土力学地基基础第2章土的物理性质及工程分类省名师优质课赛课获奖课件市赛课一等奖课件.ppt

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土生成与特征,1,土生成,2,土结构和结构,3,土工程特征,4,土生成与工程特征关系,第3页,1,土生成,土是由岩石，经物理化学风化，剥蚀，搬运，沉积，形成固体矿物、液体水和气体组成一个混合体。,不一样风化作用形成不一样性质土。,风化作用主要有一下三种类型：,物理风化,化学风化,生物风化,第4页,1,土生成,（,1,）物理风化：岩石经风、霜、雨、雪侵蚀，温度、湿度改变，发生不均匀膨胀或收缩，使岩石产生裂隙，崩解为碎块风化过程。,岩石在物理风化作用下，只改变颗粒大小和形状，不改变原来矿物成份。,物理风化是产生粗粒土（无黏性土）主要风化形式。,（,2,）化学风化：岩石碎屑与水、氧气、二氧化碳等物质接触，逐步发生化学改变，原有矿物成份发生改变，产生新矿物成份（次生矿物）风化过程。,化学风化是产生细粒土（黏性土）主要风化形式。,第5页,1,土生成,（,3,）生物风化：由动、植物和人类活动对岩体破坏统称为生物风化过程。,生物风化是一个夹杂了各种原因比较复杂风化过程。,在自然界中，普通情况下是三种风化过程共同作用，形成了我们现在自然地貌和地球表面各种土类型。,第6页,2,土结构和结构,（,1,）土结构：土颗粒之间相互排列和联结形式。,土结构普通分为以下三种,单粒结构：粗粒土（卵石、砂土等）在沉积过程中，每个颗粒在自重作用下单独下沉到达稳定状态。,蜂窝结构：土颗粒较细（粒径小于,0.02mm,）时，在水中单个下沉，碰到已沉积土粒，因为土粒之间分子引力大于土粒自重，使得下沉土粒被吸引而不再下沉。一粒粒依次被吸引，形成很大孔隙蜂窝状结构。,第7页,絮状结构（二级蜂窝结构）：粒径极细黏土颗粒（粒径小于,0.005mm,）在水中长久悬浮，这些土粒在水中运动，相互碰撞，吸引，逐步形成小链环状土集粒，质量增大而下沉，小链又可相互吸引，不停延伸，形成大链。所以称为絮状结构或二级蜂窝结构。此结构在海积黏土中比较常见。,2,土结构和结构,第8页,工程性质,三种结构中，以密实单粒结构工程性质最好；而蜂窝结构和絮状结构，强度低、压缩性高，不能直接用作天然地基。,（,2,）土结构：同一土层中，土颗粒之间相互关系特征。,土结构比较常见有以下四种,层状结构：土层由不一样颜色或不一样粒径土类组成，形成层理，一层一层相互平行。,此结构是细粒土主要特征。,2,土结构和结构,第9页,分散结构：土层中土粒分布均匀，性质相近。,此结构主要有砂土、卵石层等。,结核状结构：在细粒土中混有粗颗粒或结核等物质。比如含礓石粉质黏土、含砾石冰碛黏土等。,裂隙状结构：土体中有很多不连续小裂隙。如硬塑或坚塑状态黏土。,工程性质,普通分散结构工程性质最好；层状结构要看其层间结构；结核状结构工程性质好坏取决于其细粒土部分；裂隙状结构因其裂隙部位强度低，渗透性大，工程性质最差。,2,土结构和结构,第10页,土与其它连续介质建筑材料相比，含有三个显著工程特征：压缩性高、强度低、渗透性大。,这三个工程特征即使在不一样土类中差异很大，但要与土和其它建筑材料差异相比，不一样土质之间差距就非常小了，有相对较大数量级上差距。,3,土工程特征,第11页,（,1,）搬运，沉积条件,普通流水搬运沉积土要优于风力搬运沉积土。,（,2,）沉积年代,通常土沉积年代越久，其工程性质越好。,（,3,）沉积自然地理环境,我国地域辽阔，不一样自然地理环境下所生成土工程性质也普通相差较大。,4,土生成与工程特征关系,第12页,第二节 土三相组成,土三相组成：土由固体矿物、水和气体三部分组成。,土中固体矿物组成土骨架，骨架之间存在大量孔隙，孔隙由水和气体填充。,本节主要介绍一下三个内容：,1,土固体颗粒,2,土中水,3,土中气体,第13页,土固体颗粒,（,1,）土粒矿物成份：主要分为三类,原生矿物：由岩石经物理风化生成，其成份与母岩相同。,原生矿物主要包含：单矿物颗粒（一个颗粒由一个单一矿物组成）；多矿物颗粒（一个颗粒包含各种矿物）。,次生矿物：母岩岩屑经化学风化，改改变学成份，成为一个很细小新矿物，主要为黏土矿物。,黏土矿物依据其微观结构不一样，分为蒙脱石、伊利石、高岭石三种。,腐殖质：土中腐殖质含量高，会使土压缩性增大。有机质含量超出,3%5%,土普通不宜作为填筑材料。,第14页,土固体颗粒,（,2,）土颗粒大小与形状,土颗粒大小：自然界中土颗粒大小相差悬殊；颗粒大小不一样土，其工程性质也不一样。我们普通把土粒径按其性质分为六个粒组，每个粒组内土工程性质相同。,通常粗粒土压缩性低、强度高、渗透性大。,土颗粒形状：表面粗糙、有棱角土，之间不易滑动，其抗剪强度比表面光滑高。,第15页,1,土固体颗粒,（,3,）土颗粒级配,土颗粒级配：土中各粒组相对含量，以占总质量百分数来表示。,我们通惯用两种方法分析土颗粒粒径，即：筛析法和密度计法。,筛析法：适合用于粒径,d,0.075mm,土。,筛析法主要工具是一套标准分析筛，其孔径分别为,20,、,10,、,5,、,2.0,、,1.0,、,0.5,、,0.25,、,0.075mm,。筛析机普通振筛,10min 15min,。,密度计法：适合用于粒径,d,0.075mm,土。,密度计法主要工具是土壤密度计和,1000mL,量筒。,第16页,1,土固体颗粒,依据土粒直径大小不一样，在水中沉降速度也不一样特征，将密度计置于土水悬液中，统计,0.5,、,1,、,2,、,5,、,15,、,30,、,60,、,120,、,1440min,时密度计读数，再经计算即可得到。,颗粒分析试验结果，可绘制出土粒径级配曲线。纵坐标表示小于某粒径土粒占土体总质量百分数；横坐标则表示土粒径。,第17页,1,土固体颗粒,不均匀系数,C,u,：,当,C,u,很小时，曲线很陡，表明土比较均匀；当,C,u,很大时，曲线平缓，表示土级配良好。,曲率系数,C,c,：,第18页,1,土固体颗粒,不均匀系数,C,u,和曲率系数,C,c,都是土颗粒组成主要表征。,砾石和砂土,C,u,5,且,C,c,=1 3,为级配良好；土级配不能同时满足,C,u,和,C,c,两个要求时，表明土级配不良。,第19页,2,土中水,土孔隙中有水，水分子,H,2,O,为极性分子，由带正电氢离子和带负电氧离子组成。黏土土粒表面普通带负电，可在土粒周围形成电场，吸引水分子带正电氢离子一端（水流内部本身存在氢键），使其定向排列，形成水膜。,第20页,2,土中水,土中水普通分为四种，即结合水、自由水、气态水和固态水。,（,1,）结合水,强结合水（吸着水）：由黏土表面电分子力牢靠地吸引水分子，使其紧靠土粒表面，厚度只有几个水分子厚，小于,0.003,m,。,强结合水性质靠近固体，不传递静水压力，,100,不气化，密度,w,=1.2 2.4 g/cm,3,，含有很大黏滞性、弹性和抗剪强度。,若黏土只有强结合水，则呈坚硬状态。,第21页,2,土中水,弱结合水（薄膜水）：在强强结合水外侧，也由黏土表面电分子力吸引，厚度小于,0.5,m,，密度,=1.0 1.7 g/cm,3,。,弱结合水也不传递静水压力，呈黏滞状态，此部分水对黏土影响最大。,（,2,）自由水：离土粒较远，在土粒表面电场作用范围以外，以自由散乱地形式排列。,自由水主要分为两种：,重力水：位于地下水位以下，有浮力作用，可从总水头较高处向较低处流动。,毛细水：也位于地下水位以下，受毛细作用。,（,3,）气态水：即水汽，对土性质影响不大。,（,4,）固态水：,0,以下自由水会凝固为固态水。,第22页,3,土中气体,土固体颗粒之间存在孔隙，没有被水填充部分为,土气体组成,。土中气体主要分为两类：,（,1,）自由气体：与大气相通，土层受压时会逸出，普通对工程无影响。,（,2,）封闭气泡：与大气隔绝，普通存在于黏土中，土层受压时，封闭气泡缩小，卸荷时气泡又膨胀，形成有弹性“橡皮土”，使土体压实困难，渗透性降低。,第23页,第三节 土物理性质指标,土三相分布草图：固相集中于下部，液相居中部，气相集中于上部，以适当百分比画成一个草图，左侧标出各相质量，右侧注明各相体积。以下列图所表示：,第24页,第三节 土物理性质指标,1,土三项基本物理性质指标,2,反应土松密程度指标,3,反应土中含水程度指标,4,特定条件下土密度（重度）,第25页,1,土三项基本物理性质指标,（,1,）土密度,和土重度,物理意义,土密度,：单位体积土质量，,g/cm,3,。,土重度,：单位体积土所受重力，即,=,g=9.8,10,，,kN/m,3,。,表示式,常见值,=1.62.2 g/cm,3,，,=1622,kN/m,3,。,测定方法,环刀法：适合用于黏土和粉土。,灌水法：适合用于卵石、砾石和原状砂。,第26页,1,土三项基本物理性质指标,（,2,）土粒相对密度,G,s,(d,s,),物理意义,土粒相对密度,Gs(ds),：土中固体矿物质量与同体积,4,时纯水质量比值。,表示式,常见值,砂土,Gs,=2.652.69,；,粉土,Gs,=2.702.71,；,黏土,Gs,=2.722.75,。,测定方法,主要有比重瓶法和经验值。,第27页,1,土三项基本物理性质指标,（,3,）土含水率,w,物理意义,土含水率,w,：土中含水量值，数值为土中水质量和固体矿物质量比值，用百分数表示。,表示式,常见值,砂土,w,=0%40%,；,黏土,w,=20%60%,（,w,0,时，黏土呈坚硬状态）。,测定方法,主要为烘干法。,第28页,2,反应土松密程度指标,（,1,）土孔隙比,e,物理意义,土孔隙比,e,：土中孔隙体积与固体颗粒体积之比。,表示式,常见值,砂土,e,=0.51.0,；,黏土,e,=0.51.2,。,测定方法,主要为试验测算。,第29页,2,反应土松密程度指标,（,2,）土孔隙度（孔隙率）,n,物理意义,土孔隙度（孔隙率）,n,：用以表示孔隙体积含量，即土中孔隙占土体总体积百分比。,表示式,常见值,n=30%50%,。,测定方法,主要为试验测算。,第30页,3,反应土中含水程度指标,（,1,）含水率,w,（前面已述）,（,2,）土饱和度,S,r,物理意义,土饱和度,S,r,：水在土体孔隙中充满程度。,表示式,常见值,S,r,=01,。,测定方法,主要为试验测算。,第31页,（,2,）土饱和度,S,r,工程应用,主要用于量度砂土和粉土湿度。,3,反应土中含水程度指标,第32页,4,特定条件下土密度（重度）,（,1,）土干密度,d,和土干重度,d,物理意义,土干密度,d,：单位土体积下，干土质量，,g/cm,3,。,土干重度,d,：单位土体积下，干土所受重力，,kN/m,3,。,表示式,第33页,4,特定条件下土密度（重度）,（,1,）土干密度,d,和土干重度,d,常见值,d,=1.32.0g/cm,3,；,d,=1320kN/m,3,。,测定方法,主要为环刀法和放射性同位素法。,工程应用,主要用于测算土方填料压实程度。,第34页,4,特定条件下土密度（重度）,（,2,）,土饱和密度,sat,和土饱和重度,sat,物理意义,土饱和密度,sat,：孔隙全部充满水时，单位土体积土质量，,g/cm,3,。,土饱和重度,sat,：孔隙全部充满水时，单位土体积土所受重力，,kN/m,3,。,表示式,常见值,sat,=1.82.3g/cm,3,；,sat,=1823kN/m,3,。,第35页,4,特定条件下土密度（重度）,（,3,）,土有效重度（浮重度）,物理意义,土有效重度（浮重度）,：地下水位以下，土体单位体积所受重力，再扣除浮力部分。,表示式,式中,w,为水重度，可取,10kN/m,3,。,常见值,813kN/m,3,。,第36页,土物理性质指标汇总,第37页,第四节 土物理状态指标,1,无黏性土密实度,2,黏性土物理状态指标,第38页,1,无黏性土密实度,无黏性土为单粒结构，其最主要物理状态指标为,密实度,。工程上划分密实度标准主要有以下三种：,（,1,）以孔隙比,e,为标准（没有考虑粒径级配影响）,（,2,）,以,相对密度,D,r,为标准（克服了孔隙比不足）,相对密度：,第39页,1,无黏性土密实度,（,3,）以标准贯入试验,N,为标准,标准贯入试验：在现场进行一个原位测试。,用卷扬机将质量为,63.5kg,钢锤，提升,76cm,高度，让钢锤自由下落，击在锤垫上，使贯入器贯入土中,30cm,所需锤击数，记为,N,。,N,大小，反应土贯入阻力大小，也能够表征密实度大小。,第40页,2,黏性土物理状态指标,黏性土颗粒很细，与土中水作用显著。所以黏性土最主要物理状态指标为,稠度,而非无黏性土密实度。,稠度：土软硬程度或土对外力引发变形或破坏抵抗能力。,稠度主要由以下几个分界含水率来表征。,第41页,2,黏性土物理状态指标,（,1,）液限,w,L,(%),定义：黏性土呈液态与塑态之间分界含水率。,测定方法：锥式液限仪和碟式液限仪,。,第42页,2,黏性土物理状态指标,（,2,）塑限,w,P,(%),定义：黏性土呈塑态与半固态之间分界含水率。,测定方法：滚搓法和液、塑限联合测定法3,）缩限,w,S,(%),定义：黏性土呈半固态与固态之间分界含水率。,土含水率低于缩限后，土体积就不再随含水率降低而缩小，而是保持在一个比较恒定状态。,测定方法：收缩皿法,。,第43页,2,黏性土物理状态指标,（,4,）塑性指数,I,P,定义：液限与塑限差值，仅取其数值，去掉百分号。,物理意义：细粒土处于可塑状态下，含水率改变区间界限。,工程应用：用塑性指数为黏性土和粉土定名。,第44页,2,黏性土物理状态指标,（,5,）液性指数,I,L,定义：天然含水率与塑限差值，同液限与塑限之间差值之比。,物理意义：液性指数又称相对稠度，反应土软硬程度。,工程应用：依据液性指数不一样，可将黏性土分为五种软硬不一样状态。,第45页,2,黏性土物理状态指标,（,6,）活动度,A,定义：黏性土塑性指数与土中胶粒含量百分数比值。,物理意义：反应黏性土中所含矿物活动性。依据活动度大小将黏土分为三种：,A,0.75,不活动黏土,0.75,A,1.25,正常黏土,A,1.25,活动黏土,第46页,2,黏性土物理状态指标,（,7,）灵敏度,S,t,定义：黏性土原状土无侧限抗压强度与原土结构完全破坏重塑土（保持含水率和密度不变）无侧限抗压强度比值。,物理意义：反应黏性土结构性强弱。,依据灵敏度大小将黏性土分为三类：,S,t,4,高灵敏土,2,S,t,4,中灵敏土,S,t,2,低灵敏土,第47页,2,黏性土物理状态指标,（,7,）灵敏度,S,t,工程应用,保护基槽：施工中碰到灵敏度高土，应尤其注意基槽。,利用触变性：使施工和建筑维护更轻易、稳定、安全一些。,土触变性：当黏性土结构受扰动时，土强度会降低。但静置一段时间后，土强度又会逐步增加。,第48页,第五节 地基土工程分类,本课程采取,建筑地基基础设计规范,（,GB50007,）中对地基土分类标准认定。将地基土分为以下六类：,1,岩石,2,碎石土,3,砂土,粉土,黏性土,6,人工填土,第49页,1,岩 石,（,1,）定义,岩石：颗粒间牢靠联结、呈整体或含有节理裂隙岩体。,（,2,）分类,按坚固程度划分,岩石坚硬程度应依据岩块饱和单轴抗压强度标准值,f,rk,来衡量：,第50页,1,岩 石,按风化程度划分，可分为：,未风化：结构结构未变，岩质新鲜。,微风化：结构结构、矿物色泽基本未变，部分裂隙面有铁锰质渲染。,中等风化：结构结构部分破坏，矿物色泽有较显著改变，裂隙面出现风化矿物或风化夹层。,强风化：结构结构出现大部分破坏，矿物色泽有较显著改变，很多出现各种次生矿物。,全风化：结构结构全部破坏。,第51页,1,岩 石,按岩石完整程度划分,：（见下表）,第52页,2,碎 石 土,（,1,）定义,碎石土：土粒径,d,2mm,颗粒含量超出全重,50%,土。,（,2,）分类依据,依据土粒径级配中各粒组含量和颗粒形状综合确定。,（,3,）定名,颗粒形状以圆形或亚圆形为主土，由大至小分为漂石、卵石、圆砾,3,种。颗粒形状以棱角为主土，由大至小分为块石、碎石、角砾,3,种。共计,6,种，见后页表格。,第53页,碎石土定名,第54页,2,碎 石 土,（,4,）工程性质,碎石土工程性质与其密实度紧密相关，依据密实度将碎石土分为以下四类。,密实碎石土：骨架颗粒含量大于总重,70%,，呈交织排列，连续接触。,密实碎石土锹镐挖掘困难，井壁普通较稳定。钻进极困难，冲击钻探时钻杆、吊锤跳动猛烈。,密实碎石土为优等地基。,第55页,2,碎 石 土,中密碎石土：骨架颗粒含量等于总重,60%70%,，呈交织排列，大部分接触。,中密碎石土镐可挖掘，井壁有掉块现象，从井壁取出大颗粒处，仍能保持颗粒凹面形状。钻进较困难，冲击钻探时钻杆、吊锤跳动不猛烈。,中密碎石土为优良地基。,第56页,2,碎 石 土,稍密碎石土：骨架颗粒含量等于总重,55%60%,，排列混乱，绝大多数不接触。,稍密碎石土锹能够挖掘，井壁轻易坍塌，从井壁取出大颗粒后砂土马上坍落。钻进较轻易，冲击钻探时，钻杆稍有跳动。,稍密碎石土为良好地基。,第57页,2,碎 石 土,涣散碎石土：骨架颗粒含量小于总重,55%,，排列十分混乱，绝大部分不接触。,涣散碎石土锹易挖掘，井壁极易坍塌。钻进很轻易，冲击钻探时，钻杆五跳动，孔壁极易坍塌。,涣散碎石土不宜直接用作地基，但经密实处理后，可做良好地基。,第58页,3,砂 土,（,1,）定义,砂土：粒径,d,2 mm,颗粒含量不超出全重,50%,，且,d,0.075 mm,颗粒超出全重,50%,土。,（,2,）分类依据,依据土粒径级配和各粒组含量分类。,（,3,）定名,按土粒径由大到小分为砾砂、粗砂、中砂、细砂和粉砂五种。,第59页,3,砂 土,砂土分类,第60页,3,砂 土,（,4,）工程性质,密实与中密状态砾砂、粗砂、中砂为优良地基。稍密状态砾砂、粗砂、中砂为良好地基。,密实状态粉砂和细砂为良好地基。饱和疏松状态粉砂和细砂为不良地基。,第61页,4,粉 土,（,1,）定义,粉土：塑性指数,I,P,10,且粒径大于,0.075 mm,颗粒含量不超出全重,50%,土称为粉土。,（,2,）定名,国家标准中粉土性质介于砂土和黏性土之间，单列一类。,（,3,）工程性质,密实粉土为良好地基。饱和稍密粉土，地震时轻易产生液化，为不良地基。,第62页,5,黏 性 土,（,1,）定义,黏性土：土塑性指数,I,P,10,土。,（,2,）分类依据,依据塑性指数大小来定名。,（,3,）定名,塑性指数,I,P,17,时，为黏土；,10,I,P,17,时，为粉质黏土。,（,4,）工程性质,黏性土工程性质与其含水率亲密相关。硬塑状态黏性土为优良地基；流塑状态黏性土为软弱地基。,第63页,6,人 工 填 土,（,1,）定义,人工填土：由人类活动堆填形成各类土。人工填土与自然土在工程性质方面有很大不一样。,（,2,）分类依据,按人工填土组成物质和堆积年代进行分类和定名。,（,3,）定名,人工填土按其组成和成因，可分为以下四类：,素填土：由碎石土、砂土、粉土、黏性土等组成填土。,压实填土：经分层压实或扎实素填土。,杂填土：凡含有建筑垃圾、工业废料、生活垃圾等杂物填土。,第64页,6,人 工 填 土,冲填土：由水力冲填泥沙形成填土。,按人工填土堆积年代，可分为以下两种：,老填土：黏性土填筑时间超出,10,年，粉土超出,5,年，就称为老填土。,新填土：黏性土填筑时间小于,10,年，粉土填筑时间少于,5,年，称为新填土。,（,4,）工程性质,通常人工填土工程性质不良，强度低，压缩性大且不均匀。其中，压实填土相对很好，杂填土最差。,第65页,