土力学与地基基础 幻灯片.ppt

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1、土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础 第1页，共64页，编辑于2022年，星期五绪绪 论论24土力学是研究土体的应力、变形、强度、渗流及长期稳定性的一门学科。土力学研究对象是 土需要研究和解决的工程中的三大类问题：土体：稳定或强度问题土体：变形问题渗流：渗透变形与渗透稳定强度问题强度问题变形问题变形问题渗透问题渗透问题第2页，共64页，编辑于2022年，星期五强度问题示意图强度问题示意图第3页，共64页，编辑于2022年，星期五第4页，共64页，编辑于2022年，星期五变形问题示意图变形问题示意图第5页，共64页，编辑于2022年，星期五第6页，共64页，编辑于20

2、22年，星期五第7页，共64页，编辑于2022年，星期五 堤基管涌发生发展过程示意图堤基管涌发生发展过程示意图砂砂环环管管涌涌口口粘性土粘性土砂性土砂性土渗水渗水杂填土杂填土第8页，共64页，编辑于2022年，星期五强度问题第7章 土的抗剪强度第9章 地基承载力第10章 土坡和地基的稳定性变形问题 第5章 土的压缩性 第6章 地基变形渗透问题 第3章 土的渗透性及渗流物理性质 第1章 土的组成 第2章 土的物理性质及分类土力学主要内容土力学主要内容第4章 土中应力第8章 土应力 力学先导第9页，共64页，编辑于2022年，星期五土力学的历史：土力学的历史：FF人类在同生存作斗争的历史中，积累了

3、大量的土力学知识；人类在同生存作斗争的历史中，积累了大量的土力学知识；FF土力学作为一门系统的学科是以土力学作为一门系统的学科是以太沙基太沙基的的19251925年出版的土力年出版的土力学为标志；很多学为标志；很多基本理论、试样方法基本理论、试样方法在在2020世纪世纪7070年代前就已年代前就已经形成；经形成；FF现代土力学在现代土力学在本构模型理论、计算方法、非饱和土力学本构模型理论、计算方法、非饱和土力学有较有较大发展；量测技术的提高；土动力学理论、分析方法、测试手段有大发展；量测技术的提高；土动力学理论、分析方法、测试手段有很大发展和提高。很大发展和提高。绪绪 论论第10页，共64页，

4、编辑于2022年，星期五土力学特点土力学特点土力学土力学 天然的三相碎散天然的三相碎散 堆积物（碎散材料堆积物（碎散材料）理理论论力学力学学科学科研究对象研究对象材料力学材料力学结结构力学构力学连续连续固体固体弹弹性力学性力学流体流体力学力学连续连续流体流体质质点或点或刚刚体体第11页，共64页，编辑于2022年，星期五绪绪 论论土力学课程的学习方法：土力学课程的学习方法：FF注重基本概念的理解，要咬文嚼字，理解加注重基本概念的理解，要咬文嚼字，理解加记忆；记忆；FF注意基本理论学习；注意基本理论学习；FF掌握基本的计算方法掌握基本的计算方法。FF课后复习，每章学习完要复习课后复习，每章学习完

5、要复习第12页，共64页，编辑于2022年，星期五第第1 1章章 土的组成土的组成 土是松散颗粒的堆积物，是岩石风化的产物1.1 1.1 土的形成土的形成 母岩物理风化物理风化 化学风化化学风化 生物风化生物风化 原生矿物：石英、云母长石等次生矿物：粘土矿物、无定形氧化物胶体、可溶盐等散散粒粒体体结晶作用结晶作用胶结作用胶结作用生物化学生物化学第13页，共64页，编辑于2022年，星期五1.1 土的形成土的形成物理风化：岩石经受风、霜、雨、雪的侵蚀，或受波浪的冲击、地震等引起各种力的作用，温度的变化、冻胀等因素使整体岩石产生裂隙、崩解碎裂成岩块、岩屑的过程。化学风化：岩体（或岩块、岩屑）与氧气

6、、二氧化碳等各种气体、水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。特征：特征：FF物理风化：量变过程，形成的土颗粒较粗；物理风化：量变过程，形成的土颗粒较粗；FF化学风化：质变过程，形成的土颗粒很细。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，又有化学风化，对一般的土而言，通常既经历过物理风化，又有化学风化，只不过哪种占优而已。只不过哪种占优而已。第14页，共64页，编辑于2022年，星期五残积土残积土无搬运母岩表层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

7、均无层理运积土运积土有搬运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土土第15页，共64页，编辑于2022年，星期五运积土运积土有搬运风：风：风积土风积土重力重力:坡积土坡积土 流水流水:洪积土洪积土冲积土冲积土湖泊沼泽沉积土湖泊沼泽沉积土海相沉积物海相沉积物冰川冰川:冰积土冰积土土粒粗细不同，性质不均匀土粒粗细不同，性质不均匀有分选性，近粗远细有分选性，近粗远细浑圆度分选性明显，土层交迭浑圆度分选性明显，土层交迭含有机物淤泥，土性差含有机物淤泥，土性差颗粒细，表层松软，土性差颗粒细，表层松软，土性差土粒粗细变化较大，性质不均匀土粒粗细变化较大，性质不均匀颗粒均匀，层

8、厚而不具层理颗粒均匀，层厚而不具层理第16页，共64页，编辑于2022年，星期五1.2 土的特点土的特点大量孔隙大量孔隙非连续介质非连续介质 岩石风化的岩石风化的产物产物 一、土具有碎散性碎散性二、土是三相体系三相体系固相固相土骨架土骨架液相液相水水气相气相空气空气多相介质多相介质 三、土有自然变异性自然变异性土是自然界的产物，性质复杂土是自然界的产物，性质复杂 第17页，共64页，编辑于2022年，星期五碎散性碎散性三相性三相性天然性天然性力学力学特性特性复杂复杂 变形特性变形特性 强度特性强度特性 渗透特性渗透特性第18页，共64页，编辑于2022年，星期五1.3 1.3 土的三相组成土的

9、三相组成气相固相液相+构成土骨架，起决定作用构成土骨架，起决定作用重要影响重要影响土体次要作用次要作用土是固体颗粒、水和空气的混合物，常称土为三相系。土的颗粒、粒间胶结物土体孔隙中的水孔隙中的空气第19页，共64页，编辑于2022年，星期五当土骨架的孔隙全部被水占满时，这种土称为当土骨架的孔隙全部被水占满时，这种土称为饱和土饱和土；当土骨架的孔隙仅含空气时，就成为当土骨架的孔隙仅含空气时，就成为干土干土；一般在地下水位以上地面以下一定深度内的土的孔隙中兼含空气和一般在地下水位以上地面以下一定深度内的土的孔隙中兼含空气和水，此时的土体属三相系，称为水，此时的土体属三相系，称为湿土湿土。根据土的粘

10、性分：根据土的粘性分：粘性土：颗粒很细；粘性土：颗粒很细；无粘性土：颗粒较粗，甚至很大。砂、碎石、无粘性土：颗粒较粗，甚至很大。砂、碎石、甚至堆石（直径几十甚至堆石（直径几十cmcm甚至甚至1m1m）第20页，共64页，编辑于2022年，星期五物理状态力学特性粒径级粒径级配配矿物成矿物成分分颗粒形颗粒形状状 1.4 1.4 土中固体颗粒土中固体颗粒第21页，共64页，编辑于2022年，星期五(1).粒径级配颗粒大小各粒径成分在土中占的比例影响土性的主因1.4 1.4 土中固体颗粒土中固体颗粒第22页，共64页，编辑于2022年，星期五 颗粒大小 粒度 土粒的大小，通常以粒径表示土粒的大小，通常

11、以粒径表示粒组 按粗细进行分组，将粒径接近的归成一类按粗细进行分组，将粒径接近的归成一类界限粒径 划分粒组的分界尺寸划分粒组的分界尺寸1.4 1.4 土中固体颗粒土中固体颗粒d(mm)d(mm)砾石砾石砂粒砂粒粉粒粉粒粘粒粘粒胶粒胶粒6020.0750.0050.0020.250.5520粗 中 细 粗 中 细 极细粗粒粗粒细粒细粒0.075第23页，共64页，编辑于2022年，星期五粘粘土土细砂粗砂碎石卵石碎石粘土第24页，共64页，编辑于2022年，星期五 粒径级配 确定方法确定方法 筛分法筛分法：适用于粗粒土适用于粗粒土 (0.075 mm)水分法水分法：适用于细粒土适用于细粒土 (0.

12、075 mm)各粒组的相对含量各粒组的相对含量(土样各粒组的质量占土粒总质土样各粒组的质量占土粒总质 量的百分数量的百分数)，用质量百分数来表示，用质量百分数来表示表述方法表述方法 粒径级配累积曲线粒径级配累积曲线1.4 1.4 土中固体颗粒土中固体颗粒第25页，共64页，编辑于2022年，星期五第26页，共64页，编辑于2022年，星期五水分法水分法 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的方法。通过密度计测定土水悬浊液的密度来确定。第27页，共64页，编辑于2022年，星期五粒径级配累积曲线粒径级配累积曲线粒径级配累积曲线 表示土的颗粒级配 横坐标为粒径，用对数坐

13、标表示 纵坐标为小于(或大于)某粒径的 土重(累计百分)含量特点：定量指标，级配好与差的比较曲线较陡 粒径相差不多，土粒较均匀，级配不良曲线平缓 粒径相差悬殊，土粒不均匀，级配良好1009080706050403020100105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径粒径(mm)第28页，共64页，编辑于2022年，星期五105.02.01.00.50.250.10.075200g101618242238721009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数小于某粒径之土质量百分数P（）（）105.01.00.50.100.050.010.0050.

14、001粒径粒径(mm)P%958778665536土的粒径级配累积曲线土的粒径级配累积曲线水分法水分法粒径粒径(mm)(mm)0.050.010.005百分数百分数P(%)P(%)2613.510第29页，共64页，编辑于2022年，星期五1009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数（）小于某粒径之土质量百分数（）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径粒径(mm)土的粒径级配累积曲线土的粒径级配累积曲线d60d50d10d30d60d10d30CuCc0.330.0050.063662.41特征粒径特征粒径:d10，d30和d60为粒径分

15、布曲线上小于某粒径的土粒含量分别为10，30和60时所对应的粒径d60:控制粒径 d30:中值粒径d10:有效粒径不均匀程度不均匀程度：Cu=d60/d10 不均匀系数不均匀系数Cu 5,级配不均匀第30页，共64页，编辑于2022年，星期五1009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数（）小于某粒径之土质量百分数（）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径粒径(mm)土的粒径级配累积曲线土的粒径级配累积曲线d60d10d30曲线d60d10d30CuCcL0.330.0050.081663.98M0.0632.41R0.0300.545斜率

16、斜率:某粒径范围内颗粒的含量某粒径范围内颗粒的含量 陡陡相应粒组质量集中相应粒组质量集中 缓缓-相应粒组含量少相应粒组含量少 平台平台-相应粒组缺乏相应粒组缺乏连续程度连续程度:Cc=d302/(d60 d10)曲率系数曲率系数较大颗粒缺少较大颗粒缺少Cc 减小减小较小颗粒缺少较小颗粒缺少Cc 增大增大Cc =1 3,级配连续性好级配连续性好第31页，共64页，编辑于2022年，星期五粒径级配粒径级配累积曲线及指标的用途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粒组含量用于土的分类定名；2）不均匀系数不均匀系数Cu用于判定土的不均匀程度：用于判定土的不均匀程度：Cu 5,不均匀

17、土不均匀土；Cu 3 或 Cc 1,级配不连续土级配不连续土4）不均匀系数不均匀系数Cu和和曲率系数曲率系数Cc用于判定土的级配优劣：用于判定土的级配优劣：如果如果 Cu 5且且 C c =1 3，级配级配 良好的土良好的土；如果如果 Cu 3 或或 Cc 1g/cm3 冰点处于零下几十度冰点处于零下几十度 具有固体的特性具有固体的特性 温度高于温度高于100C时可蒸发时可蒸发 强结合水强结合水 位于强结合水之外，电场引位于强结合水之外，电场引 力作用范围之内力作用范围之内 外力作用下可以移动外力作用下可以移动 不因重力而移动，有粘滞性不因重力而移动，有粘滞性 弱结合水弱结合水 第37页，共6

18、4页，编辑于2022年，星期五 强吸着水性质接近于固体，冰点很低，沸点较高，且不能传递压力。弱吸着水也称为薄膜水，不能传递压力，也不能在孔隙水中自由流动，但它可以因电场引力的作用从水膜厚的地方向水膜薄的地方转移。由于它的存在，使土具有塑性、粘性、影响土的压缩性和强度，并使土的透水性变小。吸着水厚度影响因素：成土矿物；阳离子浓度及化学性质(阳离子价低,厚;阳离子浓度高,薄)。第38页，共64页，编辑于2022年，星期五自由水自由水重力水重力水毛细水毛细水在重力或水位差作用下可在重力或水位差作用下可在土中自由流动在土中自由流动 存在于液气之间存在于液气之间 在重力与表面张力作用在重力与表面张力作用

19、下可在土粒间空隙中自下可在土粒间空隙中自由移动由移动重力水重力水 具有溶解能力，能传递静水和动水压力，对土颗粒有浮力作具有溶解能力，能传递静水和动水压力，对土颗粒有浮力作用。当它在土孔隙中流动时，对所流经的土体施加渗流力用。当它在土孔隙中流动时，对所流经的土体施加渗流力（亦称动水压力、渗透力），计算中应考虑其影响。（亦称动水压力、渗透力），计算中应考虑其影响。第39页，共64页，编辑于2022年，星期五液体表面张力 凡作用于液体表面,使液体表面积缩小的力,称为液体表面张力。它产生的原因是 液体跟气体接触的表面存在一个薄层,叫做表面层,表面层里的分子比液体内部稀疏,分子间的距离比液体内部大一些,

20、分子间的相互作用表现为引力。就象你要把弹簧拉开些，弹簧反而表现具有收缩的趋势。正是因为这种张力的存在，有些小昆虫才能无拘无束地在水面上行走自如。第40页，共64页，编辑于2022年，星期五浸润作用 一种液体会润湿某种固体并附着在固体的表面上，这种想象叫做浸润；反之叫做不浸润。在同种物质内部相邻各部分之间的相互吸引力，这种相互吸引力是同种物质分子之间存在分子力的表现。内聚力能使物质聚集成液体或固体。特别是在与固体接触的液体附着层中，由于内聚力与附着力相对大小的不同，致使液体浸润固体或不浸润固体。第41页，共64页，编辑于2022年，星期五 放在洁净的玻璃板上的一滴水银，能够在玻璃板上滚来滚去，而

21、不附着在上面。把一块洁净的玻璃片进入水银里再取出来，玻璃上也不附着水银。这种现象叫做不浸润。对玻璃来说，水银是不浸润液体。放在洁净的玻璃板上的一滴水，会附着在玻璃板上形成薄层。把一块洁净的玻璃片进入水里再取出来，玻璃表面会沾上一层水。这种现象叫做浸润。对玻璃来说，水是浸润液体。第42页，共64页，编辑于2022年，星期五第43页，共64页，编辑于2022年，星期五 =湿润角湿润角 空气空气固体固体水水 lT=界面张力界面张力d d=毛管直径毛管直径Td=2rua-uwua-uw=压力差压力差毛细水毛细现象毛细现象毛毛细细管管hc第44页，共64页，编辑于2022年，星期五土中毛细现象土中毛细现

22、象上升高度上升高度:r2hcw=2rTcos毛细水分布在土粒内部相互贯通的分布在土粒内部相互贯通的孔隙可以看成许多形状不一、孔隙可以看成许多形状不一、直径互异、彼此连通的毛细直径互异、彼此连通的毛细管管毛细升高与孔径成反比毛细升高与孔径成反比粘土粉土砂土砾石分析对象分析对象:水柱水柱第45页，共64页，编辑于2022年，星期五对砂土强度的影响对砂土强度的影响:毛细边角水毛细边角水,假凝聚力假凝聚力 毛细压力毛细压力2rTcos+ucr2 =0毛细压力 非饱和土中毛细张力影响非饱和土中毛细张力影响分析对象分析对象:水膜水膜第46页，共64页，编辑于2022年，星期五土中气体自由气体：自由气体：与

23、大气连通，对土的性质影响不大与大气连通，对土的性质影响不大封闭气体：封闭气体：增加土的弹性；阻塞渗流通道增加土的弹性；阻塞渗流通道1.5 土中水（液相）和土中气 土中冰土中冰 1.水结冰后体积膨胀，同时由于水分迁移和补 给，在土层中会形成冰层或透镜体。2.固态水在土中起着暂时的胶结作用，提高土的力学强度，降低透水性。3.温度升高后，冰层解冻为液态水，使土的强度急剧降低，压缩性增大，土的性质显著恶化第47页，共64页，编辑于2022年，星期五1.6 黏土颗粒与水的相互作用黏土颗粒与水的相互作用 黏粒的矿物成分主要是有黏土矿物和其他化学胶结物或有机质，其中黏土矿物对黏性土的工程性质影响较大粘土矿物

24、粘土矿物:由各种硅酸盐矿物分解形成的水铝硅酸盐矿物。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。其结构可分为晶体和非晶体，以晶体矿物为主。实际上是一种铝实际上是一种铝硅酸盐晶体，由硅片和铝片构成硅酸盐晶体，由硅片和铝片构成的晶包所组合而成。的晶包所组合而成。第48页，共64页，编辑于2022年，星期五基本单元：基本单元：硅硅-氧四面体氧四面体硅片(硅氧晶体)的结构：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硅片的结构第49页，共64页，编辑于2022年，星期五基本单元：基本单元：铝铝-氢氧八面体氢氧八面体铝片的结构铝片

25、(铝氢氧硅片)：铝（镁）氢氧（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第50页，共64页，编辑于2022年，星期五 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层，晶层靠氢键连接，一个颗粒多达近百个晶层。晶胞有较强的联结力，活动性较小，其亲水性，膨胀性和收缩性均小于伊利石和蒙脱石高岭石高岭石（氢键联结）（氢键联结）第51页，共64页，编辑于2022年，星期五 伊利石：云母在碱性介质中风化产物，2：1型晶格，二个硅片一个铝片一个晶层，晶层靠钾离子连接，比较稳定，但不如氢键晶胞有较强的联结力。其结晶构造的稳定性优于蒙脱石 伊利石伊利石 第52页，共64页，编辑于20

26、22年，星期五 蒙脱石：伊利石进一步风化，2：1型晶格，晶层没有钾离子连接，只有范德华力联结，而而且有水分子进入；连接弱。蒙脱石的晶胞活动性极大，当土中蒙脱石含量较高时，土具有较大的吸水膨胀和失水收缩的特性。蒙脱石蒙脱石 第53页，共64页，编辑于2022年，星期五高岭石高岭石（氢键联结）（氢键联结）粘土矿物的粘土矿物的晶格构造晶格构造蒙脱石蒙脱石伊利石伊利石粒径粒径比表面积比表面积胀胀 缩缩 性性渗渗 透透 性性强度强度压压 缩缩 性性大大10-20m2/g小小大大大大小小中中80-100m2/g中中中中中中中中小小800m2/g大大小小小小大大比表面积：单位质量土颗粒所拥有的总表面积9克蒙

27、脱土的总表面积大约与一个足球场一样大第54页，共64页，编辑于2022年，星期五 黏土颗粒在电场作用下向阳极移动，这种现象称为电泳 极性水分子与水中的阳离子(如K+,Na+等)形成水化离子，在电场作用下这类水化离子向负极移动，这种现象称为电渗 电泳和电渗同时发生，统称为电动现象第55页，共64页，编辑于2022年，星期五粘土矿物的带电性质研究表明：研究表明：粘土颗粒的表面有电荷，净电荷通常为负电荷粘土颗粒的表面有电荷，净电荷通常为负电荷-+粘土颗粒粘土颗粒水分子水分子阳离子阳离子第56页，共64页，编辑于2022年，星期五 黏土颗粒表面带电原因：(1)离解作用 (2)吸附作用 (3)同晶置换

28、(4)边缘断链第57页，共64页，编辑于2022年，星期五 土粒表面的负电荷与受土粒表面影响的阳离子层(反离子层)合起来称为双电层第58页，共64页，编辑于2022年，星期五1.7 土的结构土的结构 原状土原状土 抗剪强度抗剪强度 相同含水相同含水量量 密度、密度、组成组成 粉粉碎碎 重塑重塑 重塑土重塑土 强度降低强度降低第59页，共64页，编辑于2022年，星期五土颗粒或粒团土颗粒或粒团的空间排列和的空间排列和相互联结相互联结力学特力学特性性 土的结构 影响重塑土的强度重塑土的强度 原状土的强度原状土的强度第60页，共64页，编辑于2022年，星期五一.土粒间的作用力 重重 力力 毛细力毛

29、细力 胶结力胶结力 颗粒表面力颗粒表面力 土颗粒的自重形成的方向向下的力土颗粒的自重形成的方向向下的力 砂性土砂性土 土中毛细作用形成的力土中毛细作用形成的力 细砂、细粒土细砂、细粒土 土粒间的胶体物质形成的作用力土粒间的胶体物质形成的作用力 粘性土粘性土 粘性土粘性土 库库 仑仑 力力：范德华力范德华力：颗粒表面的静电引力或斥力颗粒表面的静电引力或斥力颗粒接触点处的分子间引力颗粒接触点处的分子间引力第61页，共64页，编辑于2022年，星期五二.土的结构 粒间作用力粒间作用力 排列形式排列形式 颗粒联结颗粒联结单粒结构单粒结构 示意图示意图重力，毛细力重力，毛细力点与点、点与面点与点、点与面

30、几乎没有联结几乎没有联结 典型代表典型代表碎石、砂土碎石、砂土第62页，共64页，编辑于2022年，星期五二.土的结构 粒间作用力粒间作用力 排列形式排列形式 颗粒联结颗粒联结蜂窝状结构蜂窝状结构 示意图示意图相互引力相互引力弓架结构弓架结构有一定程度的粒间联结有一定程度的粒间联结 典型代表典型代表粉粒、细砂粉粒、细砂第63页，共64页，编辑于2022年，星期五二.土的结构 粒间作用力粒间作用力 排列形式排列形式 颗粒联结颗粒联结絮状结构絮状结构 示意图示意图粒间作用力粒间作用力以角、边与面的接触或边与边以角、边与面的接触或边与边的搭接形式的搭接形式 典型代表典型代表黏粒、胶粒黏粒、胶粒有，固结和胶结作用加强有，固结和胶结作用加强第64页，共64页，编辑于2022年，星期五