土力学及基础工程

学习要求了解土的成因和三相组成，掌握土的物理性质和物理状态指标的定义、物理概念、计算公式和单位。要求熟练地掌握物理指标的三相换算。了解地基土的工程分类依据与准确定名。基本内容◇土的三相组成◇土的三相比例指标◇土的结构与构造◆粘性土的界限含水量◆砂土的密实度◆土的工程分类土的物理性质和工程分类土的物理状态指标…1所谓土的物理状态，对于无粘性土是指土的密实度；对于粘性土是指土的软硬程度或称粘性土的稠度。无粘性土的密实度砂土的密实度对其工程性质具有重要的影响。密实的砂土具有较高的强度和较低的压缩性，是良好的建筑物地基；松散的砂土，尤其是饱和松散砂土，不仅强度低，且水稳定性很差，容易产生流砂、液化等工程事故。对砂土评价的主要问题是正确地划分其密实度。土的密实度通常是指单位体积中固体颗粒充满的程度。密实度反映无粘性土工程性质的主要指标。判别砂土的密实度有以下三种方法。土的物理状态指标…2用孔隙比e为标准砂土的密实度（74规范）评价：（1）优点：简捷方便；（2）缺点：无法反映土的粒径级配因素。密实中密稍密松散砾砂粗砂中砂e0.60.6e0.750.75e0.85e0.85细砂粉砂e0.70.7e0.850.85e0.95e0.95土的物理状态指标…3用相对密实度Dr为标准Dr—土的相对密实度；emax—土的最大孔隙比；emin—土的最大孔隙比；e—土的天然孔隙比。评价：（1）优点：理论上完善；（2）缺点：实际上难以操作。maxmaxminreeDee密实度密实中密松散相对密度1.0～0.670.67～0.330.33～0土的物理状态指标…4用标准贯入试验N为标准标准贯入试验(SPT)是动力触探的一种，它利用一定的锤击动能(锤重63.5kg，落距76cm)，将一定规格的对开管式的贯入器打入钻孔孔底的土中，根据打入土中的贯阻抗，判别土层的工程性质。贯入阻抗用贯入器贯入土中30cm的锤击数N63.5表示，N63.5也称为标贯击数。该实验的的应用主要有评定砂土的相对密度、评定地基土承载力、估算单桩承载力等。建筑地基基础设计规范(GB50007-2002)锤击数N63.5N63.5≤1010N63.5≤1515N63.5≤30N63.530密实度松散稍密中密密实土的物理状态指标…5标准贯入试验(SPT)土的物理状态指标…6粘性土的稠度稠度指粘性土含水量不同时所表现出的物理状态,它反映了土的软硬程度或对外力引起的变化或破坏的抵抗能力的性质。随着含水量的改变，粘性土将经历不同的物理状态。◇当含水量很大时，土是一种粘滞流动的液体即泥浆，称为流动状态；◇随着含水量逐渐减少，粘滞流动的特点渐渐消失而显示出塑性，称为可塑状态；◇当含水量继续减少时，则发现土的可塑性逐渐消失，从可塑状态变为半固体状态。◇如果同时测定含水量减少过程中的体积变化，则可发现土的体积随着含水量的减少而减小，但当含水量很小的时候，土的体积却不再随含水量的减少而减小了，这种状态称为固体状态。土的物理状态指标…7粘性土的稠度界限含水量：粘性土由一种状态转到另一种状态时的分界含水量。液限wL：流动状态与可塑状态间的分界含水量称液限；塑限wp：可塑状态与半固体状态间分界含水量称塑限；缩限ws：半固体状态与固体状态间的分界含水量称缩限。土的物理状态指标…8测试方法用搓条法测定塑限wp搓条法:即用双手将天然湿度的土样搓成小圆球（球径小于10mm），放在毛玻璃板上再用手掌慢慢搓滚成小土条，用力均匀，搓到土条直径为3mm，出现裂纹，自然断开，这时土条的含水量就是塑限wp值。搓好的泥条土的物理状态指标…9用平衡锥式液限仪测定wL其工作过程是：将粘性土调成均匀的浓糊状，装满盛土杯，刮平杯口表面，将76克重圆锥体轻放在试样表面的中心，使其在自重作用下徐徐沉入试样，若圆锥体经5秒种恰好沉入10mm深度，这时杯内土样的含水量就是液限wL值。为了避免放锥时的人为晃动影响，可采用电磁放锥的方法。锥式液限仪(见动画)土的物理状态指标…10塑性指数Ip定义：是指液限和塑限的差值（省去%号），即土处在可塑状态的含水量变化范围，用Ip表示。物理意义：塑性指数愈大，土处于可塑状态的含水量范围也愈大。塑性指数的大小与土中结合水的可能含量有关，土中结合水的含量与土的颗粒组成、矿物组成以及土中水的离子成分和浓度等因素有关。工程应用：由于塑性指数在一定程度上综合反映了影响粘性土特征的各种重要因素，因此，在工程上常按塑性指数对粘性土进行分类。pLpIww17pI1017pI粘土粉质粘土土的物理状态指标…11液性指数IL定义：是指粘性土的天然含水量与塑限的差值除以塑性指数，用IL表示。即物理意义：液性指数也称相对稠度，反映了土的硬度不同。工程应用：根据IL不同，可划分五种软硬不同的状态。ppLpLp状态坚硬硬塑可塑软塑流塑液性指数IL≤00IL≤0.250.25IL≤0.750.75IL≤1.0IL1.0土的物理状态指标…12活动度(了解)定义：粘性土的塑性指数与土中胶粒含量百分数的比值，用A表示。即P0.002—粒径0.002mm颗粒占总重量的百分比。物理意义：反映粘性土中所含矿物的活动性,它也是衡量土中粘性矿物吸附结合水的能力。A0.75非活性粘土;A1.25活性粘土;0.75A1.25正常粘土。0.002pIAP土的物理状态指标…13灵敏度定义：是指粘性土的原状土的无侧限抗压强度qu与重塑土的无侧限抗压强度qur比值，用St表示。即物理意义：反映了粘性土的结构性的强弱。工程应用：保护基槽，以免破坏破坏其结构，降低地基强度。1St≤2低灵敏;2St≤4中灵敏;St4高灵敏。uturqSq土的工程特征土与其它连续介质的建筑材料，具有下列三个显著的工程特征：1.压缩性高反映材料压缩性高低的指标弹性模量E(土称变形模量),随着材料的不同而有极大的差别,例如:钢筋E=21万MPa;C20混凝土E=2.0万MPa;卵石E=50MPa;饱和细砂E=10MPa.2.强度低为抗剪强度，而非抗压、抗拉强度；3.透水性大颗粒之间有无数孔隙。土的工程分类…1土的形成与工程特性的关系由于各类土的生成条件不同，它们的工程特性往往相差悬殊：1.搬运、沉积条件通常流水搬运沉积的土优于风力搬运沉积的土。2.沉积年代通常土的沉积年代越长，土的工程性质越好。3.沉积的自然地理环境自然地理环境不同所生成的土的工程性质差异也很大。土的工程分类…2土的工程分类…3土的分类与定名的必要性土的分类原则：将其划分为一定的类别，同一类别的土在工程地质性质上应比较接近。1、根据地质成因可分为残积土、坡积土、洪积土、冲积土、风积土等。2、根据颗粒级配或塑性指数可分为碎石土、砂土、粉土和粘性土。3、根据土的工程特性的特殊性可分为一般土和特殊土土的分类标准：世界各国、各地区、各部门，根据自己的传统和经验，都有自己的分类标准。据《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2002)土的工程分类…4岩石定义：颗粒间牢固联结，形成整体、节理、裂隙的岩体。分类：◇按成因分为岩浆岩、沉积岩和变质岩；◇按坚硬程度分为坚硬岩、较硬岩、较软岩、软岩、极软岩等；◇按风化程度分为未风化、微风化、中风化、强风化、全风化等；◇根据完整性可分完整、较完整、较破碎、破碎和极破碎等。土的工程分类…5碎石土定义：粒径2mm的颗粘含量超过全重的50%。分类：按粒径和颗粒形状可进一步划分为漂石、块石、卵石、碎石、圆砾和角砾，见下表。碎石土的分类碎石土没有粘性和塑性，属于单粒结构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200mm的颗粒超过全重的50％卵石碎石圆形及亚圆形为主棱角形为主粒径20mm的颗粒超过全重的50％圆砾角砾圆形及亚圆形为主棱角形为主粒径2mm的颗粒超过全重的50％土的工程分类…6砂土定义：指粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重的50%、粒径大于0.075mm的颗粒超过全重50%的土。分类：砂土按粒组含量分类如下表碎石土的分类土的名称颗粒级配砾砂粒径2mm的颗粒占全重的25～50％粗砂粒径0.5mm的颗粒超过全重的50％中砂粒径0.25mm的颗粒超过全重的50％细砂粒径0.75mm的颗粒超过全重的85％粉砂粒径0.75mm的颗粒超过全重的50％土的工程分类…7粉土定义：粉土是指粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过总质量的50％，且塑性指数Ip≤10的土。粉土是介于砂土和粘性土之间的过渡性土类，它具有砂土和粘性土的某些特征，根据粘粒含量可以将粉土再划分为砂质粉土和粘质粉土。土的工程分类…8粘性土定义：粘性土是指塑性指数10的土。根据塑性指数大小，粘性土可再划分为粉质粘土和粘土两个亚类：当10Ip≤17时为粉质粘土；当Ip17时为粘土。又可按沉积年代分类老粘土：Q3及以前的土，强度高，压缩性低一般粘性土：Q4新近沉积的粘性土：文化期以来(久固结)土的工程分类…9人工填土定义：人工填土是指由人类活动而堆填的土。其物质成分较杂，均匀性较差。根据其物质组成和堆填方式，填土可分为素填土、杂填土、冲填土和压实填土四类。各类填土应根据下列特征予以区别：1、素填土是由碎石、砂或粉土、粘性土等一种或几种材料组成的填土其中不含杂质或含杂质很少。按主要组成物质分为碎石素填土、砂性素填土、粉性素填土及粘性填土。经分层压实后则称为压实填土。2、杂填土是含大量建筑垃圾、工业废料或生活垃圾等杂物的填土。按其组成物质成分和特征分为建筑垃圾土、工业废料土及生活垃圾土。3、冲填土为由水力冲填泥浆形成的填土。土的工程分类…10土层分布示意土的工程分类…11特殊土定义：特殊土是指在特定地理环境或人为条件下形成的具有特殊性质的土。它的分布一般具有明显的地域性。特殊土包括软土、人工填土、湿陷性黄土、红粘土、膨胀土、多年冻土等。软土是指沿海的滨海相、三角洲相、湖泊相、沼泽相等主要由细粒土组成的土，具有孔隙比大（一般大于1）、天然含水量高（接近或大于液限）、压缩性高和强度低的特点。包括淤泥、淤泥质粘性土、淤泥质粉土等。多数还具有高灵敏度的结构。淤泥：天然含水量大于液限，天然孔隙比≥1.5的粘性土。淤泥质土：天然孔隙比小于1.5但≥1.0的粘性土。当土中有机质含量大于5%时称为有机质土；大于60%时则称泥炭。泥炭往往以夹层构造存在于一般粘性土层中，对工程十分不利，必须引起足够重视。土的工程分类…12湿陷性黄土：是指土体在一定压力下受水浸湿时产生湿陷变形量达到一定数值的土。(湿陷变形量按野外浸水载荷试验确定)红粘土：是指碳酸盐岩系的岩石，经红土化作用形成并覆盖于基岩上的棕红、褐黄等颜色的高塑性粘土。其液限一般大于50，上硬下软，具明显的收缩性，裂隙发育，经坡、洪积再搬运后仍保留红粘土基本特征，液限大于45小于50的土称为次生红粘土。我国的红粘土以贵州、云南、广西等省区最为典型，分布广。膨胀土：一般是指粘粒成分主要由亲水性粘土矿物（以蒙脱石和伊利石为主）所组成的粘性土，在环境和湿度变化时，可产生强烈的胀缩变形，具有吸水膨胀、失水收缩的特性。已有的建筑经验证明，当土中水份聚集时，土体膨胀，可能对与其接触的建筑物产生强烈的膨胀上抬压力而导致建筑物的破坏；土中水分减少时，土体收缩并可使土体产生程度不同的裂隙，导致其自身强度的降低或消失。土的工程分类…13多年冻土：是指温度等于或低于摄氏零度、含有固态水且这种状态在自然界连续保持三年或三年以上的土。当自然条件改变时，会产生冻胀、融陷、热融滑塌等特殊不良地质现象及发生物理力学性质的改变。小结