土的物理性质和工程分类市公开课获奖课件

1、第一章 绪论第二章 土物理性质及工程分类 第三章 土中应力第四章 土压缩性与地基沉降 第五章 土抗剪强度与地基承载力 第六章 土压力与土坡稳定第七章 浅基础 第八章 桩基础 第八章 地基处理课程内容第1页第1页第2章 土物理性质和工程分类学习要求： 理解土成因和三相构成，掌握土物理性质和物理状态指标定义、物理概念、计算公式和单位。要求纯熟地掌握物理指标三相换算。理解地基土工程分类依据与准拟定名。基本内容： 2.1 土形成与特性 2.2 土三相构成 2.3 土物理性质指标 2.4 土物理状态指标 2.5 土工程分类第2页第2页2.1 土形成与特性2.1.1 土形成2.1.2 土结构与结构2.2.

2、3 土工程特性2.2.4 土形成与工程特性关系第3页第3页岩石风化（物理、化学）作用岩石破碎 化学成份改变搬运沉积大小、形状和成份都不相同松散颗粒集合体（土） 土固相液相气相土中颗粒大小、成份及三相之间相互作用和百分比关系，反应出土不同性质 2.1 土形成与特性第4页第4页2.1.1 土形成 “土”一词在不同学科领域有其不同涵义。就土木工程领域而言，土是指覆盖在地表没有胶结和弱胶结颗粒堆积物。土与岩石区分仅在于颗粒间胶结强弱。 物理风化指岩石经受风、霜、雨、雪侵蚀，温度湿度改变、不均匀膨胀与收缩，使岩石产生裂隙，崩解为碎块。这种风化仅改变颗粒大小与形状，不改变原来矿物成份。生成土呈涣散状态，无

3、粘性土。化学风化指岩石碎屑与空气、水和各种水溶液相接触，经氧化、碳化和水化作用，改变原来矿物成份，形成新矿物（次生矿物）。生成土为细粒土，粘性土。生物风化由动物、植物和人类对岩体破坏称。第5页第5页2.1.2 土形成与工程特性关系 因为各类土生成条件不同，它们工程特性往往相差悬殊： 1.搬运、沉积条件 通常流水搬运沉积土优于风力搬运沉积土。 2.沉积年代 通常土沉积年代越长，土工程性质越好。 3.沉积自然地理环境 自然地理环境不同所生成土工程性质差异也很大。第6页第6页2.1.3 土工程特性 土与其它连续介质建筑材料，含有以下三个显著工程特性： 1.压缩性高 反应材料压缩性高低指标弹性模量E(

4、土称变形模量),伴随材料不同而有极大差异,例: 钢筋 E1=21万Mpa; C20混凝土 E2=2.6万Mpa; 卵石 E3=50Mpa; 饱和细砂 E4=10Mpa. 2.强度低 为抗剪强度 ，而非抗压、抗拉强度； 3.透水性大 颗粒之间有没有数孔隙。 第7页第7页2.2土三相构成 土是由固相、液相、气相构成三相分散系。 固相包括各种矿物成份构成土骨架，骨架间空隙为液相和气相填满，这些空隙是互相连通，形成多孔介质； 液相主要是水； 气相主要是空气、水蒸气，有时尚有沼气等。第8页第8页2.2 土三相构成土三相组成是指土由固体颗粒、液体水和气体三部分组成。土中固体矿物组成土骨架,骨架之间贯通着大

5、量孔隙,孔隙中充满着液体水和气体。土体三相百分比不同，土状态和工程性质也随之各异，比如： 固体+气体（液体=0）为干土，此时粘土呈坚硬状态， 砂土呈涣散状态； 固体+液体+气体为湿土，此时粘土多为可塑状态； 固体+液体（气体=0）为饱和土，此时粉细砂或粉土遇强烈地震，可能产生液化，而使工程遭受破坏；粘土地基受建筑物荷载作用发生沉降需几十年才干稳定。第9页第9页2.2.1 土固体颗粒（一）土颗粒级配 1.土颗粒大小直接决定土性质； 2. 粒径颗粒直径大小，界线粒径划分粒组分界尺寸。 3. 粒组将粒径大小靠近、矿物成份和性质相同土粒归并为若干组别即称为粒组。可划分： 200 20 2 0.075

6、0.005mm 漂石 卵石 砾石 砂粒 粉粒 粘粒 4. 颗粒级配土粒大小及构成情况，通常以土中各个粒组相对含量来表示，称为土颗粒级配。级配测室办法： 筛析法 （ 0.075mm)比重计法( 0.075mm)第10页第10页第11页第11页粘土细砂粗砂碎石卵石碎石粘土第12页第12页筛分法用一套孔径不同筛子，按从上至下筛孔逐步减小放置。将事先称过质量烘干土样过筛，称出留在各筛上土质量，然后计算其占总土粒质量百分数 第13页第13页第14页第14页比重计法利用不同大小土粒在水中沉降速度不同来确定小于某粒径土粒含量第15页第15页级配良好纵坐标表示小于某粒径土重占总土重百分数，横坐标用对数坐标表示

7、土粒径。第16页第16页颗粒级配描述 工程上惯用不均匀系数Cu描述颗粒级配不均匀程度 d10、d30、d60小于某粒径土粒含量为10%、 30%和60%时所相应粒径Cu愈大，表示土粒愈不均匀。工程上把Cu5土视为级配不良土； Cu10土视为级配良好土 曲率系数Cc描述颗粒级配曲线整体形态，表明某粒组是否缺失情况 对于砾类土或砂类土，同时满足Cu5和Cc=13时，定名为良好级配砂或良好级配砾 第17页第17页2.土粒矿物成份矿物成份取决于母岩矿物成份和风化作用原生矿物：由岩石通过物理风化形成，其矿物成份与母岩相同次生矿物：岩石经化学风化后所形成新矿物，其成份与母岩不相同 例：石英、云母、长石等特

8、性：矿物成份性质较稳定，由其构成土含有无粘性、透水性较大、压缩性较低特点 例：粘土矿物有高岭石、伊利石、蒙脱石等特性：性质较不稳定，含有较强亲水性，遇水易膨胀特点 第18页第18页第19页第19页第20页第20页二、土中水 土中水含量明显地影响土性质(尤其是粘性土)。土中水除了一部分以结晶水形式吸附于固体颗粒晶格内部外，还存在结合水和自由水1.结合水强结合水：紧靠于颗粒表面、所受电场作用力很大、几乎完全固定排列、丧失液体特性而靠近于固体 弱结合水：紧靠强结合水外围形成结合水膜，所受电场作用力伴随与颗粒距离增大而削弱 2.自由水存在于土粒电场影响范围以外，性质和普通水无异，能传递水压力，冰点为0

9、，有溶解能力 以两种形式存在：毛细水、重力水第21页第21页三、土中气体 土中气体存在于土孔隙中未被水占据部分，分为与大气连通非封闭气体和与大气不连通封闭气体1.非封闭气体：受外荷作用时被挤出土体外，对土性质影响不大 2.封闭气体：受外荷作用，不能逸出，被压缩或溶解于水中，压力减小时能有所复原，对土性质有较大影响，使土渗入性减小，弹性增大和延长土体受力后变形达到稳定期间. 第22页第22页四、土结构 在成土过程中所形成土粒空间排列及其联结形式，与构成土颗粒大小、颗粒形状、矿物成份和沉积条件相关 1.单粒结构：粗矿物颗粒在水或空气中在自重作用下沉落形成单粒结构，其特点是土粒间存在点与点接触。依据

10、形成条件不同，可分为疏松状态和密实状态。粗颗粒土，如卵石、砂等 密实状态疏松状态第23页第23页1.单粒结构由于土粒排列紧密，强度大，压缩性小，是良好天然地基。当土粒沉积速度快，如洪水冲积形成砂层和砾石层，往往形成疏松单粒结构。由于土孔隙大，土粒骨架不稳定，当受到动力荷载或其它外力作用时，土粒容易移动而趋于紧密，同时产生很大变形。因此，未经处理这种土层，普通不宜作建筑物地基。假如饱和疏松土是由细砂粒或粉砂粒所构成，在强烈振动作用下，土结构会忽然破坏变成流动状态，引起所谓“砂土液化”现象，在地震区将会引起震害。 第24页第24页2.蜂窝结构：颗粒间点与点接触，由于彼此之间引力不小于重力，接触后，

11、不再继续下沉，形成链环单位,诸多链环联结起来，形成孔隙较大蜂窝状结构 3.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。当悬液介质发生改变时，土粒表面弱结合水厚度减薄，粘粒互相靠近，凝聚成絮状物下沉，形成孔隙较大絮状结构 蜂窝结构絮状结构第25页第25页上述三种结构中，以密实单粒结构土工程性质最好，蜂窝状另一方面，絮状结构最差。含有蜂窝结构和絮状结构土，颗粒间存在大量微细孔隙，其压缩性大、强度低，透水性弱。又因土粒之间联结较弱且不甚稳定，在受扰力作用下(如施工扰动影响)，土粒接触点也许脱离，部分结构遭受破坏，土强度会快速减少，不可用作天然地基。 第26页第26页五、土结构

12、土结构是指土体中各结构单元之间关系。主要特性是土成层性和裂隙性,即层理结构和裂隙结构，两者都造成了土不均匀性 1.层理结构：土粒在沉积过程中,因为不同阶段沉积物质成份、颗粒大小或颜色不同,而沿竖向展现出成层特性 2.裂隙结构：土体被许多不连续小裂隙所分割,在裂隙中常充填有各种盐类沉淀物 第27页第27页地层连续沉积而形成，其间并未受到冲刷，则土层结构是水平。河流几经改道，使得附近地层发生交替冲刷与沉积，即形成斜交层理。山坡上风化碎屑受重力作用堆积在山脚下，以后又通过河流沉积，即形成山坡土层。西北黄土地域，经大陆性季风沉积与剥蚀，形成交错层理。土层理结构第28页第28页3结核状结构在细粒土中掺有

13、粗颗粒或各种结核，如含礓石粉质粘土，含砾石冰碛土等。其工程性质取决于细粒土部分。第29页第29页2.3 土物理性质指标一、土三相图 二、直接测定指标 1.土密度：单位体积土质量 工程中惯用重度来表示单位体积土重力. 重力加速度，近似取10m/s2 2.土粒相对密度Gs（土粒比重）：土粒质量与同体积4时纯水质量之比 .土粒相对密度改变范围不大：细粒土（粘性土）普通2.702.75；砂土普通为2.65左右。土中有机质含量增长，土粒相对密度减小.ms气土粒mw体积V水mVsVwVVa质量mVv第30页第30页气水土粒msmwmVsVwVVa质量m体积V3.土含水量：土中水质量与土粒质量之比，以百分数

14、表示.（含水率）土含水量是标志土含水程度一个主要物理指标。天然土层含水量改变范围较大，与土种类、埋藏条件及其所处自然地理环境等相关。 测定办法：通惯用烘干法第31页第31页烘干法第32页第32页三、换算指标 气水土粒msmwmVsVwVVVa质量m体积V1.孔隙比e和孔隙率n孔隙比e ：土中孔隙体积与土粒体积之比 2.土饱和度Sr ：土中孔隙水体积与孔隙总体积之比，以百分数表示饱和度描述土中孔隙被水充斥程度。干土Sr=0,饱和土Sr=100%。砂土依据饱和度分为三种状态: 孔隙率n ：土中孔隙体积与总体积之比，以百分数表示 Sr50%稍湿； 50Sr80%很湿； Sr80%饱和第33页第33页

15、3.不同状态下土密度和重度饱和密度sat ：土体中孔隙完全被水充斥时土密度 干密度d ：单位体积中固体颗粒部分质量 浮密度 ：土单位体积内土粒质量与同体积水质量之差 土三相百分比指标中质量密度指标共有4个，土密度，饱和密度sat，干密度d，浮密度 (kg/m3),相应重度指标也有4个，土重度，饱和重度sat，干重度d，浮重度 (kN/m3)气水土粒msmwmVsVwVVVa质量m体积V第34页第34页四、指标间换算气水土粒Gsw Vs11+e质量m体积V土三相指标中，土粒比重Gs ，含水量和密度是通过试验测定，能够依据三个基本指标换算出其余各指标Vv=eGsw Gs（1）w 推导：换算关系式：

16、第35页第35页五、例题分析 【例】某土样经试验测得体积为100cm3，湿土质量为187g，烘干后，干土质量为167g。若土粒相对密度Gs为2.66，求该土样含水量、密度、重度 、干重度d 、孔隙比e、饱和重度sat和有效重度 【解答】第36页第36页四、指标间换算气水土粒Ws=dswVs11+e质量m体积V土粒比重ds ，含水量和密度是通过试验测定，能够依据这三个基本指标换算出其余各指标Vv=e Ww=wdswW=dsw(1+w) 推导：第37页第37页五、例题分析 【例】某土样经试验测得体积为100cm3，湿土质量为187g，烘干后，干土质量为167g。若土粒相对密度Gs为2.66，求该土

17、样含水量、密度、重度 、干重度d 、孔隙比e、饱和重度sat和有效重度 【解答】第38页第38页2.4 土物理状态指标一、无粘性土密实度 土密实度指单位体积土中固体颗粒含量。依据土颗粒含量多少，天然状态下砂、碎石等处于从紧密到涣散不同物理状态。无粘性土密实度与其工程性质有着密切关系1.孔隙比e 孔隙比e能够用来表示砂土密实度。对于同一个土，当孔隙比小于某一程度时，处于密实状态。孔隙比愈大，土愈松散 2.相对密实度Dr砂土在天然状态下孔隙比砂土在最密实状态时孔隙比砂土在最松散状态时孔隙比第39页第39页当Dr=0时， e=emin，表示土处于最疏松状态;当Dr=1.0时， e=emax，表示土体

18、处于最密实状态3.按动力触探拟定无粘性土密实度Dr1/3疏松状态1/3Dr2/3中密状态2/3Dr1密实状态 天然砂土密实度，可按原位原则贯入试验锤击数N进行评估。天然碎石土密实度，可按原位重型圆锥动力触探锤击数N63.5进行评估(GB50007-) 密实度按N评估砂石密实度 按N63.5评估碎石土密实度 松散稍密中密密实N10N63.5510N155N63.51015N3010N63.520N30N63.520第40页第40页二、粘性土稠度 1.粘性土稠度状态稠度是指土软硬程度或土受外力作用所引起变形或破坏抵抗能力,是粘性土最主要物理状态特性 0固态或半固态可塑状态流动状态塑限P液限L粘性土

19、由某一个状态过渡到另一状态界线含水量称为土稠度界线.也叫界线含水率.液塑限测定依据土工试验规程要求，采用液塑限联合测定仪进行测定。第41页第41页液塑限联合测定仪下沉深度为17mm所相应含水量为液限;下沉深度为2mm处所相应含水量为塑限 第42页第42页2.粘性土塑性指数和液性指数塑性指数IP是液限和塑限差值(省去%)，即土处于可塑状态含水量改变范围阐明：塑性指数大小取决于土颗粒吸附结合水能力,即与土中粘粒含量相关。粘粒含量越多,塑性指数就越高 阐明：液性指数表征土天然含水量与界线含水量间相对关系。当IL0时,P,土处于坚硬状态;当IL1时,L,土处于流动状态。依据IL值能够直接鉴定土软硬状态

20、 液性指数IL是粘性土天然含水量和塑限差值与塑性指数之比 状态液性指数坚硬硬塑可塑软塑流塑IL00IL0.250.25IL0.750.75IL1IL1第43页第43页三、例题分析 【例】某砂土试样,试验测定土粒相对密度Gs=2.7,含水量=9.43%,天然密度=1.66/cm3。 已知 v=1000 ，砂样最密实状态时称得干砂质量ms1=1.62kg, 最疏松状态时称得干砂质量ms2=1.45kg,求此砂土相对密度Dr,并判断砂土所处密实状态 .【解答】砂土在天然状态下孔隙比砂土最小孔隙比砂土最大孔隙比相对密实度（1/3,2/3中密状态第44页第44页2.5 土（岩）工程分类一、分类目的和原则

21、 土分类体系就是依据土工程性质差异将土划分成一定类别，目标在于经过通用判别标准，便于在不同土类间作有价值比较、评价、积累以及学术与经验交流分类原则： 分类要简明，既要能综合反应土主要工程性质，又要测定办法简朴，使用以便第45页第45页二、分类体系与办法 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，比如：建筑地基基础设计规范(GB50007-)地基土分类办法. 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，比如：土分类原则(GBJ145-90)工程用土分类和公路土工试验规程(JTJ051-93)土工程分类.第4

22、6页第46页分类办法：1.建筑地基基础设计规范(GB50007) 依据土粒大小、粒组土粒含量或土塑性指数把地基土（岩）分为岩石、碎石土、砂土、粉土和粘性土五大类a.岩石分类 颗粒间牢固粘结,呈整体或含有节理隙岩体称为岩石，坚硬程度可依据岩块饱和单轴抗压强度frk分类 坚硬程度类别饱和单轴抗压强度frk(Mpa)坚硬岩较硬岩较软岩软岩极软岩30frk60frk6015frk305frk15frk5b.碎石土分类 粒径不小于2mm颗粒含量超出全重50%土称为碎石土第47页第47页c.砂土分类 粒径不小于2mm颗粒含量不超出全重50%土，且粒径不小于0.075mm颗粒含量超出全重50%土称为砂土 土

23、名称漂石块石卵石碎石圆砾角砾颗粒形状圆形及亚圆形为主棱角形为主圆形及亚圆形为主棱角形为主圆形及亚圆形为主棱角形为主颗粒级配粒径不小于200mm颗粒含量超出全重50粒径不小于20mm颗粒含量超出全重50粒径不小于2mm颗粒含量超出全重50注：定名时应依据颗粒级配由大到小以最先符合者拟定碎石土分类第48页第48页d.粉土分类 粒径不小于0.075mm颗粒含量不超出全重50%，塑性指数IP10土称为粉土土名称砾砂粗砂中砂细砂粉砂颗粒级配粒径不小于2mm颗粒含量占全重2550注：定名时应依据颗粒级配由大到小以最先符合者拟定粒径不小于0.5mm颗粒含量超出全重50粒径不小于0.25mm颗粒含量超出全重5

24、0粒径不小于0.075mm颗粒含量超出全重85粒径不小于0.075mm颗粒含量超出全重50砂土分类e.粘性土分类 粒径不小于0.075mm颗粒含量不超出全重50%，塑性指数IP10土称为粘性土，粘性土依据塑性指数细分土名称粘土粉质粘土塑性指数注：塑性指数由相应于76g圆锥体沉入土样中深度为10mm测定液限计算而得 IP1710IP17第49页第49页f.人工填土分类 由于人类活动而形成堆积物称为人工填土。物质成份较杂乱,均匀性较差，依据其物质构成和成因,可分为素填土、杂填土和冲填土 2.土分类原则(GBJ14590) 依据各粒组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

25、含巨粒土分类 巨粒土和含巨粒土按土中粒径不小于60mm巨粒含量区别。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.粗粒土分类 巨粒含量少于15%，剔除巨粒后，若土中粒径不小于0.075mm粗粒含量多于余土50%，属于粗粒土。粗粒土分为砾类土和砂类土两类g.其它特殊类土软土（淤泥等） 、红粘土、黄土等第50页第50页c.细粒土分类 土中粒径小于0.075mm细粒含量多于或等于50%，且粗粒含量少于25%土属于细粒土。图中液限为17mm液限细粒土按塑性图进行细分第51页第51页6 人工填土人工填土是指由人类活动而堆填土。其物质成份较杂，均匀性较差。依据其物

26、质构成和堆填方式，填土可分为素填土、杂填土、冲填土和压实填土四类。各类填土应依据下列特性予以区别：1、素填土是由碎石、砂或粉土、粘性土等一个或几种材料构成填土，其中不含杂质或含杂质很少。按主要构成物质分为碎石素填土、砂性素填土、粉性素填土及粘性填土。经分层压实后则称为压实填土。 2、杂填土是含大量建筑垃圾、工业废料或生活垃圾等杂物填土。按其构成物质成份和特性分为建筑垃圾土、工业废料土及生活垃圾土。 3、冲填土 为由水力冲填泥浆形成填土。第52页第52页特殊土（）特殊土是指在特定地理环境或人为条件下形成含有特殊性质土。它分布普通含有明显地域性。特殊土包括软土、人工填土、湿陷性黄土、红粘土、膨胀土、多年冻土等。 软土是指沿海滨海相、三角洲相、湖泊相、沼泽相等主要由细粒土构成土