岩土力学课件第2章土的工程性质及分类

土的物理性质与工程分类第二章1 土的物理性质指标1指标定义（1）土粒比重（土粒相对密度）土粒质量与同体积的4℃时纯水的质量之比。即：土粒的比重可在试验室内用比重瓶法测定。2 (2)土的含水量土中水的质量与土粒质量之比，称为土的含水量，以百分数计。即：。含水量是标志土湿度的一个重要物理指标，一般用烘干法测定。(3)土的密度土单位体积的质量称为土的密度（单位或），即：。土的密度一般用环刀法测定。3 (4)土的干密度,饱和密度和有效密度土单位体积中固体颗粒部分的质量，称为土的干密度，即：土孔隙中充满水时的单位体积质量，称为饱和密度，即：单位土体积中土颗粒的质量扣除同体积水后的质量，即为单位土体积中土粒的有质量，称为土的有效密度,即：4 (5)土的孔隙比e和孔隙率n土的孔隙比是土中孔隙体积与土粒体积之比，即：土的孔隙率是土中孔隙所占体积与总体积之比，用百分数计，即：（6）土的饱和度土中被水充满的孔隙体积与孔隙总体积之比，以百分数表示，即：。5 1.三相草图WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积§2土的物性与分类6 可推导出:7 例题:1.某一原状土样,经试验测得基本指标如下:密度,含水量,土粒比重求:孔隙比，孔隙率，饱和度、干密度、饱和密度和有效密度。8 例2：土密度的应用：条件：某填土工程的填量为，压实后的干密度要求不小于，压实时的最优含水量为，取土现场土料，天然含水量，天然密度要求：（1）需运来多少立方米的土料？（2）为使土料达到最优含水量，在压实前需加多少水？说明：在一定击数下，某一含水量能获得最佳击实效果，这一含水量称为最佳含水量。9 三相草图WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积已知关系五个:共有九个参数:VVvVsVaVw/msmwmam剩下三个独立变量三相草图法物性指标是比例关系:可假设任一参数为1实验室测定其它指标是一种简单而实用的方法§2土的物性与分类10 二.土的物理状态指标土的物理状态粗粒土的松密程度粘性土的软硬程度土的物理性质指标(三相间的比例关系)力学特性影响表示§2土的物性与分类11 2.粘性土的软硬状态也称稠度状态稠度状态与含水量有关含水量较硬变软流动§2.3土的物理状态界限含水量:随天然含水量的增加,粘性土由一种物理状态向另一种状态过渡的含水量的界限值.塑性:在一定条件下,因受外力作用其形状发生变化,但不产生裂隙,外力卸去后,仍能保持既得形状的一种性能.可塑性是粘性土区别于无粘性土的主要特征.12 塑限wp液限wl稠度界限粘性土的稠度反映土中水的形态固态或半固态塑态流态强结合水膜最大出现自由水强结合水弱结合水自由水稠度状态含水量土中水的形态w§2.3土的物理状态吸附弱结合水的能力塑性指数土由可塑状态转到流动状态的界限含水量叫液限.土由半固态转到可塑状的界限含水量叫塑限.13 ——吸附弱结合水的能力；大致反映粘土颗粒含量、粘性大小塑性指数常作为细粒土工程分类的依据不同的粘土矿物结合水的能力不同§2.3土的物理状态14 相对稠度即使含水量相同，稠度可能不同液性指数对不同的粘土，wp、wl大小不同定义：wpwwlIL<0IL=0–1IL>1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§2.3土的物理状态对同一种粘土，含水量可反映其稠度问题：15 例4：某土样其含水量为32.5%,密度土的相对密度，液限，塑限。求：土样的物理状态。16 反映粘性土结构性的指标相同含水量、密度1.粘性土的灵敏度—St=原状土结构性相同含水量密度、组成粉碎重塑重塑土强度降低St11-22-44-88-16>16粘性土不灵敏低灵敏中等灵敏灵敏很灵敏流动原状土的无侧限抗压强度重塑土的无侧限抗压强度17 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。土的触变性是土结构中联结形态发生变化引起的，是土结构随时间变化的宏观表现。目前尚没有合理的描述土触变性的方法和指标。2.粘性土的触变性18 emax与emin：最大与最小孔隙比1.粗粒土的密实状态密实度如何衡量?单位体积中固体颗粒含量的多少或孔隙含量的多少优点：简单方便缺点：不能反映级配的影响只能用于同一种土对策相对密度干容重d或孔隙比e或孔隙率nemin=0.35emin=0.20§2.4无粘性土的物理状态19 emax:最大孔隙比；将松散的风干土样通过长颈漏斗轻轻地倒入容器，避免重力冲击，求得土的最小干密度再经换算得到最大孔隙比emin:最小孔隙比；将松散的风干土样装入金属容器内，按规定方法振动和锤击，直至密度不再提高，求得土的最大干密度再经换算得到最小孔隙比emax与emin：最大与最小孔隙比注意：室内测得理论上的最大与最小孔隙比有时很困难20 粗粒土的密实状态指标判别标准：Dr=1,最密状态Dr=0,最松状态Dr≤1/3,疏松状态1/32/3,密实状态相对密度21 例3：某砂土土样的密度，含水量，土粒的相对密度，对该砂样进行相对密度试验，得到其最大干密度，最小干密度。求：确定该砂土的相对密实度并判断其密实程度。22 无粘性土密实度划分的其他方法1.砂土按天然孔隙比划分密实中密稍密松散e＜0.600.60≤e≤0.750.75≤e≤0.85e>0.60e＜0.700.70≤e≤0.850.85≤e≤0.95e>0.60砾石、粗、中砂细砂、粉砂2.砂土密实度按标准贯入击数N划分密实度密实中密稍密松散标贯击数N50～3029～109～5＜523 2.5粉土的密实度和湿度密实度密实中密稍密孔隙比e＜0.750.75≤e≤0.90e>0.90细砂、粉砂2.粉土湿度的分类湿度稍湿湿很湿含水量ww＜2020≤w≤30e>301.粉土密实度的分类24 2.6土的胀缩性、湿陷性和冻胀性2.6.1土的胀缩性土的胀缩性是指粘性土有吸水膨胀和失水收缩的特征.主要原因是岩土体中含有大量的亲水性矿物成分,如蒙脱石,伊利石.用自由膨胀率和膨胀率来表示1.自由膨胀率2.膨胀率25 无粘性土密实度划分的其他方法1.砂土按天然孔隙比划分2.6.2土的湿陷性土的湿陷性是指土在自重作用下或自重和附加压力综合作用下,受水浸湿后土的结构迅速破坏而发生的显著附加下陷的特征.黄土的湿陷性评价:湿陷性系数:自重湿陷性系数时,应定义为湿陷性黄土时,应定义为非湿陷性黄土26 无粘性土密实度划分的其他方法1.砂土按天然孔隙比划分2.场地湿陷性类型当自重湿陷性量≤7CM时,应定义为非自重湿陷性场地当自重湿陷性量>7CM时,应定义为自重湿陷性场地自重湿陷性量的计算:总湿陷性量的计算:注:时,土层湿陷量不累计27 例:某地区黄土资料如下,湿陷性黄土深度为10米,求黄土的自重湿陷量和总湿陷量取样深度自重湿陷系数湿陷系数10.0210.02720.0200.02830.0120.01940.0170.01350.0180.01960.0140.01870.0160.01980.0250.02390.0220.012100.0110.00928 土的冻胀性有负温或零温,其中含有冰的各种土为冻土,只有负温或零温,但不含有冰的各种土为寒土.冬季冻结,夏季融化的土为季节冻土,冻结状态持续二年以上的土为多年冻土.地基土产生冻胀有三要素:水分,土,负温度29 ----地表冻胀量(mm)----设计深度(mm)h----冻层厚度(mm)30 例:某季节性冻土场地地面标高为290.136m,冬季冻结后地表最大标高为290.296m,冻土层最低标高为288.130m,春季融化后地面标高又降至290.136m.求冻胀率31 目的：依据：建筑地基基础设计规范-GB50007-2002分类法§2.7土的工程分类是将工程性质相近的土归为一类便于研究、交流及应用能反映土的物理力学性质－土的组成土的状态土的结构§2土的物性与分类32 建筑地基基础设计规范-GB50007-2002分类法土岩石碎石土砂土粉土粘性土特殊土§2土的物性与分类33 岩石:岩石是指颗粒间牢固联结、呈整体或具有节理裂隙的岩体。岩石按其成因可分为岩浆岩、沉积岩和变质岩。岩石按其坚硬程度可分坚硬岩、较硬岩、较软岩、软岩、极软岩。岩石按风化程度可分为未风化、微风化、中风化、强风化和全风化。岩石按其完整程度可分为完整、较完整、较破碎、破碎、极破碎。34 碎石土：是指粒径大于2mm的颗粒含量超过总质量的50%的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%35 砂土：是指粒径大于2mm的颗粒含量不超过总质量的50%，且粒径大于0.075mm的颗粒超过总量的50%的土。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%36 粉土粒径大于0.075mm的颗粒含量小于全质量50%而塑性指数Ip≤10的土塑性指数Ip>10的土粘性土1017的土粘土粉质粘土37 特殊土：是指分布在一定地理区域、有工程意义的特殊成分、状态和结构特征的土。（1）淤泥和淤泥质土：在静水或缓慢水流中沉积，并经生物化学作用形成。我们把天然含水量大于液限，天然孔隙比大于或等于1.5的土称为淤泥;而天然含水量大于液限，天然孔隙比小于1.5但大于等于1.0的土称为淤泥质土。（2）人工填土：是指人类活动而形成的堆积物。按其组成及成因，可分为素填土、压实填土、杂填土和冲填土。这类土一般压缩性高、强度低、透水性差。38 红粘土与次生红粘土：红粘土为碳酸盐岩系的岩石经红土化学作用形成的高塑性粘土，其液限一般大于50%。红粘土经过再搬运后仍保留其基本特征，其液限大于45%的土为次生红粘土。膨胀土：是指土中粘粒成分主要由亲水性矿物组成，同时具有显著的吸水膨胀和失水收缩特性，其自由膨胀率大于或等于40%的粘性土。这类土虽然强度高、压缩性低；但是遇水膨胀隆起，失水收缩下沉，会引起地基的不均匀沉降，对建筑物危害极大。39 粒径(mm)＜0.0750.075~0.250.25~0.50.5~2＞2.0占全重%14.732.634.712.85.2例：某土样不同粒组的含量如下要求：确定土的名称40 压实：指通过夯打、振动、碾压等，使土体变得密实、以提高土的强度、减小土的压缩性和渗透性压实性：指土在一定压实能量作用下密度增长的特性研究击实性的目的：以最小的能量消耗获得最大的压实密度击实方法：室内击实试验现场试验:夯打、振动、碾压§2.8土的压实性41 一.室内击实试验试验设备击实筒V=1000cm3；击实锤w=25牛顿试验条件土样分层n=3层；落高d=30cm；击数N=27/层击实能量试验方法对ω=cosnst的土；分三层压实；测定击实后的ω、ρ，算定ρd注意：仅适用于细粒土；对粗粒土，可用较大尺寸的击实仪土42 1.击实曲线特点：①具有峰值②位于饱和曲线之下粘性土渗透系数很小，压实过程中含水量几乎不变，要想击实到饱和状态是不可能的。0481216202428含水量w(%)2.01.81.61.4干密度d(g/cm3)饱和曲线dmax=1.86wop=12.1最大干密度最优含水量43 2.理论分析压实机理：颗粒被击碎，土粒定向排列;粒团破碎，粒间联结力被破坏而发生孔隙体积减小;空气被挤出或被压缩等水膜润滑作用效果最佳;尚没有形成封闭气泡，气体易于排出;颗粒表面水膜很薄，相对移动困难水膜润滑作用不明显;封闭气泡难以排出;增加水的相对含量ωωop,ρdρdmaxω<ωop,ρd<ρdmaxω>ωop,ρd<ρdmax0481216202428含水量w(%)2.01.81.61.4干密度d(g/cm3)饱和曲线dmax=1.86wop=12.144 3.影响因素a.击实功能b.土的级配c.击实方式夯实、辗压、振动；辗压对粘土比较合适E45 4.压实标准粘性土存在最优含水量ωop，在填土施工中应该将土料的含水量控制在ωop左右，以期得到ρdmax。在ωop的干侧：常具有凝聚结构。土质比较均匀，强度较高，较脆硬，不易压密；但浸水时易产生附加沉降。在ωop的湿侧：常具有分散结构。土体可塑性大，适应变形的能力强；但强度较低，具有各向异性。在设计土料时应根据填土的要求和当地土料的天然含水量，选定合适的含水量，一般要求为：b.工程上常采用压实度Dc控制（作为填方密度控制标准）Ⅰ、Ⅱ级土石坝Dc>95~98%Ⅲ~Ⅴ级土石坝Dc>92~95%46 ①不存在最优含水量；②在完全风干和饱和两种状态下易于击实；③潮湿状态下ρd明显降低。三.粗粒土的压实性1.击实曲线特点20%粗砂ω=4~5%中砂ω=7%；时，干密度最小2.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。3.压实标准常用相对密度控制Dr>0.7~0.75施工过程中要么风干，要么就充分洒水，使土料饱和47