《土力学》教案

《土力学》教案 • 课次：第3次 • 主要内容：土的物理特性指标；土的结构与构造；土的工程分类 • 重点内容：黏性土的物理特性指标；土的工程分类 • 教学方法：精讲启发式

§2.4 土的物理特性指标 一、粘性土的物理特性指标 • 粘性土：是指具有可塑状态性质的土，它们在外力的作用下，可塑成任何形状而不开裂，当外力去掉后，仍可保持原形状不变，土的这种性质称为可塑性。（一）粘性土的界线含水量 • 含水量的大小对粘性土的工程性质要产生极大的影响，随着含水量的增加，粘性土的强度要降低，压缩性要提高。 • 粘性土随着含水量的增加，将由固态→半固态→可塑状态→流动状态，如下图所示。

流动状态：当粘土中水较多、土粒完全被水隔开时,土成泥浆状，可流动。这时土的抗剪强度极低。流动状态：当粘土中水较多、土粒完全被水隔开时,土成泥浆状，可流动。这时土的抗剪强度极低。 • 可塑状态：在外力作用下可塑成任何形状而不发生裂缝，当外力移去后能保持既得形状，不回弹也不坍塌，粘性土的这种特性称为可塑性，相应的状态为可塑状态。此时土有很小的抗剪强度。 • 半固态：当含水量继续减少时，土体因水份减少而发生体积收缩，称为半固态。

固态：当含水量进一步减少，但其体积不再收缩时，粘土处于固态。固态：当含水量进一步减少，但其体积不再收缩时，粘土处于固态。 • 处于半固态和固态的粘性土，具有较大的抗剪强度，在外力作用下不再有可塑性，而是呈脆性。 • 界线含水量：粘性土的一种状态转入另一种状态时的分界含水量称为界线含水量。 • 土由流动状态变成可塑状态的界限含水量称为液限，用WL表示；土由可塑状态变化到半固态的界限含称为塑限，用WP表示；由半固态到固态的界限含水量称为缩限，用WS表示。塑限WP和液限WL在国际上称为阿太堡界限，来源于土壤学，后来应用于土木工程。

处于固态的土，基本上只含强结合水；处于半固态的土，含强结合水及部分弱结合水；处于塑性状态的粘性土含有结合水和少部分自由水；处于流动状态的粘性土含有大量的自由水。处于固态的土，基本上只含强结合水；处于半固态的土，含强结合水及部分弱结合水；处于塑性状态的粘性土含有结合水和少部分自由水；处于流动状态的粘性土含有大量的自由水。（二）界限含水量的测定方法 1．液限WL的测定我国用锥式液限仪来测定，如下图所示。

将调成浓糊状的试样装满盛土杯，刮平杯口面，手握手柄将园锥体轻放于试样之上，使其在自重作用下缓慢下沉。如经过15s圆锥沉入深度恰好为10mm时，该试祥的含水量即为液限wL值。将调成浓糊状的试样装满盛土杯，刮平杯口面，手握手柄将园锥体轻放于试样之上，使其在自重作用下缓慢下沉。如经过15s圆锥沉入深度恰好为10mm时，该试祥的含水量即为液限wL值。 • 若锥体入土深度大于10mm，说明土样的含水量高于液限；若锥体入土深度小于10mm，说明土样的含水量低于液限。需重新调配试样，直到合格为止。 • 对于合格的试样，利用烘干法测定其含水量，即为液限wL。 • 在欧美等国家多采用碟式液限仪。

2．塑限WP的测定 • 用“搓条法”测定，将调配好的试样，用手先搓成直径小于10mm的小园球，然后用手撑放在毛玻璃板上搓成小土条，若土条搓至直径为3mm时正好断裂或出现较多裂缝，这时土样的含水量就是塑限。若土条搓至直径3mm时仍未断裂，说明试样含水量高于塑限；如土条过早断裂，说明土样含水量低于塑限。在这种情况下，都需重新调配试样直到合格为止。然后，将合格的试样称取15g，用”烘干法”测定含水量，即得塑限ωP。

3．液塑限联合测定法（公路系统） • 用锥式液限仪进行试验时，圆锥的入土深度与土样的含水量有关。试验表明，二者在双对数坐标上为直线关系，如下图所示。 • 试验时，调配成三种含水量不同的试样，分别用锥式液限仪来测定入土深度，这样便在双对数座标上得到三个点，

通过这三点，画一条直线。相应于入土深度10mm时的含水量为液限ωL，相应于入土深度为2mm时的含水量为塑限ωP。通过这三点，画一条直线。相应于入土深度10mm时的含水量为液限ωL，相应于入土深度为2mm时的含水量为塑限ωP。（三）塑性指数与液性指数 1．塑性指数：液限ωL与塑限ωP的差值，即 IP = ωL－ωP • 习惯用不带％的数值表示。 • 塑性指数的大小，反映了土处于可塑状态的含水量变化范围。IP值越大，土处于可塑状态的含水量范围也越大。而土处于可塑状态时，土中水是结合水和小部分自由水。

因此，IP的大小与土中结合水的含量有明显的关系，也就是与土颗粒大小有关，土粒越细，粘粒越多，其比表面积 越大，结合水含量越高，IP值也就越大。 • 此外，塑性指数的大小也与矿物成份和土中水的化学成份有关，可看成是土的一个综合性指标。对于塑性指数相似的粘性土，一般均表现出相似的物理力学性质。因此，常用塑性指数作为粘性土分类的标准。此外，塑性指数的大小也与矿物成份和土中水的化学成份有关，可看成是土的一个综合性指标。对于塑性指数相似的粘性土，一般均表现出相似的物理力学性质。因此，常用塑性指数作为粘性土分类的标准。

2．液性指数（稠度） • 式中：ω----土的天然含水量。 • 由上式可见：当ω<ωP时，IL < 0，土处于固态和半固态。 • 当ωP ≤ω≤ωL时，0 ≤ IL ≤1，土处于可塑状态。 • 当ω>ωL时，IL > 1，土处于流动状态。

由此可见，液性指数IL的大小反映了粘性土的软硬程度。IL越大，土越软。根据液性指数IL的大小，《建筑地基基础设计规范》将粘性土划分为五种软硬状态，划分标准见下表由此可见，液性指数IL的大小反映了粘性土的软硬程度。IL越大，土越软。根据液性指数IL的大小，《建筑地基基础设计规范》将粘性土划分为五种软硬状态，划分标准见下表（四）粘性土的灵敏度和触变性天然状态下的粘性土，由于地质历史作用常具有一定的结构性。当土体受到外力扰动作用，其结构遭受破坏时，土的强度降低，压缩性增高。工程上常用灵敏度St来衡量粘性土结构性对强度的影响。粘性土的软硬状态

1．灵敏度 Si= qu /qu • 式中：qu——原状土无侧限抗压强度，kPa； qu′——重塑土无侧限抗压强度，kPa。 • 土的灵敏度愈高，其结构性愈强，受扰动后土的强度降低就愈明显。因此，在基础工程施工中必须注意保护基槽，尽量减少对土结构的扰动。

2．粘性土的触变性：粘性土受扰动时强度降低，而静止时土的强度又重新增长的性质，称为土的触变性。2．粘性土的触变性：粘性土受扰动时强度降低，而静止时土的强度又重新增长的性质，称为土的触变性。 • 土的触变性对桩基础很有利，打预制桩时，桩周围土受震结构破坏，强度降低，使桩容易打入。当打桩停止后，土的部分强度又恢复，使桩的承载力又提高了。（五）土的最优含水量 1．定义 • 修建公路，有一半以上的路段为填方路段，人工填土作为路基必须处理，一般采用压路机碾压法。对于建筑工程，当人工填土作为建筑物地基时，也必须处理，一般利用人工夯实的方法进行分层夯实，以提高填土的强度，增加密实度和降低透水性，降低压缩量。

对于过干的土进行夯打时，由于土中水主要是强结合水，土粒周围的水膜很薄，颗粒间具有很大的分子吸引力，阻止颗粒间的移动，击实比较困难。当含水量继续增加时，土中含强结合水及弱结合水，水膜变厚，土粒间联结力减弱而使土粒便于移动，击实效果较好；当水含量继续增大时，土中出现了自由水，击实时，孔隙中过多的水分不易立即排出，势必阻止土粒间的靠扰，产生软弹现象（俗称橡皮土），击实效果反而下降。所以，要使土的击实效果最好，含水量必定有一个最佳值，即最优含水量。对于过干的土进行夯打时，由于土中水主要是强结合水，土粒周围的水膜很薄，颗粒间具有很大的分子吸引力，阻止颗粒间的移动，击实比较困难。当含水量继续增加时，土中含强结合水及弱结合水，水膜变厚，土粒间联结力减弱而使土粒便于移动，击实效果较好；当水含量继续增大时，土中出现了自由水，击实时，孔隙中过多的水分不易立即排出，势必阻止土粒间的靠扰，产生软弹现象（俗称橡皮土），击实效果反而下降。所以，要使土的击实效果最好，含水量必定有一个最佳值，即最优含水量。 • 最优含水量：在一定夯击或压实能量下，填土达到最大干密度时，相应的含水量为最优含水量。

2．最优含水量ω0P的测定 • 用击实仪测定，如下图所示。 • 图中击锤重24.5N，锤底直径 50mm，落距460mm，击实筒的容积为1000cm3，内装土样。 • 导筒起导向作用，将土样放，松手后击锤在自重作用下下落，可将土样击实。

试验时，对同一种土，配成若干份含水量不同的试样，对每一份先取1/3倒入击实筒内，进行击实。对于砂土一般20击，粘土30击。然后再取1/3倒入击实筒，再进行击实，最后将另外1/3倒入击实筒，进行击实，也就是分三层夯实，达到规定击数后，测定土样的含水量和干密度。含水量一般用烘干法测定，而土样的干密度可按下式计算，即试验时，对同一种土，配成若干份含水量不同的试样，对每一份先取1/3倒入击实筒内，进行击实。对于砂土一般20击，粘土30击。然后再取1/3倒入击实筒，再进行击实，最后将另外1/3倒入击实筒，进行击实，也就是分三层夯实，达到规定击数后，测定土样的含水量和干密度。含水量一般用烘干法测定，而土样的干密度可按下式计算，即

式中：m------击实筒的土样质量，g； • A0-----击实筒内面积，cm2； • h------击实后试样高度，cm； • ω-----含水量，用烘干法测定。 • 根据对不同含水量试样进行试验 • 的结果，绘制击实曲线，即含水 • 量与干密度关系的曲线，如下图 • 所示，曲线处于峰值的含水量就 • 是最优含水量ω0P，相应的干密 • 度为ρdmax.

从击实曲线可以看出，当填土中的含水量低于最优含水量时，随着含水量的增加，干密度也随之加大，表明击实效果逐步提高。当含水量高于最优含水量后，随着含水量的增加，击实效果反而下降。因此，用人工填土作为地基时，首先应调整其含水量为最优含水量，然后再夯实或碾压，才能获得最高的密实度。从击实曲线可以看出，当填土中的含水量低于最优含水量时，随着含水量的增加，干密度也随之加大，表明击实效果逐步提高。当含水量高于最优含水量后，随着含水量的增加，击实效果反而下降。因此，用人工填土作为地基时，首先应调整其含水量为最优含水量，然后再夯实或碾压，才能获得最高的密实度。 3．最优含水量经验值 • ω0p=ωp+2 • 有时，在缺少击实仪条件下，可根据测得的塑限估计最优含水量。

二、无粘性土的密实度 • 对于砂、卵石、砾石等无粘性土，属单粒结构，最主要的物理特性指标就是密实度。表明密实度的方法有三种： 1. 用孔隙比e作为划分密实度的标准，e值越小，土越密实。 • 以相对密度Dr作为划分密实度的标准 • 相对密度

式中：e——天然孔隙比； • emax——最疏松状态下的孔隙比，即最大孔隙比； • emin——最密实状态下的孔隙比，即最小孔隙比。 • Dr＝0～1。Dr值越大，土越密实。则： • 1≥＞0.67 密实的 • 0.67≥＞0.33 中密的 • 0.33≥＞0 松散的

3. 用标准贯入试验捶击数N63.5作为划分密实度的标准 • 标准贯入试验是一种现场原位测试方法，是将标准贯入器打入土中一定距离（30cm）所需落锤次数（标贯击数），记为N63.5，该值反映了土的密实度的大小。该值越大，土越密实（见下表）砂土和碎石土密实度的划分

§2.5 土的结构与构造 一、土的结构 1．土粒间的连结关系（1）接触连结：是指颗粒之间的直接接触，接触点上的连结强度主要来源于外加压力所带来的有效接触压力。这种连结方式在碎石土、砂土、粉土中或近代沉积土中普遍存在。（2）胶结连结：是指颗粒之间存在着许多胶结物质，将颗粒胶结连结在一起，一般其连结较为牢固。胶结物质—般有粘土质，可溶盐和无定形铁、铝、硅质等。

3）结合水连结：是指通过结合水膜而将相邻土粒连结起来的形式，又叫水胶连结。这种连结在一般粘性土中普遍存在。3）结合水连结：是指通过结合水膜而将相邻土粒连结起来的形式，又叫水胶连结。这种连结在一般粘性土中普遍存在。 • （4）冰连结：是指含冰土的暂时性连结，融化后即失去这种连结。 • 2．土的结构类型（1）单粒结构（a）为舒松状态（b）为密实状态

（2）蜂窝结构 • 主要由粉粒（粒径为0.005mm ~0.075mm）组成的结构形式，在水中因自重作用而下沉，碰到别的正在下沉或已沉积的土粒，由于土粒间的分子引力大于下沉土粒的重力，则下沉土粒被吸引，不再下沉，逐渐形成链环状单元。很多这样的链环联结起来，便形成较大孔隙的蜂窝结构

（3）絮状结构 • 絮状结构又称絮凝结构，细微的粘粒（粒径小于0.005mm）大都呈针状或片状，形成絮状结构。 • 蜂窝结构和絮状结构的土，其土粒间的联结强度会由于压密和胶结作用而逐渐得到加强，这种强度称为结构强度。

二、土的构造 1．层状构造 • 土层由不同的颜色或不同的粒径的土组成层理，一层层互相平行，反映不同年代不同搬运条件形成的土层 2．分散构造 • 是指颗粒在其搬运和沉积过程中，经过分选的卵石、砾石、砂等因沉积厚度较大而不显层理的一种构造

结核状构造 • 在细粒土中混有粗颗粒或各种结核，如含礓石的粉质黏土、含砾石的冰则黏土等，均属结核状构造。 • 裂隙构造 • 裂隙构造是因土体被各种成因形成的不连续的小裂隙切割而形成的，在裂隙中常充填有各种盐类的沉淀物。不少坚硬和硬塑状态的粘性土具有此种构造，如图l所示。裂隙将破坏土的整体性，增大透水性，对工程不利。

§2.6 土的工程分类 • 土是自然地质历史的产物，它的成份、结构和性质是是千变万化的，其工程性质也是千差万别的。因此，有必要对土进行科学的分类，即把工程性质近似的土划分为一类。 • 人们在长期的生产实践中，已提出过不少分类系统。如：地质分类、土壤分类、粒径分类、结构分类等。每一种分类系统，反映了土某些方面的特征。在工程实践中需要的是适合于工程用途的工程分类方法，既按土的主要工程特性进行分类。 • 下面主要介绍《建筑地基基础设计规范》的分类法和《公路桥涵地基与基础设计规范》分类法。

一、《建筑地基基础设计规范》分类法 1．岩石 • 岩石是指颗粒间牢固粘结，呈整体或具有节理裂隙的岩体。（1）按岩石的坚硬程度，分为坚硬岩、较硬岩、较软岩、软岩、极软岩岩石坚硬程度的划分

（2）按岩石的风化程度，分为未风化、微风化、中风化、强风化和全风化。（2）按岩石的风化程度，分为未风化、微风化、中风化、强风化和全风化。（3）按岩石的完整程度，分为完整、较完整、较破碎、破碎、极破碎 2．碎石土 • 是指粒径大于2mm的颗粒含量超过全重50%的土。岩石的完整程度

2．碎石土 • 是指粒径大于2mm的颗粒含量超过全重50%的土。 • 根据粒组含量及颗粒形状可分为漂石或块石、卵石或碎石、圆砾或角砾碎石土的分类

3．砂土 • 是指粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重50%，而粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重50%的土。 • 根据粒组含量分为砾砂、粗砂、中砂、细砂和粉砂砂土的分类

4．粉土 • 是指粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过全重50%，且塑性指数IP10的土。 5．粘性土 • 粘性土是指塑性指数Ip大于10的土。 • 根据塑性指数Ip可分为粉质粘土（10＜Ip≤17）和粘土（Ip＞17）。 6．人工填土 • 人工填土是指由于人类活动而形成的堆积物。（1）根据其物质组成和成因,可分为素填土、杂填土和冲填土三类。 ①素填土：由碎石、砂土、粉土、粘性土等组成的填土，不含杂质或含杂质很少。 ②杂填土：含有大量建筑垃圾、工业废料或生活垃圾等杂物的填土。

③冲填土：由水力冲填泥砂形成的填土。 （2）按堆填时间,分为老填土和新填土。 ①老填土：堆填时间超过10年的粘土或超过5年的粉土。 ②新填土：堆填时间小于10年的粘土或小于5年的粉土。 7．特殊性土（1）淤泥和淤泥质土 • 淤泥：天然含水量ω>ωL，天然孔隙比e>1.5的粘性土称为淤泥。 • 淤泥质土：天然含水量ω>ωL，天然孔隙比1.0 <e≤1.5的粘性土称为淤泥质土。

（2）红粘土和次生红粘土 • 红粘土：液限ωL>50％，裂隙发育，具有明显收缩性的棕红、褐黄等色的高塑性粘土称为红粘土，一般分布于北纬33度以南地区。 • 次生红粘土：经搬运但仍保留红粘土特征，且液限ωL>45％的土，称为次生红粘土。（3）黄土：是一种含大量碳酸盐类，且常能以肉眼观察到大孔隙的黄色粉状土。 • 天然黄土在未受水浸湿时，一般强度较高，压缩性较低。但当其受水浸湿后，因黄土自身大孔隙结构的特征，压缩性剧增使结构受到破坏，土层突然显著下沉，同时强度也随之迅速下降，这类黄土统称为湿陷性黄土。

（4）膨胀土：是指土中含有大量的亲水性粘土矿物成分（如蒙脱石、伊利石等），在环境温度及湿度变化影响下，可产生强烈胀缩变形的土。（4）膨胀土：是指土中含有大量的亲水性粘土矿物成分（如蒙脱石、伊利石等），在环境温度及湿度变化影响下，可产生强烈胀缩变形的土。 • 由于膨胀土通常强度较高，压缩性较低，易被误认为是良好的地基。但遇水后，就呈现出较大的吸水膨胀和失水收缩的能力，往往导致建筑物和地坪开裂、变形而破坏。（5）多年冻土：是指冻结状态在自然界连续保持3年或3年以上的土。 • 当自然条件改变时，它将产生冻胀、融陷、热融滑塌等特殊不良地质现象。

（6）盐渍土：是指易溶盐含量大于0.5％，且具有吸湿、松胀等特性的土。（6）盐渍土：是指易溶盐含量大于0.5％，且具有吸湿、松胀等特性的土。 • 由于可溶盐遇水溶解，可能导致土体产生湿陷、膨胀以及有害的毛细水上升，使建筑物遭受破坏。二、细粒土按塑性图分类（自学）三、《公路桥涵地基与基础设计规范》分类法 1．碎石土的分类与《建筑地基基础设计规范》完全相同，参见表。 2.砂土的分类名称和标准见表。 3.粘性土的分类名称和标准见表

砂土分类 粘性土分类

作业：P29：第3题、第4题

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