土建工程与基础 13次课第4章地基与基础第一节 土的物理性质及工程分类ppt课件

1、第4章 地基与基础4.1 4.1 土的物理力学性质和分类土的物理力学性质和分类土土 的的 组组 成成 与与 特特 性性土土 的的 三三 相相 比比 例例 指指 标标地地 基基 岩岩 土土 的的 分分 类类地质作用：导致地壳成分变化和构造变化的作地质作用：导致地壳成分变化和构造变化的作用用地质作用地质作用内力地质作用内力地质作用外力地质作用外力地质作用岩浆活动岩浆活动地壳运动地壳运动变质作用变质作用气温变化、雨雪、气温变化、雨雪、山洪、河流、湖泊、山洪、河流、湖泊、海洋、冰川、风、海洋、冰川、风、生物等生物等土是怎么来的？土是怎么来的？.1.1.土的组成与特性土的组成与特性地质作用

2、地质作用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，是评价土的工程性质的最基本的物理性质指标，是工程地质勘察报告中的基本内容。V土的总体积，cm3； m土的总质量，g； Vs土中固体颗粒实体的体积，cm3；ms土的固体颗粒质量，g； Vv土中孔隙体积，cm3； mw土中液体的质量，g；Vw土中液体的体积，cm3； ma土中空气的质量，（ma=0）； Va土中气体的体积，cm3。土的三相示意图土的三相组成土的液相土的液相土中水处于不同位置和温度条件下，可具有不同的物理状态固态，液态、气态。液态水是土中孔隙水的主要存在状态，可分为结合水，毛细

3、水，重力水。 水的类型水的类型主要作用力主要作用力 结合水结合水物理化学力物理化学力 非非 结结 合合 水水毛毛细细水水 表面张力表面张力 重力重力重重力力水水 重力重力 定义定义: 在双电层影响以外的水为自由液态水，它在双电层影响以外的水为自由液态水，它主要受重力作用的控制，土粒表面吸引力居次要主要受重力作用的控制，土粒表面吸引力居次要地位，这部分水称为非结合水，它包括毛细水和地位，这部分水称为非结合水，它包括毛细水和重力水。重力水。(1)毛细水特点特点: 1.毛细水是受到水与空气交界面处表面张力毛细水是受到水与空气交界面处表面张力作用的作用的自由水。自由水。 2. 毛细水按其与地下水面是否

4、联系可分为毛细水按其与地下水面是否联系可分为毛细悬挂毛细悬挂水水 (与地下水无直接联系与地下水无直接联系)和毛细水上升水与地下水和毛细水上升水与地下水相连两相连两种。种。3. 毛细水是受毛细管作用控制的水，毛管直径愈细上升 高度愈高。在常温下毛细上升高度hc与毛管半径r 有 以下关系： hc=15/r 当r=0.1m时，hc=150mm，这与砂土(粒径为0.5lmm) 中的情况大致相当。粘土的孔隙直径约为0.1m，按上式计算毛细上升高度将达150m。4. 毛细区域内的水压力与一般静水压力的概念相同，它与水头高度非常hc成正比。负号表示拉力。自由水位以下为压力，自由水位以上，毛细区域内为拉力。颗

5、粒骨架承受水的反作用力，因此自由水位以下。上骨架受浮托力，减小颗粒间的压力。自由水位以上，毛细区域内，颗粒间受压力，毛细压力呈倒三角形分布。弯液面处最大，自由水面处为零。（3固态水特点特点: 1.水结冰后体积膨胀，同时由于水分迁移和补水结冰后体积膨胀，同时由于水分迁移和补给，在给，在 土层中会形成冰层或透镜体。土层中会形成冰层或透镜体。 2.固态水在土中起着暂时的胶结作用，提高固态水在土中起着暂时的胶结作用，提高土的力学土的力学 强度，降低透水性。强度，降低透水性。 3. 温度升高后，冰层解冻为液态水，使土的温度升高后，冰层解冻为液态水，使土的强度急剧强度急剧 降低，压缩性增大，土的性质显著恶

6、化，如降低，压缩性增大，土的性质显著恶化，如处于地处于地 下水以上的某些公路路面在开春后的翻浆现象下水以上的某些公路路面在开春后的翻浆现象就是就是 一例。一例。土的气相土的气相分类分类: 1.吸附于土颗粒表面的气体吸附于土颗粒表面的气体 2. 溶解于水中的气体溶解于水中的气体 3.四周为颗粒和水所封闭的气体以及自由气四周为颗粒和水所封闭的气体以及自由气体体特点特点: 通常认为自由气体与大气连通，对土的性质通常认为自由气体与大气连通，对土的性质无大影无大影 响。密闭气体的体积与压力有关，压力增加，响。密闭气体的体积与压力有关，压力增加，则体则体 积缩小，压力减小，则体积胀大。因此，密积缩小，压力

7、减小，则体积胀大。因此，密闭气体闭气体 的存在增加了土的弹性，同时还可阻塞土中的存在增加了土的弹性，同时还可阻塞土中的渗流的渗流 通道，减小上的渗透性。通道，减小上的渗透性。.1.2.土的三项比例指标土的三项比例指标l直接测定指标直接测定指标l换算指标换算指标 一、土的三相图一、土的三相图 气气水水土粒土粒msmwmVsVwVVa质量质量m m体积体积V Vn二、直接测定指标二、直接测定指标 1.土的重度土的重度 ：单位体积土的：单位体积土的重量重量 awswsVVVWWVW工程中常用重度工程中常用重度来表示单位来表示单位体积土的重力体积土的重力 2.土粒相对密度土粒相对密度ds

8、土粒比土粒比s重）：土粒质量与同体积的重）：土粒质量与同体积的4时纯水的质量之比时纯水的质量之比 sssVWd土粒相对密度变化范围不大：细粒土粘性土一般土粒相对密度变化范围不大：细粒土粘性土一般2.702.702.752.75；砂土一般为砂土一般为2.652.65左右。土中有机质含量增加，土粒相对密度减小左右。土中有机质含量增加，土粒相对密度减小Vv气气水水土粒土粒WsWwWVsVwVVa质量质量m m体积体积V V3.土的含水量土的含水量：土中水的：土中水的质量与土粒质量之比，以百质量与土粒质量之比，以百分数表示分数表示%100%100sssWWWWW土的含水量是标志土含水程度的一个重要物理

9、指标。天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。其所处的自然地理环境等有关。 测定方法：通常用烘干法，亦可近似用酒精燃烧法测定方法：通常用烘干法，亦可近似用酒精燃烧法 三、换算指标三、换算指标 气气水水土粒土粒WsWwWVsVwVVVa重量重量m m体积体积V V1.孔隙比孔隙比e和孔隙率和孔隙率n孔隙比孔隙比e e ：土中孔隙体积与：土中孔隙体积与土粒体积之比土粒体积之比 2.土的饱和度土的饱和度Sr ：土中孔：土中孔隙水的体积与孔隙总体积隙水的体积与孔隙总体积

10、之比，以百分数表示之比，以百分数表示饱和度描述土中孔隙被水充满的程度。干土饱和度描述土中孔隙被水充满的程度。干土Sr=0,Sr=0,饱和土饱和土Sr=100%Sr=100%。砂土根据饱和度分为三种状态。砂土根据饱和度分为三种状态: : svVVe孔隙率孔隙率n n ：土中孔隙体积与：土中孔隙体积与总体积之比，以百分数表示总体积之比，以百分数表示 %100VVnv%100vrVVSSr50%稍湿； 50Sr80%很湿； Sr80%饱和3.不同状态下土的重度不同状态下土的重度饱和重度饱和重度sat sat ：土体中孔：土体中孔隙完全被水充满时的土的重隙完全被水充满时的土的重度度 干密度干密度d d

11、 ：单位体积中固：单位体积中固体颗粒部分的重量体颗粒部分的重量 VVWvssatVWsd浮重度浮重度 ：土单位体积内：土单位体积内土粒质量与同体积水的质量土粒质量与同体积水的质量之差之差 VVWss土的三相比例指标中的质量密度指标共有土的三相比例指标中的质量密度指标共有4 4个，土的密度个，土的密度，饱和密度饱和密度satsat，干密度，干密度dd，浮密度，浮密度 (kg/m3), (kg/m3),相应的相应的重度指标也有重度指标也有4 4个，土的重度个，土的重度，饱和重度，饱和重度satsat，干重度，干重度d d，浮重度，浮重度 (kN/m3) (kN/m3)气气水水土粒土粒WsWwWVs

12、VwVVVa重量重量W W体积体积V V 四、指标间的换算四、指标间的换算气气水水土粒土粒Gsw Vs11+e1+e质量质量m m体积体积V V土的三相指标中，土粒比重土的三相指标中，土粒比重ds ds ，含水量，含水量和重度和重度是通是通过试验测定的，可以根据三过试验测定的，可以根据三个基本指标换算出其余各指个基本指标换算出其余各指标标Vv=eGsw Gs1w eeSdVWrs111edVWssd推导：推导：换算关系式：换算关系式：1)1 (1sdssVddVVeeedVVWswVssat1edssat111eeVVnV1%100WVwVwrVWVVS三相比例指标之间的换算表三相比例指标之间

13、的换算表指标名称三相比例定义式常用换算公式单位天然密度 g/cm3土粒密度s g/cm3干密度d g/cm3饱和密度sat g/cm3浮重度 kN/m3孔隙比e 孔隙度n 含水量 饱和度Sr 土的密实度指单位体积土中固体颗粒的含量。根据土颗粒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.孔隙比孔隙比e 孔隙比孔隙比e e可以用来表示砂土的密实度。对于同一种土，可以用来表示砂土的

14、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，当孔隙比小于某一限度时，处于密实状态。孔隙比愈大，土愈松散土愈松散 2.相对密实度相对密实度DrminmaxmaxeeeeDr砂土在天然状砂土在天然状态下孔隙比态下孔隙比砂土在最密实状砂土在最密实状态时的孔隙比态时的孔隙比砂土在最松砂土在最松散状态时的散状态时的孔隙比孔隙比无粘性土的密实状态无粘性土的密实状态n砂土的天然孔隙比界于最大和最小孔隙比之间，故相对密度Dr=01；当e=emax时，Dr=0，砂土处于最疏松状态；当e=emin时，则Dr=1，砂土处于最紧密状态。工程实际中，常用相对密度判别砂土的震动液化，或评价砂土

15、的密实程度。按相对密度值可将砂土分为三种密实状态，无粘性土的密实状态无粘性土的密实状态l岩石l碎石土l砂土l黏性土l特殊土4.1.3 地基岩土的分类粘性土的物理特征由固态转变到流态的界限含水量，称为塑性界限塑限）由塑态转变到流态的界限含水量，称为液性界限液限）n粉土的液限在3238%之间，粉质粘土为3846%，粘土为4050%。塑限常见值为1728%。n粘性土的液限与塑限一般在室内进行测定，液限常采用锥式液限仪。粘性土的稠度状态的变化是由于土中含水量的变化而引起的，粘性土由一种稠度状态转变为另一种稠度状态，相应于转变点临界点的含水量称为稠度界限界限含水量）。工程上常用的有液性界限wL和塑性界限

16、wp。 土的特征含水量-土从某种状态进入另外一种状态的分界含水量。 液性界限(WL)简称液限-土从塑性状态转变为液性状态时的含水量。 塑性界限(WP)简称塑限-土从半固体状态转变为塑性状态时的含水量。塑性指数：液限和塑限的差值，即土处在可塑状态的含水量变化范围液性指数：粘性土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比PLPIwwPLLPwwIww粘性土中含水量在液限与塑限两个稠度界限之间时，土处于可塑状态，具有可塑性，这是粘性土的独特性能。由于粘性土的可塑性是含水量界于液限与塑限之间表现出来的，故可塑性的强弱可由这两个稠度界限的差值大小来反映，这差值称为塑性指数IP ，即：液性指数液性指数ILIL

17、00IL0.250.25IL0.750.751.00稠度状态稠度状态巩固巩固硬塑硬塑可塑可塑软塑软塑流塑流塑按液性指数划分粘性土的稠度状态表按液性指数划分粘性土的稠度状态表粘性土的物理特征土处于何种稠度状态取决于土中的含水量，但是由于不同土的稠度界限是不同的，因此天然含水量不能说明土的稠度状态。为判别自然界中粘性土的稠度状态，通常采用液性指数IL进行评价，即：n液性指数和塑性指数液性指数和塑性指数 用标贯击数判定砂土的密实状态对于粉土，用e值作为划分标准无粘性土的密实状态实际上，由于砂土原状样不易取得，测定天然孔隙比较为困难，加上实验室测定砂土的与精度有限，因此计算的相对密度值误差较大，在实际

18、工程中，常用标准贯入测试来判定砂土的密实状态。土的压缩性是指土在压力作用下体积缩小的特性土的压缩性是指土在压力作用下体积缩小的特性压缩量的组成压缩量的组成固体颗粒的压缩固体颗粒的压缩土中水的压缩土中水的压缩空气的排出空气的排出水的排出水的排出占总压缩量的占总压缩量的1/4001/400不到，不到，忽略不计忽略不计压缩量主要组成部分压缩量主要组成部分阐明：土的压缩被认为只是由于孔隙体积减小的结果阐明：土的压缩被认为只是由于孔隙体积减小的结果无粘性土无粘性土粘性土粘性土透水性好，水易于排出透水性好，水易于排出压缩稳定很快完成压缩稳定很快完成透水性差，水不易排出透水性差，水不易排出压缩稳定需要很长一段时间压缩稳定需要很长