土力学第一章改母版.ppt

第一章 土的性质及工程分类,§1.1 土的生成与特性 §1.2 土的三相组成及土的结构 §1.3 土的物理性质指标 §1.4 土的物理状态指标 §1.5 地基土的工程分类 §1.6 地基土的压实性,风化、剥蚀,,,,搬运、沉积,1.1 土的生成,风化作用物理风化 化学风化 生物风化 搬运与沉积（分选作用、浑圆度） 残积土，运积土 运积土坡积土；洪积土；冲积土；湖泊沼泽沉积土 海相沉积物；冰蹟土；风积土,气相,固相,液相,,,,构成土骨架，起决定作用,,,重要影响,,土体,次要作用,1.2 土的三相组成,三相比例的变化性,1.2.1 固体颗粒,物理状态 力学特性,粒径级配,,矿物成分,颗粒形状、大小,,1.2 土的三相组成及结构,粒径颗粒的大小通常以直径表示。称为粒径（mm）或粒度。,1.2.1 土的固体颗粒－粒径级配,卵石或碎石颗粒 20200mm 圆砾或角砾颗粒 220mm 砂 0.0752mm,粉粒0.0050.075mm 粘粒0.005mm,,,1.2.1 土的固体颗粒形状、大小,粘土,细砂,粗砂,碎石,卵石,块石,粘土,土的颗粒级配 土由不同粒组的土颗粒混合在一起所形成，土的性质主要取决于不同粒组的土粒的相对含量，用质量百分数来表示。土的颗粒级配就是指大小土粒的搭配情况。,土的颗粒级配分析方法 筛析法 密度计法（水分法）,,1.2.1 土的固体颗粒－颗粒级配,颗粒分析试验 筛分法粒径2000.075mm 静水沉降法（沉降分析法、水分法）粒径0.075mm,1.2.1 土的固体颗粒－颗粒级配,筛分法,,筛析机,1.2.1 土的固体颗粒－颗粒级配分析方法,,1.2.1 土的固体颗粒－颗粒级配,1.2.1 土的固体颗粒－颗粒级配,试验结果可绘制在半对数坐标上 纵坐标小于某粒径的土粒累积含量 横坐标使用对数尺度表示土的粒径，可以把粒径相差上千倍的粗粒都表示出来，尤其能把占总重量少，但对土的性质可能有主要影响的颗粒部分清楚地表达出来.,1.2.1 土的固体颗粒－颗粒级配,土的粒径级配累积曲线,,10 5.0 2.0 1.0 0.5 0.25 0.1,200g,10 16 18 24 22 38 72,,小于某粒径之土质量百分数P（％）,粒径mm,P 95 87 78 66 55 36,土的粒径级配累积曲线,水分法,,,,,,d60,d50,d10,d30,特征粒径,斜率 某粒径范围内颗 粒的含量 陡-相应粒组含量多 缓-相应粒组含量少 平台-相应粒组缺乏,d50 平均粒径 d60 控制粒径 d10 有效粒径 d30,,,,,土的粒径级配曲线,1.2.1 土的固体颗粒－颗粒级配,不均匀系数 曲率系数,小于某粒径的土粒含量占总土颗粒质量的60时的粒径-控制粒径（d60）。 小于某粒径的土粒含量占总土颗粒质量的10时的粒径-有效粒径（d10） 。,1.2.1 土的固体颗粒－颗粒级配,不均匀系数可以反映大小不同粒组的分布情况，Cu越大表示土粒大小分布范围广。,不均匀系数Cu用于判定土的不均匀程度 Cu ≥ 5, 不均匀土； Cu 5, 均匀土,,,小于某粒径之土质量百分数（％）,粒径mm,土的粒径级 配累积曲线,,,,,,,,,,d60,d10,d30,,,,,,缺少小颗粒，Cc 缺少大颗粒，Cc,Cc13, 级配连续,连续程度 用曲率系数 Cc d302 / d60 d10 度量, Cc13为连续级配, 3或1为不连续级配,,粒径级配,粒径级配累积曲线及指标的用途,1）粒组含量用于土的分类定名；,2）不均匀系数Cu用于判定土的不均匀程度 Cu ≥ 5, 不均匀土； Cu 5, 均匀土,3）曲率系数Cc用于判定土的连续程度 C c 1 3, 级配连续土； Cc 3 或 Cc 1,级配不连续土,4）不均匀系数Cu和曲率系数Cc用于判定土的级配优劣 如果 Cu ≥ 5且 C c 1 3 ， 级配 良好的土； 如果 Cu 3 或 Cc 1, 级配 不良的土,1.2.1 土的固体颗粒－颗粒级配,固体颗粒 - 矿物成分,固体成分,原生矿物 - 石英、长石、云母等 次生矿物,矿物质 有机质,无定形氧化物胶体 可溶盐 粘土矿物,,,,,,具有和原生矿物很不相同的特性 对粘土性质的影响很大,1.2.1 土的固体颗粒－土粒成分,,粘土矿物是一种复合的铝-硅盐晶体，颗粒呈片状，是由硅片和铝片构成的晶包所组叠而成，可分成高岭石、伊利石和蒙特石三种类型。,硅片 铝片,,,,1.2.1 土的固体颗粒－土粒成分,,粘土矿物是一种复合的铝-硅盐晶体，颗粒呈片状，是由硅片和铝片构成的晶包所组叠而成，可分成高岭石、伊利石和蒙特石三种类型。,,硅片 铝片,,,1.2.1 土的固体颗粒－土粒成分,,晶层间通过氢键联结，联结力强，晶格不能自由活动，水难以进入晶格间 能组叠很多晶层，多达百个以上，成为一个颗粒。颗粒长宽约0.3-3，厚约0.03-1。 主要特征颗粒较粗，不容易吸水膨胀和失水收缩，亲水能力差。,依硅片和铝片组叠形式的不同，可分成如下三种类型,高岭石 蒙特石 伊利石,,,1.2.1 土的固体颗粒－土粒成分,,晶层间是O2-对O2-的连结，联结力很弱，水很容易进入晶层之间。 每一颗粒能组叠的晶层数较少。颗粒大小约为0.1-1 ，厚约0.001-0.01。 主要特征颗粒细微，具有显著的吸水膨胀、失水收缩的特性，亲水能力强。,依硅片和铝片组叠形式的不同，可分成如下三种类型,高岭石 蒙特石 伊利石,,,,1.2.1 土的固体颗粒－土粒成分,,是云母在碱性介质中风化的产物。 与蒙特石相似，由两层硅片夹一层铝片所形成的三层结构，但晶层之间有钾离子连结。 主要特征连结强度弱于高岭石而高于蒙特石，其特征也介于两者之间。,依硅片和铝片组叠形式的不同，可分成如下三种类型,高岭石 蒙特石 伊利石,,,,1.2.1 土的固体颗粒－土粒成分,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,粘土矿物的带电性质 研究表明，片状粘土颗粒表面常带有电荷，净电荷通常为负电荷,,- - - - - - - - - -,- - - - - - - - - - - -,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,粘土颗粒,水分子,阳离子,粘土矿物的带电特性,,,,,,,,,,,,,,,,,玻璃筒,玻璃皿,水位 升高,粘土粒,粘土膏,,-,,,,,,,粘土的电泳和电渗现象 列依斯, 1809,,1.2.1 土的固体颗粒－土粒成分,原生矿物一般颗粒较粗，呈粒状。有圆状、浑圆状、棱角状等。 次生矿物颗粒较细，多呈针状、片状、扁平状。 比表面积单位质量土颗粒所拥有的总表面积。对于粘性土，其大小直接反映土颗粒与四周介质,特别是水,相互作用的强烈程度,是代表粘性土特征的一个很重要的指标。 高岭石的比表面积为10-20m2/g,伊利石80-l00m2/g,蒙特石800m2/g,粗颗粒的形状,粘土颗粒的形状,1.2.1 土的固体颗粒－土粒形状、比表面积,1.2.2 土中水,土中水,,自由水,结合水,,强结合水,弱结合水,,重力水,毛细水,结合水受电分子吸引力作用吸附于土粒表面的土中水。,自由水存在于土粒表面电场影响范围以外的土中水。,结晶水,结晶水土粒矿物内部的水。,气态水 固态水,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,- 强结合水 排列致密，密度1g/cm3 冰点处于零下几十度 完全不能移动，具有固体的特性 温度略高于100°C时可蒸发 - 弱结合水 受电场引力作用，为粘滞水膜 外力作用下可以移动 不因重力而流动，有粘滞性,,,,粘土 颗粒,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,引力,d,水分子,阳离子,强结合水,弱结合水,自由水,,,,,,土中水 – 结合水,结合水受颗粒表面电场作用力吸引而包围在颗粒四周，不传递静水压力，不能任意流动的水,1.2.2 土中水,,,,,毛细水由于土体孔隙的毛细作用升至自由水面以上的水。毛细水承受表面张力和重力的作用 重力水自由水面以下的孔隙自由水，在重力作用下可在土中自由流动,土中水 – 自由水,自由水不受颗粒电场引力作用的孔隙水,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,hc,毛细水,,重力水,,1.2.2 土中水,生活在水面收缩膜 顶面和地面的昆虫,水蜘蛛,仰泳的 水蜘蛛,表面张力,1.2.2 土中水,,,,,,,毛 细 管,,,hc,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,T,,,,,2r,,,,,上升高度,r2hcw2rTcos,毛细升高与孔径成反比,粘土 粉土 砂土 砾石,1.2.2 土中水,,,,,,,,,,水,,,hc,,,2r,,,T,T,,则毛细压力,2πrTcosαucπr2 0,毛细管中的负静水压力,,1.2.2 土中水,,土颗粒缝隙处的弯液面,,,,,,,,,r,,空气 水 固体颗粒,弯液面,,在非饱和土中，孔隙中含有水和气，此时水多集中于颗粒间的缝隙处，称毛细角边水。 由于毛细张力的作用，会形成如图所示的弯液面，使毛细角边水产生负压力，颗粒则受正压力。 这是稍湿的砂土颗粒间存在假凝聚力的原因,1.2.2 土中水,自由气体与大气连通连通的气体 对土的性质影响不大 封闭气体被土颗粒和水封闭的气体 其体积与压力有关。会增加土的弹性（橡皮土）；阻塞渗流通道，降低渗透性 溶解在水中的气体 吸附于土颗粒表面的气体,1.2.3 土中气体,土的物理状态 粗粒土的松密程度 粘性土的软硬程度,土的物理性质指标 松密程度、干湿程度、轻重程度,力学特性,直接影响,表示,1.3 土的物理状态,土的三个组成相的体积和质量上的比例关系,,表示土的三相组成部分质量、体积之间的比例关系的指标，称为土的三相比例指标。主要指标有比重、天然密度、含水量（这三个指标需用实验室实测）和由它们三个计算得出的指标干密度、饱和密度、孔隙率、孔隙比和饱和度。,1.3 土的物理状态,1.3.1 土的三相组成的比例关系,1、土的三相草图,天然密度 天然状态下，单位体积土的质量，单位为g/cm3或t/m3，即,一般粘性土ρ 1.8－2.0g/cm3；砂土ρ1.6－2.0g/cm3。天然密度一般用“环刀法”测定 。,土的重度天然状态下，单位体积土的重量，单位为KN/m3，即, g g为重力加速度,1.3.1 土的三相组成的比例关系,2、基本试验指标,1.3.1 土的三相组成的比例关系,土粒比重（土粒相对密度）土粒密度与4℃时纯水的密度之比，一般用ds或Gs表示，无量纲。即,,土粒比重决定于土的矿物成分，同一种类的土，其比重变化幅度很小。 试验室内用比重瓶测定。,1.3.1 土的三相组成的比例关系,2、基本试验指标,土的含水量土中水的质量与土粒质量之比，一般用w表示，以百分数计，即,含水量反映土中水的含量多少，其变化范围很大。土的含水量对粘性土、粉土的影响较大，对砂土稍有影响，对碎石土没有影响。一般说来，同一类土，当其含水量增大时，强度就降低。试验室内一般用“烘干法”确定。,1.3.1 土的三相组成的比例关系,2、基本试验指标,1.3.1 土的三相组成的比例关系,土的孔隙比e 是土中孔隙体积与土粒体积之比，孔隙比用小数表示。即,土的孔隙率n 土中孔隙所占体积与总体积之比，孔隙率用百分数表示。即,,1.3.1 土的三相组成的比例关系,3、其他指标,土的饱和度Sr 土中被水充满的孔隙体积与孔隙总体积之比，以百分率计，即,含水率，如上,1.3.1 土的三相组成的比例关系,3、其他指标,定义单位体积内土粒的质量或重量。 表达式,干密度ρd（干容重γd）,1.3.1 土的三相组成的比例关系,3、其他指标,,定义 土中孔隙完全被水充满，土处于饱和状态时单位体积土的质量或重量。 表达式,饱和密度ρsat（饱和容重γsat ）,1.3.1 土的三相组成的比例关系,3、其他指标,地下水位以下，单位体积土体中土粒的质量（重量）扣除同体积水的质量（重量）后，即为单位体积土体中土粒的有效质量（重量）,浮密度 （浮容重 ）,1.3.1 土的三相组成的比例关系,3、其他指标,1.3.1 土的三相组成的比例关系,3、其他指标,1.3.2 土的物理状态指标,无粘性土的土粒之间的联结微弱，因此其工程性质主要与密实度有关； 粘性土颗粒很细，比表面积大，水对其性质影响较大，因此其工程特性主要取决于稠度。,A、 无粘性土的密实度,无粘性土的密实度指的是碎石土和砂土的疏密程度 密实度的评价方法有三种 1、 孔隙比e 2、 相对密度Dr 3、 标准贯入试验,1.3.2 土的物理状态指标,相对密实度砂土的密实程度并不完全取决于天然孔隙比，而很大程度上取决于土的级配情况，相对密实度同时反映了孔隙比和级配的影响，以Dr表示。,最小孔隙比是最紧密状态的孔隙比。最大孔隙比是土处于最疏松状态时的孔隙比。,1.3.2 土的物理状态指标,标准贯入试验 规范用标准贯入试验的锤击数来划分砂土的密实度。,砂 土 的 密 实 度,1.3.2 土的物理状态指标,流动状态,,可塑状态,固体状态,半固体状态,,,刚沉积的粘土，本身不能保持其形态，极易流动,外力作用可改变其形状，而不改变其体积，并在外力卸除后仍能保持已获得的形状,水分蒸发，上覆沉积层厚度增加，含水率减小，体积收缩。,含水率减小,丧失可塑性，在外力作用下，易于发生破裂。,体积不再收缩，空气进入土体，土的颜色变淡。,1.3.2 土的物理状态指标,B、粘性土的稠度,粘性土,,·,·,·,·,0 ws w p w L,固态,半固态,可塑状态,流动状态,塑限,液限,缩限,,,,界限含水量同一种粘性土随其含水量的不同，而分别处于固态、半固态、可塑状态及流动状态。由一种状态转变到另一种状态的分界含水量，叫界限含水量,稠度粘性土因含水量的不同表现出不同的稀稠、软硬状态的性质称为粘性土的稠度。,1.3.2 土的物理状态指标,1、液限（ωL）液态与塑态之间的分界含水量,锥式液限仪,1.3.2 土的物理状态指标,塑限搓条法 液塑限联合测定仪,2、塑限（ωP）塑态与半固态之间的分界含水量,1.3.2 土的物理状态指标,3、缩限（ωs）固态与半固态之间的分界含水量 收缩皿法 4、塑性指数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。,1.3.2 土的物理状态指标,4、塑性指数,塑性指数、可塑性、土中粘粒含量,1.3.2 土的物理状态指标,5、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，用IL表示。即,又称相对稠度，表示天然含水量靠近塑限还是液限，以此表明土的软硬程度,1.3.2 土的物理状态指标,液性指数表证天然含水量与界限含水量间的相对关系，可塑状态的土的液性指数在01之间；液性指数大于1，处于流动状态；液性指数小于0，土处于固态或半固体状态。,1.3.2 土的物理状态指标,土颗粒或粒团的空间排列和相互联结,,,土粒间的作用力 粗粒土的结构 细粒土的结构 粘性土的结构性指标,,,1.4 土的结构,1.4.1 粗粒土的结构,粒间作用力重力起决定性的作用。在非饱和土中，还受到毛细力的作用 排列形式点与点,1.4 土的结构,范德华力接触点处的分子引力，作用范围为几个分子的距离，是细粒土粘结在一起的主因 库仑力颗粒表面的静电引力或斥力，随距离衰减的速度比范德华力慢 胶结力土粒间通过胶体连结在一起，作用力是化合键，具有较高的强度 毛细力土中毛细作用形成的力,土中细颗粒，比表面积大，重量轻，重力不起重要的作用，其他粒间力起主导作用,1.4 土的结构,1.4.2 细粒土的结构,,形成环境 粒间作用力 排列形式,淡水中沉积 表面力、胶结力 （粒间斥力占优势 面与面,天然通常不是单一结构，可能是呈多种类型的综合结构。往往先形成团粒,海水中沉积 表面力、胶结力 （斥力减小引力增加 边、角与面 边、角与边,示意图,,1.4 土的结构,1.4.3 反映粘性土结构性的指标,1.4 土的结构,含水量不变，密度不变，因重塑而强度降低，又因静置而逐渐强化，强度逐渐恢复的现象，称为触变性。,土的触变性是土结构中联结形态发生变化引起的，是土结构随时间变化的宏观表现。 目前尚没有合理的描述土触变性的方法和指标。,1.4 土的结构,1.4.3 反映粘性土结构性的指标,土的组成 土的状态 土的结构,建筑地基基础设计规范- GB50007-2002分类法,水利部SL237-1999分类法,目的 便于调查研究； 便于分析评价； 便于交流 基于共同的概念 依据最能反映土的物理力学性质的指标 要求要有一定的逻辑性、系统性， 纲目分明，简单易记，便于运用,,,1.5 土的工程分类,1、水利部SL237-1999分类法,土颗粒组成及其特性 塑性指标液限、塑限、塑性指数 有机质含量,分类依据,1.5 土的工程分类,0.075mm,60mm,1.5 土的工程分类,巨粒类土巨粒组的质量大于颗粒总质量50的土,1.5 土的工程分类,粗粒土砾类土，砂类土 砾类土砾粒质量占粗粒组质量的50以上,1.5 土的工程分类,砂类土砾粒质量小于或等于粗粒组质量的50,1.5 土的工程分类,细粒土小于0.075mm的颗粒质量大于或等于颗粒总质量的50,2、建筑场地基基础规范GB50007-2011,1.5 土的工程分类,碎石土的分类,1.5 土的工程分类,砂土的分类,粘性土塑性指数Ip10的土,粉质粘土1017的土,,非活性粘土 A 1.25,粉土粒径大于0.075mm的颗粒含量小于全质量50而塑性指数Ip10的土,1.5 土的工程分类,土的压实指通过夯打、振动、碾压等，使土体变得密实、以提高土的强度、减小土的压缩性和渗透性 压实性指土在一定压实能量作用下密度增长的特性 细粒土和粗粒土击实方法的差异,1.6 土的压实性,试验设备击实筒V947cm3；击实锤w25牛顿 试验条件土样分层n3层；落高d30.5cm； 击数N25/层 击实能量,试验方法分三层压实； 测定击实后的w、d 注意仅适用于细粒土； 对粗粒土，可用较大尺寸的击实仪,1.6 土的压实性细粒土,,,,,,,,,,0 4 8 12 16 20 24 28 含水量w,,,饱和曲线,dmax,wop,,,具有峰值 最大干密度dmax 最优含水量Wop,位于饱和曲线之下,粘性土透水性小，击实过程中含水量几乎不变，要想击实到饱和状态是不可能的。,1.6 土的压实性细粒土,对于同一种土,最优含水量和最大干密度并不恒定,而随压密功能变化，压实功能愈大,最优含水量愈小，相应的最大干密度愈高 超过最优含水量后，压实功能的影响随含水量的增加逐渐减小。击实曲线均靠近于饱和曲线,1.6 土的压实性细粒土,填土施工时应将土料含水量控制在Wop左右，以期用较小的能量获得最好的密度 在Wop的干侧常具有凝聚结构。土质比较均匀，强度较高，较脆硬，不易压密。但浸水时易产生附加沉降。 在Wop的湿侧常具有分散结构。土体可塑性大，适应变形的能力强。但强度较低，各向异性。 在设计土料时应根据填土的要求和当地土料的天然含水量，选定合适的含水量，一般要求为,1.6 土的压实性细粒土,Ⅰ、Ⅱ级土石坝 Dc9598 IIIⅤ 级土石坝 Dc9295,工程上常采用压实度Dc，作为填方压实密度控制的标准,1.6 土的压实性细粒土,击实曲线,压实标准常用相对密度控制 Dr0.7-0.75,不存在最优含水量，在完全风干或饱和状态下易于击实。在潮湿状态下，存在假凝聚力，加大了阻力 同细粒土不同，粗粒土在击实过程中可以自由排水 粗砂w45，中砂w7时，干密度最小 ，,1.6 土的压实性粗粒土,土料为CL，ω21，Gs2.7，室内标准功能击实实验得到最大干密度ρdmax1.85g/cm3，设计中取压实度为95，并要求压实后土的饱和度Sr≤0.9，土料的天然含水率是否适合填筑，碾压时土料应控制多大的含水量,（1）求压实后土的孔隙比e 填土干密度ρ d1.85*951.76g/cm3 绘制三相草图，设Vs1cm3，则msGs2.7g ρ dms/1e，解出e0.534 （2）求碾压含水量 按Sr ≤0.9控制含水量，Vs1cm3，e0.534，则Vv0.534cm3 VwVv*Sr0.534*0.90.48cm3 则mw0.48g ω mw/ms0.48/2.717.821 不适合直接填筑，应翻晒处理。,室内击实试验 细粒土的压实性 粗粒土的压实性,击实曲线 最优含水量 最大干密度 压实功能 压实标准,击实曲线 压实标准,,,1.6 土的压实性,