土力学与基础工程课件第一章A.ppt

第一章土的物理性质及工程分类第一节土的成因和组成第二节土的结构和构造第三节土的物理性质指标第四节土的物理状态指标第五节土的压实性第六节土的工程分类 第一节土的成因和组成一、土的生成（工程地质讲授）在漫长的地质年代中，土→岩石→土，永无休止的循环类型：残积土和运积土 二、土的组成三相体系固相（固体颗粒）液相（土中水）气相（土中气体）注意：饱和土和干土为两相体系固相是骨架三相相对含量的变化影响土的软硬、干湿、疏密 （一）土的固体颗粒（固相）土的固体颗粒构成土的骨架，其大小和形状、矿物成分以及大小搭配情况对土的物理力学性质有明显影响1、土的矿物成分(mineralcomposition)矿物成分取决于母岩的矿物成分和风化作用原生矿物(primarymineral)：岩浆冷凝过程中形成的矿物例：石英、云母、长石等特征：性质较稳定，颗粒大，比表面积小，遇水的作用能力弱，抗水性和抗风化作用都强，由其组成的土具有无粘性、透水性较大、压缩性较低的特点 次生矿物(secondarymineral)：原生矿物经化学风化后所形成的新的矿物三类重要的粘土矿物：高岭石、伊利石、蒙脱石特征：性质较不稳定，颗粒细小，比表面积大，与水的作用强，能发生一系列的物理化学变化。其中：蒙脱石晶格不稳定，亲水性最强，土中含量多时，土具有可塑性和高压缩性，强度低，渗透性小，具有较大的吸水膨胀和脱水收缩的特性；高岭石晶格稳定，亲水性最弱。 2、粘土矿物表面的带电性质伊斯试验：阳极水位下降、变浑，阴极水位升高，称之为电泳、电渗 双电层固定层扩散层 3、土的粒组(fraction)粒度(granularity)：土颗粒的大小粒径(particlediameter,grainsize)：土颗粒的形状、大小各异，但都可以将土颗粒的体积化为一个当量的小球体，据此可算出当量小球体的直径，称为当量直径，简称粒径粒组(fraction)：工程上通常把工程性质相近的一定尺寸范围的土粒划分为一组界限粒径(fractilesizeofgrain):划分粒组的分界尺寸《土的分类标准》(GBJ145-90)按界限粒径200mm、60mm、2mm、0.075mm和0.005mm的大小，将土粒粒组先粗分为巨粒、粗粒和细粒三个统称，再细分为六个粒组：漂石(boulder)（块石）、卵石(cobble)（碎石）、砾粒(gravel)、砂粒(sand)、粉粒(silt)和粘粒(clay)。 表1—1　土粒粒组划分粒组统称粒组名称粒径范围(mm)一般特征巨粒漂石（块石）>200透水性很大，无粘性，无毛细水卵石（碎石）200~60粗粒砾粒粗砾细砾60~2020~2透水性大，无粘性，毛细水上升高度不超过粒径大小砂粒2~0.075易透水，当混入云母等杂质时透水性减小，而压缩性增加；无粘性，遇水不膨胀，干燥时松散；毛细水上升高度不大，随粒径变小而增大细粒粉粒0.075~0.005透水性小，湿时稍有粘性，遇水膨胀小，干时稍有收缩；毛细水上升高度较大较快，极易出现冻胀现象粘粒<0.005透水性很小，湿时有粘性、可塑性，遇水膨胀大，干时收缩显著；毛细水上升高度大，但速度较慢 为了表示土粒的大小及组成情况，通常以土中各个粒组的相对含量（即各粒组占土粒总量的百分数）来表示，称为土的颗粒级配4、土的颗粒级配(gradationofgrains)颗粒级配曲线(gradingcurve，grainsizedistributioncurve)以土粒粒径为横坐标（对数比例尺），小于某粒径土质量占试样总质量的百分数为纵坐标绘制而成的曲线。由于土中的粒径相差悬殊，因此横坐标用对数坐标表示，以突出显示细小颗粒粒径。 **级配曲线的特点：曲线平缓：拉长（左右）颗粒相差悬殊、不均匀、级配良好→工程上易于压实。曲线陡：颗粒相差不大、均匀、级配不良→工程上不易压实。某粒径的土粒质量占总量60%的粒径，称限定粒径小于某粒径的土粒质量占总量的10%的粒径，称有效粒径不均匀系数 良好级配土不良级配土不连续级配土土的颗粒级配曲线 颗粒级配的描述工程上常用不均匀系数Cu(coefficientofuniformity)描述颗粒级配的不均匀程度曲率系数Cc(coefficientofcurvature)描述颗粒级配曲线整体形态，表明某粒组是否缺失的情况d10、d30、d60小于某粒径的土粒含量为10%、30%和60%时所对应的粒径有效粒径限定粒径中值粒径Cu愈大，表示土粒愈不均匀。工程上把Cu＜5的土视为级配不良土(poorly-gradedsoil)；Cu＞10的土视为级配良好土(well-gradedsoil)对于砾类土或砂类土，同时满足Cu≥5和Cc=1～3时，定名为良好级配砂或良好级配砾 5、颗粒分析试验(grainsizetest,particlesizeanalysis)A.筛分法(methodofsieving)适用于0.075mm≤d≤60mm用一套孔径不同的筛子，按从上至下筛孔逐渐减小放置。将事先称过质量的烘干土样过筛，称出留在各筛上的土质量，然后计算其占总土粒质量的百分数 5、颗粒分析试验(grainsizetest,particlesizeanalysis)B.密度计法(densimetermethod)适用于d＜0.075mm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 （二）土中水1、土中的水土中水的含量明显地影响土的性质(尤其是粘性土)。土中水除了一部分以结晶水的形式吸附于固体颗粒的晶格内部外，还存在结合水和自由水固定层扩散层 1.结合水（boundwater）(吸着水(absorbedwater))是由土颗粒表面电分子力吸附在土粒表面的一层水强结合水(firmlyboundwater)：紧靠于颗粒表面、所受电场的作用力很大、几乎完全固定排列、丧失液体的特性而接近于固体,－78°C才冻结，在温度达105°C以上时才可被蒸发，且不能传递压力,具有极大的粘滞度、弹性和抗剪强度。弱结合水(looselyboundwater)：紧靠强结合水的外围形成的结合水膜，所受的电场作用力随着与颗粒距离增大而减弱，呈粘滞状态，不能传递压力，也不能在孔隙中自由流动，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。弱结合水的存在，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。 2.自由水（freewater）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,性质和普通水无异，能传递水压力，冰点为0℃，有溶解能力毛细水(capillarywater)：不仅受到重力的作用，还受到表面张力的支配，能沿着土的细孔隙从潜水面上升到一定的高度。这种毛细上升对于公路路基土的干湿状态及建筑物的防潮有重要影响。重力水(gravitationalwater)：在重力或压力差作用下能在土中渗流，对于土颗粒和结构物都有浮力作用，在土力学计算中应当考虑这种渗流及浮力的作用力。 毛细水压力的存在，增加了粒间错动的摩擦阻力。这种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，这种粘聚力也就不再存在。因而，把这种粘聚力称为假粘聚力（毛细粘聚力）。 土的冻胀和融陷负温下，土中的自由水首先冻结成冰晶体，随着温度的下降，弱结合水的最外层也开始冻结，产生冻胀势，使得下卧未冻结区的弱结合水被吸引过来，参与冻结，使冰晶体增大，在土层中形成冰夹层，土体隆起，即冻胀(frostheave)现象。土体解冻时，冰晶体融化，土体随之下陷，即出现融陷(thawcollapsibility)现象。影响因素：（1）土的因素：细粒土：粉砂、粉土、粉质粘土（2）水的因素：有外来水源补给，地下水位高（3）温度的因素：气温缓降，负温持续时间长地基土冻胀性分类：不冻胀、弱冻胀、冻胀、强冻胀和特强冻胀五种类型 （三）土中的气土中气体存在于土孔隙中未被水占据的部分，分为与大气连通的非封闭气体和与大气不连通的封闭气体1.非封闭气体：受外荷作用时被挤出土体外，对土的性质影响不大2.封闭气体：受外荷作用，不能逸出，被压缩或溶解于水中，压力减小时能有所复原，对土的性质有较大的影响，使土的渗透性减小，弹性增大和延长土体受力后变形达到稳定的历时 第二节土的结构和构造一、土的结构(soilstructure)指土的物质组成（主要指土粒，也包括孔隙）在空间上的相互排列以及土粒间的联结特征的综合1.单粒结构(single-grainedstructure)：粗大颗粒在水或空气中在自重作用下沉落而形成，其特点是土粒间存在点与点的接触。根据形成条件不同，可分为疏松状态和密实状态密实状态疏松状态 2.蜂窝结构(cellarstructure)：颗粒间点与点接触，由于彼此之间引力大于重力，接触后，不再继续下沉，形成链环单位,很多链环联结起来，形成孔隙较大的蜂窝状结构蜂窝结构絮状结构3.絮状结构(flocculentstructure)：细微粘粒大都呈针状或片状，质量极轻，在水中处于悬浮状态。当悬液介质发生变化时，土粒表面的弱结合水厚度减薄，粘粒互相接近，凝聚成絮状物下沉，形成孔隙较大的絮状结构 二、土的构造(soiltexture)在同一土层中的物质成分和颗粒大小等都相近的各部分之间的相互关系的特征,主要特征是土的成层性和裂隙性,即层理构造和裂隙构造，二者都造成了土的不均匀性1.层理构造：土粒在沉积过程中,由于不同阶段沉积的物质成分、颗粒大小或颜色不同,而沿竖向呈现出成层特征2.分散构造：粒组无明显层次、粗细颗粒混杂，各部分性质相近，主要在残积、洪积、冰积土中3.均质构造：层理不显著，宏观质地均匀 第三节土的物理性质指标气水土粒msmwmVsVwVVa质量m体积VVv一、土的三相图ma注意：9个量现有的等式5个下余4个未知量考虑的是比例关系这样仅剩三个，三个实验即可 气水土粒msmwmVsVwVVa质量m体积V1.土的密度(density)ρ：单位体积土的质量密度单位：g/cm3,t/m3天然状态下土的密度变化范围很大，一般为1.6~2.2g/cm3。测定方法：通常用环刀法(cutting-ringmethod)二、直接测定指标重力加速度，近似取10m/s2重度单位：kN/m3ma工程中常用重度(unitweight)来表示单位体积土的重力 气水土粒msmwmVsVwVVa质量m体积V2.土的含水量(moisturecontent)w：土中水的质量与土粒质量之比，以百分数表示土的含水量是标志土含水程度的一个重要物理指标。天然土层含水量变化范围较大，与土的种类、埋藏条件及其所处的自然地理环境等有关。测定方法：通常用烘干法(ovendryingmethod)，亦可近似用酒精燃烧法ma 气水土粒msmwmVsVwVVa质量m体积V3.土粒相对密度ds（土粒比重)(specificdensityofsoilparticles)：土粒质量与同体积的4℃时纯水的质量之比土粒相对密度变化范围不大：细粒土（粘性土）一般2.70～2.75；砂土一般为2.65左右。土中有机质含量增加，土粒相对密度减小测定方法：通常用比重瓶法(pycnometricmethod)ma 三、换算指标气水土粒msmwmVsVwVVVa质量m体积V1.孔隙比e和孔隙率n孔隙比(voidratio)e：土中孔隙体积与土粒体积之比孔隙率(porosity)n：土中孔隙体积与总体积之比，以百分数表示注：e和n是反映土体密实度的重要指标；一般e<0.6的土是密实的，e>1.0的土是疏松的ma 2.土的饱和度(degreeofsaturation)Sr：土中孔隙水的体积与孔隙总体积之比，以百分数表示饱和度描述土中孔隙被水充满的程度。干土Sr=0,饱和土Sr=100%。砂土根据饱和度分为三种状态:Sr≤50%稍湿；50％＜Sr≤80%很湿；Sr＞80%饱和气水土粒msmwmVsVwVVVa质量m体积Vma 3.不同状态下土的密度和重度饱和密度(saturationdensity)ρsat：土体中孔隙完全被水充满时的土的密度干密度(drydensity)ρd:单位体积中固体颗粒部分的质量浮密度(buoyantdensity)ρ：土单位体积内土粒质量与同体积水的质量之差土的三相比例指标中的质量密度指标共有4个，土的密度ρ，饱和密度ρsat，干密度ρd，浮密度ρ(t/m3),相应的重度指标也有4个，土的重度(unitweight)，饱和重度sat，干重度d，浮重度(kN/m3)气水土粒msmwmVsVwVVVa质量m体积Vma 四、指标间的换算气水土粒dsρwVs＝11+e质量m体积V土的三相指标中，土粒比重ds，含水量w和密度ρ是通过试验测定的，可以根据三个基本指标换算出其余各指标Vv=ewdsρwds（1＋w）ρw推导：换算关系式：0 五、例题分析【例】某土样经试验测得体积为100cm3，湿土质量为187g，烘干后，干土质量为167g。若土粒的相对密度ds为2.66，求该土样的含水量w、密度ρ、重度、干重度d、孔隙比e、饱和重度sat和有效重度【解答】 第四节土的物理状态指标一、粗颗粒土的密实度土的密实度指单位体积土中固体颗粒的含量。根据土颗粒含量的多少，天然状态下的砂、碎石等处于从紧密到松散的不同物理状态。无粘性土的密实度与其工程性质有着密切关系1.孔隙比e孔隙比e可以用来表示砂土的密实度。对于同一种土，当孔隙比小于某一限度时，处于密实状态。孔隙比愈大，土愈松散2.相对密实度(relativedensity)Dr砂土在最松散状态时的孔隙比砂土在天然状态下孔隙比砂土在最密实状态时的孔隙比 当Dr=0时，e=emin，表示土处于最疏松状态;当Dr=1.0时，e=emax，表示土体处于最密实状态3.按动力触探确定无粘性土的密实度Dr≤1/3疏松状态1/3＜Dr≤2/3中密状态2/3＜Dr≤1密实状态天然砂土的密实度，可按原位标准贯入试验的锤击数N进行评定。天然碎石土的密实度，可按原位重型圆锥动力触探的锤击数N63.5进行评定(GB50007-2002)密实度按N评定砂石密实度按N63.5评定碎石土密实度松散稍密中密密实N≤10N63.5≤510＜N≤155＜N63.5≤1015＜N≤3010＜N63.5≤20N＞30N63.5＞20 二、粘性土的稠度（一）粘性土的稠度状态当含水量很大时，象液体泥浆那样，不能保持其形状，极易流动，称其处于流动状态（liquidstate）。随着含水量逐渐减小，泥浆变稠，体积收缩，其流动能力减弱，逐渐进入可塑状态（plasticstate）。这时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，外力卸除后仍能保持已有的形状，粘性土的这种性质称为可塑性（plasticity）。当含水量继续减小时，粘性土将丧失其可塑性，在外力作用下不产生较大的变形而容易碎裂，土进入半固体状态（semisolidstate）。若使粘性土的含水量进一步减小，它的体积也不再收缩，这时，空气进入土体，使土的颜色变淡，土就进入了固体状态（solidstate）。 （二）粘性土的界限含水量粘性土由某一种状态过渡到另一状态的分界含水量称为界限含水量，首先由瑞典科学家阿太堡（1911）提出，故又称其为阿太堡界限（Atterberglimits）：液限(liquidlimit)塑限(plasticlimit)缩限(shrinkagelimit)0固态半固态SolidstateSemisoildstate可塑状态Plasticstate流动状态Liquidstatew塑限wP液限wL缩限ws 1、液限的测定A锥式液限仪：B碟式液限仪：1.备土2.装满盛土杯3.刮平杯口面4.圆锥体下沉5.15s入土深度10mm时，土样含水量为wL1.备土2.装入碟内3.刮平表面4.切槽器划槽，槽底宽2mm5.碟子抬高10mm，自由下落，连续25次，土槽合拢13mm，土样含水量为wL 2、塑限的测定A搓条法B液塑限联合测定将土先调匀成硬塑状态，然后在毛玻璃板上用手掌搓滚成细条，当土条搓成直径正好为3mm时产生横向裂缝并开始断裂，此时土条的含水量就是塑限对三个不同含水量的土样，用锥式液限仪测试，在双对数坐标纸上作出入土深度与含水量的直线，则2mm对应塑限，10mm对应液限下沉深度为10mm所对应的含水量为液限;下沉深度为2mm处所对应的含水量为塑限 （三）粘性土的塑性指数和液性指数塑性指数(plasticityindex)IP是液限和塑限的差值(省去%)，即土处在可塑状态的含水量变化范围说明：塑性指数的大小取决于土颗粒吸附结合水的能力,即与土中粘粒含量有关。粘粒含量越多,塑性指数就越高液性指数(liquidityindex)IL是粘性土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比说明：当IL≤0时,w≤wP,土处于坚硬状态;当IL＞1时,w＞wL,土处于流动状态。根据IL值可以直接判定土的软硬状态。注意：液限和塑限都是由扰动土样确定的，所以用液性指数判断粘性土的软硬状态，没有考虑土原有结构的影响。状态液性指数坚硬硬塑可塑软塑流塑IL≤00＜IL≤0.250.25＜IL≤0.750.75＜IL≤1IL＞1 （四）粘性土的灵敏度和触变性灵敏度(sensitivityofsoil)St为原状土和重塑土试样的无侧限抗压强度之比，用来衡量粘性土结构性对强度的影响。说明：灵敏度越高，其结构性越强，受扰动后土的强度降低就越多。因此，基础工程施工中必须注意保护基槽，尽量减少对土结构的扰动。触变性(thixotropy)指扰动停止后，土的强度随时间又会逐渐增长的胶体化学性质。 第五节土的压实性一、土的击实试验(compactiontest)在试验室内通过击实试验研究土的压实性。击实试验有轻型和重型两种。击实筒护筒击锤导筒轻型击实试验适用于粒径小于5mm的土，击实筒容积为947cm3，击锤质量为2.5kg。把制备成一定含水量的土料分三层装入击实筒，每层土料用击锤均匀锤击25下，击锤落高为30.5cm重型击实试验适用于粒径小于40mm的土，击实筒容积为2104cm3，击锤质量为4.5kg，击锤落高为45.7cm。分五层击实，每层56击。根据击实后土样的密度和实测含水量计算相应的干密度 二、填土的击实特性影响土压实性的因素很多，主要有含水量、击实功能、土的种类和级配等1.含水量的影响ρdmaxwρd0wop当含水率较低时，击实后的干密度随含水量的增加而增大。而当干密度增大到某一值后，含水量的继续增加反使干密度的减小。干密度的这一最大值称为该击数下的最大干密度，与它对应的含水量称为最优含水量(optimumwatercontent)说明：当击数一定时，只有在某一含水量下才获得最佳的击实效果 2.击实功能的影响说明：填料的含水率过高或过低都是不利的。含水率过低，填土遇水后容易引起湿陷；过高又将恶化填土的其他力学性质。因此，在实际施工中填土的含水率控制得当与否，不仅涉及到经济效益，而且影响到工程质量w0ρd击数403020饱和线1.土料的最大干密度和最优含水量不是常数。最大干密度随击数的增加而逐渐增大,最优含水量逐渐减小。然而，这种变化速率是递减的。同时，光凭增加击实功能来提高土的最大干密度是有限的2.当含水量较低时击数的影响较显著。当含水量较高时，含水量与干密度关系曲线趋近于饱和线，这时提高击实功能是无效的 3.土类和级配的影响击实试验表明，在相同击实功能下，粘性土粘粒含量愈高或塑性指数愈大，压实愈困难，最大干密度愈小，最优含水量愈大无粘性土的击实曲线和粘性土击实曲线不同，在含水量较大时得到较高的干密度，因此在无粘性土实际填筑中，通常要不断洒水使其在较高的含水量下压实wρd0无粘性土的击实曲线说明：土的级配对土的压实性影响很大。级配良好的土，易于压实，级配不良的土，不易压实，因为级配良好的土有足够的细粒去充填较粗粒形成的孔隙，因而能获得较高的干密度 压实系数现场碾压的最大干密度室内试验所得最大干密度结构类型填土部位压实度控制含水量砌体承重结构和框架结构在地基主要受力层范围内≥0.97ωop±2在地基主要受力层范围以下≥0.95简支结构和排架结构在地基主要受力层范围内≥0.96在地基主要受力层范围以下≥0.94压实填土地基质量控制值 第六节土的工程分类一、分类的目的和原则土的分类体系就是根据土的工程性质差异将土划分成一定的类别，目的在于通过通用的鉴别标准，便于在不同土类间作有价值的比较、评价、积累以及学术与经验的交流分类原则：1.分类要简明，既要能综合反映土的主要工程性质，又要测定方法简单，使用方便2.土的分类体系所采用的指标要在一定程度上反映不同类工程用土的不同特性 二、分类体系与方法分类体系：1.建筑工程系统分类体系2.工程材料系统分类体系侧重把土作为建筑地基和环境，研究对象为原状土，例如：《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2002)地基土分类方法侧重把土作为建筑材料，用于路堤、土坝和填土地基工程。研究对象为扰动土，例如：《土的分类标准》(GBJ145-90)工程用土的分类和《公路土工试验规程》(JTJ051-93)土的工程分类 c.砂土(sand)的分类粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重50%的土，且粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重50%的土称为砂土土的名称漂石块石卵石碎石圆砾角砾颗粒形状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形及亚圆形为主棱角形为主颗粒级配粒径大于200mm的颗粒含量超过全重50％粒径大于20mm的颗粒含量超过全重50％粒径大于2mm的颗粒含量超过全重50％注：定名时应根据颗粒级配由大到小以最先符合者确定碎石土的分类 d.粉土(silt)的分类粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重50%，塑性指数IP≤10的土称为粉土土的名称砾砂粗砂中砂细砂粉砂颗粒级配粒径大于2mm的颗粒含量占全重25％～50％注：定名时应根据颗粒级配由大到小以最先符合者确定粒径大于0.5mm的颗粒含量超过全重50％粒径大于0.25mm的颗粒含量超过全重50％粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重85％粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重50％砂土的分类e.粘性土(clay)的分类粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过全重50%，塑性指数IP＞10的土称为粘性土，粘性土根据塑性指数细分土的名称粘土粉质粘土塑性指数注：塑性指数由相应于76g圆锥体沉入土样中深度为10mm测定的液限计算而得IP＞1710＜IP≤17 f.人工填土(fill)的分类由于人类活动而形成的堆积物称为人工填土。物质成分较杂乱,均匀性较差，根据其物质组成和成因,可分为素填土(plainfill)、杂填土(miscellaneousfill)和冲填土(dredgerfill)g.特殊土(specialsoil)特殊土指具有一定区域分布或工程意义上具有特殊成分、状态和结构特征的土。包括：软土(softsoil)、红粘土(adamicearth,redclay)、膨胀土(swellingsoil,expansivesoil)、多年冻土(perenialfrozensoil)、盐渍土(halomorphicsoil,salinesoil)等。 细粒土按塑性图(plasticitychart)分类1947年由美国学者Cassagrande提出