《土力学与地基基础》第二章土的物理性质与工程分类.ppt

土力学地基基础 Soil Mechanics and Foundation Soil Mechanics and Foundation Engineering Engineering 河南科技大学建工学院 高笑娟 第二章 介绍土的形成及物质组成,从定性和定量两个方 面描述土体的物质组成、密实程度及工程应用。 土的物理性质及工程分类 主要内容: 知识要点： 了解无粘性土的密实度概念及判别方法。 掌握粘性土的塑性指数和液性指数的作用和用途，以及粘性土 的物理状态评价。 掌握无粘性土和粘性土的分类依据和分类方法。 1.1 土的成因 土是岩石经过风化、剥蚀、破碎、搬运、沉积等过程后 在不同条件下形成的自然历史的产物 搬运、沉积 一、土体的生成 风化 岩石 地球 土 地球 生物风化 物理风化 化学风化 矿物成 分未变 无粘性土 原生矿物 矿物成 分改变 粘性土 次生矿物 风化作用分类 有 机 质 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 动植物活动引起的岩石和土体粗颗 粒的粒度或成分的变化 定义：土体的结构是指土生成过程中所形成土粒的空间排列及 其形式。 力学 特性 影 响 土的结构反映 土的成分 形成条件 分类 单粒结构 蜂窝结构 絮状结构 二、土的结构和构造 粒间作用力 可否作天然地基 矿物成分 单粒结构 示意图 重力、毛细力 密实的单粒结构是良好的天然地基 原生矿物 指粗砂粒或更粗大的颗粒在水或空气中 沉积形成。 粗粒土 的结构 松散密实 粒间作用力 形成环境 可否作为天然地基 矿物成分 水中的悬浮力、自重力 （斥力减小引力增加） 絮状结构 (凝聚结构) 蜂窝结构 (分散结构) 示意图 颗粒间的引力、自重力 （粒间引力占优势） 淡水中沉积海水中沉积 次生矿物次生矿物 注意：天然条件下，可能是多种组合，或者由一种结构过渡向另一种结构。 不可不可 细粒土的结构 是指由粉粒（粒径 0.0050.075mm）在 水中下沉时形成的。 是指由粘粒（粒径 0.005mm） 集合体组成。 颗粒形状 原生矿物 圆状、浑圆状、棱角状 次生矿物 针状、片状、扁平状 土的构造：是指土体中各结构单元之间的关系，主是从宏观角度 研究土的组成，其主要特点是土的成层性和裂缝性。 力学特性 影 响 土的构造 类型 层状构造 分散构造 裂隙构造 结核状构造 通常分散构造土的工程性质最好是理想地基，结核状构造土的工 程性质取决于细粒土部分，裂隙构造不连续的裂缝破坏土的整体性， 故土的工程性质最差。 土的工程特性 （1）压缩性高； （2）强度低； （3）透水性大； 土的生成与工程特性的关系 沉积年代越长，工程特性越好。Q3以前的粘性土称为 老粘性土，密度大、强度高、压缩性低，为良好天然地基 ； Q4以后的粘性土，其性质要通过实验测定。 气相固相液相+ 构成土骨架，起主体作用 重要影响 土体 次要作用 土体三相组成示意图 1.2 土的组成 一、土中的固体颗粒(固相) 物理状态 力学特性 粒组的划分 土的颗粒级配 土粒的矿物成分 . 颗粒级配 颗粒大小 土中各个粒 组的相对含 量 常用表格法或 粒径曲线法表示 影响土性 质的主因 表 格 法 表 示 的 粒 组 划 分 粒径级配 筛分法：适用于粒径在0.075 60mm 的土 密度计法：适用于粒径小于0.075mm的土 根据斯托克斯（Stokes）定理，球状的细颗粒在 水中下沉速度与颗粒直径的平方成正比。基于这 一原理，实验室常用密度计测试水土悬液在不同 时间的密度，进而确定土样中各粒组的相对含 量，这一方法称为密度计法。 通常将各粒组的相对含量，用质量百分数来表示 筛分法（d0.075mm的土） 密度计法（d 3 或 Cc 3 或 Cc 1g/cm3 冰点处于零下几十度 具有固体的的特性 温度高于100C时可蒸发 强结合水性质稳定 强结合水 位于强结合水之外，以水膜 的形式包围着土粒 外力作用下可以移动 不因重力而移动，有粘滞性 弱结合水 固 定 层 扩散层 土中毛细现象 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 重力水 是位于地下水位以下的土空隙中，能在重 力或压力作用下流动。其性质能传递静水 压力并产生浮力。 三、土中气体(气相) 土体中的气体是指存于土体空隙中未被水占据的部分, 存在形式有两种: 自由气体:与大气相通,对土的性质影响不大 封闭气体:与大气隔绝,增大土体的弹性和压缩性 土体中气体 1.3 土物理性质指标 土的物理状态 粗粒土的松密程度 粘性土的软硬状态 土的物理性质指标 (三相间的比例关系) 力学特 性 影响 表 示 t 概述 土的物理性质直接反映土的松密、软硬等物理状态， 也间接反映土的工程性质。土的松密和软硬程度主 要取决于土的三相各自在数量上所占的比例。 t 三相指标的定义 固相 液相 气相 土颗粒 土中水 土中气 一. 土的三相图 水 气 土粒 Va Vw Vs Vv V ma=0 mw ms m 质量体积 二.土的物理性质指标确定 水 气 土粒 Va Vw Vs Vv V ma=0 mw ms m 质量体积 土的物理性质指标共有9个：e、n、Sr、 ds、 d、 sat、 / 土的重度 土的密度 =g 工程上更常用于计算土 的自重应力 单位: kN/m3 或 g/cm3 单位: kN/m3 一般范围: 16 22 kN/m3 定义: 土单位体积的质量 有时也称土的天然密度 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 各种密度容重之间的大小关系： 土的重度 干重度 饱和重度 天然重度 干重度 浮重度 饱和重度 水 气 土粒 Va Vw Vs Vv V ma=0 mw ms m 质量体积 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 2.702.75 砂 土 2.652.95 4C时纯蒸馏水的密度 =9.8 kg/m3 定义: 土粒的密度与4C时纯蒸馏水的密度的比值 表达式: 土粒比重在数值上等于土粒的密度 饱和度 定义: 土中水的体积与孔隙体积的比值,用百分数表示。 表达式 : 饱和度表示孔隙中充满水的程度 Sr=0 : 干土 Sr=100% : 饱和土 土的含水量 定义: 土中水的质量与土粒重量之比, 用百分数表示 表达式: 孔隙比 孔隙率 (孔隙度) 关系: 常用来反映土的密实程度 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: 土中孔隙体积与土的 总体积之比, 用百分数表示 表达式: 反映土的密度指标有五个： d sat ds 反映土的湿度指标有两个： sr 反映土的土的孔隙特征有两个：e n 土的天然重度 三个指标最基本物理指标， 可直接通过实验测定得出 天然含水量 土的比重ds 以上9项物理性质指标，其中 常用的物理性质指标间的换算关系 换算步骤: :假设Vs=1(V=1或ms=1),并画出三相草图; :解出各相物质的质量和体积的换算指标; :利用换算指标按基本定义列出所求的物理指标换算公式 水 气 土粒 0 Vs Vv V e 1 1+e 质量体积 已知关系五个: 共有九个参数: V Vv Vs Va V / ms m ma m 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 e e e dsw dsw dsw(1+) 1.4 土的物理状态指标 物理状态 力学特性 无黏性土密实度 黏性土物理特性 例题分析 n【例1-1】某土样，重量为1.87N，体积为100cm3，烘干 后，烘干土质量为1.67N。已知土粒的相对密度ds为2.66 ，试求： 、 、e、sr、d 、sat和 【解】 一、无黏性土的密实度 无粘性土的 密实程度工程性 质 影响 指具有单粒结构的碎石土与砂土，土粒之间无粘结力，呈松散状态 无粘性土： 土密实 结构稳定、强度高、压缩性低变形小 土松散 结构不稳定、强度低、压缩性高变形大 如何评定无粘性土密实度? 碎石土用触探锤击数63.5 砂土用相对密度Dr 现场标准贯入试验锤击数 优点：简单方便 缺点：不能反映级配的影响且只能用于同一种土 孔隙比e或孔隙率n emax与emin ：最大与最小孔隙比 相对密度 Dr = 1 , 最密状态 Dr = 0 , 最松状态 Dr 0.67 , 疏松状态 0.33 0.67 , 密实状态 判别标准： 优点：把土的级配因素考虑在内， 理论上较为完善 缺点：e、emin、 eman难以准确测定 根据现场标准贯入试验锤击数判定 标准贯入试验是一种原位测试方法。试验方法：将质 量为63.5kg的锤头，提升到76cm的高度，让锤自由下落 ，打击标准贯入器，使贯入器入土深为30cm所需的锤击 数，记为N63.5，这是一种简便的测试方法。N的大小， 综合反映了土的贯入阻力的大小，亦即密实度的大小。我 国岩土工程勘查规范（GB5002194）规定砂土的 密实度按表标准贯入锤击数进行划分。 标准贯入试验 垂击数N63.5 N63.55 5N63.51010 N63.520N63.520 密实度松散稍密中密密实 判定标准： 二、 粘性土的物理特性 粘性土的物理状态可以用稠度表示。 稠度是反映粘性土处于不同含水量时的软硬程度或稀稠程度。 粘性土从一种状态过度到另一种状态的分界含水量称为界限含水量。 塑限p液限L 稠度界限 粘性土随含水量变化可改变土的物理形态 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 稠度状态 含水量 一、界限含水量的测定方法 1、液限L 锥式液限仪测定法：76g锤经5s恰好沉入土 10mm所对应的含水量。 碟式液限仪测定法：以2转/秒的速度，使碟子反复起落，坠击 底座，当25击V型土槽合拢长度恰好13mm所对应的含水量。 锥式液限仪碟式液限仪 2、塑限p 滚搓法：将天然湿度的土体在毛玻璃上搓成直径为3mm 土条时，土条恰好产生裂缝并开始断裂时的含水量。 液、塑性联合测定法：利用液、塑性联合测定仪同时 测定3份不同含水量的同一个土样，得到圆锥下沉深度和 含水量关系曲线，则曲线上对应深度为10mm及2mm时土 样的含水量就分别为该土的液限和塑限。 圆锥入土深度与含水量关系 二、塑性指数Ip和液性指数IL 塑性指数的数值大小可反映粘性土可塑范围的大小，塑 性指数越大，表明粘性性土粘性和塑性越好 （与粘粒含量有关，粘粒含量越多，吸附水的能力越大）； 塑性指数Ip 工程上常用塑性指数作为粘性土与粉土定名分类的依据 缺点： 不能充分反映粘土颗粒含量 不同的粘土矿物吸服水的能力不同 液性指数IL wp wwl 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 反映粘性土天然状态的软硬程度 工程上作为确定粘性土承载力的重要指标 三、黏性土的灵敏度和触变性 相同含水量、密度 1. 粘性土的灵敏度 St = 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 14 粘性土 低灵敏 中等灵敏 高灵敏 原状土的无侧限抗压强度 重塑土的无侧限抗压强度 饱和粘性土受到扰动后，结构产生破坏，土的强度降低。 当扰动停止后，土的强度随时间又会逐渐恢复的现象，称 为触变性。 土的触变性是土的结构联结形态发生变化引起的，是土微 观结构随时间变化的宏观表现。 2. 粘性土的触变性 四、活动度 活性指数 p0.002: 粒径小于0.002mm颗粒的质量占总土总质量的百分比 A 1.25 非活性粘土 正常粘土 活性粘土 粘性土的塑性指数与土中胶粒含量百分数的比值称为活动度（活性指数） 反映粘性土中所含矿物的活动性 1.5 地基岩土的工程分类 分类依据： 粘性土按塑性指数和沉积条件 无粘性土按粒径及相对含量 评价岩土的工程性质以及为地基基础的 设计与施工提供依据 本节主要介绍建筑地基基础设计规范-GB5007-2002分类法 土 岩 石分类 碎石土分类 砂 土分类 粉 土分类 塑性指数Ip10，粒径0.075颗粒含量不超过 粘性土分类 塑性指数Ip10的土 填土分为杂填土，素填土，冲填土 分类目的： 岩土分类的基本原则： （1）分类体系采用的指标，要既能综合反映土的主要工程 性质，又能便于测定且使用方便； （2）分类体系采用的指标在一定程度上能反映土在不同用 途和不同工作条件下的不同特性； （3）分类体系要有一定的科学逻辑性，不仅要自成体系， 纲目分明，而且要简单易记，便于应用。 1、岩石 按成因分类 岩浆岩 沉积岩 变质岩 按坚硬程度分类 按完整程度分类 2、碎石土 土的名称 颗粒形状 粒组含量 漂石 块石 圆形及亚圆形为主 棱角形为主 粒径大于200mm的颗 粒超过全质量50% 卵石 碎石 圆形及亚圆形为主 棱角形为主 圆形及亚圆形为主 棱角形为主 圆砾 角砾 粒径大于20mm的颗 粒超过全质量50% 粒径大于2mm的颗 粒超过全质量50% 3、砂土 土的名称 粒组含量 粒径大于2mm的颗粒 占全质量25 - 50% 砾砂 粗砂 中砂 细砂 粉砂 粒径大于0.5mm的颗 粒超过全质量50% 粒径大于0.25mm的颗 粒超过全质量50% 粒径大于0.075mm的 颗粒超过全质量85% 粒径大于0.075mm的颗 粒超过全质量50% 4、粉土 粒径大于0.075mm的颗粒含量小于全质 量50%而塑性指数Ip10的土 塑性指数Ip10的土 5、粘性土 1017的土 粘土 粉质粘土 6、填土 由于人类活动而堆填土。其物质成分杂乱，均匀性差。 按其组成和成因分类 素填土 压实填土 杂填土 冲填土 除了以上六种土外还有特殊土，见第十章。 若土内含有有机质，土代号后加O，如高液限有机质 粘土（CHO），低液限有机质粉土（MLO）等；若细粒土内 粒粗粒含量为25%50%，则该土为含粗粒的细粒土，当粗 粒中砂粒占优势，则该土属含砂细粒土，并在土代号后加 S，如CLS、MHS等。 细粒土按塑性图分类 细粒土是指粒径小于0.075mm者超过50的土。 在塑性图中，以塑性指数IP为纵轴、液限wL横轴。 根据细粒土在坐标图上的位置，就可方便地进行细粒土的分类 塑性图分类法（76g锥体，深度17mm） 三、例题分析 土样天然含水量 (%) 塑限p(%)液限L(%) A40.425.447.9 n【例】A、B两种土样，试验结果见表，试确定该土的名称及 软硬状态。 【解答】 A 土 因 IP 17，0.25IL0.75，所以该土为黏土，可塑状态： 土样天然含水量 (%) 塑限 p(%) 液限 L(%) A23.221.031.2 B 土 因 10IP17 ，0IL0.25，