土力学第二章.ppt

第1章土的物理性质及工程分类,土的生成和演变,土的形成：地质历史的产物，是地球表面的整体岩石在大气中经受自然力和自然环境的长期风化作用形成。反向过程：土经过很长的地质年代，发生复杂的物理化学变化，逐渐压密、岩化，最终又可形成岩石。循环演变：岩石土岩石土。重复进行。,风化作用（1）物理风化地质构造力；温度变化；冰冻作用；碰撞作用。颗粒大小发生改变，化学成分保持不变。生成原生矿物。,（2）化学风化水解作用；水化作用；氧化作用；溶解作用矿物化学成分变化，形成次生矿物。正长石高磷石(水解),（3）生物风化植物根分泌有机酸；遗体腐烂；微生物作用动植物或人类活动的影响。,小结：（1）物理风化（2）化学风化（3）生物风化,需要注意：a、上述风化作用常常是同时存在的。b、不同地区，自然条件不同，风化作用有主次。c、风化作用由地表向下逐渐减弱,第一节土的组成,一、土的三相组成,土的三个基本特征1、土的碎散性2、三相性3、自然变异性,（一）土的矿物成分与粒组关系（见下表1）,二、土的固相,有机质含量超过3%5%的土应注明，不宜作为填筑材料。,表1土的矿物成分与粒组的关系,（二）粒组的划分和颗粒级配曲线（1）几个基本概念粒度:土粒的大小称为粒度。粒度成分：不同粒径颗粒的相对含量（颗粒级配）。粒组：性质相近的土粒合并为组。a、粒组间的分界线是人为划定的;b、划分时应使粒组界限与粒组性质的变化相适应;c、按一定的比例递减关系划分粒组的界限值。d、表2给出国内常用的粒组划分方法。,表2粒组的划分（公路土工试验规程JTJ051-93,（2）粒度成分测定方法,我们知道，土体常常是由多种不同粒组的混合物。往往以砾石和砂粒为主要成分的土称为粗粒土，也称为无粘性土。以粉粒、粘粒和胶粒为主的土，称为细粒土，也称为粘性土。显然，土的性质取决于不同粒组的相对含量。为了确定各粒组的相对含量，需用试验的方法将粒组区分开来，这种试验方法统称为颗粒分析试验。其试验方法有筛分法和沉降法两种。分界粒径为0.075.,a.筛分法：适用于粒径大于0.075mm的粗颗粒土。,图1摆筛图,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。,b.沉降分析法：适用于粒径小于0.075mm的细颗粒土。斯托克斯(stokes)定理：颗粒下沉速度与颗粒直径的平方成正比。c.综合分析筛分法和沉降分析法结合,（3）粒度成分及其表示方法,表格法颗粒级配曲线法（见图1-1）三角坐标法,表格法,例：从干砂样中称取质量1000g的式样，放入标准筛中，经充分振摇后，称得各级筛上留存的土粒质量，见下表中的第二行，试求土内各粒组的土粒质量。,颗粒级配曲线,颗粒级配曲线,用半对数制表示颗粒级配曲线横坐标(按对数比例尺)：表示某一粒径（d）；纵坐标：表示小于某一粒径的土粒百分含量（%）。,由颗粒级配曲线可知道某一粒径范围的百分含量！问题：如何判断级配的好坏？,两个指标表示大小、均匀程度及其级配情况不均匀系数：,d60（限定粒径）小于该粒径的含量占总量的60%d10（有效粒径）小于该粒径的含量占总量的10%,该指标考虑了大颗粒和小颗粒含量的差异；Cu愈大，颗粒愈不均匀；,d30（连续粒径）小于该粒径的含量占总量的30%,曲率系数：,该指标考虑了中间粒径的影响；Cc大于3，曲率变化快，土均匀；Cc小于1，曲率变化平缓，中间颗粒少；,a、级配良好土：曲线光滑连续，不存在平台段，坡度平缓满足Cu5及Cc=1-3两个条件,土级配优劣的标准,图2土的颗粒级配曲线,（图2的B土曲线）,b、级配不良土：级配曲线坡度陡峭，粗细颗粒均匀；级配曲线存在平台段，即存在不连续粒径。不能同时满足Cu5及Cc=1-3两个条件,图2土的颗粒级配曲线,（图2的C土和A土曲线）,颗粒级配曲线,三、土的液相,在自然界中，土中总是含有水的，土的液相就是指水以及各种离子的液体。土中水的状态可以为液态、固态或气态。土中细粒愈多，土的分散愈大，水对土性质的影响也愈大。研究土中的水，必须考虑水在土中存在的状态及其与土的相互作用。,结合水示意图,（1）结晶水它是存在于矿物的晶体格架内部或参与到矿物构造中的水。只有在温度比较高（80680）的情况下才能化为气态水而与土粒分离。可以把结晶水当作矿物颗粒的一部分。（2）结合水结合水是由土颗粒表面水分子吸附在土粒表面的一层水，分为强结合水和弱结合水两种。,强结合水强结合水存在于最靠近土颗粒表面处，水分子和水化离子排列的非常紧密，一般其密度大于1，并有过冷现象。这种水牢固的结合在土粒表面，其性质接近于固体，所以具有极大的粘滞性、弹性及抗剪强度。弱结合水在距土粒表面较远处的结合水称为弱结合水，也称为薄膜水。由于其引力降低，弱结合水的水分子排列就不如强结合水紧密，这层水不能传递静水压力。由于这种水的存在，使土具有可塑性。,（3）自由水自由水存在于土粒电场影响范围之外，其性质与普通水相同，服从重力定律，传递静水压力。自由水按其移动所受作用力的不同，分为毛细水和重力水。重力水重力水位于地下水位以下，在重力或压力差作用下能产生渗流，对土颗粒和结构物都具有浮力作用，在土力学计算中应考虑这种渗流及浮力的作用。,毛细水毛细水是受水与空气交界面的张力作用而存在于细小孔隙中的自由水，一般存在于地下水位以上的透水层中。毛细水在重力和表面张力作用下，能沿着土的细孔隙从潜水面上升一定的高度。其上升的高度和孔隙的大小有关。在工程中需研究毛细水的上升高度和速度，因为毛细水的上升会使地基潮湿，强度降低，变形增大。四、土的气相,第二节土的结构,土的结构性：指土的物质组成(主要指土粒或团粒，也包括孔隙)的空间相互排列，以及土粒间的联结特征的综合。土结构的影响：对土的物理力学性质有重要的影响。土结构的变化和意义：土的结构在形成过程中及形成之后，当外界条件变化时都会使土的结构发生变化。,粒间的结合力,（一）粗粒土（无粘性土）的结构,粗粒土的比表面积小，在粒间的作用力中，重力起决定性作用。粗颗粒在重力作用下下沉时，一旦与已经稳定的颗粒相接触，找到自己的平衡位置，稳定下来，就形成了单粒结构。这种结构的特点是颗粒之间是点与点的接触。在下沉过程中如果没有遇到很高的压力，特别是没有受到动力作用时，就形成了松散的单粒结构。反之，就形成了密实的单粒结构。见下图,图A砂土结构,（一）粗粒土（无粘性土）的结构,呈松散单粒结构的土。其骨架是不稳定的，当受到震动或其他外力作用时，土粒易于发生移动，土中孔隙剧烈减少，会引起土的极大变形，因此，这种土如未经处理一般不宜作为建筑物的地基。呈密实状结构的单粒土。由于其土粒排列紧密，在动、静荷载作用下都不会产生较大的变形和沉降，所以其强度大、压缩性小，是较为良好的天然地基。,（二）细粒土的结构,粒间粘结力在沉降过程中，重力不起重要的作用。在结构形成中，其他的粒间力起主导作用，包括：（1）范德华力（2）库伦力（3）胶结作用力（4）毛细压力,（二）细粒土的结构,细粒土结构细粒土的天然结构就是在其沉降过程中由以上这些力共同作用而形成的。（1）蜂窝结构（主要是粉粒0.0750.005）（2）絮状结构（主要由粘粒，小于0.005）（3）片堆结构和片架结构,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。,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。,a单粒非絮凝结构结构,b粒组的非絮凝结构,d单粒的角-角凝絮结构,e粒组的角-面絮凝结构,f粒组的角-角絮凝结构,c单粒的角-面絮凝结构,g粒组的角-面絮凝结构与角-角絮凝结构,第三节土的物理性质指标,土是三相混合而成，而三相组成部分的性质与数量以及它们之间的相互作用，决定着土的物理力学性质。土力学中使用各相之间在体积上和质量上的比例关系，作为反映土的物理性质的指标。这类指标统称为土的三相比例指标，也称为土的物理性质指标。三相比例指标反映了土的干燥与潮湿，疏松与紧密，是评价土的工程性质的最基本的物理性质指标。也是工程勘察报告中不可缺少的内容。,物理模型假定模型,总质量：m=ms+mw总体积：V=Vs+Vv=Vs+Va+Vw符号：ssoilvvoidaairwwater,土的三相图,土的三相草图,可用三相草图来描述土的三相组成定义土的物理性质指标,三相草图的意义：,土的三相物质在体积和质量上的比例关系称为三相比例指标；三相比例指标反映了土的干燥与潮湿、疏松与紧密；评价土的工程性质的最基本的物理性质指标；工程地质勘察报告中不可缺少的基本内容。,1.3.1三个实测物理性质指标,直接测定指标（可在实验室内直接测定）：土的密度、土粒比重Gs（土粒密度s）、含水量换算指标：其它指标均为换算指标（孔隙比、饱和度等）。,1、土粒比重（土粒相对密度）,Gs固体颗粒质量与同体积水(在4时)质量之比,2、含水量,3、土的密度和重度,1.3.2换算的物理性质指标,（1）孔隙比,于是可得两者关系：,（2）孔隙率,（3）饱和度,一般0Sr1饱和土：Sr=1干土：Sr=0砂土根据饱和度可划分为三种湿润状态。,（4）干密度（5）饱和密度（6）有效密度（浮密度）,土的饱和重度sat,土的密度与重度的关系：,土的有效重度（浮重度）,土的干重度,1.3.3几种常用指标之间的换算关系,土的三相比例指标之间可以互相换算：方法1：由三相图及其定义计算，见教材例1-1、1-2。假定V=1,或者假定Vs=1,方法2：由三相图导出的计算公式（见表1-2）。,第四节土的物理状态指标,1.4.1粘性土的稠度（界限含水率）,塑性Plasticity：可塑成任何形状而不发生裂缝，并在外力解除以后能保持已有的形状而不恢复原状的性质。,在陶瓷工业、农业科学和土木工程中有广泛应用。,土体体积随含水量的变化：,含水量与体积的关系,土的界限含水量（Atterberglimits）（瑞典土壤学家）,缩限：半固体状态与固体状态间的分界含水量。当含水量小于该值时，体积不发生变化。Shrinkagelimit,wS。塑限：可塑状态与半固体状态间的分界含水量。Plasticlimit,wP。液限：流动状态与可塑状态间的分界含水量。Liquidlimit,wL。,“界限含水量是土的一种固有的性质，与含水量无关”,问题：缩限、塑限、液限是否与土样的含水量有关？,注意：塑限和液限是土力学中常用的。,液限的测定：锥式液限仪（中国）；碟式液限仪（欧美，详见ASTM试验规程）。,碟式液限仪平衡锥式液限仪,17mm,液限测定演示：,17mm,液限测定演示：,液限测定演示：,塑限的测定：搓条法测定；3mm土条。缩限的测定：收缩皿法测定。,注意：液限和塑限也可用光电式液塑限联合测定仪测定；试验的具体程序和步骤详见土工试验方法标准；界限含水量由重塑土测定，而现场原状土有一定结构性；所以，有时现场土含水量比液限大但地基未流动。,光电式液塑限联合测定仪,（1）塑性指数IP,概念:塑性状态时含水量变化范围，IP（Plasticityindex）。,常省略%；变化范围很大（如大于200）；是粘性土区别于砂土的重要特征；反映了土与水之间物理化学作用的强弱；可用土的分类和评价。,物理意义：,思考：,一个问题：,结论：不能。,结果：土样1：可塑态；土样2：半固态；,问题：判断土样物理状态？,必须建立含水量与界限含水量之间相对关系的指标，即液性指数。,（2）液性指数IL,根据岩土工程勘察规范（GB50021-2009）建筑地基基础设计规范（GB50007-2002）,天然状态含水量和界限含水量相对关系的指标（Liquidityindex）。,在0到1之间。越大，表示土越软；大于1，处于流动状态；小于0，处于固体状态或半固体状态。,关于IL结论：,例某粘性土的天然含水量w=19.3%，液限wL=28.3%，塑限wP=16.7%。求塑性指数IP和液性指数IL，确定该土状态。,查表可知该土的状态为硬塑状态。,IL=0.224,解：IP=wL-wP=28.3-16.7=11.6,第四节土的物理状态指标,1.4.2无黏性土的密实度（单位体积中固体颗粒的含量）,（1）孔隙比用孔隙比e可评价砂土的密实度；优缺点：优点：应用方便、简单缺点：不能考虑颗粒大小、级配和形状的影响所以：应与最大孔隙比与最小孔隙比比较；建立相对密度的概念，同时考虑孔隙比和颗粒级配的影响。,按孔隙比划分砂土密实度,最小孔隙比：砂土处于最密实状态时的孔隙比，emin用“振击法”测定。最大孔隙比：砂土处于最疏松状态时的孔隙比，emax用“松散器法”测定。相对密度：,最大孔隙比、最小孔隙比的概念：,（2）相对密实度,用Dr表示砂土密实度,根据经验，砂土的松密标准如下：,举例说明建立相对密度概念的意义：,结论：土样1：密实；土样2：不密实,问题：哪个土样密实？,当e=emax时，Dr=0，最松状态；当eemin时，Dr=1.0，最密状态。优点：可以把土的级配考虑进去，理论上较为完善缺点：emax和emin难以准确测定，给Dr的确定带来困难。所以，天然砂土的密实度只能用在现场进行标准贯入试验、静力触探试验等现场测试方法进行确定。,（3）原位试验,方法：63.5kg锤，升到76cm高，自由落下标准贯入器入土深度30cm，所需锤数为N63.5,显然：,规范：建筑地基基础设计规范(GB500072002)岩土工程勘察规范（GB500212001）见表1-4例题1-3,1-4,第五节土的压实性,地基,路堤,土堤,土坝,概述,压实的意义：提高填土的密实度，从而提高土的强度，减小压缩性和渗透性保证建筑物地基、道路及铁路路基有足够强度,压实的影响因素：内因：土质类型、含水量等外因：压实能量、压实机具和压实方法等,在实验室内通过击实试验研究土的压实性。击实试验有轻型和重型两种。,1.5.1击实试验和击实曲线,1.5.1击实试验和击实曲线,（a）小击实筒（b）大击实筒,美国工程师Proctor(1933)提出,Proctor试验,击实仪,配制成若干份不同含水量的试样用同样的击实能量分别对每一份试样试验测定击实后的含水量和密度,试验方法：,绘制含水量与干密度关系曲线,试验方法：,击实曲线,结果分析：,含水量较小时，干密度随含水量增加而增加；干密度达最大值时，含水量再增大，干密度反而会降低。,典型试验,结果分析：,含水量较小时，含水量增加使土粒间的摩阻力减小含水量较大时，过多的水不利于土的压实,所以，在施工现场，根据含水情况，可以进行晾晒或洒水处理。,最大干密度：在一定击实条件下得到的干密度，pdmax最优含水量：与之相对应的含水量，wop最优含水量与该种土的塑限wp接近,结果分析：,饱和曲线在击实曲线的上方，不会与击实曲线相交，因为土体不可能被击实到完全饱和！,饱和曲线方程：,1.5.2击实功能的影响,说明：填料的含水率过高或过低都是不利的。含水率过低，填土遇水后容易引起湿陷；过高又将恶化填土的其他力学性质。因此，在实际施工中填土的含水率控制得当与否，不仅涉及到经济效益，而且影响到工程质量,1.土料的最大干密度和最优含水量不是常数。最大干密度随击数的增加而逐渐增大,最优含水量逐渐减小。然而，这种变化速率是递减的。所以，光凭增加击实功能来提高土的最大干密度是有限的。,2.当含水量较低时击数的影响较显著。当含水量较高时，含水量与干密度关系曲线趋近于饱和线，这时提高击实功能是无效的。,1.5.3土类和级配的影响,击实试验表明，在相同击实功能下，粘性土粘粒含量愈高或塑性指数愈大，压实愈困难，最大干密度愈小，最优含水量愈大,无粘性土的击实曲线和粘性土击实曲线不同，在含水量较大时得到较高的干密度，因此在无粘性土实际填筑中，通常要不断洒水使其在较高的含水量下压实,说明：土的级配对土的压实性影响很大。级配良好的土，易于压实，级配不良的土，不易压实，因为级配良好的土有足够的细粒去充填较粗粒形成的孔隙，因而能获得较高的干密度,各类土的压实曲线特征：,多种多样的压实曲线：,第六节土的工程分类,土的工程分类就是根据工程实践经验，把工程性能相近的土划分为一类给定名称，使人们可以大致判断其工程性质。但不同的工程将岩土用于不同的目的，不同的应用目的，对岩土的评价的侧重点也有所不同，如用做地基的碎石土主要评价其天然密度，用做材料时其级配是一个重要的指标。这就形成了不同行业的不同分类习惯和不同的分类标准。,“土的工程分类是勘察、设计的首要内容”,分类存在不同体系，主要有：(1)建设部土的分类标准(GBJl4590)；(2)建设部建筑地基基础设计规范(GB500072011)；(3)水利部土工试验规程(SL2371999)中的12884分类法；(4)交通部公路土工试验规程(JTJ05193)。,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：,1.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,2.土的分类体系所采用的指标要在一定程度上反映不同类工程用土的不同特性,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(GB50007-2011)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(GB500072011),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、粘性土和特殊土六大类,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,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,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,d.粉土的分类,粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重50%，塑性指数IP10的土称为粉土,e.粘性土的分类,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、压实填土、杂填土和冲填土,2.土的分类标准(GBJ14590),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,c.细粒土的分类,土中粒径