岩土力学课件--第一章土的物理性质(双语)

第一章土的基本性质和工程分类CHAPTER1BasicCharacteristicsandEngineeringClassificationofSoils第一节土的形成1.1TheFormationofsoils一、土的搬运和沉积TheTransportationandSedimentationofsoil土是岩石风化的产物.TotheCivilEngineersoilisanyuncementedorweaklycementedaccumulationofmineralparticlesformedbytheweatheringofrock,thevoidspacebetweentheparticlescontainingwaterand/orair. 运积土:Transportedsoil残积土:Residualsoil一、Inabrief,soilistheproductsofweatheringrock. Theweatheringactionandmainnatureofsoils土的特征：Thecharacteristicsofsoils:（1）碎散性:（2）三相体系（3）自然变异性性质复杂，不均匀，各向异性且随时间而在不断变化。注：岩石三相体系：固体矿物、液体、气体二、风化作用和土和主要特点 第二节土的三相组成1.2TheThree-PhaseCompositionofsoils一、固体颗粒(SolidParticle)〈一〉粒径级配(Particlesizegradation/grading)粒径级配：粒径大小及其在土中所占的百分比.界限粒径—土性质改变的粒径尺寸粒组—以界限粒径为依据，根据其大小分为若干组 2002020.050.005分界粒径漂石卵石园砾砂粒粉粒粘粒块石碎石粗粒土（无粘性土）(coarse-gainedsoils/none-cohesivesoil)细粒土（粘性土）(fine-gainedsoils/cohesivesoil)1.粒径级配的分析方法筛分试验sieveanalysistest d>0.1mm(d>0.074mm)筛分法d<0.1mm(d<0.074mm)水分法（比重计法）12.粒径级配曲线(Particlesizedistributioncurve)小于某粒径含量式中:G—总称量，X—筛余量粒径小于某粒径土的含量（%）d30d60d10图1-1土的粒径级配累计曲线 13.粒径级配累积曲线的应用d60—控制粒径d30—特征粒径d10—有效粒径不均匀系数(coefficientofuniformity)均匀土不均匀土曲率系数(coefficientofcurature)：表示连续性好:判断好级配土(well-graded)： （二）土粒成分（Particleingredient）固体成分1.粘土矿物的晶体结构和分类Thecrystalstructureandclassificationofclayminerals粘土矿物：片状铝—硅酸晶体Thebasicstructuralunitsofmostclaymineralsconsistofasilicatetrahedron(四面体)andanaluminaoctahedron(正八面体). 分类：（依硅片和铅片的组叠形式的不同）高岭石（）(kaolinite)1:1亲水能力差蒙特石（）(montmorillonite)2:1亲水能力强伊利石（）(illite)介于二者之间2.粘土矿物的带电性质利用电渗现象排水片状粘土颗粒带负电的原因极性水分子阴极电渗水泵 原生矿物—颗粒粗，呈粒状次生矿物—颗粒细微，多呈片状（plate-like）或针状(needle-shaped)1.粘土比表面积—代表粘土特性的重要指标2.颗粒形状重要意义，磨圆度—粗糙度—与抗剪强度指标有关。二、土中水Waterinsoils（三）颗粒形状和比表面积 （一）结合水(heldwater)1强结合水—特性接近固体，完全不能移动2.弱结合水—粘滞水膜，能发生变形，但不因重力而流动（土产生塑性的原因）（二）自由水(freewater)1.毛细水(capillarywater)毛细管中的负静水压力hcuc自由水面毛细水中张力分布+-（1-6）2.重力水(gravitywater) 三、土中气体(airinsoils)①吸附于土颗粒表面及溶于水的气体②与大气相通的气体—可以排出③封闭性的气体—不可以排出④存在有封闭气体的土，称为橡皮土，工程中决不允许 第三节土的物理状态1.3ThePhysicalStateofSoils一、土的三相关系（Thethreephaserelationshipsofsoils）三相图(Threephasediagram/skeletaldiagram/blockdiagram) （二）确定三相量比例关系的基本试验指标（Thebasictestindexesfordecidethescalerelationshipofthreephases）1、土的密度（bulkdensity）实验室：环刀法容重（unitweigt）2、土粒比重（specificgravityofthesolidsoilparticles）3、土的含水量（watercontent,ormoisturecontent）实验室：烘干法 （三）确定三相量比例关系的其它指标1、孔隙比(Thevoidratioistheratioofthevolumeofvoidstothevolumeofsolids,i.e…)2、孔隙度(Theporosityistheratioofthevolumeofvoidstothetotalvolumeofthesoil,i.e…)3、饱和度(Thedegreeofsaturationistheratioofthevolumeofwatertothetotalvolumeofvoidspace,i.e…)Thevoidratioandtheporosityareinter-relatedasfollows: 4、饱和密度Forafullysaturatedsoil(Sr=1),saturateddensityis:5、干密度Foracompletelydrysoil(Sr=0),drydensityis:6、浮容度Whenasoilin-situisfullysaturatedthesolidsoilparticles(volume1unit,weightGsw)aresubjectedtoupthrust(w).Hencethebuoyantunitweight(/)isgivenby:i,e 三相指标的换算（表1-5） 二、土的物理状态(Thephysicalstateofsoils)（一）粗粒土（无粘性土）的密实度(Thecompactnessofnone-cohesivesoil)1、分类(Classification)无粘性土：（1）砂土相对密度(relativedensity)Inthecaseofsandstherelativedensity(Dr)isusedtoexpresstherelationshipbetweentheactualvoidratio(e)andthelimitingvaluesemaxandemin.Therelativedensityisdefinedas:(1-19)疏松中密密实(多用于填土方的质量控制) 天然砂土的密实状态，还可根据标贯试验(standardpenetrationtest,STP)的锤击数N来区别：N≦10松散1030密实（2）碎石密实状态野外鉴别方法： （二）粘性土（细粒土）的稠度Theconsistencyofcohesivesoils(fine-gainedsoils)1.粘性土的稠度状态Theconsistencystateofcohesivesoils—稠度，土的软件硬程度或土对外力引起变形或破坏的能力。图1-20土中水与稠度状态 半固体塑性状态流动状态2．界限含水量(又称阿太堡界限)TheAtterberglimitsWp(plasticlimit)—试验室用搓条法（经验法）WL(elasticlimit)—在试验室用锥式园锥仪3.液性指数(Theliquidityindex)工程上用以判别重塑土软硬程度 表1-7坚硬硬塑可塑软塑流塑4、塑性指数（plasticityindex）Ip是细粒土分类的依据。粘土(clay)粉质粘土（siltyclay）（不代百分号） 第四节土的结构1.4Thestructureofsoils决定土的性质的因素：一、一、粗粒土（无粘性土）的结构（Thestructureofcoarse-gainedsoils/none-cohesivesoil）单粒结构（single-grainedstructure）：颗粒之间点与点的接触二二、细粒土的结构：（Thestructureoffine-gainedsoils/cohesivesoil）受范德华力，胶结作用力，库仑力，毛细压力 Thenetinter-particleforcesgovernthestructuralformassumedbyclaymineralparticlesinasoil,thetwoextremestructuresaredispersedstructure(分散结构)andflocculentstructure（凝聚结构).Thedispersedstructureresultswhenthereisnetrepulsion(净反力)betweenparticlesandtheflocculentstructurewhenthereisnetattraction（净吸力）.图 三、反映细粒土结构特性的两种性质Twocharacteristicsoffine-gainedsoilsreflectingtheirsstructuralnature（一）粘性土的灵敏度(Thesensitivityofcohesivesoil)—原状土的无侧限抗压强度—具有与原状土相同密度和含水量并彻底破坏其结构的重塑土的无侧限抗压强度土的结构性—土的性质受结构扰动的影响而改变的特性表1-8低灵敏中灵敏高灵敏 (二）粘性土的触变性(thixotropyofcohesivesoil)含水量不变，土因重塑而软化，又因静置而逐渐硬化强度有所恢复的性质。 第五节土的工程分类1.5Theengineeringclassificationofsoils地基土的分类分类目的：Theobjectofsoilclassificationistodividesoilsintogroupssuchthatallthesoilsinparticulargrouphavesimilarcharacteristics,bywhichtheymaybeidentified,andexhibitSimilarbehavioringivenengineeringsituation. 一、建筑地基基础设计规范分类Theclassificationofsoilsaccordingtoarchitecturefoundationdesigncriterion (一）岩石(rock)分类（二）碎石土(crushedstone)大于颗粒总重的50%（三）砂土(sand)Sr%稍湿很湿饱和(按湿度分) (四)粉土(silt)粉土粉土（五）粘土(clay)1.分类2.按工程地质特征分(accordingtoengineeringgeologicalcharacter)（1）一般粘土(clay)：第四纪沉积物压缩性低，强度较高，良好的地基。（2）淤泥和淤泥质土(muckandmuckysoil)：软弱土，不好地基（处理）（3）红粘土(redclay):裂隙发育（特殊土） （六）人工填土(fill/artificialsoil) 式中,Ip——土的塑性指数p0.002——粒径<0.002mm颗粒的质量占总质量的百分比.A<0.75非常性粘土A=0.75~1.25正常粘土A>1.25活性粘土反映粘土矿物吸附结合水的能力二、细粒土的活性指数 第六节土的压实性1.6SoilCompactionCompactionistheprocessofincreasingthedensityofasoilbypackngtheparticlesclosertogetherwithareductioninthevolumeofair:thevolumeofwaterremainsunchanged.压实目的(Targetofcompaction)一、细粒土的压实性TheCompactionoffine-grainedsoils （一）最优含水量和最大干密度理论曲线：Theoptimumwatercontentandthemaximumdrydensity试验表明：约在土的塑限附近对应的干密度为最大干密度的原因:（1）wwop土偏湿，土粒中存在大量的自由水，在击实过程中不易很快的排除，这阻止了颗粒的靠扰，因引击实效果差。 （3）w=wopw=wop颗粒间存在部分的强结合水、部分的弱结合水，弱结合水在击实过程中起到润滑作用，因而击实效果好。（二）压实功能的影响Theinfluenceofcompactiveefforts同一种土：wop随E而变w>wop,w↑E的影响↓（三）填土的含水量和辗压标准的控制Thestandardoffieldcompactioniscontrolledbymeansoffrequentmeasurementsofthebulkdensityandwatercontentofnewly-compactedsoil.（1）wwop可塑性大，但强度较低，且具不等向性 压实度：Ⅰ.Ⅱ95~98%土石坝(earthandstonebankment)Ⅲ~Ⅴ92~95%控制：wop±(2~3)%二、粗粒土的压实性：TheCompactionofcoarse-grainedsoils完全干燥或者充分洒水饱和的情况下容易压实到压实标准一般用相对密度Dr控制：Dr：0.7~0.75