土木工程.ppt

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,土力学,教案,课 次：第,3,次,主要内容：土的物理特性指标；土的结构与构造；土的工程分类,重点内容：黏性土的物理特性指标；土的工程分类,教学方法：精讲启发式,2.4,土的物理特性指标,一、,粘性土的物理特性指标,粘性土,：是指具有可塑状态性质的土，它们在外力的作用下，可塑成任何形状而不开裂，当外力去掉后，仍可保持原形状不变，土的这种性质称为可塑性。,（一）粘性土的界线含水量,含水量的大小对粘性土的工程性质要产生极大的影响，随着含水量的增加，粘性土的强度要降低，压缩性要提高。,粘性土随着含水量的增加，将由,固态,半固态,可塑状态,流动状态,，如下图所示。,流动状态,：当粘土中水较多、土粒完全被水隔开时,土成泥浆状，可流动。这时土的抗剪强度极低。,可塑状态,：在外力作用下可塑成任何形状而不发生裂缝，当外力移去后能保持既得形状，不回弹也不坍塌，粘性土的这种特性称为可塑性，相应的状态为可塑状态。此时土有很小的抗剪强度。,半固态,：当含水量继续减少时，土体因水份减少而发生体积收缩，称为半固态。,固态,：当含水量进一步减少，但其体积不再收缩时，粘土处于固态。,处于半固态和固态的粘性土，具有较大的抗剪强度，在外力作用下不再有可塑性，而是呈,脆性,。,界线含水量,：粘性土的一种状态转入另一种状态时的分界含水量称为界线含水量。,土由流动状态变成可塑状态的界限含水量称为,液限,，用,W,L,表示；土由可塑状态变化到半固态的界限含称为塑限，用,W,P,表示；由半固态到固态的界限含水量称为,缩限,，用,W,S,表示。塑限,W,P,和液限,W,L,在国际上称为阿太堡界限，来源于土壤学，后来应用于土木工程。,处于固态的土，基本上只含强结合水；处于半固态的土，含强结合水及部分弱结合水；处于塑性状态的粘性土含有结合水和少部分自由水；处于流动状态的粘性土含有大量的自由水。,（二）界限含水量的测定方法,1,液限,W,L,的测定,我国用锥式液限仪,来测定，如下图所示。,将调成浓糊状的试样装满盛土杯，刮平杯口面，手握手柄将园锥体轻放于试样之上，使其在自重作用下缓慢下沉。如经过,15s,圆锥沉入深度恰好为,10mm,时，该试祥的含水量即为液限,w,L,值。,若锥体入土深度大于,10mm,，说明土样的含水量高于液限；若锥体入土深度小于,10mm,，说明土样的含水量低于液限。需重新调配试样，直到合格为止。,对于合格的试样，利用烘干法测定其含水量，即为液限,w,L,。,在欧美等国家多采用碟式液限仪。,2,塑限,W,P,的测定,用“搓条法”测定，将调配好的试样，用手先搓成直径小于,10mm,的小园球，然后用手撑放在毛玻璃板上搓成小土条，若土条搓至直径为,3mm,时正好断裂或出现较多裂缝，这时土样的含水量就是塑限。若土条搓至直径,3mm,时仍未断裂，说明试样含水量高于塑限；如土条过早断裂，说明土样含水量低于塑限。在这种情况下，都需重新调配试样直到合格为止。然后，将合格的试样称取,15g,，用”烘干法”测定含水量，即得塑限,P,。,3,液塑限联合测定法（公路系统）,用锥式液限仪进行试验时，圆锥的入土深度与土样的含水量有关。试验表明，二者在双对数坐标上为直线关系，如下图所示。,试验时，调配成三种含水,量不同的试样，分别用锥,式液限仪来测定入土深度,，这样便在双对数座标上,得到三个点，,通过这三点，画一条直线。相应于入土深度,10mm,时的含水量为液限,L,，相应于入土深度为,2mm,时的含水量为塑限,P,。,（三）塑性指数与液性指数,1,塑性指数,：液限,L,与塑限,P,的差值，即,I,P=,L,P,习惯用不带的数值表示。,塑性指数的大小，反映了土处于可塑状态的含水量变化范围。,I,P,值越大，土处于可塑状态的含水量范围也越大。而土处于可塑状态时，土中水是结合水和小部分自由水。,因此，,I,P,的大小与土中结合水的含量有明显的关系，也就是与土颗粒大小有关，土粒越细，粘粒越多，其比表面积 越大，结合水含量越高，,I,P,值也就越大。,此外，塑性指数的大小也与矿物成份和土中水的化学成份有关，可看成是土的一个综合性指标。对于塑性指数相似的粘性土，一般均表现出相似的物理力学性质。因此，常用塑性指数作为粘性土分类的标准。此外，塑性指数的大小也与矿物成份和土中水的化学成份有关，可看成是土的一个综合性指标。对于塑性指数相似的粘性土，一般均表现出相似的物理力学性质。因此，常用塑性指数作为粘性土分类的标准。,2,液性指数（稠度）,式中：,-,土的天然含水量。,由上式可见：当,P,时，,I,L,L,时，,I,L 1,，土处于流动状态。,由此可见，液性指数,I,L,的大小反映了粘性土的软硬程度。,I,L,越大，土越软。根据液性指数,I,L,的大小，,建筑地基基础设计规范,将粘性土划分为五种软硬状态，划分标准见下表,（四）粘性土的灵敏度和触变性,天然状态下的粘性土，由于地质历史作用常具有一定的结构性。当土体受到外力扰动作用，其结构遭受破坏时，土的强度降低，压缩性增高。工程上常用灵敏度,S,t,来衡量粘性土结构性对强度的影响。,状 态,坚 硬,硬 塑,可 塑,软 塑,流 塑,液性指数,I,L0,0,I,L0.25,0.25,I,L0.75,0.75,I,L1.0,I,L,1.0,粘性土的软硬状态,1,灵敏度,S,i,=,q,u,/,q,u,式中：,q,u,原状土无侧限抗压强度，,kPa,；,q,u,重塑土无侧限抗压强度，,kPa,。,土的灵敏度愈高，其结构性愈强，受扰动后土的强度降低就愈明显。因此，在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。,2,粘性土的触变性,：粘性土受扰动时强度降低，而静止时土的强度又重新增长的性质，称为土的触变性。,土的触变性对桩基础很有利，打预制桩时，桩周围土受震结构破坏，强度降低，使桩容易打入。当打桩停止后，土的部分强度又恢复，使桩的承载力又提高了。,（五）土的最优含水量,1,定义,修建公路，有一半以上的路段为填方路段，人工填土作为路基必须处理，一般采用压路机碾压法。对于建筑工程，当人工填土作为建筑物地基时，也必须处理，一般利用人工夯实的方法进行分层夯实，以提高填土的强度，增加密实度和降低透水性，降低压缩量。,对于过干的土进行夯打时，由于土中水主要是强结合水，土粒周围的水膜很薄，颗粒间具有很大的分子吸引力，阻止颗粒间的移动，击实比较困难。当含水量继续增加时，土中含强结合水及弱结合水，水膜变厚，土粒间联结力减弱而使土粒便于移动，击实效果较好；当水含量继续增大时，土中出现了自由水，击实时，孔隙中过多的水分不易立即排出，势必阻止土粒间的靠扰，产生软弹现象（俗称橡皮土），击实效果反而下降。所以，要使土的击实效果最好，含水量必定有一个最佳值，即最优含水量。,最优含水量,：在一定夯击或压实能量下，填土达到最大干密度时，相应的含水量为最优含水量。,2,最优含水量,0P,的测定,用击实仪测定，如下图所示。,图中击锤重,24.5N,，锤底直径,50mm,，落距,460mm,，击实,筒的容积为,1000cm3,，内装,土样。,导筒起导向作用，将土样放,，松手后击锤在自重作用下,下落，可将土样击实。,试验时，对同一种土，配成若干份含水量不同的试样，对每一份先取,1/3,倒入击实筒内，进行击实。对于砂土一般,20,击，粘土,30,击。然后再取,1/3,倒入击实筒，再进行击实，最后将另外,1/3,倒入击实筒，进行击实，也就是分三层夯实，达到规定击数后，测定土样的含水量和干密度。含水量一般用烘干法测定，而土样的干密度可按下式计算，即,式中：,m,-,击实筒的土样质量，,g,；,A,0-,击实筒内面积，,cm2,；,h,-,击实后试样高度，,cm,；,-,含水量，用烘干法测定。,根据对不同含水量试样进行试验,的结果，绘制击实曲线，即含水,量与干密度关系的曲线，如下图,所示，曲线处于峰值的含水量就,是最优含水量,0P,，相应的干密,度为,dmax.,从击实曲线可以看出，当填土中的含水量低于最优含水量时，随着含水量的增加，干密度也随之加大，表明击实效果逐步提高。当含水量高于最优含水量后，随着含水量的增加，击实效果反而下降。因此，用人工填土作为地基时，首先应调整其含水量为最优含水量，然后再夯实或碾压，才能获得最高的密实度。,3,最优含水量经验值,0p,=,p,+2,有时，在缺少击实仪条件下，可根据测得的塑限估计最优含水量。,二、无粘性土的密实度,对于砂、卵石、砾石等无粘性土，属单粒结构，最主要的物理特性指标就是密实度。表明密实度的方法有三种：,1.,用,孔隙比,e,作为划分密实度的标准，,e,值越小，土越密实。,以,相对密度,D,r,作为划分密实度的标准,相对密度,式中：,e,天然孔隙比；,e,max,最疏松状态下的孔隙比，即最大孔隙比；,e,min,最密实状态下的孔隙比，即最小孔隙比。,D,r,0,1,。,D,r,值越大，土越密实。则：,1,0.67,密实的,0.67,0.33,中密的,0.33,0,松散的,3.,用,标准贯入试验捶击数,N,63.5,作为划分密实度的标准,标准贯入试验是一种现场原位测试方法，是将,标准贯入器,打入土中一定距离（,30cm,）所需落锤次数（标贯击数），记为,N,63.5,，该值反映了土的密实度的大小。该值越大，土越密实（见下表）,密实度,松 散,稍 密,中 密,密 实,按,N,评定砂土的密实度,N,10,10,N,15,1530,按,N,63.5,评定碎石土的密实度,N,63.55,5,N,63.510,1020,砂土和碎石土密实度的划分,2.5,土的结构与构造,一、土的结构,1,土粒间的连结关系,（,1,）接触连结,：是指颗粒之间的直接接触，接触点上的连结强度主要来源于外加压力所带来的有效接触压力。这种连结方式在碎石土、砂土、粉土中或近代沉积土中普遍存在。,（,2,）胶结连结,：是指颗粒之间存在着许多胶结物质，将颗粒胶结连结在一起，一般其连结较为牢固。胶结物质,般有,粘土质,，,可溶盐,和,无定形铁、铝、硅质,等。,3,）结合水连结,：是指通过结合水膜而将相邻土粒连结起来的形式，又叫水胶连结。这种连结在一般粘性土中普遍存在。,（,4,）冰连结,：是指含冰土的暂时性连结，融化后即失去这种连结。,2,土的结构类型,（,1,）单粒结构,（,a,）为舒松状态,（,b,）为密实状态,（,2,）蜂窝结构,主要由粉粒（粒径为,0.005mm 0.075mm,）组成的结构形式，在水中因自重作用而下沉，碰到别的正在下沉或已沉积的土粒，由于土粒间的分子引力大于下沉土粒的重力，则下沉土粒被吸引，不再下沉，逐渐形成链环状单元。很多这样的链环联结起来，便形成较大孔隙的蜂窝结构,（,3,）絮状结构,絮状结构又称絮凝结构，细微的粘粒（粒径小于,0.005mm,）大都呈针状或片状，形成絮状结构。,蜂窝结构和絮状结构的土，其土粒间的联结强度会由于压密和胶结作用而逐渐得到加强，这种强度称为,结构强度,。,二、土的构造,1,层状构造,土层由不同的颜色或不同的粒径的土组成层理，一层层互相平行，反映不同年代不同搬运条件形成的土层,2,分散构造,是指颗粒在其搬运和沉积过,程中，经过分选的卵石、砾石、砂等因沉积厚度较大而不显层理的一种构造,结核状构造,在细粒土中混有粗颗粒或各种结核，如含礓石的粉质黏土、含砾石的冰则黏土等，均属结核状构造。,裂隙构造,裂隙构造是因土体被各种成因形成的不连续的小裂隙切割而形成的，在裂隙中常充填有各种盐类的沉淀物。不少坚硬和硬塑状态的粘性土具有此种构造，如图,l,所示。裂隙将破坏土的整体性，增大透水性，对工程不利。,2.6,土的工程分类,土是自然地质历史的产物，它的成份、结构和性质是是千变万化的，其工程性质也是千差万别的。因此，有必要对土进行科学的分类，即把工程性质近似的土划分为一类。,人们在长期的生产实践中，已提出过不少分类系统。如：地质分类、土壤分类、粒径分类、结构分类等。每一种分类系统，反映了土某些方面的特征。在工程实践中需要的是适合于工程用途的工程分类方法，既按土的主要工程特性进行分类。,下面主要介绍,建筑地基基础设计规范,的分类法和,公路桥涵地基与基础设计规范,分类法。,一、,建筑地基基础设计规范,分类法,1,岩石,岩石是指颗粒间牢固粘结，呈整体或具有节理裂隙的岩体。,（,1,）按岩石的坚硬程度,，分为坚硬岩、较硬岩、较软岩、软岩、极软岩,坚硬程度类别,坚硬岩,较硬岩,较软岩,软岩,极软岩,饱和单轴抗压强度标准值,f,rk,（,MPa,）,f,rk,60,60,fr,k,30,30,f,rk,15,15,f,rk,5,f,rk5,岩石坚硬程度的划分,（,2,）按岩石的风化程度,，分为未风化、微风化、中风化、强风化和全风化。,（,3,）按岩石的完整程度,，分为完整、较完整、较破碎、破碎、极破碎,2,碎石土,是指粒径大于,2mm,的颗粒含量超过全重,50%,的土。,完整程度等级,完整,较完整,较破碎,破碎,极破碎,完整性指数,0.75,0.750.56,0.550.35,0.350.15,0.15,岩石的完整程度,2,碎石土,是指粒径大于,2mm,的颗粒含量超过全重,50%,的土。,根据粒组含量及颗粒形状可分为漂石或块石、卵石或碎石、圆砾或角砾,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,的颗粒含量超过全重,50%,卵 石,碎 石,圆形及亚圆形为主,棱角形为主,粒径大于,20mm,的颗粒含量超过全重,50%,圆 砾,角 砾,圆形及亚圆形为主,棱角形为主,粒径大于,2mm,的颗粒含量超过全重,50%,碎石土的分类,3,砂土,是指粒径大于,2mm,的颗粒含量不超过全重,50%,，而粒径大于,0.075mm,的颗粒含量超过全重,50%,的土。,根据粒组含量分为砾砂、粗砂、中砂、细砂和粉砂,土 的 名 称,粒 组 含 量,砾 砂,粒径大于,2mm,的颗粒占全重,25%50%,粗 砂,粒径大于,0.5mm,的颗粒超过全重,50%,中 砂,粒径大于,0.25mm,的颗粒超过全重,50%,细 砂,粒径大于,0.075mm,的颗粒超过全重,85%,粉 砂,粒径大于,0.075mm,的颗粒超过全重,50%,砂土的分类,4,粉土,是指粒径大于,0.075mm,的颗粒含量不超过全重,50%,，且塑性指数,I,P10,的土。,5,粘性土,粘性土是指塑性指数,I,p,大于,10,的土。,根据塑性指数,I,p,可分为,粉质粘土,（,10,I,p17,）和,粘土,（,I,p,17,）。,6,人工填土,人工填土是指由于人类活动而形成的堆积物。,（,1,）根据其物质组成和成因,可分为,素填土,、,杂填土,和,冲填土,三类。,素填土,：由碎石、砂土、粉土、粘性土等组成的填土，不含杂质或含杂质很少。,杂填土,：含有大量建筑垃圾、工业废料或生活垃圾等杂物的填土。,冲填土,：由水力冲填泥砂形成的填土。,（,2,）按堆填时间,分为,老填土,和,新填土,。,老填土,：堆填时间超过,10,年的粘土或超过,5,年的粉土。,新填土,：堆填时间小于,10,年的粘土或小于,5,年的粉土。,7,特殊性土,（,1,）淤泥和淤泥质土,淤泥,：天然含水量,L,，天然孔隙比,e1.5,的粘性土称为淤泥。,淤泥质土,：天然含水量,L,，天然孔隙比,1.0 50,，裂隙发育，具有明显收缩性的棕红、褐黄等色的高塑性粘土称为红粘土，一般分布于北纬,33,度以南地区。,次生红粘土,：经搬运但仍保留红粘土特征，且液限,L45,的土，称为次生红粘土。,（,3,）黄土,：是一种含大量碳酸盐类，且常能以肉眼观察到大孔隙的黄色粉状土。,天然黄土在未受水浸湿时，一般强度较高，压缩性较低。但当其受水浸湿后，因黄土自身大孔隙结构的特征，压缩性剧增使结构受到破坏，土层突然显著下沉，同时强度也随之迅速下降，这类黄土统称为湿陷性黄土。,（,4,）膨胀土,：是指土中含有大量的亲水性粘土矿物成分（如蒙脱石、伊利石等），在环境温度及湿度变化影响下，可产生强烈胀缩变形的土。,由于膨胀土通常强度较高，压缩性较低，易被误认为是良好的地基。但遇水后，就呈现出较大的吸水膨胀和失水收缩的能力，往往导致建筑物和地坪开裂、变形而破坏。,（,5,）多年冻土,：是指冻结状态在自然界连续保持,3,年或,3,年以上的土。,当自然条件改变时，它将产生冻胀、融陷、热融滑塌等特殊不良地质现象。,（,6,）盐渍土,：是指易溶盐含量大于,0.5,，且具有吸湿、松胀等特性的土。,由于可溶盐遇水溶解，可能导致土体产生湿陷、膨胀以及有害的毛细水上升，使建筑物遭受破坏。,二、细粒土按塑性图分类（自学）,三、,公路桥涵地基与基础设计规范,分类法,1,碎石土,的分类与,建筑地基基础设计规范,完全相同，参见,表,。,2.,砂土,的分类名称和标准见,表,。,3.,粘性土,的分类名称和标准见,表,土的名称,颗 粒 级 配,砾 砂,粒径大于,2mm,的颗粒占全重,25%,50%,粗 砂,粒径大于,0.5mm,的颗粒超过全重,50%,中 砂,粒径大于,0.25mm,的颗粒超过全重,50%,细 砂,粒径大于,0.1mm,的颗粒超过全重,75%,粉 砂,粒径大于,0.1mm,的颗粒不超过全重,75%,土 名,亚 砂 土,亚 粘 土,粘 土,塑性指数,I,p,1,I,p7,7,I,p17,I,p,17,砂土分类,粘性土分类,作 业：,P29,：第,3,题、第,4,题,