土力学基础课程（铁科院刘汉文）

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1、土力学基础课程节选铁道科学研究院铁建所刘汉文电话：010-51849165邮箱：lhw3489@yahoo.com.cn讲稿的主要内容绪论讲稿的主要内容绪论第1章土的物理性质及工程分类第2章土的渗透性和渗流问题第3章土中应力计算第４章土的压缩模量第５章土的抗剪强度第6章地基承载力绪论1.土力学的基本概念与研究对象土是地壳岩石经过物理风化和化学风化作用后的产物，是各种大小不同的土粒按各种比例组成的集合体，土粒之间的空隙中包含着水和气体，是一种三相体系。土力学是从工程力学范畴发展起来的，它把土作为物理——力学系统，根据土的应力、应变

2、、强度关系提出力学计算模型，用数学力学计算方法求解土在各种条件下的应力分布、变形以及土压力、地基承载力与土坡稳定等问题。同时根据土的实际情况评价各种力学计算方法的可靠性与适用条件。土的物理性质及工程分类土是地壳表层的岩石长期受自然界的风化作用，使大块岩体不断地破碎与发生成分变化，再经搬运、沉积而成为大小、形状和成分都不相同的松散颗粒集合体。因而，土是由固体颗粒、水和空气所组成的三相系。土中颗粒的大小、成分及三者之间的相互作用和比例关系，反映出土的不同性质，可据此对土进行分类和鉴定。同时，土的物理性质指标又都与土的力学性质发生联系

3、，并在一定程度上决定着土的工程性质。因此，土的物理性质是土最基本的工程特性。1.1土的三相组成在天然状态下，土是由固体、液体和气体三部分所组成的三相体系。固体部分即为土粒，由矿物颗粒或有机质组成，构成土的骨架。骨架间有许多孔隙，可为水、气所填充。若土中孔隙全部为水所充满时，称为饱和土，若孔隙全部为气体所充满时，称为干土；土中孔隙同时有水和空气存在时，称为非饱和土。土体三个组成部分本身的性质以及它们之间的比例关系和相互作用决定土的物理力学性质1.1.1土粒的矿物成分a.原生矿物是由岩石经过物理风化形成的，其矿物成分与母岩相同。常见

4、的如石英、长石和云母等。一般较粗颗粒的砾石、砂等都是由原生矿物组成。这种矿物成分的性质较稳定，由其组成的土表现出无粘性，透水性较大，压缩性较低。b.次生矿物是岩石经化学风化后所形成的新的矿物，其成分与母岩完全不相同，如粘土矿物的高岭石、伊利石和蒙脱石等。次生矿物性质较不稳定，具有较强的亲水性，遇水易膨胀。上列三种粘土矿物中，亲水性和膨胀性依次增强。1.1.2土中水土中水即为土的液相，其含量及性质明显地影响土的性质(尤其是粘性土)。土中水除了一部分以结晶水的形式紧紧吸附于固体颗粒的晶格内部外，还存在结合水和自由水两大类。A.结

5、合水结合水是指由电分子引力吸附于土粒表面成薄膜状的水。根据受电场作用力的大小及离颗粒表面远近，结合水又可以分成强结合水和弱结合水两类。a.强结合水指紧靠于颗粒表面的结合水。所受电场的作用力很大，几乎完全固定排列，丧失液体的特性而接近于固体。其冰点远低于0℃，密度比自由水的大，在案105℃以上时才可被蒸发。b.弱结合水指强结合水以外、电场作用范围以内的水。弱结合水也受颗粒表面电荷所吸引成定向排列于颗粒四周，但电场作用力随着与颗粒距离增大而减弱，它是一种粘滞水膜，可以因电场引力从一个土粒的周围转移到另一个土粒的周围。即弱结合水膜能发

6、生变形，但不因重力作用而流动。弱结合水的存在是粘性土在某一含水量范围内表现出可塑性的原因。B.自由水自由水是存在于土粒电场影响范围以外的水。它的性质和普通水无异，能传递静水压力，冰点为O℃，有溶解能力。自由水又可分为毛细水和重力水两类。a.毛细水土体内部间相互贯通的孔隙，可以看成是许多形状不一、直径互异、彼此连通的毛细管。由于水和空气分界面处弯液面上产生的表面张力作用，土中自由水从地下水位通过毛细管逐渐上升，形成毛细水，所以毛细水不仅受重力而且还受到表面张力的支配。毛细水上升高度和速度取决于土的孔隙大小和形状、颗粒尺寸和水的表面

7、张力等，可用试验方法或经验公式确定。一般说来，粒径大于2mm的颗粒可不考虑毛细现象；极细小的孔隙中，土粒周围有可能被结合水充满，亦无毛细现象。b.重力水在透水土层中，重力水是存在于地下水位以下的地下水，对于土粒和结构物水下部分起浮力作用。在重力作用下能在土孔隙中流动，对所流经的土体施加动水压力。在土力学计算中，必须考虑到这种浮力及渗流的影响。1.1.3土中气体土中气体即为土的气相，存在于土孔隙中未被水占据的部分，可分为与大气连通的非封闭气体和与大气不连通的封闭气体两种。非封闭气体成分与空气相似，受外荷作用时易被挤出土体外，对土的

8、性质影响不大。封闭气体不能逸出，对土的性质有较大的影响。1.2土的颗粒特征及土的结构A.土的颗粒级配(成分)a.概念自然界的土都是由大小不同的土粒所组成。颗粒的大小通常用粒径表示。根据界限粒径200mm、20mm、2mm、0.05mm、0.005mm把土粒分为六