土力学地基基础——第2章土的物理性质及工程分类2003版.ppt

1、第二章 土的物理性质及工程分类,主讲人：孙鸣镝,目 录 第一节 土的生成与特性 第二节 土的三相组成 第三节 土的物理性质指标 第四节 土的物理状态指标 第五节 地基土的工程分类,第一节 土的生成与特性 1 土的生成 2 土的结构和构造 3 土的工程特性 4 土的生成与工程特性的关系,1 土的生成,土是由岩石，经物理化学风化，剥蚀，搬运，沉积，形成固体矿物、液体水和气体组成的一种混合体。 不同的风化作用形成不同性质的土。 风化作用主要有一下三种类型： 物理风化 化学风化 生物风化,1 土的生成,（1）物理风化：岩石经风、霜、雨、雪的侵蚀，温度、湿度的变化，发生不均匀膨胀或收缩，使岩石产生裂隙，

2、崩解为碎块的风化过程。 岩石在物理风化作用下，只改变颗粒的大小和形状，不改变原来的矿物成分。 物理风化是产生粗粒土（无黏性土）的主要风化形式。 （2）化学风化：岩石的碎屑与水、氧气、二氧化碳等物质接触，逐渐发生化学变化，原有的矿物成分发生改变，产生新的矿物成分（次生矿物）的风化过程。 化学风化是产生细粒土（黏性土）的主要风化形式。,1 土的生成,（3）生物风化：由动、植物和人类的活动对岩体的破坏统称为生物风化过程。 生物风化是一种夹杂了多种因素的比较复杂的风化过程。 在自然界中，一般情况下是三种风化过程共同作用，形成了我们现在的自然地貌和地球表面的各种土的类型。,2 土的结构和构造,（1）土的

3、结构：土颗粒之间的相互排列和联结形式。 土的结构一般分为下列三种 单粒结构：粗粒土（卵石、砂土等）在沉积过程中，每个颗粒在自重作用下单独下沉达到稳定状态。 蜂窝结构：土颗粒较细（粒径小于0.02mm）时，在水中单个下沉，碰到已沉积的土粒，由于土粒之间的分子引力大于土粒自重，使得下沉的土粒被吸引而不再下沉。一粒粒依次被吸引，形成很大孔隙的蜂窝状结构。,絮状结构（二级蜂窝结构）：粒径极细的黏土颗粒（粒径小于0.005mm）在水中长期悬浮，这些土粒在水中运动，相互碰撞，吸引，逐渐形成小链环状的土集粒，质量增大而下沉，小链又可相互吸引，不断延伸，形成大链。因此称为絮状结构或二级蜂窝结构。此结构在海积黏

4、土中比较常见。,2 土的结构和构造,工程性质 三种结构中，以密实的单粒结构工程性质最好；而蜂窝结构和絮状结构，强度低、压缩性高，不能直接用作天然地基。 （2）土的构造：同一土层中，土颗粒之间相互关系的特征。 土的构造比较常见的有下列四种 层状构造：土层由不同的颜色或不同的粒径的土类组成，形成层理，一层一层互相平行。 此构造是细粒土的重要特征。,2 土的结构和构造,分散构造：土层中的土粒分布均匀，性质相近。 此构造主要有砂土、卵石层等。 结核状构造：在细粒土中混有粗颗粒或结核等物质。例如含礓石的粉质黏土、含砾石的冰碛黏土等。 裂隙状构造：土体中有很多不连续的小裂隙。如硬塑或坚塑状态的黏土。 工程

5、性质 一般分散构造的工程性质最好；层状构造要看其层间结构；结核状构造工程性质的好坏取决于其细粒土的部分；裂隙状构造因其裂隙部位强度低，渗透性大，工程性质最差。,2 土的结构和构造,土与其他连续介质的建筑材料相比，具有三个显著的工程特性：压缩性高、强度低、渗透性大。 这三个工程特性虽然在不同土类中差别很大，但要与土和其他建筑材料的差别相比，不同土质之间的差距就非常小了，有相对较大的数量级上的差距。,3 土的工程特性,（1）搬运，沉积条件 一般流水搬运沉积的土要优于风力搬运沉积的土。 （2）沉积年代 通常土的沉积年代越久，其工程性质越好。 （3）沉积的自然地理环境 我国地域辽阔，不同自然地理环境下

6、所生成的土的工程性质也一般相差较大。,4 土的生成与工程特性的关系,第二节 土的三相组成 土的三相组成：土由固体矿物、水和气体三部分组成。 土中固体矿物构成土的骨架，骨架之间存在大量孔隙，孔隙由水和气体填充。 本节主要介绍一下三个内容： 1 土的固体颗粒 2 土中水 3 土中气体,土的固体颗粒 （1）土粒的矿物成分：主要分为三类 原生矿物：由岩石经物理风化生成，其成分与母岩相同。 原生矿物主要包括：单矿物颗粒（一个颗粒由一种单一的矿物构成）；多矿物颗粒（一个颗粒包含多种矿物）。 次生矿物：母岩岩屑经化学风化，改变化学成分，成为一种很细小的新矿物，主要为黏土矿物。 黏土矿物根据其微观结构不同，分

7、为蒙脱石、伊利石、高岭石三种。 腐殖质：土中腐殖质含量高，会使土的压缩性增大。有机质含量超过3% 5%的土一般不宜作为填筑材料。,土的固体颗粒 （2）土颗粒的大小与形状 土颗粒的大小：自然界中土颗粒大小相差悬殊；颗粒大小不同的土，其工程性质也不同。我们一般把土的粒径按其性质分为六个粒组，每个粒组内的土的工程性质相似。,通常粗粒土的压缩性低、强度高、渗透性大。 土颗粒的形状：表面粗糙、有棱角的土，之间不易滑动，其抗剪强度比表面光滑的高。,1 土的固体颗粒,（3）土的颗粒级配 土的颗粒级配：土中各粒组的相对含量，以占总质量的百分数来表示。 我们通常用两种方法分析土颗粒的粒径，即：筛析法和密度计法。

8、 筛析法：适用于粒径d0.075mm的土。 筛析法的主要工具是一套标准分析筛，其孔径分别为20、10、5、2.0、1.0、0.5、0.25、0.075mm。筛析机一般振筛10min 15min。 密度计法：适用于粒径d0.075mm的土。 密度计法的主要工具是土壤密度计和1000mL的量筒。,1 土的固体颗粒,根据土粒直径大小的不同，在水中的沉降速度也不同的特性，将密度计置于土水悬液中，记录0.5、1、2、5、15、30、60、120、1440min时密度计的读数，再经计算即可得到。 颗粒分析实验结果，可绘制出土的粒径级配曲线。纵坐标表示小于某粒径的土粒占土体总质量的百分数；横坐标则表示土的粒

9、径。,1 土的固体颗粒,不均匀系数Cu： 当Cu很小时，曲线很陡，表明土比较均匀；当Cu很大时，曲线平缓，表示土的级配良好。 曲率系数Cc：,1 土的固体颗粒,不均匀系数Cu和曲率系数Cc都是土颗粒组成的重要表征。 砾石和砂土的Cu5且Cc=1 3为级配良好；土的级配不能同时满足Cu和Cc两个要求时，表明土的级配不良。,2 土中水,土的孔隙中有水，水分子H2O为极性分子，由带正电的氢离子和带负电的氧离子组成。黏土土粒表面一般带负电，可在土粒周围形成电场，吸引水分子带正电的氢离子一端（水流内部本身存在氢键），使其定向排列，形成水膜。,2 土中水,土中水一般分为四种，即结合水、自由水、气态水和固态

10、水。 （1）结合水 强结合水（吸着水）：由黏土表面的电分子力牢固地吸引水分子，使其紧靠土粒表面，厚度只有几个水分子厚，小于0.003m。 强结合水性质接近固体，不传递静水压力，100不气化，密度w= 1.2 2.4 g/cm3，具有很大的黏滞性、弹性和抗剪强度。 若黏土只有强结合水，则呈坚硬状态。,2 土中水,弱结合水（薄膜水）：在强强结合水外侧，也由黏土表面的电分子力吸引 ，厚度小于0.5m，密度= 1.0 1.7 g/cm3。 弱结合水也不传递静水压力，呈黏滞状态，此部分水对黏土的影响最大。 （2）自由水：离土粒较远，在土粒表面的电场作用范围以外，以自由散乱地形式排列。 自由水主要分为两种

11、： 重力水：位于地下水位以下，有浮力作用，可从总水头较高处向较低处流动。 毛细水：也位于地下水位以下，受毛细作用。 （3）气态水：即水汽，对土的性质影响不大。 （4）固态水：0以下的自由水会凝固为固态水。,3 土中气体,土的固体颗粒之间存在孔隙，没有被水填充的部分为土的气体组成。土中气体主要分为两类： （1）自由气体：与大气相通，土层受压时会逸出，一般对工程无影响。 （2）封闭气泡：与大气隔绝，一般存在于黏土中，土层受压时，封闭气泡缩小，卸荷时气泡又膨胀，形成有弹性的“橡皮土”，使土体压实困难，渗透性降低。,第三节 土的物理性质指标 土的三相分布草图：固相集中于下部，液相居中部，气相集中于上部

12、，以适当比例画成的一个草图，左侧标出各相的质量，右侧注明各相的体积。如下图所示：,第三节 土的物理性质指标 1 土的三项基本物理性质指标 2 反映土的松密程度的指标 3 反映土中含水程度的指标 4 特定条件下土的密度（重度）,1 土的三项基本物理性质指标,（1）土的密度和土的重度 物理意义 土的密度：单位体积土的质量，g/cm3。 土的重度：单位体积土所受的重力，即 = g = 9.8 10 ，kN/m3。 表达式 常见值 =1.62.2 g/cm3， =1622kN/m3。 测定方法 环刀法：适用于黏土和粉土。 灌水法：适用于卵石、砾石和原状砂。,1 土的三项基本物理性质指标,（2）土粒相对

13、密度Gs(ds) 物理意义 土粒相对密度Gs(ds) ：土中固体矿物的质量与同体积4时纯水的质量比值。 表达式 常见值 砂土 Gs =2.652.69； 粉土 Gs =2.702.71； 黏土 Gs =2.722.75。 测定方法 主要有比重瓶法和经验值。,1 土的三项基本物理性质指标,（3）土的含水率w 物理意义 土的含水率w ：土中含水的量值，数值为土中水的质量和固体矿物质量的比值，用百分数表示。 表达式 常见值 砂土 w =0%40%； 黏土 w =20%60%（w 0时，黏土呈坚硬状态）。 测定方法 主要为烘干法。,2 反映土的松密程度指标,（1）土的孔隙比e 物理意义 土的孔隙比e

14、：土中孔隙体积与固体颗粒体积之比。 表达式 常见值 砂土 e =0.51.0； 黏土 e =0.51.2。 测定方法 主要为实验测算。,2 反映土的松密程度指标,（2）土的孔隙度（孔隙率）n 物理意义 土的孔隙度（孔隙率）n ：用以表示孔隙体积的含量，即土中孔隙占土体总体积的百分比。 表达式 常见值 n=30%50%。 测定方法 主要为实验测算。,3 反映土中含水程度的指标,（1）含水率w（前面已述） （2）土的饱和度Sr 物理意义 土的饱和度Sr ：水在土体孔隙中的充满程度。 表达式 常见值 Sr=01。 测定方法 主要为实验测算。,（2）土的饱和度Sr 工程应用 主要用于量度砂土和粉土的湿

15、度。,3 反映土中含水程度的指标,4 特定条件下土的密度（重度）,（1）土的干密度d和土的干重度d 物理意义 土的干密度d：单位土体积下，干土的质量，g/cm3。 土的干重度d：单位土体积下，干土所受的重力，kN/m3。 表达式,4 特定条件下土的密度（重度）,（1）土的干密度d和土的干重度d 常见值 d=1.32.0g/cm3； d =1320kN/m3。 测定方法 主要为环刀法和放射性同位素法。 工程应用 主要用于测算土方填料的压实程度。,4 特定条件下土的密度（重度）,（2）土的饱和密度sat和土的饱和重度sat 物理意义 土的饱和密度sat ：孔隙全部充满水时，单位土体积的土的质量，g

16、/cm3。 土的饱和重度sat ：孔隙全部充满水时，单位土体积的土所受的重力，kN/m3。 表达式 常见值 sat=1.82.3g/cm3； sat =1823kN/m3。,4 特定条件下土的密度（重度）,（3）土的有效重度（浮重度） 物理意义 土的有效重度（浮重度） ：地下水位以下，土体单位体积所受的重力，再扣除浮力的部分。 表达式 式中w为水的重度，可取10kN/m3。 常见值 =813kN/m3。,土的物理性质指标汇总,第四节 土的物理状态指标 1 无黏性土的密实度 2 黏性土的物理状态指标,1 无黏性土的密实度,无黏性土为单粒结构，其最主要的物理状态指标为密实度。工程上划分密实度的标准

17、主要有如下三种： （1）以孔隙比e为标准（没有考虑粒径级配的影响） （2）以相对密度Dr为标准（克服了孔隙比的不足） 相对密度：,1 无黏性土的密实度,（3）以标准贯入实验N为标准 标准贯入实验：在现场进行的一种原位测试。 用卷扬机将质量为63.5kg的钢锤，提升76cm的高度，让钢锤自由下落，击在锤垫上，使贯入器贯入土中30cm所需的锤击数，记为N。N的大小，反映土的贯入阻力的大小，也可以表征密实度的大小。,2 黏性土的物理状态指标,黏性土颗粒很细，与土中水的作用显著。因此黏性土最主要的物理状态指标为稠度而非无黏性土的密实度。 稠度：土的软硬程度或土对外力引起变形或破坏的抵抗能力。 稠度主要

18、由以下几种分界含水率来表征。,2 黏性土的物理状态指标,（1）液限wL(%) 定义：黏性土呈液态与塑态之间的分界含水率。 测定方法：锥式液限仪和碟式液限仪。,2 黏性土的物理状态指标,（2）塑限wP(%) 定义：黏性土呈塑态与半固态之间的分界含水率。 测定方法：滚搓法和液、塑限联合测定法。 （3）缩限wS(%) 定义：黏性土呈半固态与固态之间的分界含水率。 土的含水率低于缩限后，土体积就不再随含水率降低而缩小，而是保持在一个比较恒定的状态。 测定方法：收缩皿法。,2 黏性土的物理状态指标,（4）塑性指数IP 定义：液限与塑限的差值，仅取其数值，去掉百分号。 物理意义：细粒土处于可塑状态下，含水

19、率变化的区间界限。 工程应用：用塑性指数为黏性土和粉土定名。,2 黏性土的物理状态指标,（5）液性指数IL 定义：天然含水率与塑限的差值，同液限与塑限之间的差值之比。 物理意义：液性指数又称相对稠度，反映土的软硬程度。 工程应用：根据液性指数不同，可将黏性土分为五种软硬不同的状态。,2 黏性土的物理状态指标,（6）活动度A 定义：黏性土的塑性指数与土中胶粒含量百分数的比值。 物理意义：反映黏性土中所含矿物的活动性。根据活动度的大小将黏土分为三种： A0.75 不活动黏土 0.75A1.25 正常黏土 A1.25 活动黏土,2 黏性土的物理状态指标,（7）灵敏度S t 定义：黏性土的原状土无侧限

20、抗压强度与原土结构完全破坏的重塑土（保持含水率和密度不变）无侧限抗压强度的比值。 物理意义：反映黏性土结构性的强弱。 根据灵敏度的大小将黏性土分为三类： S t4 高灵敏土 2 S t4 中灵敏土 S t2 低灵敏土,2 黏性土的物理状态指标,（7）灵敏度S t 工程应用 保护基槽：施工中遇到灵敏度高的土，应特别注意基槽。 利用触变性：使施工和建筑维护更容易、稳定、安全一些。 土的触变性：当黏性土结构受扰动时，土的强度会降低。但静置一段时间后，土的强度又会逐渐增长。,第五节 地基土的工程分类 本课程采用建筑地基基础设计规范（GB500072011）中对地基土分类标准的认定。将地基土分为以下六类

21、： 1 岩石 2 碎石土 3 砂土 粉土 黏性土 6 人工填土,1 岩 石,（1）定义 岩石：颗粒间牢固联结、呈整体或具有节理裂隙的岩体。 （2）分类 按坚固程度划分 岩石的坚硬程度应根据岩块的饱和单轴抗压强度标准值frk来衡量：,1 岩 石,按风化程度划分，可分为： 未风化：结构构造未变，岩质新鲜。 微风化：结构构造、矿物色泽基本未变，部分裂隙面有铁锰质渲染。 中等风化：结构构造部分破坏，矿物色泽有较明显的变化，裂隙面出现风化矿物或风化夹层。 强风化：结构构造出现大部分破坏，矿物色泽有较明显变化，很多出现多种次生矿物。 全风化：结构构造全部破坏。,1 岩 石,按岩石完整程度划分：（见下表）,

22、2 碎 石 土,（1）定义 碎石土：土的粒径d2mm的颗粒含量超过全重50%的土。 （2）分类依据 根据土的粒径级配中各粒组的含量和颗粒形状综合确定。 （3）定名 颗粒形状以圆形或亚圆形为主的土，由大至小分为漂石、卵石、圆砾 3 种。颗粒形状以棱角为主的土，由大至小分为块石、碎石、角砾 3 种。共计 6 种，见后页表格。,碎石土的定名,2 碎 石 土,（4）工程性质 碎石土的工程性质与其密实度紧密相关，根据密实度将碎石土分为以下四类。 密实碎石土：骨架颗粒含量大于总重的70%，呈交错排列，连续接触。 密实碎石土锹镐挖掘困难，井壁一般较稳定。钻进极困难，冲击钻探时钻杆、吊锤跳动剧烈。 密实碎石土

23、为优等地基。,2 碎 石 土,中密碎石土：骨架颗粒含量等于总重的60%70%，呈交错排列，大部分接触。 中密碎石土镐可挖掘，井壁有掉块现象，从井壁取出大颗粒处，仍能保持颗粒凹面形状。钻进较困难，冲击钻探时钻杆、吊锤跳动不剧烈。 中密碎石土为优良地基。,2 碎 石 土,稍密碎石土：骨架颗粒含量等于总重的55%60%，排列混乱，绝大多数不接触。 稍密碎石土锹可以挖掘，井壁容易坍塌，从井壁取出大颗粒后砂土立即坍落。钻进较容易，冲击钻探时，钻杆稍有跳动。 稍密碎石土为良好地基。,2 碎 石 土,松散碎石土：骨架颗粒含量小于总重的55%，排列十分混乱，绝大部分不接触。 松散碎石土锹易挖掘，井壁极易坍塌。钻进很容易，冲击钻探时，钻杆五跳动，孔壁极易坍塌。 松散碎石土不宜直接用作地基，但经密实处理后，可做良好地基。,3 砂 土,（1）定义 砂土：粒径d2 mm的颗粒含量不超过全重50%，且d0.075 mm的颗粒超过全重50%的土。 （2）分类依据 根据土的粒径级配和各粒组含量