土力學(xué)-第二章-土的工程性質(zhì)及工程分類

1、土力學(xué)第二章 土的性質(zhì)及工程分類主講教師：張成興第二章 土的性質(zhì)及工程分類2.1 概述2.2 土的三相組成及土的結(jié)構(gòu)2.3 土的物理性質(zhì)指標(biāo)2.4 無粘性土的密實度2.5 粘性土的物理特性2.6 土的滲透性2.7 土的壓實原理2.8 地基土的工程分類土是指： 連續(xù)堅固的巖石在風(fēng)化作用下形成的大小懸殊的顆粒，經(jīng)過不同的搬運方式，在各種自然環(huán)境中生成的沉積物。風(fēng)化巖石地球顆粒堆積物地球搬運、沉積2.1 概 述 什么是土？卵 石粘土砂 礫石料 一般固體： 液體： 土體（散粒）：可保持固定的形狀不具有特定的形狀具有一定但不固定的形狀碎散性土有哪些特點？非連續(xù)介質(zhì) 受力以后易變形 體積變化主要是孔隙變化

2、 剪切變形主要由顆粒 相對位移引起 強度低巖石風(fēng)化的產(chǎn)物多相介質(zhì)三相性（三相體系）土有哪些特點？固相土骨架液相水氣相空氣天然性（自然變異性）自然界的產(chǎn)物土有哪些特點？非均勻性各向異性結(jié)構(gòu)性時空變異性碎散性三相性天然性力學(xué)特性復(fù)雜 變形特性 強度特性 滲透特性土有哪些特點？氣相固相液相+構(gòu)成土骨架，起決定作用重要影響土體次要作用2.2 土的三相組成及土的結(jié)構(gòu)一. 固體顆粒物理力學(xué)特性組成情況礦物成分大小和形狀 2.2 土的三相組成及土的結(jié)構(gòu)2.2.1 土的固體顆粒礦物成分原生礦物 石英、長石、云母次生礦物 主要是粘土礦物，包括三種類型 高嶺石、伊利石、蒙脫石粘土礦物:復(fù)合的鋁-硅酸鹽晶體，顆粒程

3、片狀。由硅片和鋁片構(gòu)成的晶胞所組合而成土的固體顆粒物質(zhì)分為無機礦物顆粒和有機質(zhì)硅片的結(jié)構(gòu)基本單元：硅-氧四面體2.2.1 土的固體顆粒礦物成分鋁片的結(jié)構(gòu)基本單元：鋁-氫氧八面體2.2.1 土的固體顆粒礦物成分高嶺石（氫鍵聯(lián)結(jié)）粘土礦物的結(jié)晶格架蒙脫石伊利石粒徑比表面積脹 縮 性強度壓 縮 性大10-20m2/g小大小中80-100m2/g中中中小800m2/g大小大9克蒙脫石的總表面積大約與一個足球場一樣大砂粒與粘粒 原生礦物 圓狀、渾圓狀、棱角狀次生礦物 針狀、片狀、扁平狀2.2.1 土的固體顆粒顆粒形狀2.2.1 土的固體顆粒粒組粒徑：顆粒的大小通常以直徑表示。稱為粒徑（mm）或粒度。粒組

4、：工程上常把大小、性質(zhì)相近的土粒合并為一組，稱為粒組。劃分粒組的分界尺寸稱為界限粒徑。2.2.1 土的固體顆粒粒組土顆粒巨粒(200mm)粗粒(0.075200mm)細粒(0.075mm)卵石或碎石顆粒 (20200mm)圓礫或角礫顆粒 (220mm)砂 (0.0752mm)粉粒(0.0050.075mm)粘粒(5 ，Cc13 2.2.1 土的固體顆粒顆粒級配分析方法顆粒分析試驗 篩分法：粒徑600.075mm 靜水沉降法（沉降分析法）：粒徑0.075mm2.2.1 土的固體顆粒篩分法篩分法篩析機2.2.1 土的固體顆粒比重瓶法2.2.1 土的固體顆粒比重瓶法105.02.01.00.50.2

5、50.1200g101618242238721009080706050403020100小于某粒徑之土質(zhì)量百分?jǐn)?shù)P（）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒徑(mm)P%958778665536土的粒徑級配累積曲線水分法顆粒級配粒徑級配累積曲線及指標(biāo)的用途：1）粒組含量用于土的分類定名；2）不均勻系數(shù)Cu用于判定土的不均勻程度： Cu 5, 不均勻土； Cu 3 或 Cc 1,級配不連續(xù)土4）不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc用于判定土的級配優(yōu)劣： 如果 Cu 5且 C c = 1 3 ， 級配 良好的土； 如果 Cu 3 或 Cc 0.670.33Dr 0.67030

6、30N1515N10N10 碎石土的密實度 碎石土更不宜取得原狀土樣，也難于將貫入器擊入其中。對這類土可在現(xiàn)場進行觀察,根據(jù)其骨架顆粒含量、排列、可挖性及可鉆性鑒別。將碎石土分為密實、中密、稍密、松散四種。 2.4 無粘性土的密實度野外觀測法松散55%，絕大部分不接觸鍬易挖掘，井壁極易坍塌鉆進很容易，沖擊鉆探時，鉆桿無跳動，孔壁易坍塌2.5 粘性土的物理特性流動狀態(tài)可塑狀態(tài)固體狀態(tài) 半固體狀態(tài) 剛沉積的粘土，本身不能保持其形態(tài)，極易流動 外力作用可塑成任何形狀而不產(chǎn)生裂縫，當(dāng)在外力去掉后仍能保持已獲得的形狀不變水分蒸發(fā)，上覆沉積層厚度增加，含水率減小，體積收縮。 含水率減小,喪失可塑性，在外力

7、作用下，易于發(fā)生破裂。 體積不再收縮，空氣進入土體，土的顏色變淡。固態(tài)或半固態(tài)塑態(tài) 流態(tài) 強結(jié)合水弱結(jié)合水自由水含水量w土顆粒強結(jié)合水弱結(jié)合水土顆粒強結(jié)合水土顆粒自由水弱結(jié)合水強結(jié)合水2.5.1 粘性土的稠度與界限含水量粘性土0 ws w p w L固態(tài)半固態(tài)可塑狀態(tài)流動狀態(tài)塑限液限縮限粘性土的界限含水量： 同一種粘性土隨其含水量的不同，而分別處于固態(tài)、半固態(tài)、可塑狀態(tài)及流動狀態(tài)。由一種狀態(tài)轉(zhuǎn)變到另一種狀態(tài)的分界含水量，叫界限含水量。瑞典科學(xué)家阿特堡（Atterberg 1911）提出，這些界限含水量又稱為阿特堡界限。界限含水量的測定方法： 塑限：搓條法 液限：錐式液限儀（碟式液限儀）。2.5

8、.1 粘性土的稠度與界限含水量0 ws wp w L固態(tài)半固態(tài)可塑狀態(tài)流動狀態(tài)塑限液限縮限 搓條法 錐式液限儀2.5.1 粘性土的稠度與界限含水量可塑性是粘性土區(qū)別于砂土的重要特征，可塑性的大小用土處在可塑狀態(tài)時的含水量的變化范圍來衡量，從液限到塑限含水量的變化范圍越大，土的可塑性越好。塑性指數(shù)：指液限和塑限的差值（省去%號），即土處在可塑狀態(tài)的含水量變化范圍，用IP表示。 塑性指數(shù)越大，表明土的顆粒越細，比表面積越大，土的粘?；蛴H水礦物含量越高，土處在可塑狀態(tài)的含水量變化范圍越廣。亦即塑性指數(shù)能綜合反映土的礦物成分和顆粒大小的影響，故塑性指數(shù)常作為工程上對粘性土進行分類的依據(jù)。2.5.2 粘

9、性土的塑性指數(shù)與液性指數(shù)IP粘粒含量蒙脫石高嶺石伊利石蒙脫石粘粒含量IPIP與礦物成分的關(guān)系2.5.2 粘性土的塑性指數(shù)與液性指數(shù)2.5.2 粘性土的塑性指數(shù)與液性指數(shù)液性指數(shù)：粘性土的天然含水量和塑限的差值與塑性指數(shù)之比，用IL表示。即 液性指數(shù)表征天然含水量與界限含水量間的相對關(guān)系，可塑狀態(tài)的土的液性指數(shù)在01之間；液性指數(shù)大于1，處于流動狀態(tài)；液性指數(shù)小于0，土處于固態(tài)或半固體狀態(tài)。 天然含水量對粘性土的狀態(tài)有很大影響，但對于不同的土，即使具有相同的含水量，如果它們的塑限、液限不同，所處的狀態(tài)也不同，需要一個表征土的天然含水量與分界含水量之間相對關(guān)系的指標(biāo)。2.5.2 粘性土的塑性指數(shù)與

10、液性指數(shù)狀態(tài)堅硬硬塑可塑軟塑流塑液性指數(shù)IL 000.250.250.750.751.0IL 1.0 建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范（GB50007-2002）規(guī)定，粘性土根據(jù)液性指數(shù)可劃分為堅硬、硬塑、可塑、軟塑、流塑五種軟硬狀態(tài)。2.5.2 粘性土的塑性指數(shù)與液性指數(shù)注 意 由于液限和塑限目前都是用擾動土測定的，土的結(jié)構(gòu)已徹底破壞，而天然土一般在自重作用已有很長的歷史，它獲得了一定的結(jié)構(gòu)強度，以至于土的天然含水率大于它的液限也未必一定會發(fā)生流動。含水率大于液限只是意味著：若土的結(jié)構(gòu)遭到破壞，它將轉(zhuǎn)變?yōu)檎硿酀{。2.5.2 粘性土的天然稠度 在公路建設(shè)中，有時還用稠度來區(qū)分粘性土的狀態(tài)。土的液限與天然

11、含水量之差和塑性指數(shù)之比，稱為土的天然稠度。 天然狀態(tài)的粘性土當(dāng)受擾動后，其強度降低、壓縮性增大。土的結(jié)構(gòu)性對強度的這種影響，可用靈敏度 衡量：式中qu，qu 原狀、重塑試樣的無側(cè)限抗壓強度。2.5.3 粘性土的靈敏度和觸變性2.5.3 粘性土的靈敏度與觸變性 土的靈敏度越高，其結(jié)構(gòu)性越強，受擾動后的強度降低就越明顯。為此，在基礎(chǔ)工程施工中必須注意保護基槽，盡量減少對土結(jié)構(gòu)的擾動。根據(jù)靈敏度將飽和粘性土分為：低靈敏中等靈敏高靈敏1 St 2 2 42.5.3 粘性土的靈敏度與觸變性觸變性：飽和粘性土當(dāng)受擾動后，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，其強度降低，但當(dāng)擾動停止后，土的強度又隨時間增大，這種特性稱為觸變性。

12、 粘性土結(jié)構(gòu)遭到破壞，強度降低，但隨時間發(fā)展土體強度恢復(fù)的膠體化學(xué)性質(zhì)稱為土的觸變性。2.7 土的壓實性及動力特性土的壓實性指土體在壓實能量作用下，土顆?？朔ｉg阻力產(chǎn)生位移，使土中孔隙減小，密度增加的這種性質(zhì)。土工建筑物，如土壩、土堤及道路填方是用土作為建筑材料填筑而成，為了保證填土有足夠的強度，較小的壓縮性和透水性。在施工中常常需要壓密填料，以提高土的密實度和均勻性。填土的密實度常以其干密度來表示。壓實方法：碾壓法，夯實法，振動三類。工程實踐表明，對于過濕或者過干的粘性土土體都難以壓實。只有在適當(dāng)?shù)暮糠秶鷥?nèi)才能壓實。在一定的壓實功（能）下使土最容易壓實，并能達到最大密實度時的含水量稱為

13、土的最優(yōu)或最佳含水量，與其相對應(yīng)的干密度則稱為最大干密度。2.7 土的壓實性及動力特性壓實原理：可以用結(jié)合水膜潤滑理論及電化學(xué)性質(zhì)來解釋。 粘性土中含水量較低，土較干時，土粒表面的結(jié)合水膜較薄，水處于強結(jié)合水狀態(tài)，土粒間距較小，粒間電作用力以引力占優(yōu)勢，土粒之間的摩擦力，粘結(jié)力都很大，所以土粒相對位移時阻力大，盡管有擊實功作用，但也較難克服這種阻力，因此壓實效果差。 隨著含水量的增加，結(jié)合水膜增厚，土粒間距也逐漸增加，此時斥力增加而使土塊變軟，引力相對減小，壓實功比較容易克服粒間引力而使土粒相互位移，趨于密實，壓實效果好。 含水量繼續(xù)增加時，粒間引力減小，但土中出現(xiàn)了自由水，水占據(jù)體積越大，顆

14、粒能夠占據(jù)的相對體積就越小，擊實過程中過多的水分不易排出，阻止土粒移動，所以干密度會變小，擊實效果反而下降。2.7.1 土的壓實原理擊實試驗輕型：粒徑小于5毫米重型：粒徑小于20毫米25下，分三層擊實56下，分5層擊實2.7 土的壓實原理擊實儀峰值：土的干密度隨含水量的變化而變化，并在擊實曲線上出現(xiàn)一個干密度峰值，只有當(dāng)土的含水量達到最優(yōu)含水量時，才能得到這個峰值。擊實曲線位于理論飽和曲線左邊擊實曲線的形態(tài)。擊實曲線在最優(yōu)含水量兩側(cè)左陡右緩，且大致與飽和曲線平行，表明土在最優(yōu)含水量偏干狀態(tài)時，含水量對土的密實度影響更為明顯。2.7.2 影響擊實效果的因素含水量的影響擊實功能的影響土的性質(zhì)含水率

15、的影響當(dāng)含水率較小時，土的干密度隨著含水率的增加而增大，而當(dāng)干密度增加到某一值后，含水率繼續(xù)增加反而使干密度減小。干密度的這一最大值稱為該擊數(shù)下的最大干密度，此時對應(yīng)的含水率稱為最優(yōu)含水率。 2.7.2 影響擊實效果的因素2.7.2 影響擊實效果的因素1、土料的最大干密度和最優(yōu)含水率不是常數(shù)。最大干密度隨擊數(shù)的增加而逐漸增大，最優(yōu)含水率則逐漸減小。但是這種增大或減小的速率是遞減的，因而光靠增加擊實功能來提高土的干密度是有一定限度的。 2、含水率較低時擊數(shù)的影響顯著。當(dāng)含水率較高時，含水率與干密度的關(guān)系曲線趨近于飽和線，也就是說，這時提高擊實功能是無效的。填料的含水率過高和過低都是不利的，過高惡

16、化土體的力學(xué)性質(zhì)，過低則填土遇水后容易引起濕陷。 擊實功的影響 ：土類和級配的影響 ：同樣的含水率情況下，粘性土的粘粒含量越高或塑性指數(shù)越大，越難于壓實；對于無粘性土，含水率對壓實性的影響沒有像粘性土那么敏感，其擊實曲線與粘性土不同，在含水率較大時得到較高的干密度。因此在無粘性土的實際填筑中同時需要不斷灑水使其在較高含水率下壓實。無粘性土通常用相對密實度來控制，一般不進行擊實試驗；級配良好的土易于壓實，反之則不易壓實 。2.7.2 影響擊實效果的因素 工程實踐中，用土的壓實度或者壓實系數(shù)來直接控制填方工程質(zhì)量，壓實系數(shù)定義為工地壓實時要求達到的最大干密度與室內(nèi)擊實試驗所得到的最大干密度之比值。

17、2.7.2 壓實度（壓實系數(shù)） 在工地對壓實度進行檢驗，一般采用灌砂法、濕度密度儀法或核子密度儀來測定土的干密度和含水量。2.7.2 壓實度（壓實系數(shù)）2.7.3 砂土液化液化：任何物質(zhì)轉(zhuǎn)化為液體的行為或過程。就無粘性土而言，這種由固體狀態(tài)變?yōu)橐后w狀態(tài)的轉(zhuǎn)化是由于孔隙水壓力增大和有效應(yīng)力減小的過程。（美國土木工程協(xié)會巖土工程分部土動力學(xué)委員會） 土體液化是指飽和狀態(tài)砂土或粉土在一定強度的動荷載作用下表現(xiàn)出類似液體性質(zhì)而完全喪失承載力的現(xiàn)象。 砂土液化宏觀表現(xiàn) 液化的宏觀表現(xiàn)是：噴水冒砂，地面下陷（震陷），建筑物產(chǎn)生巨大沉降和嚴(yán)重傾斜，甚至失穩(wěn)。（滑坡、上浮） 處于地下水位以下的飽和砂土和粉土的

18、土顆粒結(jié)構(gòu)受到地震作用時將趨于密實，使孔隙水壓力急劇上升，而在地震作用的短暫時間內(nèi)，這種急劇上升的孔隙水壓力來不及消散，使原有土顆粒通過接觸點傳遞的壓力減小，當(dāng)有效壓力完全消失時，土顆粒處于懸浮狀態(tài)之中。這時，土體完全失去抗剪強度而顯示出近于液體的特性，這種現(xiàn)象稱為液化。 砂土液化機理A. 土類；B. 土的密度；C. 土的初始應(yīng)力狀態(tài)；D. 往復(fù)應(yīng)力強度與往復(fù)次數(shù)；A. 土層的地質(zhì)年代；抗震設(shè)計E. 地震烈度和持續(xù)時間。D. 地下水位深度；C. 液化土層的埋深；B. 土的組成和密實程度； 影響土液化的主要因素標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗判別 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗設(shè)備由穿心錘（標(biāo)準(zhǔn)重量63.5kg ）、觸探桿、貫入器等

19、組成。試驗時，先用鉆具鉆至試驗土層標(biāo)高以上15cm，再將標(biāo)準(zhǔn)貫入器打至試驗土層標(biāo)高位置，然后在錘的落距為76cm的條件下，連續(xù)打入土層30cm，記錄所得錘擊數(shù)為N63.5。標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗錘擊數(shù)臨界值Ncr的確定： 當(dāng)?shù)孛嫦?5m深度范圍內(nèi)情況:判別15-20m范圍內(nèi)土的液化可能性時，錘擊數(shù)臨界值Ncr2.8 地基土的工程分類我國的分類方法至今尚未統(tǒng)一，不同的部門根據(jù)各自行業(yè)特點建立了各自的分類標(biāo)準(zhǔn)。一般對粗粒土主要按顆粒組成進行分類，粘性土則按塑性指數(shù)分類。目前國內(nèi)應(yīng)用于對土進行分類的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程（規(guī)范）主要有以下幾種： （1）建設(shè)部土的分類標(biāo)準(zhǔn)（GBJ145-90） （2）建設(shè)部建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計

20、規(guī)范（GB20007-2002） （3）交通部公路土工試驗規(guī)程（JTJ051-93） （4）水利部土工試驗規(guī)程（SL237-1999）2.8 地基土的工程分類 一、巖石 定義：顆粒間牢固聯(lián)結(jié)，呈整體或具有節(jié)理裂隙的巖體。作為建筑物地基，除應(yīng)確定巖石的地質(zhì)名稱外，還應(yīng)劃分其堅硬程度、風(fēng)化程度和完整程度。1. 按堅硬程度分為：堅硬巖、較硬巖、較軟巖、軟巖、極軟巖。2. 按巖石風(fēng)化程度分為：未風(fēng)化、微風(fēng)化、中風(fēng)化、強風(fēng)化、全風(fēng)化。3. 按完整程度分為：完整、較完整、較破碎、破碎、極破碎。4. 按成因分為：巖漿巖、沉積巖、變質(zhì)巖。 2.8 地基土的工程分類 二、碎石土 1、定義：粒徑d2mm的顆粒含量

21、超過全重50%的土。 2、分類依據(jù)：土的粒組含量及顆粒形狀。 3、定名：漂石、塊石、卵石、碎石、圓礫、角礫。 4、工程性質(zhì)：根據(jù)骨架顆粒含量占總重的百分比，顆粒的排列，可挖性與可鉆性分為密實、中密、稍密和松散四等。 常見碎石土強度大、壓縮性小、滲透性大，為良好地基。 2.8 地基土的工程分類土的名稱粒組含量礫砂粒徑大于2mm的顆粒占全重25-50%。粗砂粒徑大于0.5mm的顆粒超過全重50%。中砂粒徑大于0.25mm的顆粒超過全重50%。細砂粒徑大于0.075mm的顆粒超過全重85%。粉砂粒徑大于0.075mm的顆粒超過全重50%。2.8 地基土的工程分類三、砂土 1、定義：粒徑d2mm的顆粒

22、含量不超過全重的50%，且粒徑d0.075mm的顆粒超過全重50%的土。 2、密實度：密實、中密、稍密、松散四狀態(tài)。 3、工程性質(zhì)：礫砂、粗砂、中砂一般為良好地基；細砂、粉砂具體分析。2.8 地基土的工程分類 四、粉土定義：粒徑d0.075mm的顆粒含量不超過全重50%，且Ip10的土。組成：一般為砂粒、粉粒、粘粒的混合體。分類：根據(jù)粒徑d0.005mm的顆粒含量是否超過全重10%，分為粘質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土。密實度：密實(e0.75)、中密(0.75e1為松散狀態(tài)，屬軟弱地基；飽和稍密粉土，地震時易產(chǎn)生液化，為不良地基。土的名稱 粉質(zhì)粘土粘土塑性指數(shù) 10 17狀態(tài)堅硬硬塑可塑軟塑流塑液性指數(shù)IL 000.250.250.750.751.0IL 1.0定義：是指粒徑小于0.005mm的顆粒含量占大多數(shù)，塑性指數(shù)Ip102.8 地基土的工程分類五、粘性土2.8 地基土的工程分類 工程實踐表明，土的沉積年代對土的工程性質(zhì)影響很大，不同沉積年代的粘性土，盡管其物理性質(zhì)指標(biāo)可能很接近，但其工程性質(zhì)可能相差很懸殊。 根據(jù)巖土工程勘察規(guī)范（GB50021-2001）按土的沉積年代又分為：老粘性土、一般粘性土和新近沉積的粘性土。老粘性土：第四紀(jì)晚更新世（Q3）及其以前沉積的粘性土。廣泛分布于長江中下游、湖南、內(nèi)蒙古等地，沉積年代久，工程性能好。