工程地质与地基基础 02土的工程性质.ppt

1/51,土力学包括哪些内容？,基础 物理性质,先导 土中应力,具体应用 土压力 ,核心 渗透特性 变形特性 强度特性,2/51,基础与主线,先导,具体 应用,土的物理性质及分类,土的渗透性,土中应力,土的压缩性和地基沉降计算,土的抗剪强度,土压力,渗透特性 变形特性 强度特性,地基承载力,土坡和地基的稳定性,3/51,第二章 土的物理性质及工程分类,§2.1 土的组成及其结构构造 §2.2 土的物理性质指标 §2.3 土的物理状态指标 §2.4 土的工程分类,主要内容,4/51,土的概念多种矿物颗粒组成的松散集合体。,岩石,风化,岩石破碎 化学成分改变,剥蚀搬运沉积,松散颗粒集合体（土）,土的生成：,风化,5/51,碎散性,非连续介质,受力以后易变形 强度低，易在联接处破坏,土的特点,颗粒之间无联结或联结微弱,6/51,三相介质,多孔性,受力后水、气可排出， 使土体积减小,土的特点,固相土骨架 液相水 气相空气,7/51,自然变异性,（1）复杂性 （2）易变性 （3）结构性,土的特点,8/51,碎散性,多孔性,自然变异性,力学特性复杂,变形特性 强度特性 渗透特性,9/51,§2.1 土的组成及其结构与构造,一、土的固相,土粒的大小、相关矿物成分以及大小搭配情况对土的物理力学性质有明显影响,1.土的颗粒级配,工程上将各种不同的土粒按其粒径范围，划分为若干粒组，为了表示土粒的大小及组成情况，通常以土中各个粒组的相对含量（即各粒组占土粒总量的百分数）来表示，称为土的颗粒级配,试验方法,筛分法：适用于0.075mmd60mm,比重计法:适用于d0.075mm,10/51,筛分法,用一套孔径不同的筛子，按从上至下筛孔逐渐减小放置。将事先称过质量的烘干土样过筛，称出留在各筛上的土质量，然后计算其占总土粒质量的百分数,11/51,比重计法,利用不同大小的土粒在水中的沉降速度不同来确定小于某粒径的土粒含量,12/51,颗粒粒径级配曲线,纵坐标表示小于某粒径的土粒含量百分比,横坐标表示土粒的粒径(对数坐标）,13/51,颗粒级配的描述,工程上常用不均匀系数Cu描述颗粒级配的不均匀程度,d10、d30、d60小于某粒径的土粒含量为10%、 30%和60%时所对应的粒径,Cu愈大，表示土粒愈不均匀。工程上把Cu5的土视为级配不良的土； Cu10的土视为级配良好的土,曲率系数Cc描述颗粒级配曲线整体形态，表明某粒组是否缺失情况,对于砾类土或砂类土，同时满足Cu5和Cc=13时，定名为良好级配砂或良好级配砾,14/51,颗粒级配的应用,土的颗粒级配主要影响到土的渗透性、压实性和强度。,在工程上要根据不同目的来选择土料： 作为河岸路基，要考虑渗透性，应选级配良好的细砂 作为一般地基，主要考虑压缩性和强度，应选级配均 匀的粗粒土。,15/51,2.土粒的矿物成分,矿物成分取决于母岩的矿物成分和风化作用,原生矿物：由岩石经过物理风化形成，其矿物成分与母岩相同,次生矿物：岩石经化学风化后所形成的新的矿物，其成分与母岩不相同,例：石英、云母、长石等,特征：矿物成分的性质较稳定，由其组成的土具有无粘性、透水性较大、压缩性较低的特点,例：粘土矿物有高岭石、伊利石、蒙脱石等,特征：性质较不稳定，具有较强的亲水性，遇水易膨胀的特点,16/51,二、土中的水,结晶水进入土颗粒矿物结晶格架中的水,结合水,重力水在重力或水头压力下运 动的自由水,毛细水存在于地下水位以上， 受到水与空气交界面处 表面张力作用的自由水,强结合水,弱结合水,自由水,受静电引力吸附在 土粒表面的水,土中水的含量显著影响土的性质(尤其是粘性土)。,17/51,三、土中气体,连通气体与大气相连通，在外力作用 下易排出，对土的性质影响不大。,封闭气体与大气不相连通，在外力 作用下易溶于水，外力卸除后 又重新释放出来，使得土的弹 性增加，透水性减小。,18/51,四、土的结构,在成土过程中所形成的土粒的空间排列及其联结形式，与组成土的颗粒大小、颗粒形状、矿物成分和沉积条件有关。,单粒结构碎石类土和砂类土的结构特征,蜂窝结构粉土的结构特征,絮状结构粘性土的结构特征,土的结构类型：,19/51,1.单粒结构：粗矿物颗粒在水或空气中在自重作用下沉落形成的单粒结构，其特点是土粒间存在点与点的接触。根据形成条件不同，可分为疏松状态和密实状态,20/51,2.蜂窝结构：颗粒间点与点接触，由于彼此之间引力大于重力，接触后，不再继续下沉，形成链环单位,很多链环联结起来，形成孔隙较大的蜂窝状结构,21/51,3.絮状结构：细微粘粒大都呈针状或片状，质量极轻，在水中处于悬浮状态。当悬液介质发生变化时，土粒表面的弱结合水厚度减薄，粘粒互相接近，凝聚成絮状物下沉，形成孔隙较大的絮状结构,22/51,五、土的构造,土的构造是指土体中各结构单元之间的关系。主要特征是土的成层性和裂隙性,即层理构造和裂隙构造，二者都造成了土的不均匀性,1.层理构造：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,而沿竖向呈现出成层特征,2.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,23/51,§2.2 土的物理性质指标,一、土的三相图,质量m,体积V,下标S土粒 W水 a气体,土的三相之间的数量比例直接影响土的性质。,湿土三相,干土两相,饱和土两相,24/51,二、指标的定义,1.土粒比重（土粒相对密度）Gs ：土粒质量与同体积的4时纯水的质量之比 。(无量纲),土粒比重决定于土的矿物成分。可用比重瓶法测定。 一般范围：细粒土（粘性土）一般2.702.75；砂土一般为2.65左右。土中有机质含量增加，土粒相对密度减小，2.42.5。,4°C时纯水的密度，1g/cm³或1t/m³,25/51,2.土的密度：单位体积土的质量,工程中常用重度来表示单位体积土的重力,重力加速度，近似取10m/s2,测定方法：环刀法,26/51,3.土的含水量：土中水的质量与土粒质量之比。,土的含水量是标志土含水程度的一个重要物理指标。 天然土层含水量变化范围较大，与土的种类、埋藏条件及其所处的自然地理环境等有关。,测定方法：通常用烘干法，亦可近似用酒精燃烧法,27/51,4.不同状态下土的密度和重度,干密度d ：单位体积中固体颗粒部分的质量,浮密度 ：土单位体积内土粒质量与同体积水的质量之差,各密度指标在数值上的关系： sat d 可证明： satw,饱和密度sat ：土体中孔隙完全被水充满时的土的密度,工程上用以控制填方的施工质量。,28/51,孔隙比e和孔隙率n,孔隙比e ：土中孔隙体积与土粒体积之比,饱和度Sr ：土中孔隙水的体积与孔隙总体积之比，,饱和度描述土中孔隙被水充满的程度。干土Sr=0,饱和土Sr=100%。砂土根据饱和度分为三种状态:,孔隙率n ：土中孔隙体积与总体积之比，以百分数表示,Sr50%稍湿； 50Sr80%很湿； Sr80%饱和,5.描述土的孔隙体积相对含量的指标,29/51,三、指标间的换算,质量m,体积V,土的三相指标中，土粒比重Gs ，含水量和密度是通过试验测定的，可以根据三个基本指标换算出其余各指标,推导：,换算关系式：,30/51,四、例题分析,【例1】某土样经试验测得体积为100cm3，湿土质量为187g，烘干后，干土质量为167g。若土粒的相对密度Gs为2.66，求该土样的含水量、密度、重度 、干重度d 、孔隙比e、饱和重度sat和有效重度 。,【解答】,31/51,【例2】已知土粒比重Gs为2.72， 饱和度Sr为37%，孔隙比e为0.95。问当Sr提高到90时，每立方的土应加多少水？,【解答】,由Vv=eVs=VVs 得Vs=V/1e=1/1+0.95=0.513m³ Vv=eVs=0.95×0.513=0.487m³,当Sr为37%时，Vw=SrVv=0.37×0.487=0.18m³ 当Sr为90%时，Vw=SrVv=0.90×0.487=0.438m³ （Vv不变） Vw=0.4380.18=0.258m³,故应加水Ww=w· Vw=10×0.258=2.58kN,32/51,【例3】某料场30万方土料，初始孔隙比e11.2，问可填筑e20.7的土堤多少立方米？,【解答】,（填筑前后Vs不变）,VVv+Vs=e2Vs+Vs=(0.7+1)Vs=1.7×13.64=23.18万方,33/51,【例4】某基坑体积2000立方米，土料比重Gs为2.7， 含水量 为15%，孔隙比e为0.6。 要求填土为17% ，干容重d为17.6kN/m3. 问（1）取土场土的容重、干容重和饱和度？ （2）取多少方土？ （3）碾压时应洒多少水？填土的孔隙比是多少？,【解答】,（1）,34/51,（2）填土,（3）由,得Ww=5060.87kN，Ws=33739.1kN,设加水xkN，则,解出x=674.8kN,35/51,§2.3 土的物理状态指标,一、无粘性土的密实度,无粘性土一般指碎石(类)和砂(类)土。 无粘性土的物理性质主要决定于土的密实度状态。 土的密实度指单位体积土中固体颗粒的含量。根据土颗粒含量的多少，天然状态下的砂、碎石等处于从紧密到松散的不同物理状态。,36/51,1.孔隙比e,孔隙比e可以用来表示砂土的密实度。对于同一种土，当孔隙比小于某一限度时，处于密实状态。孔隙比愈大，土愈松散。 但孔隙比e难以反映颗粒级配的影响。,2.相对密实度Dr,砂土在天然状态下孔隙比,砂土在最密实状态时的孔隙比,砂土在最松散状态时的孔隙比,当Dr=0时， e= emax ，表示土处于最疏松状态;当Dr=1.0时， e= emin ，表示土体处于最密实状态,Dr1/3,疏松状态,1/3Dr2/3,中密状态,2/3Dr1,密实状态,37/51,3.按动力触探确定无粘性土的密实度,天然砂土的密实度，可按原位标准贯入试验的锤击数N进行评定。天然碎石土的密实度，可按原位重型圆锥动力触探的锤击数N63.5进行评定(GB50007-2002),38/51,二、例题分析,【例】某砂土试样,试验测定土粒相对密度Gs=2.7,含水量=9.43%,天然密度=1.66g/cm3。已知砂样最密实状态时称得干砂质量ms1=1.62kg,最疏松状态时称得干砂质量ms2=1.45kg。求此砂土的相对密度Dr,并判断砂土所处的密实状态,【解答】,砂土在天然状态下的孔隙比,砂土最小孔隙比,砂土最大孔隙比,相对密实度,（1/3,2/3,中密状态,39/51,三、粘性土的稠度,1.粘性土的稠度状态,稠度是指土的软硬程度或土受外力作用所引起变形或破坏的抵抗能力,是粘性土最主要的物理状态特征,0,固态或半固态,可塑状态,流动状态,塑限P,液限L,粘性土由某一种状态过渡到另一状态的界限含水量称为土的稠度界限(阿太堡界限),缩限s,可塑状态是指土在外力作用下可塑成任何形状而不发生裂纹，并当外力移去后仍能保持既得的形状。,40/51,测定方法：,液限：我国采用锥式液限仪，76g锥体人工放锥5s 时沉入土中10mm 美国、日本等国家采用碟式液限仪。 塑限：搓条法，土条直径为3mm时恰好开始断裂 联合测定法：锥式液限仪电磁放锥，下沉深度为 10mm和2mm所对应的含水量分别为液 限和塑限 公路土工试验规程(JTJ05193)规定采用100g 锥体下沉20mm为液限。,41/51,液塑限联合测定仪,下沉深度为10mm所对应的含水量为液限;下沉深度为2mm处所对应的含水量为塑限,42/51,2.粘性土的塑性指数和液性指数,塑性指数IP是液限和塑限的差值(省去%)，即土处在可塑状态的含水量变化范围,说明：塑性指数的大小取决于土颗粒吸附结合水的能力,即与土中粘粒含量有关。粘粒含量越多,塑性指数就越高,说明：液性指数表征土的天然含水量与界限含水量间的相对关系。当IL0时,P,土处于坚硬状态;当IL1时,L,土处于流动状态。根据IL值可以直接判定土的软硬状态 (GB50007-2002),液性指数IL是粘性土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比,43/51,例题分析,【例】已知粘土比重为2.75，液限为41，塑限为22，饱和度98，孔隙比1.55。求塑性指数和液性指数。,【解答】,流塑状态,44/51,§2.4 土的工程分类,一、分类的目的和原则,土的分类体系就是根据土的工程性质差异将土划分成一定的类别，目的在于通过通用的鉴别标准，便于在不同土类间作有价值的比较、评价、积累以及学术与经验的交流,分类原则：,1.分类要简明，既要能综合反映土的主要工程性质，又要测定方法简单，使用方便,2.土的分类体系所采用的指标要在一定程度上反映不同类工程用土的不同特性,45/51,二、分类体系与方法,分类体系：,1.建筑工程系统分类体系,2.工程材料系统分类体系,侧重把土作为建筑地基和环境，研究对象为原状土，例如：建筑地基基础设计规范(GB50007-2002)地基土分类方法,侧重把土作为建筑材料，用于路堤、土坝和填土地基工程。研究对象为扰动土，例如：土的分类标准(GBJ145-90)工程用土的分类和公路土工试验规程(JTJ051-93)土的工程分类,46/51,分类方法：,1.建筑地基基础设计规范(GB500072002),根据土粒大小、粒组的土粒含量或土的塑性指数把地基土（岩）分为岩石、碎石土、砂土、粉土和粘性土五大类,a.岩石的分类,颗粒间牢固粘结,呈整体或具有节理隙的岩体称为岩石，坚硬程度可根据岩块的饱和单轴抗压强度frk分类,47/51,b.碎石土的分类,粒径大于2mm的颗粒含量超过全重50%的土称为碎石土,48/51,c.砂土的分类,粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重50%的土，且粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重50%的土称为砂土,49/51,易于液化接近砂土的性质； 又易于湿陷、冻胀接近粘土的性质。,d.粉土的分类,粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过全重50%，塑性指数IP10的土称为粉土,50/51,e.粘性土的分类,粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过全重50%，塑性指数IP10的土称为粘性土，粘性土根据塑性指数细分,51/51,三、例题分析,【例】下图为某三种土A、B、C的颗粒级配曲线,试按地基规范分类法确定三种土的名称,52/51,【解答】,A土:从A土级配曲线查得,粒径小于2mm的占总土质量的67%、粒径小于0.075mm占总土质量的21%,满足粒径大于2mm的不超过50%,粒径大于0.075mm的超过50%的要求,该土属于砂土 又由于粒径大于2mm的占总土质量的33%,满足粒径大于2mm占总土质量25%50%的要求,故此土应命名为砾砂,B土:粒径大于2mm的没有,粒径大于0.075mm占总土质量的52%,属于砂土。按砂土分类表分类,此土应命名为粉砂,C土:粒径大于2mm的占总土质量的67%,粒径大于20mm的占总土质量的13%,按碎石土分类表可得,该土应命名为圆砾或角砾,