Transcript 土力学1-物理性质
第一章 土的物理性质与工程分类 目 §1.1 §1.2 §1.3 §1.4 §1.5 §1.6 录 概述---土的形成 土的三相组成 土的三相比例指标 土的物理状态 土的分类标准及地基土的工程分类 土的压实性 §1.1 概述——土的形成 土的形成影响 土的三相组成 土的物理状态 土的结构 从而决定土的渗透特性；变形特性及强度特性 便于研究和应用土的工程分类 土的压实性 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 影响 物理力学 性质 两个名词： 基岩 覆盖土 一、风化 当沉积物暴露在大气中，风化作用可以引起土的成份逐步改变。暴 露的细粒沉积物处于干燥状态会产生收缩现象，导致风化过程的加 速。复杂的物理化学反应使软粘土地基地面表层形成类似超固结状 态的硬壳层。 无粘性土 原生矿物 物理风化 化学风化 次生矿物 生物风化 有 机 质 粘性土 土中有机质来源于动、植物遗体。土中未腐烂的有机质在有空气存在的情况下易 受细菌侵蚀。侵蚀的最终产物是一类非常复杂的有机化合物为腐殖质。有机材料 将吸收大量水，可高达自重5倍。土中的有机质使土抗剪强度降低，压缩性增大。 还妨碍水泥的凝固，对有机质含量高的土采用水泥加固需慎重。 二、搬运、剥蚀与沉积 残积土 无搬运 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 土 质 较 好 补充知识：海相沉积 重力: 坡积土 土粒粗细不同，性质不均 运积土 有搬运 流水: 匀 洪积土 有分选性，近粗远细 冲积土 浑圆度分选性明显，土层交迭 湖泊沼泽沉积土 含有机物淤泥，土性差 海相沉积物 颗粒细，表层松软，土性差 冰川: 冰积土 土粒粗细变化较大，性质不均匀 风：风积土 颗粒均匀，层厚而不具层理 §1.2 土的三相组成 土体 固相 + 液相 + 气相 次要作用 构成土骨架，起决定作用 重要影响 一、固体颗粒 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 2、土粒粒度分析---颗粒级配 颗粒大小 各粒径成分在土 中占的比例 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 (>0.1 mm) 水分法：适用于细粒土 (<0.1 mm) •表述方法 颗粒级配累积曲线 筛分法 用一套孔径不同的筛子， 按从上至下筛孔逐渐减 小放置。将事先称过质 量的烘干土样过筛，称 出留在各筛上的土质量， 然后计算其占总土粒质 量的百分数 水分仪器及试验 利用不同 大小的土 粒在水中 的沉降速 度不同来 确定小于 某粒径的 土粒含量 土的粒径级配累积 曲线 0.001 0.01 0.005 粒径(mm) 0.10 0.05 水分法 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 1.0 0.5 10 16 18 24 22 38 72 10 5.0 10 5.0 2.0 1.0 0.5 0.25 0.1 P % 95 87 78 66 55 36 小于某粒径之土质量百分数P（％） 200g 连续程度: Cc = d302 / (d60 ×d10 ) — 曲率系数 0.001 粒径(mm) d10 0.01 0.005 d60 d50 d30 0.10 0.05 不均匀程度： Cu = d60 / d10— 不均匀系数 土的粒径级配累积曲线 1.0 0.5 粗细程度： 用d50 表示 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 10 5.0 d50 : 平均粒径 d60 : 限制粒径 d10 : 有效粒径 d30 ;中值粒径 小于某粒径之土质量百分数（％） 特征粒径: Cu ≥5,级配不均匀 斜率: d30 粒径 (mm) d10 0.001 d60 0.01 0.005 Cc=1-3,级配连续性好 0.10 0.05 — 曲率系数 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 1.0 0.5 连续程度: Cc = d302 / (d60 ×d10 ) 土的粒径级配累 积曲线 小于某粒径之土质量百分数 （％） 10 5.0 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 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 < 5, 均匀土 3）曲率系数Cc用于判定土的连续程度： Cc=1－3,级配连续土；Cc>3或Cc<1,级配不连续 4）不均匀系数Cu和曲率系数Cc用于判定土的级配优劣： 如果 Cu≥5且 Cc=1－3 ， 级配良好的土； 如果 Cu <5或 Cc>3 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 次生矿物 主要是粘土矿物，包括三种类型： 高岭石、伊利石、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 伊利石 蒙脱石 比表面积：单位质量土颗粒所拥有的总表面积 提问： 1. 请问治疗小儿腹泻的药品《思密达》的 主要成分是蒙脱石的原因是什么？ 2. 在偏远农村治疗小儿腹泻常使用土坯房 上挂下来的旧泥，是什么道理？ 3. 综合以上2个问题，请问蒙脱石治疗小儿 腹泻的医学原理是什么？ 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 •原生矿物 圆状、浑圆状、棱角状 •次生矿物 针状、片状、扁平状 二、土中水（液相） 结晶水 矿物内部的水 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 结合水 强结合水: •排列致密、定向性强 •密度>1g/cm3 •冰点处于零下几十度 •具有固体的的特性 •温度高于100°C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 重力水 在重力作用下可在土中自由 流动 毛细水 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 自由水 毛细水 分析对象: 水柱 πr2hcγw=2πrTcosα • 上升高度: 2T cos hc r 毛细升高与孔径成反比 粘土、粉土、砂土、砾石 土中毛细现象 毛细压力 2πrTcosα+ucπr2 = 0 • 假定α= 0, 毛细压力 uc hc 对砂土强度的影响:毛 细边角水, 假凝聚力 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： 增加土的弹性；阻塞渗流通道 四、土的结构和构造 重塑土的强度 < 原状土的强度 土的结构 + 土的构造 影响 力学特性 土颗粒或粒团的 空间排列和相互联结 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 1、土粒间的作用力 重 力 ——土颗粒的自重形成的方向向下的力 —— 砂土 毛细力 —— 土中毛细作用形成的力 —— 细砂、粉土 胶结力 —— 土粒间的胶体物质产成的作用力 —— 粘土 颗粒表面力 —— 粘土 —— 库 仑 力： 颗粒表面的静电引力或斥力 —— 范德华力： 颗粒接触点处的分子间引力 2、土的结构 单粒结构 ---粗粒土的结构 • 粒间作用力 重力，毛细力 • 排列形式 点与点、点与面 • 矿物成分 原生矿物 示意图 蜂窝结构 ---细砂、粉粒土的结构 • 粒间作用 力 重力，表面力 • 排列形式 蜂窝状 • 矿物成分 主要是原生矿物 絮状结构 ---细粒土的结构 • 示意图 • 形成环境 • 粒间作用力 • 排列形式 • 矿物成分 淡水中沉积 海水中沉积 表面力、胶结力 表面力、胶结力 （粒间斥力占优势）（斥力减小引力增加） 边、角与面 面与面 边、角与边 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。 3、土的构造类型 层理构造 裂隙构造 §1.3 土的三相比例指标 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，从而影响了土的 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 ma=0 m Air Va Vv mw Water Vw ms Soil Vs 质量 体积 V ma=0 mw m ms Air Water Soil 质量 物性指标是比例关系: 可假设任一参数为1 共有九个参数: Va Vw V Vv Vs Va Vω / ms m ω ma m Vv Vs 体积 V 已知关系五个: m ms m ma V Vs Va V ma 0 Vv Va V m V 剩下三个独立变量 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 土单位体积的质量 ma=0 有时也称土的天然密度 表达式: ms m w m V Vs Vw Va 单位: kg/m3 或 g/cm3 m Air mw Water Vw ms Soil Vs 质量 一般范围: 1.60—2.20 g/cm3 相关指标:土的容重（重度） γ=ρg 单位: kN/m3 Va 环刀法测得 Vv 体积 V 土粒比重 表达式: 4w C 土粒的密度与4˚C时纯蒸馏水的密度的比值 Gs s 4wC ：4˚C时纯蒸馏水的密度 s: 土粒的密度，单位体积土粒的质量 ms s Vs 4w C =1.0 g/cm3 ma=0 单位: 无量纲 m Va mw Water Vw ms Soil Vs 质量 土粒比重一般范围: 粘性土 2.70—2.75 砂 土 2.65 有机质、泥炭土较小 Air Vv V 体积 比重瓶法测得 土粒比重在数值上等于土粒的密度 土的含水量 土中水的质量与土粒质量之比, 用百分数表示 表达式: m w m ms w(%) ms ms 用烘干法测得 注: 含水量可达到或超过100％ ３. 其它常用的物理性质指标—导出指标 孔隙比 表达式: 土中孔隙体积与固体颗粒 体积之比, 无量纲 Vv e Vs Air Va Water Vw Soil Vs Vv 体积 V 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: 关系: Vv n(%) V e n 1 e n e 1 n Air Water Vv=e V=1+e Soil Vs=1 体积 饱和度 土中水的体积与孔隙体积的比值 表达式: Vw Sr Vv 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 天然容重 ms m w m V Vs Vw Va g 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 ms 表达式: d V 干密度 干容重 d dg ma=0 m Air Va mw Water Vw ms Soil Vs 质量 Vv 体积 V 浮密度 浮容重 饱和密度 饱和容重 sat w sat m s w Vv V sat satg 有效容重 各种密度容重之间的大小关系： 天然密度 干密度 饱和密度 m V sat d m d s V m w Vv sat s V 天然容重 g 干容重 d dg 饱和容重 sat satg 浮容重 sat w ma=0 m Air Va mw Water Vw ms Soil Vs 质量 sat d Vv 体积 V §1.4 土的物理状态 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，从而影响了土的 力学特性。 一、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 1、天然孔隙比e或孔隙率n (砂土) 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） emax e Dr emax emin emax与emin ：最大与最小孔隙比 emax与emin ：最大与最小孔隙比 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 相对密度 emax e Dr emax emin (d d min)d max Dr (d max d min)d 砂土的密实状态指标 判别标准： Dr = 1 , Dr = 0 , Dr≤ 1/3 , 1/3 < Dr≤ 2/3 , Dr > 2/3 , 3、标准贯入锤击数N 最密状态 最松状态 疏松状态 中密状态 密实状态 （砂土、碎石土） 4、碎石土密实度的野外鉴别 二、 粘性土的物理特征 1、稠度状态与界限含水量 稠度状态 土中水的形态 含水量 固态或半固态 强结合水 塑态 流态 弱结合水 自由水 w 稠度界限 塑限ωp 液限ωl 强结合水膜最大 出现自由水 粘性土的稠度反映土中水的形态 2、粘性土的可塑性及指标 不同的粘土，ωp、ωl 大小不同 对于不同的粘土，含水量相同，稠度可能不同 （1）液性指数 定义： wp IL<0 坚硬状态 IL=0 – 1 可塑状态 IL>1 流 态 IL w 0.00 – 0.25 硬塑 0.25 - 0.75 可塑 0.75 – 1.00 软塑 p L p wl 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 （2）塑性指数 Ip L p ——吸附结合水的能力；粘性大小；大致反映 粘土颗粒含量 三、反映粘性土结构性的指标 1. 粘性土的结构性概念 原状土具有结构性，具有相同的含水量和密度， 经过粉碎/重塑后，变为重塑土，强度降低。 2. 粘性土的灵敏度St qu St qu = 原状土的无侧限抗压强 度 重塑土的无侧限抗压强 度 qu qu 3 0 相同含水量、密度 3. 粘性土的触变性 ▼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。 4. 粘性土的胀缩性、湿陷性、冻胀性 §1.5 土的工程分类 目的： 依据： 便于研究及应用 能反映土的物理力学性质－ 建筑地基基础设计规范-GB50007分类法 水电部SD128-48分类法 公路土工试验规程JTJ051-93分类法 土的组成 土的状态 土的结构 建筑地基基础设计规范-GB50007-2002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 碎 石 土 土的名称 颗粒形状 粒组含量 漂石 块石 圆形及亚圆形为主 棱角形为主 粒径大于200mm的颗 粒超过全质量50% 卵石 碎石 圆形及亚圆形为主 棱角形为主 粒径大于20mm的颗 粒超过全质量50% 圆砾 角砾 圆形及亚圆形为主 棱角形为主 粒径大于2mm的颗 粒超过全质量50% 砂 土 土的名称 砾 砂 粗 砂 中 砂 细 砂 粉 砂 粒组含量 粒径大于2mm的颗粒 占全质量25 -- 50% 粒径大于0.5mm的颗 粒超过全质量50% 粒径大于0.25mm的 颗粒超过全质量50% 粒径大于0.075mm的 颗粒超过全质量85% 粒径大于0.075mm的 颗粒超过全质量50% 粉 土 粘性土 粒径大于0.075mm的颗粒含量小于 全质量50%而塑性指数Ip≤10的土 塑性指数Ip>10的土 10<Ip≤17的土 Ip>17的土 粉质粘土 粘土 液塑限联合测定仪 下沉深度为17mm所对应的含水量为液限;下沉深度为 2mm处所对应的含水量为塑限 自学内容： 水电部SD128-48分类法 公路土工试验规程JTJ051-93分类法 工程地质分类法 §1.6 土的压实性 压实：指通过夯打、振动、碾压等，使土体变得密 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 一、室内击实试验 • 试验设备 击实筒V=1000cm3；击实锤w=2.5牛顿 • 试验条件 土样分层n=3层；落高d=30cm；击数 N=27/层 • 击实能量 wdNn E 607.5KN m / m 3 V • 试验方法 对ω=cosnst的土；分三层压实； 测定击实后的ω、ρ，算定ρd 土 二、细粒土的压实性 1.击实曲线 特点： d (d )sat 2.0 干密度d(g/cm3) ①具有峰值，即最大干密度 与最优含水量 ②位于饱和曲线之下 dmax=1.86 1.8 1.6 1.4 0 4 wop=12.1 8 12 16 20 含水量w(%) 24 28 粘性土K很小，压实过程中含水 量几乎不变，要想击实到饱和 状态是不可能的。 G s w d 1 G s w / Sr 若 Sr 1 G s w (d )sat 1 Gsw 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 当ω ωop, ρ d ρdmax •水膜润滑作用效果最佳; •尚没有形成封闭气泡，气易于排出; 当ω< ωop , ρ d< ρdmax •颗粒表面水膜很薄，相对移动困难 当ω> ωop , ρ d< ρdmax •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 3. 影响因素 d a. 击实功能 N 50 N 30 N 10 E , op 减小, d , max b. 土的级配 d E const 3 2 1 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ωop，在填土施工中应 该将土料的含水量控制在ωop左右，以期得到 ρdmax，通常取 op (2 3%) b. 工程上常采用压实度Dc控制（作为填方密度控 制标准） 填土的干密度 Dc 100% 室内标准击实试验的 d max 三、粗粒土的压实性 1. 压实特点 ①不存在最优含水量； ②在完全风干和饱和两种状态下易于击实； ③潮湿状态下ρd明显降低。 粗砂 ω =4~5% 中砂 ω=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 Dr>0.7－0.75 ▼施工过程中要么风干，要么就充分洒水， 使土料饱和