CH1土的物理性质及工程分类-副本.ppt

1 第一章土的物理性质及工程分类PhysicalCharacteristicsandEngineeringClassificationofSoils 本章重点 第3 7节 概述土的三相组成与土的结构土的三相比例指标无粘性土的密实度粘性土的物理特性土的压实性地基土的工程分类 主要内容 2 1 1概述 岩石 风化 物理 化学 作用 岩石破碎化学成分改变 搬运沉积 大小 形状和成分都不相同的松散颗粒集合体 土 土 固相 液相 气相 土中颗粒的大小 成分及三相之间的相互作用和比例关系 反映出土的不同性质 3 土性取决于 1 2土的三相组成及其结构TheThree PhaseCompositionandStructureofsoils 一 固体颗粒 固相 SolidParticle 矿物成分 无机矿物 原生矿物 次生矿物 有机质 颗粒的形状 园块 片粗细 细 颗粒比表面积 颗粒与H2o接触面积大 颗粒间力 1土粒的矿物成分和形状 4 粘土矿物颗粒的结晶结构和基本特性 粘土矿物的结晶结构主要是由两个基本单元组成的 硅氧四面体 氢氧化铝八面体 矿物的层状结构主要有 高岭石 膨胀性压缩均较小 蒙脱石 膨胀性 压缩均大 伊利石 膨胀性 压缩性介于高岭石和蒙脱石之间 高岭石 伊利石 蒙脱石 5 2土粒大小及粒组划分 粒度 粒组 划分粒组方式 天然土是由大小不同的颗粒组成的 土粒的大小称为粒度 工程上常把大小相近的土粒合并为组 称为粒组 见表1 1 6 3粒度成分及其表示方法 通常以土中各个粒组的相对含量 即各粒组占土粒总量的百分数 来表示 称为土的颗粒级配 1 表格法 见表1 2 2 累计曲线法 级配曲线 不均匀系数Cu d60 d10 曲率系数Cc d302 d10 d60 Cu反映大小不同粒组的分布情况 Cu 土粒大小分布范围大 土的级配良好 Cu10级配良好的土 Cu 5且Cc 1 3级配良好 7 3 三角坐标法 表示三种粒组含量h1 h2 h3 H取H 100 道路 水利工程常用 8 4粒度成分分析方法 试验方法 筛分法 适用于0 1mm 建筑工程0 075mm d 60mm 比重计法 适用于d 0 1mm 建筑工程0 075mm 筛分法 9 比重计法 利用不同大小的土粒在水中的沉降速度不同来确定小于某粒径的土粒含量 10 二 土中的水Waterinsoils 水按其所吸引力大小分为 1 强结合水 吸着水 strongheldwater 性质接近于固体 对土工程性质影响较小 只有在 105 烘烤才能蒸发 土粒细 含量越大 2 弱结合水 薄膜水 heldwater 使土具有塑性 冻结温度 0 5 30 3 自由水freewater 又可分为重力水gravitywater 毛细水capillarywater 11 三 土中气体airinsoils 1 非封闭气体 受外荷作用时被挤出土体外 对土的性质影响不大 2 封闭气体 对土的性质有较大的影响 使土的渗透性减小 弹性增大和延长土体受力后变形达到稳定的历时 有封闭气体的土 称为橡皮土 工程中决不允许 对于淤泥和泥炭等有机质土 由于微生物的分解作用 在土中蓄积了某种可燃气体 如硫化氢 甲烷等 使土层在自重作用下长期得不到压密 而形成高压缩性土层 12 1粘土颗粒表面带电现象电泳 在直流电作用下粘土颗粒向阳极移动的现象电渗 水分子则向阴极移动的现象 利用该原理发明了电渗法处理软土地基 四 粘土颗粒与水的相互作用 2双电层与扩散层的概念吸附层 扩散层 双电层 土粒表面的负电荷和扩散层合起来称为双电层 13 3影响双电层厚度的因素矿物成份 蒙脱石 伊利石 高岭石水的PH值 PH 带负电 双电层厚 溶液中阳离子价数及半径 价高 半径小 则双电层薄 土性也稳定 注 利用离子交换可改善土的工程性质4粘土颗粒间的相互作用力粒间的排斥力 粒间的吸引力 14 五 土的结构structureofsoils 1 单粒结构 粗矿物颗粒在水或空气中在自重作用下沉落形成的单粒结构 其特点是土粒间存在点与点的接触 根据形成条件不同 可分为疏松状态和密实状态 15 2 蜂窝结构 颗粒间点与点接触 彼此之间引力大于重力 接触后 不再继续下沉 形成很多链环联结起来孔隙较大的蜂窝状结构 3 絮状结构 细微粘粒大都呈针状或片状 质量极轻 在水中处于悬浮状态 凝聚成絮状物下沉 形成孔隙较大的絮状结构 土的结构受扰动后强度降低 16 六 土的构造 1 层理构造 土粒在沉积过程中 由于不同阶段沉积的物质成分 颗粒大小或颜色不同 而沿竖向呈现出成层特征 2 裂隙构造 土体被许多不连续的小裂隙所分割 在裂隙中常充填有各种盐类的沉淀物 17 1 3土的三相比例指标 土的三相图Threephaseskeletal 质量m 体积V 一 反映土轻重程度的指标 1 土的天然密度 单位体积土的质量 g cm3 一般 1 6 2 2g cm3 环刀法蜡封法灌砂法 土的密度测定方法 ma 0 18 注 1 干密度 g cm3 drydensity 重力密度 简称重度 天然重度 g干重度 d dg饱和重度 sat satg浮重度 g 2 饱和密度 g cm3 saturateddensity 3 浮密度 g cm3 显然 sat d sat d 19 2 土粒相对密度 s 土粒比重 无量纲单位体积土颗粒质量与4 纯水单位体积的质量之比 粘性土 s 2 7 2 75砂性土 s 2 65土中有机质含量增加 土粒相对密度减小 比重瓶法 土的相对密度测定方法 s 土粒密度 即土颗粒单位体积的质量 g cm3 ma 0 20 二 反映土的松密程度的指标 1 孔隙比voidratioe vv vs2 孔隙率porosityn vv v 100 三 反映土中含水程度的指标 Sr1 土的含水率 含水量 watercontent用烘干法测定2 土的饱和度degreeofsaturationSr vw vv 100 Sr 1完全饱和Sr 0 8饱和Sr 0完全干燥 21 注 1 实验直接测定的指标为 ds 或 s 2 各指标间关系可用三相草图法换算 不必死记这些换算公式 四 指标间的换算 22 例1 1 已知某土样 1700Kg m3 ds 2 67 14 求e Sr及 sat 解 用三相草图法 如图 令V 1m3 则重量m V 1700kg 而 m m m m ms解得ms 1490kgm 210gk Vs ms ds 1 49 2 67 0 558m3 Vv V Vs 1 0 558 0 442m3 V m 210 1000 0 21m3在图中填各数 可得e VV Vs 0 79Sr V VV 0 47 五 例题分析 23 1 4无粘性土的密实度Thecompactnessofnone cohesivesoil 无粘性土主要包括砂类土和碎石土 而影响无粘性土工程性质的主要因素是密实度 1 孔隙比e 老规范 没考虑级配因素 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 24 2 由相对密实度Dr判断 公路规范用 relativedensity 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 当Dr 0时 e emin 表示土处于最疏松状态 当Dr 1 0时 e emax 表示土体处于最密实状态 Dr 1 3 疏松状态 1 3 Dr 2 3 中密状态 2 3 Dr 1 密实状态 优缺点 25 3据标准贯入击数判断 新规范采用 建筑地基基础设计规范 N 30密实 15 N 30中密 10 N 15稍密 N 10松散 桥涵规范 见表1 44碎石土密实度野外鉴别 标准贯入试验方法 锤重 63 5kg 落距 76cm 入土中30cm锤击数N 26 1 5粘性土的物理特性 一粘性土的界限含水率界限含水率 粘性土从一种状态变化到另一种状态的含水率1 液限WL 土由塑性状态变到流态的分界含水量 如WL 28表示土的液限含水量为28 测定 用锥式液限仪 通常用联合测定法2 塑限WP 土由半固态到塑态的分界含水量 如WP 12 表示土的塑限含水量为12 测定 搓条法或联合测定法 3 缩限WS 27 液塑限联合测定仪 下沉深度为10mm 或17mm 所对应的含水量为液限 下沉深度为2mm处所对应的含水量为塑限 28 29 二 粘性土的塑性指数Ip和液性指数Il 1 塑性指数IpplasticityindexIp WL Wp 讨论 塑性指数表示粘土处在可塑状态时含水量的变化范围 Ip取决于 颗粒细 土能吸附水量 Ip 矿物成分 吸水能力 Ip 故蒙脱含量 则Ip 水中离子成分和浓度 价高阳离子数 Ip 粘性土的分类常用于Ip 2 液性指数ILliquidityindex 讨论 IL表示土的软硬程度 用IL划分土的软硬状态 IL 土软 IL 1流动状态 没考虑土的结构影响 在含水量相同时 原状土比重塑土硬 故用IL判断重塑土合适 但对原状土偏于保守 30 三 例题分析 例 某砂土试样 试验测定土粒相对密度Gs 2 7 含水量 9 43 天然密度 1 66 cm3 已知砂样最密实状态时称得干砂质量ms1 1 62kg 最疏松状态时称得干砂质量ms2 1 45kg 求此砂土的相对密度Dr 并判断砂土所处的密实状态 解答 砂土在天然状态下的孔隙比 砂土最小孔隙比 砂土最大孔隙比 相对密实度 1 3 2 3 中密状态 31 1 6土的压实性 压实目的 32 一 土的击实试验 轻型击实试验适用于粒径小于5mm的土重型击实试验适用于粒径小于40mm的土 1击实曲线 压实曲线 击实试验达到规定击数后测定土的干重度 d和含水量 改变含水量 重复上述试验 并将结果以 为横座标 干重度 d为纵座标 绘制的曲线 33 轻型击实试验适用于粒径小于5mm的土 击实筒容积为947cm3 击锤质量为2 5kg 把制备成一定含水量的土料分三层装入击实筒 每层土料用击锤均匀锤击25下 击锤落高为30 5cm 重型击实试验适用于粒径小于40mm的土 击实筒容积为2104cm3 击锤质量为4 5kg 击锤落高为45 7cm 分五层击实 每层56击 根据击实后土样的密度和实测含水量计算相应的干密度 34 2 土的压实特性1 压实曲线特点 a 具有峰值 峰值点对应于最大干重度 dmax和最优含水量 op 最佳含水量 最优含水量 在一定压实能量下 使土最容易压实 并能达到最大干重度的含水量 工程中常按 op p 2 b 多数击实曲线 op以左部分曲线较陡 以右则较缓且大致平行于饱和曲线 c 击实曲线位于饱和曲线左下方不可能与饱和曲线有交点 35 a 粗粒多 dmax b 级配良好 dmax 均匀级配 dmax c 击实曲线的陡 op 击实曲线缓的 op d 含腐植质 不易击实 dmax e 砂土在风干和完全饱和状态下击实效果好 二影响土压实效果的因素 1 土类和级配的影响 a 粒径 mm b 含水率 36 2不同击实功能的影响击实功能 dmax op 3含水率的影响当含水率较低时 随 而 d 而当干密度增大到某一值后 随 反而 d 37 三压实特性在现场填土中的应用 1用来判别在某一击实功作用下土的击实性能是否良好及土可能达到的最佳密实度范围与相应的含水率值 为填方设计 或为现场填筑试验设计 合理选用填筑含水率和填筑密度提供依据 2为制备试样以研究现场填土的力学特性时 提供合理的密度和含水率 K值越大 表示对压实质量的要求越高 38 1 7地基土 岩 的工程分类 一 分类的目的 二 分类体系与方法 分类体系 1 建筑工程系统分类体系 2 工程材料系统分类体系 侧重把土作为建筑地基和环境 研究对象为原状土 例如 建筑地基基础设计规范 GB50007 2002 地基土分类方法 侧重把土作为建筑材料 用于路堤 土坝和填土地基工程 研究对象为扰动土 例如 土的分类标准 GBJ145 90 工程用土的分类和 公路土工试验规程 JTJ051 93 土的工程分类 39 分类方法 1 建筑地基基础设计规范 GB50007 2002 根据土粒大小 粒组的土粒含量或土的塑性指数把地基土 岩 分为岩石 碎石土 砂土 粉土和粘性土五大类 1 岩石 颗粒间牢固粘结 呈整体或具有节理隙的岩体称为岩石 坚硬程度可根据岩块的饱和单轴抗压强度frk分类 40 2 碎石土 土中 2mm颗粒含量 全重50 且颗粒间未经胶结的粗粒土 3 砂土 土中 2mm颗粒 50 全部土重 且粒径 0 075mm的颗粒 50 全部土重 又可分为 4 粉土的分类 粒径 0 075mm颗粒含量 50 全土重 且IP 10的土 e1 0为软弱地基 5 粘性土的分类 粒径大于0 075mm的颗粒含量不超过全重50 塑性指数IP 10的土称为粘性土 粘性土根据塑性指数细分 41 6 人工填土 由于人类活动而形成的堆积物称为人工填土 物质成分较杂乱 均匀性较差 根据其物质组成和成因 可分为素填土 压实填土 杂填土和冲填土 7 特殊土 软土 e 1 L 压缩性高 强度低和具有灵敏性 结构性 其包括淤泥 淤泥质粘性土 淤泥质粉土 人工填土 具有湿陷性 湿陷性土 西北 华北 红粘土 云贵 广西 膨胀土 十几个省 多年冻土 盐渍土 污染土 42 43 2公路桥涵地基土的分类 碎石土的分类与 建筑地基基础设计规范 完全相同 砂土和粘性土的分类名称和标准如表1 9和表1 10所示 3公路路基土的分类 公路土