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土力学与基础工程 学习笔记二 主主 题 题 土力学与基础工程 学习笔记 内内 容 容 土力学与基础工程 学习笔记二 土力学与基础工程 学习笔记二 土的物理性质土的物理性质 教学目的 要求教学目的 要求 掌握 掌握 土的物理性质指标及换算 理解理解 土的物理状态 特征指标 了解了解 土的组成和特性 地基土的工程分类 教学内容 教学内容 基本内容 基本内容 土的形成 土的三相组成 土的物理状态 土的结构 土的工程 分类 土的击实性和击实试验 重点 重点 土的物理性质指标及换算 物理状态 特征指标 地基土的工程分类 难点 难点 土的物理性质指标及换算 基本要求基本要求 了解土的组成和特性 土的物理性质指标及换算 土的物理状态 特征 指标 地基土的工程分类 1 1 概述概述 1 土的物理性质是土的基本性质 如轻重 松密 干湿 软硬等 2 土的物理性质和力学性质紧密相关 因此研究地基变形及稳定必予以 研究 3 研究物理性质内容包括 土的生成与组成 土的三相单比例指标 组 成土的三相单性质 土的状态 土的压实和渗透 它的分类 4 研究方法 分析和试验法 1 2 土的生成土的生成 简单说 土是原岩 风化 搬运 沉积 的产物 经地质作用形成的 1 2 1 地质作用的概念地质作用的概念 定义 导致地壳成分变化和构造变化的作用 分类 根据能量来源不同可分为两类 即内力地质作用和外力地质作用 土力学与基础工程 学习笔记二 沉积岩形成岩石 沉积 搬运 风化 作用造型 地球重力位能 太阳幅射能 产生能量来源 外力地质作用 变质石作用下生成的岩浆石称 挥发性物质等变质原岩在高温高压及渗入 称为岩浆岩岩浆冷凝后生成的岩石 产生岩石 变质作用 地壳运动 岩浆活动 作用类型 元素蜕变产生热能 地球自转施转能 产生能量来源 内力地质作用 按能量来源分地质作用 3 3 2 1 2 2 1 1 4 3 2 1 2 2 1 1 B A 1 2 2 矿物与岩石的概念矿物与岩石的概念 一 矿物 1 定义及分类 矿物是地壳中天然生成的自然元素或化合物 蒙胧石粘土矿物高岭石伊利石次生矿物化学风化 云母等长石石英岩浆冷凝生成原生矿物 2 矿物外表形态 形状不规则非结晶体 形状较规则结晶体 3 组成岩石的矿物称造岩矿物 二 岩石 岩石是一种或多种矿物的集合体 不同岩石特征表现为矿物成分不同 结构不同和构造不同三个方面 岩石结构 矿物颗粒结晶程度 大小和形状组合方式称为结构 岩石构造 岩石中矿物排列方式及填充方式 1 2 3 地质年代的概念地质年代的概念 地质年代 地壳发展历史与地壳动运 沉积环境及生物演化相应的时代段 土力学与基础工程 学习笔记二 落 相对地质年代 根据古生物演化和岩层形成的顺序划分成自然段 太古 代 元古代 古生代 中生代和新生代 每代分为若干纪 每纪分世和期 新生代中最近的一个纪称为第四纪 经外力地质作用风化 搬运 沉积形成 称第四纪沉积物 1 2 4第四纪沉积物第四纪沉积物 一 残质物 坡质物和洪积物 1 残积物 原岩经风化 剥蚀而残留在外地的部分 2 坡积物 雨 雾水流地质作用将远处的岩石风化物 慢慢地洗刷剥蚀 顺斜坡逐渐移 动 觉积在较平缓的山坡上而形成的沉积物 3 洪积物 和坡积物类似 只不过它是由山洪急流引起的 埋藏于地表下层是复杂多变的钻孔钻在不同位置会得出不同的结论 二 冲积物 河流流水的地质作用将两岸基岩及其上部覆盖的坡积 洪积物剥蚀搬运沉积 在河流坡降平缓地带而形成的沉积物 磨圆分选作用 1 平原河谷冲积物 河漫滩 阶地等地貌单元 地貌 错综复杂的地质作用形成各种成因地形 三 其它沉积物 1 海洋沉积物 滨海沉积物 即石 圆砾 砂 浅海沉积物 细颗粒砂土 粘性土 淤泥和生物化学沉积物 陆坡和深海沉积物 有机质软泥 2 湖泊沉积物 湖边沉积物 湖心沉积物 沼泽沉积物 总之 母岩风化搬运沉积地质作用形成土 土具有成层规律 1 3 土的组成土的组成 土由固体颗粒 土中水和气体组成 本节重点从组成物性质分析 1 3 1 土的固体颗粒土的固体颗粒 土颗粒大小 形状 矿物成份反映土的性质 一 土的颗粒大小 级配 1 级配 颗粒大小搭配情况称为土的级配 2 粒组 颗粒按大小分组称为粒组 常用粒组划分为六大组 即漂石 卵石 圆砾 砂粒 粉粒 粘粒 土力学与基础工程 学习笔记二 土粒粒组划分 随粒径变化 土的透水性 粘性 毛细水变化不同 如 颗粒由大到小 则 透水性 由大 小 粘 性 由小 大 毛细水上升高度 由小 大 3 颗粒分析方法 筛分法 粒径 0 075mm 利用标准筛 密度计法 粒径 0 075m 4 颗粒级配曲线 土力学与基础工程 学习笔记二 为什么要选用半对数坐标 原因是 粒径差别很大 有时达上百倍 上千倍以上 采用对数坐标便于表 达 级配曲线有以下用途 判断级配好坏 缓 级配好 陡 级配差 了解各粒组合量 不同粒组分布 确定土的名称 土粒的级配指标 不均匀系数 Cu 60 10 d Cu d 限制粒径 有效粒径 60 d 10 d 式中 土粒质量累计百分数为 60 的粒径 60 d 土粒质量累计百分数为 10 的粒径 10 d 30 d 土粒质量累计百分数为 30 的粒径 Cu 5 均粒土 级配差 Cu 10 级配良好 实际上 单靠 Cu 还不够 还要考虑曲线的整体形状 故引进曲率系数 Cc 6010 2 30 dd d CC 故对砾类土或砂类土 良好级配的条件 为同时满足 Cu 5 Cc 1 3 二 土粒的矿物成分 土力学与基础工程 学习笔记二 不同颗粒其矿物成分不同 如 漂石 卵石 圆砾 同母岩 砂粒 单独矿物颗粒 长石 石英 云母 尤其石英 粉粒 多为石英和难溶盐颗粒 粘粒 粘土矿物和各种难溶盐 粘土矿物 两种原子层 或称晶片 构成 一种硅氧晶片 基本单元 Si O 四面 体 另一种是铝氢氧晶片 基本单元 AL OH 八面体 粘土矿物晶片示意图 晶片结合情况不同 形成不同的粘土矿物 粘土矿物的晶格构造 粘土矿物颗粒很小 引入此表面积 即单位体积或单位质量颗粒的表面积 1cm立方颗粒 表面积 6cm2 比表面积 6cm 1 0 001mm立方颗粒 表面积 6 104cm2 比表面积 6 1046cm 1 1 3 2 土中水和气土中水和气 一 土中水 土中水形态 固态 液态 气态 1 结合水 指受电分子引力吸附于土粒表面的水电分子引力可达几千或几万个 大气压 使水分子和土粒粘在一起 结合水可分强结合水和弱结合水 强结合水 性质接近固体 密度约 1 2 2 4g cm3 冰点为 78 具有极大粘 滞度 弹性和抗剪强度 弱结合水 它是紧靠强结合水外围形成的一层结合外膜 不能传递静水压力 其含量多时 土具有可塑性 土力学与基础工程 学习笔记二 矿物颗粒对水分子的静电引力作用 2 自由水 存在于土粒表面电分子引力影响范围以外的水 重力水 在压力差以下运动 存在于地下水位以下透水土层中的地下水 开挖基础必须注意 毛细水 由水和空气表面引力作用的自由水 存在于地下水位以上的透水土层中 可 分两类 毛细上升水 毛细悬挂水 毛细水产生毛细粘聚力 二 土中气 土中气可分为与大气连通的和不连通的气体 封闭气泡度与透水性减小 淤 泥有机质含量高时 土不易压密 高压缩性 1 3 3 土的结构和构造土的结构和构造 土的结构 土的结构是指土粒单元的大小 形状 相互排列及其联结等因素 形成的综合特征 按颗粒排列不同可分为 a 单粒结构 按不同排列可分为疏松的紧密的 b 蜂窝结构 主要由粉粒组成类似蜂窝形状 c 絮状结构 粘粒 形状似棉絮 土力学与基础工程 学习笔记二 土的构造 土层中物质成分和颗粒大都相近的 各部分之间相互关系的特 征称为土的构造 如 土的层理构造等 1 4土的三相量比例指标土的三相量比例指标 土中三相之间相互比例不同 土的工程性质也不同 因此需要定量研究二相 之间的比例关系 即土的物理性质指标的物理意义和数值大小 工程实际中常用 三相图来表示 如上图所示 图中把自然界中土的三相混合分布的情况分别集中 起来 固相集中于下部 液相居中部 气相集中于上部 图左边标出各相的质量 图右边标明各相的体积 图中符号含义如下 V 土的总体积 awsv VVVVVV s w Vv 土的孔隙体积 va VVV Vs 土粒体积 Va 气体体积 Vw 水的体积 m 土的总质量 aw mmmm s ma 土中气体的质量 ms 固体颗粒质量 mw 水的质量 1 4 1 室内直接测定的指标室内直接测定的指标 一 土粒比重 土粒相对密度 s d 11 1 ss s s m d vww 土粒质量与同体积 4 纯水的质量比 1w 纯水在 4 时的密度 g cm3 t m3 土的比重在数值上等于土粒的密度 砂土 Gs 2 65 2 69 粉土 Gs 2 70 2 71 粘性土 Gs 2 72 2 76 比重瓶法测定 二 土的含水量 新规程称含水率 w 100 w s m w m 水的质量 土颗粒质量 土力学与基础工程 学习笔记二 土中含水的质量与土粒质量之比用烘干法测定 试验时 s s mm w m 湿土 w 30 硬土 三 土的密度 土单位体积的质量称为土的密度 m v 土的总质量 土的总体积 粘 性 土 砂 土 腐 殖 土 用环刀法测定 3 0 2 8 1cmg 3 0 2 6 1cmg 3 7 1 5 1cmg 1 4 2 换算指标换算指标 四 土的干密度 d 饱和密度 sat 有效密度 1 土的干密度是土单位体积中固体颗粒的质量 干密度是评定土体紧密程度的 标准 s d m v 土颗粒质量 土的总体积 2 饱和密度是土孔隙体充满水时单位体积质量 称为土的饱和密度 svw sat mv v 土孔隙充满水时的质量 总体积 3 地下水位以下 单独土体积中土粒质量扣除浮力后 即为单位土体积中土粒 的有效质量 称为土的浮密度 w satw ss mv v 4 重度和密度 重度又称土的重力密度kN m3 g g dd g satsat 重度单位 kN m3 常用于应力计算 五 土的孔隙比和孔隙率 1 土的孔隙比 e 是土中孔隙体积与土粒体积之比 e 0 6 较密实 e 1 0 疏松 土 v s v e v 孔隙体积 土粒体积 2 孔隙率 v v n v 孔隙体积 土粒总体积 六 饱和度 S 土中被水充满的孔隙体积与孔隙总体积比称饱和度用表示 S 土力学与基础工程 学习笔记二 100 w v v S v 水的体积 孔隙体积 S 50 稍湿 50 80 很湿 80 饱和 S S 证明 1 1 1 1 s w dwm ve 2 1 d w 由公式 1 1 s d w s s mm m vv mm wv m m 3 1 1 sw dw e 由右式 1 111 sw w sasss ss mm m vmvvvv e mm vv v v 4 1 sw sat de e 1 svws satw mvde ve 5 1 11 sswswswsw mvdvd vee 6 1 e n e 1 1 v ve n ve 7 s wd S e ws v vwd S ve 小结 土的三相量比例指标系三相的比例指标 概括为 1 质量 质量 s w m m w 1 wd m d s s s 2 质量 体积 s s ssdsat v m 3 体积 体积 s v v v e v v n v v w v v S 土力学与基础工程 学习笔记二 指标换算设 1 s v 体积 evv wssw wdwmm ev 1 wssw wdmmm 1 1 s v wss dm 气 水 土粒 1 s v ws s s v m d 1 wss dm v s v v v v e s w m m w wssw wdwmm ev 1 ws wdm 1 推导公式 1 1 w s wd e 证 右式 1 1 sw vs dwm e m vv 1 1 sw dw e 1 e n e 证 1 v ve n ve s d w S e 证 wwwsww v vmwdwds veee S 1 d w 证 1 1 s s wsw ss m mm vm v m wv mmm mv mm 1 sw sat de e 证 s 11 svwswwsw at mvdede vee 需要说明 由于研究比例指标 所以 土力学与基础工程 学习笔记二 设 均可 1 v10 v 100 s v 需要说明 以上我们讨论土的密度 在有关土力学计算中常用土的重力密度 简称重度 重度 饱和重度 sat 干重度 d 有效重度 其单位kN m3 g g 为重力加速度 土的三相比例换算公式 1 5 无粘性土的密实度无粘性土的密实度 一 用相对密度D 无粘性土的密实度 可用孔隙比e来表示 但e受多种因素的影响 如 矿 物成分级配 粒度成分等 并且砂土原状土样很难取得 故常采用相对密度D 来 土力学与基础工程 学习笔记二 判定 max maxmin r ee D ee 松散的 中密的 密实的 3 2 3 1 1 D 二 用标准贯入击数来判定 标准贯入试验是一种原位测试方法 试验方法是 将质量为63 5 kg的锤头 提升到76 cm的高度 让锤头自由下落 打击标准贯入器 使贯入器入土深为30 crn所需的锤击数 记为N63 5 这是一种简便的测试方法 N63 5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 砂土的密实度 松散 稍密 中密 密实 N 10 10 N 15 15 N 30 30 三 碎石土的野外鉴定法 根据骨架颗粒含量来排列 根据可挖性 可钻性 分为密实 中密 稍密 1 6 粘性土的物理特征粘性土的物理特征 1 6 1 粘性土的界限含水量粘性土的界限含水量 粘性土由一种状态转到另一种状态的分界含水量叫做界限含水量 研究粘 性土的分类及工程性质的评价 缩限w y 塑限 p w液限 L w w 固态 半固态 可塑状态 流动状态 液限 采用锥式液限仪例定 圆锥体 76克 5秒 下沉1mm L w 为和国际接轨 我国新 土工试验规程 规定使用碟式液限仪 其操作步骤 为 将制备的浓糊状的试样放在碟内 刮平表面 用切檀器在土中成檀 檀底宽 度2mm 然后将碟子抬高10mm 使碟落 连续25次后 如土槽合拢长为13mm 此时试样的含水量即为液限 粘性土的塑限采用搓条法测得直径3mm时恰好断裂 土条的含水量就是塑 限值 p w 我国新的 土工试验规程 规定用联合测定仪求液限 塑限 采用电磁放锥对试样的含水量多次试验 在双对数座标纸上作出76克圆锥 体的入土深度与含水量的关系曲线 对应于10mm及2mm时土样的含水量分别 为该土的液限和塑限 1 6 2 粘性土的塑性指数和液性指数粘性土的塑性指数和液性指数 塑性指数 PLp Iww 它是综合反映影响粘性土特征的重要因素工程 工 程上按塑性指数对粘性土分类 建筑地基基础设计规定GBJ7 89规定粘性土按塑性指数 又分为粘土 粉 质粘土 土力学与基础工程 学习笔记二 液性指数 pp L LpP wwww I wwI 按软硬状态划分 L I 0 坚硬 0 0 25 硬塑 L I 0 25 0 75 可塑 L I 0 75 1 00 软塑 L I L I 1 00 流塑 1 6 3粘性土的灵敏度和触变性粘性土的灵敏度和触变性 灵敏度 u t u q S q 式中 原状试样的无侧限抗压强度 kPa u q 重塑试样的无侧限抗压强度 kPa u q 1 St 2 低灵敏 2 St 4 中灵敏 St 4 高灵敏 土的灵敏度越高 结构性愈强 受扰动后降低的强度也愈多 因此 应保护 基檀 减少对结构的扰动 触变性 抗剪强