土的物理性质和工程分类.ppt

第一章绪论第二章土的物理性质及工程分类第三章土中应力第四章土的压缩性与地基沉降第五章土的抗剪强度与地基承载力第六章土压力与土坡稳定第七章浅基础第八章桩基础第八章地基处理 课程内容 第2章土的物理性质和工程分类 学习要求 了解土的成因和三相组成 掌握土的物理性质和物理状态指标的定义 物理概念 计算公式和单位 要求熟练地掌握物理指标的三相换算 了解地基土的工程分类依据与准确定名 基本内容 2 1土的形成与特征2 2土的三相组成2 3土的物理性质指标2 4土的物理状态指标2 5土的工程分类 2 1土的形成与特征 2 1 1土的形成2 1 2土的结构与构造2 2 3土的工程特性2 2 4土的形成与工程特性的关系 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 2 1土的形成与特征 2 1 1土的形成 土 一词在不同的学科领域有其不同的涵义 就土木工程领域而言 土是指覆盖在地表的没有胶结和弱胶结的颗粒堆积物 土与岩石的区分仅在于颗粒间胶结的强弱 物理风化 指岩石经受风 霜 雨 雪的侵蚀 温度湿度的变化 不均匀膨胀与收缩 使岩石产生裂隙 崩解为碎块 这种风化仅改变颗粒大小与形状 不改变原来矿物成分 生成的土呈松散状态 无粘性土 化学风化 指岩石碎屑与空气 水和各种水溶液相接触 经氧化 碳化和水化作用 改变原来矿物成分 形成新的矿物 次生矿物 生成的土为细粒土 粘性土 生物风化 由动物 植物和人类对岩体的破坏称 2 1 2土的形成与工程特性的关系 由于各类土的生成条件不同 它们的工程特性往往相差悬殊 1 搬运 沉积条件通常流水搬运沉积的土优于风力搬运沉积的土 2 沉积年代通常土的沉积年代越长 土的工程性质越好 3 沉积的自然地理环境自然地理环境不同所生成的土的工程性质差异也很大 2 1 3土的工程特征 土与其它连续介质的建筑材料 具有下列三个显著的工程特征 1 压缩性高反映材料压缩性高低的指标弹性模量E 土称变形模量 随着材料的不同而有极大的差别 例 钢筋E1 21万Mpa C20混凝土E2 2 6万Mpa 卵石E3 50Mpa 饱和细砂E4 10Mpa 2 强度低为抗剪强度 而非抗压 抗拉强度 3 透水性大颗粒之间有无数孔隙 2 2土的三相组成 土是由固相 液相 气相组成的三相分散系 固相 包括多种矿物成分组成土的骨架 骨架间的空隙为液相和气相填满 这些空隙是相互连通的 形成多孔介质 液相 主要是水 气相 主要是空气 水蒸气 有时还有沼气等 2 2土的三相组成 土的三相组成是指土由固体颗粒 液体水和气体三部分组成 土中的固体矿物构成土的骨架 骨架之间贯穿着大量的孔隙 孔隙中充满着液体水和气体 土体三相比例不同 土的状态和工程性质也随之各异 例如 固体 气体 液体 0 为干土 此时粘土呈坚硬状态 砂土呈松散状态 固体 液体 气体为湿土 此时粘土多为可塑状态 固体 液体 气体 0 为饱和土 此时粉细砂或粉土遇强烈地震 可能产生液化 而使工程遭受破坏 粘土地基受建筑物荷载作用发生沉降需几十年才能稳定 2 2 1土的固体颗粒 一 土的颗粒级配1 土颗粒的大小直接决定土的性质 2 粒径 颗粒直径大小 界限粒径 划分粒组的分界尺寸 3 粒组 将粒径大小接近 矿物成分和性质相似的土粒归并为若干组别即称为粒组 可划分 2002020 0750 005mm漂石卵石砾石砂粒粉粒粘粒4 颗粒级配 土粒的大小及组成情况 通常以土中各个粒组的相对含量来表示 称为土的颗粒级配 级配的测室方法 筛析法 0 075mm 比重计法 0 075mm 粘土 细砂 粗砂 碎石 卵石 碎石 粘土 筛分法 用一套孔径不同的筛子 按从上至下筛孔逐渐减小放置 将事先称过质量的烘干土样过筛 称出留在各筛上的土质量 然后计算其占总土粒质量的百分数 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 纵坐标表示小于某粒径的土重占总土重的百分数 横坐标用对数坐标表示土的粒径 颗粒级配的描述 工程上常用不均匀系数Cu描述颗粒级配的不均匀程度 d10 d30 d60小于某粒径的土粒含量为10 30 和60 时所对应的粒径 Cu愈大 表示土粒愈不均匀 工程上把Cu 5的土视为级配不良的土 Cu 10的土视为级配良好的土 曲率系数Cc描述颗粒级配曲线整体形态 表明某粒组是否缺失情况 对于砾类土或砂类土 同时满足Cu 5和Cc 1 3时 定名为良好级配砂或良好级配砾 2 土粒的矿物成分 矿物成分取决于母岩的矿物成分和风化作用 原生矿物 由岩石经过物理风化形成 其矿物成分与母岩相同 次生矿物 岩石经化学风化后所形成的新的矿物 其成分与母岩不相同 例 石英 云母 长石等 特征 矿物成分的性质较稳定 由其组成的土具有无粘性 透水性较大 压缩性较低的特点 例 粘土矿物有高岭石 伊利石 蒙脱石等 特征 性质较不稳定 具有较强的亲水性 遇水易膨胀的特点 二 土中的水 土中水的含量明显地影响土的性质 尤其是粘性土 土中水除了一部分以结晶水的形式吸附于固体颗粒的晶格内部外 还存在结合水和自由水 1 结合水 强结合水 紧靠于颗粒表面 所受电场的作用力很大 几乎完全固定排列 丧失液体的特性而接近于固体 弱结合水 紧靠强结合水的外围形成的结合水膜 所受的电场作用力随着与颗粒距离增大而减弱 2 自由水 存在于土粒电场影响范围以外 性质和普通水无异 能传递水压力 冰点为0 有溶解能力 以两种形式存在 毛细水 重力水 三 土中气体 土中气体存在于土孔隙中未被水占据的部分 分为与大气连通的非封闭气体和与大气不连通的封闭气体 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 受外荷作用 不能逸出 被压缩或溶解于水中 压力减小时能有所复原 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时间 四 土的结构 在成土过程中所形成的土粒的空间排列及其联结形式 与组成土的颗粒大小 颗粒形状 矿物成分和沉积条件有关 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 粗颗粒土 如卵石 砂等 1 单粒结构 由于土粒排列紧密 强度大 压缩性小 是良好的天然地基 当土粒沉积速度快 如洪水冲积形成的砂层和砾石层 往往形成疏松的单粒结构 由于土孔隙大 土粒骨架不稳定 当受到动力荷载或其他外力作用时 土粒容易移动而趋于紧密 同时产生很大变形 因此 未经处理的这种土层 一般不宜作建筑物的地基 如果饱和疏松的土是由细砂粒或粉砂粒所组成 在强烈的振动作用下 土的结构会突然破坏变成流动状态 引起所谓 砂土液化 现象 在地震区将会引起震害 2 蜂窝结构 颗粒间点与点接触 由于彼此之间引力大于重力 接触后 不再继续下沉 形成链环单位 很多链环联结起来 形成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 当悬液介质发生变化时 土粒表面的弱结合水厚度减薄 粘粒互相接近 凝聚成絮状物下沉 形成孔隙较大的絮状结构 上述三种结构中 以密实的单粒结构土的工程性质最好 蜂窝状其次 絮状结构最差 具有蜂窝结构和絮状结构的土 颗粒间存在大量微细孔隙 其压缩性大 强度低 透水性弱 又因土粒之间的联结较弱且不甚稳定 在受扰力作用下 如施工扰动影响 土粒接触点可能脱离 部分结构遭受破坏 土的强度会迅速降低 不可用作天然地基 五 土的构造 土的构造是指土体中各结构单元之间的关系 主要特征是土的成层性和裂隙性 即层理构造和裂隙构造 二者都造成了土的不均匀性 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 地层连续沉积而形成 其间并未受到冲刷 则土层构造是水平的 河流几经改道 使得附近的地层发生交替的冲刷与沉积 即形成斜交层理 山坡上的风化碎屑受重力作用堆积在山脚下 后来又经过河流沉积 即形成山坡土层 西北黄土地区 经大陆性季风的沉积与剥蚀 形成交错层理 土的层理构造 3 结核状构造在细粒土中掺有粗颗粒或各种结核 如含礓石的粉质粘土 含砾石的冰碛土等 其工程性质取决于细粒土部分 2 3土的物理性质指标 一 土的三相图 二 直接测定指标 1 土的密度 单位体积土的质量 工程中常用重度 来表示单位体积土的重力 重力加速度 近似取10m s2 2 土粒相对密度Gs 土粒比重 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 70 2 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 含水率 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 烘干法 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 Sr 50 稍湿 50 Sr 80 很湿 Sr 80 饱和 3 不同状态下土的密度和重度 饱和密度 sat 土体中孔隙完全被水充满时的土的密度 干密度 d 单位体积中固体颗粒部分的质量 浮密度 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Gs 含水量 和密度 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 五 例题分析 例 某土样经试验测得体积为100cm3 湿土质量为187g 烘干后 干土质量为167g 若土粒的相对密度Gs为2 66 求该土样的含水量 密度 重度 干重度 d 孔隙比e 饱和重度 sat和有效重度 解答 四 指标间的换算 质量m 体积V 土粒比重ds 含水量 和密度 是通过试验测定的 可以根据这三个基本指标换算出其余各指标 Ww wds w W ds w 1 w 推导 五 例题分析 例 某土样经试验测得体积为100cm3 湿土质量为187g 烘干后 干土质量为167g 若土粒的相对密度Gs为2 66 求该土样的含水量 密度 重度 干重度 d 孔隙比e 饱和重度 sat和有效重度 解答 2 4土的物理状态指标 一 无粘性土的密实度 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 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 3 按动力触探确定无粘性土的密实度 Dr 1 3 疏松状态 1 3 Dr 2 3 中密状态 2 3 Dr 1 密实状态 天然砂土的密实度 可按原位标准贯入试验的锤击数N进行评定 天然碎石土的密实度 可按原位重型圆锥动力触探的锤击数N63 5进行评定 GB50007 2002 二 粘性土的稠度 1 粘性土的稠度状态 稠度是指土的软硬程度或土受外力作用所引起变形或破坏的抵抗能力 是粘性土最主要的物理状态特征 0 固态或半固态 可塑状态 流动状态 塑限 P 液限 L 粘性土由某一种状态过渡到另一状态的界限含水量称为土的稠度界限 也叫界限含水率 液塑限测定根据 土工试验规程 规定 采用液塑限联合测定仪进行测定 液塑限联合测定仪 下沉深度为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 2 粘性土的塑性指数和液性指数 塑性指数IP是液限和塑限的差值 省去 即土处在可塑状态的含水量变化范围 说明 塑性指数的大小取决于土颗粒吸附结合水的能力 即与土中粘粒含量有关 粘粒含量越多 塑性指数就越高 说明 液性指数表征土的天然含水量与界限含水量间的相对关系 当IL 0时 P 土处于坚硬状态 当IL 1时 L 土处于流动状态 根据IL值可以直接判定土的软硬状态 液性指数IL是粘性土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比 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v 1000 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 2 5土 岩 的工程分类 一 分类的目的和原则 土的分类体系就是根据土的工程性质差异将土划分成一定的类别 目的在于通过通用的鉴别标准 便于在不同土类间作有价值的比较 评价 积累以及学术与经验的交流 分类原则 分类要简明 既要能综合反映土的主要工程性质 又要测定方法简单 使用方便 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 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 a 岩石的分类 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 b 碎石土的分类 粒径大于2mm的颗粒含量超过全重50 的土称为碎石土 c 砂土的分类 粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重50 的土 且粒径大于0 075mm的颗粒含量超过全重50 的土称为砂土 d 粉土的分类 粒径大于0 075mm的颗粒含量不超过全重50 塑性指数IP 10的土称为粉土 e 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 f 人工填土的分类 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 杂填土和冲填土 2 土的分类标准 GBJ145 90 根据各粒组的相对含量把土分为巨粒土 含巨粒土 粗粒土和细粒土四大类 a 巨粒土和含巨粒土的分类 巨粒土和含巨粒土按土中粒径大于60mm的巨粒含量区分 若土中巨粒含量多于50 属于巨粒土 若土中巨粒含量在15 50 之间 属于含巨粒土 b 粗粒土的分类 巨粒含量少于15 剔除巨粒后 若土中粒径大于0 075mm的粗粒含量多于余土的50 属于粗粒土 粗粒土分为砾类土和砂类土两类 g 其它特殊类土 软土 淤泥等 红粘土 黄土等 c 细粒土的分类 土中粒径小于0 075mm的细粒含量多于或等于50 且粗粒含量少于25 的土属于细粒土 图中液限为17mm液限 细粒土按塑性图进行细分 6人工填土 人工填土是指由人类活动而堆填的土 其物质成分较杂 均匀性较差 根据其物质组成和堆填方式 填土可分为素填土 杂填土 冲填土和压实填土四类 各类填土应根据下列特征予以区别 1 素填土是由碎石 砂或粉土 粘性土等一种或几种材料组成的填土 其中不含杂质或含杂质很少 按主要组成物质分为碎石素填土 砂性素填土 粉性素填土及粘性填土 经分层压实后则称为压实填土 2 杂填土是含大量建筑垃圾 工业废料或生活垃圾等杂物的填土 按其组成物质成分和特征分为建筑垃圾土 工业废料土及生活垃圾土 3 冲填土为由水力冲填泥浆形成的填土 特殊土 特殊土是指在特定地理环境或人为条件下形成的具有特殊性质的土 它的分布一般具有明显的地域性 特殊土包括软土 人工填土 湿陷性黄土 红粘土 膨胀土 多年冻土等 软土是指沿海的滨海相 三角洲相 湖泊相 沼泽相等主要由细粒土组成的土 具有孔隙比大 一般大于1 天然含水量高 接近或大于液限 压缩性高和强度低的特点 包括淤泥 淤泥质粘性土 淤泥质粉土等 多数还具有高灵敏度的结构