工程地质学基础课件.ppt

绪 论 地球是太阳系族中的一个行星，地球体的表层，即地壳，是各种地质作用进行的场所，是人类赖以生活和活动的场所，一切工程建(构)筑物都建筑在地壳上,同时，也是建筑材料和矿产资源的主要来源地。因此，地壳是地球科学研究的主要对象，构成人类生存和工程建筑的环境和物质基础。我们这些未来的工程师有必要了解和掌握这方面的有关知识。,1,PPT课件,1.1 地质学与工程地质学 1.1.1 地质学 地质学是一门关于地球的科学，它研究的对象主要是固体地球的上层，主要有以下方面内容： （1）研究组成地球的物质：矿物学、岩石学、地球化学等分支学科； （2）阐明地壳及地球的构造特征：即研究岩石或岩石组合的空间分布，如构造地质学、区域地质学、地球物理学等分支学科； （3）研究地球的历史以及栖居在地质时期的生物及其演变：如古生物学、地史学、岩相古地理学等； （4）地质学的研究方法与手段，如同位素地质学、数学地质学及遥感地质学等； （5）研究应用地质学以解决资源探寻、环境地质分析和工程防灾问题：主要有两方面，一是以地质学理论和方法指导人们寻找各种矿产资源，如矿床学、煤田地质学、石油地质学等；二是运用地质学理论和方法研究地质环境，查明地质灾害的规律和防治对策，以确保工程建设安全、经济和正常运行。,2,PPT课件,1.1.2 工程地质学（Engineering geology） 工程地质学是地质学的重要分支学科，是把地质学原理应用于工程实际的一门学问，它研究岩土工程中的地质问题，即在工程建筑设计、施工和运营的实施过程中合理地处理和正确地使用自然地质条件和改造不良地质条件。 （1）工程地质学的发展 工程地质学在经济建设和国防建设中应用非常广泛，早在20世纪30年代就获得迅速发展，并成为一门独立的学科。我国工程地质学的发展始于建国初期，经过50多年的努力，不仅能适应国内建设的需要并开始走向世界，建立了具有我国特色的学科体系。随着生产的发展和研究的深入，形成一些新的分支学科，如环境工程地质、海洋工程地质与地震工程地质等。人类工程活动作为环境演化的积极而活动的因素及工程和环境的密切关联性已成为当今研究的重要方向。,3,PPT课件,（2）工程地质学的主要任务 工程地质研究的基本任务，可归结为三方面： A区域稳定性研究与评价，是指由内力地质作用引起的断裂活动，地震对工程建设地区稳定性的影响； B地基稳定性研究与评价，是指地基的牢固、坚实性； C环境影响评价，是指人类工程活动对环境造成的影响。 工程地质学的具体任务是： A评价工程地质条件，阐明地上和地下建筑工程兴建和运行的有利和不利因素，选定建筑场地和适宜的建筑型式，保证规划、设计、施工、使用、维修顺利进行； B从地质条件与工程建筑相互作用的角度出发，论证和预测有关工程地质问题发生的可能性、发生的规模和发展趋势； C提出及建议改善、防治或利用有关工程地质条件的措施、加固岩土体和防治地下水的方案； D研究岩体、土体分类和分区及区域性特点； E研究人类工程活动与地质环境之间的相互作用与影响。,4,PPT课件,（3）工程地质学的研究方法 工程地质学的研究对象是复杂的地质体，所以其研究方法应是地质分析法与力学分析法、工程类比法与实验法等的密切结合，即通常所说的定性分析与定量分析相结合的综合研究方法。 要查明建筑区工程地质条件的形成和发展，以及它在工程建筑物作用下的发展变化，首先必须以地质学和自然历史的观点分析研究周围其它自然因素和条件，了解在历史过程中对它的影响和制约程度，从而才有可能认识它形成的原因和预测其发展趋势和变化，这就是地质分析法。在阐明主要工程地质问题形成机制的基础上，建立模型进行计算和预测，例如地基稳定性分析，地面沉降量计算，地震液化可能性计算等，这就属于力学分析法。当地质条件十分复杂时，可根据条件类似地区已有资料对研究区的问题进行定量预测，即采用类比法进行评价。采用定量分析方法论证地质问题时都需要采用实验测试方法，即通过室内或野外现场试验，取得所需要的岩土的物理性质、水理性质、力学性质数据，通过长期观测地质现象的发展速度也是常用的试验方法。 综合应用上述定性分析和定量分析方法，才能取得可靠的结论，并对可能发生的工程地质问题制定出合理的防治对策。,5,PPT课件,1.2 工程地质条件与工程地质问题 1.2.1 工程地质条件 工程地质条件是指工程建筑物所在地区地质环境各项因素的综合，这些因素包括： A地层岩性：是最基本的工程地质因素，包括它们的成因、时代、岩性、产状、成岩作用特点、变质程度、风化特征、软弱夹层和接触带以及物理力学性质等； B地质构造：工程地质工作研究的基本对象，包括褶皱、断层、节理构造的分布和特征；地质构造，特别是形成时代新、规模大的优势断裂，对地震等灾害具有控制作用，因而对建筑物的安全稳定、沉降变形等具有重要意义； C水文地质条件：重要的工程地质因素，包括地下水的成因、埋藏、分布、动态和化学成分等；,6,PPT课件,D地表地质作用：是现代地表地质作用的反映，与建筑区地形、气候、岩性、构造、地下水和地表水作用密切相关，主要包括滑坡、崩塌、岩溶、泥石流、风沙移动、河流冲刷与沉积等等，对评价建筑物的稳定性和预测工程地质条件的变化意义重大； E地形地貌：地形是指地表高低起伏状况、山坡陡缓程度与沟谷宽窄及形态特征等，地貌则说明地形形成的原因、过程和时代；平原区、丘陵区和山岳地区的地形起伏、土层厚薄和基岩出露情况、地下水埋藏特征和地表地质作用现象都具有不同的特征，这些因素都直接影响到建筑场地和线路的选择。,7,PPT课件,1.2.2 工程地质问题 已有的工程地质条件在工程建筑和运行期间会产生一些新的变化和发展，构成威胁影响工程建筑安全的地质问题称为工程地质问题。主要的工程地质问题包括： A地基稳定性问题：是工业与民用建筑工程常遇到的主要工程地质问题，它包括强度和变形两个方面，另外岩溶、土洞等不良地质作用和现象都会影响地基稳定，铁路、公路等工程建筑则会遇到路基稳定性问题； B斜坡稳定性问题：自然界的天然斜坡是经受长期地表地质作用达到相对协调平衡的产物，人类工程活动尤其是道路工程需开挖和填筑人工边坡(路堑、路堤、堤坝、基坑等)，斜坡稳定对防止地质灾害发生及保证地基稳定十分重要；斜坡地层岩性、地质构造特征是影响其稳定性的物质基础，风化作用、地应力、地震、地表水和地下水等对斜坡软弱结构面的作用往往破坏斜坡稳定，而地形地貌和气候条件是影响其稳定的重要因素；,8,PPT课件,C洞室围岩稳定性问题：地下洞室被包围于岩土体介质(围岩)中，在洞室开挖和建设过程中破坏了地下岩体原始平衡条件，便会出现一系列不稳定现象，常遇到围岩塌方、地下水涌水等。一般在工程建设规划和选址时要进行区域稳定性评价，研究地质体在地质历史中受力状况和变形过程，做好山体稳定性评价，研究岩体结构特性，预测岩体变形破坏规律，进行岩体稳定性评价以及考虑建筑物和岩体结构的相互作用。这些都是防止工程失误和事故、保证洞室围岩稳定所必要和必需的工作。 D区域稳定性问题：地震、震陷和液化以及活断层对工程稳定性的影响，自1976年唐山地震后越来越引起岩土工程界的注意；对于大型水电工程、地下工程以及建筑群密布的城市地区，区域稳定性问题应该是需要首先论证的问题。,9,PPT课件,1.3 工程地质在岩土工程中的应用 1.3.1 基本概念 （1）建筑物：其含义广泛，可分为房屋建筑和构筑物两大类，住宅和公用建筑称为建筑物，而为专门生产工艺使用的建筑物，如发电站、水塔、车间、桥梁、烟囱等称为构筑物。 （2）建筑场地：指工程建设所直接占有并直接使用的有限面积的土地，大体相当于厂区、居民点和自然村的区域范围的建筑物所在地；从工程勘察角度分析，场地的概念不仅代表着所划定的土地范围，还应涉及建筑物所处的工程地质环境与岩土体的稳定问题。 （3）建筑物地基：指在土和岩层中修建建筑物，承受建筑物全部重量的那部分土和岩层；建筑物的基础是其下部的组成部分，又称做下部结构；基础承受整个建筑物的重量并将它们传递给地基；地基又分成持力层与下卧层两部分，直接与基础接触的土层叫持力层，持力层下部的土层叫下卧层。 （4）天然地基：指未经加固处理、直接支承基础的地基。 （5）软弱地基：指主要由淤泥、淤泥质土、松散的砂土、冲填土、杂填土或其他高压缩性土层所构成的地基。,10,PPT课件,（6）人工地基：若地基土层较软弱，建筑物的荷重又较大，地基承载力和变形都不能满足设计要求时，需对地基进行人工加固处理，这种地基称为人工地基。 （7）地基承载力：地基是否具有支承建筑物的能力，常用地基承载力来表达，地基承载力是指地基所能承受由建筑物基础传递来的荷载的能力；要确保建筑物，地基稳定和满足建筑物使用要求，地基与基础设计必须满足两个基本条件：要求作用于地基的荷载不超过地基的承载能力，保证地基具有足够的防止整体破坏的安全储备；控制基础沉降使之不超过地基的变形容许值，保证建筑物不因地基变形而损坏或影响其正常使用；良好的地基一般具有较高的强度和较低的压缩性。基础（Foundation）指与地基接触的建筑物下部结构。一般建筑物由上部结构（Superstructure）和基础两部分组成。,11,PPT课件,1.3.2 工程地质在岩土工程中的应用 任何工程建筑物都是营造在一定的场地与地基之上，所有工程建设方式、规模和类型都受建筑场地的工程地质条件所制约，会遇到各种各样的自然条件和地质问题，如青藏公路、三峡工程、南水北调工程等都是以地质条件复杂著称于世。地基的好坏不仅直接影响到建筑物的经济和安危，而且一旦出事故，处理比较难。因此，在设计每一个建筑物之前，必须进行场地与地基的岩土工程勘察，充分了解建筑场地与地基的工程地质条件，论证和评价场地、地基的稳定性和适宜性、不良地质现象、软弱地基处理与加固等岩土工程的技术决策和实施方案。工程地质勘察报告中必须提供建筑场地岩土层的地基承载力值。 可见，工程地质工作很重要，是设计之先驱，没有足够考虑工程地质条件而进行设计，这是盲目的设计，不仅会导致建筑费用增高、工程量增大、施工期限拖长，而且产生安全隐患，在个别的情况下，建筑物将发生变形或破坏，甚至废弃使用。,12,PPT课件,13,PPT课件,加拿大某谷仓地基破坏事例,淤泥质软粘土层厚达十余米基底压力大于极限承载力导致地基整体滑动破坏,14,PPT课件,比萨斜塔倾斜原因及治理对策,基础建立在一半是软粘土一半是砂卵石的地基上。由于次固结作用产生倾斜。塔高56.7m。向南偏离了4.5m。1990年停止开放。按南侧每年沉降1.4mm推算，2003或2004年斜塔可能倒塌。治理措施：1、用5根1040cm粗的钢缆在下部打箍；2、将600吨铝注入塔基北侧；3、在南侧地基中注水，扶正该塔。,15,PPT课件,虎丘斜塔 （959-961） 7层8面， 重6000吨。 残高47.7m, NE斜2.34m (249,最大349),16,PPT课件,中国2002年的地质灾害 2003年4月3日公布的中国国土资源公报说，2002年全国发生各类突发性地质灾害40246起，造成853人死亡，109人失踪，直接经济损失51亿元。 目前，我国已完成168个县市调查，建立了相应的信息系统和群测群防网络，它们成功预报地质灾害703次，避免人员伤亡近两万人，避免直接经济损失2.36亿元。 三峡库区地质灾害治理和监测工程已全面实施。,17,PPT课件,三峡大坝是一座坚固的混凝土重力坝，大坝由万吨混凝土外加万吨钢筋和.万吨钢材组成，坝高米，大坝底部宽米，坝高和坝宽都超过米。三峡大坝是重力坝，每一个坝块都可以依靠自身的重力来保证自己的稳定。另外，三峡水库是“一线水”，而不是很多人想像中的“一盆水”，水库的长度达多公里，平均宽度仅公里，其下游段为三峡河谷，千回百转，全长公里，这是一个少见的“河床型”水库。,18,PPT课件,连接四川省会成都和云南省会昆明的成昆铁路，全长1100km。成昆铁路1958年北段开始施工，以后几上几下，至1964年，仅建成成都至青龙场61.5公里。1964年西南铁路建设大会战，重新开始建设，1970年7月1日建成通车。成昆铁路范围包括四川、云南两省的7个地（州）、市，共13万平方公里。沿线物产、资源丰富。成都至峨眉，穿过素有“川西粮仓”之称的川西平原；铁路通过的西昌、攀枝花地区，矿产、水力资源极为丰富，攀枝花大型钢铁基地，二滩等一批大型水电站的建设急需铁路运输；铁路沿线还埋藏着煤、铁、铜、铝、锌等多种金属矿和石棉、磷、岩盐等多种非金属矿。 成昆铁路北接宝成铁路、成渝铁路，南连贵昆铁路，是我国铁路网中的重要干线，对于改善西南地区的交通状况、密切西南边疆与全国各地的联系、加强民族之间的团结、促进西南地区的经济发展和国防建设，都具有十分重要的意义。,成 昆 铁 路,19,PPT课件,成昆铁路由海拔500米左右的川西平原，逆大渡河、牛日河而上，穿越海拔2280米的沙木拉达隧道后，沿孙水河、安宁河、雅砻江，下至海拔1000米左右的金沙江河谷，再溯龙川江上行至海拔1900米左右的滇中高原。全线有700多公里穿过川西南和滇北山地，地形极为复杂，谷深坡陡，河流峡谷两岸分布着数百米高的陡岩峭壁。铁路所经地区，由于历次地质构造运动的影响，断裂发育，线路经过的牛日河、安宁河、雅砻江、金沙江和龙川江，大都是沿着或平行大断裂发育的构造河谷。由于地质新构造运动的影响，全线有500多公里位于地震烈度7至9度地区，其中通过8度和9度地震区长度有200公里。 铁路沿线不良地质现象不仅种类繁多，滑坡、危岩落石、崩塌、岩堆、泥石流、山体错落、岩溶、岩爆、有害气体、软土、粉砂等等，而且数量很大，较大的滑坡有183处、危岩落石近500处、泥石流沟249条、崩塌100多处、岩堆200多处。面对如此恶劣的地质条件，有人称为“修路禁区”。,成 昆 铁 路,20,PPT课件,在如此困难的地形、地质条件下，为了选好线路位置，先后进行了1500平方公里的地质测绘，地质钻探21.2万米，挖探1.3万米，经过11000km的比较线勘测（是建成线路的10倍），大小300多个方案的比选，历时13年，最后确定了线路。采用了7处盘山展线，13跨牛日河，8跨安宁河，49次跨过龙川江，以此克服巨大的地形高差和绕避重大不良地质地段。全线除成都和昆明外，共设车站122个。有42个车站设在桥上或隧道内。 成昆铁路工程艰巨，全线修建各种桥梁991座，总延长92.7km，占线路长度的8.5%；隧道427座，总延长341km，占线路长度的31.5%；桥梁、隧道总延长达433.7km，占线路长度的40%。在桥隧密集的一些地段，桥隧长度竟占线路长度的80%以上。成昆铁路桥梁、隧道总延长超过了北京至山海关的距离。全线土石方9687万m3；挡土墙和路基加固工程163.4万m3。,成 昆 铁 路,21,PPT课件,成昆铁路是一条高标准、高质量的山区铁路干线。高标准、高质量的取得，依赖的是新技术、新设备、新工艺、新结构、新材料和新的施工方法的广泛采用。经过全国各单位1200多名科研人员和工程技术人员直接参加的新技术战斗组与全体筑路人员的努力奋斗，在牵引动力、通信信号、线路上部建筑、桥隧土石方各项工程快速施工等四个方面取得了突破性进展，使我国的铁路修建水平上了一个新台阶，成昆铁路的修建技术获得了“国家科技进步特别奖”。,成 昆 铁 路,22,PPT课件,1.4 工程地质学的学习要求 （1）系统地掌握工程地质的基本理论和知识，能正确运用勘察数据和资料进行设计与施工。 （2）能根据工程地质的勘察成果，运用已学过的工程地质理论和知识，进行一般的工程地质问题分析及对不良地质现象采取处理措施。 （3）了解工程地质勘察的基本内容、方法和过程，各个工程地质数据的来源、作用以及应用条件，对一些中小型工程能够进行一般的工程地质勘察。 （4）把学到的工程地质学知识与专业知识和其他课程知识密切联系起来，去解决工程实际中的工程地质问题。,23,PPT课件,小结工程地质学；工程地质条件；工程地质问题。,24,PPT课件,第一篇 土的工程地质性质第一章 土的物质组成及结构一、土的三相组成 土是由固体颗粒、水和气体三部分组成的，通常称为土的三相组成。随着三相物质的质量和体积的比例不同，土的性质也将不同。,25,PPT课件,1.土的固相 土的固相物质包括无机矿物颗粒和有机质，是构成土的骨架最基本的物质，称为土粒。对土粒应从其矿物成分、颗粒的大小和形状来描述。（1）土的粒度成分（颗粒级配） 天然土是由大小不同的颗粒组成的，土粒的大小称为粒度。工程上常用不同粒径颗粒的相对含量来描述土的颗粒组成情况，这种指标称为粒度成分。 1）土的粒组划分 工程上常把大小相近的土粒合并为组，称为粒组。粒组间的分界线是人为划定的，划分时应使粒组界限与粒组性质的变化相适应，并按一定的比例递减关系划分粒组的界限值。,26,PPT课件,表1-1 粒组划分标准（GB 500212001）,27,PPT课件,2）粒度成分及其表示方法 土的粒度成分是指土中各种不同粒组的相对含量（以干土质量的百分比表示），它可用以描述土中不同粒径土粒的分布特征。 常用的粒度成分的表示方法是累计曲线法，它是一种图示的方法，通常用半对数值绘制，如图1-1所示。,28,PPT课件,横坐标采用对数坐标，表示土颗粒直径，单位mm；纵坐标为小于某粒径土的累积含量，用百分比表示。土的粗细常用平均粒径（mm）d50表示，d50指土中大于或小于此粒径的土粒含量均占50。d10，d30，d60分别相当于累计百分含量为10，30和60的粒径，d10称为有效粒径，d60称为限制粒径。,29,PPT课件,在累计曲线上，可确定两个描述土的级配的指标： 不均匀系数,不均匀系数Cu反映大小不同粒组的分布情况（土的不均匀程度）， Cu10的土为非管涌土， Cu5的土称为不均匀土， Cu5的土称为匀粒土，级配不良；Cu越大，表示粒组分布范围比较广， Cu10的土级配良好。但如 Cu过大，表示可能缺失中间粒径，属不连续级配，故需同时用曲率系数来评价。曲率系数则是描述累计曲线整体形状的指标。,30,PPT课件,在累计曲线上，可确定两个描述土的级配的指标：,曲率系数,Cc=13时，为级配连续； Cc3时，级配不连续。 土的级配不均匀（ ），且级配连续(Cc=13 )的土称为级配良好的土。不能同时满足上述两个条件的土称为级配不良的土。,31,PPT课件,例 取烘干土200g（全部通过10mm筛），用筛分法求各粒组含量和小于某种粒径土量占总土量的百分数，并画出土的粒径级配累积曲线。,32,PPT课件,粒径级配累积曲线,33,PPT课件,土的累计曲线,34,PPT课件,3）粒度成分测定方法 对于粗粒土可以采用筛分法，而对于细粒土（粒径小于0.075 mm）则必须用沉降分析法测定其粒度成分。筛分法是用一套不同孔径的标准筛把各种粒组分离出来的方法。沉降分析法是根据土粒在悬液中沉降的速度与粒径的平方成正比的司笃克斯公式来确定各粒组相对含量的方法。,35,PPT课件,（2）土的矿物成分 土中的矿物成分可以分为原生矿物和次生矿物两大类。 原生矿物是指岩浆在冷凝过程中形成的矿物，如石英、长石、云母等。 次生矿物是由原生矿物经过风化作用后形成的新矿物，如三氧化二铝、三氧化二铁、次生二氧化硅、粘土矿物以及碳酸盐等。,36,PPT课件,2.土的液相 土的液相是指存在于土孔隙中的水。按照水与土相互作用程度的强弱，可将土中水分为结合水和自由水两大类。 结合水是指处于土颗粒表面水膜中的水，它因受到表面引力的控制而不服从静水力学规律，其冰点低于零度。结合水又可分为强结合水和弱结合水。强结合水在最靠近土颗粒表面处，水分子和水化离子排列得非常紧密，以致其密度大于1 g/cm3，并有过冷现象，即温度降到零度以下不发生冻结的现象。在距离土粒表面较远地方的结合水称为弱结合水，由于引力降低，弱结合水的水分子的排列不如强结合水紧密，弱结合水可能从较厚水膜或浓度较低处缓慢地迁移到较薄的水膜或浓度较高处，亦即可从一个土粒迁移到另一个土粒，这种运动与重力无关，这层不能传递静水压力的水定义为弱结合水。,37,PPT课件,自由水包括毛细水和自由水。毛细水不仅受到重力的作用，还受到表面张力的支配，能沿着土的细孔隙从潜水面上升到一定的高度。这种毛细上升对于公路路基土的干湿状态及建筑物的防潮有重要影响。重力水在重力或压力差作用下能在土中渗流，对于土颗粒和结构物都有浮力作用，在土力学计算中应当考虑这种渗流及浮力的作用力。,38,PPT课件,3.土的气相 土的气相是指充填在土的孔隙中的气体，包括与大气连通的和不连通的两类。 与大气连通的气体对土的工程性质没有多大的影响，它的成分与空气相似，当土受到外力作用时，这种气体很快从孔隙中挤出；但是密闭的气体对土的工程性质有很大的影响，密闭气体的成分可能是空气、水汽或天然气。在压力作用下这种气体可被压缩或溶解于水中，而当压力减小时，气泡会恢复原状或重新游离出来。,39,PPT课件,二、土的结构 土的结构是指土粒（或团粒）的大小、形状、互相排列及联结的特征。 土的结构是在成土的过程中逐渐形成的，它反映了土的成分、成因和年代对土的工程性质的影响。土的结构按其颗粒的排列和联结可分为图1-2所示的三种基本类型。,图1-2 土的结构的基本类型,40,PPT课件,1单粒结构 单粒结构是碎石土和砂土的结构特征。其特点是土粒间没有联结存在，或联结非常微弱，可以忽略不计。疏松状态的单粒结构在荷载作用下，特别在振动荷载作用下会趋向密实，土粒移向更稳定的位置，同时产生较大的变形；密实状态的单粒结构在剪应力作用下会发生剪胀，即体积膨胀，密度变松。单粒结构的紧密程度取决于矿物成分、颗粒形状、粒度成分及级配的均匀程度。片状矿物颗粒组成的砂土最为疏松；浑圆的颗粒组成的土比带棱角的容易趋向密实；土粒的级配愈不均匀，结构愈密。 2.蜂窝状结构 蜂窝状结构是以粉粒为主的土的结构特征。粒径在0.020.002 mm左右的土粒在水中沉积时，基本上是单个颗粒下沉，在下沉过程中、碰上已沉积的土粒时，如土粒间的引力相对自重而言已经足够地大，则此颗粒就停留在最初的接触位置上不再下沉，形成大孔隙的蜂窝状结构。,41,PPT课件,3絮状结构 絮状结构是粘土颗粒特有的结构特征。悬浮在水中的粘土颗粒当介质发生变化时，土粒互相聚合，以边-边、面-边的接触方式形成絮状物下沉，沉积为大孔隙的絮状结构。 土的结构形成以后，当外界条件变化时，土的结构会发生变化。例如，土层在上覆土层作用下压密固结时，结构会趋于更紧密的排列；卸载时土体的膨胀（如钻探取土时土样的膨胀或基坑开挖时基底的隆起）会松动土的结构；当土层失水干缩或介质变化时，盐类结晶胶结能增强土粒间的联结；在外力作用下（如施工时对土的扰动或切应力的长期作用）会弱化土的结构，破坏土粒原来的排列方式和土粒间的联结，使絮状结构变为平行的重塑结构，降低土的强度，增大压缩性。因此，在取土试验或施工过程中都必须尽量减少对土的扰动，避免破坏土的原状结构。,42,PPT课件,第二章 土的物理性质 一、三相比例指标的物理意义 土的三相物质在体积和质量上的比例关系称为三相比例指标。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。 推导土的三相比例指标时可采用图2-1所示的三相图。图2-1（c）中土样的体积V为土中空气的体积Va，水的体积Vw和土粒的体积Vs之和；土样的质量m为土中空气的质量ma、水的质量mw和土粒的质量ms之和；由于空气的质量可以忽略，故土样的质量m可用水和土粒质量之和（mwms）表示。,43,PPT课件,图2-1 土的三相图 三相比例指标可分为两种，一种是试验指标；另一种是换算指标。,44,PPT课件,三相比例指标可分为两种，一种是试验指标；另一种是换算指标,45,PPT课件,二.试验指标 通过试验测定的指标有土的密度、土粒密度和含水量。 （1）土的密度 r 土的密度是单位体积土的质量，设土的体积为V，质量为m，则土的密度 r 可由下式表示,土的密度常用环刀法测定，其单位是g/cm3，一般土的密度为1.602.20 g/cm3 。当采用国际单位制计算重力W时，由土的质量产生的单位体积的重力称为重力密度 g ，简称为重度（单位为kN/m3）,即,对天然土求得的密度称为天然密度，相应的重度称为天然重度。,46,PPT课件,（2）土粒密度 rs 土粒密度是干土粒的质量与其体积之比，即,土粒密度也称为比重，其值可由比重试验求得。土粒密度主要取决于土矿物成分，不同土类的土粒密度变化幅度不大，在有经验的地区可按经验值选用。土粒相对密度是指土的质量与4 时同体积水的质量之比，其值与土粒密度相同，但没有单位，在用作土的三相指标计算时必须乘以水的密度值才能平衡量纲。,（3）土的含水量w 土的含水量是土中水的质量 mw 与固体（土粒）质量 ms 之比，由下式表示,含水量通常以百分数表示。含水量常用烘干法测定，它是描述土的干湿程度的重要指标。土的天然含水量变化范围很大，从干砂的含水量接近于零到蒙脱土的含水量可达百分之几百。,47,PPT课件,三.换算指标 除了上述三个试验指标之外，还有六个可以计算求得的指标，称为换算指标，包括土的干密度（干重度）、饱和密度（饱和重度）、有效重度、孔隙比、孔隙率和饱和度。 （1）干密度 rd 干密度是土的固相质量 ms 与土的总体积V 之比，干密度的单位是g/cm3。土的干密度越大，土越密实，强度就越高，水稳定性也好。干密度常用作填土密实度的施工控制指标。 （2）土的饱和密度 rsat 土的饱和密度是当土的孔隙中全部为水所充满时的密度，即全部充满孔隙的水的质量 mw 与固相质量 ms 之和与土的总体积 V 之比，,土的饱和密度的单位是g/cm3。当用干密度或饱和密度计算重力时，也应乘以10变换为干重度或饱和重度。,48,PPT课件,（3） 有效重度g 有效重度是扣除浮力以后的固相重力与土的总体积之比（又称为浮重度），,式中 gw 为水的重度，纯水在 4 时的重度等于9.81kN/m3，在工程上常取为10 kN/m3。在计算地下水位以下土层的自重应力时应当用有效重度。4）土的孔隙比e土的孔隙比是孔隙的体积 Vv 与固相体积 Vs 之比，以小数计，,孔隙比常用来评价土的紧密程度，或从孔隙比的变化推算土的压密程度。,49,PPT课件,（5）土的孔隙率n 土的孔隙率是孔隙的体积 Vv 与土的总体积 V 之比，,（6）土的饱和度Sr 土的饱和度是指孔隙中水的体积 Vw 与孔隙体积Vv 之比，常用百分数表示，即,四.三相指标之间的换算关系 在三相比例指标中，三个试验指标是基本指标，通过试验指标，所有三相比例指标之间可以建立相互换算关系，具体的换算公式可见表2-1。,50,PPT课件,表2-1 土的三相比例指标换算公式,51,PPT课件,52,PPT课件,在实际工程计算中一般是先导出相应的换算公式，然后直接用换算公式计算。,53,PPT课件,五.三相指标测定 (1)土的密度试验 土的密度一般用“环刀法”测定，使用一个圆环（刀刃向下）放在削平的原状土样面上，徐徐削去环刀外围的土，边削边压，使土样压满环刀内，称得环刀内土样质量，求出它与环刀容积之比值即为其密度。 （2）土的含水量试验 土的含水量一般用“烘干法”测定，先称取小块原状土样的湿土质量m，然后置于烘箱内维持100105 烘至恒重，再称出干土质量ms，湿土与干土质量之差为土块中水的质量mw，而土的含水量为,54,PPT课件,(3)土粒密度试验 土粒密度试验一般是采用比重瓶法测定土粒的比重，通过测定干土质量和瓶、水总质量以及瓶、水、试样总质量和悬液温度，由下式计算土粒的比重Gs,式中 mbw为比重瓶、水总质量，g；mbws为比重瓶、水、土总质量，g； GIt为ToC时纯水或中性液体的比重。水的比重可查物理手册；中性液体的比重应实测。 详细的试验步骤请查阅土性指标试验中的比重瓶法比重试验内容。,55,PPT课件,六、砂土的相对密度 砂土的密实程度并不完全取决于孔隙比，而在很大程度上还取决于土的级配情况。粒径级配不同的砂土即使具有相同的孔隙比，但由于颗粒大小不同，颗粒排列不同，所处的密实状态也会不同。为了同时考虑孔隙比和级配的影响，引入砂土相对密实度的概念。当砂土处于最密实状态时，其孔隙比称为最小孔隙比；而砂土处于最疏松状态时的孔隙比则称为最大孔隙比。有关试验标准中规定了一定的方法测定砂土的最小孔隙比和最大孔隙比，然后可按下式计算砂土的相对密实度：,56,PPT课件,从上式可以看出，当砂土的天然孔隙比接近于最小孔隙比时，相对密实度Dr接近于1，表明砂土接近于最密实的状态；而当天然孔隙比接近于最大孔隙比时则表明砂土处于最松散的状态，其相对密实度接近于0。根据砂土的相对密实度可以按表1-4将砂土划分为密实、中密、和松散三种密实度。表2-2砂土密实度划分标准,57,PPT课件,第三章 土的水理性质一、粘性土的稠度1粘性土的状态 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（所谓塑性就是指可以塑成任何形状而不发生裂缝，并在外力解除以后能保持已有的形状而不恢复原状的性质），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。,58,PPT课件,2界限含水量 粘性土从一种状态变到另一种状态的含水量分界点称为界限含水量。流动状态与可塑状态间的分界含水量称为液限wL；可塑状态与半固体状态间的分界含水量称为塑限wp；半固体状态与固体状态间的分界含水量称为缩限ws。 塑限wp是用搓条法测定的。把塑性状态的土在毛玻璃板上用手搓条，在缓慢的、单方向的搓动过程中土膏内的水分渐渐蒸发，如搓到土条的直径为3 mm左右时断裂为若干段，则此时的含水量即为塑限wp。详细的试验操作步骤请查阅滚搓法塑限试验的内容。,59,PPT课件,液限wL可采用平衡锥式液限仪测定。平衡锥重为76 g，锥角为30。试验时使平衡锥在自重作用下沉入土膏，当15 s内正好沉入深度10 mm时的含水量即为液限wL。,60,PPT课件,3.塑性指数与液性指数 （1）塑性指数 可塑性是粘性土区别于砂土的重要特征。可塑性的大小用土处在塑性状态的含水量变化范围来衡量，从液限到塑限含水量的变化范围愈大，土的可塑性愈好。这个范围称为塑性指数 Ip ：,塑性指数习惯上用不带的数值表示。塑性指数是粘土的最基本、最重要的物理指标之一，它综合地反映了粘土的物质组成，广泛应用于土的分类和评价。,61,PPT课件,2）液性指数 液性指数 IL 是表示天然含水量与界限含水量相对关系的指标，其表达式为：,可塑状态的土的液性指数在0到l之间，液性指数越大，表示土越软；液性指数大于1的土处于流动状态；小于0的土则处于固体状态或半固体状态。,粘性土的状态可根据液性指数 IL 分为坚硬、硬塑、可塑、软塑和流塑，见表3-1所示。 表3-1 按塑性指数值确定粘性土状态,62,PPT课件,二、粘性土的抗水性1、粘性土的胀缩性(1)粘性土的胀缩性基本概念 粘性土中含水量的变化不仅引起土稠度发生变化，也同时引起土的体积发生变化。粘性土由于含水量的增加，土体体积增大的性能称为膨胀性；由于含水量的减少，体积减少的性能称为收缩性。这种湿胀干缩的性质，统称为土的胀缩性。膨胀、收缩等特性是说明土与水作用时的稳定程度，故又称土的抗水性。 土的膨胀可造成基坑隆起、坑壁拱起或边坡的滑移、道路翻浆；土体积的收缩时常伴随着产生裂隙，从而增大了土的透水性，降低了土的强度和边坡的稳定性。因此，研究土的胀缩性对工程建筑物的安全和稳定具有重要意义。另外，还可利用细粒土的膨胀特性，将其作为填料或灌浆材料来处理裂隙。,63,PPT课件,(2)、粘性土膨胀性 指标 表征土膨胀性的指标主要有膨胀率、自由膨胀率、膨胀力、膨胀含水量。 膨胀率 原状土在一定压力和有侧限条件下浸水膨胀稳定后的高度增加量与原高度之比，称为膨胀率，用百分率表示。其值愈大，说明土的膨胀性愈强。室内试验是用环刀取土测定的，由于是在有侧限条件下的膨胀，因此测得的膨胀率（线胀率）实际上就是体胀率即膨胀率，表达式为：,64,PPT课件,将一定体积的扰动烘干土样经充分吸水膨胀稳定后，测得增加的体积与原干土体积之比即为自由膨胀率 原始土样的体积不变时，由于浸水膨胀时产生的最大内应力称为膨胀力。某些细粒土的膨胀力可达100kPa以上。 土样膨胀稳定后的含水量称为膨胀含水量，此时扩散层已达最大厚度，结合水含量增至极限状态.,65,PPT课件,( 3).土的收缩性指标 体缩率 土样失水收缩减少的体积与原体积之比，以百分率表示：,线缩率 土样失水收缩减少的高度与原高度之比，以百分率表示：,收缩系数 原状土样在直线收缩阶段，含水量每减少1%时的竖向线缩率.,66,PPT课件,2.粘 性 土 的 崩 解 性 (1)粘性土的崩解性定义:粘性土由于浸水而发生崩解散体的特性称崩解性. (2)粘性土的崩解形式是多种多样的:有的是均匀的散粒状,有的呈鳞片状,碎块状或崩裂状等. (3)崩解现象的产生是由于土水化,使颗粒间连接减弱及部分胶结物溶解而引起的崩解.是表征土的抗水性的指标. (4)评价粘性土的崩解性一般采用下列三个指标: 崩解时间:一定体积的土样完全崩解所需的时间; 崩解特征:土样在崩解过程的各种现象,即出现的崩解形式; 崩解速度:土样在崩解过程中质量的损失与原土样质量之比,和时间的关系,67,PPT课件,三.土的透水性和毛细性 土的透水性就是指水在土孔隙中渗透流动的性能。水在土体孔隙中流动的现象称为渗流。土的渗透问题包括：渗透流量问题，渗透变形（或渗透破坏）问题，渗流控制问题等。 1.土的渗透规律 在层流状态下，土中水的渗流速度与能量损失之间服从线性渗流规律即Darcy定律（法国工程师1856）。该定律认为，渗出水量Q与圆筒过水断面积A和水力梯度I成正比，且与土的透水性质有关，其表达式为：,式中：v-渗透速度（cm/s）；k-渗透系数（cm/s）。,68,PPT课件,断面1,断面2,Q,L,h,H2,H1,O,O,（2）上游置一个稳定的溢水 装置保持稳定水头（3）实验上端进水，下端出水示意流线（4）圆筒中上、下断安装测压管测定两个断面的水头，水头差为h；两断面相距L（5）下端出口测定流量为Q。,达西定律表达式：,达西定律线性渗透定律（Linear Law）实验条件： （1）等径圆筒装入均匀砂样，断面面积,水力学中：,达西定律另一表达式：,69,PPT课件,渗透系数是反映土的透水性能的比例系数，是水力梯度为1时的渗透速度。其物理含义是单位面积单位水力梯度单位时间内透过的水量。土的渗透系数参考表(3-2),图3-1 土的渗透曲线,70,PPT课件,2.土的毛细性 土的毛细性是指存在于土毛细孔隙中的水，在弯液面力的作用下，沿着毛细孔隙向各方向运动的性能。 毛细现象水在毛细孔隙中运动的现象。 土中毛细水主要存在于孔径为 0.0020.5mm的毛细孔隙中。 土的毛细性受土的粒度成分、矿物成分、水溶液的化学成分和浓度、土的结构、气温、蒸发等因素的影响。,71,PPT课件,第四章 土的力学性质一.土的压缩性1、压缩变形的本质 土的压缩性是指土在压力作用下体积压缩变小的性能。 在研究土的压缩变形中假定：土粒与水本身的微小变形可忽略不计，土的压缩变形主要是由于孔隙中的水和气体被排出，土粒相互移动靠拢，致使土的孔隙体积减小而引起的。 土体的压缩变形实际上是孔隙体积压缩，孔隙比减小所致。对于饱和土来说，孔隙中充满着水，土的压缩主要是由于孔隙中的水被挤出引起孔隙体积减小，压缩过程与排水过程一致，含水量逐渐减小。 孔隙水排出，土的压缩随时间而增长的过程，称为土的固结。,72,PPT课件,2、土的压缩试验与压缩定律 (1)压缩