土力学与土质学概论

封皮太沙基

“土”一词在不同的学科领域有其不同的涵义。就土木工程领域而言,土是指覆盖在地表的没有胶结和弱胶结的颗粒堆积物。土与岩石的区分仅在于颗粒间胶结的强弱。物理风化——指岩石经受风、霜、雨、雪的侵蚀,温度湿度的变化、不均匀膨胀与收缩,使岩石产生裂隙,崩解为碎块。这种风化仅改变颗粒大小与形状,不改变原来矿物成分。生成的土呈松散状态,无土。化学风化——指岩石碎屑与空气、水和各种水溶液相接触,经氧化、碳化和水化作用,改变原来矿物成分,形成新的矿物(次生矿物)。生成的土为细粒土,粘土。

土滑坡

土指土颗粒的大小、形状、表面特征,相互排列及其联结关系的综合特征。

工程性质:通常分散构造的工程性质最好,裂隙状构造中,因裂隙强度低、渗透性大,工程性质差。

土与其它连续介质的建筑材料,具有下列三个显著的工程特征:1.压缩性高反映材料压缩性高低的指标弹性模量E(土称变形模量),随着材料的不同而有极大的差别,例如:钢筋E1=21万Mpa;C20混凝土E2=2.6万Mpa;卵石E3=50Mpa;饱和细砂E4=10Mpa.2.强度低为抗剪强度,而非抗压、抗拉强度;3.透水性大颗粒之间有无数孔隙。

n土的形成与工程特性的关系

由于各类土生成条件不同,它们的工程特性往往相差悬殊,下面分别加以说明:1.搬运、沉积条件通常流水搬运沉积的土优于风力搬运沉积的土。2.沉积年代通常土的沉积年代越长,土的工程性质越好。3.沉积的自然地理环境自然地理环境不同所生成的土的工程性质差异也很大。

土的三相组成是指土由固体颗粒、液体水和气体三部分组成。中的固体矿物构成土的骨架,骨架之间贯穿着大量的孔隙,孔隙中充满着液体水和气体。●土体三相比例不同,土的状态和工程性质也随之各异,例如:固体+气体(液体=0)为干土,此时粘土呈坚硬状态,砂土呈松散状态;固体+液体(气体=0)为饱和土,此时粉细砂或粉土遇强烈地震,可能产生液化,而使工程遭受破坏;粘土地基受建筑物荷载作用发生沉降需几十年才能稳定。

固相——包括多种矿物成分组成土的骨架,骨架间的空隙为液相和气相填满,这些空隙是相互连通的,形成多孔介质;

n土是岩石风化的产物。因此土粒的矿物组成将取决于成土母岩的矿物组成及其后的风化作用

土的颗粒级配2.粒径——颗粒直径大小,界限粒径——划分粒组的分界尺寸。3.粒组——将粒径大小接近、矿物成分和性质相似的土粒归并为若干组别即称为粒组。可划分:4.颗粒级配——土粒的大小及组成情况,通常以土中各个粒组的相对含量来表示,称为土的颗粒级配。

土中水处于不同位置和温度条件下,可具有不同的物理状态——固态、液态、气态。液态水是土中孔隙水的主要存在状态,因其受土粒表面双电层影响程度的不同可分为结合水、毛细水、重力水。后两者也称为非结合水(自由水)。

n1.结合水

土颗粒表面带有一定的电荷,当土粒与水相接触时,由于静电作用力,将吸引水化离子和水分子,形成双电层,在双电层影响下的水膜称为表面结合水。双电层的厚薄也反映了结合水的厚薄,结合水具有与一般自由水不同的性质,其密度较大、粘滞度高、流动性差、冰点低、比热较大、介电常数较低。这种差异随距离增加而减弱。

n2.自由水(非结合水)

在双电层影响以外的水为自由液态水,它主要受重力作用的控制,土粒表面吸引力居次要地位,这部分水称为非结合水,它包括毛细水和重力水。毛细水是受到水与空气交界面处表面张力作用的自由水。毛管现象是毛细管壁对水的吸力和水的表面张力共同作用的结果。重力水是存在于地下水位以下的适水土层中的地下水。它是在重力或压力差作用下运动的自由水,对土粒有浮力作用。重力水只受重力控制,不受土粒表面吸引力的影响。

n土中气

n与大气相通压缩性高;n与大气隔绝降低透水性

n土的物理性质指标

土的三相比例指标是其物理性质的反映,但与其力学性质有内在联系,显然固相成分的比例越高,其压缩性越小,抗剪强度越大,承载力越高。

土三相组成示意图

●三相比例指标反映了土的干燥与潮湿、疏松与紧密,是评价土的工程性质的最基本的物理性质指标,也是工程地质勘察报告中不可缺少的基本内容。●三相比例指标可分为两种,一种是试验指标(基本指标);另一种是换算指标。●反映土的松密程度的指标有:土的孔隙比e、孔隙率n;反映了土的含水程度的指标有:含水量ω、饱和度Sr;特定条件下土的重度有:重度γ、干重度γd、饱和重度γsat、浮重度γ’。●三项基本指标(重度γ、比重ds、含水量ω)

n土的重度γ

n定义:单位体积土的重量。

n土粒比重(相对密度)

n定义:土粒重度与同体积4℃时纯水的重度比值,

n含水量ω

n定义:土中水的重量与土粒重量之比,称为~.

意义:表示湿度的物理指标,与土的种类,埋藏条件及其所处的自然地理环境等有关。测定方法:烘干法。

n土的孔隙比e

n定义:土中孔隙体积与土粒体积之比。

n孔隙率n

n定义:土中孔隙所占总体积之比,用百分数表示。n

n范围:粘性土和粉土:(30~60);砂土:(25~45)。

n饱和度Sr

n定义:土中水的体积与孔隙体积之比,用%表示

n物理意义:表示水在孔隙中充满的程度。

砂土是指粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重50%、粒径大于0.mm的颗粒超过全重50%的土。

n干重度γd

n定义:单位体积土中固体颗粒的重量。

n(8)饱和重度

n定义:土的孔隙中全部充满水时单位体积土的重量

n浮重度

n定义:地下水位以下,土体受水的浮力作用时,扣除水的浮力后单位体积土的重量。

n土的物理状态指标

所谓土的物理状态,对于无粘性土是指土的密实度;对于粘性土是指土的软硬程度或称粘性土的稠度。n

n无粘性土的密实度

砂土的密实度对其工程性质具有重要的影响。密实的砂土具有较高的强度和较低的压缩性,是良好的建筑物地基;但松散的砂土,尤其是饱和松散砂土,不仅强度低,且水稳定性很差,容易产生流砂、液化等工程事故。对砂土评价的主要问题是正确地划分其密实度。★土的密实度通常是指单位体积中固体颗粒充满的程度.密实度反映无粘性土工程性质的主要指标。判别砂土的密实度有以下三种方法。

n粘性土的稠度

稠度指粘性土含水量不同时所表现出的物理状态,它反映了土的软硬程度或对外力引起的变化或破坏的抵抗能力的性质.★随着含水量的改变,粘性土将经历不同的物理状态。当含水量很大时,土是一种粘滞流动的液体即泥浆,称为流动状态;随着含水量逐渐减少,粘滞流动的特点渐渐消失而显示出塑性,称为可塑状态;当含水量继续减少时,则发现土的可塑性逐渐消失,从可塑状态变为半固体状态。如果同时测定含水量减少过程中的体积变化,则可发现土的体积随着含水量的减少而减小,但当含水量很小的时候,土的体积却不再随含水量的减少而减小了,这种状态称为固体状态。n土的工程分类

土的分类与定名的必要性;●土的分类原则:将其划分为一定的类别,同一类别的土在工程地质性质上应比较接近。1、根据地质成因可分为残积土、坡积土、洪积土、冲积土、风积土等。2、根据颗粒级配或塑性指数可分为碎石土、砂土、粉土和粘性土。3、根据土的工程特性的特殊性可分为一般土和特殊土●土的分类标准:世界各国、各地区、各部门,根据自己的传统和经验,都有自己的分类标准。据《建筑地基基础设计规范》

小结本文主要讨论了土的物质组成以及定性、定量描述其物质组成的方法,包括土的三相组成、土的三相指标、土的结构构造、粘性土的界限含水量、砂土的密实度和土的工程分类等。这些内容是学习土力学原理和基础工程设计与施工技术所必需的基本知识,也是评价土的工程性质、分析与解决土的工程技术问题时讨论的最基本的内容。

大楼起于土


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