土的物理性质与工程分类(修改)PPT幻灯片课件

1、土力学地基基础SoilMechanicsandFoundationEngineering 河南工程学院土木工程学院孙彦飞 1 第二章 介绍土的形成及物质组成 从定性和定量两个方面描述土体的物质组成 密实程度及工程应用 土的物理性质及工程分类 主要内容 2 知识要点 了解无粘性土的密实度概念及判别方法 掌握粘性土的塑性指数和液性指数的作用和用途 以及粘性土的物理状态评价 掌握无粘性土和粘性土的分类依据和分类方法 3 2 1土的成因 土是岩石经过风化 剥蚀 破碎 搬运 沉积等过程后在不同条件下形成的自然历史的产物 搬运 沉积 一 土体的生成 风化 4 生物风化 物理风化 化学风化 矿物成分未变 无粘性土 原生矿物 矿物成分改变 粘性土 次生矿物 风化作用分类 有机质 岩石和土的粗颗粒受各种气候因素的影响产生胀缩而发生裂缝 或在运动过程中因碰撞和摩擦而破碎 母岩表面和碎散的颗粒受环境因素的作用而改变其矿物的化学成分 形成新的矿物 动植物活动引起的岩石和土体粗颗粒的粒度或成分的变化 5 定义 土体的结构是指土生成过程中所形成土粒的空间排列及其形式 力学特性 影响 土的结构 反映 土的成分形成条

2、件 分类 单粒结构蜂窝结构絮状结构 二 土的结构和构造 6 粒间作用力 可否作天然地基 矿物成分 单粒结构 示意图 重力 毛细力 密实的单粒结构是良好的天然地基 原生矿物 指粗砂粒或更粗大的颗粒在水或空气中沉积形成 粗粒土的结构 松散 密实 7 粒间作用力 形成环境 可否作为天然地基 矿物成分 水中的悬浮力 自重力 斥力减小引力增加 絮状结构 凝聚结构 蜂窝结构 分散结构 示意图 颗粒间的引力 自重力 粒间引力占优势 淡水中沉积 海水中沉积 次生矿物 次生矿物 注意 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 不可 不可 细粒土的结构 是指由粉粒 粒径0 005 0 075mm 在水中下沉时形成的 是指由粘粒 粒径 0 005mm 集合体组成 8 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 9 土的构造 是指土体中各结构单元之间的关系 主是从宏观角度研究土的组成 其主要特点是土的成层性和裂缝性 力学特性 影响 土的构造 类型 层状构造分散构造裂隙构造结核状构造 通常分散构造土的工程性质最好是理想地基 结核状构造土的工程性质取决于细粒土部分 裂隙构造

3、不连续的裂缝破坏土的整体性 故土的工程性质最差 10 三 土的工程特性 1 压缩性高 2 强度低 3 透水性大 土的生成与工程特性的关系沉积年代越长 工程特性越好 Q3以前的粘性土称为老粘性土 密度大 强度高 压缩性低 为良好天然地基 Q4以后的粘性土 其性质要通过实验测定 11 气相 固相 液相 构成土骨架 起主体作用 重要影响 土体 次要作用 土体三相组成示意图 2 2土的组成 12 一 土中的固体颗粒 固相 物理状态力学特性 粒组的划分 土的颗粒级配 土粒的矿物成分 13 颗粒级配 颗粒大小 土中各个粒组的相对含量 常用表格法或粒径曲线法表示 影响土性质的主因 14 表格法表示的粒组划分 15 粒径级配 筛分法 适用于粒径在0 075 60mm的土 密度计法 适用于粒径小于0 075mm的土根据斯托克斯 Stokes 定理 球状的细颗粒在水中下沉速度与颗粒直径的平方成正比 基于这一原理 实验室常用密度计测试水土悬液在不同时间的密度 进而确定土样中各粒组的相对含量 这一方法称为密度计法 通常将各粒组的相对含量 用质量百分数来表示 16 筛分法 d 0 075mm的土 17 105

4、02 01 00 50 250 1 200g 10161824223872 P 958778665536 筛分法原理图 筛分法就是用一套标准筛子如孔直径 mm 20 10 5 0 2 0 l 0 0 5 0 25 0 1 0 075 将烘干且分散了的200g有代表性的试样倒入标准筛内摇振 然后分别称出留在各筛子上的土重 并计算出各粒组的相对含量 即得土的颗粒级配 18 密度计法 d 0 075mm的土 19 典型颗粒级配曲线 小于某粒径之土质量百分数P 粒径 mm 20 d60 d50 d10 d30 特征粒径 d60 控制粒径d10 有效粒径d30 中值粒径 不均匀程度 Cu d60 d10 不均匀系数 Cu 5 级配不均匀 粗细程度 用平均粒径d50表示 21 连续程度 Cc d302 d60 d10 曲率系数 较大颗粒缺少 Cc减小 较小颗粒缺少 Cc增大 Cc 1 3 级配连续性好 22 粒径级配累积曲线及指标的用途 粒组含量用于土的分类定名 工程中用不均匀系数Cu评价土的不均匀程度 Cu 5 不均匀土 Cu 5 均匀土 曲率系数Cc用于判定土的连续程度 Cc 1 3 级配连续

5、土 Cc 3或Cc 1 级配不连续土 不均匀系数Cu和曲率系数Cc用于判定土的级配优劣 当Cu 5且Cc 1 3时 为级配良好的土 当Cu3或Cc 1时 为级配不良的土 23 土粒的矿物成分 粗粒土主要是原生矿物的产物 一般碎石 砂都属于此类 细粒土主要是次生矿物的产物 主要是粘土矿物 包括三种类型高岭石 伊利石 蒙脱石 三种粘土矿物的亲水性依次增强 粘土矿物 由硅氧四面体和铝氢氧八面体构成的晶胞所组合而成 决定于母岩的矿物成分及风化作用 24 25 硅氧四面体晶片的结构 26 铝氢氧八面体晶片的结构 27 粘土矿物的晶格构造 高岭石 蒙脱石 伊利石 粒径比表面积胀缩性渗透性强度压缩性 大10 20m2 g小大大小 中80 100m2 g中中中中 小800m2 g大小小大 28 二 土中水 液相 根据土体中水分子受到电场力的作用大小 土体中的液态水主要可以分为 结合水借助于电分子引力牢固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 重力水 毛细水 强结合水 弱结合水 液态水 固态水 气态水 1 土中水分类 29 2 水的性质 排列致密 定向性强密度 1g cm3冰点处于零下几十度

6、具有固体的的特性温度高于100 C时可蒸发强结合水性质稳定 强结合水 位于强结合水之外 以水膜的形式包围着土粒外力作用下可以移动不因重力而移动 有粘滞性 弱结合水 固定层 扩散层 30 土中毛细现象 毛细水 分布在土粒内部相互贯通的孔隙可以看成许多形状不一 直径互异 彼此连通的毛细管 重力水 是位于地下水位以下的土空隙中 能在重力或压力作用下流动 其性质能传递静水压力并产生浮力 31 三 土中气体 气相 土体中的气体是指存于土体空隙中未被水占据的部分 存在形式有两种 自由气体 与大气相通 对土的性质影响不大 封闭气体 与大气隔绝 增大土体的弹性和压缩性 土体中气体 32 2 3土物理性质指标 土的物理状态粗粒土的松密程度粘性土的软硬状态 土的物理性质指标 三相间的比例关系 力学特性 影响 表示 33 一 土的三相图 质量 体积 34 二 土的物理性质指标的确定 A基本指标 有3个基本指标 可通过试验测定 直接测定指标 1 土的密度 单位体积土的质量 土的密度可用环刀法测定 重度表示单位体积土的重力密度 近似取 35 A基本指标 2 土粒比重 土粒质量与同体积的4 纯水的质量之比 可用比

7、重瓶法测定 4 时纯水的密度 等于 无量纲 故数值上 36 A基本指标 3 土的含水量w 土中水的质量与土粒质量之比 以百分数计 烘干法测定 是标志土的湿度的重要指标 37 B导出指标 反映土的孔隙特征 含水程度的指标 1 2 3 1 土的孔隙比 土中孔隙体积与土粒体积之比 用小数表示 是反映土的密实程度的重要指标 38 B导出指标 2 土的孔隙率 土中孔隙体积与总体积的百分比 反映土中孔隙大小的程度 粗粒土孔隙率小 细粒土孔隙率大 也可表示一种土的松密程度 39 B导出指标 3 土的饱和度 土中所含水分的体积与孔隙体积之比 以百分数计 描述土体中孔隙被水充满的程度 40 B导出指标 反映土的相关密度的指标 4 5 6 4 干密度 单位体积中土粒质量 工程上常把作为评定土体紧密程度的标准 以控制填土工程的施工质量 41 B导出指标 5 饱和密度 土孔隙中充满水时单位体积质量 42 B导出指标 6 有效密度 在地下水位以下 单位土体积中土粒的质量扣除同体积水的质量后即为单位土体积中土粒的有效质量 43 反映土的密度指标有五个 d sat ds 反映土的湿度指标有两个 sr 反映土的土的孔

8、隙特征有两个 en 土的天然密度 三个指标最基本物理指标 可直接通过实验测定得出 天然含水量 土的比重ds 以上9项物理性质指标 其中 44 则 三 指标间的相互换算 指标间的相互换算 常根据土的三相比例指标换算图进行各指标间关系的推导 令 45 换算公式的推导 46 换算公式的推导 47 例题分析 解 48 例题分析 例1解 续 49 例题分析 50 例题分析 例2解 续 51 例题分析 例3 某土样 重量为1 87N 体积为100cm3 烘干后 烘干土质量为1 67N 已知土粒的比重ds为2 66 试求 e sr d sat和 解 52 作业 53 2 4土的物理状态指标 无黏性土的密实度 黏性土的稠度 物理状态力学特性 54 一 无黏性土的密实度 无粘性土的密实程度 工程性质 影响 指具有单粒结构的碎石土与砂土 土粒之间无粘结力 呈松散状态 无粘性土 土密实 结构稳定 强度高 压缩性低变形小 土松散 结构不稳定 强度低 压缩性高 变形大 如何评定无粘性土密实度 碎石土用触探锤击数 63 5 砂土用相对密实度Dr 现场标准贯入试验锤击数 55 优点 简单方便 缺点 不能反映级配的影

9、响且只能用于同一种土 孔隙比e或孔隙率n emax与emin 最大与最小孔隙比 相对密实度 Dr 1 最密状态Dr 0 最松状态Dr 0 33 疏松状态0 330 67 密实状态 判别标准 优点 把土的级配因素考虑在内 理论上较为完善 缺点 e emin eman难以准确测定 56 根据现场标准贯入试验锤击数 判定 标准贯入试验是一种原位测试方法 试验方法 将质量为63 5kg的锤头 提升到76cm的高度 让锤自由下落 打击标准贯入器 使贯入器入土深为30cm所需的锤击数 记为N 这是一种简便的测试方法 N的大小 综合反映了土的贯入阻力的大小 亦即密实度的大小 我国 岩土工程勘查规范 GB50021 94 规定砂土的密实度按表标准贯入锤击数进行划分 判定标准 57 二 粘性土的物理特性 粘性土的物理状态可以用稠度表示 稠度是反映粘性土处于不同含水量时的软硬程度或稀稠程度 粘性土从一种状态过度到另一种状态的分界含水量称为界限含水量 塑限 p 液限 L 稠度界限 粘性土随含水量变化可改变土的物理形态 半固态 可塑状态 流动状态 强结合水膜最大 出现自由水 稠度状态 含水量 半固态 缩限 s

10、 58 1 界限含水量的测定方法 1 液限 L 锥式液限仪测定法 76g锤经5s恰好沉入土10mm所对应的含水量 碟式液限仪测定法 以2转 秒的速度 使碟子反复起落 坠击底座 当25击V型土槽合拢长度恰好13mm所对应的含水量 锥式液限仪 碟式液限仪 59 2 塑限 p 滚搓法 将天然湿度的土体在毛玻璃上搓成直径为3mm土条时 土条恰好产生裂缝并开始断裂时的含水量 液 塑性联合测定法 利用液 塑性联合测定仪同时测定3份不同含水量的同一个土样 得到圆锥下沉深度和含水量关系曲线 则曲线上对应深度为10mm及2mm时土样的含水量就分别为该土的液限和塑限 圆锥入土深度与含水量关系 60 2 塑性指数Ip和液性指数IL 塑性指数的数值大小可反映粘性土可塑范围的大小 塑性指数越大 表明粘性性土粘性和塑性越好 与粘粒含量有关 粘粒含量越多 吸附水的能力越大 塑性指数Ip 工程上常用塑性指数作为粘性土与粉土定名分类的依据 缺点 不能充分反映粘土颗粒含量 不同的粘土矿物吸服水的能力不同 61 液性指数IL wp w wl IL1 坚硬状态可塑状态流态 0 00 0 250 25 0 750 75 1 0

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