土力学-土的组成性质及工程分类.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,*,第二章：土的组成性质和工程分类,2.1 概述(summary),1、土的生成和演变,矿物和岩石(mineral and rock),矿物的种类,:,原生矿物,：通常由岩浆冷凝而成，如石英、长石、角闪石、辉石、云母等。,次生矿物,：通常由原生矿物风化产生，如长石风化产生高岭石；辉石或角闪石.,主要造岩矿物(main making rock mineral),岩石的类型和性质(types and qualities of rock),第四纪沉积层(Quaternary deposit formation),地表的岩石经风化，剥蚀成岩屑，又经搬运，沉积而成的沉积物。这类沉积物,年代不长,未经压紧硬结成岩石之前，呈松散状态，,称第四纪沉积物，即“土”。,根据搬运和沉积的情况不同，第四纪沉积层分以下几种类型：“,残积层(eluvium),坡积层(slope wash),洪积层(diluvium;pluvium;proluvium),冲积层(alluvium),海湖沉积层(marine deposit),2 不良地质条件:,断层,、,节理发育,、,山坡滑动等,3 地下水(underground water),地下水对工程的影响,地下水的分类,地下水位:地下水位面通常指,潜水位面,4 地下水的运动,达西定律(Darcys law),基本表达式：,v=k i,式中：,i,代表水头梯度或水力坡降;,k,代表土的,渗透系数，cm/s,不同土质，,k,值不同。对比如下:,如:,卵石(1-6),10,-1,细砂(1-6),10,-3,粘土1.0)湿陷性。湿陷性：指黄土在天然湿度下，有很大的硬度和强度；但由于黄土中含有较多,可溶性的盐类,，故而受水浸蚀损，发生崩解，造成黄土产生很大的变形，引起地基的,不均匀沉降,，导致建筑物的破坏.,2.2.3 土的沉积与成岩作用（自学）,2.3 土的物质组成,2.3.1 三相体的概念,三相体的定义：,土是由固体颗粒、液体水和气体三部分组成的，这就是三相体的概念；有的时候，土只有二相：如饱和土：只有固相和液相（孔隙完全充满水）。干土：只有固相和气相（液体蒸发，孔隙中充满气体）。,影响因素,：,土是天然产物，必然会遭到自然环境的影响。,例如：天气和晴雨、季节的变化（温度高低）、地下水位的升降等等。三相组成改变，土的工程性质必然改变。,三相组成与工程性质的关系,干粘土：坚硬；干砂：松散；湿粘土：具有可塑性；饱和细砂：受振动荷载后可产生液化,厂房地基、地震区地基应避免采用这种地基，因这种地基的承载力可能会突然丧失（第十一章）,饱和粘土：这种地基完成固结沉降需要的时间很长，因排水期长。,由此可见，土的三相组成不同，其工程性质差异很大。,因此,研究土的工种性质应从土的最基本的三相组成开始。,2.粒度成份：(granularity ingredients),宏观上讲：土的颗粒有大有小，大的可以达到d200mm的溧石，小的可以小到d0.005mm的粘粒。土的颗粒大小不同，其工程性质也各不相同，为了研究方便，,人们人为的将土按颗粒大小分为,六组,，称为,粒组(fraction)，而在每个粒组内，工程性质是相似的。,天然土往往是由几种粒组组成的,混合物,，颗粒有粗有细。,土颗粒大小和土的工程性质的关系：土颗粒愈粗，土的压缩性愈小，强度愈高，透水性愈好，工程性质优良；土颗粒愈细，土的压缩性愈大，强度愈低，孔隙愈小，透水性愈差，不良地基。,4.级配曲级(gradation curve),定义：以土粒直径d为横坐标,以小于某粒径的土的重量占全重的百分数为纵坐标,绘制的表示土颗粒含量的曲级。一般用半对数尺寸log d表示横坐标(特点：log200-log2;log20-log2;log2-log0.02相同),例：用筛分法确定土的颗粒级配并绘级配曲线,W1000g的土全部通过筛孔10mm的筛子；留在筛孔5mm筛子上的颗粒50g；留在筛孔1.0mm的筛子上的颗粒重量400g；留在筛孔0.5mm筛子上的重量100g，留在筛孔0.25mm筛孔上的重量为150g，留在筛孔0.075mm筛子上的重量为130g。,解：d10mm的土重量1000g，占全重100%，试验点 A(10mm,100%),d5mm的土重量950g，占全重95%，试验点B(5mm,95%),d2mm的土重量800g，占全重80%，试验点C(2mm,80%),d1mm的土重量400g，占全重40%，试验点D(1mm,40%),d0.5mm的土重量300g，占全重30%，试验点E(0.5mm,30%),d0.25mm的土重量150g，占全重15%，试验点F(0.25mm,15%),d0.075mm的土重量30g，占全重3%，试验点G(0.075mm,3%),可绘出级配曲线,P10-P13例2.1、2.2,前面重要概念,土的生成过程,三大风化作用,土的六大特性,三相体的概念,固相,-由各种矿物组成的土颗粒部分:,粒组,颗粒级配 级配曲线 限定粒径,有效粒径,不均匀系数 曲率系数,2.3.3土中水(water in soil),土中水可有不同的形态，如固态的冰、气态的水蒸汽、液态的水，还有矿物颗粒晶格中的结晶水，这些都属于土中水。对土的性质影响最大的是液态水，尤其是粘性土，它所含的液态水对其性质影响最大。,液态水主要有结合水和自由水二种形式,1.结合水,:,解释结合水膜的概念,包括强结合水和弱结合水：,强结合水(strong bound water)(吸着水：absorbed water):,紧靠土粒表面，受到吸引力最大，约1000个大气压，厚度0.003,m(1,m=10,-3,mm)大约几个水分子层厚，,特性,：,显示固体的性质，,极大的粘滞性、弹性和抗剪强度,，,不传递静水压力。冰点很低，0,0,C不冻结，100,0,C不蒸发，不能溶解盐类；,粘土只含有强结合水时显示固体坚硬状态；砂土的强结合水含量极少,仅含强结合水的砂土呈散粒状态；,参见P19,2.自由水,在土粒表面电场的影响范围之外，服从重力规律的土中孔隙水，称自由水。,特性：不能抗剪，能传递静水压力，在重力作用下能在土体孔隙中由高处向低处自由流动，具有溶解盐类的能力，自由水按移动时受力不同分:,重力水(gravitational water):,指在土孔隙中受重力作用而自由流动的水。存在于地下水位面以下的透水中。特性：具有溶解和潜蚀作用。（潜蚀：水流把土体粗粒孔隙中充填的细粒土带走，破坏土的结构，形成地表塌陷、陶空）,1.传递静水压力并具有浮力,2.运动时服从流体力学规律,3.对土的物理、力学性质影响较大，尤其对于粘性土，重力水会使其强度降低，压缩性增大。,对工程性质的影响：,1.使土中应力状态发生变化,2.引起建筑物附加沉降（当水位面下降的时候）,3.对基坑开挖产生很大影响,毛细水(capillary water):,指同时受到表面张力和重力作用而移动的自由水。存在于水位面以上的透水层中（原因：土中孔隙形成的对水的表面张力往往大于重力），也存在于不饱和土的较大孔隙中。不具有浮力作用.,毛细作用(capillarity):,土粒和土粒接触点上水对土粒的润湿作用形成环状弯液面。土粒对水形成所谓,表面张力，这种张力反作用于土粒，使土粒之间由于这种作用（毛细压力）而,挤紧，水与土粒之间的这种相互作用称毛细作用。,张力的概念：,液体和气体接触面上存在的一种有使液体离开趋势的力，这种,力就是张力，其作用使液表面发生弯曲。,土粒之间的孔隙相互贯通，形成无数不规则的毛细管，在表面张力的作用下，毛细水沿着不规则的毛细管上升，形成毛细上升带。在工程中，应注意毛细水上升的速度和高度，这对建筑物的底层防潮，及地基土的浸湿、冻胀都有重要影响。,2.4 土-水-电解质系统及其相互作用（自学）,1、土的触变性与陈化,2.5 土的结构（参见P,31,、自学）,1、土的微观结构；2、土的宏观结构,2.6.1 土的三相草图,土的物理性质指标(physical character indexes of soil),在地基基础设计中，确定地基承载力f是依据土的物理性质。前面又提到，土是固、液、气组成的三相体。这三相在体积和重量上的比例关系反映着土的干燥和湿润、坚硬和软弱、密实与松散等等性质，是评价土的工程性质的,最基本的性能指标,。,所以,土的三相在体积和重量上的比例关系称为土的三相物理指标,。,为了方便于研究，人们人为的将土体中实际上是均匀分散的三个相体理想化的各自集合起来，画成三相草图，以便讨论土体三相之间的,定量关系,。,2.6土的物理性质指标(physical character indexes of soil),m,：,土的总质量,m,W,：土中水的质量,m,a,：土中气体的质量、可忽略,m,s,：土中固体颗粒质量,v：土的总体积,v,a,：土中气体的体积,v,w,：土中水的体积,v,s,：中固体颗粒的体积,v,v,：土中孔隙的体积,v,v,v,w,v,s,2.6.2三相基本物理指标(三个),1,容重,(,unit weight)：,实测指标,(密度,:,实测指标,),物理意义：表示土的松密程度：,：,单位体积土的重量,：,单位体积土的质量,常见值：,=(1.62.2)g/cm,3,=(1622)kn/m,3,测定方法：,粘性土采用,环刀法,1)设计中：取土样,在施工现场钻机开孔取一土柱体，放入铅盒，用布包好，并用蜡封好，带回试验室，并避免扰动，用环刀法测定。,2),教学上：,试验室采用重塑土样（老师事先制好放在一个大玻璃皿中），用环刀切下去，并用削土刀把上下抹平，秤重。,土体积环刀体积；土样重量（环刀土样重）-环刀重,土样重量土样体积 取3次平均值即为所求。,3)现场条件下的粗粒土（有时施工现场急于了解土的重度时）,灌砂法或灌水法,2.天然含水量,w,(natural moisture content)：,实测指标,物理意义：表示土中含水的多少，,反映土的湿度。,表达式：,常见值：砂土：0,40%；粘性土：(20,60)%,土体含水量愈大，则压缩性愈高，强度愈低。,测定方法：,烘箱烘干法（适合于粘性土、粉土、砂土）,取代表性试样15,20g放入铅盒，并用天平称重，然后放入烘箱内，控制105,-110,，加温至恒重（使结合水蒸发），再称干土重。,（湿土盒重）（干土盒重）水重（m,w,）,（干土盒重）盒重 干土重（m,s,）,.,酒精燃烧法（工地上没有烘箱，而又急于了解土的含水量时，用此法）,试样入盒称重，而后倒入酒精，点燃，几分钟后熄灭，用针将试样调拌均匀，重复3次，可认为土中水全部挥发，求解m,w,m,s,及,w,.铁锅炒干法，适用于卵石或砂夹卵石，取代表发试样3,5kg，称重后倒入铁锅中干炒，直到不冒气为止，再称重，计算,m,W,m,s,及,w,，原理直观。,2.6.3 反映土中含水程度的指标（换算指标）,1)含水量（略）,2)土的饱和度S,r,(degree of saturation),物理意义：,土的饱和度表示孔隙被水充满的程度。,常见值：,S,r,=0,100%,确定方法：,由,(,),w,G计算而得。,工程应用：,砂土和粉土以其作为其湿度的划分标准。,2.6.4特定条件下土的重度（密度）,1)土的干重度,d,（,d,干密度）(dry unit weight),物理意义：单位体积的土，水分烘干后的重量（质量）。常见值：,d,=(13,20)kn/m,3,d,=(13,20)g/cm,3,工程应用：,d,土体压实质量控制标准。,d,，,土体压实质量愈高,测定方法：a.大环刀法 环刀容积500cm,3,其余同环刀法.,b.放射性同位素法(可代替环刀法,提高效率20倍),2)土的饱和重度,sat,(饱和密度,sat,),物理意义：孔隙中全部充满水时，单位体积土的重量（质量）,常见值：,sat,=（1.82.3）g/cm,3,;,sat,=(1823)kn/m,3,3)土的有效重度,（）,物理意义：指地下水位面以下，土体受水的浮力作用时，单位体积土的重量（质量）。,常见值：,=(813)kn/m,3,=(0.81.3)g/cm,3,2.6.5 反映土的松密程度的指标,1)孔隙比e,(void ratio),物理意义：土中孔隙体积与固体颗粒的体积之比,常见值：砂土：e=0.5-1.0，当e1.0时，软弱地基。,确定方法：由,G及w实测值计算而得，建筑工程中应用很广，是确定地基承载力的重要指标（第七章讲述）,2)孔隙度（率）n,(porosity),物理意义：表示土中孔隙大小的程度，为土中孔隙体积占总体积的百分比。,常见值：n=(30,50)%,确定方法：由,G,w,换算而得，与e相比，n在工程上应用较少。,小 结,共,9个,物理性质,指标,:,3个实测指标,（独立指标），也称为三个基本指标，:,w,G(d,S,),6个换算指标,:e n s,r,d,sat,均可由上述3个指标换算而得，,9指标中只有3个是独立的。换算的媒介是三相草图。,各指标换算关系参见表2.8,m,：,土的总质量,m,W,：土中水的质量,m,a,：土中气体的质量、,可忽略,m,s,：土中固体颗粒质量,v：土的总体积,v,a,：土中气体的体积,v,w,：土中水的体积,v,s,：中固体颗粒的体积,v,v,：土中孔隙的体积,v,v,v,w,v,s,指标换算（最基本的技能之一，要求熟练掌握）,首先绘制三相草图，而后根据三个已知指标数值和各未知物理指标的定义式,列出方程,，把三相草图左侧质量和右侧的体积一共,8个未知量,，逐个计算出来并,填入草图,，再由,各未知指标的定义式,求解未知指标。,问题的提出:已知,w,ds,三个实测指标,求解其它六个指标.,1.求未知数m,m,s,m,w,V,a,V,s,V,v,V,w,V(共8个),据定义式列方程：,=m/v,(1)m,w,=V,w,w,(7),d,s,=m,s,/v,s,/,w,.(2),m=m,s,+m,w,(4),w,=m,w,/m,s,.(3),V,v,=V,a,+V,w,.(6),V=V,a,+V,w,+V,s,(5)V=1(补充)(8),列出8个独立方程，下面求解各未知量。,例题1 (参见P,48,),例2：已知,解：,2.7土的物理状态指标(physical state indexes of soil),2.7.1 无粘性土的密实度(compactness),无粘性土主要指砂土和碎石土，这类土由于缺乏粘土矿物，呈,单粒结构，它们最主要的物理状态指标是,密实度,，密实度划分的,标准如下：,1)孔隙比e标准,优缺点分析：,优点：,应用方便（用一个单值参数e）同一种土，密砂的孔隙比e，松砂的孔,隙比e小，则必然ee，即密砂的孔隙比反而大于松砂的孔隙比。,结论：,同一种土，可用e衡量其密实度，但不同种的土，不能用e衡量。,2)相对密度Dr标准,e：土在天然状态下的孔隙比。,e,min,(e,max,)：土在最密实（最松散）,状态下的孔隙比。均由试验测出。,一般：Dr愈大，土愈密实；反之，土愈松散。,P48中部 给出了用Dr衡量砂土密实度的标准。,优缺点分析：,优点：,理论上较完善，能反映土的粒径级配；,（原因：不同矿物成份，不同颗粒级配，不同粒度成份的砂土，其e,max,、e,min,均不相同，所以Dr比e能全面反映上述各种因素）,缺点：,测定e,max,、e,min,的方法不够完善，存在较大主观性，因此导致用衡量无粘性土密实度的方法并不普遍。,换句话讲，Dr本身的表达式没什么问题，但测定e,max,、e,min,的方法有待进一步的改善，使其更加科学。,评价：,优点：可以把土的级配考虑进去，理论上较为完善,缺点：e,max,和e,min,难以准确测定,3)标准贯如入试验,（标贯锤击数(N63.5),(Standard Penetration Test,SPT):,一种,原位测试,，起源于美国：用锤重140磅(63.5kg)，落距30寸(76.2cm)，将一标贯器打入土中1尺(30.48cm)，并记录所需锤击数(N63.5)。,一般：N63.5,，说明土体愈密实,N63.5,，说明土体愈松散,因此，N63.5的大小反映了土的贯入阻力的大小，也即反映了土密实度的大小。,特点：SPT快速、准确、原位测试，应用很广泛,。,总结：以上即是,无粘性土的物理状态指标,：天然孔隙比,e,，相对密度Dr,SPT的 N63.5,建筑地基基础规范规定：,63.5kg锤，升到76cm高，自由落下，使标准贯入器入土深度30cm，所需锤数为N,63.5,2.7.2.粘性土的物理特征(physical characters of cohesive soil),如果说,密实度,体现了,无粘性土,的物理状态，那么,稠度,则体现了,粘性土,的物理特征。具体如下:,1,.,界限含水量(bounding moisture content),粘性土由某一状态转入另一状态的分界含水量，称为土的界限含水量,。,2),液限(Liquid Limit,LL)-,W,L,粘性土由液态变化到塑态的界限含水量用表示,W,l,测定方法：国外（欧美、日本）用蝶式液限仪；,过去国内：,锥式液限仪,。,操作步骤：（锥式液限仪重76g）先制备糊状土样，如图所示备好,1)手持液限仪顶部的小柄，将圆锥体的锥尖置于土样中部表面，松手，让其自由下落，并沉入土中；（一般15s）,2)若液限仪沉入土中，锥尖刻度（在离锥尖10mm处有一刻度）恰好与土样表面齐平，则此土样的含水量即为液限。若15s内锥尖入土样深度低于10mm或大于10mm，即停止下沉，说明土样含水量小于液限或大于液限。应挖出土糊重新制备土样，直到达到要求为止，而后测其此时含水量即可。,蝶式液限仪：,土工试验方法标准(GBJ12388)规定使用蝶式液限仪测定液限。方法如下：将调制成浓糊状的试样放入铜蝶内，刮平表面，用开槽器挖出V型小槽，转动摇柄，试样受振动而合拢长13mm时为止，这时的含水量即是液限。（不同的人，不同的方法测出的结果有误差，这有人为因素，也有试验方法中的因素）,3)塑限(plastic limit PL)-,W,P,土由塑态变化为半固态的界限含水量用,W,p,表示,测定方法：,搓条法,操作方法：取塑态的土重塑均匀后，用手掌在毛玻璃板上沿着一个方向轻轻滚搓，边搓边捏，以免中空，当搓至土条直径恰为3mm时，如果土条表面出现均匀裂纹，并自动断裂，此时土条的含水量就是塑限。,如果土条搓至直径3mm时仍不裂不断，说明太湿,(,WWp)，用电吹风烤一烤或用干布包一包,重搓.,如果土条尚未搓至3 mm，即裂即断，说明太干,(,W2mm的颗粒含量超过全重50%的土。,分类依据：,各粒组的相对含量、颗粒形状。,定名：,颗粒形状以圆形为主的土，由大到小依次为：溧石，卵石、圆砾；,颗粒形状以棱角状为主的土，相应分：块石、碎石、角砾3种。,漂石（块石）：boulder(chunk stone,block tone)：d200mm的含量50%,卵石（碎石）：cobble(crushed stone)：d20mm的含量50%,圆砾（角砾）：round grarel：d2mm的含量50%,注：定名时应根据粒组含量由大到小，以最先符合者确定,例：一地基土，经筛分知：d200mm的含量占全重的38%，200mm,d20mm的含量占全重的25，试为此地基土定名。,解：d20mm的含量占全重的38256350 定义为卵石（碎石),d2mm的含量占全重的3825208350 定义为圆砾（角砾）,此土定名为卵石（碎石）。,此土定名为卵石（碎石）。,工程性质：,常见的碎石土，强度大、压缩性小，渗透性好，优良地基。,3 砂类土(sandy soil),定义：,粒径d2mm的颗粒含量,50%且d0.075mm的颗粒含量50%的土。,分类依据：粒组含量。,定名：,P52。,工程性质：,砾砂、粗砂、中砂为良好的天然地基,粉砂：密实时，性质良好；饱和、疏松态时，不良地基。,4、粉土(silt),定义：,粒径d0.075mm的颗粒含量,50%，且塑性指数Ip,10,的土。（老标准）,定义,：塑性指数Ip,10,的土。（新标准）,分类依据：,标准不一.有的以Ip来分类（北京市）；有的以,粒组相对含量来分（上海市）,区别对待。,定名：北京市,砂质粉土：Ip,7,；粘质粉土：7Ip,10。,密实性：,浙江省标准：以孔隙比e为划分标准：e0.90，稍密；0.90,e0.75，为中密；e0.75，密实。,工程性质：,密实的粉土为良好地基；饱和稍密的粉土，不良地基。,定义：塑性指数Ip,10,的土，粘性土分布面积广，为最常见的一种土。,分类依据：Ip,定名：国家标准（GBJ7-89规范），Ip,17,粘土(clay)；,10,Ip,1,7粉质粘土（亚粘土）(silty clay),工程性质：粘性土的工程性质与其含水量的大小密切相关。密实硬塑的粘性土为优良地基；疏松流塑状态的粘性土软弱地基。,下面介绍两类特殊的粘性土：（也可认为属于特殊土,P56,）,淤泥和淤泥质土：在静水或缓慢的流水环境中沉积，并经生物化学作用形成，其天然含水量大于液限，天然孔隙比e,1.5的粘性土称为淤泥；当1,e1.5时称淤泥质土。分布在沿海一带，内陆的河流下游、湖泊与沼泽地区。,红粘土：碳酸盐岩系的岩石经江土化作用形成的高塑性粘土称为江粘土。其液限一般大于50；再搬运后仍保留红粘土的基本特征，液限大于45的土称为次生红粘土。,特点：e大，W大，但以含结合水为主，土体仍处于硬塑或坚硬状态，较高强度，较低压缩性。但失水干缩，网状裂隙。,5.粘性土(cohesive soil),6 人工填土(artifical fill),定 义：,由人类活动堆填形成的各类土。,分类依据,：,按其组成物质和堆积年代,定 名：,按组成物质分以下3种：,素填土（plain fill）：由碎石土，砂土，粉土，粘性土等构成，性质良好。,杂填土（miscellaneous fill）：由工业废料，生活垃圾，建筑垃圾等构成。城市的地表一般都有一层杂填土,冲填土（allurial fill）：由水力冲刷泥砂形成的填土。,按堆积年代分：,老填土（paleo fill）：粘性土填筑时间超过半10年，粉土超过5年；,新填土（recently fill）：粘性土填筑时间小于10年，粉土小于5年。,例如2-6（p58）（从大到小以先符合者为准）,今 日 作 业：,1.阅读第2章，重点阅读三相指标及物理特征指标,2.思考题：2.1-2.12 (重点思考：2.1 2.2 2.5 2.6 2.8 2.9 2.11),3.计算题 2-1、2-2、2-4、2-6、2-7、2-9（1）,