工程地质ppt课件——第四章土的工程性质与分类.ppt
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1、第四章 土的工程性质与分类,从工程的角度考虑问题,主要内容:1.土的组成与结构构造2.土的物理力学性质及其指标3.土的工程分类4.土的成因类型特征5.特殊土的主要工程性质,土,固相,液相,气相,土中颗粒的大小、成分及三相之间的相互作用和比例关系,反映出土的不同性质,第一节 土的组成与结构构造,一.土的粒度成分,(1).土的颗粒级配,工程上将各种不同的土粒按其粒径范围,划分为若干粒组,粒组的划分见书本表1-1.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(即各粒组占土粒总量的百分数)来表示,称为土的颗粒级配,试验方法,筛分法:适用于0.075mmd60mm,比重计法:适用于d0.0
2、75mm,筛分法,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,然后计算其占总土粒质量的百分数,比重计法,利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。,颗粒粒径级配曲线,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,Cu愈大,表示土粒愈不均匀。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
3、,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,二.土的矿物成分,可溶盐类及易分解的矿物:黄铁矿,硫化物和硫酸盐类,1.原生矿物,原生矿物:由岩石经过物理风化形成,其矿物成分与母岩相同,例:石英、云母、长石等,特征:矿物成分的性质较稳定,由其组成的土具有无粘性、透水性较大、压缩性较低的特点,2.次生矿物,次生矿物:岩石经化学风化后所形成的新的矿物,其成分与母岩不相同,特征:性质较不稳定,具有较强的亲水性,遇水易膨胀的特点,3.可溶盐类及易分解的矿物(1).易溶盐(2).中溶盐(3).难溶盐4.有机质 有机质对土的工程性质的影响程度的主要
4、取决因素(P64),三.土中水和气体及其与土粒的相互作用,1.土中的水和气,2.结合水,3.非结合水,(1).毛细水,(2).重力水,四.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。,1.非封闭气体:受外荷作用时被挤出土体外,对土的性质影响不大。,2.封闭气体: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时间.,四.土的结构和构造,1.土的结构,(1).土的结构的定义和分类,(2).单粒结构:粗矿物颗粒在水或空气中在自重作用下沉落形成的单
5、粒结构,其特点是土粒间存在点与点的接触。根据形成条件不同,可分为疏松状态和密实状态,(3).蜂窝结构:颗粒间点与点接触,由于彼此之间引力大于重力,接触后,不再继续下沉,形成链环单位,很多链环联结起来,形成孔隙较大的蜂窝状结构。,(4).絮状结构:细微粘粒大都呈针状或片状,质量极轻,在水中处于悬浮状态。当悬液介质发生变化时,土粒表面的弱结合水厚度减薄,粘粒互相接近,凝聚成絮状物下沉,形成孔隙较大的絮状结构。,2.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。,1.层理构造:土粒在沉积过程中,由于不同阶段沉积的物质成
6、分、颗粒大小或颜色不同,而沿竖向呈现出成层特征。,2.裂隙构造: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。,第二节 土的物理力学性质及其指标,一.土的三相比例指标 土的三相比例关系,反映土的重量性质,含水性和孔隙性等基本物理性质的不同,并随各种条件的变化而改变.指标包括:比重,重度,干重度,饱和重度,浮重度,土的含水量,土的饱和度,土的孔隙率和孔隙比指标的换算关系,土的物理性质指标,1、土的三相图,2、直接测定指标,(1).土的密度:单位体积土的质量,工程中常用重度来表示单位体积土的重力.,重力加速度,近似取10m/s2,(2).土粒相对密度Gs(土粒比重):土粒质量与
7、同体积的4时纯水的质量之比.,土粒相对密度变化范围不大:细粒土(粘性土)一般2.702.75;砂土一般为2.65左右。土中有机质含量增加,土粒相对密度减小.,(3).土的含水量:土中水的质量与土粒质量之比,以百分数表示.(含水率),土的含水量是标志土含水程度的一个重要物理指标。天然土层含水量变化范围较大,与土的种类、埋藏条件及其所处的自然地理环境等有关。,测定方法:通常用烘干法,亦可近似用酒精燃烧法,3、换算指标,(1).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,(2).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=
8、0,饱和土Sr=100%。砂土根据饱和度分为三种状态:,孔隙率n:土中孔隙体积与总体积之比,以百分数表示,Sr50%稍湿;50Sr80%很湿;Sr80%饱和,(3).不同状态下土的密度和重度,饱和密度sat:土体中孔隙完全被水充满时的土的密度,干密度d:单位体积中固体颗粒部分的质量,浮密度:土单位体积内土粒质量与同体积水的质量之差,土的三相比例指标中的质量密度指标共有4个,土的密度,饱和密度sat,干密度d,浮密度(kg/m3),相应的重度指标也有4个,土的重度,饱和重度sat,干重度d,浮重度(kN/m3),4、指标间的换算,质量m,体积V,土的三相指标中,土粒比重Gs,含水量和密度是通过试
9、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:,5、例题分析,【例】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。若土粒的相对密度Gs为2.66,求该土样的含水量、密度、重度、干重度d、孔隙比e、饱和重度sat和有效重度,【解答】,二、无粘性土的紧密状态,土的密实度指单位体积土中固体颗粒的含量。根据土颗粒含量的多少,天然状态下的砂、碎石等处于从紧密到松散的不同物理状态。无粘性土的密实度与其工程性质有着密切关系,1.孔隙比e,孔隙比e可以用来表示砂土的密实度。对于同一种土,当孔隙比小于某一限度时,处于密实状态。孔隙比愈大,土愈松散,2.
10、相对密实度Dr,砂土在天然状态下孔隙比,砂土在最密实状态时的孔隙比,砂土在最松散状态时的孔隙比,当Dr=0时,e=emax,表示土处于最疏松状态;当Dr=1.0时,e=emin,表示土体处于最密实状态,3.按动力触探确定无粘性土的密实度,Dr1/3,疏松状态,1/3Dr2/3,中密状态,2/3Dr1,密实状态,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(GB50007-2002),三、粘性土的物理特征,1.粘性土的稠度状态,稠度是指土的软硬程度或土受外力作用所引起变形或破坏的抵抗能力,是粘性土最主要的物理状态
11、特征,0,固态或半固态,可塑状态,流动状态,塑限P,液限L,粘性土由某一种状态过渡到另一状态的界限含水量称为土的稠度界限.也叫界限含水率.,液塑限测定根据土工试验规程(SL237-007-1999)规定,采用液塑限联合测定仪进行测定。,液塑限联合测定仪,下沉深度为17mm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.粘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,说明:塑性指数的大小取决于土颗粒吸附结合水的能力,即与土中粘粒含量有关。粘粒含量越多,塑性指数就越高,说明:液性指数表征土的天然含水量与界限含水量间的相对关
12、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是粘性土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比,四、土的力学性质,土的压缩性是指土在压力作用下体积缩小的特性,压缩量的组成固体颗粒的压缩土中水的压缩空气的排出水的排出,占总压缩量的1/400不到,忽略不计,压缩量主要组成部分,说明:土的压缩被认为只是由于孔隙体积减小的结果,透水性好,水易于排出,压缩稳定很快完成,透水性差,水不易排出,压缩稳定需要很长一段时间,土的固结:土体在压力作用下,压缩量随时间增长的过程,1、压缩试验,研究土的压缩性大小及其特征的室内试验方法,亦称固结试验,
13、三联固结仪,注意:土样在竖直压力作用下,由于环刀和刚性护环的限制,只产生竖向压缩,不产生侧向变形,(1).压缩仪示意图,(2).e-p曲线,研究土在不同压力作用下,孔隙比变化规律,Vve0,Vs1,Vve,Vs1,土样在压缩前后变形量为s,整个过程中土粒体积和底面积不变,土粒高度在受压前后不变,整理,其中,根据不同压力p作用下,达到稳定的孔隙比e,绘制e-p曲线,为压缩曲线。,e0,p,e,e-p曲线,2、压缩性指标,压缩性不同的土,曲线形状不同,曲线愈陡,说明在相同压力增量作用下,土的孔隙比减少得愈显著,土的压缩性愈高,根据压缩曲线可以得到三个压缩性指标,1.压缩系数a 2.压缩模量Es 3
14、.变形模量E0,曲线A压缩性曲线B压缩性,(1).压缩系数a,土体在侧限条件下孔隙比减少量与竖向压应力增量的比值,p1,p2,e1,e2,M1,M2,e0,e-p曲线,p,e,利用单位压力增量所引起得孔隙比改变表征土的压缩性高低,在压缩曲线中,实际采用割线斜率表示土的压缩性,规范用p1100kPa、p2200kPa对应的压缩系数a1-2评价土的压缩性,a1-20.1MPa-1低压缩性土0.1MPa-1a1-20.5MPa-1中压缩性土 a1-20.5MPa-1高压缩性土,(2).压缩模量Es,土在侧限条件下竖向压应力与竖向总应变的比值,或称为侧限模量,说明:土的压缩模量Es与土的的压缩系数a成
15、反比,Es愈大,a愈小,土的压缩性愈低,(3).变形模量E0,土在无侧限条件下竖向压应力与竖向总应变的比值。,变形模量与压缩模量之间关系,其中,土的泊松比,一般00.5之间,(4).土的回弹与再压缩,a,d,b,1.土的卸荷回弹曲线不与原压缩曲线重合,说明土不是完全弹性体,其中有一部分为不能恢复的塑性变形2.土的再压缩曲线比原压缩曲线斜率要小得多,说明土经过压缩后,卸荷再压缩时,其压缩性明显降低,3、土的抗剪强度,(1)、库仑定律,1776年,库仑根据砂土剪切试验,f=tan,砂土,后来,根据粘性土剪切试验,f=c+tan,粘土,c,库仑定律:土的抗剪强度是剪切面上的法向总应力 的线性函数,c
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