《地基与基础 》PPT课件.ppt
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1、第一章土的物理性质及工程分类,第一节土的构成及其构造 第二节土的物理性质指标 第三节土的物理状态指标 第四节土的压实性与渗透性 第五节地基岩土的工程分类 第六节岩土的野外鉴别方法,第一节土的构成及其构造,一、土的成因 岩石经过风化、剥蚀、搬运、沉积等过程后,所形成的各种疏松的沉积物,在建筑工程上都称之为“土”。这是土的狭义概念。土的广义概念是将整体岩石也包括在内,但人们一般都使用土的狭义概念。风化作用与气温变化、雨雪、山洪、风、空气、生物活动等(也称为外力地质作用)密切相关,一般分为物理风化、化学风化和生物风化三种。由于气温变化,岩石胀缩开裂、崩解为碎块的属于物理风化。这种风化作用只改变颗粒的
2、大小与形状,不改变矿物成分,形成的土颗粒较大,称为原生矿物。由于水溶液、大气等因素的影响,使岩石的矿物成分不断溶解水化、氧化、碳酸盐化引起岩石破碎的属于化学风化。这种风化作用使岩石的矿物成分发生改变,土的颗粒变得很细,称为次生矿物。由于动、植物的生长使岩石破碎的属于生物风化,这种风化作用具有物理风化和化学风化的双重作用。,下一页,返回,第一节土的构成及其构造,由于成土过程各环节交错反复,成土的自然地理环境复杂多样,因此,土的类型与性质是千差万别的。但是在大致相同的地质年代及相似的沉积条件下形成的堆积物往往在成分及性质卜是相沂的十的性质一方而取决干原始沉积条件所决宁的十粒成分、结构、石隙中水溶液
3、的性质等,另一方面也取决于沉积以后的经历,如沉积年代的长短、自然地理条件的变迁等都可引起原始沉积物的成分或性质的某些改变。一般沉积年代越为久远,上覆土层重量越大,土压得越密实,由孔隙水中析出的化学胶结物也就越多。因此,老土层比新土层的强度、变形模量要高,甚至由散粒体经过成岩作用又变成整体岩石,如砂土成为砂岩,黏土变成页岩等。日前所见到的土大都是第四纪沉积层,一般都呈松散状态。但第四纪是由距今一百万年前开始的一个相当长的时期,第四纪早期沉积的土和近期沉积的土,在性质上就有着相当大的区别。这种影响,对钻性土尤为明显。,上一页,下一页,返回,第一节土的构成及其构造,建筑工程中将土(岩石除外)分为儿大
4、类,即碎石土、砂土、粉土、黍占性土和人工填土。碎石和砂土统称为无钻性土。粉土是既不同于钻性土,又有别于砂土,介乎二者之间的土。不同的自然地理环境对土的性质也有很大影响。我国沿海地区的软土、严寒地区的永冻土、西北地区的湿陷性黄土、西南亚热带的红钻土等除具有一般土的共性外,还具有自己的特点。二、土的组成 土是由固体颗粒、水和气体组成的三相分散体系。固体颗粒构成土的骨架,是三相体系中的主体,水和气体填充土骨架之间的空隙,土体三相组成中每一相的特性及三相比例关系都对土的性质有显著影响。(一)土的固体颗粒 1.土的粒径级配,上一页,下一页,返回,第一节土的构成及其构造,为厂便于研究,将土粒按大小及性质的
5、不同,划分成若干粒组。土的颗粒越小,与水的相互作用就越强烈。粗颗粒和水之间儿乎没有物理化学作用,而粒径小于0.005 mm的钻粒和胶粒就受水的强烈影响,遇水时出现钻性、可塑性、膨胀性等粗颗粒所不具有的诸种特性。很显然,土中所含的各个粒组的相对含量不同,表现出来的土的性质也就不同。工程中常用的粒径分析法有筛分法(适用于粒径大于0.074 mm的土)与比重计法(适用于粒径小于0.074 mm的土)两种。如土中同时含有粒径大于和小于0.074 mm的土粒时,则两种方法并用。颗粒分析的结果常用如图1-1所示的粒径级配曲线表示。图中的纵坐标表示小于某粒径的土粒占土总重的百分比,横坐标表示粒径。粒径级配曲
6、线可以对土的颗粒组成给以明确的概貌,如由曲线2可以看出,所试验的土样含劲粒44%,粉粒36%,砂粒20%。,上一页,下一页,返回,第一节土的构成及其构造,若级配曲线平缓,表示土中各种大小的土粒都有,颗粒不均匀,级配良好;曲线陡峻则表示土粒均匀,级配不好。具体可用不均匀系数K,来衡量。Ku=d60/d10(1-1)式中d60-限定粒径,土中小于该粒径的颗粒重占土总重的60%;d10-有效粒径,土中小于该粒径的颗粒重占土总重的10%。工程上把Ku5的土看做是级配均匀;Ku10的土看做是级配良好,土中的大孔隙可为细颗粒所填充,因而适于用作填方土料及混凝土工程的砂石料。2.土粒的矿物成分 土粒的矿物成
7、分决定于母岩的矿物成分及风化作用。粗大的土粒往往是岩石经物理风化作用形成的原生矿物,其矿物成分与母岩相同,常见的如石英、长石、石母等,一般砾石、砂等都属此类。这种矿物成分的性质较稳定,由其组成的土表现出无钻性、透水性较大、压缩性较低等性质。,上一页,下一页,返回,第一节土的构成及其构造,细小的土粒主要是岩石经化学风化作用形成的次生矿物,其矿物成分与母岩完全不同,如钻土矿物的蒙脱石、伊利石、高岭石等。次生矿物性质不稳定,具有较强的亲水性,遇水膨胀,脱水收缩。上述三种钻土矿物的亲水性依次减弱,蒙脱石最强,伊利石次之,高岭石最弱。(二)土中的水 1.结合水 这部分水是借土粒的电分子引力吸附在土粒表面
8、上的水,对土的工程性质影响极大。由于土粒与其周围介质(包围它的气体或液体)间发生物理化学变化,使土粒表面带电(多为负电),并在周围的空间内形成电场,将介质中的水分子为极性分子,如图1-2(a)所示及游离阳离子吸附于表面,从而形成结合水膜,如图1-2(b)所示。2.自由水 这种水处于土粒的电分子吸力以外,受重力法则控制,不能抗剪,密度在1左右。,上一页,下一页,返回,第一节土的构成及其构造,自由水又分两种:位于地下水位以下的水叫重力水,因为它仅受本身的重力作用而运动;位于地下水位以上的水,除重力外还受毛细作用,称为毛细水。土粒间的孔隙是互相连通的,地下水沿着这个不规则的通道上升,形成土中的毛细水
9、上升带。毛细水的上升高度:碎石土一无(一般认为粒径大于2 mm的土粒无毛细现象);砂土2 m以下;粉土及黍占性土2m以上。(三)土中的气体 土中的气体存在于土孔隙中未被水占据的部位。在粗粒的沉积物中有与大气相联通的空气,它对土的力学性质影响不大。在细粒土中则有与大气隔绝的封闭气泡,使土在外力作用下的弹性变形增加,透水性减小。对于淤泥和泥炭等有机质土,由于微生物(嫌气细菌)的分解作用,在土中蓄积厂某种可燃气体(如硫化氢、甲烷等),使土层在自重作用下长期得不到压密,而形成高压缩性土层。,上一页,下一页,返回,第一节土的构成及其构造,三、土的结构和构造(一)土的结构 1.单粒结构 单粒结构(图1-3
10、)为碎石土和砂土的结构特征,这种结构是由土粒在水中或空气中自重下落堆积而成的。因土粒尺寸较大,粒间的分子引力远小于土粒自重,故土粒间儿乎没有相互联结的作用,是典型的散粒状物体,简称散体。单粒结构可分为疏松的与紧密的结构。前者颗粒间的孔隙大,颗粒位置不稳定,不论在静载或动载作用下都很容易错位,产生很大下沉,在振动作用下尤甚(体积可减少20%)。因此疏松的单粒结构未经处理不宜作为地基。紧密的单粒结构的颗粒排列已接近最稳定的位置,在动、静荷载作用下均不会产生较大下沉,是比较理想的天然地基。2.蜂窝结构,上一页,下一页,返回,第一节土的构成及其构造,蜂窝结构(图1-4)多为颗粒细小的钻性土所具有的结构
11、形式,有时粉砂也可能有。据研究,粒径在0.002 0.02 mm之间的土粒在水中沉积时,基本是单个土粒下沉,在下沉途中碰上已沉积的土粒时,由于土粒间的相互分子引力对自重而言已经足够大,因此土粒就停留在最初的接触点上不再下降,而形成很大孔隙的蜂窝状结构。3.絮状结构 絮状结构(图1-5)是颗粒最细小的钻性土所特有的结构形式。粒径小于0.002 mm的土粒能够在水中长期悬浮,不因自重而下沉。当在水中加人某些电解质后,颗粒间的排斥力削弱,运动着的土粒凝聚成絮状物下沉,形成类似蜂窝而孔隙很大的结构,称为絮状结构。(二)土的构造,上一页,下一页,返回,第一节土的构成及其构造,土的构造是指土体中各结构单元
12、之间的关系,其主要特点是土的成层性和裂隙性。成层性是指土粒在沉积过程中,由于不同阶段沉积的物质成分、颗粒大小等不同,沿竖向呈现出成层特征;裂隙性是指土体被许多不连续的小裂隙所分割,破坏厂土的整体性,强度低,渗透性高,工程性质差。有些坚硬和硬塑状态的钻性土具有此种构造。土的构造类型见表1-1。,上一页,返回,第二节土的物理性质指标,一、土的三相图 土是固、液、气三相的分散系。土中三相组成的比例指标反映着土的物理状态,如干燥或潮湿,疏松或紧密。这些指标是最基本的物理性质指标,它们对于评价土的工程性质具有重要的意义。土的三相本来是混合分布的,但为厂阐述和标记的方便,将三相的各部分集合起来,画出土的三
13、相示意图,如图1-10所示。图中各符号意义为:V一土的总体积;Vs一土中固体颗粒的体积;Vv一土中孔隙的体积;Vw一土中水所占的体积;,下一页,返回,第二节土的物理性质指标,Va一土中气体所占的体积;W一土的总重量;Ws一土中固体颗粒的重量;Ww一土中水的重量;Wa一土中气体的重量(一般认为Wa=0)。二、土的主要物理指标(一)土的饱和密度和饱和重度 土的饱和密度是指当土的孔隙中充满水时,土中的固体颗粒和水的质量之和与土样的总体积之比,用符号 表示:(1-2)土的饱和重度为:(1-3),上一页,下一页,返回,第二节土的物理性质指标,式中-土的饱和密度;-土的饱和重度;ms-固体部分质量,g-重
14、力加速度。(二)土的浮密度和浮重度 地下水位以下的土,其固体颗粒受到重力水的浮力作用,去固体颗粒排开水的质量(即扣去浮力)与土样的总体积之比,称浮密度,用符号 示:(1-4)土的浮重度为:(1-5)从浮密度和浮重度的定义可知:(1-6)(1-7),上一页,下一页,返回,第二节土的物理性质指标,(三)土的干密度和干重度 土的干密度是土中的固体部分质量与土样总体积之比或土单位体积内的干土质量,用符号 表示:(1-8)土的干重度为:(1-9)式中-土的干密度;-土的干重度。(四)土粒相对密度土粒相对密度是土粒质量与同体积的水(在4oC时)的质量之比,用符号ds表示:(1-10),上一页,下一页,返回
15、,第二节土的物理性质指标,式中ms、mw-固体、水的质量;Vs-固体的体积;-土粒密度(在4oC时);-水的密度(在4oC时)。(五)天然土的密度天然土的密度是土样的总质量与其总体积之比,用符号 表示:(1-11)m、V如图1-11所示。(1-12),上一页,下一页,返回,第二节土的物理性质指标,式中w-土的天然含水量;e-土的孔隙比;V-土样的总体积,V=Vs十Vv,Vv为土中孔隙的体积,Vv=Vw十Va,Vw、Va分别为水、气体的体积;M-土样的总质量,m=ms+mw+ma,其中ms为固体的质量,mw为水的质量,ma为气体的质量,ma可忽略。其他符号意义同前。(六)土的天然含水量 在天然状
16、态下,土中含水的质量(或重量)与土粒的质量(或重量)之比,称为土的天然含水量,用符号二并用百分数表示:(1-13)式中,ms-土中固体部分的质量(重量)。,上一页,下一页,返回,第二节土的物理性质指标,(七)孔隙比孔隙比是土中孔隙体积与固体颗粒体积之比,用符号e表示,e是一个正有理数:(1-13)式中e-孔隙比;Vv-孔隙体积;Vs-固体颗粒体积。(八)孔隙率孔隙率是土中的孔隙体积与总体积之比,用符号n表示:(1-14),上一页,下一页,返回,第二节土的物理性质指标,式中n-孔隙率;Vv-孔隙体积;V-总体积。三、土的三相物理性质指标 土的三相指标相互之间有一定的关系。只要知道其中某些指标,通
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