最新土力学课件第一章土的物理性质指标与工程分类ppt课件

土力学课件第一章土的物理性质指标与工程分类 绪论土力学是研究土的物理性质以及在荷载作用下土体内部的应力变形和强度规律的一门学科。土力学研究对象是土需要研究和解决的工程中的三大类问题：土体稳定或强度问题；土体变形问题；渗流：渗透变形与渗透稳定。2 1-2土的组成第一章土的物理性质指标与工程分类土是固体颗粒、水和空气的混合物，常称土为三相系。固相：土的颗粒、粒间胶结物；液相：土体孔隙中的水；气相：孔隙中的空气。9 1-2土的组成第一章土的物理性质指标与工程分类当土骨架的孔隙全部被水占满时，这种土称为饱和土；当土骨架的孔隙仅含空气时，就成为干土；一般在地下水位以上地面以下一定深度内的土的孔隙中兼含空气和水，此时的土体属三相系，称为湿土。根据土的粘性分：粘性土：颗粒很细；无粘性土：颗粒较粗，甚至很大。砂、碎石、甚至堆石（直径几十cm甚至1m）10 第一章土的物理性质指标与工程分类一、土的固相（一）成土矿物原生矿物：由物理风化生成的土粒；颗粒较粗，一般为无粘性土；石英、长石、云母等；圆形、板状、块状；吸水力弱、稳定、无塑性；砂多为石英。次生矿物：由原生矿物经化学风化作用而形成的矿物。颗粒较细，一般为粘土矿物，形成粘性土。高岭石、伊利石、蒙脱石；片状、极细；吸水力强、活泼、有塑性。11 第一章土的物理性质指标与工程分类一、土的固相（二）粘土矿物的晶体结构粘土矿物：由各种硅酸盐矿物分解形成的水铝硅酸盐矿物。其结构可分为晶体和非晶体，以晶体矿物为主。硅片：基本单元是硅－氧四面体，底面每个氧离子为2个相邻单元的硅原子共有组成六边形孔硅片；铝片：铝（镁）－氢氧（氧）八面体，每个氢氧离子为2个相邻单元的铝原子共有组成铝片；12 第一章土的物理性质指标与工程分类一、土的固相（二）粘土矿物的晶体结构粘土矿物：高岭石：长石风化产物，1：1型晶格，一个硅片＋一个铝片＝一个晶层，晶层靠氢键连接，一个颗粒多达近百个晶层。伊利石：云母在碱性介质中风化产物，2：1型晶格，二个硅片＋一个铝片＝一个晶层，晶层靠钾离子连接，比较稳定，但不如氢键；蒙脱石：伊利石进一步风化，2：1型晶格，晶层没有钾离子连接，而是有水分子进入；连接弱。13 第一章土的物理性质指标与工程分类一、土的固相（三）土粒的大小和土的级配粒组：把工程性质相近的土粒合并为一组；某粒组的土粒含量定义为该粒组的土粒质量与干土总质量之比。土的级配：土中各种大小的粒组中土粒的相对含量。14 第一章土的物理性质指标与工程分类（四）颗粒大小分析试验测定土中各粒组颗粒质量所占该土总质量的百分数，确定粒径分布范围的试验称为土的颗粒大小分析试验。常用的方法：筛分法：粒径>0.075mm密度计法：粒径<0.075mm联合测定：既有粒径>0.075mm，又有粒径>0.075mm15 第一章土的物理性质指标与工程分类（四）颗粒大小分析试验1.筛分法利用一套孔径由大到小的筛子，将按规定方法取得的一定质量的干试样放入一次叠好的筛中，置振筛机上充分振摇后，称出留在各级筛上的土粒的质量，按下式计算出小于某土粒粒径的土粒含量百分数X（％）式中：mi，m－分别为小于某粒径的土粒质量及试样总质量16 第一章土的物理性质指标与工程分类2.密度计法利用不同大小的土粒在水中的沉降速度不同来确定小于某粒径的土粒含量的方法。通过密度计测定土水悬浊液的密度来确定。17 第一章土的物理性质指标与工程分类3.土的级配曲线（1）粒径分布曲线（2）粒组频率曲线粒径分布曲线粒组频率曲线18 第一章土的物理性质指标与工程分类(五)颗粒分析试验曲线的主要用途按粒径分布曲线可求得：（1）土中各粒组的土粒含量，用于粗粒土的分类和大致评估土的工程性质；（2）某些特性粒径，用于建筑材料的选择和评价土级配的好坏。根据某些特征粒径，可得到两个有用的指标，即不均匀系数Cu和曲率系数Cc，它们的定义为：（1－2）19 (1－3)式中：d10，d30和d60为粒径分布曲线上小于某粒径的土粒含量分别为10％，30％和60％时所对应的粒径。d10称为有效粒径；d60称为限制粒径。第一章土的物理性质指标与工程分类20 土的级配的好坏可由土中的土粒均匀程度和粒径分布曲线的形状来决定，而土粒的均匀程度和曲线的形状又可用不均匀系数和曲率系数来衡量。Cu小，曲线陡；Cu大，易压密；Cc过大，台阶在d10~d30间；Cc过小，台阶在d30~d60间；第一章土的物理性质指标与工程分类21 第一章土的物理性质指标与工程分类土的级配的连续性也可用粒组频率曲线来反映。双峰，谷点<3％，不连续；规范：纯净砾、砂，Cu>=5，且Cc=1~3时，级配良好，否则，不良。22 第一章土的物理性质指标与工程分类二、土的液相（一）吸着水由土颗粒表面电分子力吸附在土粒表面的一层水。吸着水可分为强吸着水和弱吸着水。23 第一章土的物理性质指标与工程分类二、土的液相（一）吸着水大多数粘粒表面带有净的负电荷:原子替代;断键;氢氧离子中的氢离子被离解;吸着水形成原因:土粒表面的负电荷,阳离子,氢键。24 第一章土的物理性质指标与工程分类二、土的液相（一）吸着水强吸着水性质接近于固体，冰点很低，沸点较高，且不能传递压力。弱吸着水也称为薄膜水，不能传递压力，也不能在孔隙水中自由流动，但它可以因电场引力的作用从水膜厚的地方向水膜薄的地方转移。由于它的存在，使土具有塑性、粘性、影响土的压缩性和强度，并使土的透水性变小。吸着水厚度影响因素：成土矿物；阳离子浓度及化学性质(阳离子价低,厚;阳离子浓度高,薄)。25 第一章土的物理性质指标与工程分类(二）自由水离开土颗粒表面较远，不受土颗粒电分子引力作用，且可自由移动???的水称为自由水。（分为毛细管水和重力水）1.毛细管水土中存在许多大小不同的相互连通的弯曲孔道，由于水分子与土粒分子之间的附着力和水气界面上的表面张力，于是，将引起迫使相邻土粒相互积紧的压力，这个压力称为毛管水压力。26 第一章土的物理性质指标与工程分类在潮湿的粉、细砂中孔隙水仅存在于土粒接触点周围，彼此是不连续的。这时，由于空袭中的气与大气连通，因此，孔隙中的压力亦将小于大气压力。由毛管水压力引起的摩擦阻力犹如给予砂土以某些粘聚力，以致在潮湿的砂土中能开挖一定高度的直立坑壁。但一旦砂土被水浸饱和，则弯液面消失，毛管水压力变为零，这种粘聚力液就不再存在。把这种粘聚力称为假粘聚力。27 第一章土的物理性质指标与工程分类2.重力水在重力或水位差作用下能在土中流动的自由水称微重力水。具有溶解能力，能传递静水和动水压力，对土颗粒有浮力作用。当它在土孔隙中流动时，对所流经的土体施加渗流力（亦称动水压力、渗透力），计算中应考虑其影响。28 第一章土的物理性质指标与工程分类三、土的气相存在土中的气体分为两种基本类型：一种是与大气连通的气体；另一种是与大气不连通的以气泡形式存在的封闭气体。29 第一章土的物理性质指标与工程分类一、土粒间的相互作用当粘粒在溶液中沉淀时，粒间引力主要是范得华力（分子键），还有吸着水层中异性电荷引起的静电引力。引力:范得华力总是在极性颗粒之间产生引力，但它是一种短程力，约随粒间间距得六次方递减，而与溶液的性质无关。1-3土的结构30 第一章土的物理性质指标与工程分类一、土粒间的相互作用斥力:在两个土粒互相靠近，使颗粒表面吸着水层相搭接时，吸着水层中的阳离子不足以平衡土粒上得净负电荷就发生粒间斥力。大小取决于溶液的性质，并随粒间间距得指数函数递减。1-3土的结构31 第一章土的物理性质指标与工程分类二、土的结构（一）单粒结构32 第一章土的物理性质指标与工程分类二、土的结构（二）蜂窝状结构33 第一章土的物理性质指标与工程分类二、土的结构（三）絮状结构角、边与面接触时净引力最大，因此絮状结构的特征是土粒之间以角、边与面的接触或边与边的搭接形式为主。这种结构的土粒呈任意排列，具有较大的孔隙，其强度低，压缩性高，对扰动比较敏感。片堆结构34 第一章土的物理性质指标与工程分类1-4土的物理性质指标可分为两类：一类是必须通过试验测定的，如含水率、密度和土粒比重，称为直接指标；另一类是根据直接指标换算的，如孔隙比、孔隙率、饱和度等，称为间接指标。35 第一章土的物理性质指标与工程分类1-4土的物理性质指标一、试验直接测定的物理性质指标（一）土的密度ρ与重度γ土的密度定义为单位体积土的质量，用ρ表示，单位为Mg/m3(或g/cm3)。表达式如下：（1-4）对于粘性土，土的密度常用环刀法测定。36 第一章土的物理性质指标与工程分类土的重度亦称为容重，定义为单位体积土的重量，用γ表示，单位为kN/m3。表达式如下：（1-5）式中：W——土的重量，单位为kN；g——重力加速度。37 第一章土的物理性质指标与工程分类（二）土粒比重Gs土粒比重定义为土粒的质量（或重量）与同体积4℃时纯水的质量（或重量）之比（无因次），其表达式为：（1-6）或（1-7）式中：ρs——土粒的密度，即土粒单位体积的质量；（ρw）4℃——4℃时纯水的密度，1g/cm3（γw）4℃——4℃时纯水的重度。38 第一章土的物理性质指标与工程分类土粒比重常用比重瓶法测定，事先将比重瓶注满纯水，称瓶加水的质量。然后把烘干土若干克装入该空比重瓶内，再加纯水至满，称瓶加土加水的质量，按下式计算土粒比重：（1-8）式中：m1——瓶加水的质量；m2——瓶加土加水的质量；ms——烘干土的质量。39 第一章土的物理性质指标与工程分类（三）土的含水率w土的含水率，曾称为含水量，定义为土中水的质量与土粒的质量之比，以百分数表示，其表达式为：（1-9）测定含水率常用的方法是烘干法，先称出天然土的质量，然后放在烘箱中，在100℃～105℃常温下烘干，称得干土质量，按上式可算得。40 第一章土的物理性质指标与工程分类二、间接换算得物理性质指标（一）土的孔隙比e定义：土中孔隙的体积与土粒的体积之比，以小数表示，其表达式为：（1-10）（二）土的孔隙率n定义：土中孔隙的体积与土的总体积之比，或单位体积内孔隙的体积，以百分数表示，其表达式为：（1-11）41 第一章土的物理性质指标与工程分类（三）土的饱和度Sr定义：土中孔隙水的体积与孔隙体积之比，以百分数表示，其表达式为：（1-12）42 第一章土的物理性质指标与工程分类土的干重度：单位体积内土粒的重量，表达式为：（1-14）土烘干，体积要减小，因而，土的干密度不等于烘干土的密度。土的干密度或干重度也是评定土密实程度的指标，干密度或干重度愈大表明土愈密实，反之愈疏松。（四）干密度ρd与干重度γd土的干密度：单位体积内土粒的质量，表达式：（1-13）43 第一章土的物理性质指标与工程分类（五）饱和密度ρsat与饱和重度γsat饱和密度定义：土中孔隙完全被水充满土处于饱和状态时单位体积土的质量。表达式为：（1-15）44 第一章土的物理性质指标与工程分类在饱和状态下，单位体积土的重量称为饱和重度，其表达式为：（1-16）45 第一章土的物理性质指标与工程分类（六）浮密度ρ’与浮重度（有效重度）γ’土在水下，受到水的浮力作用，其有效重量减小，因此提出了浮重度，即有效重度的概念，其表达式为：（1-17）46 第一章土的物理性质指标与工程分类与其相应，提出了浮密度的概念，土的浮密度是单位体积内的土粒质量与同体积水质量之差，其表达式为：（1-18）或（1-19）从上述四种土的密度或重度的定义可知，同一土样各种密度或重度在数值上有如下关系：47 第一章土的物理性质指标与工程分类三、物理性质指标间的换算常用的土的物理指标共有九个。已知其中任意三个，通过换算可以求出其余的六个。（一）孔隙比与孔隙率的关系设土体内土粒的体积为1，则e=Vv/V可知，孔隙的体积Vv为e，土体的体积V为（1＋e），于是有：（1-20）或（1-21）三相示意图（a）48 第一章土的物理性质指标与工程分类（二）干密度与湿密度和含水率的关系设土体的体积V为1，则ρd=ms/V，土体内土粒的质量ms为ρd，由w=mw/ms水的质量mw为wρd。于是，按式（1－4）的定义可得：或（1-22）49 第一章土的物理性质指标与工程分类（三）孔隙比与比重和干密度的关系设土体内土粒的体积为1，则按e=Vv/V，孔隙的体积vv为e；由ρs＝ms/Vs得土粒的质量ms为ρs。于是，按ρd的定义可得：应用式（1－6）整理得：(1-23)50 第一章土的物理性质指标与工程分类（四）饱和度与含水率、比重和孔隙比得关系设土体内土粒的体积为1，则按e=Vv/V得体积vv=e；由ρs＝ms/Vs得土粒的质量ms=ρs。按w=mw/ms，水得质量mw=wρs，则水得体积vw=mw/ρw=wρs/ρw。于是，Sr定义可得：（1-24）当土饱和时，即Sr为100％，则：（1-25）式中：wsat——饱和含水率。51 第一章土的物理性质指标与工程分类（五）浮密度与比重和孔隙比得关系设土体内土粒体积为1，则按e=Vv/V，孔隙的体积Vv为e；由ρs＝ms/Vs得土粒的质量ms为ρs。于是，按式（1－18）可得：（1-26）52 第一章土的物理性质指标与工程分类【例题1－3】某一块试样在天然状态下的体积为60cm3，称得其质量为108g，将其烘干后称得质量为96.43g，根据试验得到的土粒比重Gs为2.7，试求试样的湿密度、干密度、饱和密度、含水率、孔隙比、孔隙率和饱和度。【解】（1）已知V＝60cm3，m=108g，则由式（1－4）得ρ=m／v=180／60=1.8g/cm353 第一章土的物理性质指标与工程分类（2）已知ms=96.43g，则mw=m－ms=108－96.43=11.57g按式（1－9），于是w=mw／ms＝11.57／96.43=12%（3）已知Gs=2.7，则Vs=ms／ρs=96.43／2.7＝35.7cm3Vv=V－Vs=60－35.7＝24.3cm3按式（1－10），于是e=Vv／Vs＝24.3／35.7=0.68（4）按式（1－11）n=Vv／V＝24.3／60=40.5％（5）根据ρw的定义Vw=mw／ρw=11.57／1＝11.57cm3于是按式（1－12）St=Vw／Vv=11.57／24.3＝48％54 第一章土的物理性质指标与工程分类1-5无粘性土得相对密实度、粘性土得稠度及土的压实性一、无粘性土的相对密实度常用相对密实度Dr来衡量无粘性土的松紧程度，其定义为（1-27）式中：Dr——相对密实度；emax——无粘性土处在最松状态时的孔隙比；emin——无粘性土处在最密状态时的孔隙比；e0——无粘性土得天然孔隙比或填筑孔隙比。55 第一章土的物理性质指标与工程分类按式（1－23）可得相对密实度得使用表达式（1-28）式中：ρdmax——无粘性土的最大干密度；ρdmin——无粘性土的最小干密度；ρd——无粘性土的天然干密度或填筑干密度。将风干的无粘性土试样用漏斗法测定其最小干密度，用振击法测定其最大干密度。56 第一章土的物理性质指标与工程分类在工程上，用相对密实度Dr划分无粘性土的状态如下：0＜Dr≤1/3疏松的1/3＜Dr≤2/3中密的2/3＜Dr≤1密实的57 第一章土的物理性质指标与工程分类二、粘性土的稠度（一）粘性土的稠度状态稠度指粘性土的干湿程度或在某一含水率下抵抗外力作用而变形或破坏的能力，是粘性土最主要的物理状态指标。流动、软、可塑、硬等描述四种状态可塑性：土在外力作用下可改变形状但不显著改变其体积也不开裂，外力卸除厚仍能保持已有的形状。58 第一章土的物理性质指标与工程分类（二）界限含水率及其测定1.界限含水率粘性土从一种状态过渡到另一种状态，可用某一界限含水率来区分，这种界限含水率称为稠度界限或阿太堡界限。液限（WL）——从流动状态转变为可塑状态的界限含水率，也就是可塑状态的上限含水率；塑限（Wp）——从可塑状态转变为半固体状态的界限含水率，也就是可塑状态的下限含水率；缩限（Ws）——从半固体状态转变为固体状态的界限含水率，亦即粘性土随着含水率的减小而体积开始不变时的含水率。59 第一章土的物理性质指标与工程分类2.液、塑限的测定测定塑限的方法：搓滚法和液、塑限联合测定法。测定液限的方法：碟式仪法和液、塑限联合测定法。液、塑限联合测定法：塑限－5秒入土2mm时的含水率10mm液限－5秒入土10mm时的含水率17mm液限－5秒入土17mm时的含水率60 第一章土的物理性质指标与工程分类2.液、塑限的测定测定塑限的方法：搓滚法和液、塑限联合测定法。测定液限的方法：碟式仪法和液、塑限联合测定法。25击合拢长度＝13mm时含水率为液限。61 第一章土的物理性质指标与工程分类土的缩限用收缩皿法测定，把土料的含水率调制到大于土的液限，然后将试样分层填入收缩皿中，刮平表面，烘干，测出干试样的体积并称量准确至0.1g后，按下式计算：（1-29）式中：ws——土的缩限（％）w——制备时的含水率（％）V1——湿试样的体积（cm3），V2——干试样的体积（cm3）62 第一章土的物理性质指标与工程分类（三）塑性指数和液性指数1.塑性指数塑性指数：液限和塑限之差的百分数值（去掉百分号）。用Ip表示，取整数，即：塑性指数越高，吸着水含量可能高，土的粘粒含量越高。63 第一章土的物理性质指标与工程分类2.液性指数粘性土的状态可用液性指数来判别。定义为：（1-31）式中：IL——液性指数，以小数表示；w——土的天然含水率。液性指数表征了土的天然含水率与界限含水率之间的相对关系，表达了天然土所处的状态。当w≤wp时，IL≤0，土处于坚硬状态；wp＜w≤wL时，0＜IL≤1.0，土处于可塑状态；wL＜w时，IL＞1.0，土处于流动状态。64 第一章土的物理性质指标与工程分类三、土的压实性土的压实性：指在一定的含水率下，以人工或机械的方法，使土能够压实到某种密实度的性质。填土的密实程度常以干密度表示击实试验《土工试验方法标准》（国家标准）轻型：d<5mm；V=947cm3,m=2.5kg,3层25击，落高30.5cm重型：d<40mm；V=2104cm3,m=4.5kg,5层56击，落高47.7cm65 第一章土的物理性质指标与工程分类三、土的压实性土的压实性影响因素：（一）含水率的影响最大干密度（对于与某N），最优含水率wop66 第一章土的物理性质指标与工程分类三、土的压实性土的压实性影响因素：（二）击实功能的影响1、土料的最大干密度和最优含水率不是常数。2、当含水率较低时击数的影响较显著。（三）土类和级配的影响粘粒含量高，Ip大，难压密；级配良好，易压密；（四）粗粒含量的影响对d>5mm粒径的含量不超过25％～30％时，仍可用轻型击实，但要修正。问题：d>5mm粒径的含量较少时是剔除好：还是修正好？或者干脆用重型？67 1-6土的工程分类第一章土的物理性质指标与工程分类粗粒土按颗粒组成进行分类；粘性土按塑性指数分类。一、《土的分类标准》（一）巨粒土和含巨粒土的分类巨粒土和含巨粒土应按试样中所含粒径大于60mm的巨粒组含量来划分。试样中含巨粒组质量多于总质量的50％的土称为巨粒土；试样中巨粒组质量为总质量的15％～50％的土称为巨粒混合土；试样中巨粒组质量少于总质量的15％的土，可扣除巨粒，按粗粒土或细粒土的相应规定分类定名。68 第一章土的物理性质指标与工程分类（二）粗粒土的分类试样中粒径大于0.075mm的粗粒组质量多于总质量50％的土称为粗粒土。粗粒土又分为砾类土和砂类土两类。试样中粒径大于2mm的砾粒组质量多于总质量的50％的土称为砾类土；试样中粒径大于2mm的砾粒组质量少于或等于总质量50％的土称为砂类土。69 第一章土的物理性质指标与工程分类（三）细粒土的分类试样中粒径小于0.075mm的细粒组质量多于或等于总质量的50％的土称为细粒土。细粒土应按下列规定划分：1、试样中粗粒组质量少于总质量的25％的土称为细粒土；2、试样中粗粒组质量为总质量的25％～50％的土称含粗粒的细粒土；3、试样中含部分有机质的土称有机质土。细粒土可按塑性图进一步细分。70 第一章土的物理性质指标与工程分类【例题1－7】有A，B，C三种土，它们的粒径分布曲线如图所示。已知B土的液限为38％，塑限为19％，C土的液限为47％，塑限为24％。试对这三种土进行分类。71 第一章土的物理性质指标与工程分类【解】（1）对A土进行分类：①从图1－28曲线A查得粒径大于60mm的巨粒含量为零，而粒径大于0.075mm的粗粒含量为98％，大于50％，所以A土属于粗粒土；②从图中查得粒径大于2mm的砾粒含量为63％，大于50％，所以A土属于砾类土；③细粒含量为2％，少于5％，该土属砾；④从图中曲线查得d10，d30和d60分别为0.32mm、1.65mm和3.55mm，因此，土的不均匀系数Cu=d60／d10=3.55／0.32＝11.0土的曲率系数Cc=(d30)2／d10d60＝1.652／0.32×3.55=2.4072 第一章土的物理性质指标与工程分类⑤由于Cu＞5，Cc＝1～3，所以A土属于级配良好砾（GW）。（2）对B土进行分类：①从图1－28的B曲线中查得大于0.075mm的粗粒含量为72％，大于50％，所以B土属于粗粒土；②从图中查得大于2mm的砾粒含量为8％，小于50％，所以B土属于砂类土，但小于0.075mm的细粒含量为28％，在15％~50%之间，因而B土属于细粒土质砂；③由于B土的液限为38％，塑性指数Ip＝38－19＝19，在17mm塑性图上落在CL区，故B土最后应定名为粘土质砂（SC）。73 第一章土的物理性质指标与工程分类（3）对C土进行分类：①从图1－28的C曲线中查得大于0.075mm的粗粒含量为46％，介于25％～50％之间，所以C土属于含粗粒的细粒土；从图中查得大于2mm的砾粒含量为零，该土属于含砂细粒土；②由于C土的液限为47％，塑性指数Ip=47－24＝23，在17mm塑性图上落在CL区，故C土最后应定名为含砂低液限粘土（CLS）。74 第一章土的物理性质指标与工程分类二、《建筑地基基础设计规范》中的地基土分类该规范按土粒大小、粒组的土粒含量或土的塑性指数把地基土分为碎石土、砂土、粉土和粘性土四大类，然后再进一步细分。（一）碎石土的分类若土中粒径大于2mm的颗粒含量超过全重的50％，则该土属于碎石土。（二）砂土的分类若土中粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重的50％、粒径大于0.075mm的颗粒超过全重50％，则该土属于砂土。砾砂、粗砂、中砂、细砂、粉砂75 第一章土的物理性质指标与工程分类（三）粉土若土的塑性指数小于或等于10，粒径大于0.075mm的颗粒含量超过总量的50％，则该土属于粉土。（四）粘性土的分类若土的塑性指数大于10，粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过总量的50％，则该土属于粘性土。进一步地，将再静水或缓慢的流水环境中沉积，经生物化学形成，其天然含水率大于液限、天然孔隙比大于或等于1.5的粘性土称为淤泥。天然孔隙比小于1.5，但大于或等于1.0的粘性土称为淤泥质土。粘土：Ip>17粉质粘土：10