地基与基础教学课件PPT土的物理性质及工程分类.ppt

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1、,教师：於重任,2012年09月,地基与基础 GROUND AND FOUNDATION,建筑学院教研室,第1章,土的物理性质及工程分类,主要内容,香港宝城大厦，该大厦建于香港的某一山坡上，1972年雨季来临时，连续的大暴雨，引起了山坡上残积土软化而滑动。7月18日清晨7点钟左右，数万立方米残积土从山坡上下滑，顷刻之间，宝城大厦被冲毁倒塌。因楼间净距太小，宝城大厦倒塌时，砸毁相邻一幢大楼一角约五层住宅。当时宝城大厦居住着金城银行等银行界人士，当场死亡120人，这起重大伤亡事故极大的震惊。,原因分析：山坡上残积土本身强度较低，加之雨水入渗使其强度进一步大大降低，使得土体滑动力超过土的强度，于是山

2、坡土体发生滑动。,概述,影响,反映,决定,体现,1 土的形成与组成,土是岩石经过风化、剥蚀、破碎、搬运、沉积等过程后在不同条件下形成的自然历史的产物,搬运、沉积,1、土体的生成,风化,生物风化,物理风化,化学风化,矿物成分未变,无粘性土,原生矿物,矿物成分改变,粘性土,次生矿物,风化作用分类,有 机 质,岩石和土的粗颗粒受各种气候因素的影响产生胀缩而发生裂缝,或在运动过程中因碰撞和摩擦而破碎,母岩表面和碎散的颗粒受环境因素的作用而改变其矿物的化学成分，形成新的矿物,动植物活动引起的岩石和土体粗颗粒的粒度或成分的变化,1.2、土的成因类型,“沉积土”基本上是在离我们最近的新生代第四纪（Q）形成的

3、（距今约160万年），因此把土称为“第四纪沉积物”。由于沉积历史不长，尚未胶结岩化，通常是松散软弱的多孔体，与岩石的性质有较大的差别。,土颗粒或粒团的空间排列和相互联结,力学特性,土的结构,重塑土的强度,原状土的强度,土的构造,+,同一土层中物质成分、颗粒大小相近的各部分之间的相互关系的特征,影响,1.3、土的结构和构造,粒间作用力,可否作天然地基,矿物成分,单粒结构,示意图,重力、毛细力,密实的单粒结构是良好的天然地基,原生矿物,指粗砂粒或更粗大的颗粒在水或空气中沉积形成。,粗粒土的结构,松散,密实,1.土的结构,粒间作用力,形成环境,可否作为天然地基,矿物成分,水中的悬浮力、自重力（斥力减

4、小引力增加）,絮状结构(凝聚结构),蜂窝结构(分散结构),示意图,颗粒间的引力、自重力（粒间引力占优势）,淡水中沉积,海水中沉积,次生矿物,次生矿物,注意：天然条件下，可能是多种组合，或者由一种结构过渡向另一种结构。,不可,不可,是指由粉粒（粒径0.0050.075mm）在水中下沉时形的。,是指由粘粒（粒径0.005mm）集合体组成。,细粒土粒结构,颗粒形状,原生矿物 圆状、浑圆状、棱角状次生矿物 针状、片状、扁平状,2.土的构造：是指土体中各结构单元之间的关系，主是从宏观角度研究土的组成，其主要特点是土的成层性和裂缝性。,力学特性,影响,土的构造,通常分散构造土的工程性质最好,是理想地基；结

5、核状构造土的工程性质取决于细粒土部分；裂隙构造土裂隙强度低、渗透性大，土的工程性质最差。,土是由固体颗粒、水和气体组成的三相分散体系。,力学特性,影响,土的结构,土的组成？,1.4、土的三相组成,气相,固相,液相,+,+,构成土骨架，起主体作用,重要影响,土体,次要作用,土体三相组成示意图,1.4.1 土的固体颗粒(固相),固体颗粒的大小和形状,土粒的矿物成分,土的固体颗粒是由大小不等、形状不同的矿物颗粒或岩石碎屑按照各种不同的排列方式组合在一起，构成土的骨架。,物理状态力学性质,土中固体颗粒特点：,物理风化产物，石英、长石、云母等。颗粒粗，为砂、砾组主要成分。,（1）原生矿物,化学风化产物，

6、颗粒细，为粘粒组的主要成分。,（2）次生矿物,化学性质稳定，水稳性强。,颗粒细，比表面积大，活性大，亲水性强。,母岩的矿物成分及风化作用,1、土的矿物成分,决定于,a.粘土矿物,复合的铝硅酸盐晶体，片状。,高岭石：,伊利石：,蒙脱石：,亲水性：,蒙脱石伊利石高岭石,b.倍半氧化物及次生二氧化硅,c.可溶性次生矿物,（3）有机质,蒙 脱 石,粉粒的矿物成分是多样性的，主要是石英和MgCO3、CaCO3等难溶盐的颗粒；,土颗粒的大小和形状 在自然界中存在的土,都是由大小不同的土粒组成的，土的粒径由粗到细逐渐变化时,土的性质相应地发生变化。因此可将大小相近，性质相似的颗粒划归为一组，称为粒组，划分粒

7、组的分界尺寸称为界限粒径。常用200、20、2、0.075、0.005mm把土粒分为六大粒组: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。如下表,粘土的矿物成分主要有粘土矿物、氧化物、氢氧化物和各种难溶盐类，它们都是次生矿物。,2、土的粒组划分,土粒粒组的划分,粒组：其粒径的大小分为若干组别,界限粒径：划分粒组的分界尺寸,概念：,土粒分为六大粒组：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,颗粒级配：以土中各个粒组的相对含量（即各粒组占土粒总重的百分数）表示土中颗粒的组成情况,3、土的颗粒级配,岩土工程勘察规范中的分类法：粒径 2mm的质

8、量超过50%的称为碎石土粒径2mm的质量小于50而 0.075mm的质量超过50%的称为砂土粒径 0.075mm的质量小于50%的定为粉土或粘性土碎石土、砂土和粉土又称为无粘性土,土按颗粒级配的分类,表述方法：粒径级配累积曲线,土的颗粒级配测定方法,测定方法,土的颗粒级配是通过土的颗粒大小分析试验测定的。,筛分法：适用于粒径在0.07560mm 的土,密度计法：适用于粒径小于0.075 mm 的土,筛分法：,将风干、分散的代表性土样通过一套孔径不同的标准筛，充分筛选，将留在各级筛上的土粒分别称重，然后计算小于某粒径的土粒含量。,筛分法（d0.075mm的土）,沉降法（比重计法或移液管法）:,利

9、用不同大小的土粒在水中的沉降速度不同来确定小于某粒径的土粒含量,105.02.01.00.50.250.1,200g,10161824223872,P%958778665536,筛分法原理图,筛分法就是用一套标准筛子如孔直径(mm)：20、10、5.0、2.0、l.0、0.5、0.25、0.1、0.075，将烘干且分散了的200g有代表性的试样倒入标准筛内摇振，然后分别称出留在各筛子上的土重，并计算出各粒组的相对含量，即得土的颗粒级配。密度计法(也称比重计法)：是沉降分析法的一种，另外还有移液管法(也称吸管法)。该两法的理论基础都是依据Stokes(司笃克斯)定律，即球状的细颗粒在水中的下沉速

10、度与颗粒直径的平方成正比,典型颗分级配曲线,沉降分析结果,小于某粒径之土质量百分数P（）,粒径(mm),为了定量的反映土的级配特征，工程中常用以下两个级配指标来评价土的级配优劣。,（1）不均匀系数Cu：,（2）曲率系数Cc：,Cu=d60/d10,Cu10时，表示粒径不均匀，级配良好；Cu5时，表示粒径较均匀，级配不好。Cc的范围大约在13。当Cc1或Cc3时，均表示级配曲线不连续。,结论,d60,d50,d10,d30,特征粒径:d60 控制粒径 d10 有效粒径 d30 中值粒径,不均匀程度：Cu=d60/d10,连续程度:Cc=d302/(d60 d10),粗细程度：用平均粒径d50 表

11、示,连续程度:Cc=d302/(d60 d10)曲率系数,较大颗粒缺少,Cc 减小,较小颗粒缺少,Cc 增大,C c=13,级配连续性好,粒径级配累积曲线及指标的用途：,粒组含量用于土的分类定名；,工程中用不均匀系数Cu评价土的不均匀程度：Cu5,不均匀土；Cu5,均匀土,曲率系数Cc用于判定土的连续程度：Cc=13,级配连续土；Cc3 或Cc1,级配不连续土。,不均匀系数Cu和曲率系数Cc用于判定土的级配优劣：当Cu 5且C c=13 时，为级配良好的土；当Cu 5或Cc 3或Cc 1时,为级配不良的土。,根据土体中水分子受到电场力的作用大小,土体中的液态水主要可以分为:结合水 借助于电分子

12、引力牢固 吸附在土颗粒表面的水自由水 电场引力作用范围之外的水,重力水,毛细水,强结合水,弱结合水,液态水,固态水,气态水,其含量及性质影响土的性质,土中水分类,1.4.2 土中水(液相),1.结合水,强结合水:排列致密、定向性强密度1g/cm3冰点处于零下几十度具有固体的的特性温度高于105C时可蒸发,弱结合水:位于强结合水之外，电场引力作用范围之内外力作用下可以移动不因重力而移动，有粘滞性,土中毛细现象,毛细水,分布在土粒内部相互贯通的孔隙可以看成许多形状不一、直径互异、彼此连通的毛细管,重力水,是位于地下水位以下的土空隙中，能在重力或压力作用下流动。其性质能传递静水压力并产生浮力。,1.

13、自由水,1.4.3 土中气体(气相),土体中的气体是指存于土体空隙中未被水占据的部分,存在形式有两种:,自由气体:与大气相通,对土的性质影响不大,封闭气体:与大气隔绝,增大土体的弹性和压缩性,土体中气体,2土的物理性质指标,土的物理状态粗粒土的松密程度粘性土的软硬状态,土的物理性质指标(三相间的比例关系),力学特性,影响,表示,1.三相草图,土的三相简图,2.1三个基本物理性指标,1.土的重度,范围：1622,环刀法测得,天然状态下，土单位体积的重量，称为土的重度,土的重度取决于土粒的重量，孔隙体积的大小和孔隙中水的重量，综合反映了土的组成和结构特征。对具有一定成分的土而言，结构愈疏松，孔隙体

14、积愈大，重度值将愈小。,3.土粒比重(土粒相对密度),单位:无量纲范围：2.62.8,比重瓶法测得,土粒重度与同体积4时纯水的重度比值。,2.土的含水量,单位:无量纲一般范围：变化范围大,土中水的质量与土粒质量之比，用百分数表示,烘干法、酒精燃烧法,2.2 土的推算指标,1.干重度定义：单位体积土中固体颗粒的重量。物理意义：表示水在孔隙中充满的程度。公式：单位：kN/m3 换算公式：,2.饱和重度定义：土的孔隙中全部充满水时单位体积土的重 量。公式：单位：kN/m3 换算公式：,3.浮重度(有效重度)定义：地下水位以下，土体受水的浮力作用时，扣除水的浮力后单位体积土的重量。公式：单位：kN/m

15、3 换算公式：,4.孔隙比e和孔隙率n,孔隙比e：土中孔隙体积与土粒体积之比,孔隙率n：土中孔隙体积与总体积之比，以百分数表示,5.土的饱和度Sr,土中孔隙水的体积与孔隙总体积之比，以百分数表示,饱和度描述土中孔隙被水充满的程度。干土Sr=0,饱和土Sr=100%。,砂土根据饱和度分为三种状态:,e0.6 低压缩性土 e1.0 高压缩性土,反映土的密度指标有五个：d satds,反映土的湿度指标有两个：sr,反映土的土的孔隙特征有两个：e n,土的天然重度,三个指标最基本物理指标，可直接通过实验测定得出,天然含水量,土的相对密度ds,注:以上9项物理性质指标，其中:,常用的物理性质指标间的换算

16、关系,换算步骤:假设Vs=1(V=1或ms=1),并画出三相草图;:解出各相物质的质量和体积的换算指标;:利用换算指标按基本定义列出所求的物理指标换算公式,已知关系五个:,物性指标是比例关系:可假设任一参数为1,对于饱和土,Va=0剩下两个独立变量,e,e,【例1】某一原状土样，经试验测得的基本指标值如下：重度,含水量，土粒比重。试求孔隙比、孔隙率、饱和度、干重度、饱和重度 以及浮重度。,【解答】,【例2】,某饱和土体积为97，土的重力为1.98N，土烘干后重力为1.64N，求含水量、土粒比重,孔隙比e 和孔隙率n。,水的体积,【解答】,3土的物理状态指标,1无粘性土的密实度,密实状态：有较高

17、的强度和较低的压缩性，是良好的建筑物地基；松散状态：尤其是尤其是细砂和粉砂不仅强度低，且水稳定性很差，容易产生流砂、液化等工程事故。,评价方法 室内测试孔隙比确定相对密度法的方法 利用标准贯入试验等原位测试方法 野外观测方法,特点：,Dr 0 最松状态Dr 0.33疏松状态0.33Dr 0.67中密状态 Dr0.67密实状态Dr=1最密状态,1.1砂土的密实度,相对密度法,e砂土在天然状态下的孔隙比；,砂土在最松散状态下的孔隙比，“松砂器法”测定,砂土在最密实状态下的孔隙比，“振击法”测定。,测定方法1：,按标准贯入实验确定,砂土，也可用天然孔隙比来评定其密实度。但是矿物成分、级配、粒度成分等

18、各种因素对砂土的密实度都有影响，并且在具体的工程中，难于取得砂土原状土样因此，利用标准贯入试验、静力触探等原位测试方法来评价砂土的密实度。,测定方法2：,1.1砂土的密实度,标准贯入试验（Standard Penetration Test）,标准贯入数 N63.5,锤 重：63.5kg,落 距：760mm,打入深度：300mm,1.1砂土的密实度,碎石土更不宜取得原状土样，也难于将贯入器击入其中。对这类土可在现场进行观察,根据其骨架颗粒含量、排列、可挖性及可钻性鉴别。将碎石土分为密实、中密和稍密、松散四种。,1.2碎石土的密实度,0,固态,可塑状态,流动状态,塑限P,液限L,半固态,缩限s,含

19、水量,界限含水量：粘性土由一种状态转到另一种状态时的分界含水量。液限l：流动状态与可塑状态间的分界含水量。塑限p：可塑状态与半固体状态间分界含水量。缩限s：半固体状态与固体状态间的分界含水量。,2粘性土的物理特性,粘性土随含水量变化可改变土的物理形态,界限含水量的测定方法,1、液限L,锥式液限仪测定法：76g锤经5s恰好沉入土10mm所对应的含水量。,碟式液限仪测定法：以2转/秒的速度，使碟子反复起落，坠击底座，当25击V型土槽合拢长度恰好13mm所对应的含水量。,锥式液限仪,碟式液限仪,2、塑限p,滚搓法：将天然湿度的土体在毛玻璃上搓成直径为3mm土条时，土条恰好产生裂缝并开始断裂时的含水量

20、。,液、塑性联合测定法：利用液、塑性联合测定仪同时测定3份不同含水量的同一个土样，得到圆锥下沉深度和含水量关系曲线，则曲线上对应深度为10mm及2mm时土样的含水量就分别为该土的液限和塑限。,圆锥入土深度与含水量关系,测试仪器,粘性土的塑性指数和液性指数,塑性指数的数值大小可反映粘性土可塑范围的大小，塑性指数越大，表明粘性性土粘性和塑性越好（与粘粒含量有关，粘粒含量越多，吸附水的能力越大）；,塑性指数Ip,工程上常用塑性指数作为粘性土与粉土定名分类的依据,缺点：不能充分反映粘土颗粒含量,不同的粘土矿物吸服水的能力不同,细粒土工程分类的依据,注意：仅适用于重塑土,液性指数IL,wp,w,wl,I

21、L1,坚硬状态可塑状态流 态,0.00 0.250.25 0.750.75 1.00,硬塑可塑软塑,反映粘性土天然状态的软硬程度,工程上作为确定粘性土承载力的重要指标,黏性土的灵敏度和触变性,1.粘性土的灵敏度 St,=,原状土,结构性,相同含水量密度,粉碎重塑,重塑土,强度降低,St1-22-44,粘性土低灵敏中等灵敏高灵敏,含水量不变，密度不变，因重塑而强度降低，又因静置而逐渐强化，强度逐渐恢复的现象，称为触变性。土的触变性是土的结构联结形态发生变化引起的，是土微观结构随时间变化的宏观表现。,2.粘性土的触变性,目的：,依据：,判断土（岩）的工程特性 评价土作为建筑材料的适宜性 确定地基的

22、承载力,建筑地基基础设计规范GB500072002土的分类标准GBJ 14590,4地基土的工程分类,1、岩石,按成因分类,岩浆岩,沉积岩,变质岩,按坚硬程度分类,按完整程度分类,2、碎石土,土的名称 颗粒形状 粒组含量,漂石块石,圆形及亚圆形为主棱角形为主,粒径大于200mm的颗粒超过全质量50%,卵石碎石,圆形及亚圆形为主棱角形为主,圆形及亚圆形为主棱角形为主,圆砾角砾,粒径大于20mm的颗粒超过全质量50%,粒径大于2mm的颗粒超过全质量50%,3、砂土,土的名称 粒组含量,粒径大于2mm的颗粒占全质量25-50%,砾砂粗砂中砂细砂粉砂,粒径大于0.5mm的颗粒超过全质量50%,粒径大于

23、0.25mm的颗粒超过全质量50%,粒径大于0.075mm的颗粒超过全质量85%,粒径大于0.075mm的颗粒超过全质量50%,4、粉土,粒径大于0.075mm的颗粒含量小于全质量50%而塑性指数Ip10的土,塑性指数Ip10的土,5、粘性土,10Ip17的土,Ip17的土,粘土,粉质粘土,按沉积年代分类,老粘性土：第四纪晚更新世(Q3)及其以前沉积的粘性土。沉积年代久，工程性质较好；强度较高、压缩性较低。物理力学性质比具有相近物理指标的一般粘性土要好。一般粘性土：第四纪全新世(Q4)(文化期以前)沉积的粘性土。分布面积最广，遇到的也最多，工程性质变化很大。新近沉积的粘性土：文化期以来新近沉积

24、的粘性土，一般为欠固结的土，且强度较低。,按塑性指数分类,粘性土,1.软土,定义：特定地理环境或人为条件下形成的特殊性质的土。分布一般具有明显的区域性。分类：软土、人工填土、湿陷性土、红粘土、膨胀土、多年 冻土、混合土、盐渍土、污染土等。,特点：孔隙比大、天然含水量高、压缩性高、强度低种类：淤泥、淤泥质粘性土、淤泥质粉土,淤泥：天然含水量大于液限，天然孔隙比大于等于1.5的 粘性土 淤泥质土：天然孔隙比小于1.5但大于等于1.0的粘性土。,特殊土,2.人工填土,定义：人工填土是指由人类活动而堆填的土。其物质成分较杂，均匀性较差。分类：根据其物质组成和堆填方式，填土可分为素填土、杂填土和冲填土三

25、类。素填土：由碎石、砂或粉土、粘性土等一种或几种材料组成的其中不含杂质或含杂质很少。按主要组成物质分为碎石素填土、砂性素土、粉性素填土及粘性填土。经分层压实后称为压实填土。杂填土：含大量建筑垃圾、工业废料或生活垃圾等杂物的填土。按组成物质成分和特征分为建筑垃圾土、工业废料土及生活垃圾土。冲填土：由水力冲填泥浆形成的填土。,特殊土,-土体在一定压力下受水浸湿时产生湿陷变形量达到一定数值的土。,-碳酸盐岩系出露的岩石，经红土化作用形成并覆盖于基岩上的棕红、褐黄等色的高塑性粘；上硬下软，明显的收缩性。,-粘粒成分主要由亲水性粘土矿物(以蒙脱石和伊利石为主)所组成的粘性土，在环境的温度和湿度变化时，可

26、产生强烈的胀缩变形,具有吸水膨胀、失水收缩的特性。,3.湿陷性土,4.红粘土,5.膨胀土,特殊土,-土的温度等于或低于摄氏零度，含有固态水且这种状态在自然界连续保持三年或三年以上的土。自然条件改变时，产生冻胀、融陷、热融滑塌.,-主要由级配不连续的粘粒、粉粒、砾粒和巨粒组组成。,-易溶盐含量大于0.5%，且具有吸湿、松胀等特性的土。,-由于外来的致污物质侵入土体而改变了原生性状的土。,6.多年冻土,7.混合土,8.盐渍土,9.污染土,细粒土按塑性图分类,细粒土是指粒组小于0.075mm者超过50 时的土。在塑性图中，以塑性指数IP为纵轴、液限wL横轴。根据细粒土在坐标图上的位置，就可方便地进行细粒土地分类,塑性图分类法,三、例题分析,【例】A、B两种土样，试验结果见表，试确定该土的名称及软硬状态。,【解答】,A 土,因 IP 17，0.25IL0.75，所以该土为黏土，可塑状态：,B 土,因 10IP17，0IL0.25，所以该土为粉质黏土，硬塑状态。,本章小结,