、第一章土的基本性质和工程分类CHAPTER1BasicCharacteristicsandEngineeringClassificationofSoils第一节第一节土的形成土的形成1.1TheFormationofsoils一、土的搬运和沉积一、土的搬运和沉积TheTransportationandSedimentationofsoil土是岩石风化的产物土是岩石风化的产物.TotheCivilEnTotheCivilEngineersoilisanyuncementedorweakly cemented accumulation of mineral particlesformed by t

2、he weathering of rock,the void spacebetweentheparticlescontainingwaterand/orair.运积运积土土:Transportedsoil残残积土积土:Residualsoil:Residualsoil一一、Inabrief,soilistheproductsofweatheringInabrief,soilistheproductsofweatheringrockrock.Theweatheringactionandmainnatureofsoils土的特征：土的特征：Thecharacteristicsofsoils:（1

3、1）碎散性碎散性:（2 2）三相体系）三相体系（3 3）自然变异性）自然变异性性性质质复复杂杂，不不均均匀匀，各各向向异异性性且且随随时时间间而而在在不不断断变变化。化。注：岩石三相体系：固体矿物、液体、气体注：岩石三相体系：固体矿物、液体、气体二、风化作用和土和主要特点二、风化作用和土和主要特点第二节第二节 土的三相组成土的三相组成1.2 1.2 TheThree-PhaseCompositionofsoils一、固体颗粒一、固体颗粒一、固体颗粒一、固体颗粒(SolidParticle)SolidParticle)一粒径级配一粒径级配(Particlesizegradation/gradin

4、gParticlesizegradation/grading)粒径级配粒径级配：粒径大小及其在土中所占的百分比：粒径大小及其在土中所占的百分比.界限粒径界限粒径土性质改变的粒径尺寸土性质改变的粒径尺寸粒组粒组以界限粒径为依据，根据其大小分为若干组以界限粒径为依据，根据其大小分为若干组2002020.050.0052002020.050.005分界粒径分界粒径漂石漂石 卵石卵石 园砾园砾 砂粒砂粒 粉粒粉粒 粘粒粘粒块石块石 碎石碎石 粗粒土（无粘性土）(coarse-gainedcoarse-gainedsoils/none-cohesivesoilsoils/none-cohesivesoi

5、l)细粒土（粘性土）(fine-gainedsoils/fine-gainedsoils/cohesivesoilcohesivesoil)1.1.粒径级配的分析方法粒径级配的分析方法筛分试验筛分试验 sieveanalysistestsieveanalysistest d0.1mm(d0.074mm)d0.1mm(d0.074mm)筛分法筛分法 d0.1mm(d0.074mm)d0.1mm(d0.074mm)水分法（比重计法）水分法（比重计法）12.12.粒径级配曲线粒径级配曲线(Particlesizedistributioncurve)Particlesizedistributioncu

6、rve)小于某粒径含小于某粒径含量量 式中式中:GG总称量，总称量，XX筛余量筛余量粒径粒径小小于于某某粒粒径径土土的的含含量量（%）d30d60d10图图1-11-1土的土的粒径级配累计曲线粒径级配累计曲线13.3.粒径级配累积曲线的应用粒径级配累积曲线的应用d d6060控制粒径控制粒径d d3030特征粒径特征粒径d d1010有效粒径有效粒径不均匀系数不均匀系数(coefficientofuniformity)coefficientofuniformity)均匀土均匀土不均匀土不均匀土曲率系数曲率系数(coefficientofcoefficientofcuraturecurature

7、)：表示连续性好表示连续性好:判断判断好级配土好级配土(well-graded)well-graded)：（二）土粒成分（二）土粒成分（ParticleingredientParticleingredient）固体成分固体成分1.1.粘土矿物的晶体结构和分类粘土矿物的晶体结构和分类ThecrystalThecrystalstructurestructureandclassificationofandclassificationofclaymineralsclayminerals粘土矿物：片状铝粘土矿物：片状铝硅酸晶体硅酸晶体Thebasicstructuralunitsofmostclaymi

8、neralsconsistofThebasicstructuralunitsofmostclaymineralsconsistofasilicatetrahedron(asilicatetrahedron(四面体四面体)andanandanaluminaaluminaoctahedronoctahedron(正八面体正八面体).).分类：（依硅片和铅片的组叠形式的不同）分类：（依硅片和铅片的组叠形式的不同）高高岭岭石石（）(kaolinitekaolinite)1:11:1 亲亲水水能能力力差差蒙特石（蒙特石（）(montmorillonitemontmorillonite)2:12:1亲水能

9、力强亲水能力强伊利石（伊利石（）(illiteillite)介介于于二二者者之之间间2.2.粘土矿物的带电性质粘土矿物的带电性质利用电渗现象排水利用电渗现象排水片状粘土颗粒带负电的原因片状粘土颗粒带负电的原因极性水分极性水分子子阴极阴极电渗电渗水泵水泵原生矿物原生矿物颗粒粗，呈粒状颗粒粗，呈粒状次次生生矿矿物物颗颗粒粒细细微微，多多呈呈片片状状（plate-likeplate-like）或或针针状状(needle-shaped)needle-shaped)1.1.粘土比表面积粘土比表面积代表粘土特性的重要指标代表粘土特性的重要指标2.2.颗颗粒粒形形状状重重要要意意义义，磨磨圆圆度度粗粗糙糙度

10、度与与抗抗剪剪强强度度指标有关。指标有关。二、土中水二、土中水二、土中水二、土中水WaterinsoilsWaterinsoils（三）颗粒形状和比表面积（一）结合水一）结合水(heldwater)heldwater)1强结合水结合水特性接近固体，完全不能移动特性接近固体，完全不能移动2.2.弱弱结结合合水水粘粘滞滞水水膜膜，能能发发生生变变形形，但但不不因因重重力力而而流动（土产生塑性的原因）流动（土产生塑性的原因）（二）自由水（二）自由水(freewater)freewater)1.1.毛细水毛细水(capillarywater)capillarywater)毛细管中的毛细管中的毛细管中的

11、毛细管中的负负负负 静水压力静水压力静水压力静水压力h hc cu uc c自由水面自由水面自由水面自由水面毛细水中张力分布毛细水中张力分布毛细水中张力分布毛细水中张力分布+-（1-6）2.重力水重力水(gravitywater)gravitywater)三、土中气体三、土中气体三、土中气体三、土中气体(airinsoils)airinsoils)吸附于土颗粒表面及溶于水的气体吸附于土颗粒表面及溶于水的气体与大气相通的气体与大气相通的气体可以排出可以排出封闭性的气体封闭性的气体不可以排出不可以排出 存存在在有有封封闭闭气气体体的的土土，称称为为橡橡皮皮土土，工工程程中中决决不不允允 许许第三节

12、第三节土的物理状态土的物理状态1.3ThePhysicalStateofSoils一、土的三相关系（一、土的三相关系（ThethreephaserelationshipsofsoilsThethreephaserelationshipsofsoils）三相图三相图(Threephasediagram/skeletaldiagram/blockThreephasediagram/skeletaldiagram/blockdiagram)diagram)（二）确定三相量比例关系的基本试验指标（二）确定三相量比例关系的基本试验指标（Thebasictestindexesfordecidethesca

13、lerelationshipofThebasictestindexesfordecidethescalerelationshipofthreephasesthreephases）1 1、土的密度（土的密度（bulkdensitybulkdensity）实验室：环刀法实验室：环刀法容容重（重（unitunitweigtweigt）2 2、土粒比重（、土粒比重（specificgravityofthesolidsoilspecificgravityofthesolidsoilparticlesparticles）3 3、土的含水量（、土的含水量（watercontent,ormoisturecon

14、tentwatercontent,ormoisturecontent）实验室：烘干法实验室：烘干法（三）确定三相量比例关系的其它指标（三）确定三相量比例关系的其它指标1 1、孔隙比孔隙比(TheThevoidratiovoidratioistheratioofthevolumeofvoidsistheratioofthevolumeofvoidstothevolumeofsolids,i.e)tothevolumeofsolids,i.e)2 2、孔隙度孔隙度(TheTheporosityporosityistheratioofthevolumeofvoidsistheratioofthevo

15、lumeofvoidstothetotalvolumeofthesoil,i.e)tothetotalvolumeofthesoil,i.e)3 3、饱和度饱和度(TheThedegreeofsaturationdegreeofsaturationistheratiooftheistheratioofthevolumeofwatertothetotalvolumeofvoidspace,i.e)volumeofwatertothetotalvolumeofvoidspace,i.e)Thevoidratioandtheporosityareinter-relatedasfollows:Thev

16、oidratioandtheporosityareinter-relatedasfollows:4 4、饱和密度、饱和密度Forafullysaturatedsoil(Forafullysaturatedsoil(S Sr r=1),saturated=1),saturateddensityis:densityis:5 5、干密度、干密度 Foracompletelydrysoil(Foracompletelydrysoil(S Sr r=0),drydensity=0),drydensityis:is:6 6、浮容度浮容度 Whenasoilin-Whenasoilin-situsituis

17、fullysaturatedthesolidisfullysaturatedthesolidsoilparticles(volume1unit,weightGsoilparticles(volume1unit,weightGs s w w)aresubjectedto)aresubjectedtoupthrustupthrust(w w).Hencethe).Hencethebuoyantbuoyantunitweightunitweight(/)is)isgivenby:givenby:i,e三相指标的换算（表1-5）二、土的物理状态(Thephysicalstateofsoils)（一）粗

18、粒土（无粘性土）的密实度（一）粗粒土（无粘性土）的密实度(Thecompactnessof(Thecompactnessofnone-cohesivesoilnone-cohesivesoil)11、分类分类(Classification)(Classification)无粘性土：无粘性土：（1 1）砂土）砂土相对密度相对密度(relativedensityrelativedensity)InthecaseofsandstheInthecaseofsandsthe relativedensityrelativedensity(D(Dr r)isusedto)isusedtoexpressthe

19、relationshipbetweentheactualvoidratio(e)andexpresstherelationshipbetweentheactualvoidratio(e)andthelimitingvaluesthelimitingvaluese emaxmax andande eminmin.Therelativedensityis.Therelativedensityisdefinedas:definedas:(1-19)疏松疏松中密中密密实密实(多用于填土方的质量控制多用于填土方的质量控制)天天然然砂砂土土的的密密实实状状态态，还还可可根根据据标标贯贯试试验验(stand

20、ardstandardpenetrationtest,STP)penetrationtest,STP)的锤击数的锤击数N N来区别：来区别：N N1010松散松散1010N N1515稍密稍密151530N30密实密实（2）碎石密实状态野外鉴别方法：（二）粘性土（细粒土）的稠度（二）粘性土（细粒土）的稠度TheconsistencyofTheconsistencyofcohesivesoils(fine-gainedsoilscohesivesoils(fine-gainedsoils)1.1.粘性土的稠度状态粘性土的稠度状态TheconsistencystateofTheconsistenc

21、ystateofcohesivesoilscohesivesoils 稠稠度度，土土的的软软件件硬硬程程度度或或土土对对外外力力引引起起变变形形或或破破坏坏的能力。的能力。图图1-201-20土中水与稠度状态土中水与稠度状态半固体塑性状态流动状态2 2界限含水量界限含水量(又称阿太堡界限又称阿太堡界限)TheTheAtterbergAtterberglimitslimitsWWp p(plasticlimit)(plasticlimit)试验室用搓条法（经验法）试验室用搓条法（经验法）WWL L(elasticlimit)(elasticlimit)在试验室用锥式园锥仪在试验室用锥式园锥仪3.

22、3.液性指数液性指数(Theliquidityindex)工程上用以判别工程上用以判别重重塑土软硬程度塑土软硬程度表表1-71-7坚硬坚硬硬塑硬塑可塑可塑软塑软塑流塑流塑4 4、塑性指数、塑性指数（plasticityindex）I Ip p是细粒土分类的依据。是细粒土分类的依据。粘土粘土(clay)clay)粉质粘土（粉质粘土（siltysiltyclayclay）（不代百分号）（不代百分号）第四节第四节土的结构土的结构1.4Thestructureofsoils决定土的性质的因素：决定土的性质的因素：一一、一一一一、粗粗粗粗粒粒粒粒土土土土（无无无无粘粘粘粘性性性性土土土土）的的的的结结结

23、结构构构构（Thestructureof coarse-gainedsoils/none-cohesivesoilcoarse-gainedsoils/none-cohesivesoil）单单粒结构（粒结构（single-grainedsingle-grained structure ）：）：颗粒之间点与点的接触颗粒之间点与点的接触二二 二二二二、细细细细粒粒粒粒土土土土的的的的结结结结构构构构：（Thestructureof fine-gainedfine-gainedsoils/cohesivesoilsoils/cohesivesoil）受范德华力，胶结作用力，库仑力，毛细压力受范德华力

24、，胶结作用力，库仑力，毛细压力受范德华力，胶结作用力，库仑力，毛细压力受范德华力，胶结作用力，库仑力，毛细压力Thenetinter-particleforcesgoverntheparticleforcesgovernthestructuralform assumedbyclaymineralassumedbyclaymineralparticlesinasoil,thetwoextremeparticlesinasoil,thetwoextremestructuresaredispersedstructure(structuresaredispersedstructure(分散结构分散结构

25、)andflocculentandflocculentstructurestructure（凝聚结构凝聚结构).ThedispersedstructureresultsThedispersedstructureresultswhenthereisnetrepulsion(whenthereisnetrepulsion(净反力净反力)betweenbetweenparticlesandparticlesandthetheflocculentstructurewhenthereisnetattractionflocculentstructurewhenthereisnetattraction（净吸

26、净吸力）力）.图三、反映细粒土结构特性的两种性质三、反映细粒土结构特性的两种性质三、反映细粒土结构特性的两种性质三、反映细粒土结构特性的两种性质TwoTwo characteristicscharacteristicsofof fine-fine-gainedgained soilssoils reflectingreflecting theirstheirsstructuralnature（一一）粘粘性性土土的的灵灵敏敏度度(TheThe sensitivitysensitivity ofof cohesivecohesivesoil)soil)原状土的无侧限抗压强度原状土的无侧限抗压强度具

27、有与原状土相同密度和含水量并彻底破坏其结构具有与原状土相同密度和含水量并彻底破坏其结构的重塑土的无侧限抗压强度的重塑土的无侧限抗压强度土的结构性土的结构性土的性质受结构扰动的影响而改变的特土的性质受结构扰动的影响而改变的特性性表表1-81-8低灵敏低灵敏 中灵敏中灵敏 高灵敏高灵敏(二）粘性土的触变性二）粘性土的触变性(thixotropythixotropyofofcohesivesoilcohesivesoil)含水量含水量不变，土因重塑而软化，又因静置而逐渐硬化不变，土因重塑而软化，又因静置而逐渐硬化强度有所恢复的性质。强度有所恢复的性质。第五节土的工程分类1.5Theengineeri

28、ngclassificationofsoils地基土的分类地基土的分类分类目的：分类目的：Theobjectofsoilclassificationistodividesoilsintogroupssuchthatallthesoilsinparticulargrouphavesimilarcharacteristics,bywhichtheymaybeidentified,andexhibitSimilarbehavioringivenengineeringsituation.一、建筑地基基础设计规范分类一、建筑地基基础设计规范分类一、建筑地基基础设计规范分类一、建筑地基基础设计规范分类Th

29、e The The The classificationofsoilsaccordingtoarchitecturefoundationdesigncriterion(一）岩石一）岩石(rock)rock)分类分类（二）碎石土（二）碎石土(crushedstonecrushedstone)大于颗粒总重的大于颗粒总重的50%50%（三）砂土（三）砂土(sand)sand)Sr%稍湿稍湿很湿很湿饱和饱和(按湿度分按湿度分)(四四)粉土粉土(silt)粉土粉土粉土粉土（五）粘土（五）粘土(clay)1.1.分类分类2.2.按工程地质特征分按工程地质特征分(accordingtoengineering

30、geologicalcharacter)（1 1）一一般般粘粘土土(clay)clay)：第第四四纪纪沉沉积积物物压压缩缩性性低低，强强度度较较高高，良好的地基。良好的地基。（2 2）淤淤泥泥和和淤淤泥泥质质土土(muckandmuckysoil)：软软弱弱土土，不不好地基（处理）好地基（处理）（3 3）红粘土红粘土(redclay):裂隙发育（特殊土）裂隙发育（特殊土）（六）人工填土（六）人工填土(fill/artificialsoil)fill/artificialsoil)式式中中,I Ip p土的塑性指数土的塑性指数 p p0.0020.002粒径粒径0.0020.002mmmm颗粒的

31、质量占总质量的百分比颗粒的质量占总质量的百分比.A0.75A1.25A1.25活性粘土活性粘土反映粘土矿物吸附结合水的能力反映粘土矿物吸附结合水的能力二、细粒土的活性指数二、细粒土的活性指数二、细粒土的活性指数二、细粒土的活性指数第六节土的压实性1.6SoilCompactionCompactionistheprocessofincreasingthedensityofasoilbypackngtheparticlesclosertogetherwithareductioninthevolumeofair:thevolumeofwaterremainsunchanged.压实目的压实目的(Ta

32、rgetofTargetof compaction)一、细粒土的压实性一、细粒土的压实性一、细粒土的压实性一、细粒土的压实性TheTheCompactionoffine-grainedsoils（一）最优含水量和最大干密度理论曲线：（一）最优含水量和最大干密度理论曲线：TheoptimumwatercontentandthemaximumdrydensityTheoptimumwatercontentandthemaximumdrydensity试验表明：试验表明：约在土的塑限约在土的塑限 附近附近对应的干密度为最大干密度的原因对应的干密度为最大干密度的原因:（1 1）wwwww wopop土

33、土偏偏湿湿，土土粒粒中中存存在在大大量量的的自自由由水水，在在击击实实过过程程中中不不易易很很快快的的排排除除，这这阻阻止止了了颗颗粒粒的的靠靠扰扰，因因引引击实效果差。击实效果差。（3）w=wopw=w=w wopop颗颗粒粒间间存存在在部部分分的的强强结结合合水水、部部分分的的弱弱结结合合水水，弱弱结结合合水水在在击击实实过过程程中中起起到到润润滑滑作作用用，因因而击实效果好。（二）压实功能的影响而击实效果好。（二）压实功能的影响TheinfluenceofTheinfluenceofcompactivecompactiveeffortsefforts同同一一种种土土：w wopop随随E

34、 E而而变变 www wopop,wE,wE的的影影响响 （三）填土的含水量和辗压标准的控制（三）填土的含水量和辗压标准的控制TheThe standardstandard ofof fieldfield compactioncompaction isis controlledcontrolled bybymeansmeans ofof frequentfrequent measurementsmeasurements ofof thethe bulkbulk densitydensity andandwatercontentofnewly-compactedsoil.watercontent

35、ofnewly-compactedsoil.（1 1）wwwwwopop 可可塑塑性性大大，但但强强度度较较低低，且且具具不不等等向向性性压实度：压实度：.9598%9598%土石坝土石坝(earthandstoneearthandstonebankmentbankment)9295%9295%控制：控制：w wopop(23)%(23)%二、粗粒土的压实性：二、粗粒土的压实性：二、粗粒土的压实性：二、粗粒土的压实性：TheTheCompactionofcoarse-grainedsoils 完全干燥或者充分洒水饱和的情况下容易压实到完全干燥或者充分洒水饱和的情况下容易压实到压实标准一般用相对密度压实标准一般用相对密度D Dr r控制：控制：D Dr r：0.70.750.70.75