土力学土的物理性质指标与工程分类省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx
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1、岩土工程研究所岩土工程研究所土土 力力 学学河海大学河海大学 岩土工程研究所岩土工程研究所朱俊高第1页岩土工程研究所岩土工程研究所绪绪 论论土力学是研究土物理性质以及在荷载作用下土体内部应力变形和强度规律一门学科。土力学研究对象是土需要研究和处理工程中三大类问题: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。第2页岩土工程研究所岩土工程研究所绪绪 论论土力学课程学习方法:土力学课程学习方法:FF重视基本概念了解,要咬文嚼字,了解加记忆;重视基本概念了解,要咬文嚼字,了解加记忆;FF注意基本理论学习;注意基本理论学习;FF掌握基本计算方法掌握基本计算方法。土力学课程学习要求土力学课
2、程学习要求:FF课后复习,每章学习完要复习;课后复习,每章学习完要复习;FF作业独立完成;作业独立完成;FF作业按时交作业按时交。第3页岩土工程研究所岩土工程研究所绪绪 论论土力学历史:土力学历史:FF人类在同生存作斗争历史中,积累了大量土力学知识;人类在同生存作斗争历史中,积累了大量土力学知识;FF土力学作为一门系统学科是以土力学作为一门系统学科是以太沙基太沙基19251925年出版土力学年出版土力学为标志;很多为标志;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年代前就已经形年代前就已经形成;成;FF当代土力学在当代土力学在本构模型理论、计算方法、非饱和土力学本构模
3、型理论、计算方法、非饱和土力学有较大有较大发展;量测技术提升;土动力学理论、分析方法、测试伎俩有发展;量测技术提升;土动力学理论、分析方法、测试伎俩有很大发展和提升。很大发展和提升。第4页岩土工程研究所岩土工程研究所第一章第一章 土物理性质指标与工程分类土物理性质指标与工程分类1-1 1-1 土形成土形成土是涣散颗粒堆积物,是岩石风化产物(人工破碎;堆石坝坝壳料;相当于物理风化)。土是指覆盖在地表没有胶结或弱胶结颗粒堆积物依据起源分:有机土和无机土岩石风化分为物理风化和化学风化。物理风化:岩石经受风、霜、雨、雪侵蚀,或受波浪冲击、地震等引发各种力作用,温度改变、冻胀等原因使整体岩石产生裂隙、崩
4、解碎裂成岩块、岩屑过程。第5页岩土工程研究所岩土工程研究所第一章第一章 土物理性质指标与工程分类土物理性质指标与工程分类1-1 1-1 土形成土形成化学风化:化学风化:岩体(或岩块、岩屑)与氧气、二氧化碳等各种气体、岩体(或岩块、岩屑)与氧气、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步产生化学改变,分解为些岩石或岩屑逐步产生化学改变,分解为极细颗粒极细颗粒过程。过程。特征:特征:FF物理风化:量变过程,形成土颗粒较粗;物理风化:量变过程,形成土颗粒较粗;FF化学风化:质变过程,形成土颗粒很
5、细。化学风化:质变过程,形成土颗粒很细。对普通土而言,通常既经历过物理风化,又有化学风化,对普通土而言,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6页岩土工程研究所岩土工程研究所第一章第一章 土物理性质指标与工程分类土物理性质指标与工程分类土从其堆积或沉积条件来看可分为:土从其堆积或沉积条件来看可分为:残积土:岩石风化后仍留在原地堆积物。残积土:岩石风化后仍留在原地堆积物。特点:湿热地带,粘土,深厚,松软,易变;特点:湿热地带,粘土,深厚,松软,易变;严寒地带,岩块或砂,物理风化,稳定。严寒地带,岩块或砂,物理风化,稳定。第7页岩土工程研究所岩土工程研究所第
6、一章第一章 土物理性质指标与工程分类土物理性质指标与工程分类运积土:岩石风化后经流水、风和冰川以及人类活动等搬运积土:岩石风化后经流水、风和冰川以及人类活动等搬运离开生成地点后再沉积下来堆积物。又分为冲积土、风运离开生成地点后再沉积下来堆积物。又分为冲积土、风积土、冰碛土和沼泽土等。积土、冰碛土和沼泽土等。冲积土:由水流冲积而成;冲积土:由水流冲积而成;颗粒分选、浑圆光滑颗粒分选、浑圆光滑 风积土:由风力带动土粒经过一段搬运距离后沉积下来堆风积土:由风力带动土粒经过一段搬运距离后沉积下来堆积物;积物;没有层理、细砂或粉粒;没有层理、细砂或粉粒;黄土黄土 冰碛土:由冰川剥落、搬运形成堆积物;冰碛
7、土:由冰川剥落、搬运形成堆积物;不成层、从漂石不成层、从漂石到粘粒到粘粒 沼泽土:在沼泽地沉积物;沼泽土:在沼泽地沉积物;含有机质、压缩性高、强度低含有机质、压缩性高、强度低第8页岩土工程研究所岩土工程研究所1-2 1-2 土组成土组成第一章第一章 土物理性质指标与工程分类土物理性质指标与工程分类土是固体颗粒、水和空气混合物,常称土为土是固体颗粒、水和空气混合物,常称土为三相系三相系。固相:土颗粒、粒间胶结物;固相:土颗粒、粒间胶结物;液相:土体孔隙中水;液相:土体孔隙中水;气相:孔隙中空气。气相:孔隙中空气。第9页岩土工程研究所岩土工程研究所1-2 1-2 土组成土组成第一章第一章 土物理性
8、质指标与工程分类土物理性质指标与工程分类当土骨架孔隙全部被水占满时,这种土称为当土骨架孔隙全部被水占满时,这种土称为饱和土饱和土;当土骨架孔隙仅含空气时,就成为当土骨架孔隙仅含空气时,就成为干土干土;普通在地下水位以上地面以下一定深度内土孔隙中兼含空气和水,此普通在地下水位以上地面以下一定深度内土孔隙中兼含空气和水,此时土体属三相系,称为时土体属三相系,称为湿土湿土。依据土粘性分:依据土粘性分: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、甚至无粘性土:颗粒较粗,甚至很大。砂、碎石、甚至堆石(直径几十堆石(直径几十cmcm甚至甚至11mm)第10页岩土工程研究所岩
9、土工程研究所第一章第一章 土物理性质指标与工程分类土物理性质指标与工程分类一、土固相一、土固相一、土固相一、土固相(一)成土矿物(一)成土矿物原生矿物原生矿物:由:由物理风化物理风化生成土粒;颗粒较粗,普通为无粘性土;石生成土粒;颗粒较粗,普通为无粘性土;石英、长石、云母等;英、长石、云母等;圆形、板状、块状圆形、板状、块状;吸水力弱、稳定、无塑性;吸水力弱、稳定、无塑性;砂多为石英。砂多为石英。次生矿物次生矿物:由原生矿物经:由原生矿物经化学风化化学风化作用而形成矿物。颗粒较细,普作用而形成矿物。颗粒较细,普通为粘土矿物,形成粘性土。高岭石、伊利石、蒙脱石;片状、极通为粘土矿物,形成粘性土。
10、高岭石、伊利石、蒙脱石;片状、极细;吸水力强、活泼、有塑性。细;吸水力强、活泼、有塑性。第11页岩土工程研究所岩土工程研究所第一章第一章 土物理性质指标与工程分类土物理性质指标与工程分类一、土固相一、土固相一、土固相一、土固相(二)粘土矿物晶体结构(二)粘土矿物晶体结构粘土矿物:由各种硅酸盐矿物分解形成粘土矿物:由各种硅酸盐矿物分解形成水水铝硅酸盐矿物铝硅酸盐矿物。其结构可分为晶体和非晶体,以其结构可分为晶体和非晶体,以晶体矿物晶体矿物为主。为主。硅片:基本单元是硅氧四面体,底面每硅片:基本单元是硅氧四面体,底面每个氧离子为个氧离子为22个相邻单元硅原子共有组成六个相邻单元硅原子共有组成六边形
11、孔硅片;边形孔硅片;铝片:铝(镁)氢氧(氧)八面体,每铝片:铝(镁)氢氧(氧)八面体,每个氢氧离子为个氢氧离子为22个相邻单元铝原子共有组成个相邻单元铝原子共有组成铝片;铝片;第12页岩土工程研究所岩土工程研究所第一章第一章 土物理性质指标与工程分类土物理性质指标与工程分类一、土固相一、土固相一、土固相一、土固相(二)粘土矿物晶体结构(二)粘土矿物晶体结构粘土矿物:粘土矿物:高岭石:高岭石:长石风化产物,长石风化产物,11:11型晶格,一个型晶格,一个硅片一个铝片一个晶层,晶层靠氢键连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。接,一个颗粒多达近百个晶层。伊利石:伊利石:云母
12、在碱性介质中风化产物,云母在碱性介质中风化产物,2 2:11型晶格,二个硅片一个铝片一个晶层,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;晶层靠钾离子连接,比较稳定,但不如氢键;蒙脱石:蒙脱石:伊利石深入风化,伊利石深入风化,2 2:11型晶格,晶型晶格,晶层没有钾离子连接,而是有水分子进入;连层没有钾离子连接,而是有水分子进入;连接弱。接弱。第13页岩土工程研究所岩土工程研究所第一章第一章 土物理性质指标与工程分类土物理性质指标与工程分类一、土固相一、土固相一、土固相一、土固相(三)土粒大小和土级配(三)土粒大小和土级配粒组:把工程性质相近土粒合并为一组;某粒组
13、土粒含量定义为粒组:把工程性质相近土粒合并为一组;某粒组土粒含量定义为该粒组土粒质量与干土总质量之比。该粒组土粒质量与干土总质量之比。土土级配级配:土中各种大小粒组中土粒相对含量。:土中各种大小粒组中土粒相对含量。第14页岩土工程研究所岩土工程研究所第一章第一章 土物理性质指标与工程分类土物理性质指标与工程分类(四)颗粒大小分析试验(四)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百分数,确定粒径分测定土中各粒组颗粒质量所占该土总质量百分数,确定粒径分布范围试验称为土布范围试验称为土颗粒大小分析试验颗粒大小分析试验。惯用方法:筛分法:粒径惯用方法:筛分法:粒径0.0750.075mmm
14、m 密度计法:粒径密度计法:粒径0.0750.0750.075mmmm,又有粒径又有粒径0.0750.075mmmm 第15页岩土工程研究所岩土工程研究所第一章第一章 土物理性质指标与工程分类土物理性质指标与工程分类(四)颗粒大小分析试验1.筛分法利用一套孔径由大到小筛子,将按要求方法取得一定质量干试样放入一次叠好筛中,置振筛机上充分振摇后,称出留在各级筛上土粒质量,按下式计算出小于某土粒粒径土粒含量百分数X()式中:mi,m分别为小于某粒径土粒质量及试样总质量第16页岩土工程研究所岩土工程研究所第一章第一章 土物理性质指标与工程分类土物理性质指标与工程分类2.密度计法利用不一样大小土粒在水中
15、沉降速度不一样来确定小于某粒径土粒含量方法。经过密度计测定土水悬浊液密度来确定。第17页岩土工程研究所岩土工程研究所第一章第一章 土物理性质指标与工程分类土物理性质指标与工程分类3.土级配曲线(1)粒径分布曲线(2)粒组频率曲线粒径分布曲线粒组频率曲线第18页岩土工程研究所岩土工程研究所第一章第一章 土物理性质指标与工程分类土物理性质指标与工程分类(五五)颗粒分析试验曲线主要用途颗粒分析试验曲线主要用途按粒径分布曲线可求得:按粒径分布曲线可求得:(11)土中各粒组土粒含量,用于粗粒土分类和)土中各粒组土粒含量,用于粗粒土分类和大致评定土工程性质大致评定土工程性质;(22)一些特征粒径,用于建筑
16、材料选择和)一些特征粒径,用于建筑材料选择和评价土级配评价土级配好坏。好坏。依据一些特征粒径,可得到两个有用指标,即依据一些特征粒径,可得到两个有用指标,即不均匀系数不均匀系数CuCu和曲率系数和曲率系数CcCc,它们定义为:它们定义为:(1122)第19页岩土工程研究所岩土工程研究所 (1 (13)3)式中:式中:dd1010,dd3030和和dd6060为粒径分布曲线上小于某粒径土粒含量分别为为粒径分布曲线上小于某粒径土粒含量分别为1010,3030和和6060时所对应粒径。时所对应粒径。dd1010称为有效粒径;称为有效粒径;dd6060称为限制称为限制粒径粒径。第一章第一章 土物理性质
17、指标与工程分类土物理性质指标与工程分类第20页岩土工程研究所岩土工程研究所土级配好坏可由土中土粒均匀程度和土级配好坏可由土中土粒均匀程度和粒径分布曲线形状粒径分布曲线形状来决定,而来决定,而土粒均匀程度和曲线形状又可用不均匀系数和曲率系数来衡量。土粒均匀程度和曲线形状又可用不均匀系数和曲率系数来衡量。CuCu小,曲线陡;小,曲线陡;CuCu大,易压密;大,易压密;CcCc过大,台阶在过大,台阶在d10d30d10d30间;间;CcCc过小,台阶在过小,台阶在d30d60d30d60间;间;第一章第一章 土物理性质指标与工程分类土物理性质指标与工程分类第21页岩土工程研究所岩土工程研究所第一章第
18、一章 土物理性质指标与工程分类土物理性质指标与工程分类土级配连续性也可用粒组频率曲线来反应。土级配连续性也可用粒组频率曲线来反应。双峰,谷点双峰,谷点3=5Cu=5,且且Cc=13Cc=13时,级配良好,不然,不时,级配良好,不然,不良。良。第22页岩土工程研究所岩土工程研究所第一章第一章 土物理性质指标与工程分类土物理性质指标与工程分类二、土液相二、土液相(一)吸着水(一)吸着水由土颗粒表面电分子力吸由土颗粒表面电分子力吸附在土粒表面一层水。附在土粒表面一层水。吸着水可分为吸着水可分为强吸着水强吸着水和和弱吸着水弱吸着水。第23页岩土工程研究所岩土工程研究所第一章第一章 土物理性质指标与工程
19、分类土物理性质指标与工程分类二、土液相二、土液相(一)吸着水(一)吸着水大多数粘粒表面带有大多数粘粒表面带有净负电荷净负电荷:1.1.原子替换原子替换;2.2.断键断键;3.3.氢氧离子中氢离子被离解氢氧离子中氢离子被离解;吸着水形成原因吸着水形成原因:土粒表面负电荷土粒表面负电荷,阳离子阳离子,氢键。氢键。第24页岩土工程研究所岩土工程研究所第一章第一章 土物理性质指标与工程分类土物理性质指标与工程分类二、土液相二、土液相(一)吸着水(一)吸着水 强吸着水性质强吸着水性质靠近于固体,冰点很低,沸点较高,且不能传递靠近于固体,冰点很低,沸点较高,且不能传递压力。压力。弱吸着水弱吸着水也称为薄膜
20、水,不能传递压力,也不能在孔隙水中自也称为薄膜水,不能传递压力,也不能在孔隙水中自由流动,但它能够因电场引力作用从水膜厚地方向水膜薄地方转移。由流动,但它能够因电场引力作用从水膜厚地方向水膜薄地方转移。因为它存在,使土含有塑性、粘性、影响土压缩性和强度,并使土因为它存在,使土含有塑性、粘性、影响土压缩性和强度,并使土透水性变小。透水性变小。吸着水厚度影响原因:吸着水厚度影响原因:成土矿物;阳离子浓度及化学性质成土矿物;阳离子浓度及化学性质(阳离子价阳离子价低低,厚厚;阳离子浓度高阳离子浓度高,薄薄)。第25页岩土工程研究所岩土工程研究所第一章第一章 土物理性质指标与工程分类土物理性质指标与工程
21、分类(二)自由水二)自由水离开土颗粒表面较远,不受土颗粒电分子引力作用,离开土颗粒表面较远,不受土颗粒电分子引力作用,且可且可自由移动自由移动?水称为自由水。水称为自由水。(分为(分为毛细管水和重力水毛细管水和重力水)1.1.毛细管水毛细管水土中存在许多大小不一样相互连通土中存在许多大小不一样相互连通弯曲孔道,因为水分子与土粒分子弯曲孔道,因为水分子与土粒分子之间附着力和水气界面上表面张力,之间附着力和水气界面上表面张力,于是,于是,将引发迫使相邻土粒相互积将引发迫使相邻土粒相互积紧压力,这个压力称为毛管水压力紧压力,这个压力称为毛管水压力。第26页岩土工程研究所岩土工程研究所第一章第一章 土
22、物理性质指标与工程分类土物理性质指标与工程分类在潮湿粉、细砂中孔隙水仅存在于土粒接触点周围,彼此是不连续。在潮湿粉、细砂中孔隙水仅存在于土粒接触点周围,彼此是不连续。这时,因为空袭中气与大气连通,所以,孔隙中压力亦将小于大气压这时,因为空袭中气与大气连通,所以,孔隙中压力亦将小于大气压力。力。由毛管水压力引发摩擦阻力如同给予砂土以一些粘聚力,以致在潮湿由毛管水压力引发摩擦阻力如同给予砂土以一些粘聚力,以致在潮湿砂土中能开挖一定高度直立坑壁。但一旦砂土被水浸饱和,则弯液面砂土中能开挖一定高度直立坑壁。但一旦砂土被水浸饱和,则弯液面消失,毛管水压力变为零,这种粘聚力液就不再存在。把这种粘聚力消失,
23、毛管水压力变为零,这种粘聚力液就不再存在。把这种粘聚力称为称为假粘聚力假粘聚力。第27页岩土工程研究所岩土工程研究所第一章第一章 土物理性质指标与工程分类土物理性质指标与工程分类2.2.重力水重力水在重力或水位差作用下能在土中流动自由水称在重力或水位差作用下能在土中流动自由水称微微重力水。重力水。含有溶解能力,能传递静水和动水压力,对土颗粒有浮力作用。含有溶解能力,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,对所流经土体施加渗流力(亦称动水压力、当它在土孔隙中流动时,对所流经土体施加渗流力(亦称动水压力、渗透力),计算中应考虑其影响。渗透力),计算中应考虑其影响。第28页岩
24、土工程研究所岩土工程研究所第一章第一章 土物理性质指标与工程分类土物理性质指标与工程分类三、土气相三、土气相存在土中气体分为两种基本类型:一个是与大气连通气体;另一存在土中气体分为两种基本类型:一个是与大气连通气体;另一个是与大气不连通以气泡形式存在封闭气体。个是与大气不连通以气泡形式存在封闭气体。第29页岩土工程研究所岩土工程研究所第一章第一章 土物理性质指标与工程分类土物理性质指标与工程分类一、土粒间相互作用一、土粒间相互作用当粘粒在溶液中沉淀时,粒间引力主要当粘粒在溶液中沉淀时,粒间引力主要是范得华力(分子键),还有吸着水层是范得华力(分子键),还有吸着水层中异性电荷引发静电引力。中异性
25、电荷引发静电引力。引力引力:范得华力总是在极性颗粒之间产生引力,范得华力总是在极性颗粒之间产生引力,但它是一个短程力,约随粒间间距得六但它是一个短程力,约随粒间间距得六次方递减,而与溶液性质无关。次方递减,而与溶液性质无关。1-3 1-3 土结构土结构第30页岩土工程研究所岩土工程研究所第一章第一章 土物理性质指标与工程分类土物理性质指标与工程分类一、土粒间相互作用一、土粒间相互作用斥力斥力:在两个土粒相互靠近,使颗粒表面吸着水层相搭接时,吸着水层中阳在两个土粒相互靠近,使颗粒表面吸着水层相搭接时,吸着水层中阳离子不足以平衡土粒上得净负电荷就发生粒间斥力。大小取决于溶液离子不足以平衡土粒上得净
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