土力學(xué)之土的工程分類PPT演示課件

1、1,第二章 土的物理性質(zhì)及工程分類,2.1概述 2.2土的成因和組成 2.3土的物理性質(zhì)指標(biāo) 2.4無粘性土的密實(shí)度 2.5粘性土的物理特性 2.6土的滲透及滲流 2.7土的動(dòng)力特性 2.8地基土的工程分類,主要內(nèi)容,2,土的物理性質(zhì)概述,巖石,風(fēng)化（物理、化學(xué)）作用,巖石破碎 化學(xué)成分改變,搬運(yùn)沉積,大小、形狀和成分都不相同的松散顆粒集合體（土,土,固相,液相,氣相,土中顆粒的大小、成分及三相之間的相互作用和比例關(guān)系，反映出土的不同性質(zhì),2.1 概述,3,2.2 土的成因和組成,一、土的組成,1.土粒的礦物成分,原生礦物,由巖石經(jīng)過物理風(fēng)化形成，其礦物成分與母巖相同,特征,礦物成分的性質(zhì)較穩(wěn)

2、定，由其組成的土具有無粘性、透水性較大、壓縮性較低的特點(diǎn),例：石英、云母、長石等,一）土的固體顆粒,4,次生礦物,特征,巖石經(jīng)化學(xué)風(fēng)化后所形成的新的礦物，其成分與母巖不相同,例：粘土礦物有高嶺石、伊利石、蒙脫石等,性質(zhì)較不穩(wěn)定，具有較強(qiáng)的親水性，遇水易膨脹的特點(diǎn),2.土粒粒組,粒度：土粒的大小,粒組：大小、性質(zhì)相近的土粒合并為一組,界限粒徑：劃分粒組的分界尺寸,蒙 脫 石,5,粒組劃分示意圖,3.土的顆粒級配,定義：通常以土中各個(gè)粒組的相對含量（即各粒組占土?？偭康陌俜?jǐn)?shù)）來表示，稱為土的顆粒級配,試驗(yàn)方法,篩分法：適用于0.075mmd60mm,比重計(jì)法:適用于d0.075mm,6,篩分法,

3、用一套孔徑不同的篩子，按從上至下篩孔逐漸減小放置。將事先稱過質(zhì)量的烘干土樣過篩，稱出留在各篩上的土質(zhì)量，然后計(jì)算其占總土粒質(zhì)量的百分?jǐn)?shù),7,篩分法（d0.075mm的土,8,密度計(jì)法（d0.075mm的土,9,表格法,表示方法,表格法,顆粒級配曲線法,10,顆粒粒徑級配曲線,縱坐標(biāo)表示小于某粒徑的土粒含量百分比,橫坐標(biāo)表示土粒的粒徑(對數(shù)坐標(biāo),11,顆粒級配的描述,工程上常用不均勻系數(shù)Cu描述顆粒級配的不均勻程度,d10、d30、d60小于某粒徑的土粒含量為10%、 30%和60%時(shí)所對應(yīng)的粒徑,Cu愈大，表示土粒愈不均勻。工程上把Cu5的土視為級配不良的土； Cu10的土視為級配良好的土,曲

4、率系數(shù)Cc描述顆粒級配曲線整體形態(tài)，表明某粒組是否缺失情況,對于礫類土或砂類土，同時(shí)滿足Cu5和Cc=13時(shí)，定名為良好級配砂或良好級配礫,12,水,固態(tài)水,液態(tài)水,氣態(tài)水,結(jié)合水,自由水,強(qiáng)結(jié)合水,弱結(jié)合水,重力水,毛細(xì)水,1.土中水的存在形態(tài),受電分子吸引力作用吸附于土粒表面的土中水,存在于土粒表面電場影響范圍以外的土中水,存在地下水位以下、土顆粒電分子引力以外的水,受到水與空氣表面張力的作用，地下水位以上的透水層中的自由水,二）土中的水,13,土中毛細(xì)現(xiàn)象,上升高度,r2hcw=2rTcos,毛細(xì)水,毛細(xì)升高與孔徑成反比,分析對象: 水柱,粘土、粉土、砂土、礫石,毛細(xì)水：是受到水與空氣交

5、界面處表面張力作用、存在地下水位以上的透水層中的水,毛細(xì)現(xiàn)象: 土中水在表面張力作用下，沿著細(xì)的空隙向上及向其他方向移動(dòng)的現(xiàn)象,14,土中氣體存在于土孔隙中未被水占據(jù)的部分，分為與大氣連通的非封閉氣體和與大氣不連通的封閉氣體,1.非封閉氣體：受外荷作用時(shí)被擠出土體外，對土的性質(zhì)影響不大,2.封閉氣體：受外荷作用，不能逸出，被壓縮或溶解于水中，壓力減小時(shí)能有所復(fù)原，對土的性質(zhì)有較大的影響，使土的滲透性減小，彈性增大和延長土體受力后變形達(dá)到穩(wěn)定的歷時(shí),三、 土中的氣體,15,粘土顆粒,水分子,極 性,16,雙電層與擴(kuò)散層,結(jié)合水概念 強(qiáng)結(jié)合水、弱結(jié)合水 雙電層概念,水分子,極 性,2.2.2.2粘

6、土顆粒與水的相互作用,17,2.2.2.4 土的凍脹,1）凍脹現(xiàn)象：某些細(xì)粒土層隨著土中水的凍結(jié)，土體產(chǎn)生體積膨脹，這種現(xiàn)象稱為凍脹現(xiàn)象,土層發(fā)生凍脹的原因，不僅是由于水分凍結(jié)成水時(shí)其體積要增大9的緣故，而主要是由于土層凍結(jié)時(shí)，周圍未凍結(jié)區(qū)中的水分會向表層凍結(jié)區(qū)遷移集聚，使凍結(jié)區(qū)土層中的水分增加，凍結(jié)的水分逐漸增多，土體積也隨之發(fā)生膨脹隆起,2）融陷現(xiàn)象：當(dāng)土層解凍時(shí)，土中積聚的冰晶體融化，土體隨之下陷，這種現(xiàn)象稱為融陷現(xiàn)象,18,3凍土現(xiàn)象對工程的危害 （1）凍脹時(shí)，路基被隆起，柔性路面鼓包、開裂，剛性路面錯(cuò)縫或折斷； （2）修建在凍土上的建筑物，凍脹引起建筑物的開裂、傾斜甚至輕型構(gòu)筑物倒塌

7、； （3）發(fā)生融陷后，路基土在車輛反復(fù)碾壓下，輕者路面變得松軟，重者路面翻漿。 （4）季節(jié)性凍土地區(qū)，當(dāng)土層解凍融化后，土層軟化，強(qiáng)度大大降低，使得房屋、橋梁和涵管等發(fā)生過量沉降和不均勻沉降，引起建筑物的開裂破壞。 因此，凍土現(xiàn)象必須引起注意，并采取必要的防治措施,19,2.2.3土的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造,在成土過程中所形成的土粒的空間排列及其聯(lián)結(jié)形式，與組成土的顆粒大小、顆粒形狀、礦物成分和沉積條件有關(guān),1.單粒結(jié)構(gòu)：粗礦物顆粒在水或空氣中在自重作用下沉落形成的單粒結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是土粒間存在點(diǎn)與點(diǎn)的接觸。根據(jù)形成條件不同，可分為疏松狀態(tài)和密實(shí)狀態(tài),土的結(jié)構(gòu),強(qiáng)度大，壓縮性小,土粒易移動(dòng)，變形大,20,2

8、.蜂窩結(jié)構(gòu)：顆粒間點(diǎn)與點(diǎn)接觸，由于彼此之間引力大于重力，接觸后，不再繼續(xù)下沉，形成鏈環(huán)單位,很多鏈環(huán)聯(lián)結(jié)起來，形成孔隙較大的蜂窩狀結(jié)構(gòu),3.絮狀結(jié)構(gòu)：細(xì)微粘粒大都呈針狀或片狀，質(zhì)量極輕，在水中處于懸浮狀態(tài)。當(dāng)懸液介質(zhì)發(fā)生變化時(shí)，土粒表面的弱結(jié)合水厚度減薄，粘粒互相接近，凝聚成絮狀物下沉，形成孔隙較大的絮狀結(jié)構(gòu),21,土的構(gòu)造,土的構(gòu)造是指在同一土層中的物質(zhì)成分和顆粒大小等都相近的各部分之間的相互關(guān)系的特征。主要特征是土的成層性和裂隙性,即層理構(gòu)造和裂隙構(gòu)造，二者都造成了土的不均勻性,1.層理構(gòu)造：土粒在沉積過程中,由于不同階段沉積的物質(zhì)成分、顆粒大小或顏色不同,而沿豎向呈現(xiàn)出成層特征,2.裂隙

9、構(gòu)造：土體被許多不連續(xù)的小裂隙所分割,在裂隙中常充填有各種鹽類的沉淀物,22,2.3 土的物理性質(zhì)指標(biāo),一、土的三相圖,質(zhì)量m,體積V,2.3.1 三個(gè)基本試驗(yàn)指標(biāo),1.土的密度：單位體積土的質(zhì)量,工程中常用重度來表示單位體積土的重力,重力加速度，近似取10m/s2,2.土粒相對密度ds（土粒比重）：土粒質(zhì)量與同體積的4時(shí)純水的質(zhì)量之比,土粒相對密度變化范圍不大：細(xì)粒土（粘性土）一般2.702.75；砂土一般為2.65左右。土中有機(jī)質(zhì)含量增加，土粒相對密度減小,2.3.1 指標(biāo)的定義,23,3.土的含水量：土中水的質(zhì)量與土粒質(zhì)量之比，以百分?jǐn)?shù)表示,土的含水量是標(biāo)志土含水程度的一個(gè)重要物理指標(biāo)。

10、天然土層含水量變化范圍較大，與土的種類、埋藏條件及其所處的自然地理環(huán)境等有關(guān),測定方法：通常用烘干法，亦可近似用酒精燃燒法,24,不同狀態(tài)下土的密度和重度,2）飽和密度sat ：土體中孔隙完全被水充滿時(shí)的土的密度,1）干密度d ：單位體積中固體顆粒部分的質(zhì)量,3）浮密度 ：土單位體積內(nèi)土粒質(zhì)量與同體積水的質(zhì)量之差,土的三相比例指標(biāo)中的質(zhì)量密度指標(biāo)共有4個(gè)，土的密度，飽和密度sat，干密度d，浮密度 (kg/m3),相應(yīng)的重度指標(biāo)也有4個(gè)，土的重度，飽和重度sat，干重度d，浮重度 (kN/m3,2.3.1.2 反映土單位體積質(zhì)量的指標(biāo)（換算指標(biāo),25,2.3.1.3 反映土的孔隙特征、含水程度

11、的指標(biāo),1.孔隙比e和孔隙率n,孔隙比e ：土中孔隙體積與土粒體積之比,2.土的飽和度Sr ：土中孔隙水的體積與孔隙總體積之比，以百分?jǐn)?shù)表示,飽和度描述土中孔隙被水充滿的程度。干土Sr=0,飽和土Sr=100%。砂土根據(jù)飽和度分為三種狀態(tài),孔隙率n ：土中孔隙體積與總體積之比，以百分?jǐn)?shù)表示,Sr50%稍濕； 50Sr80%很濕； Sr80%飽和,26,2.3.2 指標(biāo)間的換算,質(zhì)量m,體積V,土的三相指標(biāo)中，土粒比重ds ，含水量和密度是通過試驗(yàn)測定的，可以根據(jù)三個(gè)基本指標(biāo)換算出其余各指標(biāo),推導(dǎo),換算關(guān)系式,27,2.4 無粘性土的密實(shí)度,一、無粘性土的密實(shí)度,土的密實(shí)度指單位體積土中固體顆粒

12、的含量。根據(jù)土顆粒含量的多少，天然狀態(tài)下的砂、碎石等處于從緊密到松散的不同物理狀態(tài)。無粘性土的密實(shí)度與其工程性質(zhì)有著密切關(guān)系,1.孔隙比e,孔隙比e可以用來表示砂土的密實(shí)度。對于同一種土，當(dāng)孔隙比小于某一限度時(shí)，處于密實(shí)狀態(tài)?？紫侗扔螅劣缮?2.相對密實(shí)度Dr,砂土在天然狀態(tài)下孔隙比,砂土在最密實(shí)狀態(tài)時(shí)的孔隙比,砂土在最松散狀態(tài)時(shí)的孔隙比,28,當(dāng)Dr=0時(shí)， e=emax ，表示土處于最疏松狀態(tài);當(dāng)Dr=1.0時(shí)， e=emin ，表示土體處于最密實(shí)狀態(tài),3.按標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)確定無粘性土的密實(shí)度,Dr1/3,疏松狀態(tài),1/3Dr2/3,中密狀態(tài),2/3Dr1,密實(shí)狀態(tài),天然砂土的密實(shí)度，

13、可按原位標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)的錘擊數(shù)N進(jìn)行評定。天然碎石土的密實(shí)度，可按原位重型圓錐動(dòng)力觸探的錘擊數(shù)N63.5進(jìn)行評定(GB50007-2002,29,標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn) （Standard Penetration Test,標(biāo)準(zhǔn)貫入數(shù) N63.5,錘 重：63.5kg,落 距：760mm,打入深度：300mm,設(shè)備主要: 由標(biāo)準(zhǔn)貫入器、觸探桿和穿心錘,30,貫入時(shí)，穿心錘落距為76厘米，使其自由下落，將貫入器直打入土層中15厘米。以后每打入土層30厘米的錘擊數(shù)，即為實(shí)測錘擊數(shù)N。 提出貫入器，取出貫入器中的土樣進(jìn)行鑒別描述,31,2.5.1、粘性土的界限含水量 粘性土從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N狀態(tài)的分界含水量

14、稱為界限含水量。 四種狀態(tài)：固態(tài) 半固態(tài) 可塑狀態(tài) 流動(dòng)狀態(tài),粘性土就是指具有可塑狀態(tài)性質(zhì)的土。 可塑性：土在外力作用下，可塑成任何形狀而不發(fā)裂，當(dāng)外力卸除后仍能保持已有的形狀。 含水量對粘性土的工程性質(zhì)有著極大的影響,2.5 粘性土的物理特性,32,0,固態(tài)或半固態(tài),可塑狀態(tài),流動(dòng)狀態(tài),塑限P,液限L,粘性土由某一種狀態(tài)過渡到另一狀態(tài)的界限含水量稱為土的稠度界限,液塑限測定根據(jù)土工試驗(yàn)規(guī)程(SL237-007-1999)規(guī)定，采用液塑限聯(lián)合測定儀進(jìn)行測定,稠度是指土的軟硬程度或土受外力作用所引起變形或破壞的抵抗能力,是粘性土最主要的物理狀態(tài)特征,33,液塑限聯(lián)合測定儀,下沉深度為17mm所對

15、應(yīng)的含水量為液限;下沉深度為2mm處所對應(yīng)的含水量為塑限,34,2.5.2 粘性土的塑性指數(shù)和液性指數(shù),塑性指數(shù)IP是液限和塑限的差值(省去%)，即土處在可塑狀態(tài)的含水量變化范圍,說明：塑性指數(shù)的大小取決于土顆粒吸附結(jié)合水的能力,即與土中粘粒含量有關(guān)。粘粒含量越多,塑性指數(shù)就越高,說明：液性指數(shù)表征土的天然含水量與界限含水量間的相對關(guān)系。當(dāng)IL0時(shí),P,土處于堅(jiān)硬狀態(tài);當(dāng)IL1時(shí),L,土處于流動(dòng)狀態(tài)。根據(jù)IL值可以直接判定土的軟硬狀態(tài),液性指數(shù)IL是粘性土的天然含水量和塑限的差值與塑性指數(shù)之比,35,2.5.3 粘性土的靈敏度和觸變性,1. 粘性土的結(jié)構(gòu)性概念,原狀土具有結(jié)構(gòu)性，具有相同的含水

16、量和密度， 經(jīng)過粉碎/重塑后，變?yōu)橹厮芡粒瑥?qiáng)度降低,2. 粘性土的靈敏度St,原狀土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度,重塑土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度,36,含水量不變，密度不變，因重塑而強(qiáng)度降低，又因靜置而逐漸強(qiáng)化，強(qiáng)度逐漸恢復(fù)的現(xiàn)象，稱為觸變性。 土的觸變性是土結(jié)構(gòu)中聯(lián)結(jié)形態(tài)發(fā)生變化引起的，是土結(jié)構(gòu)隨時(shí)間變化的宏觀表現(xiàn)。 目前尚沒有合理的描述土觸變性的方法和指標(biāo),3. 粘性土的觸變性,4. 粘性土的脹縮性、濕陷性、凍脹性,37,液限、塑限聯(lián)合測定法,一）試驗(yàn)?zāi)康?測定粘性土的液限L和塑限p，并由此計(jì)算塑性指數(shù)Ip 、液性指數(shù)IL，進(jìn)行粘性土的定名及判別粘性土的軟硬程度,二）試驗(yàn)原理 液限、塑限聯(lián)合測定法是根據(jù)圓錐儀

17、的圓錐入土深度與其相應(yīng)的含水率在雙對數(shù)坐標(biāo)上具有線性關(guān)系的特性來進(jìn)行的。利用圓錐質(zhì)量為76g的液塑限聯(lián)合測定儀測得土在不同含水率時(shí)的圓錐入土深度，并繪制其關(guān)系直線圖，在圖上查得圓錐下沉深度為17mm所對應(yīng)得含水率即為液限，查得圓錐下沉深度為2mm所對應(yīng)的含水率即為塑限,38,三）試驗(yàn)設(shè)備 1液塑限聯(lián)合測定儀：如附圖，有電磁吸錐、測讀裝置、升降支座等，圓錐質(zhì) 量76g，錐角30，試樣杯等； 2天平：稱量200g，分度值0.01g； 3其它：調(diào)土刀、不銹鋼杯、凡士林、稱量盒、烘箱、干燥器等,39,40,四）操作步驟 1土樣制備：當(dāng)采用風(fēng)干土樣時(shí)，取通過0.5mm篩的代表性土樣約200g，分成三份，

18、分別放入不銹鋼杯中，加入不同數(shù)量的水，然后按下沉深度約為45mm，911mm，1517mm范圍制備不同稠度的試樣。 2裝土入杯：將制備的試樣調(diào)拌均勻，填入試樣杯中，填滿后用刮土刀刮平表面，然后將試樣杯放在聯(lián)合測定儀的升降座上。 3接通電源：在圓錐儀錐尖上涂抹一薄層凡士林，接通電源，使電磁鐵吸住圓錐,41,4測讀深度：調(diào)整升降座，使錐尖剛好與試樣面接觸，切斷電源使電磁鐵失磁，圓錐儀在自重下沉入試樣，經(jīng)5秒鐘后測讀圓錐下沉深度。 5測含水量：取出試樣杯，測定試樣的含水量。重復(fù)以上步驟，測定另兩個(gè)試樣的圓錐下沉深度和含水量,42,五）試驗(yàn)注意事項(xiàng) 1土樣分層裝杯時(shí)，注意土中不能留有空隙。 2每種含水量設(shè)三個(gè)測點(diǎn)，取平均值作為這種含水量所對應(yīng)土的圓錐