土力学第1章土的物理性质与工程分类.ppt
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1、绪 论,土力学基本原理,基础设计,地基处理,变形问题、强度问题、稳定问题、渗流问题,研究土体在荷载作用下,土中的应力、变形、强度和稳定性以及 渗流规律的一门力学分支称它为土力学。专业基础课、理论为主。,土力学,土力学的研究主题,基础工程,运用土力学的基础理论研究结构物物地基基础的设计,以及下部结 构与土层相互作用共同承担上部结构物所产生的各种变形和稳定问 题,包括基础设计、地基设计两部分。研究的目的是为设计提供依 据,解决岩土工程中的安全性和经济性这一对矛盾,专业课、应用 为主。,上部结构:对于某一建筑结构而言,在岩土地层(土层或岩层)上 的工程结构成为上部结构。,地基:支撑建筑物(上部结构)
2、荷载、并且受建筑物影响的那一部 分地层称为地基。,天然地基:没有经过人工处理的地基。建筑物直接建筑在地基上。,人工地基:如果地基不满足工程要求,需要对地基进行加固处 理,处理后的地基被称为人工地基。,基础:将上部结构的荷载传递到地基中的结构组成部分被称为基 础。通常被称为下部结构。,浅基础:通常把埋置深度不大(小于或相当于基础底面宽度, 一般认为小于5米)的基础。,深基础:若浅层土质不良,必须把基础埋置于较深处良好地 层时(基础深度大于基础宽度)的基础。,持力层:直接承担基础荷载的土层被称为持力层。,下卧层:持力层下面的土层被称为下卧层。,软弱下卧层:承载力显著低于持力层的土层,如淤泥。,地基
3、与基础示意图,地基,持力层,下卧层,第一章,土的组成与结构,土的物理性质指标,土的物理状态,土的渗透性及工程分类,渗透特性 变形特性 强度特性,土的三相组成 土的结构与构造 土的物理性质指标 土的物理状态 土的渗透性,影 响,土的形成过程,本章脉络,土的分类,地质年代,太古代、元古代、古生代、中生代和新生代,地壳发展历史与地壳运动、沉积环境及生物演化相 对应的时代段落。,地质年代和地层单位、顺序、名称对应关系 表1-1,相对地质年代,古生物的演化 岩层形成的顺序,第四纪地质年代细分表 表1-2,土的概念,地壳表层原来坚硬连续的岩石,经历长期的风化作用以 及剥蚀、搬运、沉积等作用,在各种交错复杂
4、的自然环境中 在地表形成的各种散粒堆积物称为“第四纪沉积物”或“土”。,岩石,土,风化作用,沉积过程,由人类文化期以来的沉 积土称为“新近沉积土”,生成产物,产生原因,岩石的风化,物理风化、化学风化、生物风化,物理风化,风化后的产物仅由大变小,化学成分不变,物理化学性状较稳定。,风化特征,属于原生矿物颗粒,易生成巨粒土、粗粒土,如漂石、砾类土、砂类土等。,、地质构造力;、温差; 、冰胀 ;、碰撞,生成产物,产生原因,风化后的产物改变其矿物的化学成分,形成新的矿物。,风化特征,属于次生矿物颗粒,易生成细粒土,最 主要的是黏土颗粒及大量的可溶性盐。,、水解作用;、水化作用; 、氧化作用 ;、溶解作
5、用,生物的物理风化,生物的化学风化,化学风化,生物风化,残积土,残积土,颗粒表面粗糙、 多棱角、粗细不 均匀、无层理。,特点,坡积土,坡积土(物、层)断面,搬运土,搬运距离短;土 中组成物的尺寸 相差很大,性质 很不均匀。,特点,作用力,重力、雨 水或雪水,洪积土,洪积土(物、层)断面,有一定的分选性, 搬运距离近的沉积 物颗粒较粗,力学 性质较好;搬运距 离远的沉积物颗粒 较细,力学性质较 差。洪积土还常呈 现不规则交错的层 理构造。,特点,作用力,暴雨或山洪,冲积土,山区河谷断面示例,由于经过较长时间 的搬运,浑圆度和 分选性更为明显, 常形成砂土层和黏 性土层交叠的地 层。,特点,作用力
6、,河流流水,风积土风力,湖泊沼泽沉积土缓慢的水流或静水条件,海相沉积土海水,冰积土冰川或冰水,颗粒细,磨圆度、分选性好,表层土质松软,黄土 具有湿陷性;沙丘在风力推动下随时改变形状和位置。,这种土的特征,除了含有细微的颗粒外,常伴有生物 化学作用所形成的有机物的存在,成为具有特殊性质 的淤泥或淤泥质土,工程性质都很一般。,颗粒细,表层土质松软,工程性质较差。,颗粒粗细变化也较大,土质不均匀 。,土的工程性质的概念,是指与变形、强度、稳定和渗流等有关的土的性质。它有3个基 本特征和2个基本特点,从而导致土力学不同于其他力学学科(包括 岩石力学)。,土体的三个基本特征,1、三相体,土的组成,土粒,
7、土中水,土中气,固相,液相,气相,饱和土,非饱和土,干土,土体工程性质的二个基本特点,3、自然变异性或不均匀性,土的自然变异性是指土的工程性质随空间与时间而变异的性质,有 时也称其为不均匀性。这种变异性是客观的、自然形成的。,1、不确定性,2、易变性,原因,土的性质复杂,埋藏于地下,难以直接测量,土粒间的联结为无黏结或弱黏结。土体是碎散的,是一种以摩擦为 主的集聚性材料,具有散粒性和孔隙性。,2、碎散性,粒径,粒度,粒组,界限粒径:,土颗粒的大小,土颗粒大小的程度,将土中各种不同粒径的土粒,按适当的粒 径范围,分为若干组 ,称为粒组。,划分粒组的分界尺寸称为界限粒径。,国标土的分类标准(GBJ
8、145-90)规定的界限粒径200、60、2、0.075和0.005mm。,颗粒大小与粒组划分,粒组划分与颗粒级配(熟知),粒组划分,粒组划分 表1-3,方案一:建筑地基基础设计规范和岩土工程勘察规范 方案二:土的分类标准(GBJ145-90),土的颗粒级配,土中各个粒组的相对含量(各粒组占土粒总质量的百分数) ,这个百分数习惯上称为土的颗粒级配。,土颗粒分析试验,筛分法,沉降分析法,用于粒径小于等于60mm、大于0.075mm粗粒土。,用于粒径小于0.075mm的细粒土。,沉降分析法有密度计法(比重计法)、移液管法等。,孔径 10 5.0 2.0 1.0 0.5 0.25 0.1 (0.07
9、5),200g土,筛余 0 10 16 18 24 22 38 72,小于某粒径的土的百分含量(),粒径(mm),P 100 95 87 78 66 55 36,土的颗粒级配累计曲线,沉降法,筛分法,颗粒级配曲线,d60,d50,d10,d30,特征粒径:,斜率: 某粒径范围内颗 粒的含量 陡:相应粒组含量多 缓:相应粒组含量少 平台:相应粒组缺乏,d50 : 平均粒径 d60 : 控制粒径 d10 : 有效粒径 d30 : 中值粒径,A、B、C三种不同土样的颗粒级配曲线,A,B,C,颗粒级配曲线的应用,不均匀系数Cu,曲率系数Cc,在一般情况下,把Cu10的土属级配良好。,经验证明,当级配连
10、续时, Cc的范围约为13;因此当Cc3时,均表示级配线不连续。,工程上要求同时Cu5且Cc=13的土为级配良好的土,粒组含量用于土的分类定名; 不均匀系数Cu用于判定土的不均匀程度; Cu 5为不均匀土; Cu 5为均匀土 曲率系数Cc用于判定土的连续程度; Cc =13为级配连续土;Cc3 或 Cc3 或Cc1为级配不良的土。,土颗粒级配曲线和指标的应用,土粒的矿物成分,矿物的定义,矿物是地壳中的一种或多种元素在各种地质作用(自然作用) 下形成的自然产物,是具有一定化学成分、内部构造和物理 性质的自然元素或化合物。它们在一定的物理化学条件范围 内稳定,是组成岩石和矿物的基本单元,是构成地壳
11、的最基 本物质。,矿物的形态,一向延长型 二向延展型 三向等长型,单粒形态,显晶集合体 隐晶集合体 胶态集合体,集合体形态,柱状集合体(石英),针状集合体(辉秘矿),片状集合体(白云母),粒状集合体(方铅矿),纤维状集合体(直闪石石棉),放射状集合体(红柱石),水晶晶簇,分泌体|玛瑙,钟乳状(方解石),肾状(硬锰矿),皮壳状(孔雀石),土粒 成分,无机矿物,有机质,原生矿物,次生矿物,不可溶的,可溶的,黏土矿物,倍半氧化物,次生氧化物,难溶盐,中溶盐,易溶盐,腐植质分解完全,土泥炭分解不完全,土粒的矿物成分,原生矿物,主要类型,工程性质,是岩浆在冷凝过程中形成的矿物,常见的有石英、云母、长石等
12、。原生矿物颗粒是母岩石经物理风化而成,仅形状和大小发生了变化,成分与母岩相同,颗粒较粗大,有圆状、浑圆状、棱角状等。,原生矿物,硅酸盐类矿物、氧化物类矿物、 硫化物类矿物、磷酸盐类矿物。,、矿物的化学成分比较稳定,具有较强的抗水性和抗风能力,亲水性较弱。 、对土的工程性质的影响主要表现在颗粒的大小、形状、坚硬程度、表面特征、矿物类型等方面。,原生矿物(或母岩)经化学风化而成,其成分与母岩不同,为一种新矿物。次生矿物颗粒较细,为细粒组的主要成分。颗粒较细,多呈针状、片状、扁平状。,次生矿物,可溶性的次生矿物,不溶性的次生矿物,次生氧化物,成凝胶状,颗粒极细,亲水性弱,性质稳定。,含水倍半氧化物,
13、成凝胶状,颗粒极细,亲水性强。,黏土矿物,次生二氧化硅,对黏土性质的影响很大,次生矿物,黏土矿物(熟知),硅片 铝片,蒙脱石,二层、三层晶胞,蒙脱石的主要 特征是颗粒细 小,具有明显 的吸水膨胀和 失水收缩的特 性,或说其亲 水能力很强。,高岭石,高岭石的主要特征 晶胞之间的连接较 强,晶胞之间的距 离不易改变,水分 子不能进入,晶胞 的活动性小。使得 其亲水性、膨胀性 和收缩性较弱。,伊利石,伊利石的结晶构 造比蒙脱石稳定 。亲水能力较蒙 脱石差。其特征 也介于两者之间,比表面积,单位体积(或质量)的颗粒的总表面积,黏土颗粒的带电性,研究表明,片状黏土颗粒表面常带有电荷,净电荷通常为负电荷,
14、黏土的电泳和电渗现象 (莫斯科大学列依斯,1809),- - - - - - - - - -,- - - - - - - - - - - -,+,+,+,+,黏土颗粒,水分子,阳离子,玻璃筒,玻璃皿,水位 升高,黏土粒,黏土膏,+,-,土中的水的分类,土中水,矿物中的结合水,土孔隙中的水,液态水,结合水,自由水,强结合水,弱结合水,重力水,毛细水,固态水,汽态水,结构水,结晶水,沸石水,结合水(束缚水、吸附水),指受电分子吸引力吸附于土粒表面的土中水,结合水受电分子吸引力吸附于土粒表面成薄膜状,不服从静水力学规律,其冰点低于零度,其密度和黏滞性比一般正常水高,只有吸热变成蒸汽才能移动。,黏土
15、颗粒,引力,d,水分子,阳离子,强结合水,弱结合水,自由水,强结合水,弱结合水,没有溶解盐类的能力; 不能传递静水压力; 只有吸热变成蒸汽时才能移动,在105时才蒸发; 其性质接近于固体,密度约为1.2 2.4g/cm3; 冰点为78,具有极大的黏滞度、弹性和抗剪强度; 强结合水厚度很薄,吸附力高,阳离子浓度大, 水分子的定向排列特征显著。,只含强结合水时,黏土呈固体坚硬状态、砂土呈散粒状态,强结合水,吸着水,受电场引力作用,为黏滞水膜; 外力作用下可以移动; 不因重力而流动,有黏滞性; 密度约为1.0 1.7g/cm3;,弱结合水,薄膜水,此部分水的厚度对黏性土的黏性特征和工程性质影响最大,
16、当土中含有较多的弱结合水时,土具有一定的可塑性。,土粒表面的结合水,非结合水(自由水),重力水,毛细水,按其移动所受作用力的不同,重力或水头压力作用下运动,毛细水承受表面张力和重力的作用,毛细水是受到水与空气交界面处表面张力作用的自由水,重力水是存在于地下水位以下的透水土层中的地下水,毛 细 管,hc,T,2r,土中毛细水上升高度,黏土 粉土 砂土,毛细水的形成,r,空气 水 固体颗粒,弯液面,毛细水的工程地质意义,毛细黏聚力提高土的强度,毛细水可助长地基土的冻胀现象;地下室潮湿;危害房屋基础及公路路面; 在干旱区,地下水中的可溶性盐随毛细水上升后不断蒸发,盐分便积聚在地表处而易形成盐渍土。,
17、毛细水对土中气体的分布与流通起有一定作用,常是导致产生密闭气体的原因。,土体有三个组成部分:固相、液相和气相,小 结,固体颗粒 土中水 土中气体,颗粒级配 矿物成分 黏土矿物,结合水:强结合水、弱结合水 自由水:重力水、毛细水,吸附气体 溶解气体 自由气体 封闭气体,原状土和重塑土的强度 沉积或碾压土的各向异性,土的结构是指土粒的原位集合体特征,是由土粒单元的大小、形状、相互排列及其联结关系等因素形成的综合特征。,土颗粒或粒团的空间排列和相互联结。,单粒结构,蜂窝结构,絮状结构,土的结构,粗颗粒土在水中或空气中下沉而成的,是碎石土和砂类土的结构特征。,单粒结构,特点:土粒间的分子吸引力很小,颗
18、粒几乎没有联结。,粒间作用力:重力起决定性的作用。在非饱和土中,还受到毛细力的作用。,排列形式:点与点、点与面,蜂窝结构,当土颗粒较细,在水中单个下沉,碰到已沉积的土粒,由于土粒之间的分子吸力大于颗粒自重,则土粒被吸引不再下沉,逐渐形成土粒链,土粒链组成弓架结构,形成很大孔隙的蜂窝状结构。是粉粒土的结构形式。,特点:孔隙大,高水平荷载作用下,结构破坏,易导致严重的地基沉降。,絮状结构,粒径小于0.005mm的黏土颗粒,在水中长期悬浮并在水中运动时,形成小链环状的土集粒而下沉。这种小链环碰到另一小链环被吸引,形成大链环状的絮状结构。,特点:不稳定的,随溶液性质的改变或受到震荡后可重新分散。,土的
19、构造(了解),在同一土层中的物质成分和颗粒大小等都相近的各部分之间的相互关系的特征称为土的构造。,层状构造 土粒在沉积过程中,由于不同阶段沉积的物质成分、颗粒大小或颜色不同,沿竖向呈层状特征。,淤泥夹粘土透镜体,黏土尖灭,砂土夹黏土层,水平层理 交错层理,分散构造 土层中各部分的土粒无明显差别,分布均匀,各部分性质亦接近。例如,各种经过分选的砂、砾石、卵石等沉积厚度较大时,无明显层次,都属于分散构造。 具有分散构造的上可作为各向同性体看待。,裂隙构造 土体被许多不连续的小裂隙所分割,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。黄土具有特殊的柱状裂隙。裂隙破坏土的整
20、体性,增大透水性,对工程不利。,土颗粒或粒团的空间排列和相互联结,小 结,土的三相草图,土的物理性质指标(土的三相比例指标),表示土的三相组成各部分的质量和体积之间的比例关系的指标,九个物理量: m ma V Vv Vw ms m w Vs Va,三个独立变量, 干土或饱和土二个独立变量,其它指标: 三相草图法计算,实验室 测定,九个物理量: m ma V Vv Vw ms m w Vs Va,可假设任一参数为1,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: 土的密度试验 土粒比重试验 土的含水量试验,土粒比重Gs(土粒相对密度),土中固体颗粒的质量与同体积4时纯水的质量之
21、比;或为土粒密度与4时纯水的密度之比。,表达式,测定方法: 比重瓶法;经验法,常见值:砂类土 Gs=2.652.69;粉类土 Gs=2.702.71; 黏性土 Gs=2.722.76。 有机质 Gs=2.42.5; 泥炭 Gs=1.51.8。,土粒密度,土的含水量(含水率)w,土中水的质量与土粒质量之比,以百分数表示 。,表达式,测定方法,常见值: 砂土 w=(040)%;黏性土 w=(2060)%。,意义:表示土体湿度(含水程度)的物理指标。与土 的种类、埋藏条件及其附近的自然环境等有关。,烘干法; 红外线法; 酒精燃烧法;铁锅炒干法,土的密度,土的总质量m与总体积V之比或土单位体积的质量。
22、 单位:国际上kg/m3,国内工程中常用g/cm3。,测定方法: 环刀法 适用于黏性土、粉土与砂土。,常见值: 砂土:1.62.0g/cm3; 黏土: 1.82.0g/cm3 ; 腐殖土: 1.51.7g/cm3。,表达式,意义:综合反映了土的物质组成和结构特征。,干密度,土单位体积中土粒的质量或土的孔隙中完全没有水时的密度。,测定方法:大环刀法 ; 放射性同位素法,常见值: d=(1.31.8)g/cm3,工程应用,在工程上常把干密度作为评定土体紧密程度的标准。通常用作填方工程如土坝、路基和人工压实地基等土体压实质量的控制标准。,表达式,表示特殊条件下土的密度的指标,饱和密度,土的孔隙完全被
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