《工程岩土学》PPT课件.ppt

工程岩土学,王宝军 南京大学地球科学与工程学院,第一章 土的物质组成成分,土是还未固结硬化成岩石的疏松沉积物,土由岩石经历物理、化学、生物风化作用以及剥蚀、搬运、沉积作用交错复杂的自然环境中所生成的各类沉积物,soil ; earth,地球上只有很少的土成分的生成年代早于第三纪，大多数不会早于更新世,工业原料,生活用品,地质灾害,建筑基础,土与人类的生产生活息息相关,作物生长,黄土,黑土地,红粘土,成分差别导致宏观颜色不同,膨胀土,淤泥,砂土,成分不同导致工程性质差异,盐渍土,杂填土,吹填土,人类活动对土体的改造,第一节 土的基本特征,土的成因类型与地质历史是判定土工程性质的重要基础 母岩类型 沉积环境 风化、沉积历史 土是多相系组合体 何谓相： 土的三相：固相-土颗粒；液相-孔隙水；气相-孔隙气 土的四相：有机质？收缩膜？ 饱和土；非饱和土；干土；湿土 各相系相互关系复杂,土是分散体系 粗分散体系；细分散体系；胶体体系；分子体系 土中的能量：内部能量+表面能 砂土与粘土的表面能量差别很大 土的矿物组成 原生矿物:石英、长石、云母等硅酸盐矿物 次生矿物：粘土矿物、倍半氧化物、次生二氧化硅,第二节 土的粒度组成,粒径：土颗粒的直径（毫米，mm；微米，） 最大直径（筛分法） 平均直径（静水沉降法） 粒度成分：不同粒径颗粒在土体中的比例关系 不同粒径对应不同的矿物成分 不同粒径对应不同的性质 自然土体的粒度成分影响土体的工程性质,粒组：将大小近似的粒径归并成组：粒组不同，性质不同 相邻粒组界限值的划分原则 粒径的量变引起土性质发生质变 与粒度分析技术水平相适应 便于记忆 粒组划分方案 200-20-2-0.05-0.005（mm）,块石,碎石,砾石,砂,粉,粘,毛细现象,粘着力,胶体性质,0.074,0.002,粒组划分,粒度分析,粒度分析：确定自然土各粒组百分含量的试验过程 直接测量：用于砾岩，用尺直接测量砾石的直径，测量一定面积内的全部砾石不少于 100个 筛分法（ 0.1mm）：用于未固结的碎屑岩，用直径不同的筛子将砂过筛，分出不同的粒级组分，称出各自的重量，求出百分含量 薄片粒度法 ：用于固结的岩石，在显微镜下，测量薄片中颗粒的直径 静水沉降法( 0.1mm)：用颗粒沉降速度来划分粒级分布 激光粒度仪法: 采用光学原理，通过测量颗粒群的空间频谱来分析其粒度分布,粒度分析试验-静水沉降法,基本原理：Stokes 不同粒径颗粒在静水中的沉降速度不同，因此可以计算得到试验样品制成的悬浮液在指定时刻某一粒组沉降的深度，而在该深度以上则认为已经没有小于该粒径的颗粒。 集聚体的分散 集聚体：假集聚体、抗水集聚体、真集聚体 半分散法（不分散真集聚体）：焦磷酸钠、 六偏磷酸钠、草酸钠、氨水 假设条件 悬液浓度很小 粘滞系数不变 土粒比重相同 土粒为球形 土粒直径远远大于水分子 土粒水化膜厚度等于零 沉速很小,粒度曲线,直方图：横座标为颗粒粒径区间，纵座标表示粒级的百分含量 频率曲线：是将直方图每个柱子的纵、横边的中点依次连成多边形频率曲线 累积曲线：以累积百分含量为纵座标，以粒径为横座标 概率累积：在正态概率纸上绘制，横座标代表粒径；纵座标为累积百分数并以概率标度,有效粒径：d10 平均粒径：d50 限制粒径（控制粒径）：d60 (不)均匀系数：曲线的陡度，值越大表示不同粒径颗粒连续分布，级配良好，分选性好，反之，颗粒粒径相对单一，均匀而不连续 曲率系数（d30）：曲线平滑度，或曲线斜率的连续性,粒度成分累计曲线（级配分布图）,偏度：反映频率分布曲线的对称性 单峰对称曲线：以峰为对称轴的对称曲线,曲线为正态分布，反映出：Mz（平均粒度）=Md（中值）=Mo（众数）。 不对称正偏态曲线：曲线不对称，主峰偏粗一侧，即沉积物以粗组分为主 不对称负偏态曲线：曲线不对称，主峰偏细一侧，即沉积物以细组分为主 峰态（尖度）：反映正态频率曲线尖度 尖锐 正态 扁平,粒度成分（频率）分布曲线,三角坐标法,第三节 土的矿物组成,土的矿物组成,原生矿物（石英、长石、云母等最为常见）,次生矿物,不可溶,可溶盐,粘土矿物（高岭石、蒙脱石、伊利石、绿泥石及混层矿物）,倍半氧化物（Fe2O3 ； Al2O3 ）,次生二氧化硅（SiO2）,难溶,中溶,易溶,有机质,泥炭,腐殖质,粘土矿物的晶体结构,层状结构含水硅酸盐 硅氧四面体 铝（镁）氧（氢氧）八面体 四面体片 八面体片,硅氧四面体,八面体,四面体片,氢氧铝片,氢氧镁片,同晶置换（类质同象）,又称“同晶替代” 矿物结晶时，晶体结构中由某种离子或原子占有的位置，部分被性质类似、大小相近的其他离子或原子占有，但晶体结构型式基本不变。同晶置换的结果，晶形基本不变，但使晶体中电价不平衡，产生剩余负电荷，从而吸附阳离子。,常见同晶置换方式： 铝氧八面体中的Al3+被Fe2+，Mg2+，Ca2+置换； 硅氧四面体中的Si4+被Al3+置换,TO型（1：1）片状组合,一层硅氧四面体与一层八面体组合，形成双层单元结构 八面体与四面体需要轻微扭曲键角方能形成共价键 同晶置换现象极少 特征矿物：高岭石,双层结构,高岭石SEM照片（X1200倍）,高岭石（Kaolinite） Al4Si4O10(OH)8,是由富铝硅酸盐在酸性介质条件下，经风化作用或低温热液交代变化的产物。是长石和其他硅酸盐矿物天然蚀变的含水的三斜晶系层状结构硅酸盐矿物。 高岭石一般为白色，如果含有杂质便呈米色。高岭石经风化或沉积等作用变成高岭土。 江西景德镇高岭村，盛产高岭土。明末，在景德镇高岭村开采此矿，后经德国地质学家李希霍芬按高岭土之音译成“Kaolin”介绍到世界矿物学界。 土状光泽，摩氏硬度2-2.5，比重2.6-2.63。和水具有可塑性，粘舌，干土块具粗糙感。 高岭石常见于岩浆岩和变质岩的风化壳中。中国高岭石的著名产地有江西景德镇、江苏苏州、河北唐山、湖南醴陵等。世界其它著名产地有英国的康沃尔和德文、法国的伊里埃、美国的佐治亚等。,地开石 珍珠石 埃洛石（多水高岭石） Al4Si4O10(OH)8 4H2O 水铝英石,类似矿物,八面体的氢氧原子层与四面体的氧原子层之间形成较为稳定的氢键连接 水分子难以进入晶胞内部 亲水性差 不产生层间膨胀与收缩 化学成分稳定，同晶置换现象极少 所带电荷少，仅在端口数存在电荷 离子交换容量低 工程性质稳定,高岭石性质特征,TOT型（2：1）片状组合,三层结构,两层硅氧四面体夹一层八面体组合，形成三层单元结构 同晶置换现象明显 特征矿物：蒙脱石、伊利石、蛭石,蒙脱石（Montmorillonite ）Si8Al4O20(OH)4 nH20,单斜晶系含水层状结构硅酸盐矿物。名称来源于首先发现的产地法国的Montmorillon。颗粒细小，约0.21微米，具胶体分散特性，通常都呈块状或土状集合体产出。蒙脱石在电子显微镜下可见到片状的晶体，颜色或白灰，或浅蓝或浅红色。 蒙脱石主要由基性火成岩在中性及碱性环境中风化而成，也有的是海底沉积的火山灰分解后的产物。我国具工业价值的蒙脱石矿床多产于中生代火山岩系中。 温度100200时，水分子会逐渐跑掉。失水后还可以重新吸收水分子或其他极性分子。当它们吸收水分后还可以膨胀并超过原体积的几倍。 蒙脱石为膨润土的主要成分。膨润土在我国产地很多，如辽宁、黑龙江、吉林、河北、河南、浙江等地都有产出。,结构单元体（晶胞）之间通过氧原子连接，层间连接力弱 极性水分子的氢原子与晶胞层面的氧原子容易形成氢键连接 亲水性强 吸水膨胀，失水收缩 颗粒细小，比表面积大，10克蒙脱石的比表面积相当于一个足球场 化学成分稳定，同晶置换现象普遍 晶面带负电荷 表面需要吸附水化阳离子平衡电荷（Ca2+，Na-） 离子交换容量高 工程性质不稳定，随外界条件发生变化,蒙脱石性质特征,伊利石（水云母 ）,四面体中约有1/6的Si4+被Al3+置换； 剩余负电荷吸附K+离子平衡； K+离子的大小刚好嵌入四面体六方晶空间内，并同时与两层间的氧原子配位； 不稳定矿物，随K+离子含量发生变化 性质介于高岭石与蒙脱石之间 多存在于海相沉积物中，也可以在陆相,硅氧四面体中的部分硅被铝置换（带负电荷），镁氢氧八面体中的部分镁被铝置换（带正电荷） 硅氧四面体与镁氢氧八面体通过静电引力牢固连接 特征矿物：绿泥石,TOT-O型（2：1：1）片状组合,粘土矿物的性质总结,自然状态下的粘土多有几种粘土矿物共同组成 高岭石多形成于酸性环境，蒙脱石则为中性或碱性 伊利石与绿泥石的性质介于高岭石与蒙脱石之间 颗粒细小、比面积大,粘土矿物鉴定方法,X射线衍射分析-测量晶格间距 电子显微镜-形貌识别 差热分析-加热温度变化,第四节 土中的水,水的特征 表面张力 溶解盐类 极性分子 氢键 4密度最大,结晶冰分子结构,水分子结构,？,土中水的工程地质分类,土中的水,气态水,液态水,水蒸汽,气态水分子,结合水,毛细水,自由水（重力水）,强结合水,弱结合水,液态水,冰,晶格中的水,结构水,结晶水,土水相互作用力,水分子与水分子间作用力,氢键,范德华力,偶极-偶极力,偶极-诱导偶极力,色散力,静电力（库仑力） 无方向性、饱和性,具有方向性、饱和性,水分子与溶解离子间作用力,离子与水间离子静电引力,范德华力,颗粒与水分子,范德华力,氢键,水合离子（水合作用）,颗粒与水合离子,范德华力,离子静电引力,结合水（水化膜）,+,+,+,+,-,-,-,-,酸性条件,碱性条件,-,高岭石,-,-,-,碱性条件,-,-,-,-,-,-,-,-,-,蒙脱石,土中的结合水,结合水,强结合水（吸附水）,弱结合水,次定向吸附结合水,渗透结合水,吸附结合水,胶核,胶核,胶团双电层,胶核,双电层,内层,外层,胶核,电位离子,反离子 （固定层）,反离子 （扩散层）,胶粒,水化膜,粘粒双电层,粘粒表面的电位离子,晶面,断口,高岭石,无,蒙脱石,负电,绿泥石,负电,伊利石,负电,一端带正电，另一端带负电，在同晶置换发育的矿物则负电荷为主,在碱性溶液中，溶液中的OH离子进入晶格内成为电位离子，则负电荷数量增加,粘粒表面的电位离子以负电荷为主！,粘粒双电层电位分布,黏 土 片,热力电位,动电电位,影响扩散层厚度的因素,同晶置换 电解质浓度及性质 补偿阳离子原子价及半径 介电常数 PH,离子交换,离子交换容量：每100克土具有交换能力的离子毫克当量 PH 矿物成分 粘粒含量 离子交换规律 高价离子被吸附能力强 离子半径大被吸附能力强 浓度高的离子被吸附能力强,Fe3+,Al3+,Ba2+,Ca2+,Mg2+,NH4+,K+,Na+,Li+,结合水的性质,强结合水（吸附水） 连接力强；厚度小；抗高压；也不易排出，密度高，介电常数低；导热性好；冻结温度低；结合水形成时放热 次定向吸附结合水 不受重力影响，沿颗粒层流，具有一定抗剪强度和粘滞性 渗透结合水 触变；黏着；塑性；膨胀性,粘性土胶体化学特性的工程地质意义,可变厚度水化膜,矿物成分,溶液离子浓度,补偿阳离子成分,PH,介电常数,粘滞性,强度,可塑性,膨胀与收缩,电动现象,电渗排水,凝聚与分散,改变电荷性质,改变水化膜厚度,土的触变,震（振）动,电流,搅拌,超声波,强度失效，结合水转化为自由水,土中的毛细管水,当含水量大于最大吸着含水量时可以出现毛细管水，也就是说，毛细管水可以在弱结合水及自由水中出现。 在真空中不产生毛细现象 毛细管水介于重力水和结合水之间 冰点低于0,毛细管水的形成机理,表面张力：,表面吉布斯自由能： T、p、nB一定下可逆的增加单位表面积时系统吉布斯自由能的增量。,量纲 ：J m2,沿液体表面垂直作用与表面单位长度线段上紧缩力。,表面吉布斯自由能,矢量,标量,强度性质、与物质本性、组成、温度有关,表面张力,与边界垂直,与界面相切,量纲： N m1,浸润现象与接触角,平衡时 sgsllg cos,cos,Young方程,毛细管水的形成机理,？,浸润现象,浸润角,弯液面,负压强,液体上升,杨拉普拉斯方程：,h,p,毛细管附加压力：,毛细管水上升高度：,R,r,毛细管水分类,毛细角边水 毛细管状水 毛细悬挂水,土中的自由水,孔隙水压力 浮力 潜蚀 溶解可溶盐,自由水,水化膜,悬浮泥浆状态,自由水+阳离子（阴离子）,重力作用或失水,毛细管力作用下颗粒靠近,共用水化膜,离子浓度增加,第五节 土中的气体,气体含量与含水量（湿度）成反比； 含氧量小于空气，二氧化碳含量高于空气；放射性元素高 来源于空气、生物作用、化学反应,土中气体分类,吸附气体 溶解气体 密闭气体 自由气体,第二章 土的组织结构,基本术语： 1.土结构：土中各组分在空间上的存在形式，包括形态学特征、几何学特征、能量学特征和孔隙特征。 2.结构单元体：相应比例尺下具有固定轮廓线及特殊力学作用的单元体。一般可分为：单粒（单晶）、微集聚体（叠聚体）、集聚体（团粒）、岩块、土层等 3.结构等级：宏观结构（肉眼）、中细观结构（20.05mm，光学显微镜）和微观结构（电子显微镜，X射线衍射，小于0.005mm）,土结构形态学特征,研究目的：研究土结构单元的大小、形态、表面特征及其定量关系。,土结构形态学特征,结构单元的大小-粒度成分、团粒成分、镜下观测,单元体形状-圆度，表征形成环境,表面特征 粗糙度,土结构几何学特征,研究目的：结构单元体的空间分布,面-面接触,面-边接触,边-边接触,土结构的能量学特征,斥力,粒间作用力,布尔斥力,双电层斥力,水化膜楔入压力,引力,化学键力,离子静电引力,分子引力,毛细管压力,磁引力,接触类型,直接接触（同相型接触）,高温,高压,结晶,过渡型接触,间接接触（凝聚型接触）,近凝聚型,远凝聚型,粘性土的微结构模型,蜂窝状结构,骨架状结构,基质状结构,紊流状结构,层流状结构,畴状结构,伪球状结构,海面状结构,第三章 土的物理水理性质,土的基本物理性质 土的水理性质,第一节 土的基本物理性质,土的三相图,一、土粒密度(particle density) 土粒密度是指固体颗粒的质量ms与其体积Vs之比。,（g/cm3）,土的比重（G）：颗粒质量与同体积4C水的质量之比，为无量纲量。由于4C水的密度为1.0 ，因此，土的比重在数值上与土粒密度相等。,g/cm3,实验直接测定：比重瓶法、浮称法、虹吸法,土粒密度常见值： 砂土的土粒密度一般为：2.65 g/cm3左右 粉质砂土的土粒密度一般为：2.68g/cm3 粉质粘土的土粒密度一般为：2.682.72g/cm3 粘土的土粒密度一般为：2.7-2.75g/cm3,土的三相图,二、土的密度(soil density) 土的密度是指土的总质量m与总体积V之比，也即为土的单位体积的质量。,g/cm3,土的容重（）：单位体积土的重量，量纲为：kN/m3或10kN/m3 。,= s * g=10 s,实验直接测定：环刀法、封蜡法、灌水法、灌砂法,土的密度常见值： 砂土：.4 g/cm3 亚砂土：.6 g/cm3 粘土：.8-2.0 g/cm3 亚粘土：.6-1.7 g/cm3,土的三相图,三、土的含水量（率） (water content；moisture content ) 土中水的质量与干土质量之比，以百分数表示，也称质量含水量：,体积含水量：土中水的体积与土的总体积的比值。 湿度：与土的质量含水量含义相同，多用于土壤学。,气相,液相,m,ms,mw,ma=0,Vs,Vv,Va=0,Vn,V,固相,实验直接测定：烘干法,计算得到的基本物理指标,四、土的干密度 (dry density ) 固体颗粒的质量与土的总体积之比值。,实验直接测定,？,土的干密度一般常在1.41.7 g/cm3,土的饱和容重（密度）saturation density,土的孔隙完全被水充满时的密度称为饱和密度。即，土的孔隙中全部充满液态水时的单位体积质量，可用下式表示：,g/cm3，式中：,：水的密度（工程计算中可取1 g/cm3）,土的饱和密度的常见值为1.82.30 g/cm3,sat= d+（1- d /s）* w,土的水下容重（浮容重、浮密度、有效密度） 土的浮密度是土单位体积中土粒质量与同体积水的质量之差，即,=(ms-vsw)/V 或,孔隙率（n）：是土的孔隙体积与土体积之比，或单位体积土中孔隙的体积，以百分数表示，即： 孔隙比：定义为土中孔隙体积与土粒体积之比，以小数表示，即：,四、孔隙率/度（porosity）与孔隙比(void ratio),土的三相图,气相,液相,m,ms,mw,ma=0,Vs,Vw,Va=0,Vn,V,固相,五、饱和度（degree of saturation） 土中孔隙水的体积与孔隙体积之比，以百分数表示，即：,或：,工程上Sr作为砂土湿度划分的标准。 Sr 80% 饱和的 工程研究中，一般将Sr大于95%的天然粘性土视为完全饱和土；而砂土Sr大于80%时就认为已达到饱和了。,物理指标的意义,土的含水性,含水量（W）,饱和度（Sr）,土的孔隙性,孔隙度（n） 孔隙比（e）,密实度（Dr）,土的重量,土粒密度（比重）,土的密度（容重）,分类、施工控制,其他物理指标求算,地基承载力计算、边坡稳定性计算,相对密度,式中：,：最大孔隙比,：最小孔隙比,e： 天然孔隙比,砂土按相对密度分类：,疏松的,中密的,密实的,物理指标之间的关系,计算推导关系,sat= d+（1- d /s）* w,s =（1+e）d,Vn =V a + Vw （饱和时Va=0）,直接测定指标,三相关系,m =m s + mw (ma=0),s =Gs * w,mw =Vw * w,物理指标定义式,V =Vs + Vw +Va,例题1：某原状土样，经试验测得天然密度,含水量w=12.9%，土粒比重Gs=2.67，求孔隙比e，孔隙度n和饱和度Sr,例题2：薄壁取样器采取的土样，测出其体积V与重量分别为38.4cm3和67.21g，把土样放入烘箱烘干，并在烘箱内冷却到室温后，测得重量为49.35g。试求土样的天然密度，干密度、含水量、孔隙比、孔隙率，饱和度 （ ）,第二节 土的水理性质,稠度 界限含水量 塑性指数 液性指数 亲水性指数 土的膨胀与收缩 土的崩解,粘性土的稠度,稠度：表征粘性土的物理状态的量，指土体在各种不同的湿度条件下，受外力作用后所具有的活动程度。粘性土的稠度，可以决定粘性土的力学性质及其在建筑物作用下的性状。,界限含水量： 液限（WL）：粘性土塑性含水量的上限，含水量超过液限，土具流体状（粘流状）。微观上相当于水化膜的强结合水+弱结合水的水量。 塑限（WP）：粘性土塑性含水量的下限，含水量低于塑限，土具有固体状（半固体）。微观上相当于水化膜的强结合水+多层次定向弱结合水的水量。,塑性指数：,例题：从某地基取原状土样，测的土的液限为37.4%，塑限为23.0%，天然含水量为26.0%，问地基土处于何种状态？,液限（WL）,塑限（WP）,缩限（Ws）,最大吸着含水量,最大分子水溶度,塑性指数,塑性指数 ： IP = WL-WP,塑性：外力作用下可被塑造成任何形状而不产生裂隙，当外力除去后仍保持变形形态不恢复原状。,塑性指数的意义： 1.表示粘性土具有可塑性的含水量变化范围 2.反映渗透结合水的量 3.塑性指数越大，土的塑性越强 4.土的分类,粘性土的塑性,影响粘性土塑性的因素,孔隙水性质,粒度成分,矿物成分,交换阳离子成分,有机质含量,塑性图,液限,塑限,B,A：Ip=0.73（WL-20）,WL=50,活动性指数,也称为亲水性指数：KA=IP/A,A为粒径小于0.002mm的颗粒的百分含量,常用于评价膨胀土,粘性土的膨胀与收缩,膨胀率ep：原状土样膨胀后体积的增量与原体积之比，以百分率表示。,线膨胀率ep ：,在固结仪中进行测定,无荷膨胀率,加荷膨胀率,膨胀系数,膨胀力,：土样膨胀时产生的最大压力值。,（KPa） 式中：W施加在试样上的总平衡荷载，N A试件面积，cm2,膨胀含水率WH： 土样膨胀稳定后的含水率，此时扩散层已达到最大厚度，结合水含量增至极限状态。,自由膨胀率Fs：一定体积的扰动风干土样体积之增量与原体积之比，以百分率表示。用以判定无结构力的松散土粒在水中的膨胀特性,式中：V0烘干土的原始体积 V膨胀变形稳定后的体积,体缩率es：试样收缩减小的体积与收缩前体积的比值。以百分率表示。,式中：V0 收缩前的体积，cm3 V 收缩后的体积，cm3,线缩率esl：试样收缩后的高度减小量与原高度之比，以百分率表示。,式中：,试样原始高度，cm,试样经收缩后的高度，cm,缩性指数Is :液限含水量与缩限含水量的差值。用作图法求得,收缩系数CSL ：每减少单位含水量土样单位垂直收缩率，表征土的收缩特点，收缩系数越大收缩率越大。,收缩阶段,微缩阶段,过渡阶段,eSL,W%,W1,W2,eSL2,eSL1,影响土的膨胀性的因素,矿物成分 交换阳离子 溶液PH、介电常数等 粒度成分 土的结构强度（接触类型、胶结类型、孔隙特征） 原状土的含水量 外荷作用 干湿循环,粒度对土体膨胀性的影响,由粘土片构成的微集聚体组成的团粒，微集聚体的膨胀首先填充团粒之间的孔隙，此阶段土体不会发生明显的膨胀，而是填充大孔隙。 一般情况下，颗粒越细小，则大孔隙越少，颗粒之间的接触点越多，膨胀总应力越大，土体的膨胀性也越大，对扰动土（击实土）尤其明显。但在自然状态下这一规律有时并不符合，其膨胀性主要取决于粒间接触面积的大小及大孔隙数量。 对于以高龄石为主的粘性土而言，由于粘土片见几乎不膨胀，自然状态下颗粒粗大，粒间断口处带电荷，其膨胀主要以粒间膨胀为主，颗粒接触也主要以点接触为主，因此膨胀性小。但是，在形成过程中因成积环境或原岩性质使得颗粒细小，但颗粒接触仍以点接触为主，其塑性指数可能很高，但由于接触面积小，导致膨胀应力很小，其膨胀性也不会很大，这就使得及时颗粒细小、塑性指数很大，其膨胀性也不会很大。因此不能通过土体的塑性高低判断土体的膨胀性，而是采用活动性指数。,土的结构强度对膨胀性的影响,在地质历史中形成的抗水难溶水合物可以有效抵御土体的膨胀 片状粘土矿物的空间分布状态对膨胀性有很大影响，一般而言面面组合的具有膨胀特性的粘土矿物其膨胀性增强。 远凝聚型接触的土体其膨胀性小于近凝聚型接触的土体，过渡型接触的土体其膨胀性能将增强，而同相型接触的土体由于粒间胶结物、结晶等胶结连接类型，致使土体的抗膨胀性提高。 定向性好的粘性土，沿垂直层面方向的膨胀性将增强（形成胶结连接的除外）。对击实土而言，沿击实方向膨胀性将增强。 大孔隙（蜂窝状结构、骨架状结构）土体一般土的压缩性增强，塑性指数也会较高，但膨胀性不一定很高，土体膨胀只在接触点上发生，相应的膨胀应力较小。,含水量对土膨胀性的影响,土体膨胀过程中必须吸水，而对某一中土而言，单位土体膨胀吸水量基本固定，因此原状土体的天然含水量对原状土体的膨胀性起决定性作用。 对击实土而言，初始含水量对膨胀性有很大影响。 对现场土体而言，渗透条件（裂隙发育程度、水文条件、气候特征等都将影响土体的膨胀特性）。,外部荷载对土体膨胀的影响,外部荷载对土体膨胀起到限制作用 公路开挖、地铁施工及其他改变原土体自然应力状态的因素都会导致土体发生卸荷膨胀。 卸荷产生的卸荷裂隙将增加土体的渗透性能，继而增加土体吸水能力。 荷载作用可能导致颗粒位移和定向排列，破坏结构连接力，使膨胀性增加。,干湿循环对土体膨胀性的影响,风干过程中，孔隙中的自由水在蒸发作用力下首先排出，然后是孔隙中颗粒表面的弱结合水蒸发，孔隙处颗粒表面水分的蒸发破坏了颗粒表面整体的应力分布，导致颗粒之间共用水化膜的压缩，而水化膜中的阳离子浓度则会升高，水化膜楔入压力减小，粒间作用力增强，但由于水化膜变薄，粒间接触面积将会减小、蒸发面增加，颗粒之间不均衡作用力将导致颗粒发生不均衡位移，出现微裂缝（塑限含水量）。微裂隙对土体进行细小的分割，成为新的结构单元体。被分割的独立单元体内部结构强度将增强，但单元体之间的强度将下降。 对上述土样进行加水膨胀，水在水压力及毛细管压力作用下首先进入微裂隙（为避免形成密闭空气，试验中应利用毛细作用从下部先浸水），由于裂隙单元体强度增强，水分进入单元体内需要克服孔隙水压力、离子静电引力，而且由于微裂隙部分包围结构单元体形成密闭气泡，因此水分进入单元体的速度和水量将大大降低，膨胀过程缓慢，且膨胀部分将首先填充裂隙，不会发生明显的体积膨胀。但从长期来看，土体的总体积仍将恢复风干之前的状态，前提条件是环境变化致使土体中的密闭气体排出、集聚体内部结构连接点的可溶岩、结晶质溶解失去连接强度。 如果上述过程反复进行，则会导致微裂隙结构单元体越来越小，颗粒分散，孔隙增多、渗透性提高、强度减弱。,土的崩解：粘性土由于浸水而发生崩解散体的特性称崩解性。 评价粘性土的崩解性一般采用下列三个指标： 1、崩解时间：一定体积的土样完全崩解所需的时间； 2、崩解特征：土样在崩解过程的各种现象，即出现的崩解形式； 3、崩解速度：土样在崩解过程中质量的损失与原土样质量之比，和时间的关系。,土崩解性的影响因素 （1）含水量（极限崩解含水量）； （2）土的结构特征（结构连接）； （3）物质成分：矿物成分，粒度成分及交换阳离子成分； （4）水溶液的成分及浓度。,思考题,影响粘性土膨胀性的因素有哪些？塑性高的土其膨胀性是否一定大？ 液性指数与塑性指数的物理意义是什么？ 当含水量减小到缩限以后，含水量继续减少土样体积为何不再收缩？ 某土样失水过程中在某处出现一条裂缝，该处的含水量大约是多少？土样继续失水，裂缝继续发展，最后裂缝的数量及体积基本保持不变，此时土样的含水量大约为多少？,？,第四章 土的力学性质,第一节 土的压缩性,土压缩变形的原因,土粒本身的压缩变形（很小）,孔隙中不同形态的水（极小）,孔隙中水和气体被排出，土颗粒相互靠拢使孔隙体积减小 （较大）,气体的压缩变形（瞬时，较大）,P,应力,压力水头,原始土体,加荷压缩,排水固结,有效应力,P（总应力）,孔隙水,土颗粒（含水化膜）,孔隙度,1.关闭水阀，施加荷载，会发生如何变化？ 2.微微开启水阀，会发生如何变化？ 3.完全打开水阀，会发生如何变化？ 4.去掉封闭盖，总荷载直接加在弹簧上，会发生如何变化？,用弹簧模拟土颗粒是否合适？,土的渗透性,渗透系数 渗透速率 水力坡度 起始水力坡度 水头差 渗透力,砂土,水力坡度,渗透速率,土压缩的本质,有效应力,总应力,孔隙水压力,颗粒转动,颗粒平移,水化膜压缩,渗流,不可恢复压缩，塑性变形,可恢复压缩， 弹性变形,孔隙气压力,排出,压缩气体,固结压力,孔隙比,压缩曲线,卸荷曲线,再压缩曲线,压缩曲线,塑性变形：孔隙水排出、土颗粒位移 弹性变形：水化膜压缩、气体压缩、颗粒压缩,压缩曲线受土的受力历史有关！,沉积环境（结构强度） 成岩作用（压力、温度） 后期变化（风化剥蚀、拆迁复建）,压缩性指标,压缩系数（Mpa-1）,用途： 1. 土压缩性分类：-0.1-0.5- 2. 计算引用压缩系数、压缩模量 3. 沉降计算,土的压缩曲线并非直线，因此压缩系数不会是常数，而是随压力而变化，工程勘察报告中需要提供多级荷载下的下缩系数作为计算指标,单位荷载作用下土体孔隙比的变化量,体积压缩系数（Mpa-1）,又称引用压缩系数，主要用于地基沉降计算，其物理意义可以看作是：单位荷载作用土体体积相对原来体积的变化率（孔隙变化率）。,av=a/(1+e1) e1指土体承受附加荷载前的孔隙比，在地基沉降计算中指上覆土体自重荷载作用下的孔隙比。,S = Si = Pi * hi * avi,分层总和法：,压缩指数,在半对数坐标系下绘制的e-lgP曲线直线段的斜率。由于曲线在较大范围内呈直线，所以压缩指数多数情况下可以认为是常数，并广泛应用于地基沉降计算。,S = Si,Si=ei/（1 + ei）,ei=Cc * lg（P2/P1）,压缩模量（侧限压缩模量）,土体在有侧限条件下压缩时，竖向应力和竖向应变的比值,Es=,Es=,P.H,h,定义式,计算式,（线性变形阶段）,Es=(1+e1)/a,对土而言，压缩模量不是常量，将随着压力/应变而变化，因此压缩模量表达的是某一压缩范围内的土压缩的难易程度！,地基沉降计算,变形模量,土体在无侧限条件下压缩时，竖向应力和竖向应变的比值,側膨胀系数（泊松比）：是指在側向自由膨胀条件下受压时，测向膨胀的应变x与竖向压缩的应变z之比值，即： x/z,z,X,側压力系数：是指側向压力x与竖向压力z之比值，即： x/z, z, x, x, y,广义胡克定律下的应力应变关系： Z=1/E Z-（x+y）,E= Z/ Z （1-2 ）,x/z, x/z,E= Es （1-22 /（1- ）,理论上，土的变形模量总是小于土的压缩模量,承压板,油压千斤顶,支撑板,斜撑杆,斜撑板,销 钉,压力表,千分表,观测装置支架,分表支座,现场载荷试验,E=（1-2）P/Sd,内涵：历史上在固结压力作用下使得土体塑性变形衰减的物理化学作用。 固结比（OCR） 正常固结土 欠固结土 超固结土 固结时间-老粘土,前期固结压力,土的固结,一、土的固结过程 在土力学中将土在某一压力作用下，自由水逐渐排出，土体随之压缩，土体的密实度和强度随时间增长的过程称为土的固结过程。即在外荷不变的条件下压缩变形随时间而演变的过程，土的固结过程是土体压缩性能的另一种表示方法。 二、土固结过程的数学表达 地基内某一点的总应力： = + 固结度：U= /= /( + ) 在压力作用下，孔隙中的水不断沿着排水系统排出，则不断减小，并最终减小为0，对应的有效应力则不断增加，固结度不断增大，当孔隙自由水全部排出后，有效应力等于总应力，完成固结过程，U=1 。,固结曲线,次固结,主固结 渗透固结 直接固结,e,t,研究意义： 研究土体固结程度 确定沉降稳定所需时间 控制加荷速率 预压加固时间,固结度与固结系数,根据有效应力与总应力的定义（渗透固结）： U= /% = /( + ) % 根据当前沉降量与最终沉降量的定义： U=St / S %,固结度的计算式： U=1-(8/ 2)e-Tv （Tv=2 * Cv *t/4h2 ，时间因素）,土体的主固结,孔隙自由水排出，作用在土体上的有效应力不断增加，颗粒在有效应力作用下发生平移和旋转，达到该有效应力下的新的力学平衡状态，该过程也称为渗透固结。,影响土的主固结过程的因素： 1.渗透系数 2.固结（总）压力（水头压力、有效应力） 3.土的结构（抵抗有效应力的强度）,土体的次固结,土颗粒周围的结合水发生变形、转化和排出，土颗粒之间的距离进一步缩小,结构强度增加。一般认为只有粘性土才具有此固结。,影响土的次固结过程的因素： 1.固结压力 2.土的矿物成分及其他影响水化膜厚度的因素,土体固结的工程控制与应用,预压 排水,砂井,真空,正常,超载,抽水,孔隙水压力监测,影响土压缩性的主要因素,矿物成分 粒度成分 交换阳离子成分 含水量（土的状态） 土的结构 加荷速率 应力历史,第二节 土的抗剪强度,土体破坏的形式与灾害 土体破坏的本质 土的抗剪强度来源,-直剪试验,快剪 不排水 不固结 有效应力变化小 内摩擦角小,慢剪（排水） 排水 固结 有效应力大 摩擦角大 内聚力小 固结快剪 固结 不排水,-直剪试验,-三轴剪切,莫尔应力圆 极限平衡状态,3,3,1,1,=tg +C,不排水剪 固结不排水剪 排水剪,非粘性土抗剪强度,无内聚力 内摩擦力包括颗粒接触面滑动摩擦力、颗粒间的咬合摩擦力和颗粒强度 矿物成分（颗粒强度、咬合力） 粒度（咬合力） 级配（咬合面） 磨圆度（滑动摩擦力） 颗粒定向（咬合力） 密度（咬合力） 含水量（滑动摩擦力）,-影响非粘性土抗剪强度因素,密度 剪胀作用与压密作用 峰值强度与残余强度 临界孔隙比 含水量 毛细管力（非粘性土内聚力） 有效压力降低 砂土液化,-影响非粘性土抗剪强度因素,荷载条件 颗粒破碎 负孔隙水压力,-抗剪强度指标选用,变形大小 标准贯入 静力触探,粘性土抗剪强度,1结构连接强度 可逆结构强度 不可逆结构强度 2含水量 大于液限，结构强度小 液限到塑限，结构强度线性增加 塑限到最大分子水溶度，毛细管作用增强 最大分子水溶度到最大吸着含水量，强度变化不大 小于最大吸着含水量时，强度骤增,3.受力历史 正常固结土与超固结土 峰值强度与残余强度 孔隙水压力变化（剪胀与剪缩）,4排水条件 不排水（快剪） 固结不排水（固结快剪） 排水剪（慢剪）,第四节 土的流变特性与动力特性,蠕变 衰减型蠕变 非衰减型蠕变 长期强度 应力松弛,土的动力学特性 砂土压密 饱和砂土液化 软粘土的触变,第五章 岩体的工程地质研究,第一节 岩石、岩体与土的区别与特性,力学强度高 均一性差，各向异性 抗水性强 裂隙发育 受风化影响明显,第二节 岩石的密度特性及指标,密度 比重 容重 孔隙率 总孔隙率 开孔孔隙率 闭孔孔隙率,吸水率 饱水率 饱水系数 岩石的抗冻性,第三节 力学性质,岩石的变形参数 正应变 剪应变 全应变 残余应变 岩石的变形与破坏类型 弹性变形 塑性变形 脆性破坏 塑性破坏,-岩石应力应变曲线与变形特征,弹性极限 弹性后效 弹性模量 塑性模量 变形模量 泊松比 应力应变曲线形态与变形特性,-变形模量,室内静力试验（单轴压缩试验） 现场静力试验 千斤顶法 水压法 动力法 地震法 声波法 超声波法,-影响岩石变形特性的因素,岩石结构构造 层理 裂隙 岩石状态 风化状态 含水状态 试验条件 加荷速率 荷载大小,岩石的强度,抗压强度 结构构造 裂隙和风化 试验条件 抗剪强度 抗剪强度 抗切强度 抗剪断强度 抗拉强度 抗弯强度,岩体破坏形式与机制,岩石脆性破坏 岩石塑性破坏 岩体软弱面剪切破坏 岩体扩容现象,第四节 岩体工程地质研究要点,岩体稳定性的决定因素 结构面的性质及其组合 结构体的性质 岩体工程地质研究的内容 地质背景 岩石类型 岩体结构及质量 软弱夹层 风化,岩体质量,波速法 RQD 综合方法,分类 原生沉积 后期风化 后期应力变化（构造应力、卸荷） 综合成因 研究重点 形态及分布（含地下水位） 物质成分（含有机质） 含水状态及溶液性质 力学性质及软化,软弱夹层,岩石的风化,风化的分类 新鲜 微风化（微风化带） 弱风化（弱风化带） 强风化（强风化带） 严重风化（剧风化带） 评价方法 波速 矿物风化变异指数（硅铝比） 风化系数（强度衰减）,第五节 岩体稳定性评价,岩石的物质组成 成因 物质组成 结构特征 工程特性 岩体结构类型 结构面 控制性结构面,失稳变形机制分析 地质分析法 力学计算 系统工程分析 地应力影响分析 水平应力与垂直应力 岩爆,第六章 土体的工程地质研究,土体的定义 空间范围（地表-人类活动深度） 地质时代（新第三纪） 动态变化性 结构性 性质独特性（区别于岩石） 力学性质的尺寸效应,土体结构,土层 夹层 互层 透镜体 夹石、结核 裂隙、节理,土体类型,物质成分 砂土 粘土 黄土 粗碎屑土 成分均匀程度 均质土 非均质土 工程性质 一般土体 特殊土,影响土体工程性质因素之成因,成岩作用 表生作用 沉积作用 成岩作用 外力变质作用 力学性质形成因素 温度 应力 水 CO2 时间,土体主要成因类型及其性质,陆相,泻湖相,海相,坡积土、残积土、崩积土,冲积土、洪积土,冰积土、冰水沉积,湖积土、沼泽,风积土,人为土,三角洲,泻湖,海湾,浅海、陆棚、大陆斜坡、海洋、世界大洋,主要成因类型土体的工程性质,残积土 原位风化沉积 与母岩性质差别大 层理不明显 厚度变化大、均一性差 粘土矿物含量高 盐碱化 PH呈酸性 富含地下水 稳定性差,坡积土 干旱区结构连接为非水稳性，潮湿区相反 厚度变化大 分选差、层理弱 干燥状态强度高、含水后强度下降，压缩性增强 沿下卧基岩易产生滑坡,崩积土 近距离堆积 分选性差，且呈反序列堆积,冲积土 分为河床堆积（砂砾）和漫滩堆积（粘土） 漫滩相多伴有河谷斜坡和阶地，均匀性差 漫滩相堆积以粘土为主，层理发育，伴有砂砾透镜体，具各向异性 有机质含量高时，含水量高、压缩性高、强度低 牛轭湖、古河道堆积物中常以淤泥质粘土,洪积土 堆积于山前平原或山间谷地 呈洪积扇、洪积锥形状，厚度可以达到很大 岩性成分复杂 均匀性差，强度相对较高,冰川堆积土 密度大、强度高 成分不均一，粘土为主夹有大颗粒块石 含砂层时会伴有承压水，需防止液化、流砂 含粘土夹层或透镜体 崩解、冻胀,冰水堆积土体 冰水沉积物 冰川湖成积物,湖积土体 有机质含量高 层理、微层理、夹层、透镜体发育 厚度小、范围不大,风积土 黄土 颗粒细小 钙质含量高 湿陷性黄土,泻湖堆积土,影响土体工程性质因素之物质成分及结构,土体的物质成分 粒度成分 矿物成分 水 气体 土体的结构构造 层理、面理（宏观成层性） 颗粒定向（微观成层性） 结构连接,特殊土工程性质专题-红粘土,红粘土在云贵高原及广西地区分布最广,西南其它地区以及华中地区次之,其余地区分布不广. 这是由于云贵高原及广西地区是中国碳酸盐类岩石分布最广泛的地区,红粘土随母岩的分布而变化;中国南方湿热的气候条件利于红粘土的形成.,-红粘土的工程地质特性,天然含水量高而液性指数小（高塑性） 天然孔隙比大，密度小（多孔） 饱和度大，一般在85%以上 颗粒细而均匀 粘粒含量高（高龄石、伊利石为主） 强度高、压缩性低，多属于中压缩性土，承载力较高 收缩性明显，多数膨胀性轻微 具有较好的抗水氧化物胶结,-红粘土的主要工程地质问题,不均匀地基,特殊土工程性质专题-膨胀土,膨胀土是一种主要由强亲水性黏土矿物成分(蒙脱石和伊利石) 组成的, 具有吸水膨胀、失水收缩性质的土。 具有膨胀结构以及多裂隙性、强胀缩性和强度衰减性的高塑性粘性土, 也是典型的非饱和土。因其较大的往复胀缩性, 也称胀缩土; 有的裂隙很发育, 被称为裂土 。,其化学成分主要为SiO2 , A