土建工程与基础课件13次课第4章地基与基础第一节土的物理性质及工程分类.ppt

第4章 地基与基础,4.1 土的物理力学性质和分类,土 的 组 成 与 特 性 土 的 三 相 比 例 指 标 地 基 岩 土 的 分 类,地质作用：导致地壳成分变化和构造变化的作用,地质作用,内力地质作用,外力地质作用,岩浆活动 地壳运动 变质作用,气温变化、雨雪、山洪、河流、湖泊、海洋、冰川、风、生物等,土是怎么来的？,4.1.1.土的组成与特性,地质作用,土的三相物质在体积和质量上的比例关系称为三相比例指标。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，是工程地质勘察报告中的基本内容。,V土的总体积，cm3； m土的总质量，g； Vs土中固体颗粒实体的体积，cm3；ms土的固体颗粒质量，g； Vv土中孔隙体积，cm3； mw土中液体的质量，g；Vw土中液体的体积，cm3； ma土中空气的质量，（ma=0）； Va土中气体的体积，cm3。,土的三相示意图,土的三相组成,土的液相,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，可分为结合水，毛细水，重力水。,结合水,强结合水: 排列致密、定向性强 密度1g/cm3 冰点处于零下几十度 具有固体的的特性 温度高于100C时可蒸发,弱结合水: 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,非结合水,定义: 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,特点: 1.毛细水是受到水与空气交界面处表面张力作用的 自由水。 2. 毛细水按其与地下水面是否联系可分为毛细悬挂 水 (与地下水无直接联系)和毛细水上升水与地下水相连两 种。,3. 毛细水是受毛细管作用控制的水，毛管直径愈细上升 高度愈高。在常温下毛细上升高度hc与毛管半径r 有 以下关系： hc=15/r 当r=0.1m时，hc=150mm，这与砂土(粒径为0.5lmm) 中的情况大致相当。粘土的孔隙直径约为0.1m，按上式计算毛细上升高度将达150m。 4. 毛细区域内的水压力与一般静水压力的概念相同，它与水头高度非常hc成正比。负号表示拉力。自由水位以下为压力，自由水位以上，毛细区域内为拉力。颗粒骨架承受水的反作用力，因此自由水位以下。上骨架受浮托力，减小颗粒间的压力。自由水位以上，毛细区域内，颗粒间受压力，毛细压力呈倒三角形分布。弯液面处最大，自由水面处为零。,（3）固态水,特点: 1.水结冰后体积膨胀，同时由于水分迁移和补给，在 土层中会形成冰层或透镜体。 2.固态水在土中起着暂时的胶结作用，提高土的力学 强度，降低透水性。 3. 温度升高后，冰层解冻为液态水，使土的强度急剧 降低，压缩性增大，土的性质显著恶化，如处于地 下水以上的某些公路路面在开春后的翻浆现象就是 一例。,土的气相,分类: 1.吸附于土颗粒表面的气体 2. 溶解于水中的气体 3.四周为颗粒和水所封闭的气体以及自由气体 特点: 通常认为自由气体与大气连通，对土的性质无大影 响。密闭气体的体积与压力有关，压力增加，则体 积缩小，压力减小，则体积胀大。因此，密闭气体 的存在增加了土的弹性，同时还可阻塞土中的渗流 通道，减小上的渗透性。,4.1.2.土的三项比例指标,直接测定指标 换算指标,一、土的三相图,质量m,体积V,二、直接测定指标,1.土的重度 ：单位体积土的重量,工程中常用重度来表示单位体积土的重力,2.土粒相对密度ds（土粒比s重）：土粒质量与同体积的4时纯水的质量之比,土粒相对密度变化范围不大：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,3.土的含水量：土中水的质量与土粒质量之比，以百分数表示,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,三、换算指标,1.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,2.土的饱和度Sr ：土中孔隙水的体积与孔隙总体积之比，以百分数表示,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,3.不同状态下土的重度,饱和重度sat ：土体中孔隙完全被水充满时的土的重度,干密度d ：单位体积中固体颗粒部分的重量,浮重度 ：土单位体积内土粒质量与同体积水的质量之差,土的三相比例指标中的质量密度指标共有4个，土的密度，饱和密度sat，干密度d，浮密度 (kg/m3),相应的重度指标也有4个，土的重度，饱和重度sat，干重度d，浮重度 (kN/m3),四、指标间的换算,质量m,体积V,土的三相指标中，土粒比重ds ，含水量和重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：,三相比例指标之间的换算表,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。无粘性土的密实度与其工程性质有着密切关系,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,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,无粘性土的密实状态,砂土的天然孔隙比界于最大和最小孔隙比之间，故相对密度Dr=01；当e=emax时，Dr=0，砂土处于最疏松状态；当e=emin时，则Dr=1，砂土处于最紧密状态。,工程实际中，常用相对密度判别砂土的震动液化，或评价砂土的密实程度。按相对密度值可将砂土分为三种密实状态，,无粘性土的密实状态,岩石 碎石土 砂土 黏性土 特殊土,4.1.3 地基岩土的分类,粘性土的物理特征,由固态转变到流态的界限含水量，称为塑性界限（塑限）,由塑态转变到流态的界限含水量，称为液性界限（液限）,粉土的液限在3238%之间，粉质粘土为3846%，粘土为4050%。塑限常见值为1728%。 粘性土的液限与塑限一般在室内进行测定，液限常采用锥式液限仪。,粘性土的稠度状态的变化是由于土中含水量的变化而引起的，粘性土由一种稠度状态转变为另一种稠度状态，相应于转变点（临界点）的含水量称为稠度界限（界限含水量）。工程上常用的有液性界限wL和塑性界限wp。,土的特征含水量-土从某种状态进入另外一种状态的分界含水量。 液性界限(WL)简称液限-土从塑性状态转变为液性状态时的含水量。 塑性界限(WP)简称塑限-土从半固体状态转变为塑性状态时的含水量。,塑性指数：液限和塑限的差值，即土处在可塑状态的含水量变化范围,液性指数：粘性土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比,粘性土中含水量在液限与塑限两个稠度界限之间时，土处于可塑状态，具有可塑性，这是粘性土的独特性能。由于粘性土的可塑性是含水量界于液限与塑限之间表现出来的，故可塑性的强弱可由这两个稠度界限的差值大小来反映，这差值称为塑性指数IP ，即：,粘性土的物理特征,土处于何种稠度状态取决于土中的含水量，但是由于不同土的稠度界限是不同的，因此天然含水量不能说明土的稠度状态。为判别自然界中粘性土的稠度状态，通常采用液性指数（IL）进行评价，即：,液性指数和塑性指数,用标贯击数判定砂土的密实状态,对于粉土，用e值作为划分标准,无粘性土的密实状态,实际上，由于砂土原状样不易取得，测定天然孔隙比较为困难，加上实验室测定砂土的与精度有限，因此计算的相对密度值误差较大，在实际工程中，常用标准贯入测试来判定砂土的密实状态。,土的压缩性是指土在压力作用下体积缩小的特性,压缩量的组成 固体颗粒的压缩 土中水的压缩 空气的排出 水的排出,占总压缩量的1/400不到，忽略不计,压缩量主要组成部分,说明：土的压缩被认为只是由于孔隙体