土力学与地基基础 教学课件 ppt 作者 姜晨光 主编第2章 地球土的基本特征.ppt

第2章 地球土的基本特征 2.1地球土的形成机理 土力学以土为研究对象，土不同于一般固体材料，一般固体材料的力学规律大多可用数学关系式表达且其理论结果与实际情况相差不多。土是由固体颗粒、土中水和气体组成的多相松散集合体，其强度一般比土粒强度小得多，其成因类型和空间分布情况决定了土的多样性特征。另外，土在外界条件（比如温度、湿度、压力、水流、振动、等环境）影响下的性质会有复杂的变化，土的上述特点导致了土力学规律探讨的极其困难特征。土木工程结构物地基是土木工程结构的承托体，在地基基础设计中人们首先要选择一个适合上部结构的地基，这个地基应满足两个基本要求（即应能承受上部结构的荷载；应不产生过大沉降及沉降差）。从技术和经济的角度看，地质资料越可靠就越可能获得最好的地基基础设计方案，而可靠的地质资料取决于我们对土的工程性质的准确认识，土的物理条件和工程特性是土质学和土力学的重要基础，对土质学和土力学的把握是获得安全而又稳定、能很好地支承上部结构的地基的关键技术保证。 土木工程中的土是指覆盖在地表上碎散的、没有胶结或胶结很弱的颗粒堆积物。地球表面的整体岩石（原岩parent rock）在大气中经受长期的风化作用（主要是物理化学风化作用physical and chemical weathering）而破碎后会形成形状不同、大小不一的颗粒（即残积物residuals），这些颗粒受各种自然力的作用（主要是搬运与沉积作用transporting and depositing）会在各种不同的自然环境下堆积下来（即形成沉积物sedimentary）就形成了通常所说的土（soil）。堆积下来的土在漫长地质年代中发生复杂的物理化学变化会逐渐压密、岩化并最终又形成岩石就是所谓的“沉积岩或变质岩”。自然界中的岩石不断风化破碎形成土，而土又不断压密、岩化变成岩石，这种循环过程在地球上永无止境地重复进行着。工程上遇到的大多数土都是在第四纪地质历史时期内所形成的，第四纪地质年代的土又可划分为更新世和全新世等2类，其中在人类文化期以来所沉积的土被称为“新近代沉积土”。第四纪土由于其搬运和堆积方式的不同又可分为残积土和运积土两大类。 自然界的土颗粒之间存在着大量的孔隙可以透水、透气，这就是土的第一个主要的特征---碎散性。自然界的土一般都是由固体颗粒、水、气体三种成分构成的，这就是土的第二个主要特征---三相体系。自然界土的物理风化和化学风化时刻都在进行且会相互影响、相互加强，由于土形成过程的自然条件不同常导致自然界土的多种多样性（即使同一场地其不同深度处土的性质也不一样，甚至同一位置的土其性质还往往会随方向的不同而表现出很大的差异。比如沉积土往往竖向透水性小、水平方向透水性大），不难理解，土是自然界漫长地质年代内逐渐形成的性质复杂、不均匀、各向异性且随时间而不断变化的材料（这就是土的第三个主要的特征---自然变异性）。显而易见，仅仅根据土的堆积类型是远远不足以说明土的工程特性的，要进一步描述和确定土的性质就必须具体分析和研究土的三相组成、土的物理状态和土的结构并以适当的指标进行衡量和界定。 2.2 地球土的物质组成及结构特征 ?? 2.2.1土的组成特征 ?（1）土中的固体颗粒 土中固体颗粒（简称土粒）的大小和形状、矿物成分及其组成情况是决定土物理力学性质的重要因素，粗大土粒往往是岩石经物理风化作用形成的碎屑（或是岩石中未产生化学变化的矿物颗粒，比如石英、长石、等），细小土粒主要是化学风化作用形成的次生矿物和生成过程中混入的有机物质，粗大土粒其形状大多都呈块状或粒状，细小土粒形状则主要为片状，所谓“土粒的组合情况”就是指大大小小土粒含量的相对数量关系。 人们习惯根据界限粒径200mm、60mm、2mm、0.075mm和0.005mm把土粒分为六大粒组（即漂石（块石）颗粒、卵石（碎石）颗粒、圆砾（角砾）颗粒、砂粒、粉粒及粘粒）。将土粒的大小及组成情况以土中各个粒组的相对含量（各粒组占土粒总量的百分数）来表示（称为土的颗粒级配）。 人们将小于某粒径的土粒质量累计百分数为10%时相应的粒径称为有效粒径d10，小于某粒径的土粒质量累计百分数为30%时的粒径用d30表示，若小于某粒径的土粒质量累计百分数为60%则称该粒径为限定粒径d60。利用颗粒级配累积曲线可确定土粒的级配指标，土粒的级配指标可用不均匀系数Cu（即d60与d10的比值）和曲率系数Cc等指标表示，即 Cu=d60/d10 （2-2-1） Cc=d302/（d60d10） （2-2-2） 不均匀系数Cu反映了土中大小不同粒组的分布情况，Cu越大表示土粒大小的分布范围越大、其级配越良好（作为填方工程土料