土力学课件（清华大学）-0绪论(工管)改.ppt

陈希哲 编著 清华大学出版社 王 伟 制作,土力学与地基基础,0.1 土力学与地基基础的研究对象 什么是土力学与地基基础？,土力学与地基基础,0 绪论,0 绪论,0.1.1 土和土力学,（1）定义 是岩石风化的产物，是母岩风化后经搬运、沉积等地质作用形成的岩石碎屑和单独矿物颗粒组成的集合体。,（2）特性,三相系、性质复杂多变,散粒体视为连续体分析,强度较低、压缩性较大、可渗透性,非线性弹性、弹塑性,（3）作用,地基,环境,材料,（5）土力学,以各门力学与工程实践相结合为基础，以土为研究对象，研究土的物理特性及其受力后应力、变形、强度、稳定和渗透等特性及其随时间变化规律的学科，它是力学的一个分支。,（4）简单分类,粘性土和无粘性土,细粒土和粗粒土,土力学与地基基础,0 绪论,0.1.2 地基和基础,（a）水闸,（b）柱子,土力学与地基基础,0 绪论,（1）建筑物组成：上部结构、基础和地基，是一整体,土力学与地基基础,0 绪论,阿联酋迪拜全球最高的“哈利法塔 迪拜大厦”，162层， 高818m。,土力学与地基基础,0 绪论,918米长的马格德堡水桥位于德国柏林附近的马格德堡，历时6年，花费5亿欧元建成。确切说它是一座跨越易北河的渠道桥，是连接东德和西德的重要项目。,土力学与地基基础,0 绪论,贵州北盘江大桥号称亚洲第一高桥，主跨388米， 我国首座采用双向预应力砼加劲板梁设计的特大型桥梁。,土力学与地基基础,0 绪论,土力学与地基基础,0 绪论,（2）基础（foundation ）,连接上部结构和地基的部分，其承受上部结构的自重以及作用于建筑物上的各种荷载，并将其扩散传递给基础底面下的土层。,深基础和浅基础,刚性基础和柔性基础,土力学与地基基础,0 绪论,（3）地基（subgrade,foundation soil）,由于建筑物的修建而引起应力状态发生改变的地（土）层。,地基的持力层：基础底面下直接承受荷载，对地基起主要作用的土层，或基础直接搁置其上的土层。,地基的下卧层：持力层下受荷载影响较小的土层。,天然地基和人工地基,土力学与地基基础,0 绪论,（4）地基基础设计原则,地基的强度条件,地基的变形条件,综合考虑地基、基础与上部结构三者的相互关系,综合考虑安全、经济、合理、可行性,土力学与地基基础,0 绪论,0.2 土力学与地基基础的重要性 为什么学习土力学与地基基础？,0.2.1 土力学与地基基础的重要性,隐蔽工程,造价高、工期长,地基与基础的复杂性,失事后果严重,应用广泛，高层建筑和大型工程的要求,地基：变形、强度、渗流和地震等,地基：变形、强度、渗流和地震等,基础：断裂、滑移等,土力学与地基基础,0 绪论,Ref：建筑地基基础设计规范GB50007-2011,0.2.2 国内外工程事故示例,0.2.2.1 变形,倾斜,局部倾斜,沉降差,沉降量,地基变形特征：,土力学与地基基础,0 绪论,（1）倾斜,比萨斜塔,8层55m 直径16m 偏离中心5.27m 倾斜5.5度 修建时间: 11731370,高耸结构,地基持力层为粉砂、下面为粉土和粘性土；粘土由南向北变薄,土力学与地基基础,0 绪论,苏州虎丘塔,土力学与地基基础,0 绪论,苏 州 虎 丘 塔,高耸结构,地基覆盖层相差悬殊,落成于宋代961年,高47.5m，7层,塔顶偏离中心线2.31m, 塔身现不少裂缝,土力学与地基基础,0 绪论,虎丘塔地基为人工地基，覆盖层厚度西南为2.8m，东北为5.8m，厚度相差3.0m，这是虎丘塔发生倾斜的根本原因。此外，南方多暴雨，雨水渗入地基块石填土层，冲走块石之间的细粒土，形成很多空洞，这是虎丘塔发生倾斜的重要原因。,土力学与地基基础,0 绪论,（2）建筑地基严重下沉,墨 西 哥 市 艺 术 宫 (1904),土力学与地基基础,0 绪论,地基土为超高压缩性淤泥,天然孔隙比712，天然含水率150 600，为世界罕见的软弱土，层厚 25m。下沉达4m，旁边的道路下沉2m 。,土力学与地基基础,0 绪论,上 海 展 览 中 心 馆,地基土为高压缩性淤泥质软土, 19541979平均沉降160cm，前6个月沉降60cm,土力学与地基基础,0 绪论,大型建筑物,变形时间长,地基土为高压缩性土，如淤泥质土、火山灰等,沉降量大的特点：,地基可压缩土层厚,土力学与地基基础,0 绪论,墨 西 哥 城,（3）沉降差、局部倾斜,土力学与地基基础,0 绪论,土力学与地基基础,0 绪论,（1）地基承载力,0.2.2.2 强度,加 拿 大 特 朗 斯 康 谷 仓,失事原因：未进行调查研究，而是根据相邻结构物基槽开挖试验结果估算，导致地基超载发生强度破坏而滑动。,土力学与地基基础,0 绪论,美国纽约某水泥仓库,失事原因：粘土地基、超载,土力学与地基基础,0 绪论,（2）边坡失稳,香 港 宝 城 大 厦,土力学与地基基础,0 绪论,三 峡 泄 滩 滑 坡,土力学与地基基础,0 绪论,图1-3 四川红花水库滑坡示意图,失事原因：,土的抗剪强度低,设计坝坡较陡,坝体填筑迅速，孔压来不及消散,土力学与地基基础,0 绪论,0.2.2.3 渗流及渗透变形,堤坝管涌破坏,管涌,堤坝渗流破坏示意图,（1）渗流产生浮力渗流力,（2）渗流破坏形式：流土和管涌,徐州市区塌陷,美国一净水工厂,土力学与地基基础,0 绪论,山东蒙城节制闸,粉质粘土和细砂层,山东蒙城节制闸示意图,渗径短路,渗透变形,不均匀沉降,陷落倒塌,土力学与地基基础,0 绪论,Sand boils,0.2.2.4 液化,土力学与地基基础,0 绪论,上海莲花小区一13层楼房倒塌示意图,0.2.2.5 地下洞室开挖、施工等,土力学与地基基础,0 绪论,0.2.2.6 建筑物基础开裂,南京分析仪器厂职工住宅,北京大学气轮机基座,0.2.2.7 建筑物基槽变位滑动,四层厚板结构楼,上海18层科研楼,0.2.2.8 冻融,盘锦市房屋,大连市金州石棉矿,0.2.3 不良地基处理成功实例,清华大学第四教学楼,苏州市里河桥新村住宅,土力学与地基基础,0 绪论,0.3 本学科的发展简况,感性认识阶段,理性认识阶段,独立学科的形成阶段,1925年，太沙基（Terzaghi）“土力学（Eoubakmeceanik）”的出版，被公认为土力学的开始。,发展阶段,土力学与地基基础,0 绪论,0.4 本课程的特点与学习方法,（1）研究对象的复杂多变性,（2）研究内容的广泛性,（3）研究方法的特殊性,对于土的有关知识从感性阶段过渡到理性阶段，人们往往把实际的复杂的土加以简化,土力学理论通常都应用一些土的物理力学指标和参数,土力学中的公式和方法，绝大部分都是半理论半经验性的混合产物，注重理论联系实践,土力学与地基基础,0 绪论,1 杨进良. 土力学M. 北京: 中国水利水电出版社, 2006. 2 周汉荣, 赵明华. 土力学地基与基础M. 北京: 中国建筑工业出版社, 1997.,参考资料：,土力学与地基基础,0 绪论,掌握土、地基与基础的概念及其性质 了解土力学地基基础在土木工程中的重要性及发展概况 了解土力学地基基础的学科特点 熟悉课程的研究特点、学习要求和学习方法,本章重点：,本章要求：,土、地基与基础的概念及其性质,土力学与地基基础,0 绪论,土力学与地基基础,1 工程地质概论,1 工程地质概论,1.1 概述（简）,工程地质学是研究与工程建设有关的地质问题的科学，它是地质学与土木、水利等工程之间的边缘学科，是研究地质体的性状、在人为改变条件下的变动及其与人类工程活动之间的相互制约关系。,1.1.1 工程地质的内容与重点,1.1.2 建筑场地的形成,内力地质作用岩浆活动、地质运动、变质作用,外力地质作用,土力学与地基基础,1 工程地质概论,1.1.3 地质年代,（1）地质相对年代：宙、代、纪、世（国际通用） 期、时（生物地理区）； （2）地层单位： 宇、界、系、统、 层、带； （3）宙：隐生宙和显生宙； （4）代：太古代、元古代、古生代、中生代、新生代； （5）第四纪Q：距今约200万年。,1.1.3.1 地质时代,（1）绝对年代：又称同位素年代，是根据岩石中放射性 元素蜕变产物的含量计算出来的。 （2）相对年代：表示地层相对新老关系的时代顺序。,1.3.1.2 地质相对年代,土力学与地基基础,1 工程地质概论,矿物是地壳中具有一定化学成分和物理性质的自然元素或化合物。组成岩石的矿物称为造岩矿物（30余种）。,（1）按成因分类,1.2 矿物与岩石（简）,1.2.1 主要的造岩矿物,1.2.2 岩石的类型和性质,（1）矿物的种类：原生矿物和次生矿物 （2）矿物的主要物理性质-形态、颜色、光泽、硬度、解理、断口。 （3）矿物的鉴定方法-肉眼鉴定法、偏光显微镜法。,1.2.2.1 岩石的类型,岩浆岩（火成岩） 沉积岩（水成岩） 变质岩,土力学与地基基础,1 工程地质概论,（2）按坚固性分类,硬质岩石 软质岩石,（3）按风化程度分类,未风化 微风化 中等风化 强风化,1.2.2.2 岩石的性质（略）,土力学与地基基础,1 工程地质概论,母岩经风化、剥蚀，未被搬运，残留在原地的岩石碎屑。,1.3 第四纪沉积物（简）,1.3.1 残积层,1.3.2 坡积层,河床沉积层 河漫滩沉积层 河流阶地沉积层 古河道沉积层,1.3.3 洪积层,1.3.4 冲积层,1.3.4.1 平原河谷冲积层,土力学与地基基础,1 工程地质概论,滨海沉积物 大陆架浅海沉积物 陆坡沉积物 深海沉积物,1.3.4.2 山区河谷冲积层,1.3.4.3 山前平原冲积洪积层,1.3.4.4 三角洲沉积层,1.3.5 海相沉积层,1.3.6 湖沼沉积层,湖相沉积层 沼泽沉积层,1.3.7 冰积层和风积层,冰碛层 冰水沉积层,土力学与地基基础,1 工程地质概论,1.4 不良地质条件（简）,1.4.1 断层,1.4.2 节理发育,1.4.3 滑坡,1.4.4 河床冲淤,1.4.5 岸坡失稳,1.4.6 河沟侧向位移,土力学与地基基础,1 工程地质概论,1.5 地下水,1.5.1 地下水对工程的影响（略）,基础埋深,1.5.2 地下水分类（图1-13）,施工排水,地下水位升降,地下室防水,水质侵蚀性,空心结构物浮起,承压水冲破基槽,上层滞水,潜水：埋藏在地表下第一个连续分布的稳定隔水层以上，具有自由水面的重力水。,承压水,1.5.3 地下水位,初见水位,稳定水位,土力学与地基基础,1 工程地质概论,1.5.4 地下水的运动,土的渗透性：土体可被水透过的性质。,1.5.4.1 达西（Darcy,1856）定律,（1）定义,公式,渗透系数,水力梯度,流速v,（2）适用范围：砂土、一般粘性土,大小：,土力学与地基基础,1 工程地质概论,1.5.4.2 动水力（渗透力）,（3）渗流作用于土骨架单位体积上的力（单位体积 渗流力GD、j）为,（1）土颗粒对水流的阻力,（2）总渗透力为渗透水流作用在土颗粒上的力，大小为,方向：与渗流方向一致,作用点：土骨架重心。,土力学与地基基础,1 工程地质概论,（1）流土,（2）管涌,1.5.4.3 渗透破坏形式,在渗流作用下，某一范围内的颗粒或颗粒群同时发生移动的现象。它可以是整体性的，也可是局部性的。流土或砂沸常发生于渗流出逸处而不发生于土体内部。,在渗流作用下，无粘性土体中的细小颗粒，通过其粗大孔隙发生移动，或被水流带出的现象。它发生的部位可以在渗流出逸处，也可以在土体内部，故亦称之为渗流引起的潜蚀现象。,（1-5）,临界水力梯度,土力学与地基基础,1 工程地质概论,1.5.5 地下水水质（简）,（1）结晶性侵蚀,（2）分解性侵蚀,（3）结晶分解复合型侵蚀,土力学与地基基础,1 工程地质概论,1 杨进良. 土力学M. 北京: 中国水利水电出版社, 2006.,参考资料：,2 周汉荣, 赵明华. 土力学地基与基础M. 北京: 中国建筑工业出版社, 1997.,土力学与地基基础,1 工程地质概论,了解地质年代、工程地质的内容和重点 熟悉矿物与岩石的种类 熟悉第四纪沉积层的分类及其特点 熟悉不良地质条件 熟悉地下水对工程的影响、地下水位、水质 掌握地下水分类、达西定律、渗流力及渗流变形型式,本章重点：,本章要求：,地下水分类,达西定律的定义及适用范围,渗流力及渗流变形型式,习题：,复习思考题1.14、1.15,习题1.7、1.8,土力学与地基基础,1 工程地质概论,53,2.1 土的生成与特性,土是岩石经过风化后在不同条件下形成的自然历史的产物,搬运、沉积,第2章 土的物理性质及工程分类,形成过程 形成条件,物理力学性质,风化,影响,54,生物风化,物理风化,化学风化,量变,无粘性土,原生矿物,质变,粘性土,次生矿物,动植物的活动,§1 土的物性及分类,一. 风化,有 机 质,§1.1土的生成,岩石和土的粗颗粒受各种气候因素的影响产生胀缩而发生裂缝,或在运动过程中因碰撞和摩擦而破碎,母岩表面和碎散的颗粒受环境因素的作用而改变其矿物的化学成分，形成新的矿物,土力学与地基基础,2 土的物理性质及工程分类,2.1.2 土的结构和构造,指土在生成过程中形成的土粒空间排列及联结形式。,2.1.2.1 土的结构,（1）定义,（2）影响因素：矿物成分、颗粒大小形状、沉积条件,（3）种类及其工程性质,单粒结构凡粗颗粒土在沉积过程中，每个颗粒在自重作用下单独下沉达到稳定状态。,单粒结构是粗粒土如砂土及砾石等的结构特征。,土力学与地基基础,2 土的物理性质及工程分类,蜂窝结构,粉土、粘土当土颗粒较细 （d0.02mm）时，在水中单个下沉，碰到已沉积的土粒，因土粒之间的分子引力大于土粒自重，则下沉的土粒被吸引不再下沉，依次一粒粒被吸引，形成具有很大孔隙的蜂窝状结构。,絮状结构二级蜂窝结构，粒径较细的粘土颗粒 （d0.005mm）在水中长期悬浮，这种土粒在水中运动，相互碰撞而吸引逐渐形成小链环状的土集粒，质量增大而下沉，当一个小链环碰到另一个小链环时相互吸引，不断扩大形成大链环。,蜂窝结构,絮状结构,土力学与地基基础,2 土的物理性质及工程分类,2.1.2.2 土的构造：同一土层中，土颗粒之间相互关系特征,层状构造土层由不同的颜色或不同的粒径的土组成层理，一层一层相互平行。反应不同年代不同搬运条件形成的土层，为细粒土的一个重要特征。,分散构造土层中土粒分布均匀，性质相近，如砂与卵石。,结核状构造在细粒土中混有粗颗粒或各种结核，,裂隙状构造土体中有很多不连续的小裂隙，某些硬塑或坚硬状态的粘土为此种构造。,2.1.3 土的工程性质（略）,2.1.4 土的生成与工程性质的关系（略）,58,2.2.1. 矿物成分,原生矿物 石英、长石、云母等 次生矿物 主要是粘土矿物，包括三种类型 高岭石、伊里石、蒙托石;可 溶盐；无定型氧化物胶体,§2 土的物性及分类,2.2.1. 固体颗粒,§2.2土的三相组成,粘土矿物: 由硅片和铝片构成的晶胞（晶格）所组合而成,59,§1 土的物性及分类,2.2.1. 固体颗粒,§2.2土的三相组成,硅片的结构（硅-氧四面体）,60,§1 土的物性及分类,2.2.1. 固体颗粒,§1.2土的三相组成,铝片的结构（铝-氢氧离子八面体）,61,§2 土的物性及分类,2.2.1 固体颗粒,§2.2土的三相组成,粘土矿物的晶格构造： 二层型晶格 三层型晶格,高岭石,蒙托石,伊利石,粒 径 比表面积 亲 水 性 胀 缩 性 渗 透 性 强 度,大 10-20m2/g 小 小 大 大,中 80-100m2/g 中 中 中 中,小 800m2/g 大 大 小 小,比表面积 ：单位质量土颗粒所拥有的总表面积,9克蒙托石的总表面积大约与一个足球场一样大,土力学与地基基础,2 土的物理性质及工程分类,2.2.1.2 土颗粒的大小和形状（土粒粒组）,分界粒径使土的性质呈质变的某些粒径。,粒组相邻分界粒径之间的粒径范围。,粒径/mm,卵碎石,砾,砂粒,粉粒,粘粒,漂块石,1/200,2,200,0.075,60,粘土,粗砂,碎石,卵石,颗粒级配各粒组的相对含量，用质量百分数来表示,土力学与地基基础,2 土的物理性质及工程分类,2.2.1.3 土粒分析方法,筛析法大于0.075mm土颗粒 密度计法小于0.075mm土颗粒 联合测定,确定土中各粒组的相对含量，通常用试验方法，称颗粒大小分析试验，简称颗分试验。,64,2.2.1. 固体颗粒,§2 土的物性及分类,10 5.0 2.0 1.0 0.5 0.25 0.075,200g,10 16 18 24 22 38 72,小于某粒径之土质量百分数P（）,粒径(mm),§2.2土的三相组成,P % 95 87 78 66 55 36,土的颗粒级配累积曲线,沉降分析法,65,2.2.1. 固体颗粒,§2土的物性及分类,§2.2土的三相组成,d60,d50,d10,d30,特征粒径: d50 : 平均粒径 d60 : 限制粒径 d10 : 有效粒径 d30 : 中值粒径,不均匀程度： Cu = d60 / d10,连续程度: Cc = d302 / (d60 ×d10 ) 曲率系数, 不均匀系数,Cu 5,级配不均匀,粗细程度： 用d50 表示,66,一. 固体颗粒,§1 土的物性及分类,§1.2土的三相组成,斜率: 某粒径范围内颗粒的含量 陡相应粒组质量集中 缓-相应粒组含量少 平台-相应粒组缺乏,连续程度: Cc = d302 / (d60 ×d10 ) 曲率系数,较大颗粒缺少,Cc 减小,较小颗粒缺少,Cc 增大,C c = 1 3, 级配连续性好,67,颗粒级配,颗粒级配累积曲线及指标的用途：,1）粒组含量用于土的分类定名；,2）不均匀系数Cu用于判定土的不均匀程度： Cu 5, 不均匀土； Cu 5, 匀粒土,3）曲率系数Cc用于判定土的连续程度： C c = 1 3, 级配连续土； Cc 3 或 Cc 1,级配不连续土,4）Cu和Cc用于判定砾类或砂类土的级配优劣： 如果 Cu 5且 C c = 1 3 ， 级配 良好的土； 如果 Cu 3 或 Cc 1, 级配 不良的土,§2 土的物性及分类,2.2.1 固体颗粒,§2.2土的三相组成,68,结晶水 矿物内部的水 结合水 吸附在土颗粒表面的水 自由水 电场引力作用范围之外的水 土中冰 由自由水冻成，冻胀融陷,§2 土的物性及分类,§2.2土的三相组成,2.2.2 土中水（液相）,69,§2 土的物性及分类,2.2.2 土中水,结合水,排列致密、定向性强 密度1g/cm3 冰点处于零下几十度 具有固体的特性 温度高于100°C时可蒸发,强结合水,位于强结合水之外，电场引 力作用范围之内 外力作用下可以移动 不因重力而移动，有粘滞性,弱结合水,70,自由水,重力水,毛细水,存在于地下水位以下透水层中 在重力作用下可在土中自由流动,存在于地下水位以上透水层中 在重力与表面张力作用下 可在土粒间空隙中自由移动,§2 土的物性及分类,§2.2土的三相组成,2.2.2 土中水,71,§2土的物性及分类,§2.2土的三相组成,2.2.2 土中水,土中毛细现象,上升高度:,毛细水,分布在土粒内部相互贯通的孔隙可以看成许多形状不一、直径互异、彼此连通的毛细管,毛细升高与孔径成反比,72,2.2.3 土中气体,自由气体：与大气连通，对土的性质影响不大 封闭气体：增加土的弹性；阻塞渗流通道,§2 土的物性及分类,§2.2土的三相组成,73,§2.3 土的三相比例指标,土的物理状态 无黏性土的松密程度 黏性土的软硬状态,§2 土的物性及分类,土的三相比例指标 (三相间的比例关系),力学特性,影响,表示,74,三相比例指标物理性质指标,土的三个组成相的体积和质量上的比例关系,§2 土的物性及分类,§2.3 土的三相比例指标,密实程度 干湿程度 ,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,75,1. 三相草图,§2 土的物性及分类,质量,体积,§2.3 土的三相比例指标,76,三相草图,§2土的物性及分类,已知关系五个:,共有九个参数: V Vv Vs Va V / ms m ma m,剩下三个独立变量,三相草图法,物性指标是比例关系: 可假设任一参数为1,对于饱和土, Va=0 剩下两个独立变量,试验室测定,推导 其它指标,是一种简单而实用的方法,§2.3 土的三相比例指标,77,§2 土的物性及分类,2.室内测定的三个物理性质指标,-土的密度、土粒的比重、土的含水量,土的密度,土的重度,=g,工程上更常用, 用于计算土的自重应力,单位: kg/m3 或 g/cm3,单位: kN/m3,一般范围: 1.602.20 g/cm3,定义: 土单位体积的质量,有时也称土的天然密度,§2.3 土的三相比例指标,表达式:,相关指标:,三相草图有助于直观理解物性指标的概念,试验方法:环刀法,g取10 m/s2,78,§2 土的物性及分类,土粒比重,s: 土粒的密度，单位体积土粒的质量,单位: 无量纲,土粒比重一般范围: 粘性土 2.722.76 砂 土 2.65-2.69 粉粒土 2.70-2.71,4C时纯蒸馏水的密度,=1.0 g/cm3,土粒比重在数值上等于土粒的密度,定义: 土粒质量与同体积4 C时纯水的质量之比 土粒的密度与4C时纯蒸馏水的密度的比值,§2.3 土的三相比例指标,表达式:,试验测定方法：比重瓶法,79,§2 土的物性及分类,土的含水率,定义: 土中水的质量与土粒质量之比, 用百分数表示,注意: 其实是含水比, 可达到或超过100,§2.3 土的三相比例指标,表达式:,试验测定方法：烘干法,80,表示土中孔隙含量的指标,孔隙比,孔隙率 (孔隙度),§2 土的物性及分类,. 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,砂类土：28-35% 粘性土：30-50% 有的可达60-70%,§2.3 土的三相比例指标,定义: 土中孔隙体积与固体颗粒体积之比, 无量纲,表达式:,定义: 土中孔隙体积与总体积之比, 用百分数表示,表达式:,Vs=1,Vv=e,V=1+e,三相草图可用于确定物性指标之间的关系,81,表示土中含水程度的指标,§2 土的物性及分类,含水率,饱和度,§2.3 土的三相比例指标,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,Sr=0 : 干土 Sr=1 : 饱和土,82,§2土的物性及分类,表示土中密度和重度的指标,天然密度,干密度,饱和密度,天然重度,干重度,浮重度,有效重度,饱和重度,§2.3 土的三相比例指标,单位: kg/m3 或 g/cm3,单位: kN/m3,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:,定义:土孔隙中充满水是的单位体积质量,表达式:,定义:地下水位以下，土单位体积中土粒的重量与 同体积水的重量之差,83,各种密度重度之间的大小关系：,§2 土的物性及分类,§2.3 土的三相比例指标,天然密度,干密度,饱和密度,天然重度,干重度,浮重度,饱和重度,84,§1 土的物性及分类,常用的物理性质指标间的换算关系,§1.3 土的三相比例指标,教科书 P54 表2-1,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（自学）,推导方法,设Vs=1，利用3个试验指标推导出质量、 体积的参数，再根据各指标定义推导换算指标 （教材第14页）,土力学与地基基础,2 土的物理性质及工程分类,2.3.5 指标换算方法,土力学与地基基础,2 土的物理性质及工程分类,（1）令土粒体积为1，由孔隙比的定义（孔隙体积与土粒体积之比）知孔隙体积为e，总体积为1+e。,土力学与地基基础,2 土的物理性质及工程分类,由比重定义知,可得，,由含水率定义知,可得，,由天然密度定义知,重新绘制三相图有,土力学与地基基础,2 土的物理性质及工程分类,（2）由水和土粒质量之和为土体质量知,得孔隙比,土力学与地基基础,2 土的物理性质及工程分类,（3）由饱和度的定义知,（4）由孔隙率定义知,（5）由干密度定义知,将 e代入，得,土力学与地基基础,2 土的物理性质及工程分类,（6）由饱和密度定义知,（7）由浮密度定义知,91,§2 土的物性及分类,小结,§2.3 土的三相比例指标,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,密实程度 干湿程度 ,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 3 个物理性质指标 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6个常用的物理性质指标 表示土中孔隙含量的指标（2个） 表示土中含水程度的指标（1个） 表示土中密度和重度的指标（3个）,三相草图可用于确定物性指标之间的关系,三相草图法是求取物理性质指标的简单而有效的方法,92,习题,93,94,95,96,§2 土的物性及分类,§2.4 土的物理状态指标,土的物理状态 无黏性土的松密程度 黏性土的软硬状态,土的物理性质指标 (三相间的比例关系),力学特性,影响,表示,97,emax与emin ：最大与最小孔隙比,无黏性土的密实状态（粗粒土）,§2 土的物性及分类,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：不能反映级配的影响 只能用于同一种土,对策,相对密实度,§2.4 土的物理状态指标,孔隙比e或孔隙率n,emin = 0.35,emin = 0.20,98,§2 土的物性及分类,§2.4 土的物理状态指标,emax: 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,emin: 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,emax与emin ：最大与最小孔隙比,注意：室内测得理论上的最大与最小孔隙比有时很困难,99,无黏性土的密实状态指标,判别标准： Dr = 1 , 最密状态 Dr = 0 , 最松状态 Dr 1/3 , 疏松状态 1/3 2/3 , 密实状态,§2 土的物性及分类,§2.4 土的物理状态指标,相对密实度,100,§2 土的物性及分类,§2.4 土的物理状态指标,原位测试方法,建筑地基基础设计规范 GB 50007-2011分类法,公路桥涵地基与基础设计规范 JTG D63-2007分类法,101,2. 黏性土的软硬状态,§2 土的物性及分类,也称稠度状态,§2.4 土的物理状态指标,软硬状态与含水率有关,黏性土,含水率,较硬,变软,流动,102,塑限p,液限l,§2 土的物性及分类,界限含水率,§2.4 土的物理状态指标,黏性土的软硬反映土中水的形态,固态或半固态,可塑状态,流动状态,强结合水膜最大,出现自由水,强结合水,弱结合水,自由水,软硬状态,含水率,土中水的形态,w,缩限p,103,软硬状态,问题：仅适用于重塑土,§2 土的物性及分类,§2.4 土的物理状态指标,对于不同的黏土，含水率相同，软硬状态可能不同,液性指数,不同的黏土，p、l 大小不同,定义：,wp,w,wl,IL1,坚硬状态 可塑状态 流 态,0.00 0.25 0.25 - 0.75 0.75 1.00,硬塑 可塑 软塑,104,重塑土,§2 土的物性及分类,§2.4 土的物理状态指标,wp,w,wl,试验方法： 1)液限液限仪、液塑限联合测定仪、碟式液限议 2)塑限滚搓法、液塑限联合测定仪 3)缩限收缩仪试验,具体试验步骤自学试验指导手册,105,吸附结合水的能力；黏性大小；大致反映黏土颗粒含量,§2 土的物性及分类,§2.4 土的物理状态指标,塑性指数,常作为细粒土工程分类的依据,计算时含水率要去掉%,106,反映粘性土结构性的指标,7. 粘性土的灵敏度 St,§2 土的物性及分类,§2.4 土的物理状态指标,=,原状土,结构性,相同含水量 密度,粉碎 重塑,重塑土,强度降低,St 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,（5）活动度A,107,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。,8. 粘性土的触变性,§1 土的物性及分类,§1.5 土的结构与构造,土力学与地基基础,2 土的物理性质及工程分类,2.5 地基土的工程分类,2.5.1 分类的必要性和分类指标,土的颗粒大小及分布,土的塑性和液限,有机质含量,2.5.2 岩石,2.5.3 碎石土,2.5.4 砂土,2.5.5 粉土,2.5.6 粘性土,2.5.7 人工填土,土力学与地基基础,2 土的物理性质及工程分类,该规范按土粒大小、粒组的土粒含量或土的塑性指数把地基土分为碎石土、砂土、粉土和粘性土四大类，然后再进一步细分。 （1）碎石土的分类 若土中粒径大于2mm的颗粒含量超过全重的50，则该土属于碎石土。 （2）砂土的分类 若土中粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重的50、粒径大于0.075mm的颗粒超过全重50，则该土属于砂土。 砾砂、粗砂、中砂、细砂、粉砂,2.5.2 建筑地基基础设计规范中的地基土分类,土力学与地基基础,2 土的物理性质及工程分类,（3）粉土 若土的塑性指数小于或等于10，粒径大于0.075mm的颗粒含量超过总量的50，则该土属于粉土。 （4）粘性土的分类 若土的塑性指数大于10，粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过总量的50，则该土属于粘性土。进一步地，将再静水或缓慢的流水环境中沉积，经生物化学形成，其天然含水率大于液限、天然孔隙比大于或等于1.5的粘性土称为淤泥。天然孔隙比小于1.5，但大于或等于1.0的粘性土称为淤泥质土。 粘土： IP17 粉质粘土： 10IP17,土力学与地基基础,2 土的物理性质及工程分类,粗粒土按颗粒组成进行分类；粘性土按塑性指数分类。 （1）巨粒土和含巨粒土的分类 巨粒土和含巨粒土应按试样中所含 粒径大于60mm的巨粒组含量来 划分。试样中含巨粒组质量多于总 质量的50的土称为巨粒土；试样 中巨粒组质量为总质量的1550 的土称为巨粒混合土；试样中巨粒组质量少于总质量的15的土，可扣除巨粒，按粗粒土或细粒土的相应规定分类定名。,2.5.9 土的分类标准,土力学与地基基础,2 土的物理性质及工程分类,（2）粗粒土的分类 试样中粒径大于0.075mm的粗粒组质量多于总质量50的土称为粗粒土。粗粒土又分为砾类土和砂类土两类。试样中粒径大于2mm的砾粒组质量多于总质量的50的土称为砾类土；试样中粒径大于2mm的砾粒组质量少于或等于总质量50的土称为砂类土。,土力学与地基基础,2 土的物理性质及工程分类,（3）细粒土的分类 试样中粒径小于0.075mm的细粒组质量多于或等于总质量的50的土称为细粒土。细粒土应按下列规定划分： 试样中粗粒组质量少于总质量的25的土称为细粒土； 试样中粗粒组质量为总质量的2550的土称含粗粒的细粒土； 试样中含部分有机质的土称有机质土。 细粒土可按塑性图进一步细分。,土力学与地基基础,2 土的物理性质及工程分类,土力学与地基基础,2 土的物理性质及工程分类,【例题】有A，B，C三种土，它们的粒径分布曲线如图所示。已知B土的液限为38，塑限为19，C土的液限为47，塑限为24。试对这三种土进行分类。,土力学与地基基础,2 土的物理性质及工程分类,【解】（1）对A土进行分类： 从图128曲线A查得粒径大于60mm的巨粒含量为零，而粒径大于0.075mm的粗粒含量为98，大于50，所以A土属于粗粒土； 从图中查得粒径大于2mm的砾粒含量为63，大于50，所以A土属于砾类土； 细粒含量为2，少于5，该土属砾； 从图中曲线查得d10，d30和d60分别为0.32mm、1.65mm和3.55mm，因此，土的不均匀系数 Cu= d60d10=3.55 0.3211.0 土的曲率系数 Cc=(d30)2 d10 d601.652 0.32×3.55=2.40,土力学与地基基础,2 土的物理性质及工程分类,由于Cu5，Cc13，所以A土属于级配良好砾（GW）。 （2）对B土进行分类： 从图128的B曲线中查得大于0.075mm的粗粒含量为72，大于50，所以B土属于粗粒土； 从图中查得大于2mm的砾粒含量为8，小于50，所以B土属于砂类土，但小于0.075mm的细粒含量为28，在1550%之间，因而B土属于细粒土质砂； 由于B土的液限为38，塑性指数Ip381919，在17mm塑性图上落在CL区，故B土最后应定名为粘土质砂（SC）。,土力学与地基基础,2 土的物理性质及工程分类,（3）对C土进行分类： 从图128的C曲线中查得大于0.075mm的粗粒含量为46，介于2550之间，所以C土属于含粗粒的细粒土；从图中查得大于2mm的砾粒含量为零，该土属于含砂细粒土； 由于C土的液限为47，塑性指数Ip=472423，在17mm塑性图上落在CL区，故C土最后应定名为含砂低液限粘土（CLS）。,土力学与地基基础,2 土的物理性质及工程分类,1 杨进良. 土力学M. 北京: 中国水利水电出版社, 2006.,参考资料：,2 周汉荣, 赵明华. 土力学地基与基础M. 北京: 中国建筑工业出版社, 1997.,土力学与地基基础,2 土的物理性质及工程分类,掌握土的三种风化作用、土的结构和构造 掌握土的三相组成，土粒、土中水和气体性质 掌握土的物理性质指标及推导 掌握土的物理状态指标及其物理意义 熟悉土的工程分类,本章重点：,本章要求：,土的三相组成，土粒、土中水和气体性质,土的物理性质指标及推导,土的物理状态指标及其物理意义,习题：,复习思考题2.6、2.8、2.13、2.17、2.18,习题2.1、2.3、2.5、2.7,土力学与地基基础,2 土的物理性质及工程分类,