地基与基础讲义4土的物理性质及工程分类PPT_详细

1、土的物理性质及工程分类,第一章,1.1 土的形成和三相组成 1.2 土的结构与构造 1.3 土的物理性质指标 1.4 土的物理状态指标 1.5 土的压实性 1.6 土的工程分类,目 录,1.1 土的形成和三相组成,土的三相组成 土的物理状态 土的结构,便于研究和应用土的工程分类,土的压实性,土的形成影响,从而决定土的渗透特性；变形特性及强度特性,土是岩石经过风化后在不同条件下形成的自然历史的产物,形成过程 形成条件,物理力学性质,影响,两个名词： 基岩 覆盖土,一、风化,生物风化,物理风化,化学风化,无粘性土,原生矿物,粘性土,次生矿物,有 机 质,二、搬运、剥蚀与沉积,残积土 无搬运,土质较

2、好,残积土 强风化 弱风化 微风化 母岩体,颗粒表面粗糙 多棱角 粗细不均 无层理,运积土 有搬运,风：风积土,重力: 坡积土,流水,洪积土 冲积土 湖泊沼泽沉积土 海相沉积物,冰川: 冰积土,土粒粗细不同，性质不均匀,有分选性，近粗远细,浑圆度分选性明显，土层交迭,含有机物淤泥，土性差,颗粒细，表层松软，土性差,土粒粗细变化较大，性质不均匀,颗粒均匀，层厚而不具层理,土的三相组成,气相,固相,液相,构成土骨架，起决定作用,重要影响,土体,次要作用,1、颗粒大小粒组划分,粒组 按粗细进行分组，将粒径接近的归成一类 界限粒径,一、固体颗粒,2、土粒粒度分析-颗粒级配,颗粒大小,各粒径成分在土中占

3、的比例,颗粒级配 各粒组的相对含量，用质量百分数来表示,确定方法 筛分法：适用于粗粒土 (0.075 mm) 沉降分析法（比重计法）：适用于细粒土 (0.075 mm,表述方法 颗粒级配累积曲线,筛分法： 适用于粒径大于0.075mm的土,比重计法： 适用于粒径小于0.075mm的土,10 5.0 2.0 1.0 0.5 0.25 0.1,200g,10 16 18 24 22 38 72,P % 95 87 78 66 55 36,筛分法,特征粒径: d50 : 平均粒径 d60 : 限制粒径 d10 : 有效粒径 d30 ;中值粒径,不均匀程度： Cu = d60 / d10,连续程度:

4、Cc = d302 / (d60 d10 ) 曲率系数,不均匀系数,Cu 5,级配良好,粗细程度： 用d50 表示,小于某粒径之土质量百分数（,粒径(mm,土的粒径级配累积曲线,d60,d10,d30,斜率: 某粒径范围内颗粒的含量 陡相应粒组质量集中 缓-相应粒组含量少 平台-相应粒组缺乏,连续程度: Cc = d302 / (d60 d10 ) 曲率系数,C c=1-3,级配连续性好,粒径级配判定,1）粒组含量用于土的分类定名； 2）不均匀系数Cu用于判定土的不均匀程度： Cu 5, 不均匀土； Cu 3或Cc3 或Cc 1, 级配不良的土,3、矿物成分,原生矿物 石英、长石、云母等 次生

5、矿物 主要是粘土矿物，包括三种类型： 高岭石、伊里石、蒙脱石,粘土矿物 由硅片和铝片构成的晶胞所组合而成,硅片的结构,铝片的结构,粘土矿物的晶格构造,高岭石,蒙脱石,伊利石,比表面积：单位质量土颗粒所拥有的总表面积,粘土矿物的带电性质,研究表明： 粘土颗粒的表面电荷，静电荷通常为负电荷,4、颗粒形状,次生矿物（粘土矿物） 针状、片状、扁平状,原生矿物(石英、长石、云母) 圆状、浑圆状、棱角状,结合水 吸附在土颗粒表面的水 自由水 电场引力作用范围之外的水 土中冰 由自由水冻成，冻胀融陷,二、土中水（液相,结合水,强结合水: 排列致密、定向性强，不能传递静水压力 密度1g/cm3 冰点处于零下几

6、十度 具有固体的特性 温度高于100C时可蒸发,弱结合水: 位于强结合水之外，电场引力作用范围之内 外力作用下可以移动 不因重力而移动，有粘滞性。仍然不能传递静水压力,自由水,重力水,毛细水,在重力作用下可在土中自由流动,存在于固气之间 在重力与表面张力作用下可在土粒间空隙中自由移动,土中毛细现象,上升高度,r2hcw=2rTcos,毛细水,毛细升高与孔径成反比,分析对象: 水柱,粘土、粉土、砂土、砾石,对砂土强度的影响:毛细边角水, 假凝聚力,假定= 0, 毛细压力,2rTcos+ucr2 = 0,毛细压力,分析对象: 水膜,三、土中气体,自由气体： 与大气连通，对土的性质影响不大 封闭气体

7、： 增加土的弹性；阻塞渗流通道,土颗粒或粒团的 空间排列和相互联结,1.2 土的结构和构造,力学特性,微观结构）土的结构,重塑土的强度,原状土的强度,宏观结构）土的构造,同一土层中物质成分、颗粒大小相近的各部分之间的相互关系的特征,影响,1、土粒间的作用力,重 力 毛细力 胶结力 颗粒表面力,土颗粒的自重形成的方向向下的力,砂土,土中毛细作用形成的力,细砂、粉土,土粒间的胶体物质产成的作用力,粘土,粘土,库 仑 力,范德华力,颗粒表面的静电引力或斥力,颗粒接触点处的分子间引力,粗粒土的结构,粒间作用力,排列形式,矿物成分,单粒结构,示意图,重力，毛细力,点与点、点与面,原生矿物,2、土的结构,

8、细砂、粉粒土的结构,粒间作用力,排列形式,矿物成分,蜂窝结构,重力，表面力,蜂窝状,主要是原生矿物,细粒土的结构,粒间作用力,形成环境,排列形式,矿物成分,表面力、胶结力 （斥力减小引力增加,示意图,表面力、胶结力 （粒间斥力占优势,淡水中沉积,海水中沉积,次生矿物,次生矿物,天然条件下，可能是多种组合，或者由一种结构过渡向另一种结构,面与面,边、角与面 边、角与边,絮状结构,3、土的构造类型,表征土层的层理构造、 裂隙构造及大孔隙等宏观特征,1.3 土的物理性质指标,土的物理性质指标(三相间的比例关系)。可以用来表示土的物理状态，包括：粗粒土的松密程度和粘性土的软硬状态，在一定程度上决定了土

9、的力学特性,一、物理性质指标,土的三个组成相的体积和质量上的比例关系,基本方法,三相草图法,1、三相草图（三相比例关系图,质量,体积,已知关系五个,共有九个参数: V Vv Vs Va V / ms m ma m,剩下三个独立变量,物性指标是比例关系: 可假设任一参数为1,实验室测定,其它指标,2、室内测定的三个物理性质指标基本物理指标,土的密度,单位: kg/m3 或 g/cm3,一般范围: 1.602.20 g/cm3,土单位体积的质量,有时也称土的天然密度,表达式,相关指标:土的容重（重度） =g 单位: kN/m3,环刀法测得,土的密度和容重 测定方法：环刀法,土粒相对密度,s: 土粒

10、的密度，单位体积土粒的质量,单位: 无量纲,土粒比重一般范围: 粘性土 2.702.75 砂 土 2.65 有机质、泥炭土较小,4C时纯蒸馏水的密度,1.0 g/cm3,土粒比重在数值上等于土粒的密度,土粒质量与4C时纯蒸馏水质量的比值,表达式,比重瓶法测得,土粒相对密度 测定方法： 比重瓶法，事先将比重瓶注满纯水，称瓶加水的质量m1。然后把烘干土若干克(ms)装入空比重瓶内，再加纯水至满，称瓶加水加土的质量m2，按下式计算土粒比重,土粒相对密度ds,土的含水量,土中水的质量与土粒质量之比, 用百分数表示,注: 含水量 可达到或超过100,表达式,用烘干法测得,孔隙比,其它常用的物理性质指标导

11、出指标,土中孔隙体积与固体颗粒体积之比, 无量纲,表达式,关系,孔隙率(孔隙度,土中孔隙体积与总体积之比, 用百分数表示,表达式,Vs=1,Vv=e,V=1+e,饱和度,表达式,土中水的体积与孔隙体积的比值,饱和度表示孔隙中充满水的程度,Sr=0 : 干土 Sr=1 : 饱和土,天然密度,干密度,天然容重,干容重,单位: kg/m3 或 g/cm3,单位: kN/m3,土被完全烘干时的密度, 等于 单位体积内土粒的质量,表达式,浮容重,浮密度,有效容重,饱和密度,饱和容重,各种密度容重之间的大小关系,天然密度,干密度,饱和密度,天然容重,干容重,浮容重,饱和容重,emax与emin ：最大与最

12、小孔隙比,1.4 土的物理状态指标 1.4.2无粘性土的密实度,密实度,单位体积中固体颗粒含量的多少,优点：简单方便 缺点：不能反映级配的影响 只能用于同一种土,2、相对密（实）度（砂土,1、天然孔隙比e或孔隙率n (砂土,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,砂土的密实状态指标 判别标准： Dr = 1 , 最密状态 Dr = 0

13、, 最松状态 Dr 1/3 , 疏松状态 1/3 2/3 , 密实状态,相对密度,3、标准贯入锤击数N （砂土、碎石土） 表1-3表1-4,1、稠度状态与界限含水量,粘性土的稠度、灵敏度和触变性,塑限p,液限l,稠度界限,粘性土的稠度反映土中水的形态,强结合水膜最大,出现自由水,吸附结合水的能力；粘性大小；大致反映粘土颗粒含量,1）塑性指数,常作为细粒土工程分类的依据,2）液性指数,不同的粘土，p、l 大小不同 对于不同的粘土，含水量相同，稠度可能不同,定义,wp,w,wl,IL1,坚硬状态 可塑状态 流 态,0.00 0.25 0.25 - 0.75 0.75 1.00,硬塑 可塑 软塑,2

14、、粘性土的可塑性及指标,粘性土在某含水量范围内，用外力塑成任何形状而不发生裂纹，外力移去后仍能保持既得形状。-可塑性,三、反映粘性土结构性的指标,1. 粘性土的活动度,反映了粘性土中所含矿物的活动性。 AIp/m,2. 粘性土的灵敏度St,原状土的无侧限抗压强度,重塑土的无侧限抗压强度,含水量不变，密度不变，因重塑而强度降低，又因静置而逐渐强化，强度逐渐恢复的现象，称为触变性。 土的触变性是土结构中联结形态发生变化引起的，是土结构随时间变化的宏观表现。 目前尚没有合理的描述土触变性的方法和指标,3. 粘性土的触变性,4. 粘性土的胀缩性、湿陷性、冻胀性,压实：指通过夯打、振动、碾压等，使土体变

15、得密实、以提高土的强度、减小土的压缩性和渗透性,压实性：指土在一定压实能量作用下密度增长的特性,研究击实性的目的： 以最小的能量消耗获得最大的压实密度,击实方法,室内击实试验 现场试验: 夯打、振动、碾压,1.5 土的压实性,一、室内击实试验,试验设备 击实筒V=1000cm3；击实锤m=2.5/4.5kg 试验条件 土样分层n=3层；落高d=305/457cm；击数N=25/56/层 击实能量,试验方法 对=cosnst的土；分三层压实； 测定击实后的、，算定d,土,1.击实曲线,特点： 具有峰值，即最大干密度 与最优含水量 位于饱和曲线之下,二、细粒土的压实性,粘性土K很小，压实过程中含水

16、量几乎不变，要想击实到饱和状态是不可能的,若,2.压实机理,颗粒被击碎，土粒定向排列; 土粒破碎，粒间联结力被破坏而发生孔隙体积减小; 气被挤出或被压缩等,水膜润滑作用效果最佳; 尚没有形成封闭气泡，气易于排出,颗粒表面水膜很薄，相对移动困难,水膜润滑作用不明显; 封闭气泡难以排出; 增加水的相对含量,当 op, d dmax,当 op , d dmax,当 op , d dmax,3. 影响因素,a. 击实功能,b. 土的级配,c. 击实方式 夯实、辗压、振动；辗压对粘土比较合适,4. 压实标准,a. 粘性土存在最优含水量op，在填土施工中应该将土料的含水量控制在op左右，以期得到dmax，

17、通常取,b. 工程上常采用压实度Dc控制（作为填方密度控制标准,不存在最优含水量； 在完全风干和饱和两种状态下易于击实； 潮湿状态下d明显降低,三、粗粒土的压实性,1. 压实特点,粗砂 =45% 中砂 =7,时，干密度最小,2. 理论分析,对粗粒土，击实过程中可以自由排水，不存在细粒土中出现的现象。 在潮湿状态下，存在着假凝聚力，加大了阻力,3. 压实标准,常用相对密度控制 Dr0.70.75 施工过程中要么风干，要么就充分洒水，使土料饱和,目的,依据,建筑地基基础设计规范-GB50007分类法,水电部SD128-48分类法,1.6 土的工程分类,便于研究及应用,能反映土的物理力学性质,土的组成 土的状态 土的结构,公路土工试验规程JTJ051-93分类法,建筑地基基础设计规范-GB50007-2011分类法,地基土,岩石 碎石土 砂土 粉土 粘性土 人工填土,岩石分为硬质岩石和软质岩石（抗压强30MPa,人工填土分为杂填土、冲填土、素填土