土力学课件第一章

哈尔滨工程大学建筑工程学院第一章土的物理性质及其工程分类一、岩石的风化⒈概念地表岩石长期在不同温度、水、大气、生物活动及其他外力作用的影响下，不断破碎，并发生化学变化，这种变化称为岩石的风化。⒉岩石的风化种类⑴物理风化由于温度变化，岩石胀缩开裂，裂隙中水的冻胀以及盐类物质的结晶而使岩石发生机械破碎作用。⑵化学风化由于水溶液，大气等因素影响下，引起岩石破碎和成分发生质的变化。⑶生物风化由于生物活动过程中产生对岩石的机械破碎以及生物新陈代谢分泌排泄物对岩石的化学侵蚀。二、土⒈概念就是岩石在长期风化作用下产生大小不同的松散颗粒，经过各种地质作用而形成的沉积物。⒉土的种类根据其地质成因的条件不同分为：⑴残积物：岩石经风化作用而残留在原地的屑碎堆积物。⑵坡积物：高处的风化物在雨水、雪水或本身的重力作用下搬运后，沉积在较平缓的山坡上的堆积物。⑶洪积物：在山区或高地由暂时性山洪急流作用而形成的山前堆积物。⑷冲积物：由河流流水的作用在平原河谷或山区河谷中形成的沉积物。⑸淤积物：在静水或缓慢的水流作用下的沉积物。⑹冰积土：是由冰川或冰水作用形成的沉积物。⑺风积土：是由风力搬运形成的堆积物。⒊土有如下特征：⑴土的固体颗粒之间是分散的，其间联结是无粘结或弱粘结的，因此它具有散粒性和孔隙性；⑵颗粒间孔隙是连续的，因此土具有透水性；⑶固体颗粒的连结强度比颗粒的本身强度小得多，因此土具有压缩性和土颗粒之间的相对可移动性。三、土的三相组成矿物颗粒（固相）—是土的骨架。水（液相）—填充孔隙。空气（气相）—填充孔隙。或土的组成由①三相体系——固相，液相，气相构成②二相体系——孔隙完全被水充满时称饱和土。即固相，液相构成。孔隙完全被气体充满时称干土，即固相，气相构成土。⒈矿物颗粒⑴粒组的划分将物理性质接近的土粒归为一组，称粒组。1 第一章土的物理性质及其工程分类①依粒径的大小将土粒划分为六大粒组：d>200mm为块石（漂石）2010表示粒径不均匀、级配良好、曲线平缓、粒径相差较大、土密实。u颗粒级配在一定程度上可以反映土的某些性质(例如透水性等)。z土的粒组划分z粒度成分及其表示方法z粒度成分分析方法③土粒的形状土粒形状对于土的密实度和土的强度有显著的影响，棱角状的颗粒能形成比较稳定的结构，强度较高；磨圆度好的颗粒之间容易滑动，土体的稳定性比较差。描述土粒的形状一般用肉眼观察鉴别的方法。6V体积系数V=c3πdm3式中V——土粒体积，mm；dm——土粒的最大粒径，mm。AC形状系数F=2B式中A、B、C——分别为土粒的最大、中间和最小粒径。⑵土的矿物成分①块石、碎石、角砾等粗大土粒的矿物成分—原生矿物。②砂粒的矿物成分—原生矿物的单矿物颗粒。③粉粒的矿物成分—原生矿物的石英。次生矿物的难溶岩类，CaCO3，MgCO3。④粘土粒的矿物成分—次生矿物（粘土矿物、氧化物与难溶岩类等）及腐殖质。粘土矿物高岭土—膨胀性、可塑性小。伊利土—膨胀性、可塑性极大。蒙脱土—性质介于两者之间，接近蒙脱土。2 哈尔滨工程大学建筑工程学院⒉土中水⑴固态水：指土中的水在温度低于0℃时结成的冰冻土。⑵气态水：指土中出现的水蒸气，如地窑打开后蒸气。⑶液态水：包括化学结合水：矿物颗粒的一部分。表面结合水：包括：强结合水：内层（固定层）吸力大。弱结合水：外层（扩散层）吸力小。自由水：在结合水膜以外有两种：重力水：存在地下水位以下；毛细水：存在地下水位以上。⒊土中气体：存在于土孔隙中未被水所占据的部位，包括：自由气体（与大气连通）封闭气泡（与大气不连通）。四、土的三相比例指标⒈土的三相图土的三相图表示气体、水、颗粒间的数量关系，并可计算各项物理指标。2.土的三相比例指标试验指标3⑴密度ρ（g/cm）：单位体积土的质量称为土的质量密度，简称密度。mρ=V3一般土的密度为（1.6～2.20g/cm），土的密度一般用“环刀法”测定。重力密度（kN/m）：单位体积土所受的重力称为土的重力密度，简称重度。Gmgγ===ρgVV⑵土粒相对密度ds：土粒密度（单位体积土粒质量）与4℃时水密度ρw之比，称为土粒相对密度。ms1ds=⋅Vsρw土粒相对密度可在试验室内用比重瓶法测定。⑶土的含水量w：土中水的质量与土粒质量之比称为土的含水率。3 第一章土的物理性质及其工程分类mww=×100%ms土的含水量一般用“烘干法”测定（适用于粘性土、粉土与砂土常规试验）。换算指标3⑴土的干密度ρd（t/m）：单位体积土中土粒的质量称为土的干密度。msρd=V干密度的大小反映填土的密实程度。3⑵土的干重度γd（kN/m）：单位体积中土粒所受的重力称为土的干重度。Gsmsgγd===ρdgVV3⑶土的饱和重度γsat（kN/m）：土中孔隙完全被水充满时土的重度称为饱和重度。Gs+γwVvγsat=V3⑷土的有效重度γ′（kN/m）：地下水以下的土受到水的浮力作用，扣除水浮力后单位体积土所受到的重力称为土的有效重度。Gs−γwVsGs+γwVv−γw⋅(Vs+Vv)γ′===γsat−γwVV⑸土的孔隙比e：土中孔隙体积与土粒体积之比称为土的孔隙比。Vve=Vs土的孔隙比反映土的密实程度，孔隙比越大，说明土越松，孔隙比越小土越密实。⑹土的孔隙率n：土中孔隙体积与总体积之比称为土的孔隙率。Vvn=×100%V⑺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。VwSr=Vv饱和度是土潮湿程度的一个指标，如当Sr＝100％时，说明土孔隙内完全充满了水，土是完全饱和的；当Sr＝0时，说明土孔隙内没有水，土是完全干的。五、土的结构、构造⒈结构指土体中土粒的排列与连接。⑴单粒结构：由砂粒等较粗土粒组成，有疏松状态和密实状态。⑵蜂窝结构：由粉粒串联而成。⑶絮状结构：由粘粒集合体串联而成。⒉结构性土当土的天然结构被破坏后，土的压缩性增大而强度降低，故对具有海绵结构的土称结构性土。结构性的强弱用灵敏度衡量，灵敏度越高，其结构性越强，受扰动后土的强度降低越多。⒊构造在同一层中其结构不同部分相互排列的特征称为土的构造。最大特征是成层性，即具有层理构造。另一特征是土的裂隙性。对工程不利。成层性即层理构造。它是土粒在沉积过程中，由于不同的地质作用，物质成分，颗粒大小或颜色不相同的土粒在水平向沉积成一定的厚度，沿竖向呈现的成层特征。当它们位于地基不太深的范围内，能使建筑物生不均匀沉降，甚至影响到建筑物的稳定性，对此应引起足4 哈尔滨工程大学建筑工程学院够重视。裂隙破坏土的整体性。沿裂隙面的抗剪强度很低，渗透性很高，浸水以后裂隙张开，严重破坏土的结构，使土的强度降低，这对工程建设是不利的。六、粘性土的界限含水量⒈含义：粘性土由某一状态转入另一种状态时的分界含水量称为界限含水量。缩限w塑限w液限wspL固态半固态可塑状态流动状态含水量w（%）⑴缩限ws：土由半固态转为固态的界限含水量称为ws.⑵塑限wp：土由可塑状态转为半固态——塑性下限含水。⑶液限wL：流动状态转为可动状态即塑性上限含水量。⑴可塑状态：土粒在外力作用下可塑成各种形状而不发生裂缝，在外力除去后仍可保持原状。土粒在外力作用下可相互滑动而不破坏土粒间的联系，土呈可塑状态。⑵固态：土中仅含强结合水时。⑶流动状态：土粒间为自由水分开。⑷半固态：当弱结合水减少，主要含强结合水时。⒉粘性土的塑性指数和液性指数⑴塑性指数：表示土的可塑性范围。Ι=ww−PLP⑵液性指数：判别粘性土的软硬程度称稠度。ww−−wwPPI==Lww−ILPP⒊粘聚力*粘性土的主要成分是粘粒，土粒间存在粘聚力而使土具有粘性。是土抗剪强度组成部分，分三种状态。⑴原始粘聚力：土粒间分子引力——可以恢复。⑵固化粘聚力：土粒间化学胶结作用——不恢复。⑶毛细粘聚力：孔隙中毛细水压力——值很小可略去。⒋液限与塑限的测定5 第一章土的物理性质及其工程分类液限——锥式液限仪。塑限——滚搓法。七、无粘性土的密实度⒈种类指具有单粒结构的碎石土与砂土，天然状态下具有不同程度的密实度。工程上用密实度来评定无粘性土的地基承载力。⒉密实度的鉴别方法：⑴碎石土的密实度可根据重型圆锥动力触探锤击数N63.5和野外鉴别方法划分为密实、中密、稍密、松散四种状态。⑵砂土的密实度，《规范》用标准贯入试验锤击数N（即N63.5）确定砂土的密实度。八、地基土的工程分类作为建筑物的地基土，可分成岩石、碎石土、砂土、粉土、粘性土和人工填土六大类。⒈岩石⑴按其坚固性，将岩石分为：硬质岩石：再分为坚硬岩、较硬岩软质岩石：再分为较软岩、软岩、极软岩⑵建筑地基的岩石按风化程度分类未风化、微风化中风化强风化、全风化未风化、微风化的硬质岩石，为最优良的地基。⑶岩体完整程度分为完整、较完整、较破碎、破碎、极破碎*。⒉碎石土粒径大于2mm的颗粒含量超过全重50％的土。依粒组含水量及颗粒形状分块石，碎石，角砾。碎石土没有粘性和塑性，属于单粒结构。其状态以密实度表示：松散、稍密、中密和密实。①密实碎石土：优等地基。②中密碎石土：优良地基。③稍密碎石土：良好地基。⒊砂土粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重50％及粒径大于0.075mm的颗粒超过全重50％的土。依粒组含量分砾砂、粗砂、中砂、细砂和粉砂。①密实与中密状态的砾砂、粗砂、中砂为优良地基；稍密状态的砾砂、粗砂、中砂为良好地基。②粉砂与细砂要具体分析：密实状态时为良好地基；饱和疏松状态时为不良地基。⒋粉土塑性指数Ip≤10及粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过全重50％的低压缩性土。6 哈尔滨工程大学建筑工程学院特性①Ip≤10的土中，80％以上的粒组是粉粒与极细砂粒，塑限试验不适用、呈假塑性，液限试验亦不适用。②土的力学性能指标在与塑性指数关系的散点图上Ip=10处有明显转折。③Ip=7～10液化占40％以上。④Ip<10的土中难以压实，不宜石灰加固，沉桩较难。⒌粘性土Ip＞10的土为粘性土。①分类：无粘性土、一般粘性土、新近沉积的粘性土。Ip＞17粘土10＜Ip≤17粉质粘土②淤泥和淤泥质土淤泥：e≥5的粘性土淤泥质土：1≤e<5的土特点：强度低、压缩性高、透水性差、压实所需时间很长。密实硬塑的粘性土为优良地基；疏松流塑状态的粘性土为软弱地基。⒍人工填土是指由于人类活动而堆填的土按组成和成因可分素填土、杂填土、冲填土7