土力学13第二章.ppt

,仁者乐山 智者乐水,2.1,概述,土的物理状态,无粘性土的密实程度,粉土的密实度和湿度,粘性土的软硬状态,2,土的物理性质及分类,土的物理性质指标,(,三相间的比例关系,),力学特性,影响,决定,土的三个组成相的体积和质量上的比例关系,2,土的物性,松密程度,软硬程度,特点,:,指标概念简单，数量很多,要点：,名称、概念或定义、符号、表达式、,单位或量纲、常见值或范围、联系与区别,定义,基本方法,:,三相草图法,1,.,三相草图（土的三相比例关系图）,Water,Air,Soil,V,a,V,w,V,s,V,v,V,m,a,=0,m,w,m,s,m,2,土的物性,质量,体积,2.2,土的三相指标,三相草图,Water,Air,Soil,V,a,V,w,V,s,V,v,V,m,a,=0,m,w,m,s,m,质量,体积,已知关系五个,:,共有九个参数,:,V V,v,V,s,V,a,V,/,m,s,m,m,a,m,剩下三个独立变量,物性指标的比例关系,:,可假设任一参数为,1,对于饱和土,V,a,=0,；,对干土，,V,=0.,剩下两个独立变量,实验室测定,其它指标,换算,2,土的物性,2.2,土的三相指标,基本物理性质试验,为了确定三相草图诸量中的三个量，通常进行三个基本的物理性质试验：,土粒比重试验,土的密度试验,土的含水量试验,2.,三个基本物理性质指标,2,土的物性,2.2,土的三相指标,Water,Air,Soil,V,a,V,w,V,s,V,v,V,m,a,=0,m,w,m,s,m,质量,体积,（,1,）土粒相对密度,d,s,（土粒比重）,s,:,土粒的密度，单位体积土粒的质量,单位,:,无量纲,=1.0 g/cm,3,土粒比重在数值上等于土粒的密度,定义,:,土粒的密度与,4C,时纯蒸馏水的密度的比值，也称土粒比重,表达式,:,4C,时纯蒸馏水的密度，通常用 表示,2,土的物性,2.2,土的三相指标,其他条件下的密度,天然密度,干密度,饱和密度,天然容重,干容重,浮容重,有效容重,饱和容重,Water,Air,Soil,V,a,V,w,V,s,V,v,V,m,a,=0,m,w,m,s,m,质量,体积,单位,:,kg/m,3,或,g/cm,3,或,t/m,3,单位,:,kN/m,3,定义,:,土被完全烘干时的密度,等于单位体积内土粒的质量,表达式,:,浮密度,定义,:,土颗粒受水的浮力作用后，单位体积的质量，也叫有效密度。,土粒,de,密度,2,土的物性,2.2,土的三相指标,表示土中孔隙含量的指标,孔隙比,孔隙率,(,孔隙度,),.,其它常用的物理性质指标,关系,:,在某种程度上反映土的松密,定义,:,土中孔隙体积与固体颗粒体积之比,无量纲,表达式,:,Water,Air,Soil,V,a,V,w,V,s,V,v,V,体积,定义,:,土中孔隙体积与总体积之比,用百分数表示,表达式,:,V,s,=,1,V,v,=,e,V,=,1,+,e,Water,Air,Soil,体积,三相草图可用于确定物性指标之间的关系,2,土的物性,2.2,土的三相指标,表示土中含水程度的指标,含水量,饱和度,Water,Air,Soil,V,a,V,w,V,s,V,v,V,m,a,=0,m,w,m,s,m,质量,体积,表达式,:,定义,:,土中水的体积与孔隙体积的比值,饱和度表示,孔隙中充满水的程度,S,r,=0 :,干土,S,r,80%,饱和土,S,r,=1 :,完全饱和土,工程上，对于砂土和粉土,2,土的物性,2.2,土的三相指标,各种密度容重之间的大小关系：,天然密度,干密度,饱和密度,天然容重,干容重,浮容重,饱和容重,Water,Air,Soil,V,a,V,w,V,s,V,v,V,m,a,=0,m,w,m,s,m,质量,体积,浮密度,2,土的物性,2.2,土的三相指标,算例,1,某一块试样在天然状态下的体积为60,cm3，,称得其质量为108,g，,将其烘干后称得质量为96.43,g，,根据试验得到的土粒比重,G,s,为2.7，试求试样的天然密度、干密度和含水率。,【解】（1）已知,V60cm3，m=108g，,则得,=m/v=108/60=1.8g/cm3,d,=m,s,/v=96.43/60=1.6g/cm,3,（,2,）,m,s,=96.43g，,则,m,w,=m-m,s,=10896.43=11.57g,于是,w=m,w,m,s,11.5796.43=12%,某一块试样在天然状态下的体积为60,cm3，,称得其质量为108,g，,将其烘干后称得质量为96.43,g，,根据试验得到的土粒比重,G,s,为2.7，试求试样的孔隙比、孔隙率和饱和度。,【解】,（3）,已知,G,s,=2.7，,则,s,=2.7g/cm,3,Vs=m,s,/,s,=96.43/2.735.7cm,3,V,v,=V-V,s,=60-35.724.3cm3,e=V,v,/V,s,=24.3/35.7=0.68,n=V,v,/V24.3/60=40.5,（,4,）,V,w,=m,w,/,w,=11.57/1=11.57cm3,S,r,=V,w,/V,v,=11.57/24.348,某一块试样在天然状态下的体积为60,cm3，,称得其质量为108,g，,将其烘干后称得质量为96.43,g，,根据试验得到的土粒比重,G,s,为2.7，试求试样的饱和密度。,【解】,（,5,）由,(3),知,V,v,=24.3cm,3,，则有,常用的物理性质指标间的换算关系：,换算关系式,2,土的物性,2.2,土的三相指标,要点,从物理意义上理解指标间的关系,不鼓励死记硬背,必要时利用三相草图推导,充分利用“物性指标的比例关系，,可假设任一质量参数或体积参数为,1”,算例,2-1,某原状土样的密度为,1.85g/cm,3,含水量为,34%,，土粒,相对密度为,2.71,，试求 该土样的饱和密度、有效密度和,有效重度（先导出公式再求解）。,算例,2-2,某饱和土体，土粒相对密度,d,s,=2.70,重度为,19.5kN/m,3,。,试求：,1.,根据题中已知条件，推导干重度的表达式；,2.,根据所得表达式来计算该土的干重度。,小结,物理性质指标,土的三个组成相的体积和质量上的比例关系,松密程度,软硬程度,特点,:,指标概念简单，数量很多,要点：,名称、概念或定义、符号、表达式、,单位或量纲、常见值或范围、联系与区别,定义,基本方法,:,三相草图法,室内测定的三个基本物理性质指标,土的密度,、,土粒的比重,、,土的含水量,三相草图有助于直观理解物性指标的概念,其它常用的物理性质指标,表示土中孔隙含量的指标,表示土中含水程度的指标,表示土中密度和容重的指标,三相草图可用于确定物性指标之间的关系,2,土的物性,土的物理状态,无粘性土的密实程度,粉土的密实度和湿度,粘性土的软硬状态,土的物理性质指标,(,三相间的比例关系,),力学特性,影响,决定,1.,粘性土的可塑性及界限含水量,2,土的物性,黏性土的状态与含水量有关,粘性土,含水量,较硬,变软,流动,2.3,黏性土的物理特征,固态或,半固态,可塑状态,流动状态,可塑性,塑限,p,液限,l,界线含水量,粘性土的含水量反映土中水的形态，一定程度上说明土的软硬程度。,固态或,半固态,塑态,流态,强结合水膜最大，土从,半固态,过度到,可塑状态,的界限含水量,出现自由水，土从,可塑状态,过渡到,流动状态,的界限含水量,强结合水,弱结合水,自由水,稠度状态,含水量,土中水的形态,w,缩限,s,2,土的物性,2.3,黏性土的物理特征,图,1-19,碟式液限仪,图,1.20,平衡锥式液限仪,液限,l,测定方法：,碟式液限仪（欧美等国使用）,平衡锥式液限仪（我国使用）也叫液、塑限联合测定仪,2,土的物性,2.3,黏性土的物理特征,表,1-13,平衡锥式液限仪测液限各个规范规定的沉入深度值,规范规定的锥入深度值,规 范 名 称,10mm,建筑地基基础设计规范（,GB5007,）,岩土工程勘察规范（,GB50021-2001,）,17mm,土的工程分类标准（,GB/T50145,）,公路土工试验规程（,JTG E40-2007,）,公路,(JTG E40-2007),还规定：,当锥,100g,，锥角,30,0,，取锥入深度,20mm,含水量,2,土的物性,2.3,黏性土的物理特征,塑限,p,测定方法：,搓条法或液限塑限联合测定法,搓条法,：土条,3mm,断裂时含水量,液限塑限联合测定法：,公路：锥,100g,，锥角,30,0,，取塑限入土深度,h,p,对应含水量；,其他：锥,76g,，锥角,30,0,，取入土深度,2mm,对应含水量,2,土的物性,2.3,黏性土的物理特征,1,土的物性,黏性土的可塑性指标除塑限、液限及缩限外，还有,塑性指数、液性指数,2.,黏性土的状态指标,1.4,土的物理指标,2,土的物性,2.3,黏性土的物理特征,塑性指数越大，土处于可塑状态的含水量范围越广。,塑性指数一定程度上反映了黏性土及其三相组成的基本特征,塑性指数,常作为进一步划分黏性土的依据,粘性土：,塑性指数,I,p,10,的土,粉质粘土：,1017,的土,w,p,w,w,l,记录,I,p,时，省去,%,液性指数,定义：,w,p,w,w,l,I,L,1,坚硬,可塑,流塑,0.00 0.25,0.25-0.75,0.75 1.00,硬塑,可塑,软塑,1,土的物性,1.4,土的物理指标,2,土的物性,2.3,黏性土的物理特征,塑性指数,粘土中矿物颗粒的活动性,塑性指数相同的粘性土性质差异很大,活动度（活性指数）,p,m0.002,:,粒径小于,0.002mm,颗粒的质量占总土总质量的百分比,A 1.25,非活性粘土,正常粘土,活性粘土,根据活性指数大小，从宏观上判断其矿物的成分。,主要粘土矿物的活性指数范围：蒙脱石,1-7,，伊利石,0.5-1,，高岭石,0.2-0.5,。,工程上根据活性指数的大小分为：,1,土的物性,3.,黏性土的活动度,2,土的物性,2.3,黏性土的物理特征,相同含水量、密度,粘性土的灵敏度,S,t,2,土的物性,2.3,黏性土的物理状态,=,原状土,结构性,相同含水量,密度,粉碎,重塑,重塑土,强度降低,S,t,1,1-2,2-4,4-8,8-16,16,粘性土,不灵敏,低灵敏,中等灵敏,灵敏,很灵敏,流动,原状土的无侧限抗压强度,重塑土的无侧限抗压强度,含水量不变，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。,粘性土的触变性,2,土的物性,2.3,黏性土的物理状态,已知粘性土的颗粒重度,s=27.5 kN/m3，,液限为40，塑限为22，饱和度为98%，孔隙比为1.15，试计算塑性指数、液性指数及确定粘性土的状态。,算例,3,【解】根据液限和塑限可以求得塑性指数为18，土的含水量及液性指数可由下式求得,I,L 1，,故此粘性土为流塑状态。,2,土的物性,2.4,无粘性,土的物理特征,土的物理状态,无粘性土的密实程度,粉土的密实度和湿度,粘性土的软硬状态,土的物理性质指标,(,三相间的比例关系,),力学特性,影响,决定,e,max,与,e,min,：,最大与最小孔隙比,1,.,砂土的密实状态,密实度,如何衡量,?,单位体积中固体颗粒含量的多少,优点：,简单方便,缺点：,评价密实度时不够直观,不能反映级配的影响,对策,相对密度,孔隙比,e,或孔隙率,n,e,max,:,最大孔隙比；将松散的风干土样通过长颈漏斗轻轻地倒入容器，避免重力冲击，求得土的最小干密度再经换算得到最大孔隙比,e,min,:,最小孔隙比；将松散的风干土样装入金属容器内，按规定方法振动和锤击，直至密度不再提高，求得土的最大干密度再经换算得到最小孔隙比,砂土的密实状态指标,判别标准：,D,r,=0 ,最松状态,0,D,r,1/3 ,松散状态,1/3,D,r,2/3 ,中密状态,2/3,D,r,1,密实状态,D,r,=1 ,最密状态,相对密度,注意：,室内测得理论上的最大与最小孔隙比有时很困难,2,土的物性,2.4,无粘性,土的物理特征,评价无粘性土密实状态的另一种方法：,2,土的物性,2.4,无粘性,土的物理特征,标准贯入试验,（,Standard Penetration Test,）,标准贯入数,N,锤 重：,63.5kg,落 距：,760mm,打入深度：,300mm,2,土的物性,2.4,无粘性,土的物理特征,判别标准：,N 10 ,松散状态,10 N 15 ,稍密状态,15 30 ,密实状态,2,土的物性,2.4,无粘性,土的物理特征,2.5 粉土的密实度和湿度,粉土是介于砂土和粘性土之间的土。,国际上对砾石颗粒以下的土粒分为：,20.075,的砂粒（,0.10.075,的极细砂粒）、,0.0750.005,的粉粒、,0.1mm,的砂粒含量较少。,塑性指数,Ip,10,粒径大于,0.075mm,的颗粒含量不超过全重的,50%,的土。,工程性质：粉土是难以压实的，加固难度大。,粉土的分布,黄土：孔隙中没水，具有大孔结构和湿陷性。,分布在陕、甘、宁、晋等地区。,饱和粉土：孔隙中充满水，易液化、地基承载力低。,分布在冲积平原、沿海平原、湖积平原。,粉土的密实度分类,粉土的湿度分类,小结,细粒土的稠度状态指标:液性指数,I,L,稠度界限,稠度状态,含水量,土中水的形态,塑性指数,液性指数,定义,判别标准,2,土的物性,2.4,无粘性,土的物理特征,无粘性土的密实状态指标:,相对密度,Dr,，锤击数,N,定义,判别标准,土的压实性,：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程度的性质。,补充土的压实性,室内：击实试验,现场：碾压试验,击实试验,轻型：粒径小于,5,毫米,重型：粒径小于,40,毫米,25,下，分三层击实,56,下，分,5,层击实,土,击实仪,土工试验方法标准,（,GB50123-1999,）,轻型,:d5mm;V=947cm,3,m=2.5kg,，落高,30.5cm,，,分,3,层,每层,25,击,重型,:d10,的土,粉质粘土：,1017,的土,粉土：,粒径大于,0.075mm,的颗粒含量小于全质量,50%,而塑性指数,Ip,10,的土,I,L,1,坚硬,可塑,流塑,0.00 0.25,0.25-0.75,0.75 1.00,硬塑,可塑,软塑,根据粒径小于,0.005mm,的颗粒含量分为砂质粉土和粘质粉土,同时根据孔隙比,e,可对粉土的密实度进行划分,粘性土的软硬状态,粘性土按有机质含量,已知某土的颗粒重度,s=27.5 kN/m3，,液限为40，塑限为22，饱和度为98%，孔隙比为1.15，试计算塑性指数、液性指数及确定土的土类和状态。,算例,4,【解】根据液限和塑限可以求得塑性指数为18，大于,17,，为粘土。土的含水量及液性指数可由下式求得,I,L 1，,故此粘性土为流塑状态。,2.8,土的工程分类及野外鉴别,在工程实践中，工程师经常根据目力判别与手感来描述土的颜色、湿度、组成物质、密实程度和软硬程度，并进而判断与评价土的工程性状。,这种方法非常实用，在野外就可以得到对土的评价的初步概念，在工程勘察报告中也常记录了对土的野外描述，并用以分析判别试验结果的可靠性。,图,2.7,建筑工地常见的土层,图,2.8,施工现场淤泥,外表看到土的颜色，很大程度上反映了土的固相的成分及其含量。,红色、黄色和棕色一般表示土中含有较多的三氧化二铁，是在氧化条件下形成的土；,黑色则表示土中含有较多的有机质或锰的化合物，含有机质较多的土其工程性质一般比较差；,灰蓝色和灰绿色的土一般含有亚铁化合物，是在缺氧条件下形成的；,白色或灰白色则表示土中有机质较少，主要含石英或含高岭土等粘土矿物，含有石英的土有肉眼可见的石英颗粒；,含高岭土的夹层一般是软弱夹层，沿软弱夹层常可能产生滑坡。,湿度也会影响颜色的深浅，一般描述的是土处在潮湿状态的颜色。,野外简易试验主要有下列内容：,(1),观察土的颜色、砂粒的多少、有无结核体以及其他包含物。,(2),用手指揉搓，分辨土中砂粒、粉粒及粘粒的多少。,(3),光泽反应：用小刀切开稍湿的土，并用小刀抹过土面，观察土面光泽及粗糙程度。,野外简易试验主要有下列内容：,(4),摇震试验：用含水率接近饱和的土搓成小球，放在手掌上左右反复摇晃，并以另一手掌击该手，如土球表面有水渗出，并呈现光泽，但用手指捏土球时水分与光泽很快消失，此现象称为摇震反应。反应迅速的表示粉粒含量较多，反之则表示粘粒含量较多。,野外简易试验主要有下列内容：,(5),韧性试验：将士调成含水率略高于塑限、柔软而不粘手的土膏，在手掌中搓成,3mm,的土条，再揉成土团二次搓条，根据再次搓条的可能性区分为低韧性、中等韧性和高韧性三种。,(6),干强度试验：将风干的小土块，用手指捏碎的难易程度来判断。,土类,粉土,粉质粘土,粘土,肉眼观察,含有较多的砂粒或含有很多的云母片,含有少量的砂粒,看不到砂粒，但在残积、坡积的粘土中可看到岩石风化碎屑,手指揉搓,干时有面粉感，湿时沾手，干后一吹即掉,干土揉搓时有少量的砂感，湿时沾手，干时不沾手,湿时有滑腻感，沾手，干后仍沾在手上,光泽反应,土面粗糙,土面光滑但无光泽,土面有油脂光泽,摇震试验,出水与消失都很迅速,反应很慢或基本没有反应,没有反应,韧性试验,不能再揉成土团后重新搓条,可以再揉成土团，但手捏即碎,能再揉成土团后重新搓条，手捏不碎,干强度试验,易于用手指捏碎和碾成粉末,用力才能捏碎，容易折断,捏不碎，抗折强度大，断后有棱角，断口光滑,表,2-11,土的目力鉴别表,表,2-12,碎、卵石土密实程度野外鉴别,密实度,骨架颗粒含量和排列,开挖性,可钻性,密实,骨架颗粒交错紧贴，孔隙填满，充填物密实,镐挖掘困难，用撬棍方能松动，坑壁一般较稳定,钻进困难，冲击钻探时，钻杆、吊捶跳动剧烈，孔壁较稳定,中密,骨架颗粒疏密不均，部分不连续，孔隙填满，充填物中密,锹镐可挖掘，坑壁有掉块现象，从坑壁取出大颗粒处，砂类土不易保持凹面形状,钻进较难，冲击钻探时，钻杆、吊捶跳动不剧烈，孔壁有坍塌现象,松散,多数骨架颗粒不接触，而被充填物包裹，充填物松散,锹可以挖掘，坑壁易坍塌，从坑壁取出大颗粒后，砂类土即塌落,钻进较容易，冲击钻探时，钻杆稍有跳动，孔壁易坍塌,表,2-13,砂土的野外鉴别,鉴别方法,大块碎石类土,砂类土,卵,(,碎,),石土,圆,(,角,),砾石土,砾砂,粗砂,中砂,细砂,粉砂,颗粒粗细,一半以上颗粒接近和超过蚕豆粒大小（,20,mm,）,一半以上颗粒接近和超过小高梁粒大小（,2,mm,）,约有,1/4,以上颗粒接近和超过小高梁粒大小（,2,mm,）,约有一半以上颗粒接近和超过细小米粒（,0.,5mm,）大小,约有一半以上颗粒接近和超过砂糖大小（,0.25mm,）,颗粒粗细程度较精制食盐稍粗，与粗玉米粉近似（,0.1mm,）,颗粒粗细程度较精制食盐稍细，与小米粉近似（,0.1mm,）,干燥时状况,颗粒完全分散,颗粒完全分散,颗粒完全分散,颗粒完全分散，有个别胶结,颗粒基本分散，有局部胶结（胶结部分一碰即散）,颗粒大部分分散，少量胶结（胶结部分稍加碰撞即散）,颗粒小部分分散，大部分胶结（稍加压力亦可分散）,湿润时用手拍击,表面无变化,表面无变化,表面无变化,表面无变化,表面偶有水印,表面有水印,表面有显著水印,粘着感,无粘着感,无粘着感,无粘着感,无粘着感,无粘着感,偶有轻微粘着感,有轻微粘着感,