土力学基地及基础(陈兰云).ppt

1 土的物理性质及工程分类,1.1土的成因与组成 1.2土的物理性质指标1.3土的压实及最优含水量1.4土的物理状态指标及地基土（岩）的工程分类,普通高等教育“十一五”国家级规划教材,主要内容,教学目标,知道土的成因与组成，熟悉土的物理性质指标熟悉土的物理状态指标，能正确的对土进行分类,重 点,土的组成土的物理性质指标土的压实及最优含水量土的物理状态指标及地基土（岩）的工程分类,难 点,土的物理性质指标土的物理状态指标及地基土（岩）的工程分类,1.1土的成因与组成,岩石,风化（物理、化学、生物）作用,岩石破碎、化学成分改变,搬运沉积,大小、形状和成分都不相同的松散颗粒集合体（土）,主要成因类型,残积物,1.1.1土的成因,坡积物,洪积物,冲积物,图1-1 河谷横断面图,1.1.2土的组成,在天然状态下，自然界中的土是由固体颗粒、水和气体组成的三相体系。固体颗粒构成土的骨架，骨架之间贯穿着孔隙，孔隙中充有水和气体，因此，土也被称为三相孔隙介质。,土,固相,液相,气相,土的三相比例不同，土的状态和工程性质也不相同。若土位于地下水位线以下，土中孔隙全部充满水时，称为饱和土；当土中孔隙没有水时，则称为干土；土中孔隙同时有水和气体存在时，称为非饱和土（湿土）。,1土的固体颗粒,土的固体颗粒即为固相。土粒的大小、形状、矿物成分以及大小搭配情况对土的物理力学性质有明显影响。,自然界中的土都是由大小不同的土颗粒组成。土颗粒的大小与土的性质密切相关。粒径大小在一定范围内的土，其矿物成分及性质都比较相近。因此，可将土中各种不同粒径的土粒，按适当的粒径范围，分为若干粒组，各个粒组的性质随分界尺寸的不同而呈现出一定质的变化。划分粒组的分界尺寸称为界限粒径。我国习惯把土粒分为六大粒组:漂石(块石)、卵石（碎石）、圆粒（角砾）、砂粒、粉粒和黏粒。,为了表示土粒的大小及组成情况，通常以土中各个粒组的相对含量（各个粒组占土粒总量的百分数）来表示，称为土的颗粒级配。,表1-1 粒组划分标准,确定各个粒组相对含量的颗粒分析试验方法,适用粗颗粒土，一般用于粒径小于等于60mm，大于0.075mm的土。它是用一套孔径不同的筛子，按从上至下筛孔逐渐减小放置。将事先称过质量的烘干土样过筛，称出留在各筛上的土质量，然后计算占总土粒质量的百分数。,试验器具,筛分法,密度瓶法,适用于细颗粒土，一般用于粒径小于0.075mm的土粒质量占试样总质量的10%以上的土。,密度瓶法,图1-2 颗粒级配曲线,纵坐标表示小于某粒径的土粒含量百分比,横坐标表示土粒的粒径(对数坐标）。,颗粒粒径级配曲线,颗粒级配的描述,工程上常用不均匀系数Cu描述颗粒级配的不均匀程度,d10、d30、d60小于某粒径的土粒含量为10%、30%和60%时所对应的粒径,工程上把Cu5的土视为级配不良的土；Cu10的土视为级配良好的土,曲率系数Cc描述颗粒级配曲线整体形态，表明某粒组是否缺失情况,对于砾类土或砂类土，同时满足Cu5和Cc=13时，定名为良好级配砂或良好级配砾,土中水与土颗粒之间的相互作用对土的性质影响很大，而且土颗粒越细影响越大。土中液态水主要有结合水和自由水两大类。（1）结合水：是指由土粒表面电分子引力吸附的土中水。（2）自由水：是指存在于土粒电场范围以外的水，自由水又可分为毛细水和重力水。,2土中水,3.土中气体,土中气体存在于土孔隙中未被水占据的部分，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。,非封闭气体,封闭气体,受外荷作用时被挤出土体外，对土的性质影响不大,受外荷作用，不能逸出，被压缩或溶解于水中，压力减小时能有所复原，对土的性质有较大的影响，使土的渗透性减小，弹性增大和延长土体受力后变形达到稳定的历时,1.1.3 土的结构,土的结构是指由土粒单元的大小、形状、表面特征、相互排列及其联结关系等因素形成的综合特征。,单粒结构a）疏松状态 b）紧密状态,蜂窝状结构,絮状结构,1.1.4土的构造,土的构造是指土体中各结构单元之间的关系。主要特征是土的成层性和裂隙性,即层理构造和裂隙构造，二者都造成了土的不均匀性。,层理构造,土体被许多不连续的小裂隙所分割,在裂隙中常充填有各种盐类的沉淀物。,土粒在沉积过程中,由于不同阶段沉积的物质成分、颗粒大小或颜色不同,而沿竖向呈现出成层特征。,裂隙构造,1.1.5土的特性,土与钢材、混凝土等连续介质相比，具有以下特性,高压缩性,由于土是一种松散的集合体，土的压缩性远远大于钢筋和混凝土等。,强渗透性,土的渗透性远比其他材料大。特别是粗粒土具有很强的渗透性。,低承载力,土的抗剪强度较低，而土体的承载力实质上取决于土的抗剪强度，故土的承载力较低。,1.2 土的物理性质指标,1.2.1土的三相图,质量m,体积V,1.2.2基本指标,土的三相比例指标中有三个指标可用土样进行试验测定，称为基本指标，也称为试验指标。,基本指标,土的密度和重度,土粒比重（土粒相对密度）ds,土的天然含水量w,土的密度和重度,单位体积内土的质量称为土的密度；单位体积内土的重量称为土的重度。,=m/V（1-3）,=g（1-4）,天然状态下土的密度变化范围比较大，一般黏性土=1.82.0g/cm3,砂土=1.62.0g/cm3。黏性土的密度一般用“环刀法”测定。,土粒比重（土粒相对密度）ds,土中固体矿物的质量与土粒同体积4 oC纯水质量的比值，称为土粒比重（无量纲）。,ds=ms/Vsw=s/w（1-5）,ds的变化范围不大，常用比重瓶法测定，取决于土的矿物成分。黏性土的ds一般在2.722.75；粉土一般在2.702.71;砂土一般在2.652.69。,土的天然含水量w,土中水的质量与土粒质量之比（用百分数表示），称为土的含水量。,w=mw/ms 100%（1-6）,含水量是标志土的湿度的一个重要物理指标。天然土层的含水量变化范围很大，它与土的种类、埋藏条件及其所处的自然地理环境等有关。同一类土，含水量越高，则土越湿，一般来说也就越软。,1.2.3 换算指标,1.干密度d和干重度d,干密度d：单位体积内土颗粒的质量。,2土的饱和密度sat和饱和重度sat：饱和密度是指土中孔隙完全充满水时，单位体积土的质量；饱和重度是指土中孔隙完全充满水时，单位体积内土的重量。,sat=（ms+Vvw）/V,干重度d：单位体积内土颗粒的重量。,d=ms/V,sat=satg,d=dg,3土的有效密度和有效重度,=（ms-Vsw）/V,g=g,土的有效密度是指在地下水位以下，单位土体积中土粒的质量扣除土体排开同体积水的质量；土的有效重度是指在地下水位以下，单位土体积中土粒所受的重力扣除水的浮力。,4.土的孔隙比e和孔隙率n,孔隙比为土中孔隙体积与土粒体积之比，用小数表示；孔隙率为土中孔隙体积与土的总体积之比，以百分数表示。,e=Vv/Vs,n=（Vv/V）100%,孔隙比是评价土的密实程度的重要物理性质指标。一般孔隙比小于0.6的土是低压缩性的土，孔隙比大于1.0的是高压缩性的土。土的孔隙率也可用来表示土的密实程度。,5土的饱和度Sr,土中水的体积与孔隙体积之比，称为土的饱和度，以百分率表示。,Sr=（Vw/Vv）100%,饱和度用作描述土体中孔隙被水充满的程度。干土的饱和度Sr=0%，当土处于完全饱和状态时Sr=100%。根据饱和度，土可划分为稍湿、很湿和饱和三种湿润状态：,Sr50%稍湿50%Sr80%很湿Sr80%饱和,指标间的换算,质量m,体积V,土的三相指标中，土粒比重ds，含水量w和密度是通过试验测定的，可以根据三个基本指标换算出其余各指标,推导：,换算关系式：,【例1-1】某土样经试验测得体积为100cm3，湿土质量为187g，烘干后，干土质量为167g。若土粒相对密度ds为2.66，试求该土样的含水量w、密度、重度、干重度d、孔隙比e、饱和度Sr、饱和重度sat和有效重度。,【解答】,w=mw/ms 100%=(187-167)100%/167=11.98%=m/V=187/100=1.87 g/cm3=g=1.8710=18.7 kN/m3d=dg=msg/V=16710/100=16.7 kN/m3e=ds(1+w)w/-1=2.66(1+0.1198)/1.87-1=0.593Sr=w ds/e=0.11982.66/0.593=0.537=53.7%sat=(ds+e)w/(1+e)=(2.66+0.593)10/(1+0.593)=20.4 kN/m3=(ds-1)w/(1+e)=sat-w=20.4-10=10.4 kN/m3,1.3土的压实及最优含水量,在工程实践中，对垫层的碾压质量的检验，是要求能获得填土的最大干密度dmax，与之相对应的制备含水量为最优含水量。其最大干密度可用室内击实实验确定。,击实试验的操作步骤如下:,1.将代表性的风干或在低于60 oC温度下烘烤干的土样放在橡皮板上用木碾碾散，过5mm筛，拌匀备用。2.测定土样风干含水量，按土的塑限估计其最优含水量，按依次相差约2%的含水量制备一组（不少于5个）试样，其中有两个大于和小于最优含水量，计算所需加水量。3.按预定含水量制备试样。称取土样，每个约2.5kg，平铺于一不吸水的平板上，用喷水设备往土样上均匀喷洒预定的水量，稍静置一段时间再装入塑料袋内或密封盛样器内浸润备用。浸润时间对高塑性黏土不得少于一昼夜，对低塑性黏土可酌情缩短，但不少于12h。,4.将直径9.125cm，高15cm的击实筒放在坚实地面上，将制备好的试样600800g（其数量应使击实后的试样略大于筒高的1/3）倒入筒内，整平其表面，并用圆木板稍加压紧，然后用锤（锤重2.5kg，锤底直径5cm）进行击实，锤击时锤应自由铅直落下，落距46cm，对砂土和粉土，每层为20击，对粉质黏土和黏土，每层为30击。锤迹必须均匀分布于土面。然后安装套环，把土面刨成毛面，重复上述步骤进行第二层及第三层的击实，击实后超出击实筒的余土高度不得大于10mm。5.用修土刀沿套环内壁削挖后，扭动并取下套环，齐筒顶细心削平试样，拆除底板。6.用推土器推出击实筒内试样，从试样中心处取2个各约1530g土样测定其含水量。7.按46步骤重复进行其他不同含水量试样的击实试验。,图1-7 砂土和黏土的压实曲线,计算上述五个不同含水量w试样的五个相应干密度d，以干密度为纵坐标，含水量为横坐标，绘制d和w关系曲线，如图1-7所示。在曲线上，d的峰值即为最大干密度dmax，与之相对应的制备含水量为最优含水量wop。,图1-8 压实功能对压实曲线的影响,在室内击实试验时，根据不同的锤击数得到的干密度，可绘制数条d-w关系曲线（见图1-8）及各锤击数下最大干密度的轨迹ab。,1.4 土的物理状态指标及地基土（岩）的工程分类,1.4.1 无黏性土的密实度,砂土、碎石土统称为无黏性土。无黏性土的密实度与其工程性质有着密切的关系，呈密实状态时，强度较高，压缩性较小，可作为良好的天然地基；呈松散状态时，则强度较低，压缩性较大，为不良地基。,判别砂土密实状态的指标,孔隙比e,相对密度Dr,动触探确指标,孔隙比e,采用天然孔隙比的大小来判断砂土的密实度，是一种较简便的方法。一般当e小于0.6时，属密实的砂土,是良好的天然地基。当e大于0.95时，为松散状态，不宜作天然地基。这种方法的不足之处是没有考虑级配对砂土密实度的影响，有时较疏松的级配良好的砂土比较密的颗粒均匀的砂土孔隙比要小。另外对于砂土取原状土样来测定孔隙比存在困难。,相对密度Dr,当砂土处于最密实状态时，其孔隙比称为最小孔隙比emin；而当砂土处于最疏松状态时的孔隙比则称为最大孔隙比emax；砂土在天然状态下的孔隙比用e表示，相对密度Dr用下式表示：,砂土在最松散状态时的孔隙比,砂土在天然状态下孔隙比,砂土在最密实状态时的孔隙比,用相对密度Dr判定砂土密实度的标准如下：,0Dr 0.33 松散0.33Dr0.67 中密0.67Dr1 密实,按动触探确定无黏性土的密实度,在实际工程中，天然砂土的密实度，可按原位标准贯入试验的锤击数N进行评定。天然碎石土的密实度，可按原位重型圆锥动力触探的锤击数N63.5进行评定。地基规范分别给出了判别标准，见表1-3。,表1-3 砂土和碎石土密实度的评定,1.4.2 黏性土的物理特征,黏性土在干燥时很坚硬，呈固态或半固态；随着土中含水量的增加，黏性土逐渐变软，可以揉搓成任何形状，呈可塑态；当土中的含水量过多时，可形成会流动的泥浆，呈液态。土的相应承载力也逐渐降低，说明黏性土的工程特性与土的含水量有很大关系。,0,固态或半固态,可塑状态,流动状态,塑限P,液限L,我国一般用锥式液限仪测定液限，塑限一般用搓条法测定。液、塑限的测定方法也可用光电式液、塑限仪联合测定。,1.黏性土的界限含水量,液塑限联合测定仪,下沉深度为10mm所对应的含水量为液限;下沉深度为2mm处所对应的含水量为塑限。,2.黏性土的塑性指数和液性指数,塑性指数IP是液限和塑限的差值(省去%)，即土处在可塑状态的含水量变化范围,塑性指数的大小取决于土颗粒吸附结合水的能力,即与土中黏粒含量有关。黏粒含量越多,塑性指数就越高。,液性指数表征土的天然含水量与界限含水量间的相对关系。当IL0时,P,土处于坚硬状态;当IL1时,L,土处于流动状态。根据IL值可以直接判定土的软硬状态。,液性指数IL是黏性土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比,表1-4 黏性土状态的划分,【例1-2】某工程的土工试验成果见表1-5。表中给出了同一土层三个土样的各项物理指标，试分别求出三个土样的液性指数,以判别土所处的物理状态。,表1-5 土工试验成果表,（1）土样1-1:IP=wL wP=34.8%20.9%=13.9%IL=(wwP)/IP=(29.520.9)/13.9=0.62由表1-4可知，土处于可塑状态；（2）土样2-1:IP=wL wP=37.3%25.8%=11.5%IL=(w-wP)/IP=(30.125.8)/11.5=0.37 由表1-4可知，土处于可塑状态；（3）土样3-1:IP=wL wP=35.6%23.8%=11.8%IL=(wwP)/IP=(27.523.8)/11.8=0.31 由表1-4可知，土处于可塑状态。综上可知，该土层处于可塑状态。,【解答】,1.4.3 地基土（岩）的工程分类,分类的目的：,土的分类体系就是根据土的工程性质差异将土划分成一定的类别，目的在于通过通用的鉴别标准，便于在不同土类间作有价值的比较、评价、积累以及学术与经验的交流,分类原则：,1.分类要简明，既要能综合反映土的主要工程性质，又要测定方法简单，使用方便,2.土的分类体系所采用的指标要在一定程度上反映不同类工程用土的不同特性,分类体系与方法,分类体系：,1.建筑工程系统分类体系,2.工程材料系统分类体系,侧重把土作为建筑地基和环境，研究对象为原状土，例如：建筑地基基础设计规范(GB50007-2002)地基土分类方法。,侧重把土作为建筑材料，用于路堤、土坝和填土地基工程。研究对象为扰动土，例如：土的分类标准(GBJ145-90)工程用土的分类和公路土工试验规程(JTJ051-93)土的工程分类。,建筑地基基础设计规范分类方法：,地基土（岩）可分为岩石、碎石土、砂土、粉土、黏性土、人工填土等六大类。,1岩石 岩石是天然形成的，颗粒间牢固联结、呈整体或具有节理裂隙。岩石作为工程地基和环境可按下列原则分类。,(1)岩石按坚固性可以划分为硬质岩石和软质岩石（见表1-6）。,表1-6 岩石坚固性的划分,(2)岩石按风化程度可划分为微风化、中等风化、强风化（见表1-7）。,表1-7 岩石按风化程度分类,2碎石土 粒径大于2mm的颗粒含量超过总质量的50%的土，称为碎石土。碎石土的划分标准见表1-8。碎石土按密实度可分为密实、中密、稍密三种类型。,表1-8 碎石土的分类,3.砂土 粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重的50%，且粒径大于0.075mm的颗粒超过全重的50%的土称为砂土。砂土的分类标准见表1-9。,表1-9 砂土的分类,4.粉土 粉土为粒径大于0.075mm的颗粒质量不超过全部质量的50%，且塑性指数等于或小于10 的土。粉土的颗粒级配中0.050.1mm和0.0050.05mm的粒组占绝大多数，水与土粒之间的作用明显不同于黏性土和砂土，其性质介于黏性土和砂土之间。,5.黏性土 塑性指数IP 大于10的土为黏性土。黏性土根据塑性指数的大小可分为黏土、粉质黏土（见表1-10）。黏性土的状态可按表1-4划分为坚硬、硬塑、可塑、软塑和流塑状态。,表1-10 黏性土的分类,6.人工填土 人工填土是指由于人类活动而形成的堆积物。其物质成分较杂乱，均匀性较差，作为地基应注意其不均匀性。人工填土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)素填土是由碎石土、砂土、粉土、黏性土等一种或几种材料组成的填土，其中不含杂质或杂质很少。压实填土指经过压实或夯实的素填土。(2)杂填土为含有建筑垃圾、工业废料、生活垃圾等杂物的填土。(3)冲填土为由水力冲填泥砂形成的填土。,结束！谢谢大家！,