《土力学与地基基础》第二章 土的物理性质与工程分类.ppt

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1、土力学地基基础 Soil Mechanics and Foundation Engineering,河南科技大学建工学院高笑娟,第二章,介绍土的形成及物质组成,从定性和定量两个方面描述土体的物质组成、密实程度及工程应用。,土的物理性质及工程分类,主要内容:,知识要点：了解无粘性土的密实度概念及判别方法。掌握粘性土的塑性指数和液性指数的作用和用途，以及粘性土的物理状态评价。掌握无粘性土和粘性土的分类依据和分类方法。,1.1 土的成因,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,一、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

2、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,定义：土体的结构是指土生成过程中所形成土粒的空间排列及 其形式。,力学特性,影响,土的结构,反映,土的成分形成条件,分类,单粒结构蜂窝结构絮状结构,二、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

3、气中沉积形成。,粗粒土的结构,松散,密实,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,细粒土的结构,是指由粉粒（粒径0.0050.075mm）在水中下沉时形成的。,是指由粘粒（粒径0.005mm）集合体组成。,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,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

4、 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,类型,层状构造分散构造裂隙构造结核状构造,通常分散构造土的工程性质最好是理想地基，结核状构造土的工程性质取决于细粒土部分，裂隙构造不连续的裂缝破坏土的整体性，故土的工程性质最差。,土的工程特性（1）压缩性高；（2）强度低；（3）透水性大；土的生成与工程特性的关系 沉积年代越长，工程特性越好。Q3以前的粘性土称为老粘性土，密度大、强度高、压缩性低，为良好天然地基；Q4以后的粘性土，其性质要通过实验测定。,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,1.2 土的组成,一、

5、土中的固体颗粒(固相),物理状态力学特性,粒组的划分,土的颗粒级配,土粒的矿物成分,.颗粒级配,颗粒大小,土中各个粒组的相对含量,常用表格法或粒径曲线法表示,影响土性质的主因,表格法表示的粒组划分,粒径级配,筛分法：适用于粒径在0.075 60mm 的土 密度计法：适用于粒径小于0.075mm的土 根据斯托克斯（Stokes）定理，球状的细颗粒在 水中下沉速度与颗粒直径的平方成正比。基于这 一原理，实验室常用密度计测试水土悬液在不同 时间的密度，进而确定土样中各粒组的相对含 量，这一方法称为密度计法。,通常将各粒组的相对含量，用质量百分数来表示,筛分法（d0.075mm的土）,密度计法（d0.

6、075mm的土）,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度与颗粒直径的平方成正比,典型颗粒级配曲线,小

7、于某粒径之土质量百分数P（）,粒径(mm),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,不均匀系数,Cu 5,级配不均匀,粗细程度：用平均粒径d50 表示,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=1 3,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：Cu 5,不均匀土；Cu 5,均匀土,曲率系数Cc用于判定土的连续程度：C c=1 3,级配连续土；Cc 3 或 Cc

8、1,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=1 3 时，为级配良好的土；当 Cu 3 或 Cc 1时,为级配不良的土,.土粒的矿物成分,粗粒土主要是原生矿物的产物，一般碎石、砂都属于此类。细粒土主要是次生矿物的产物，主要是粘土矿物，包括三种类型高岭石、伊利石、蒙脱石。三种粘土矿物的亲水性依次减弱。,粘土矿物:由硅氧四面体和铝氢氧八面体构成的晶胞所组合而成,决定于母岩的矿物成分及风化作用,硅氧四面体晶片的结构,铝氢氧八面体晶片的结构,粘土矿物的晶格构造,高岭石,蒙脱石,伊利石,粒径比表面积胀 缩 性渗 透 性强度压 缩 性,大10-20m2/g小大

9、大小,中80-100m2/g中中中中,小800m2/g大小小大,二、土中水(液相),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,1、土中水分类,2、水的性质,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100C时可蒸发 强结合水性质稳定,强结合水,位于强结合水之外，以水膜 的形式包围着土粒 外力作用下可以移动 不因重力而移动，有粘滞性,弱结合水,固定层,扩散层,土中毛细现象,毛细水,分布在土

10、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。,三、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,1.3 土物理性质指标,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,概述土的物理性质直接反映土的松密、软硬等物理状态，也间接反映土的工程性质。土的松密和软硬程度主要取决于土的三相各自

11、在数量上所占的比例。三相指标的定义,一.土的三相图,质量,体积,二.土的物理性质指标确定,土的物理性质指标共有9个：e、n、Sr、ds、d、sat、/,土的重度,土的密度,=g,工程上更常用于计算土的自重应力,单位:kN/m3 或 g/cm3,单位:kN/m3,一般范围:16 22 kN/m3,定义:土单位体积的质量,有时也称土的天然密度,表达式:,相关指标:,三相草图有助于直观理解物性指标的概念,各种密度容重之间的大小关系：,土的重度,干重度,饱和重度,天然重度,干重度,浮重度,饱和重度,土粒比重,s:土粒的密度，单位体积土粒的质量,单位:无量纲,土粒比重一般范围:粘性土 2.702.75

12、砂 土 2.652.95,4C时纯蒸馏水的密度,=9.8 kg/m3,定义:土粒的密度与4C时纯蒸馏水的密度的比值,表达式:,土粒比重在数值上等于土粒的密度,饱和度,定义:土中水的体积与孔隙体积的比值,用百分数表示。,表达式:,饱和度表示孔隙中充满水的程度,Sr=0:干土Sr=100%:饱和土,土的含水量,定义:土中水的质量与土粒重量之比,用百分数表示,表达式:,孔隙比,孔隙率(孔隙度),关系:,常用来反映土的密实程度,定义:土中孔隙体积与固体颗 粒体积之比,无量纲,表达式:,定义:土中孔隙体积与土的总体积之比,用百分数表示,表达式:,反映土的密度指标有五个：d satds,反映土的湿度指标有

13、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,土的比重ds,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:,共有九个参数:V Vv Vs Va V/ms m ma m,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,e,dsw,dsw,dsw(1+),1.4 土的物理状态指标,物理状态力学特性,无黏性土密实

14、度,黏性土物理特性,例题分析,【例1-1】某土样，重量为1.87N，体积为100cm3，烘干后，烘干土质量为1.67N。已知土粒的相对密度ds为2.66，试求：、e、sr、d、sat和,【解】,一、无黏性土的密实度,无粘性土的 密实程度,工程性质,影响,指具有单粒结构的碎石土与砂土，土粒之间无粘结力，呈松散状态,无粘性土：,土密实,结构稳定、强度高、压缩性低变形小,土松散,结构不稳定、强度低、压缩性高变形大,如何评定无粘性土密实度?,碎石土用触探锤击数63.5,砂土用相对密度Dr,现场标准贯入试验锤击数,优点：简单方便,缺点：不能反映级配的影响且只能用于同一种土,孔隙比e或孔隙率n,emax与

15、emin：最大与最小孔隙比,相对密度,Dr=1,最密状态 Dr=0,最松状态 Dr 0.67,疏松状态0.33 0.67,密实状态,判别标准：,优点：把土的级配因素考虑在内，理论上较为完善,缺点：e、emin、eman难以准确测定,根据现场标准贯入试验锤击数判定,标准贯入试验是一种原位测试方法。试验方法：将质量为63.5kg的锤头，提升到76cm的高度，让锤自由下落，打击标准贯入器，使贯入器入土深为30cm所需的锤击数，记为N63.5，这是一种简便的测试方法。N的大小，综合反映了土的贯入阻力的大小，亦即密实度的大小。我国岩土工程勘查规范（GB5002194）规定砂土的密实度按表标准贯入锤击数进

16、行划分。,判定标准：,二、粘性土的物理特性,粘性土的物理状态可以用稠度表示。稠度是反映粘性土处于不同含水量时的软硬程度或稀稠程度。粘性土从一种状态过度到另一种状态的分界含水量称为界限含水量。,塑限p,液限L,稠度界限,粘性土随含水量变化可改变土的物理形态,固态或半固态,可塑状态,流动状态,强结合水膜最大,出现自由水,稠度状态,含水量,一、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

17、：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。,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,二、塑性指数Ip和液性指数IL,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

18、力不同,液性指数IL,wp,w,wl,IL1,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,三、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,St14,粘性土低灵敏中等灵敏高灵敏,饱和粘性土受到扰动后，结构产生破坏，土的强度降低。当扰动停止后，土的强度随时间又会逐渐恢复的现象，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,四、活动度,活性指数,p0

19、.002:粒径小于0.002mm颗粒的质量占总土总质量的百分比,A 1.25,非活性粘土正常粘土活性粘土,粘性土的塑性指数与土中胶粒含量百分数的比值称为活动度（活性指数）,反映粘性土中所含矿物的活动性,1.5 地基岩土的工程分类,分类依据：,粘性土按塑性指数和沉积条件无粘性土按粒径及相对含量,评价岩土的工程性质以及为地基基础的设计与施工提供依据,本节主要介绍建筑地基基础设计规范-GB5007-2002分类法,土,岩石分类碎石土分类砂土分类粉土分类塑性指数Ip10，粒径0.075颗粒含量不超过粘性土分类塑性指数Ip10的土填土分为杂填土，素填土，冲填土,分类目的：,岩土分类的基本原则：（1）分类

20、体系采用的指标，要既能综合反映土的主要工程性质，又能便于测定且使用方便；（2）分类体系采用的指标在一定程度上能反映土在不同用途和不同工作条件下的不同特性；（3）分类体系要有一定的科学逻辑性，不仅要自成体系，纲目分明，而且要简单易记，便于应用。,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

21、、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,6、填土,由于人类活动而堆填土。其物质成分杂乱，均匀性差。,按其组成和成因分类,素填土,压实填土,杂填土,冲填土,除了以上六种土外还有特殊土，见第十章。,若土内含有有

22、机质，土代号后加O，如高液限有机质粘土（CHO），低液限有机质粉土（MLO）等；若细粒土内粒粗粒含量为25%50%，则该土为含粗粒的细粒土，当粗粒中砂粒占优势，则该土属含砂细粒土，并在土代号后加S，如CLS、MHS等。,细粒土按塑性图分类,细粒土是指粒径小于0.075mm者超过50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的分类,塑性图分类法（76g锥体，深度17mm）,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

23、 土,因 10IP17，0IL0.25，所以该土为粉质黏土，硬塑状态。,1.6 土的压实机理及工程控制,土的击实性是指土在反复冲击荷载作用下能被压密的特性,压实的本质,土料孔隙率减小，密实度提高,1、击实机理：,颗粒被击碎，土粒定向排列;土粒破碎，粒间联结力被破 坏而发生孔隙体积减小;气被挤出或被压缩等,2、影响击实效 果的因素：,土的性质含水量：压实功：,粘粒含量：粘粒含量越少，最大干重度越大,颗粒级配：颗粒级配越均匀，击实效果越差,含水量的不同改变了土颗粒间的作用力，并改变土的结构与状态，含水量与击实效果如下图所示,要达到一定的击实干密度，则含水量小时，击实功大，含水量大时，则应选取击实功

24、小的机具。,a.粘性土存在最优含水量op，在填土施工中应该将土料的含水量控制在op左右，以期得到dmax，通常取,b.工程上常采用压实度Dc控制（作为填方密度控制标准）,、级土石坝 Dc9598%级土石坝 Dc9295%,3、压实标准与控制：,.细粒土压实标准,.粗粒土压实特性与标准,不存在最优含水量；在完全风干和饱和两种状态 下易于击实；潮湿状态下d明显降低。,a.击实曲线,特点,b.理论分析,对粗粒土，击实过程中可以自由排水，不存在细粒土中出现的现象。在潮湿状态下，存在着假凝聚力，加大了阻力。,c.压实标准,常用相对密度控制 Dr0.70.75施工过程中要么风干，要么就充分洒水，使土料饱和,