土力学之土的工程分类.ppt

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1、第二章 土的物理性质及工程分类,2.1概述 2.2土的成因和组成 2.3土的物理性质指标 2.4无粘性土的密实度 2.5粘性土的物理特性 2.6土的渗透及渗流 2.7土的动力特性 2.8地基土的工程分类,主要内容,土的物理性质概述,岩石,风化（物理、化学）作用,岩石破碎 化学成分改变,搬运沉积,大小、形状和成分都不相同的松散颗粒集合体（土）,土,固相,液相,气相,土中颗粒的大小、成分及三相之间的相互作用和比例关系，反映出土的不同性质,2.1 概述,2.2 土的成因和组成,一、土的组成,1.土粒的矿物成分,原生矿物,由岩石经过物理风化形成，其矿物成分与母岩相同,特征：,矿物成分的性质较稳定，由其

2、组成的土具有无粘性、透水性较大、压缩性较低的特点,例：石英、云母、长石等,（一）土的固体颗粒,次生矿物,特征：,岩石经化学风化后所形成的新的矿物，其成分与母岩不相同,例：粘土矿物有高岭石、伊利石、蒙脱石等,性质较不稳定，具有较强的亲水性，遇水易膨胀的特点,2.土粒粒组,粒度：土粒的大小,粒组：大小、性质相近的土粒合并为一组,界限粒径：划分粒组的分界尺寸,蒙 脱 石,粒组划分示意图,3.土的颗粒级配,定义：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,试验方法,筛分法：适用于0.075mmd60mm,比重计法:适用于d0.075mm,筛分法,用一套孔径不同的

3、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,筛分法（d0.075mm的土）,密度计法（d0.075mm的土）,表格法,表示方法,表格法,颗粒级配曲线法,颗粒粒径级配曲线,纵坐标表示小于某粒径的土粒含量百分比,横坐标表示土粒的粒径(对数坐标）,颗粒级配的描述,工程上常用不均匀系数Cu描述颗粒级配的不均匀程度,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,Cu愈大，表示土粒愈不均匀。工程上把Cu5的土视为级配不良的土； Cu10的土视为级配良好的土,曲率系数Cc描述颗粒级配曲线整体形态

4、，表明某粒组是否缺失情况,对于砾类土或砂类土，同时满足Cu5和Cc=13时，定名为良好级配砂或良好级配砾,水,固态水,液态水,气态水,结合水,自由水,强结合水,弱结合水,重力水,毛细水,1.土中水的存在形态,受电分子吸引力作用吸附于土粒表面的土中水,存在于土粒表面电场影响范围以外的土中水,存在地下水位以下、土颗粒电分子引力以外的水,受到水与空气表面张力的作用，地下水位以上的透水层中的自由水,（二）土中的水,土中毛细现象,上升高度:,r2hcw=2rTcos,毛细水,毛细升高与孔径成反比,分析对象: 水柱,粘土、粉土、砂土、砾石,毛细水：是受到水与空气交界面处表面张力作用、存在地下水位以上的透水

5、层中的水,毛细现象: 土中水在表面张力作用下，沿着细的空隙向上及向其他方向移动的现象,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,三、 土中的气体,粘土颗粒,水分子,极 性,双电层与扩散层,结合水概念 强结合水、弱结合水 双电层概念,水分子,极 性,2.2.2.2粘土颗粒与水的相互作用,2.2.2.4 土的冻胀,（1）冻胀现

6、象：某些细粒土层随着土中水的冻结，土体产生体积膨胀，这种现象称为冻胀现象。,土层发生冻胀的原因，不仅是由于水分冻结成水时其体积要增大9的缘故，而主要是由于土层冻结时，周围未冻结区中的水分会向表层冻结区迁移集聚，使冻结区土层中的水分增加，冻结的水分逐渐增多，土体积也随之发生膨胀隆起。,（2）融陷现象：当土层解冻时，土中积聚的冰晶体融化，土体随之下陷，这种现象称为融陷现象。,3冻土现象对工程的危害 （1）冻胀时，路基被隆起，柔性路面鼓包、开裂，刚性路面错缝或折断； （2）修建在冻土上的建筑物，冻胀引起建筑物的开裂、倾斜甚至轻型构筑物倒塌； （3）发生融陷后，路基土在车辆反复碾压下，轻者路面变得松软

7、，重者路面翻浆。 （4）季节性冻土地区，当土层解冻融化后，土层软化，强度大大降低，使得房屋、桥梁和涵管等发生过量沉降和不均匀沉降，引起建筑物的开裂破坏。 因此，冻土现象必须引起注意，并采取必要的防治措施。,2.2.3土的结构和构造,在成土过程中所形成的土粒的空间排列及其联结形式，与组成土的颗粒大小、颗粒形状、矿物成分和沉积条件有关,1.单粒结构：粗矿物颗粒在水或空气中在自重作用下沉落形成的单粒结构，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,土的结构,强度大，压缩性小,土粒易移动，变形大,2.蜂窝结构：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

8、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,3.絮状结构：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,土的构造,土的构造是指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.裂隙构造：土体被许多不连续的小裂隙所分割,在裂隙中常充填有各种盐类的沉淀物,2.3

9、 土的物理性质指标,一、土的三相图,质量m,体积V,2.3.1 三个基本试验指标,1.土的密度：单位体积土的质量,工程中常用重度来表示单位体积土的重力,重力加速度，近似取10m/s2,2.土粒相对密度ds（土粒比重）：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2.702.75；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,2.3.1 指标的定义,3.土的含水量：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：

10、通常用烘干法，亦可近似用酒精燃烧法,不同状态下土的密度和重度,（2）饱和密度sat ：土体中孔隙完全被水充满时的土的密度,（1）干密度d ：单位体积中固体颗粒部分的质量,（3）浮密度 ：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，饱和密度sat，干密度d，浮密度 (kg/m3),相应的重度指标也有4个，土的重度，饱和重度sat，干重度d，浮重度 (kN/m3),2.3.1.2 反映土单位体积质量的指标（换算指标）,2.3.1.3 反映土的孔隙特征、含水程度的指标,1.孔隙比e和孔隙率n,孔隙比e ：土中孔隙体积与土粒体积之比,2.土的饱和度Sr

11、 ：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:,孔隙率n ：土中孔隙体积与总体积之比，以百分数表示,Sr50%稍湿； 50Sr80%很湿； Sr80%饱和,2.3.2 指标间的换算,质量m,体积V,土的三相指标中，土粒比重ds ，含水量和密度是通过试验测定的，可以根据三个基本指标换算出其余各指标,推导：,换算关系式：,2.4 无粘性土的密实度,一、无粘性土的密实度,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

12、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Dr,砂土在天然状态下孔隙比,砂土在最密实状态时的孔隙比,砂土在最松散状态时的孔隙比,当Dr=0时， e=emax ，表示土处于最疏松状态;当Dr=1.0时， e=emin ，表示土体处于最密实状态,3.按标准贯入试验确定无粘性土的密实度,Dr1/3,疏松状态,1/3Dr2/3,中密状态,2/3Dr1,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

13、进行评定(GB50007-2002),标准贯入试验 （Standard Penetration Test）,标准贯入数 N63.5,锤 重：63.5kg,落 距：760mm,打入深度：300mm,设备主要: 由标准贯入器、触探杆和穿心锤,贯入时，穿心锤落距为76厘米，使其自由下落，将贯入器直打入土层中15厘米。以后每打入土层30厘米的锤击数，即为实测锤击数N。 提出贯入器，取出贯入器中的土样进行鉴别描述,2.5.1、粘性土的界限含水量 粘性土从一种状态转变为另一种状态的分界含水量称为界限含水量。 四种状态：固态 半固态 可塑状态 流动状态,粘性土就是指具有可塑状态性质的土。 可塑性：土在外力作

14、用下，可塑成任何形状而不发裂，当外力卸除后仍能保持已有的形状。 含水量对粘性土的工程性质有着极大的影响。,2.5 粘性土的物理特性,0,固态或半固态,可塑状态,流动状态,塑限P,液限L,粘性土由某一种状态过渡到另一状态的界限含水量称为土的稠度界限,液塑限测定根据土工试验规程(SL237-007-1999)规定，采用液塑限联合测定仪进行测定。,稠度是指土的软硬程度或土受外力作用所引起变形或破坏的抵抗能力,是粘性土最主要的物理状态特征,液塑限联合测定仪,下沉深度为17mm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,2.5.2 粘性土的塑性指数和液性指数,塑性指数IP是液限和塑限的

15、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,说明：液性指数表征土的天然含水量与界限含水量间的相对关系。当IL0时,P,土处于坚硬状态;当IL1时,L,土处于流动状态。根据IL值可以直接判定土的软硬状态,液性指数IL是粘性土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比,2.5.3 粘性土的灵敏度和触变性,1. 粘性土的结构性概念,原状土具有结构性，具有相同的含水量和密度， 经过粉碎/重塑后，变为重塑土，强度降低。,2. 粘性土的灵敏度St,=,原状土的无侧限抗压强度,重塑土的无侧限抗压强度,含水

16、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。,3. 粘性土的触变性,4. 粘性土的胀缩性、湿陷性、冻胀性,液限、塑限联合测定法,（一）试验目的 测定粘性土的液限L和塑限p，并由此计算塑性指数Ip 、液性指数IL，进行粘性土的定名及判别粘性土的软硬程度。,（二）试验原理 液限、塑限联合测定法是根据圆锥仪的圆锥入土深度与其相应的含水率在双对数坐标上具有线性关系的特性来进行的。利用圆锥质量为76g的液塑限联合测定仪测得土在不同含水率时的圆

17、锥入土深度，并绘制其关系直线图，在图上查得圆锥下沉深度为17mm所对应得含水率即为液限，查得圆锥下沉深度为2mm所对应的含水率即为塑限。,（三）试验设备 1液塑限联合测定仪：如附图，有电磁吸锥、测读装置、升降支座等，圆锥质 量76g，锥角30，试样杯等； 2天平：称量200g，分度值0.01g； 3其它：调土刀、不锈钢杯、凡士林、称量盒、烘箱、干燥器等。,（四）操作步骤 1土样制备：当采用风干土样时，取通过0.5mm筛的代表性土样约200g，分成三份，分别放入不锈钢杯中，加入不同数量的水，然后按下沉深度约为45mm，911mm，1517mm范围制备不同稠度的试样。 2装土入杯：将制备的试样调拌

18、均匀，填入试样杯中，填满后用刮土刀刮平表面，然后将试样杯放在联合测定仪的升降座上。 3接通电源：在圆锥仪锥尖上涂抹一薄层凡士林，接通电源，使电磁铁吸住圆锥。,4测读深度：调整升降座，使锥尖刚好与试样面接触，切断电源使电磁铁失磁，圆锥仪在自重下沉入试样，经5秒钟后测读圆锥下沉深度。 5测含水量：取出试样杯，测定试样的含水量。重复以上步骤，测定另两个试样的圆锥下沉深度和含水量。,（五）试验注意事项 1土样分层装杯时，注意土中不能留有空隙。 2每种含水量设三个测点，取平均值作为这种含水量所对应土的圆锥入土深度，如三点下沉深度相差太大，则必须重新调试土样。,（六）计算公式 1计算各试样的含水率：,（六

19、）计算公式 1计算各试样的含水量：,式中：含水量，计算至0.1% m1盒加湿土质量，g； m2盒加干土质量，g； m1m2土中水质量，g； m1mo干土质量，g,2以含水量为横坐标，圆锥下沉深度为纵坐标，在双对数坐标纸上绘制关系曲线，三点连一直线（如附图中的A线）。当三点不在一直线上，可通过高含水量的一点与另两点连成两条直线，在圆锥下沉深度为2mm处查得相应的含水量。当两个含水量的差值2时，应重做试验。 当两个含水量的差值2时，用这两个含水率的平均值与高含水率的点连成一条直线（如附图中的B线）。,3在圆锥下沉深度与含水量的关系图上，查得下沉深度为7mm所对应的含水量为液限；查得下沉深度为2mm所对应的含水量为塑限。,（七）试验记录液限、塑限联合试验记录表 工程名称 试验者 试样编号 计算者 试验日期 校核者,三、例题分析,【例】某砂土试样,试验测定土粒相对密度Gs=2.7,含水量=9.43%,天然密度=1.66/cm3。已知砂样最密实状态时称得干砂质量ms1=1.62kg,最疏松状态时称得干砂质量ms2=1.45kg。求此砂土的相对密度Dr,并判断砂土所处的密实状态,【解答】,砂土在天然状态下的孔隙比,砂土最小孔隙比,砂土最大孔隙比,相对密实度,（1/3,2/3,中密状态,