地质勘察学习课件第1章.ppt

土力学与土质学 (第1章） 第1章 土的物理性质和工程分类 学习要求： 了解土的成因和三相组成，掌握土的物理 性质和物理状态指标的定义、物理概念、计算 公式和单位。要求熟练地掌握物理指标的三相 换算。了解地基土的工程分类依据与准确定名 。 基本内容： 1.1 土的形成与特征 1.2 土的三相组成 1.3 土的物理性质指标 1.4 土的物理状态指标 1.5 土的工程分类 1.1 土的形成与特征 1.1.1 土的形成 1.1.2 土的结构与构造 1.2.3 土的工程特性 1.2.4 土的形成与工程特性的关系 1.1.1 土的形成 “土”一词在不同的学科领域有其不同的涵义。就土木 工程领域而言，土是指覆盖在地表的没有胶结和弱胶 结的颗粒堆积物。土与岩石的区分仅在于颗粒间胶结 的强弱。 物理风化指岩石经受风、霜、雨、雪的侵蚀，温度 湿度的变化、不均匀膨胀与收缩，使岩石产生裂隙， 崩解为碎块。这种风化仅改变颗粒大小与形状，不改 变原来矿物成分。生成的土呈松散状态，无粘性土。 化学风化指岩石碎屑与空气、水和各种水溶液相接 触，经氧化、碳化和水化作用，改变原来矿物成分， 形成新的矿物（次生矿物）。生成的土为细粒土，粘 性土。 生物风化由动物、植物和人类对岩体的破坏称。 1.1.2 土的结构和构造 1.定义： 指土颗粒的大小、形状、表面特征， 相互排列及其联结关系的综合特征。 2.分类： 单粒结构 砂层，砾石层 土的结构 蜂窝结构 粉粒 絮状结构 粘粒 3.工程性质： 土的构造 1.定义：指同一土层中成分和大小都相近的 颗粒或颗粒集合体相互关系的特征。 2.分类： 3.工程性质：通常分散构造的工程性质最好 ，裂隙状构造中，因裂隙强度低、渗透性 大，工程性质差。 1.1.3 土的工程特征 土与其它连续介质的建筑材料，具有下列三个 显著的工程特征： 1.压缩性高 反映材料压缩性高低的指标弹性 模量E(土称变形模量),随着材料的不同而有极 大的差别,例如: 钢筋 E1=21万Mpa; C20混凝土 E2=2.6万Mpa; 卵石 E3=50Mpa; 饱和细砂 E4=10Mpa. 2.强度低 为抗剪强度 ，而非抗压、抗拉强度 ； 3.透水性大 颗粒之间有无数孔隙。 1.1.4 土的形成与工程特性的关系 由于各类土的生成条件不同，它们的工程特性 往往相差悬殊，下面分别加以说明： 1.搬运、沉积条件 通常流水搬运沉积的土优于风力搬运沉积的 土。 2.沉积年代 通常土的沉积年代越长，土的工程性质越好 。 3.沉积的自然地理环境 自然地理环境不同所生成的土的工程性质差 异也很大。 1.2 土的三相组成 土的三相组成是指土由固体颗粒、液体水和气体三部 分组成。土中的固体矿物构成土的骨架,骨架之间贯 穿着大量的孔隙,孔隙中充满着液体水和气体。 土体三相比例不同，土的状态和工程性质也随之各异 ，例如： 固体+气体（液体=0）为干土，此时粘土呈坚硬状态 ， 砂土呈松散状态； 固体+液体+气体为湿土，此时粘土多为可塑状态； 固体+液体（气体=0）为饱和土，此时粉细砂或粉土遇 强烈地震，可能产生液化，而使工程遭受破坏；粘土 地基受建筑物荷载作用发生沉降需几十年才能稳定。 土的三相组成 土是由固相、液相、气相组 成的三相分散系。 固相包括多种矿物成分组 成土的骨架，骨架间的空隙 为液相和气相填满，这些空 隙是相互连通的，形成多孔 介质； 液相主要是水(溶解有少量 的可溶盐类)； 气相主要是空气、水蒸气 ，有时还有沼气等。 1.2.1 土的固体颗粒 土是岩石风化的产物。因此土粒的矿物组成将 取决于成土母岩的矿物组成及其后的风化作用 。成土矿物可分为两大类： 原生矿物 由岩石经物理风化生成的， 颗粒成分与母岩的相同， 常见的有石英、长石和云母 颗粒较粗，多呈浑圆形状， 吸附水的能力弱，无塑性。 次生矿物 由原生矿物经化学风化生成的新矿物 它的成分成分与母岩的完全不同， 有高岭石、伊利石和蒙脱石粘土矿物 颗粒极细，且多呈片状， 性质活泼，吸附水能力强，具塑性。 水溶盐 可溶性次生矿物。常见的有岩盐、 钾盐、石膏、方解石，硫酸盐类还 对金属和混凝土有一定的腐蚀作用 有机质 动植物分解后的残骸，称为腐殖质。 其颗粒极细，粒径小于0.1m，呈凝胶 状，带有电荷，具极强的吸附性。 1.2.1 土的固体颗粒 （一）土的颗粒级配 1.土颗粒的大小直接决定土的性质； 2. 粒径颗粒直径大小，界限粒径划分粒组的 分界尺寸。 3. 粒组将粒径大小接近、矿物成分和性质相似的 土粒归并为若干组别即称为粒组。可划分： 200 60 2 0.075 0.005mm 漂石 卵石 砾石 砂粒 粉粒 粘粒 4. 颗粒级配土粒的大小及组成情况，通常以土中 各个粒组的相对含量来表示，称为土的颗粒级配。 级配的测试方法： 筛析法 （ 0.075mm)比重计法(10，且Cc=13)的土，较粗颗粒间的 孔隙被较细的颗粒所填充，因而土的密实度较好， 相应的地基土的强度和稳定性也较好透水性和压 缩性也较小，可用作堤坝或其它土建工程的填方土 料。 级配良好 1.2.2 土中水 土中水处于不同位置和温度条件下，可具 有不同的物理状态固态、液态、气态。液 态水是土中孔隙水的主要存在状态，因其受 土粒表面双电层影响程度的不同可分为结合 水、毛细水、重力水。后两者也称为非结合 水（自由水）。 1结合水 土颗粒表面带有一定的电荷，当土粒与水 相接触时，由于静电作用力，将吸引水化离 子和水分子，形成双电层，在双电层影响下 的水膜称为表面结合水。双电层的厚薄也反 映了结合水的厚薄，结合水具有与一般自由 水不同的性质，其密度较大、粘滞度高、流 动性差、冰点低、比热较大、介电常数较低 。这种差异随距离增加而减弱。 2.自由水(非结合水) 在双电层影响以外的水为自由液态水，它主要受重 力作用的控制，土粒表面吸引力居次要地位，这部分 水称为非结合水，它包括毛细水和重力水。 (1)毛细水 毛细水是受到水与空气交界面处表面张力作用的 自由水。毛管现象是毛细管壁对水的吸力和水的表面 张力共同作用的结果。 (2)重力水 重力水是存在于地下水位以下的适水土层中的地 下水。它是在重力或压力差作用下运动的自由水，对 土粒有浮力作用。重力水只受重力控制，不受土粒表 面吸引力的影响。 1.2.3 土中气 土中的气体 成分 与大气相通 压缩性高； 与大气隔绝 降低透水性 一般空气中成分； 微生物产生可燃气体（H2S） 岩石 物理风化 化学风化 土 原生矿物 次生矿物 颗粒通常是由一种或几种原生矿物所 组成，它的成分成分与母岩的相同， 颗粒一般较粗， 吸附水的能力弱，性 质比较稳，无塑性。 化学风化仅使岩 石产生质的变化 物理风化仅使岩 石产生量的变化 原生矿物经化学风化生成的新矿物， 它的成分成分与母岩的完全不同。颗 粒极细，性质活泼，有较强的吸附水 能力，具塑性。 土粒的粒径由粗到细逐渐变 化时，土的性质相应地发生 变化 土粒的大小 及其组成 粘土颗粒性质 1.3 土的物理性质指标 土的三相比例 指标是其物理 性质的反映， 但与其力学性 质有内在联系 ，显然固相成 分的比例越高 ，其压缩性越 小，抗剪强度 越大，承载力 越高。 土的物理三相指标确定 三相比例指标反映了土的干燥与潮湿、疏松与紧 密，是评价土的工程性质的最基本的物理性质指 标，也是工程地质勘察报告中不可缺少的基本内 容。 三相比例指标可分为两种，一种是试验指标（基 本指标）；另一种是换算指标。 反映土的松密程度的指标有：土的孔隙比e、孔隙 率n；反映了土的含水程度的指标有：含水量、 饱和度Sr；特定条件下土的重度有：重度、干 重度d、饱和重度sat、浮重度。 三项基本指标（重度、比重ds、含水量） （1）土的重度 定义：单位体积土的重量。 公式： =W/V 单位： kN/m3 换算公式：=g=9.81 范围： 1622 （2）土粒比重（相对密度） 定义：土粒重度与同体积4时纯水的重度比值 ， 公式： 单位：无量纲 换算公式： 范围： 土的名称砂土粉土粘性土 土粒比重 2.652.692.702.712.722.75 (3) 含水量 定义：土中水的重量与土粒重量之比，称为. 公式： =Ww/Ws 单位： 无， % 换算公式： 常见值：砂土 =（040)%;粘性土=（2060) 意义：表示湿度的物理指标，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：烘干法。 (4) 土的孔隙比e 定义：土中孔隙体积与土粒体积之比。 公式： e=Vv/Vs 换算公式： 范围：粘性土和粉土:(0.41.2);砂土: (0.30.9); (5) 孔隙率n 定义：土中孔隙所占总体积之比，用百分数表示 。 物理意义：表示土中孔隙大小的程度。 公式： n=Vv/V 单位： % 换算公式： 范围：粘性土和粉土:(3060);砂土: (2545)。 （6）饱和度Sr 定义：土中水的体积与孔隙体积之比，用%表 示。 物理意义：表示水在孔隙中充满的程度。 公式： Sr=Vw/Vv 换算公式：=g=9.81 范围： Sr =01 工程应用：饱和度可以反映土的干湿程度，砂 土根据饱和度Sr的指标值分为稍湿、很湿与饱 和三种湿度状态，其划分标准见下表： 砂土 砂土是指粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重50%、 粒径大于0.075mm的颗粒超过全重50%的土。 砂土按粒组含量分类如下表。 （7）干重度d 定义：单位体积土中固体颗粒的重量。 公式： d=Ws /V 单位： kN/m3 范围： 1318 换算公式： （8）饱和重度sat 定义：土的孔隙中全部充满水时单位体积土的重 量。 公式： 单位： kN/m3 范围： 1823 换算公式： （9）浮重度 定义：地下水位以下，土体受水的浮力作用 时，扣除水的浮力后单位体积土的重量。 公式： 单位： kN/m3 范围： 813 换算公式： 几种重度之间的内在联系 ： 几种重度之间的内在联系 举例加深理解其指标关系： 【例题1-1】 已知土的试验指标为 g =18 KN/m3 ，rs=2.7 g/cm3 和 w=12，求 e ,Sr 和 gd 。 解：可以有两种解答。 第一种方法直接用P12表1.3中的换算公式; 第二种方法利用试验指标的定义分别求出三 相物质的重力和体积,然后按定义计算. 【例题1-2】 已知饱和粘土的含水量为36%,求 其空隙比和饱和度. 解：此题只给出一个条件,但同时有饱和、粘土 二个可利 用的隐含条件。 1.4 土的物理状态指标 所谓土的物理状态，对于无粘性土是指土 的密实度；对于粘性土是指土的软硬程度 或称粘性土的稠度。 1.4.1 无粘性土（砂土）的密实度 1.4.2 粘性土的稠度 1.4.1 无粘性土的密实度 砂土的密实度对其工程性质具有重要的影 响。密实的砂土具有较高的强度和较低的压 缩性，是良好的建筑物地基；但松散的砂土 ，尤其是饱和松散砂土，不仅强度低，且水 稳定性很差，容易产生流砂、液化等工程事 故。对砂土评价的主要问题是正确地划分其 密实度。 土的密实度通常是指单位体积中固体颗粒 充满的程度.密实度反映无粘性土工程性质 的主要指标。判别砂土的密实度有以下三种 方法。 1. 用孔隙比e为标准 表1 砂土的密实度（74规范） 密实度 土的名称 密实中密稍密松散 砾砂、粗砂、 中砂 e0.60.6 e 0.75 0.75 e 0.85 e0.85 细砂、粉砂e0.70.7 e 0.85 0.85 e 0.95 e0.95 评价： （1） 优点 简捷方便； （2） 缺点 无法反映土的粒径级配因素 。 2. 用相对密实度Dr为标准 Dr土的相对密实度； emax土的最大孔隙比 ； emin土的最大孔隙比； e土的天然孔隙比。 评价： （1） 优点 理论上完善； （2） 缺点 实际上难以操作。 3. 用标准贯入试验N为标准 标准贯入试验(SPT)是动力触探的一种，它利 用一定的锤击动能（锤重63.5kg，落距76cm ），将一定规格的对开管式的贯入器打入钻孔 孔底的士中，根据打入土中的贯阻抗，判别土 层的工程性质。贯入阻抗用贯入器贯入土中 30cm的锤击数N63.5表示， N63.5 也称为标贯击 数。 该实验的的应用主要有评定砂土的相对密度、 评定地基土承载力、估算单桩承载力等。 1.4.2 粘性土的稠度 稠度指粘性土含水量不同时所表现出的物理状态, 它反映了土的软硬程度或对外力引起的变化或破坏 的抵抗能力的性质. 随着含水量的改变，粘性土将经历不同的物理状态 。当含水量很大时，土是一种粘滞流动的液体即泥 浆，称为流动状态；随着含水量逐渐减少，粘滞流 动的特点渐渐消失而显示出塑性，称为可塑状态； 当含水量继续减少时，则发现土的可塑性逐渐消失 ，从可塑状态变为半固体状态。如果同时测定含水 量减少过程中的体积变化，则可发现土的体积随着 含水量的减少而减小，但当含水量很小的时候，土 的体积却不再随含水量的减少而减小了，这种状态 称为固体状态。 粘性土的稠度： 界限含水量 粘性土由一种状态转到另一种状 态时的分界含水量。 液限wL 流动状态与可塑状态间的分界含水量称 ； 塑限wp 可塑状态与半固体状态间分界含水量称 ； 缩限ws 半固体状态与固体状态间的分界含水量 称 粘性土的稠度 一、测试方法 1. 用搓条法测定塑限wp 2. 用平衡锥式液限仪测 定液限wL 3. 采取的液限塑限联合测定法 4. 用收缩皿法测定缩限ws 1. 用搓条法测定塑限wp 搓条法:即用双手将天然湿度的土样搓 成小圆球（球径小于10mm），放在毛玻 璃板上再用手掌慢慢搓滚成小土条，用 力均匀，搓到土条直径为3mm，出现裂 纹，自然断开，这时土条的含水量就是 塑限Wp值。 搓好的泥条 2. 用平衡锥锥式液限仪测仪测 定WL 其工作过程是：将粘性 土调成均匀的浓糊状， 装满盛土杯，刮平杯口 表面，将76克重圆锥体 轻放在试样表面的中心 ，使其在自重作用下徐 徐沉入试样，若圆锥体 经5秒种恰好沉入10mm深 度，这时杯内土样的含 水量就是液限Wl值。为 晃动影响，可采用电磁 锥式液限仪 为了避免放锥时的人 放锥的方法。 3.采取的液限塑限联联合测测定法 本试验方法适用于粒径小于0.5 mm，以及有机质含量 不大于试样总质 量5的土。液、塑限联合测定仪： 锥质量为76 g，锥角为30 o，读数显示形式宜采用光 电 式，游标式，百分表式。2.天平，称量200 g，感量 0.01 g。取0.5 mm筛下的代表性试样200 g分成三份，放 入 盛土皿中，加不同数量的纯水，制成不同稠度的试样 。 试样的含水量宜分别接近限、塑限和二者的中间状 态。 将试样调 匀，盖上湿布，湿润过夜。 测定三个试样的圆锥下沉深度和含水量。 二、塑性指数 Ip （1）定义：是指液限和塑限的差值（省去%号），即 土处在可塑状态的含水量变化范围，用IP 表示。 Ip= l - p （2）物理意义：塑性指数愈大，土处于可塑状态的含 水量范围也愈大。塑性指数的大小与土中结合水的可 能含量有关，土中结合水的含量与土的颗粒组成、矿 物组成以及土中水的离子成分和浓度等因素有关。 （3）工程应用：由于塑性指数在一定程度上综合反映 了影响粘性土特征的各种重要因素，因此，在工程上 常按塑性指数对粘性土进行分类。 三、液性指数 IL （1）定义：是指粘性土的天然含水量与塑限的 差值除以塑性指数，用IL 表示。即： （2）物理意义：液性指数有称相对稠度，反映 了土的硬度不同。 （3）工程应用：根据 Il不同，可划分五种软硬 不同的状态。 建筑地基基础设计规范规定粘性土划分： 四、活动度A （1）定义：粘性土的塑性指数与土中胶粒含量 百分数的比值，用A表示。 P0.002粒径0.002mm颗粒占总重量的百分 比. （2）物理意义：反映粘性土中所含矿物的活动 性,它也是衡量土中粘性矿物吸附结合水的能力 . A1.25 活性粘土; (0.75-1.25) 正常粘土。 五、灵敏度（St） （1）定义：是指粘性土的原状土的无侧限抗压强度qu 与重塑土的无侧限抗压强度qur比值，用St 表示。 St= qu/qur （2）物理意义： 反映了粘性土的 结构性的强弱。 （3）工程应用：保护基槽，以免破坏破坏其结构，降 低地基强度。 1.5 土的工程分类 土的分类与定名的必要性； 土的分类原则：将其划分为一定的类别，同一类别的 土在工程地质性质上应比较接近。 1、根据地质成因可分为残积土、坡积土、洪积土、 冲积土、风积土等。 2、根据颗粒级配或塑性指数可分为碎石土、砂土、 粉土和粘性土。 3、根据土的工程特性的特殊性可分为一般土和特殊 土 土的分类标准： 世界各国、各地区、各部门，根据自己的传统和经验 ，都有自己的分类标准。据建筑地基基础设计规 范 1.5.1 岩石 （1）定义：颗粒间牢固联结，形成整体、节理 、裂隙的岩体。 （2）分类 ： 按成因分为岩浆岩、沉积岩和变质岩； 按坚硬程度分为坚硬岩、较硬岩、较软岩、 软岩、极软岩等5类； 按风化程度分为未风化、微风化、中风化、 强风化、全风化等5类； 根据完整性可分完整、较完整、较破碎、破 碎和极破碎等5类。 1.5.2 碎石土 定义：粒径2mm的颗粘含量超过全重的50% 。 分类：按粒径和颗粒形状可进一步划分为漂石 、块石、卵石、碎石、圆砾和角砾，见下表 。 碎石土的分类（GBJ 7-89） 1.5.3 砂土 定义：指粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重 50%、 粒径大于0.075mm的颗粒超过全重50%的 土。 分类： 砂土按粒组含量分类如下表 1.5.4 粉土 粉土是指粒径大于0.075 mm的颗粒含量不 超过总质量的50，且塑性指数 Ip 小于或 等于10的土。粉土是介于砂土和粘性土之 间的过渡性土类，它具有砂土和粘性土的 某些特征，根据粘粒含量可以将粉土再划 分为砂质粉土和粘质粉土。 1.5.5 粘性土 粘性土是指塑性指数大于10的土。根据塑 性指数大小，粘性土可再划分为粉质粘土和 粘土两个亚类： 当 1017 时为粘土。 又可按沉积年代分类 1.5.6 人工填土 人工填土是指由人类活动而堆填的土。其物质成分 较杂，均匀性较差。根据其物质组成和堆填方式， 填土可分为素填土、杂填土、冲填土和压实填土四 类。各类填土应根据下列特征予以区别： 1、素填土是由碎石、砂或粉土、粘性土等一种 或几种材料组成的填土，其中不含杂质或含杂质很 少。按主要组成物质分为碎石素填土、砂性素填土 、粉性素填土及粘性填土。经分层压实后则称为压 实填土。 2、杂填土是含大量建筑垃圾、工业废料或生活 垃圾等杂物的填土。按其组成物质成分和特征分为 建筑垃圾土、工业废料土及生活垃圾土。 3、冲填土 为由水力冲填泥浆形成的填土。 特殊土（） 特殊土是指在特定地理环境或人为条件下形成的具有特 殊性质的土。它的分布一般具有明显的地域性。特殊 土包括软土、人工填土、湿陷性黄土、红粘土、膨胀 土、多年冻土等。 软土是指沿海的滨海相、三角洲相、湖泊相、沼泽相 等主要由细粒土组成的土，具有孔隙比大（一般大于1 ）、天然含水量高（接近或大于液限）、压缩性高和 强度低的特点。包括淤泥、淤泥质粘性土、淤泥质粉 土等。多数还具有高灵敏度的结构。 淤泥：天然含水量大于液限，天然孔隙比1.5的粘性土 。 淤泥质土：天然孔隙比小于1.5但1.0的粘性土。 当土中有机质含量大于5%时称为有机质土；大于60% 时则称泥炭。泥炭往往以夹层构造存在于一般粘性土 层中，对工程十分不利，必须引起足够重视。 特殊土（） 湿陷性黄土：是指土体在一定压力下受水浸 湿时产生湿陷变形量达到一定数值的土。湿 陷变形量按野外浸水载荷试验在200kPa 压力 下的附加变形量确定，当附加变形量与载荷 板宽度之比大于0.015时为湿陷性黄土。 红粘土：是指碳酸盐岩系出露的岩石，经红 土化作用形成并覆盖于基岩上的棕红、褐黄 等颜色的高塑性粘土。其液限一般大于50， 上硬下软，具明显的收缩性，裂隙发育，经 坡、洪积再搬运后仍保留红粘土基本特征， 液限大于45小于50的土称为次生红粘土。我 国的红粘土以贵州、云南、广西等省区最为 典型，分布广。 特殊土（） 膨胀土：一般是指粘粒成分主要由亲水性粘土矿物 （以蒙脱石和伊利石为主）所组成的粘性土，在环境 和 湿度变化时，可产生强烈的胀缩变形，具有吸水膨胀 、 失水收缩的特性。已有的建筑经验证明，当土中水份 聚 集时，土体膨胀，可能对与其接触的建筑物产生强烈 的 膨胀上抬压力而导致建筑物的破坏；土中水分减少时 ， 土体收缩并可使土体产生程度不同的裂隙，导致其自 身 强度的降低或消失。 多年冻土：是指温度等于或低于摄氏零度、含有固 态 水且这种状态在自然界连续保持三年或三年以上的土 。 当自然条件改变时，