土力学(1).ppt

土力学 第一章土的物质组成 土的结构和构造 土的概念 岩石通过各种复杂的地质作用形成的松散堆积物 土体 与工程建筑的变形和强度有关的土层的集合体 1 1土中固体颗粒 固相土粒是构成土的主体 也是最稳定 变化最小的成分 在三相相互作用过程中处于主导地位 进行工程地质研究时 主要从土的粒度成分 土的矿物成分 土的化学成分三个方面考虑 一 土的粒度成分土的粒度成分是指土中各种大小土粒的相对含量 粒度 粒径 以平均直径的大小 mm 来表示土粒的大小 粒组 粒级 介于一定范围内的大小 性质相近的土粒 六大粒组 漂 块 卵 碎 砾 砂 粉 粘 1 1土中固体颗粒 土的颗粒级配由土的颗粒分析试验测定 主要方法有筛分法 针对巨粒 粗粒组 粒径 0 075mm 和沉降分析法 针对细粒组 粒径 0 075mm 粒度成分分布曲线 1 1土中固体颗粒 二 土的矿物成分土的固体颗粒是由矿物构成的 按其成因和成分分为原生矿物 次生矿物和有机质等 粘土矿物是指由原生矿物长石 云母等硅酸盐矿物经化学风化而形成的具有片状或链状结晶格架的颗粒细小 亲水性强 具有胶体特性的铝硅酸盐矿物 1 1土中固体颗粒 三 土的化学成分研究土的固体相化学成分 主要是判断粘土矿物成分 化学分析法即提取小于2 m的粘粒 测定硅 铝 铁 钙 镁 钾 钠等组成粘土矿物的主要元素 成果以各元素氧化物的百分含量来表示 如SiO2 Al2O3 Fe2O3 FeO CaO MgO Na2O K2O等 根据此数据可计算硅铝率 对于典型的粘土矿物 硅铝率是一定的 土的液相化学成分 主要是易溶盐 中溶盐溶解成的离子起到胶结土粒的作用 阳离子电荷的改变 影响土的工程地质性质 按R R2 R3 的顺序 扩散层厚度 分散程度 可塑性 膨胀性 透水性 毛细性 压缩性 抗剪强度 1 1土中固体颗粒 1 2土中的水 土体中的固体颗粒与水会形成一系列的相互作用 卵石 砾 砂粒等 由于颗粒粗大 比表面积小 表面能小 与水的相互作用不大 而粘粒颗粒细小 比表面积大 表面能大 是土中较活动的部分 与孔隙溶液作用后会表现出一系列现象 直接影响细粒土的工程地质性质 当溶液pH值 矿物等电pH值时 碱性环境生成酸性体 颗粒带负电 反之 当溶液pH值 矿物等电pH值时 碱性环境生成碱性体 颗粒带正电 粘土矿物晶格中的同晶替代作用 低价阳离子替代高价阳离子 可以产生负电荷 如硅氧四面体片中四价的硅被三价的铝代替 或者八面体片中三价的铝被二价的镁 铁代替等 1 2土中的水 1 2土中的水 pH值增加 pH 8 1 pH 8 1 氢离子浓度增加 Al OH 3 Al OH 2 OH AlO OH 2 H3O Al2O3 nH2O的等电pH值pHie 8 1 影响粘粒扩散层厚度的因素 1 土粒的矿物成分与分散程度2 溶液的化学成分3 溶液的浓度4 溶液的pH值土中粘粒与水溶液相互作用后 会发生离子交换阳离子交换能力 Fe3 Al3 H Ba2 Ca2 Mg2 K Na Li 阴离子交换能力 OH PO42 SiO32 SO42 Cl 1 2土中的水 1 2土中的水 粘土矿物由于选择性吸附 以及前面提到的表面分子解离和同晶替代 会使粘粒表面吸附离子而带电 这部分被吸附的离子称为决定电位离子 属于固相的组成部分 由于水分子是极性分子 带电粘粒的周围形成水化膜 吸附溶液中与其符号相反的水化离子聚集形成固定层 固定层之外的扩散层水化离子和极性水分子的活动性比固定层大些 固定层和扩散层又合称反离子层 反粒子层与土粒表面负电荷一起构成的结构称为双电层结构 强结合水相当于固定层的水 而弱结合水相当于扩散层的水 扩散层水层的厚度越大 粘性土的塑性越大 膨胀与收缩性也大 1 2土中的水 土中的气体由于与大气之间可以发生交换 导致它们的成分大致相同 空气中常见的成分被土体吸附的强弱依次为 CO2 N2 O2 H2 土中气与大气成分比较 含有更多的CO2 较少的O2 较多的N2 因此地下工程施工要注意氧气的供给 在淤泥和泥炭等有机质土中 由于微生物的分解作用等生物化学作用形成CH4 H2S等可燃气体 此外溶解在地下水的气体 随着温度和压力的改变成为土中的气体 土体中的放射性气体也是土体中气体中的组成部分 土体中放射性气体的含量比空气中大2000倍 1 3土中的气体 1 3土中的气体 土中的气体 封闭气体 吸附气体 游离气体 1 4土的结构和构造 即土的微观结构 指土粒的原位集合体特征 包括各土粒结构单元的大小 矿物成分 形状 表面特征 定量比例 相互排列及其联结关系 土中水性质及孔隙特征等因素 是需要借助于光学显微镜来研究的结构 即土的宏观结构 指同一土层中的物质成分和颗粒大小等都相近的各部分之间的相互关系的特征 亦称土体结构 包括土体本原的相的特征 以及改造过程中产生的节理 裂隙 层理等不连续面 肉眼或放大镜可以看到 土的结构 土的构造 1 4土的结构和构造 土的结构连接 1 4土的结构和构造 第二章土的物理性质 土的基本物理性质 粘土的物理性质 砂土的物理性质 粉土的物理性质 4 土的其他物理性质 2 1土的基本物理性质 2 1土的基本物理性质 2 1土的基本物理性质 可见 同一种土在体积不变的条件下 它的各种密度在数值上有如下关系 同时 四种重度在数值上关系如下 2 1土的基本物理性质 2 2粘性土的物理性质 塑限wP 缩限wS 2 2粘性土的物理性质 水化膜很厚 其间有自由水 粒间距离大 联结力几乎消失水化膜变薄 自由水完全消失 粒间全为扩散层占据 形成公共水化膜 联结力加强 可与他物形成公共水化膜 因而具有粘着性 扩散层几乎消失 为公共固定层联结 联结力强 孔隙中出现空气 收缩速率极其明显 水化膜较厚 自由水减少 扩散层开始接触 有公共水化膜 联结力增强 扩散层变薄 彼此靠得更紧 联结力更强 与他物不形成水化膜 不粘着 只有公共固定层 孔隙中空气增多 其厚度难以变化 收缩不明显 2 2粘性土的物理性质 2 2粘性土的物理性质 一定粒度成分和矿物成分的细粒土 其塑限和液限值都是一定的 我国一般细粒土 指不含大量有机质或水溶盐的土 的塑限值多在15 30 之间 常见值为17 28 液限值变化范围较大 从20 40 重粘土wL高达50 60 工程中常用塑性指数IP对土进行分类 如下表 2 2粘性土的物理性质 2 2粘性土的物理性质 土的可塑程度与塑性指数IP 液限含水量及粘粒含量的大致关系如下表所示 液性指数IL是用来判断粘性土天然稠度状态的塑性指标 显然土的天然含水率越大 则液性指数越大 当w wL时IL 1 土处于流态 w wL时 IL 0 土处于固态 当wP w wL 土处于塑态 处于塑态的土 还可细分为软塑 可塑 硬塑三种状态 即土的天然稠度是指原状土样测定的液限和天然含水量的差值与塑性指数之比 用wc表示 可用于划分路基的干湿状态 2 2粘性土的物理性质 粘性土的活动度 该指标反映粘性土中所含矿物的活动性 用符号A表示 为塑性指数IP与粒径小于0 002mm的颗粒含量百分数的比值 2 2粘性土的物理性质 粘性土的灵敏度 该指标反映土的结构性因扰动而产生的改变使土的强度降低的影响程度 以原状土的强度与该土经过重塑 土的结构性彻底破坏 后的强度之比 符号St 来表示 土的灵敏度在基础施工中体现出工程对地基土的应做的结构保护 粘性土的触变性 反映饱和粘性土当扰动停止后强度随时间逐渐部分恢复 这种抗剪强度随时间恢复的胶体化学性质称为土的触变性 产生这种现象的原因是这种土的微观结构为不稳定的片架结构 并含有大量结合水 2 2粘性土的物理性质 emax 最大孔隙比将松散的风干土样通过长颈漏斗轻轻地倒入容器 避免重力冲击 求得土的最小干密度再经换算得到最大孔隙比 emin 最小孔隙比将松散的风干土样装入金属容器内 按规定方法振动和锤击 直至密度不再提高 求得土的最大干密度再经换算得到最小孔隙比 emax与emin 最大与最小孔隙比 2 3砂土的物理性质 2 3砂土的物理性质 砂土液化 饱水的疏松粉 细砂土在振动作用下突然破坏而呈现液态的现象 由于孔隙水压力上升 有效应力减小所导致的砂土从固态到液态的变化 饱水的疏松粉 细砂土在振动 由于粉砂和细砂土的渗透力不良 孔隙水压力会急剧增大 当孔隙水压力大到总应力值时 有效应力就降到0 颗粒悬浮在水中 砂土体即发生液化 砂土液化后 孔隙水在超孔隙水压力下自下向上运动 地震 爆炸 机械振动等都可以引起砂土液化现象 尤其是地震引起的范围广 危害性更大 砂土液化的防治主要从预防砂土液化的发生和防止或减轻建筑物不均匀沉陷两方面入手 2 3砂土的物理性质 判定砂土液化可能性的方法主要有3种 场地地震剪应力 a与该饱和砂土层的液化抗剪强度 引起液化的最小剪应力 对比法 当 a 时 砂土可能液化 标准贯入试验法 原位标准贯入试验的击数可较好地反映砂土层的密度 再结合砂土层和地下水位的埋藏深度作某些必要的修正后 查表即可判定砂土液化的可能性 综合指标法 通常用以综合判定液化可能性的指标有相对密度 平均粒径d50 孔隙比 不均匀系数等 砂土液化的防治包括合理选择场地 采取振冲 夯实 爆炸 挤密桩等措施 提高砂土密度 排水降低砂土孔隙水压力 换土 板桩围封 以及采用整体性较好的筏基 深桩基等方法 2 3砂土的物理性质 一 粉土的概念粉土是介于砂类土和粘性土之间的土类 粉土中主要包含三种砾石颗粒以下的土粒 砂粒 0 075mm0 075mm的颗粒含量不超过全重50 以及否定粉质粘土的下限条件 IP 10 2 4粉土的物理性质 二 粉土的密实度和湿度 GB50021 2001 2 4粉土的物理性质 三 黄土类土1 分布和标志黄土类土是一种特殊的第四纪大陆松散堆积物 在我国分布在西北 华北和东北地区 干旱少雨 具有大陆性气候特点 面积达六十多万平方公里 一般在北纬34 45 最为发育 性质特殊 黄土类土可分为三类 1 老黄土 一般没有湿陷性 土的承载力较高 这类黄土分为两系 Q1午城黄土主要分布在陕甘高原 覆盖在第三纪红土层或基岩上 而Q2离石黄土分布较广 厚度也大 形成黄土高原的主体 主要分布在甘肃 陕西 山西及河南西部等地 2 4粉土的物理性质 2 新黄土 广泛覆盖在老黄土之上 在北方各地分布很广 与工程建筑关系密切 一般都具有湿陷性 分布面积约占我国黄土的60 尤以Q3马兰黄土分布最广 构成湿陷性黄土的主体 3 新近堆积黄土 分布在局部地方 是第四纪最近沉积物 厚仅数米 但土质松散 压缩性高 湿陷性不一 土的承载力较低 黄土类土的颜色主要呈黄色和褐黄色 以粉粒为主 富含碳酸钙 有肉眼可见的大孔 垂直节理发育 浸湿后土体显著沉陷 称湿陷性 黄土中含六十多种矿物 原生矿物约占3 4以上 粘土矿物约占10 25 可溶岩和有机物的含量一般不超过1 2 4粉土的物理性质 2 4粉土的物理性质 构成黄土结构体系的是骨架颗粒 包括单个颗粒和颗粒集合体 它们的形态和连结形式影响到结构体系的胶结强度 它们的排列方式决定着结构体系的稳定性 黄土具有明显的遇水连结减弱 结构趋于紧密的有利于湿陷的特殊成分和结构 这是黄土产生湿陷的最根本原因 湿陷程度与骨架颗粒的强度 排列紧密情况 接触面积和胶结物的性质和分布情况有关 2 4粉土的物理性质 一 土的胀缩性土的胀缩性是指粘性土具有吸水膨胀和失水收缩的两种变形特征 粘粒成分主要由亲水性矿物组成具有显著胀缩性的粘性土 习惯称为膨胀土 膨胀土一般强度较高 压缩性低 易被误认为是建筑性能较好的地基土 膨胀土在我国十多个省份均有不同程度的分布 其中云南 广西 贵州 湖北 河南等省较多 从外表上看 膨胀土一般呈红 黄 褐 灰白等不同颜色 具斑状结构 常含有铁锰质或钙质结核 主要化学成分为SiO2 45 66 Al2O3 13 31 Fe2O3 13 31 硅铝率为3 5 阳离子交换容量较大 一般呈中性或弱酸性 2 5土的其他物理性质 膨胀土之所以具有胀缩特性 主要是因土中含有较多的粘粒 一般粘粒含量高达35 以上 更主要的是这些粘粒大部分为亲水性很强的蒙脱石和水云母等粘土矿物 膨胀收缩能力较强 膨胀土的液限 塑限和塑性指数都较大 液限为40 68 塑限为17 35 塑性指数为18 33 膨胀土的饱和度一般较大 常在80 以上 但天然含水率较小 大部分为17 30 一般在20 左右 所以土常处于硬塑或坚硬状态 强度较高 内聚力较大 孔隙比一般小于0 8 在水量增加或结构扰动时 其力学性质向不良方向转化较为明显 因此并不是良好的地基土 2 5土的其他物理性质 自由膨胀率 ef按下式计算 2 5土的其他物理性质 二 土的冻胀性土的冻胀性是指土的冻胀和冻融给建筑物或土工建筑物带来危害的变形特性 在冰冻季节 因大气负温影响 使土中水分冻结成为冻土 冻土根据其冻融情况分为 季节性冻土 隔年冻土和多年冻土 冻土的冻胀会使路基隆起 使柔性路面鼓包 开裂 使刚性路面错缝或折断 冻胀还使修建在其上的建筑物抬起 引起建筑物开裂 倾斜 甚至倒塌 土的冻胀程度一般用冻胀率 来表示 2 5土的其他物理性质 三 土的崩解性土因浸水而发生崩解散体的特性称崩解性 崩解是由于土体没入水中后 水进入孔隙或裂隙中的情况不平衡 引起粒间扩散层增厚的速度不平衡 产生了应力集中 使土体沿着斥力超过吸力最大的面崩落下来 一般评价崩解性采用崩解时间 崩解特征 崩解速度三个指标 四 土的毛细性土的毛细性是指存在于土毛细孔隙中的水在弯液面力的作用下 沿着毛细孔隙向各方向运动的性能 研究土的毛细性对于地下水位变化而引起的地面沼泽化 盐渍化 地基强度