土力学与地基基础第一章

1、1.1 土的生成1.2土的组成1.3 土的物理性质指标1.4 无粘性土的密实度1.5 粘性土的稠度1.6 土的压实原理1.7 土的工程分类第第1 1章章 土的物理性质和工程分类土的物理性质和工程分类1.1 土的生成土的生成 土的性质包括它的物理性质、力学性质、工程性质等。 1.1.1 土的概念 土是地壳表层母岩风化后的产物，是各种矿物颗粒(土粒)的集合体，包括岩石经物理风化崩解而成的碎块以及经化学风化后形成的细粒物质，粗至巨砾，细至粘土，统称为土。 1.1.2 土的成因 土的形成要经历风化、剥蚀、搬运、沉积等作用过程。风化使岩石破碎，剥蚀将风化产物剥脱开来，通过不同的搬运方式将剥落物搬运和迁移

2、，被搬运的物质在搬运的过程中遇到不同的环境，从搬运的介质中分离而沉积下来。 (1)残积土 残积土是残留在原地未被搬运的那一部分孔隙度较大，作为建筑物地基容易引起不均匀沉降。 岩石风化剥蚀后的碎屑堆积物，其成分与母岩相同，一般没有层理构造，均质性差，图1.1 残积土 (2)坡积土 坡积土是高处的风化碎屑物在雨、雪水或本身重力的作用下搬运而成的山坡堆积物。 (3)洪积土 洪积土是指在山区或高地由暂时性水流(山洪急流)作用，将大量的残积物、坡积物搬运堆积在山谷中或山前平原上的堆积物。 (4)冲积土 冲积土是由河流流水的地质作用，将两岸基岩及其上部覆盖的坡积、洪积物质剥蚀后搬运沉积在河流坡降平缓地带形

3、成的沉积物。图1.2 坡积土图1.3 洪积土1.2 土的组成及其结构与构造土的组成及其结构与构造 土是地壳表层母岩风化后的产物，是各种矿物颗粒(土粒)的集合体，包括岩石经物理风化崩解而成的碎块以及经化学风化后形成的细粒物质，粗至巨砾，细至粘土。土是由固体颗粒、水和空气所组成的三相体系。 固相矿物颗粒和有机质； 液相水溶液； 气相空气。 ，统1.2.1 土的固体颗粒土的固体颗粒 土的固体颗粒即为土的固相。矿物颗粒是岩石经风化作用后形成的碎粒，粗大的土粒呈块状或粒状，细小的土粒呈片状或粉状。土粒的大小、形状、矿物成分以及大小搭配情况对土的物理力学情况有明显影响。 1、粒组的划分 土颗粒的大小通常用

4、粒径表示，工程上将各种不同的土粒按其粒径范围划分为若干粒组。 表1.1根据界限粒径200mm、20mm、2mm、0.075mm、0.005mm把土粒分为六大粒组：漂石（块石）、卵石（碎石）、圆粒（角粒）、砂粒、粉粒和粘粒。 图1.5 土的结构2、土的颗粒级配 对于土粒的大小及其组成情况，通常以土中各个粒组的相对含量（各粒组占土粒总量的百分数）来表示，称为土的颗粒级配。 (1)土的颗粒级配测定方法 筛分法-适用于粒径小于等于60mm而大于0.075mm 比重瓶法-适用于粒径小于0.075mm (2)颗粒级配表达方式 表格法 颗粒级配曲线 颗粒级配曲线纵坐标表示小于某粒径的土粒含量百分比，横坐标表

5、示土粒的粒径，以mm表示。由于土体中所含粒组的粒径往往相差几千、几万倍。且细粒土的含量对土的性质影响较大，因此，将粒径的坐标取为对数坐标。 图1.5 土的结构图1.4 土的级配曲线3、 级配指标 (1)不均匀系数 不均匀系数按下式计算： 不均匀系数越大，表示土粒越不均匀。工程上把不均匀系数小于5的土视为级配不良的土，大于10的土视为级配良好的土 (2)曲率系数 曲率系数按下式计算： 一般认为，同时满足不均匀系数大于等于5和曲率系数满足13两个条件时，则认为是良好级配土。(1.2)（1.1）（1.2）1.2.2 土中水土中水 1、 结合水 结合水是指受电分子吸引力而吸附在土颗粒表面的水，随电场强

6、度的变化，分为强结合水和弱结合水。 (1)强结合水 指矿物表面一般带负电荷，能吸引水分子及水溶液中的游离阳离子（如Na+、Ca2+、Al3+等）于土粒表面，从而形成土粒周围的结合水膜，紧靠土颗粒表面的结合水称之为强结合水。 特性： 由于所受电场的作用力大，几乎完全固定排列，丧失液体的特性而接近于固体。冰点远低于00C，密度比自由水大，温度达到105 0C才可能蒸发。 (2)弱结合水 弱结合水是指强结合水以外，电场作用范围以内的的水。也受到颗粒表面电荷所吸引成定向排列于颗粒四周，但是电场作用力随着与颗粒距离增大而减弱。 特性： 弱结合水可以从一个土粒的周围转移到另一个土粒的周围，弱结合水可以发生

7、变形，但不因为重力作用而流动。弱结合水的存在是粘性土在某一含水量范围内表现出可塑性的根本原因。 2 、自由水 自由水是指结合水膜之外的水，其性质和普通水相同。可以分为毛细水和重力水两类。水冻结1.2.3 土中的气体 1 自由气体 土孔隙中的气体与大气连通的部分为自由气体。 2 封闭气体 细粒土中的气体常与大气隔绝而成封闭气泡。1.2.4 土的结构 1 单粒结构 2 蜂窝结构 3 絮状结构图1.5 土的结构1.2.5 土的构造 在同一土层中的物质成分和颗粒大小等相近的各部分之间相互关系的特征称为土的构造，常见的有以下几种：1 层理构造 2 分散构造 3 裂隙构造图1.6 土的三相简图图中各符号意

8、义如下：V土的体积；Va土中气体所占的体积；Vw土中水所占的体积；Vs土中颗粒所占的体积；Vv土中孔隙所占的体积；m土的总质量；mw土中水的质量；ms土中颗粒的质量。1.3.2 指标的定义 1 基本指标 (1)土的天然密度和重力密度 单位体积土的质量称为土的天然密度，简称土的密度，用符号表示。 天然状态下土的密度粘性土一般介于1.82.0g/cm3。 工程中常用重度来表示单位体积土所受的重力，它与土的密度有如下关系:(1.3)(1.4)(2)土的含水量 土中水的质量与颗粒质量之比称为土的含水量，用百分比表示，其符号为w。(3)土粒比重（相对密度） 土的固体颗粒质量与同体积4 时纯水质量的比值，

9、称为土粒比重或相对密度，用符号ds表示。(1.5)(1.6)2 换算指标 (1)反映土的松密程度的指标 土的单位体积内颗粒的质量，称为土的干密度，用符号d表示。 土的单位体积内颗粒的重力，称为土的干重度，用符号d表示。(1.7)(1.8)(2)土的饱和密度和饱和重度土中孔隙完全被水充满时，土的密度称为土的饱和密度，用符号sat表示。土中孔隙完全被水充满时，土的重度称为土的饱和重度，用符号sat表示。sat = sat g(1.9)(1.10)(3)土的浮密度和浮重度 对于受到浮力作用的土体，粒间传递的应力土粒重力扣除浮力后的数值，所以引入了有效重度表示扣除浮力后饱和土体的单位体积的重力。同样条

10、件下，上述几种重度在数值上有如下关系，即(1.12)(1.11)(1.12)(1.13)(4)土的孔隙比和孔隙率 土中孔隙体积与土粒体积之比称为孔隙比，用符号e（小数）表示，用以评价天然土层的密实程度。 土中孔隙体积与土的总体积的比值称为孔隙率，用符号n表示。(1.14)(1.15) (5)饱和度 土中水的体积与孔隙体积之比称为饱和度，用符号Sr表示。反映土体的潮湿程度。 Sr 80%时土为饱和的， Sr =1.0时土处于完全饱和状态。1.2.3 基本指标和其他指标的关系 设土粒体积s1，根据孔隙比定义得 Vv=Vse=e V=Vs+Vv=1+e(1.16)根据相对密度定义 ms=dswVs=

11、dsw根据含水量定义 mw=wms=wdsw m=ms+mw=dsw(1+w)根据体积与质量的关系 图1.7 土的三相物理指标换算图1.4 无粘性土的密实度 1.4.1 以相对密度Dr评定密实度 为了较好地表明砂土的密实状态，可采用将现场土的孔隙比e与该种土所能达到最密实时的孔隙比emin和最疏松时的孔隙比emax相对比的方法，来表示孔隙比为e时土的密实度。这种度量密实度的指标称为相对密度Dr。 用相对密度Dr判定砂土密实度的标准如下：(1.17)表1.3 砂土密实度的评定1.5 粘性土的稠度 1.5.1 界限含水量 粘性土的土粒很细，单位体积的颗粒总表面积较大，土粒表面与水相互作用的能力较强

12、，土粒间存在粘结力。稠度就是指土的软硬程度，是粘性土最主要的物理状态特征。当含水量较大时，土粒被自由水所隔开，表现为浆液状；随着含水量的减少，土浆变稠，逐渐变为可塑状态，这时土中水主要表现为弱结合水；含水率再减少，土就变为半固态；当土中主要含强结合水时，土处于固体状态，如图1.4所示。 图1.8 粘性土的稠度状态图1.11 锥式液限仪图1.12 碟式液限仪粘性土从一种状态转变为另一种状态的分界含水量称为界限含水量。工程上常用的界限含水量有液限l、塑限p和缩限s。1.5.2 液限与塑限液限l-土从液性状态转变为塑性状态是的界限含水量。塑限p-土塑性状态转变为半固体状态时的界限含水量液、塑限的测定

13、方法可用“联合测定仪”。以含水率为横坐标，圆锥沉入深度为纵坐标，在双对数坐标纸上绘制关系曲线。下沉深度为10mm所对应的含水量为液限，下沉深度为2mm时所对应的含水量为塑限。10mm液限确定粘性土承载力。图1.9 圆锥入土深度与含水量关系1.5.3 粘性土的塑性指数和液性指数 （1）塑性指数 液限与塑限的差值即为塑性指数，记为IP，习惯上略去百分号，即 IP 17粘土, 10 IP 17粉质粘土。 （2）液性指数 土的天然含水量与塑限的差值与塑性指数IP之比即为液性指数，记为IL，即(1.18)(1.18)表1.4 粘性土状态的划分(1.19) 1.5.4 粘性土的灵敏度 原状土的强度与同一种

14、土经过重塑后（含水量保持不变）的强度之比称为土的灵敏度，可以表示为：（1.20）12244tttSSS，低灵敏度土体中等灵敏度土体高灵敏度土体1.6 土的压实原理 1.6.1 击实试验 将某一含水量的式样分三层放入击实筒内，每放一层用击实锤打击至一定击数，对每一层土所做的击实功为锤体重量、锤体落距和击打次数的乘积，将土层分层击实至满筒后，测定击实后土的含水量和湿密度。然后换算成干密度。应用同样的方法将五个以上的不同含水量下的土样击实，每一土样均可得到击实后的含水率与干密度，以含水量为横坐标，干密度为纵坐标，绘制曲线即为能够反映土体击实特性的曲线，称为击实曲线。 1.6.2 粘性土的击实特性 粘

15、性土的最优含水量与土的塑限很接近。因此，土中所含粘土矿物越多、颗粒越细，最优含水量越大。此外，最优含水量还与击实功的大小有关。 理论饱和曲线表示土处于饱和状态时，含水量与干密度的关系曲线。击实试验中不可能将土击实到完全饱和状态。击实过程中只能将与大气相通的气体排出去，而封闭气体无法排出，仅能产生部分压缩。实验证明，粘性土在最优含水量时压实到最大干密度，其饱和度一般为0.8左右。因此，击实曲线位于饱和曲线的左下方，而不会相交。图1.10 含水量与干密度关系曲线1、可以总结出如下的特性：(1)、峰值(op p +2)；(2)、击实曲线位于理论饱和曲线左侧(3)、击实曲线的形态2、 影响击实效果的因

16、素(1)、含水量的影响(2)、击实功能的影响(3)、不同土类和级配的影响3、压实特性在现场填土中的应用为了便于工地压实质量的控制，可采用压实系数来表示,即/dd（1.21） 1.6.3 无粘性土的击实特性 根据无粘性土的击实试验可以看出，在风干和饱和状态下，击实都能够得到较好的击实效果。其机理就是在这两种状态下都不存在假粘聚力；而如果含水量处于这两个状态之间时，会受到假粘聚力的影响，击实效果较差。1.7 地基土的工程分类 按地基基础规范对地基土进行工程分类 1.7.1 岩石 (1) 岩石的硬质程度 岩石的硬质程度可以根据岩块的饱和单轴抗压强度分为坚硬岩、较硬岩、较软岩、软岩和极软岩。 表1.5 岩石坚硬程度的划分 当缺乏饱和单轴抗压强度资料时，可以现场通过观察定性划分。表1.6 岩石坚硬程度的定性划分（2）岩石的完整程度 岩石的完整程度按完整性指数划分为完整、较完整、较破碎、破碎和极破碎。 当缺乏实验数据时，可以按下表确定：表1.7 岩石的完整程度划分表1.8 岩石的完整程度定性划分表1.9 碎石土的分类1.7.2 碎石土 碎石土是粒径大于2mm的颗粒含量超过全重5